DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD APARENTE CON UN VISCOSÍMETRO DE BROOKFIELD
MATERIA: Fenómenos de Transporte
NOMBRE DEL CATEDRATICO: Cisneros
Dra.
Cynthia
Antonio
NOMBRE DEL ALUMNO (A): Norma Gamboa Serna
FECHA DE ENTREGA: 08 de Noviembre del 2011
1
1.
RESUMEN ...........................................................................................................................................................3
2 . O B J E T I V O S .......................................................................................................................................................4 3 . F U N D A M E N T O S T E O R I C O S .......................................................................................................................4 3.1 EL EQUIPO ........................................................................................................................................................7 3.2 MODELO FÍSICO SIMPLIFICADO.......................................................................................................................7 3.3 HIPÓTESIS .........................................................................................................................................................8 4 . D I S E Ñ O D E L A P R Á C T I C A ..........................................................................................................................9 4.1 VARIABLES Y PARÁMETROS ............................................................................................................................9 4.2 ELECCIÓN DEL SISTEMA ...................................................................................................................................9 4.3 HOJA DE DATOS ...............................................................................................................................................9 4.4 EQUIPO Y MATERIALES ................................................................................................................................. 10 4.5 METODOLOGÍA ............................................................................................................................................. 10 5 . R E A L I Z A C I Ó N D E L A P R Á C T I C A .......................................................................................................... 11 5.1 MEDICIONES.................................................................................................................................................. 11 5.2 OBSERVACIONES ........................................................................................................................................... 11 6 . A N A L I S Í S D E D A T O S Y R E S U L T A D O S ............................................................................................... 11 6.1 CÁLCULOS ...................................................................................................................................................... 11 6.2 ANALISÍS ESTADISTICOS Y RESULTADO ........................................................................................................ 12 6.3 GRAFICOS ...................................................................................................................................................... 12 6.4 DISCUSIÓN Y CONCLUCIONES ...................................................................................................................... 12 6.5 SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES.......................................................................................................... 12 7 . R E F E R E N C I AS ............................................................................................................................................... 13 8 . A N E X O S ........................................................................................................................................................... 13
2
1. RESUMEN Se le denomina fluido a toda sustancia que sufre una deformación continua cuando se le aplica un esfuerzo cortante. De esta manera los fluidos que obedecen a la ecuación ( τ=μ dθ/dt = μ du/dy) se denominan fluidos newtonianos. Pero tambien se encuentran aquellos fluidos que no siguen la ley lineal de la ecuación (τ=μ dθ/dt = μ du/dy) por lo que se denominan fluidos no-newtonianos y estos son estudiados por la reología.
Un fluido llega a presentar viscosidad, la cual relaciona el esfuerzo o tensión local en un fluido en movimiento con la velocidad de deformación de las partículas fluidas. Cuando un fluido es sometido a esfuerzo cortante comienza a moverse con una velocidad de deformación inversamente proporcional a una propiedad denominada coeficiente de viscosidad (White 1979) [2]. Para entender mejor estos cuestionamientos es necesario conocer la ley de Newton de la viscosidad.
3
2. OBJETIVOS
Comprender el uso y manejo de los viscosímetros rotacionales.
Elaborar modelos de flujos para los viscosímetros rotatorios.
Identificar el comportamiento reológico de los fluidos no newtonianos.
Identificar cuáles son los tipos de fluidos no newtonianos.
