AVALIAÇÃO DA INTERELAÇÃO ENTRE OS PADRÕES DE
ESCOAMENTO E O PROCESSO DE CORROSÃO EM ELETRODOS
CILINDRICOS ROTATÓRIOS (ECR)
David Barbosa Lacerda [Bolsista PIBIC/CNPq] , Renato do Nascimento Siqueira [Orientador]
Coord. de ENGENHARIA MECÂNICA
Campus SÃO MATEUS
Instituto Federal do Espírito Santo - Ifes
[email protected], [email protected]
Resumo – Este trabalho apresenta um estudo dos parâmetros envolvidos no processo de corrosão de eletrodos
cilíndricos rotatórios utilizando simulação numérica. Foram selecionados para análise parâmetros como
velocidade, energia cinética turbulenta (TKE) e tensão de cisalhamento, a fim de determinar seus valores
absolutos e seus valores médios.
Palavras-chave: corrosão, energia cinética turbulenta, tensão de cisalhamento, eletrodo cilíndrico rotatório.
Abstract - This paper shows a study of the parameters related to the corrosion process on rotating cylinder
electrodes using numerical simulation. Parameters like velocity, turbulent kinetic energy (TKE) and shear stress
were selected for the analysis, aiming to determine their absolute and main values.
Key-words: corrosion, turbulent kinetic energy, shear stress, rotating cylinder electrode.
INTRODUÇÃO
O eletrodo cilindro rotatório (ECR) é uma das ferramentas aplicadas com sucesso para o
estudo de taxas de corrosão. Os sistemas convencionais de ECR são projetados de forma que
o eletrodo gire e crie um escoamento turbulento no fluido [1].
O uso de ECR vem se tornando popular nos estudos de corrosão por apresentar
características como condições hidrodinâmicas bem definidas, facilidade de montagem e
desmontagem, pequena quantidade de volume de fluido utilizado,fácil escoamento e controle
de temperatura. No entanto, o uso do ECR tem sido questionado por alguns pesquisadores,
devido as diferenças encontradas entre os valores de taxas de corrosão medidas em eletrodos
de escoamento em tubos e no ECR. A razão para esta diferença ainda não está bem
compreendida. Porém, alguns trabalhos tem fornecido ideias para explicar esta diferença
aparente [2].
Este trabalho tem por finalidade avaliar a influencia dos parâmetros de escoamento no
processo de corrosão em ECR utilizando o software de simulação ANSYS-CFD. Os valores
utilizados para esta simulação foram obtidos na literatura [3]. Neste projeto são analisados
parâmetros como velocidade, energia cinética turbulenta e tensão de cisalhamento, bem como
seus valores médios.
METODOLOGIA
Para avaliar os parâmetros que estão relacionados à taxa de corrosão no ECR, utilizouse o software ANSYS para realizar a simulação. Foram simulados 5 casos, onde a única
variável alterada foi a velocidade de rotação do ECR. O aparato utilizado na simulação
consiste de dois cilindros concêntricos, no qual o cilindro interno (ECR) é mantido em
rotação e o cilindro externo mantido fixo. Inicialmente foi gerada a geometria do ECR com
diâmetro interno de 2,7cm, diâmetro externo de 10,1cm e comprimento de 2,7cm.
Posteriormente foi gerada uma malha com 332469 elementos e 66609 nós. Além disso, foi
utilizado uma geometria tetraédrica para o elemento da malha. Após esta etapa, foram
definidos os parâmetros para realizar a simulação. Dessa forma, foi escolhido como fluido
água a 25°C. O modelo de turbulência utilizado foi o Shear Stress Trasport. Adotou-se a
condição de não deslizamento. Para cada caso foi definida uma velocidade de rotação. As
velocidades de rotação utilizadas para o 1°, 2°, 3°, 4° e 5° caso foram 25rad/s, 56rad/s,
100rad/s, 157rad/s e 226rad/s, respectivamente.
Assim, cada caso foi simulado e foram escolhidos 10 pontos na parede do eletrodo para
análise. Para cada caso foram gerados gráficos de velocidade, energia cinética turbulenta e
tensão de cisalhamento. Além disso, foi calculado para cada caso o valores médios de cada
variável. A partir de todos os valores médios obtidos, foram criados mais dois gráficos, um
relacionando os valores médios da energia cinética turbulenta com os valores médios de
velocidade e o outro relacionando os valores médios de tensão de cisalhamento com os
valores médios de velocidade. Por fim, foi escolhido o 3° caso para apresentar os resultados e
realizar as discussões do trabalho.
Velocidade (m/s)
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
0
5
10
15 20
25 30
Posição axial (mm)
Figura 1. Variação da velocidade ao longo do
eixo do cilindro.
Energia cinética turbulenta (m²/s²)
RESULTADOS
Nesta seção serão apresentados os resultados que foram obtidos após a simulação para
uma velocidade de rotação de 100rad/s.
