UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GAL
FACULT ACULTAD DE INGENIERÍA INGENI ERÍA MECÁNICA MECÁNI CA Y ELÉCTRICA. ELÉCTR ICA. LABORATORIO LABORATORIO DE ENERGÍA Y MÁQUINAS TERMICAS.
CURSO
LABORATORIO LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA I.
CATEDRATICO
JULCA OROZCO TEOBALDO. TEOBALDO.
PRACTICA DE LABORATORIO LABORATORIO N° 05
ANALISIS DE VISCOSIDAD DE FLUIDOS NEWTONIANOS (ACEITES).
DATOS PERSONALES
HUANCAS RAMON ROYDER ABRAHAN. CODIGO: !"#$!E
FECHA
#%&#&%
CICLO: VII
NOTA
ANALISIS DE VISCOSIDAD DE FLUIDOS NEWTONIANOS (ACEITES). I. OBJETIVOS
Comp Compor orta tami mien ento to de visco iscosi sid dad del aceit ceite e con resp respec ecto to a la temperatura.
Medir y analizar la viscosidad de los aceites comerciales, encontrando su índice de viscosidad
II II.. FUNDA FUNDAME MENT NTO O TEOR TEORIC ICO O VISCOSIDAD La viscosidad de un fluido, definida por Newton, es la resistencia que ofrece el fluido ido al movimiento entre dos placas paralelas separ separada adass por por una distan distancia cia unida unidad, d, una de ellas fija y la otra móvil que se mueve con la unid unidad ad de velo veloccidad idad.. Esta Esta resi resist sten enci cia a se epr epres esa a como omo coci cocien ente te entr entre e el esfu esfuer erzo zo cortante por unidad de !rea "#$%& y la velocidad cortante por unidad de espesor de la capa de fluido "'$e&. La epresión es( F A μ= V e
Los fluidos fluidos newtonian newtonianos os "a)ua, "a)ua, alco*ol, alco*ol, aceite aceite li)ero de motor& se caracterizan por la relación line lineal al entr entre e el esfu esfuer erzo zo corta cortant nte e unit unitar ario io y la veloc locidad corta rtante unitaria, es decir, la representación )r!fica de F/A con relación a V/e es una línea recta. +tros +tros fluido fluidoss tienen tienen pendi pendient entes es varia variales les y no si)uen si)uen la defini definició ción n de Newton "fluidos no newtonianos&. Estos fluidos no newtonianos se clasifican en( •
viscos osid idad ad aja aja al aume aument ntar ar el esfu esfuer erzo zo cort cortan ante te Tixotrópicos. La visc "pinturas, c*amp-&.
•
Dilatantes. La viscosidad aumenta cuando aumenta el esfuerzo cortante
"mezclas de arena y a)ua&.
•
Plásticos y pseudoplásticos. e comportan como un sólido *asta un
cierto límite del esfuerzo cortante y despu/s se convierten en un fluido newtoniano o no newtoniano.
Muc*os pl!sticos requieren la aplicación de una cierta fuerza a la placa móvil antes de que /sta se mueva y, una vez en movimiento, la viscosidad aparente disminuye al incrementarse la velocidad de la placa "la pendiente aja&. +tros materiales, que en reposo est!n coa)ulados, pasan al estado líquido al ser a)itados "tiotrópicos&. 0a)en12oiseuille definieron la viscosidad en t/rminos m!s pr!cticos epresando la relación entre los esfuerzos y las velocidades cortantes para un tuo capilar de la forma si)uiente( ΔP 2 πxΔPx R 2 xL μ= = 4 xQ 8 xQxL πx R
2
en la que( ΔP 3presión diferencial a trav/s del líquido en el tuo capilar R 3radio interior del tuo
Q
3caudal del fluido
L
3lon)itud del tuo
Los t/rminos relacionados con la viscosidad son( Viscosidad dinámica o absoluta definida por la fórmula de 0a)en12oiseuile, cuya unidad en el sistema de unidades internacionales 4 es el 2a × s, o el m2a × s "5 2a × s 3 5666 m2a × s&, unidad que *a sustituido en el sistema C7 al poise "5 dina × s$cm8& y al centipoise "cp&, equivalente a 6,65 poise "5 m2% × s 3 5 centipoise&.