3. FUNDAMENTOS TEORICOS Aquellos fluidos cuya relación entre tensión-velocidad de deformación no es proporcional, se los ha denominado fluidos no-newtonianos. La Mecánica de Fluidos se ocupa del estudio de los fluidos newtonianos exclusivamente; mientras que los fluidos no-newtonianos son parte de una ciencia mas amplia denominada Reología. La Reología es la ciencia que estudia y analiza los fenómenos de flujo y deformación y las propiedades mecánicas de los gases, líquidos, plásticos y comprende el estudio de las sustancias que “fluyen” pero que su comportamiento no está regido por la ley de la viscosidad de
Newton. Consecuentemente se puede decir que el campo de la Reología se extiende desde la Mecánica de los Fluidos Newtonianos hasta la elasticidad de Hooke. La región comprendida entre ellas corresponde a todos los materiales pastosos y a las suspensiones. La viscosidad es una propiedad físico-química de los fluidos y representa la resistencia que presentan los fluidos al fluir. Los fluidos reales muestran diversificación de resistencia a los esfuerzos cortantes. (4). La viscosidad es una de las propiedades más importante de un lubricante. De hecho buena parte de los sistemas de clasificación de los aceites están basados en ésta propiedad por lo tanto la viscosidad es una especificación de primer orden en los aceites lubricantes, ya que condiciona las cualidades requeridas para la lubricación. (5). La viscosidad es una de las principales características de los combustibles líquidos que determina el método de las operaciones de llenado y vaciado, las condiciones de transporte y bombeo, la resistencia hidráulica durante el transporte por tuberías y el trabajo efectivo de los quemadores. (6)
4
La clasificación de los fluidos no-newtonianos se pueden clasificar en tres grandes grupos, aunque se debe aclarar que los límites de la clasificación no son muy claros: (Mott Robert)
Fluidos plásticos: Los fluidos plásticos son aquellos que no fluyen hasta que son sometidos a un esfuerzo cortante límite determinado, llamado esfuerzo de deformación plástica, umbral de fluencia o límite de fluencia, g0. Fluidos pseudoplásticos: Los fluidos pseudoplásticos se caracterizan porque su viscosidad aparente decrece cuando aumenta el gradiente de velocidad de deformación. Este comportamiento indica una ruptura o reorganización continua de la estructura, dando como resultado una menor resistencia al flujo, y es debido a la presencia de sustancias de alto peso molecular así como a la dispersión de sólidos en la fase sólida. Fluidos dilatantes: La principal característica de este tipo de fluidos es que al aumentar la velocidad de deformación aumenta la viscosidad aparente. La dilatancia puede explicarse entendiendo que cuando las velocidades de deformación son bajas las partículas sólidas de formas y tamaños variados, están ceñidas y estrechamente empaquetadas y la fracción líquida está llenando los huecos y lubricando el movimiento, por lo que la viscosidad aparente es baja. Fluidos no newtonianos dependientes del tiempo: Son aquellos fluidos en los que la viscosidad aparente depende, además de la velocidad de deformación, del tiempo de actuación de dicha velocidad. Fluidos tixotrópicos: Se consideran fluidos tixotrópicos a todos aquellos que al aplicarles una velocidad de deformación constante, muestran una disminución del esfuerzo cortante y de la viscosidad aparente con el tiempo. 5
Fluidos reopépticos: Los fluidos reopécticos tienen un comportamiento al flujo contrario a los tixotrópicos, es decir, la viscosidad aparente aumenta con el tiempo en que la muestra es sometida a un determinado gradiente de velocidad, lo que les confiere una cierta semejanza con los fluidos dilatantes en el sentido de que la única diferencia es si el tiempo para la destrucción o formación de estructura es detectable o no. Fluidos no newtonianos viscoelásticos: Las características de los productos viscoelásticos varían desde las de los líquidos viscosos con propiedades elásticas (modelo de Maxwell) a las de los sólidos con propiedades viscosas (modelo de Kelvin-Voigt). En condiciones normales, no es apreciable la elasticidad debida al estiramiento de los enlaces interatómicos y se puede afirmar que la elasticidad de los alimentos viscoelásticos es debida a la deformación elástica de las macromoléculas.
Figura 2. Muestra los diferentes tipos de fluidos
Un viscómetro (denominado también viscosímetro) es un instrumento para medir la viscosidad y algunos otros parámetros de un fluido. Fue Isaac Newton el primero en sugerir una fórmula para medir la viscosidad de los fluidos. En 188 Poiseuille mejoro la técnica estudiando los líquidos en tuberías. Viscosímetros rotatorios. Usan el torque de un eje rotatorio para medir la resistencia al flujo del fluido. Un viscosímetro de rotación se compone usualmente de un cilindro que gira dentro de un vaso de medición que contiene la muestra. El rotor es accionado por un motor de corriente continua con velocidad fija o programada.
6 Figura 2. Viscosímetros rotacionales
3.1 EL EQUIPO Este instrumento ofrece unas características sofisticadas: su pantalla digital de fácil lectura permite disponer cómodamente de datos en % (Brookfield), convertible fácilmente en unidades cPs y en una señal de salida de 0 a 10 mV o de 0 a 1V para su conexión a un registrador de papel continuo.
Figura 3. Viscosímetro Brookfield
3.2 MODELO FÍSICO SIMPLIFICADO El viscosímetro de Brookfield es un viscosímetro rotatorio. Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja. Ésta se sumerge en el líquido hasta el nivel marcado en la misma. Al funcionar, el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija en con dado selector situado en el cabezal. La torca o par generado por la resistencia viscosa del líquido se puede leer en una escala situada también en el cabezal, para lo cual se presiona una palanca llamada “clutch”, la cual acopla una aguja deflectora
a la escala. La deflexión leída es proporcional a la torca. En la Figura 4 se muestran los principales elementos del viscosímetro de Brookfield.
