Anais do VIII Seminário de Iniciação Científica e V Jornada de Pesquisa e Pós-Graduação
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS
10 a 12 de novembro de 2010
Estudo da Transferência de Calor por Condução em Graxa
Lubrificante à Base de Sabão de Lítio
LOPES, Thiago O.; FERNANDES, Fernanda S.; LEÃO, Jaqueline O.; GUIMARÃES,
Johnny K. R.; SILVA, Ludmila O.; COSTA, Orlene S.
Universidade Estadual de Goiás - UnUCET, CEP 75000-000, Brasil
[email protected]; [email protected]
PALAVRAS-CHAVE: graxa, lubrificante, calor, lítio.
1
INTRODUÇÃO
Os lubrificantes graxos são produtos semissólidos, de consistência
pastosa, empregados principalmente para reduzir atrito, calor e desgaste entre
peças mecânicas. São resultantes da mistura dos seguintes componentes: 1) Óleos
(minerais e/ou sintéticos); 2) Agente espessante (sólido ou semissólido, a base de
sabões metálicos, silicone ou complexos inorgânicos); e 3) Aditivos especiais, cuja
função é reduzir atrito e oxidação, além de proteger contra as variações de
temperatura (MOLYKOTE, 2010a; TEXACO, 2005; LINO et al., 2001).
As graxas lubrificantes podem ser classificadas de duas formas. A
primeira em função do agente espessante adicionado à composição da massa
lubrificante, que dará a consistência semifluida ou semissólida. E a segunda
classificação é dada pelo grau NLGI, estabelecido pelo National Lubrificating Grease
Institute, que dará a consistência da massa lubrificante em função do grau de
penetração.
Fundamentado neste contexto, é que se diferencia o óleo lubrificante da
graxa lubrificante. Enquanto que os óleos são empregados para resistirem ao
movimento, devido a sua fluidez, cuja principal característica é a viscosidade. As
graxas são utilizadas para resistirem à penetração, tendo como propriedade
característica à consistência.
Anais do VIII Seminário de Iniciação Científica e V Jornada de Pesquisa e Pós-Graduação
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS
10 a 12 de novembro de 2010
A classificação das graxas lubrificantes em função do agente espessante
pode ser a base de: 1) Sabões metálicos (lítio, cálcio, sódio, alumínio e outros); 2)
Sabões complexos (onde o íon metálico forma um complexo cristalino com outros
agentes, como ácido acético, lático, entre outros); 3) Silicone; e 4) Argila
(MOLYKOTE, 2010a; TEXACO, 2005; LINO et al., 2001).
A graxa a base de sabão de lítio é bastante aderente e relativamente
insolúvel em água, tendo múltiplas aplicações, como lubrificações automotivas e
industriais (com exceção de alimentícias, devido aos íons de lítio em sua
constituição). O ponto de fusão do sabão de lítio acontece por volta de 180 °C , o
que permite o uso deste produto até uma faixa de temperatura de 140 °C , durante
curtos períodos. A maioria das graxas de sabão de lítio é aditivada com
antioxidantes,
aditivos resistentes
à extrema pressão (EP),
anticorrosivos,
melhoradores de índice de viscosidade e aditivos de adesividade (TEXACO, 2005).
Já a classificação das graxas lubrificantes em função do grau NLGI, leva
em consideração uma numeração variando de 000 a 6, sendo que a 000 é a de
menor consistência e a 6 a de maior consistência, como demonstrado na Tabela 1.
Tabela 1. Classificação de graxas lubrificantes segundo a NLGI.
Grau NLGI
000
00
0
1
2
3
4
5
6
Penetração Trabalhada
Grau de Consistência
ASTM D-217 (25 ± 2 oC)
445 – 475
Muito viscosa
400 – 430
Extremamente viscosa
355 – 385
Extremamente mole
310 – 340
Muito mole
265 – 295
Mole
220 – 250
Média
175 – 205
Consistente
130 – 160
Muito consistente
85 – 115
Extremamente consistente e dura
Adaptado de: TEXACO (2005).
Graxa de lítio é classificada, segundo o NLGI, como grau 2, de
consistência mole, tendo uma penetração de 28,1 mm , seu ponto de gota (ou ponto
de liquefação) ocorre a 186 °C e temperatura a máxima de operação recomendável
é de 170 °C .