El a)ua a 86 9C tiene una viscosidad de 5 centipoise. %l)unos valores de viscosidad son los que aparecen en la si)uiente tala(
Viscosidad cinemática, que es el cociente entre la viscosidad din!mica y la
densidad del fluido. u unidad en el sistema internacional "4& es el
2
m /s
,y
2
en el C7 el cm / s , llamado sto:e, y para valores peque;os se emplea el centisto:e "cs& i)ual a 6,65 sto:e "5 m8$s 3 56.666 sto:es&. i la viscosidad se epresa en función del tiempo que un volumen determinado del fluido emplea para pasar a trav/s de un orificio o de un tuo capilar se utilizan las si)uientes unidades( •
•
Escala Saybolt "Estados
6 ml del fluido en pasar a trav/s del orifico calirado de un viscosímetro universal ayolt a una temperatura determinada. Redwood "7ran ?reta;a& 3 =iempo, en se)undos, que tardan @6 ml de
aceite en pasar a trav/s del orifico calirado de un viscosímetro universal Aedwood a una temperatura determinada.
•
Engler "Europa& 3 Aelación entre el tiempo, en se)undos, que tardan
866 ml del fluido y 866 ml de a)ua en pasar a la misma temperatura por un viscosímetro En)ler normalizado. Epresado en )rados En)ler
VISCOSIMETROS Viscosíme!os discontinuos "#e se $asa% e%& a) Medir el tiempo que emplea un volumen dado del fluido para descarar a trav!s de un orificio "fi)ura a&. El orificio puede sustuirse por un tuo capilar.
& Tiempo de ca"da de una #ola met!lica o de ascensión de una uruja de aire en el seno del fluido contenido en un tuo o ien de caída de un pistón en un cilindro "fi)ura &.
c& Par de resistencia de un elemento estacionario en una taza rotaB va que )ira a velocidad constante. El par se mide por el desplazamiento an)ular de un resorte calirado unido al elemento fijo "fi)ura c&.
Viscosíme!os co%i%#os 5& Caída de presión producida por un tubo capilar al paso del fluido que se omea a caudal constante .os tomas, situadas antes y despu/s del tuo capilar, se conectan a un transmisor de presión diferencial neum!tico o electrónico o di)ital.
8& Ro'me!o co% flotador sensible a la viscosidad $ e mantiene un caudal constante del fluido, con lo que la posición del flotador depende de la viscosidad. %l rot!metro se le puede acoplar un transmisor neum!tico, electrónico o di)ital
D& Rotacionales. Miden el par de torsión necesario para *acer )irar un elemento en el fluido. El fluido est! contenido entre dos cilindros, uno fijo "radio % a& y otro )iratorio "radio % i& de lon)itud &, de modo que es dividido en m-ltiples capas con velocidad an)ular diferente, desde 6 a ω El movimiento relativo de las capas indica la =asa cortante " '(ear rate D& y la =ensión cortante " '(ear stress τ &.
La velocidad de )iro es seleccionada ( ω ) ,el par de rotación resistente ( M ) se mide y asi se verifica(
En la norma 4N 4+ D85F(5FFD se indica la forma de determinar la viscosidad utilizando un viscosímetro rotacional. La velocidad de rotación es de 8@ a >66 rpm. El campo de medida es de 56 a [email protected] m2as. El par de torsión aarca de 6,6@ a D6 mNm. G& Vibraciones . La frecuencia de resonancia de una *orquilla o de un cilindro en el seno del fluido indica la densidad, mientras que la amplitud de la viración es inversamente proporcional a la viscosidad. El sistema
electrónico asociado mantiene la viración en la frecuencia de resonancia. La temperatura del fluido aarca desde 1G6 9C a H5@6 9C. El campo de medida es de 6,D a 56.666 c2.
III. I.
EUIOS * INSTRUMENTOS + MATERIALES& 'iscosímetro(
%=+(( Marca(?roo:field1'IE '4C+ME=EA Modelo ( L' 'E8D6 e;al Numer( E56J6 'oltaje ( 8D6 ' #recuencia ( >6 1@6 0z 2otencia
( 86 K.
44.
=emperatura de ulo seco "=?& y ulo *-medo "=?0& "termómetros&(
444.