Figura 4. Diagrama del Viscosímetro Brookfield
7
3.3 HIPÓTESIS El conocimiento de los fluidos no newtonianos permitirá demostrar el comportamiento de estos fluidos a través del experimento de maicena con agua, conociendo sus propiedades y sus diferentes fenómenos.
3.4 MODELO MATEMATICO MODELO
ECUACIÓN
PARÁMETROS
Bingham
τ = τ0 +(μp*γ) (1)
τ0, μp
Ostwald- Waele
τ = k*(γ)n
(2)
n, k
Herschel- Bulkley
τ= τ0 + K*γn
(3)
τ0, K
Tabla 1. Modelos matemáticos
Los modelos matemáticos que se pueden tomar en cuenta para la realización de está practica, son las relacionas con respecto a la viscosidad en fluidos no-newtonianos. •Es el cociente resultante de comparar las
fuerzas de inercia y los términos viscosos de las Ecuaciones de Navier-Stokes que gobiernan el movimiento de los fluidos. La fórmula que describe el número de Reynolds en tubo es (Streeter, 1975) Re=ρVsD/μ = VsD/v
(4)
Donde: ρ : es la densidad del flujo dada en kg/m3
Vs: es la velocidad característica del fluido, cuya unidad es m/s μ : es la velocidad dinámica del fluido expresada en (kg/m*s)*10-5
8
4. DISEÑO DE LA PRÁCTICA 4.1 VARIABLES Y PARÁMETROS Tanto las variables como los parámetros utilizados en esta práctica van relacionadas con la viscosidad. Las variables y los parámetros que utilizaran son: La temperatura se medirá en ºC Velocidad será medida en RPM Viscosidad en CP (centipoise) Densidad en Kg/m 3
4.2 ELECCIÓN DEL SISTEMA Es el de un sistema abierto, por que comparte con el medio de afuera en este caso, recibe un liquido, el cual permanece dentro de el por un rato determinado, y vuelve a salir, (todo lo que entra sale), por eso debe ser este sistema.
4.3 HOJA DE DATOS α (deflexión )
N (velocidad angular )
Disco
Kart
τ
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
9
4.4 EQUIPO Y MATERIALES EL EQUIPO El equipo utilizado es el viscosímetro de Brookfield, es un viscosímetro rotatorio. Este instrumento ofrece unas características sofisticadas: su pantalla digital de fácil lectura permite disponer cómodamente de datos en % (Brookfield), convertible fácilmente en unidades cPs y en una señal de salida de 0 a 10 mV o de 0 a 1V para su conexión a un registrador de papel continuo. La capacidad de realizar un registro constante de la viscosidad potencia enormemente la función del viscosímetro cuando se analizan los procesos reológicos que tienen lugar rápidamente o durante un largo periodo de tiempo. Posibilita la elaboración de perfil reológico de un fluido, elemento que resulta de gran valor en los procesos de control de calidad. Lectura en pantalla: Viscosidad (cP o mPas), escala % (Brookfield), Velocidad (rpm), aguja utilizada.
MATERIAL Se utilizó un viscosímetro Brookfield al cual se le vació un fluido no-newtoniano (Agua Destilada), al viscosímetro se le monta las agujas las cuales suben el fluido.
4.5 METODOLOGÍA a) Asegure la aguja al eje inferior, lo mejor es levantar ligeramente el eje mientras se sostiene firmemente con una mano y se enrosca la aguja con la otra. Debe tener cuidado para evitar un daño al alinear la aguja y la cuerda. b) Inserte la aguja en el material de prueba hasta que el nivel de fluido esté en la marca del eje de la aguja. c) Con las agujas tipo disco es necesario algunas veces inclinar ligeramente el instrumento mientras se hace la inmersión para evitar que queden atrapadas burbujas de aire en la parte inferior del disco o en la superficie. (Se puede encontrar más conveniente hacer la inmersión de la aguja antes de asegurarla en el viscosímetro). d) Se debe tener cuidado de no golpear la aguja contra los lados del recipiente que contiene el material de prueba, mientras se une con el viscosímetro pues esto puede dañar la alineación del eje. e) Nivele el viscosímetro, la burbuja de nivel en todos los modelos ayudara en esto. f) Presione el “clutch” y encienda el motor del viscosímetro. Para el procedimiento siguiente debe de tener presionado el “clutch” a este punto se prevé un desgaste innecesario. Libere el “clutch” y permita
que el cuadrante gire hasta que el indicador se estabilice en la posición elegida en el cuadrante.