A variação da velocidade ao longo do eixo do cilindro é mostrada na Figura 1 e a
Variação da energia cinética turbulenta na Figura 2.
0,015
0,010
0,005
0,000
0
5
10 15 20 25 30
Posição axial (mm)
Figura 2. Variação da energia cinética
turbulenta ao longo do eixo do cilindro.
A variação da tensão de cisalhamento ao longo do eixo do cilindro é apresentado na
Figura 3. O perfil de velocidade no plano axial ao cilindro é mostrado na Figura 4. O gráfico
da variação dos valores médios de energia cinética turbulenta e tensão de cisalhamento em
função dos valores médios de velocidade são mostrados nas Figuras 5 e 6, respectivamente.
Tensão de cisalhamento (Pa)
5
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
25
30
Posição axial (mm)
Figura 3. Variação da tensão de cisalhamento ao longo do eixo do cilindro.
0,06
Tensão de cisalhamento (Pa)
Energia cinética turbulenta (m²/s²)
Figura 4. Perfil de velocidade no plano axial ao cilindro.
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,00
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Velocidade (m/s)
20
16
12
8
4
0
0
1
2
3
4
Velocidade (m/s)
Figura 5. Variação do valor médio de energia Figura 6. Variação do valor médio de tensão
cinética turbulenta em função do valor médio de cisalhamento em função do valor médio de
de velocidade.
velocidade.
DISCUSSÃO E CONCLUSÕES
Para a velocidade de 100 rad/s imposta ao eletrodo durante a simulação, foram obtidos
gráficos de velocidade, energia cinética turbulenta e tensão de cisalhamento variando ao longo
do eixo do cilindro (Figuras 1, 2 e 3).
O valor médio de velocidade obtido foi de 1,33m/s (Figura 1). A variação máxima de
velocidade em relação a este valor médio foi, em termos percentuais, de 0,87%. Para todas as
outras velocidades analisadas esta variação foi menor do que 1%. Para as outras variáveis
avaliadas (TKE e tensão de cisalhamento), os valores médios obtidos foram de 0,0108m²/s² e
4,04Pa, com variação máxima de 2,54% e 5,65%, respectivamente (Figuras 2 e 3). Para
velocidades de rotação menores (25 e 56 rad/s), a variação máxima dos valores de TKE e
tensão de cisalhamento em relação aos seus valores médios foram grandes (da ordem de
20%), pois os valores absolutos dessas variáveis são muito pequenos. Porém, para
velocidades superiores a 100 rad/s, as variações máximas de TKE e tensão de cisalhamento
em relação aos seus valores médios foram inferiores aos valores das variações apresentados
para esta velocidade.
O cálculo dos valores médios das variáveis foi realizado descartando os pontos
pertencentes a extremidade do cilindro, uma vez que nessas regiões os valores dos parâmetros
analisados neste trabalho sofreram uma diminuição sensível devido ao efeito das paredes
(Figuras 1, 2 e 3).
De acordo com a Figura 1, o valor médio de velocidade não sofreu variação
significativa. Em contrapartida, o valor médio de energia cinética turbulenta e tensão de
cisalhamento apresentou valor menor na região mediana do eixo do cilindro. Isto pode ser
explicado pela formação de correntes secundárias nessas regiões (Figura 4). Dessa forma, é
necessário um certo cuidado para escolha do ponto a ser correlacionado com o escoamento
em um duto, pois nessas regiões que apresentam valores menores de energia cinética
turbulenta e tensão de cisalhamento a corrosão seria muito menos pronunciada.
Como pode ser visto pelas Figuras 5 e 6, os valores médios de energia cinética
turbulenta e tensão de cisalhamento aumentam a medida que o valor médio da velocidade
aumenta, pois o aumento da velocidade tende a aumentar o nível de turbulência.
Sendo a corrosão acelerada por fluxo dependente do coeficiente de transferência de
massa, o qual relaciona velocidade e tensão de cisalhamento, um aumento no valor médio
destes parâmetros aumenta o coeficiente de transferência de massa e consequentemente as
taxas de corrosão.
AGRADECIMENTOS
.
Agradeço ao CNPq pela bolsa concedida para realização deste estudo.
REFERÊNCIAS
[1] PRENTICE, G. Electrochemical Engineering Principles. Prentice-Hall International
Editions, EUA, 1991.
[2] GALVAN-MARTINEZ, R.; MENDOZA-FLORES, J.; DURAN-ROMERO, R.;
GENESCA, J. Effect of turbulent flow on the anodic and cathodic kinetics of API X52
steel corrosion in H2S containing solutions. Material and Corrosion, v. 58, n° 7, p.514521, 2007.
[3] MACIEL, J.M.; AGOSTINHO S.M.L. Contruction and charactarization of a cylinder
electrode for different tchnological applications. Journal of Appied Electrochemistry, v. 29,
p. 741-745,1991.