'aso Cleveland(
4'.
Calentador el/ctrico(
'.
)alón aceite %E D6(
'4.
%)uja ensor n98
IV.
ROCEDIMIENTO
5. <icar los materiales e instrumentos a utilizar en la mesa de ensayo de forma se)ura y ordenada. 8. Medimos la temperatura de ulo seco a tami/n la *umedad relativa con el termómetro tipo . D. Conectamos el viscosímetro y el calentador el/ctrico a la fuente de C%, para poder prender los dispositivos ya mencionados. 2rocedemos al alineamiento del viscosímetro( 'erticalmente *aciendo coincidir las ranuras indicas en el viscosímetro con la ase del mismo. Lon)itudinalmente *aciendo que el nivel en la parte superior se encuentre centrado. Lue)o conectamos el sensor 68 "este es el que se utilizó en el ensayo&. •
•
•
G. Ae)ulamos la velocidad a @6A2M. @. Colocamos el aceite a ensayar en el vaso CLE'EL%N. >. Colocamos el termómetro aproimadamente a un centímetro del fondo del vaso Cleveland y colocarlo en el calentador el/ctrico. J.
DATOS E,ERIMENTALES Los si)uientes datos que se muestran en la tala son los otenidos durante el ensayo realizado. TABLA - PUNTOS
TEMPERATURA
VISCOSID FRICCIÓ VELOCIDA AD (CP) N (%) D
°C
°F
1
!'
100
2
40
104
3
45
113
4
50
122
5
55
6
EXP
(RPM)
!.'
$!.#
50
31.35
41.5
50
20.63
27.4
50
11.85
15.9
50
131
9.30
12.2
50
60
140
6.90
9.3
50
7
65
149
5.33
7.1
50
8
75
167
3.30
4.3
50
9
"#
.$#
".#
50
10
103
217
1.20
1.6
50
Daos /el la$o!ao!io 0ora del Ensayo( 55(66pm I 55(D6pm
Lu)ar del ensayo( Plaoratorio de ener)ía y maquinas t/rmicasQ
Luricante "%ceite&( %E D6
ensor tipo( N9 8
=emperatura de ulo *-medo "=?0&( D8 9C
=emperatura de ulo seco "=?&( D5 9C
'elocidad( @6 rpm
Daos /el aceie
V.
CALCULOS + RESULTADOS
#órmulas utilizadas en el c!lculo del índice viscosidad( IV =
L −U × 100 L− H
ónde( L( viscosidad de un aceite patrón "aceite especial& a( 5669#( IV a =0 •
8569#( IV a = IV usado <( viscosidad aceite usado a 5669# 0( viscosidad del aceite 2atrón( 5669#( IV a =100.4 •
•
8569#( IV a = IV usado 2ero en /ste caso no se tiene el aceite 2atrón, y para calcular el Rndice de 'iscosidad del aceite usado se procede a utilizar las si)uientes relaciones para *allar P0Q y PLQ( •
2
H =0.0408 U + 12.568 U − 475.4 2
L=0.216 U + 12.568 U −721.2
Con la si)uiente condición( 50 SSU ≤ U ≤ 350 SSU SSSSSS"T& onde, en esta condición( <( viscosidad cinem!tica del aceite usado a 8569# 0allando < "viscosidad cinem!tica del aceite usado a 8569#&(
S!"# E#$%&'$ SAE 30 T()*%+, D#$-% *% 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105
0.898 0.891 0.890 0.887 0.885 0.880 0.876 0.874 0.869 0.865 0.861 0.856 0.851 0.848 0.844 0.841 0.838 0.835 0.832 0.829
TEMPERATURA
,C
,F
VISCOSIDAD SEG+N TABLA
VISCOSIDAD E*PERIMENTAL
-S
!'
##
//.'/
40
104
35.63
45
113
23.55
SSU
-S
SSU
"#. %
''. %#
/#/.
162.
80.5
367.
9
6
7
60.4 0
276.7
54.3
249.
2
3
40.6
188.
5
0
20.6
100.
5
0
111.9
50
122
13.56
72.0
55
131
10.73
61.5
60
140
8.05
52.2
65
149
6.29
46.4
75
167
3.96
39.4
14.6 3
13.5 0
74.7
70.1
"#
.'#
33.6
.# #
60.2
103
217
1.45
32.7
8.00
52.0
VISCOSIDAD (CP)
T°C
!'