10
g) El tiempo requerido para la estabilización depende de la velocidad a la cual la aguja este girando, a las velocidades arriba de 4 r.p.m. esto generalmente ocurrirá aproximadamente de 20 a 30 segundos. Mientras que a bajas velocidades esto tomara el tiempo requerido para una revolución del cuadrante. h) Es posible observar la posición del indicador y estabilizar a bajas velocidades mientras que el cuadrante gira, pero a altas velocidades será necesario presionar el “clutch” y girar el interruptor del motor para detener el instrumento con el indicador a la vista. Un poco de práctica será necesario para detener el cuadrante en el punto exacto. Si requiere las lecturas, encienda el instrumento presionando el “clutch” y reteniendo la lectura original para luego liberarlo. Esto reduce la oscilación del indicador, si el indicador no se estabiliza puede haber algún problema con la temperatura del material de prueba.
5. REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA 5.1 MEDICIONES Las mediciones realizadas fueron que la viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y ésta se relaciona con el tamaño y la forma.
5.2 OBSERVACIONES Lo interesante de esta práctica fue el observar el funcionamiento de los viscosímetros rotacionales, los cuales se determina. Y que el viscosímetro es capaz de medir en varios rangos para dar la resistencia de avance o la deflexión del resorte (torcimiento). La viscosidad es proporcional a la velocidad de la aguja y ésta se relaciona con el tamaño y la forma. Para un material de una viscosidad dada, la resistencia al avance será mayor como mayor sea la aguja y/o el incremento de la velocidad rotacional. El rango mínimo de viscosidad se obtiene con la aguja más grande a la mayor velocidad. El máximo rango se obtiene con la aguja más pequeña a la menor velocidad.
6. ANALISÍS DE DATOS Y RESULTADOS 6.1 CÁLCULOS Los cálculos pertinentes realizados no fueron del todo lo que se esperaba, ya que no se contaba con el equipo para realizar tales cálculos. Por lo cual se requirió a la literatura de la cual nos basamos en parte para poder conocer los cálculos que se deberían obtener. Tales cálculos deberían ser conocer la viscosidad con respecto a la velocidad.
11
6.2 ANALISÍS ESTADISTICOS Y RESULTADO No podemos obtener datos estadísticos ya que en primera instancia no se contaba con el equipo, para poder aplicar los tratamientos que se necesitaran, por lo que no nos es posible tener este apartado,
6.3 GRAFICOS Es un grafico representativo de la relación que existe entre la viscosidad con respecto a a la temperatura. Muestra este grafico una posible representación de los cambios que tiene la viscosidad con respecto a la temperatura.
6.4 DISCUSIÓN Y CONCLUCIONES La práctica no llego a ser del todo lo que se esperaba, ya que no se contaba con el equipo y material requerido para dicha práctica. En si todo lo que se puedo apreciar y aprender, fue por medio de un video ilustrativo en el cual se puedo visualizar como debería de ser la práctica correspondiente. Con lo que se puedo observar en la práctica fue suficiente para poder formar un criterio adecuado, acerca de lo que es un fluido no-newtoniano. Se puedo apreciar el manejo y sobre todo el funcionamiento, en este caso del viscosímetro.
6.5 SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES Las sugerencias pertinentes que se deben de hacer, es el tratar de realizar lo más apegado que se pueda a la práctica, si no se cuenta con el equipo necesario, tratar de improvisar un poco en ese aspecto, para que dicha práctica sea del todo valida, ya que la obtención de datos es lo que importa. Si no se cuenta con los datos necesarios, sería bueno tener fuentes de donde poner obtenerlos.
12
7. REFERENCIAS [1] Bird, R.B., Stewart, W.E. y Ligthfoot, E.N 1982.
Fenómenos de Transporte, Reverte.
[2] White, Frank M., 1979. Mecanica de Fluidos. Mcgraw-Hill. [3]Aguilar V. E., Plata V. A., 1994. Física II . DGETI. [4] Hannibal Brito: Texto básico de fenómenos de Transporte 1, pag. 28-29 [5] Avallone Eugene & Baumeister Theodore: Manual del Ingeniero Mecánico, 3-10 [6] Zabala Gilberto: Apuntes de Combustión, Pag. 19
8.ANEXOS PREGUNTAS QUE SIRVIERON DE GUIA
13