Anais do VIII Seminário de Iniciação Científica e V Jornada de Pesquisa e Pós-Graduação
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS
10 a 12 de novembro de 2010
A distribuição de temperatura para a transferência de calor por condução
é expresso pela Equação (1), sendo ∇ 2T , a variação tridimensional da temperatura;
•
q , o calor gerado dentro do sistema;
, a difusividade térmica; k , a condutibilidade
térmica do meio; T , a temperatura do meio; e t , o tempo de condução térmica
(ÖZI IK, 1990).
•
q 1 ∂T
∇ T+ =
∂t
k
2
(1)
A Equação (1) quando aplicada a transferência de calor por condução
tridimensional, em regime transiente e com geração de calor em um sistema de
coordenadas cilíndricas, se transforma na Equação (2), sendo que R é o raio do
sistema; z , é a altura do sistema; e
, o ângulo:
1 ∂
∂T
1 ∂ 2T ∂ 2T q 1 ∂T
R
+ 2
+
+ =
R ∂R
∂R
∂t
R ∂ 2 ∂z 2 k
(2)
Considerando a transferência de calor por condução em um sistema
cilíndrico isolado termicamente nas laterais, sem geração interna de calor, sendo a
fonte externa ao sistema, a propagação do calor ocorre longitudinalmente em regime
transiente, como expressa na Equação (3):
2
T 1
=
z2
T
t
(3)
Este estudo teve como objetivo avaliar a transferência de calor
unidimensional, em regime transiente e sem geração de calor interna ao sistema, em
uma graxa a base de sabão de lítio.
2
MATERIAIS E MÉTODOS
Anais do VIII Seminário de Iniciação Científica e V Jornada de Pesquisa e Pós-Graduação
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS
10 a 12 de novembro de 2010
Uma graxa lubrificante, a base de sabão de lítio, foi submetida ao estudo
de transferência de calor por condução em regime transiente e propagação de calor
unidimensional, utilizando-se um tubo de policloreto de vinila (PVC) de 18,5 cm de
comprimento e 3,5 cm de diâmetro.
O tubo de PVC foi perfurado, ao longo do tubo, com quatro orifícios,
equidistantes em quatro centímetros. Este tubo foi envolto com cortiça, perfazendo
uma espessura de quatro milímetros, cuja finalidade foi o isolamento térmico lateral.
Na base, utilizou-se papel alumínio o objetivo de direcionar o fluxo de calor no
sentido longitudinal.
Antes do estudo de transferência de calor, obteve-se a massa específica
da graxa, à temperatura ambiente, em duplicata, pelo método do deslocamento de
volume. Em seguida, o tubo foi totalmente preenchido com graxa. No topo do tubo
foi adicionada uma tampa de isopor, com objetivo de evitar a transmissão de calor
por convecção do ar [Figura 1 (a)]. Os termopares foram instalados nos orifícios. E
todo esse conjunto foi revestido com papel alumínio, a fim de minimizar a
transferência de calor por radiação [Figura 1 (b)].
(a) Tubo de PVC, revestido com cortiça,
(b) Tubo de PVC, contendo a graxa
contendo graxa lubrificante à base de sabão
lubrificante sob estudo, com revestimento
de lítio, vedado na base com papel alumínio
final de papel alumínio.
e tampa de isopor.
Figura 1. Sistema cilíndrico empregado no ensaio de transferência de calor por condução.
Anais do VIII Seminário de Iniciação Científica e V Jornada de Pesquisa e Pós-Graduação
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS
10 a 12 de novembro de 2010
As temperaturas do eixo central do recipiente cilíndrico, contendo a graxa
lubrificante, foram medidas nos quatro orifícios: T 1 , T 2 , T 3 e T 4 , correspondentes
às seguintes distâncias da base vedada de alumínio: Z1 = 4,2 cm , Z 2 = 8,2 cm ,
Z 3 = 12,2 cm e Z 4 = 16,2 cm , respectivamente. Este conjunto foi colocado em um
banho termotatizado, com temperatura constante de 62 °C , como apresentado na
Figura 2.