!.'
40 45 50 55 60 65 75
31.35 20.63 11.85 9.30 6.90 5.33 3.30
.$
103
1.20
VISCOSIDAD (CP)
T°F
100 104
!.'
113 122 131 140 149 167
"# 217
31.35 20.63 11.85 9.30 6.90 5.33 3.30
.$#
1.20
VI.
0R1FICAS&
VISCOSIDAD (C.) 2 TEMERATURA (3C)&
/ISCOSIDAD CP $ T°C 45.00
39.68
40.00 35.00
31.35
30.00 25.00
20.63
0(CP) 20.00 15.00
11.85 9.30 6.90 5.33
10.00 5.00 0.00
0
15
30
45
60
T ,C
VISCOSIDAD (SSU) 4 TEMERATURA (3F)&
3.30 75
1.50 1.20 90
105
/ISCOSIDAD CP $ T°F 45.00 39.68 40.00 35.00
31.35
30.00 25.00
CP
20.63
20.00 15.00
11.85 9.30 6.90 5.33
10.00 5.00 0.00
0
30
60
90
120
3.30
150
1.50 1.20
180
210
240
T°F
Te!(°F) L (SSU) U (SSU) " (SSU)
100
210 787 277 429
I/
# /" ##
60 60 60
1L1 1U1 1H1 23 (T,F) 900 800
787
700 600 500
T() /-$'$-% SSU 400
T()
300
429
T()
277
200 60
100 0
0
30
60
90
120
TEPERATURA °F
150
180
210
VII.
CUESTIONARIO&
0!a/os SAE /e Viscosi/a/ 5Los 6!a/os SAE !e7!ese%a% #%a escala /e cali/a/8 No( los )rados %E -nicamente representan un nivel de viscosidad o resistencia a fluir, medidas a determinadas temperaturas. En )eneral, cuanta m!s alta sea la viscosidad, m!s alto es el )rado %E. 5C#'%os 6!a/os SAE /e 9iscosi/a/ :a;8 0ay once )rados %E. eis de ellos incluyen la desi)nación K "por UKinterU( invierno en idioma in)les&, que indica que la viscosidad fue tami/n medida a aja temperatura. 2ara los )rados que no tienen esta denominación, la viscosidad se especifica a 5669C. Ellos son( 6K, @K, 56K, 5@K, 86K y 8@K "7A%+ E 4N'4EAN+& 86, D6, G6, @6 y >6 "7A%+ E 'EA%N+& 5Los 6!a/os SAE se /e es #% aceie mo%o6!a/o8 so% los aceies m#li6!a/os8 on aceites que se formulan para cumplir con los requerimientos de m!s de un )rado de la clasificación %E, y por ello se pueden utilizar en un ran)o m!s amplio de temperaturas operativas que los aceites de un sólo )rado.
tami/n a temperaturas amiente moderadas como 869C. La diferencia entre un multi)rado y un mono)rado en estos casos es notoria. 2ermite lo)rar la luricación adecuada en la mitad del tiempo que un mono)rado.
