Uma revisão sobre o efeito Toms: o fenômeno onde macromoléculas atenuam a turbulência em um líquido

Abstract

A REVISION ON THE TOMS EFFECT -A PHENOMENON IN WHICH MACROMOLECULES ATTENUATE TURBULENCE IN LIQUIDS.It is very well known that the addition of polymers to a liquid increases the shear viscosity of the solution. In other words, the polymer increases the dissipation of the flow energy. Contrarily, in turbulent flow, some particular macromolecules in very low concentration are able to produce large attenuation in the turbulence and thus, decreasing the dissipation of the energy. This article present a brief revision about macroscopic and molecular models used to explain this dynamic effect. Some of the experimental techniques used to quantify the attenuation of the turbulence and the main active substances are also discussed.Keywords: drag reduction; polymer solutions; wormlike micelles. HISTÓRICOOs primeiros relatos sobre a redução de atrito hidrodinâmico (RAH) datam de 1906, descrevendo o comportamento anômalo do escoamento de pasta de papel.¹ Entretanto, em 1883, em testes para calibrar bombas, já se observava a ocorrência de flutuações de cerca de 10% na vazão de água de reservatórios através de tubos. Muitos anos mais tarde, estas variações foram atribuídas à presença de substâncias de natureza polimérica produzidas por algas.² Apesar do fenômeno da redução de atrito hidrodinâmico (RAH) não ser muito conhecido entre os químicos, sua descoberta (ou pelo menos sua demonstração sistemática) foi feita pelo químico britânico B. A. Toms, em 1948. Toms mostrou que uma solução diluída de poli(metil metacrilato) em monoclorobenzeno, sob certas condições de escoamento turbulento, oferecia menor resistência ao escoamento quando comparada ao solvente puro. O fenômeno passou então a ser conhecido como Efeito Toms, apesar da existência de outros termos como Efeito Texas (devido aos trabalhos sobre RAH desenvolvidos por pesquisadores do estado do Texas).³ Em 1960, foi observado que a goma guar era capaz de produzir RAH em soluções aquosas. 4 Surgiu então a primeira aplicação do fenômeno citada nas refs. 1 e 3: o uso de gomas em suspensões de areia em água para melhorar a fratura de poços de petróleo. Nos anos seguintes, um grande número de artigos e comunicações sobre RAH foi publicado em periódicos das mais diversas áreas do conhecimento, como matemática, física e engenharias, como indicado nas refs. 1 e 3. A multidisciplinaridade de áreas pode ser entendida, uma vez que o fenômeno envolve conceitos de turbulência e dinâmica de polímeros em solução.³ O FENÔMENOUma das mais emblemáticas evidências do efeito de RAH está mostrada na Figura 1, na qual os bombeiros de Nova York demonstram a potencialidade do Efeito Toms para lançar água em maiores distâncias.5 No ensaio, a mesma bomba impulsiona, através de duas mangueiras de mesmo comprimento e diâmetro, apenas água em uma delas, e água contendo 30 ppm de poli(óxido de etileno) em outra. Do ponto de vista físico-químico, esta imagem pode motivar reflexões sobre a razão para tamanha diferença de comportamento, causada pela ínfima quantidade do polímero dissolvido na água. Podese...

Influência De Poliacrilamida Na Redução Da Perda De Carga Em Tubulação De Polietileno

“…A partir deste valor, as substâncias redutoras de atrito começam a atuar, conforme apresentado na Figura 1. O diagrama esquemático indica o comportamento hidrodinâmico ide alizado de um determinado fluido puro (como, por exemplo, a água) e, comparativamente, os efeitos da presença do redutor de atrito hidrodinâmico (BIZOTTO et al, 2011).…”

“…Os valores de vazão também foram alterados, pois o sistema em sua máxima operação sem polímero trabalhou com uma vazão de 0,352 L s -1 , sendo que após a aplicação do polímero, essa vazão passou para 0,572 L s -1 no tubo de 1 polegada, 0,545 L s -1 com 3/4 de polegada e 0,58 L s -1 com o tubo de ½ polegada, confirmando o que Bizotto et al (2011) afirmaram, que uma boa redução de energia elétrica pode ser obtida usando-se bombas operando com menor potência para manter a mesma vazão ou, alternativamente, maior vazão pode ser obtida com as mesmas bombas operando na potencia nominal. Warholic et al (1999) usaram uma solução de poliacrilamida e acrilato de sódio, na água, encontrando uma redução significativa com uma concentração de 0,25 mg L -1 .…”

Estabilidade térmica de micelas gigantes em repouso e sob fluxo turbulento

“…Os pequenos vórtices, por sua vez, dissipam a energia do escoamento, pois apresentam tamanhos onde os processos de difusão das moléculas do solvente se tornam importantes. 12 O fenômeno de redução de atrito hidrodinâmico ocorre mesmo com baixíssimas concentrações, quando a solução em questão se encontra no regime turbulento. 13 Neste fenômeno as macroestruturas moleculares são capazes de minimizar a turbulência e, consequentemente a energia necessária para a solução contendo o agente redutor de atrito fluir é relativamente menor do que a energia requerida pelo solvente puro.…”

Redução de atrito no escoamento de óleo diesel

“…Medir a magnitude da redução de atrito hidrodinâmico é relativamente fácil, considerando a magnitude do efeito (Bizotto et al 2011). Geralmente as medidas de redução de atrito são feitas em tubos capilares (Kulik, 2001), contendo dois transdutores de pressão colocados em pontos distintos da tubulação (Figura 1.9), que medem diferenças de pressão (P 1 e P 2 ).…”

“….......................14 Figura 1.6: Máximas assíntotas de redução de atrito (Virk, 1971) Figura 1.8: Modelo de parâmetros em coordenadas Prandtl-Karman (Hinkebein, 1985). .............20 Figura 1.9: Esquemas de equipamentos usados para medida da redução de atrito hidrodinâmico: A -Reômetro capilar e B -cela de Couette usada em um reômetro rotacional (Bizotto et al 2011) Óleo diesel é um combustível derivado de petróleo e consiste principalmente de carbonos alifáticos contendo de 8 a 28 átomos de carbono com ponto de ebulição variando de 130 a 370°C (Braun et al 2003). Pode ser considerado uma blenda de hidrocarbonetos de frações mais pesadas que as encontradas na gasolina e com uma razão em massa de Hidrogênio/Carbono mais baixa, o que estabelece uma maior emissão de compostos de carbono por unidade de energia entregue ao motor.…”