O binômio, tempo e temperatura, foi registrado durante 125 minutos
(cerca de 2 horas), com intervalos de tempo, nos 10 primeiros minutos, de dois em
dois minutos, e o restante do tempo experimental, de cinco em cinco minutos.
Finalizando o estudo, os dados de temperatura e tempo foram dispostos em gráfico
com a finalidade de avaliar o gradiente e a taxa de variação das temperaturas.
Figura 2. Sistema cilíndrico de transferência de calor por condução, inserido em banho
termostatizado, com termopares acoplados.
3
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A massa específica da graxa lubrificante a base de sabão de lítio,
utilizada neste estudo, foi determinada a temperatura ambiente de 27,9 °C , cujo
Anais do VIII Seminário de Iniciação Científica e V Jornada de Pesquisa e Pós-Graduação
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS
10 a 12 de novembro de 2010
valor determinado foi 920 kg.m −3 . Este valor se aproxima da massa específica da
graxa para engrenagem da MOLYKOTE 165 LT, a base de óleo mineral e sabão de
lítio, estimada na faixa de 960 – 1000 kg.m −3 (MOLYKOTE, 2010b).
A disposição gráfica da variação da temperatura em função do tempo,
demonstrada na Figura 3, revelou que os gradientes de temperatura obedeceram a
um modelo matemático não linear, com curvas características exponenciais
crescentes. Sendo que a curva de temperatura do termopar T 1 , localizado mais
próximo da fonte de calor, apresentou um perfil mais afastado das demais curvas de
temperatura ( T 2 , T 3 e T 4 ). Enquanto que estas curvas mostraram-se menos
dispersas uma em relação à outra. Essa dispersão parece indicar que a graxa
lubrificante a base de lítio dificulta a transmissão de calor.
Verificou-se ainda, que o patamar da temperatura de equilíbrio, cerca de
43 °C , ocorreu após 2 horas e 10 minutos do início da transferência de calor.
Sugerindo que, as primeiras camadas de graxa, possuem certa capacidade limite de
retenção de calor, que a partir desse valor, possivelmente ocorra somente perda de
energia. Este aspecto deve estar relacionado à elevada resistência ao transporte de
calor para as camadas mais internas da massa graxa.
Anais do VIII Seminário de Iniciação Científica e V Jornada de Pesquisa e Pós-Graduação
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS
10 a 12 de novembro de 2010
Figura 3. Dispersão da distribuição da temperatura em função do tempo para a transferência
de calor em graxa lubrificante a base de lítio e suas respectivas curvas ajustadas.
4
CONCLUSÕES
O gradiente de temperatura em função do tempo da graxa lubrificante a
base de lítio, submetida à transferência de temperatura, revelou qualitativamente
duas propriedades físico-químicas relevantes: 1) Elevada resistência à transmissão
do calor, e 2) Elevada capacitância térmica. A resistência térmica está relacionada à
dispersão entre os perfis de temperatura versus tempo. Já capacitância térmica deve
estar associada à densidade relativa, estimada em 0,92 , próxima da densidade da
água, que também possui elevada capacitância térmica.
REFERÊNCIAS
LINO, A. C. L.; PECHE FILHO, A.; CORREA, I. M. Uso, vantagens e tipos de...
lubrificantes especiais. Revista Cultivar Máquinas, Pelotas, jul/ago, n.4, p.8-10,
2001.
Anais do VIII Seminário de Iniciação Científica e V Jornada de Pesquisa e Pós-Graduação
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS
10 a 12 de novembro de 2010
MOLYKOTE. Graxas de sabão de lítio. São Paulo: Lumobras, 2010. Disponível em:
<http://www.lubrificantes.net/grx-005.htm>. Acesso em: 12 de Setembro de 2010a.
MOLYKOTE. Graxas para engrenagem MOLYKOTE 165 LT. São Paulo:
Lumobras, 2010. Disponível em: <http://www.lubrificantes.net/grx-005.htm>. Acesso
em: 12 de Setembro de 2010b.
ÖZI IK, M. N. Transferência de calor. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1990.
TEXACO. Graxas lubrificantes. In: Fundamentos de lubrificação. Rio de Janeiro:
Cheveron Brasil, 2005. p. 44-54.