B. Los multi)rados eliminan la necesidad de camios estacionales del aceite "por ejemplo( %E D6 en invierno y %E G6 en verano&. C. Mejores prestaciones para el traajo a muy ajas temperaturas( los *uel)os "o Ujue)osU& en los motores modernos son cada vez menores, entonces el aceite dee fluir m!s r!pidamente para lle)ar a las piezas vitales del motor, especialmente la luricación del turocompresor y el !rol de levas a la caeza. D. =ami/n se comportan muc*o mejor a altas temperaturas, con una película luricante m!s resistente fente a las altas car)as mec!nicas, y esto se refleja en una disminución del des)aste )eneral del motor. E. Eiste una disminución importante en el consumo de luricante, ya que se lo)ra un ecelente sellado en la zona entre anillos y ranuras de pistón. 2or allí se produce el mayor pasaje de aceite *acia la c!mara de comustión, donde se quema tras luricar al anillo superior "tami/n llamado anillo de fue)o&. F. +tro eneficio es el a*orro de comustile por las si)uientes razones( ) su mayor fluidez a temperaturas ajas reduce las p/rdidas de ener)ía en el arranque. @) su mayor capacidad para reducir la fricción en las zonas calientes y críticas del motor "anillos de pistón, camisas y alancines de v!lvulas&, )racias al comportamiento el!stico de sus %ditivos Mejoradores del Rndice de 'iscosidad. 0. isminuye la temperatura de traajo de todo el motor cuando ero)a alta potencia1 El multi)rado es un aceite dise;ado para fluir muc*o m!s r!pidamente por todo el circuito de luricación y colaora muc*o m!s eficientemente en la AE#A47EA%C4+N de todos sus componentes1 % i)ualdad de condiciones de traajo, al pasar de un %E G6 a un %E 5@K1G6 la temperatura de c!rter aja entre 56 y D69C1 Esto es vital para prolon)ar la vida del motor 0. us propiedades superiores permiten cumplir con normas y especificaciones de lar)a duración del aceite "mayor período entre drenajes& como por ejemplo %24 C01G, %24 C41G y %24 C41G 2lus, %CE% E@ o %CE% EJX y tami/n los est!ndares internos de importantes faricantes como Mac: E+1M 2lus o Mac: E+1N, Cummins CE 866J5$JO, 'olvo '1D, Mercedes ?enz 88O.D$@ o en motores livianos Mercedes ?enz pa) 88F.5$D$@, 'ol:swa)en 'K @68$@6D Nin)-n aceite mono)rado *a sido aproado formalmente o certificado contra estas normas. 5Co%9ie%e #% aceie mi%e!al co% 6!a/o SAE ma;o! a - e% #% moo! %#e9o o !eci>% !e7a!a/o8 No, deido a que los motores modernos son cada vez m!s r!pidos y construidos con espacios entre piezas menores, los aceites deen ser lo
suficientemente Udel)adosU para fluir liremente. %dem!s, lo)rando películas luricantes de ajo espesor es posile reducir la fricción interna del motor. Las t/cnicas para el acaado de las piezas son *oy en día muc*o m!s depuradas, lo)rando alta precisión y el motor ya est! UpreasentadoU1 El ejemplo m!s claro es el Uplateu *onin)U de las camisas de cilindro, que podríamos definir como un rectificado Ual CuadradoU, con un reajuste del rectificado tradicional con una -ltima operación de maquinado. Estas conclusiones, resultado de la eperiencia de los faricantes automotrices, se reflejan en las recomendaciones de los manuales de uso del automóvil( las marcas internacionales tienden a recomendar aceites con )rado %E 56K1D6 "americanos&X @K1 D6 "#ord de Europa y ?rasil& o a-n 6K186 como =oyota de Vapón
VIII.
OBSERVACIONES* CONCLUSIONES + RECOMENDACIONES&
C+NCL<4+NE Las mediciones realizadas difieren de los valores correspondientes en la curva viscosidad temperatura del aceite %E D6. Como se ve el error es alto, se puede deer a la falta de precisión en la medición. e comproó eperimentalmente que la viscosidad de un fluido disminuye con la temperatura. AEC+MEN%C4+NE
e recomienda tener muc*o cuidado al maniorar cada uno de los instrumentos a utilizar y sore todo poner muc*a seriedad durante esta, pues podría ocasionar da;os irreparales.
e recomienda que antes de iniciar el eperimento, los termómetros que se utilizan para tomar la temperatura del aceite, este a temperatura amiente.
Es recomendale ase)urarse que el viscosímetro est! nivelado pues esta puede ocasionar medidas ineactas para el eperimento.
+?EA'%C4+NE( %l empezar a ajar la temperatura del aceite se oserva que recupera su viscosidad. e oservó que los datos eperimentales difieren con los datos de tala que nos rindan los faricantes.
I,.
BIBLIO0RAFIA + LINCO0RAFIA&
?4?L4+7A%#4% V.2. 0+LM%N "5FJJ& M/todos eperimentales para in)enieros, Edit. Mc7raw10ill1M/ico. VEE EYM+
%ntonio Creus ol/ ,U4nstrumentación 4ndustrialQ, editorial Marcomo .%. ?arcelona Espa;a, Ova edición. Claudio Matai,QMec!nica de fluidos y Maquinas 0idr!ulicasQ,8da edición.
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