Laboratorio de Viscosimetria

Escuela Industrial Superior “Pedro Domingo Murillo” Carrera Mecánica industrial Mantenimiento Industrial

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PROCESO OPERATIVO ESTANDARIZADO PARA LABORATORIO LABORATORIO DE VISCOSIMETRIA I.

POE 008 07/11/2016 2 23 Reviso: T.S Marco Aranda U.

OBJETIVO 1.1. Objetivo General

Determinar el coeficiente de viscosidad cinemático de un aceite, mediante viscosímetro de Stokes.

1.2. Objetivos Específicos

II.

-

Determinar el coeficiente de viscosidad dinámica.

-

Determinar si existe flujo laminar en un fluido, mediante el número de Reynolds.

ALCANCE Y FRECUENCIA

El presente POE es de aplicación directa para la determinación de procedimientos estandarizados, así como en la validación de métodos analíticos para obtener eficiencia en los procesos de mantenimiento. Se deberá realizar este procedimiento en forma sistemática o de acuerdo a las necesidades operativas y de precisión en los diferentes procesos de mantenimiento

III.

RESPONSABILIDADES

El coordinador de mantenimiento establece y verifica la correcta aplicación del POE de acuerdo al programa de validación y verificación de procedimientos técnicos y analíticos. El personal de mantenimiento es el responsable directo de dar fiel cumplimiento de los pasos a seguir en este documento.

IV.

INTRODUCCION

En la siguiente práctica de laboratorio se busca validar la ley de Stokes en los fluidos viscosos, a través de la experimentación de un fluido real en la que se realizan una serie de medidas. Se determina la viscosidad de este cuerpo esférico; con este dato se proseguirá a determinar la viscosidad de este fluido. La viscosidad es la capacidad que tiene un fluido de fluir entre dos capas del mismo fluido en otras palabras: “Resistencia a Fluir”.

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Fernando Huanca Paco 02/11/2016

T.S. Marco Aranda

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PROCESO OPERATIVO ESTANDARIZADO PARA LABORATORIO LABORATORIO DE VISCOSIMETRIA


Planteamiento del problema El trabajo pretende aportar información al personal técnico en relación a la siguiente pregunta: ¿Cómo se determina el coeficiente de viscosidad de un aceite lubricante, en un viscosímetro Stokes? La pregunta de investigación planteada busca la relación entre las siguientes variables:

1) Determinar el coeficiente de viscosidad dinámica, mediante la relación que existe entre el tiempo empleado por una esfera en recorrer una cierta distancia al ser introducida en un fluido (método de Stokes)

2) Comparar valores experimentales de viscosidad con los aportados por el fabricante, para evaluar el estado del lubricante.

Formulación del tema de exposición Este documento se realiza con el fin de dar una guía operativa de laboratorio, para determinar el coeficiente de viscosidad de un aceite, en un viscosímetro de Stokes.

Motivación para su estudio Dentro de los métodos de medición de la viscosidad, el viscosímetro de Stokes es una de las opciones más empleadas; Por este motivo un técnico en mantenimiento en el área de análisis de aceite debe conocer el procedimiento para determinar el coeficiente coeficiente de viscosidad de un aceite lubricante en viscosímetro stokes y también interpretar los resultados obtenidos en dicho laboratorio

Propósitos para abordarlo

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T.S. Marco Aranda


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PROCESO OPERATIVO ESTANDARIZADO PARA LABORATORIO LABORATORIO DE VISCOSIMETRIA 


Identificar y comprobar la ley de Stokes mediante un procedimiento experimental, que da a conocer que el coeficiente de viscosidad de cada líquido es distinto a otro, en este experimento solo se usa aceite lubricante.



Calcular la viscosidad de los aceites lubricantes de acuerdo a los datos experimentales.



Demostrar la importancia del viscosímetro de Stokes en Análisis de Aceite.



Conocer el procedimiento en un laboratorio de viscosimetría.



Conocer cada elemento y accesorio del viscosímetro Stokes.



Determinar el estado en el que se encuentra un aceite lubricante.

Naturaleza de la información Este proceso operativo se realiza con la ayuda de catálogos, libros mecánicos, información tecnológica, una vez revisado este documento por el coordinador del área, será puesta a disposición del personal del taller.

Metodología empleada El desarrollo de un laboratorio químico, al igual que otras ciencias se lleva a cabo mediante métodos de investigación científica como ser:

Método inductivo: El método inductivo es aquel método científico que obtiene conclusiones generales a partir de premisas particulares, el razonamiento inductivo sigue las siguientes etapas: 

Se observa atentamente cierto número de hechos o datos.



Se analiza sus diversas circunstancias.



Se compara, comprobando en todos ellos una relación constante.



Se generaliza esta relación, es decir, se considera aplicable a todos los casos.

Método deductivo: Consiste en obtener conclusiones particulares a partir de una Ley Universal, los procedimientos que se aplican son: 

Síntesis.



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Aplicación.



El método de investigación en un laboratorio químico se utiliza Método Deductivo Método Científico: Pasos de un método científico: 

Observación.



Problema o pregunta.



Hipótesis.



Experimentación. Análisis, interpretación de resultados.



Conclusiones.



Acceso, seguridad y salud: Identificar los problemas o las restricciones de acceso que puedan afectar al proceso de montaje y alineación de la relación de transmisión

Alcances de trabajo Este proceso operativo será controlado en todo momento y los cambios siempre deberán ser aprobados por quienes han autorizado la realización del mismo. Se recomienda asignar una persona para que administre el alcance una vez ha sido creado y aprobado.

Referencias a las distintas partes del trabajo La información recabada solo se recopilo de los siguientes trabajos:

V.

-

Guía de experimento de física básica 2, Febo Flores.

-

Practica Nº5 de viscosidad QMC 100L.

-

Laboratorio de viscosidad, Universidad Tecnológica de Perú.

DESARROLLO DESARROLLO TEMATICO

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ƞ

La viscosidad dinámica es la propiedad del fluido en virtud de la cual este ofrece resistencia a las tensiones de corte, se puede considerar la viscosidad dinámica como una fricción interna, es decir, una fuerza de roce entre una capa de fluido y otra. Se estudiara el movimiento de un líquido viscoso en tubos cilíndricos (cañerías). La distribución de velocidad varía en capas cilíndricas coaxiales, en las cercanías de las paredes el movimiento es estacionario (constante en el tiempo). Poiseville demostró que la máxima velocidad es:

 ∙ ∆   = 4 ∙ ƞ ∙  Dónde:

∆=  

P= Presión que origina el flujo. R= Radio del tubo. L= Longitud del tubo.

Ƞ= Viscosidad dinámica. La viscosidad es aquella propiedad de un fluido que se manifiesta durante su movimiento, puede aseverarse que la viscosidad es el rozamiento interno de un fluido. Debido a la viscosidad es necesario ejercer una fuerza para obligar a una capa liquida a deslizarse sobre otra. También puede definirse como la dificultad que presenta un fluido para fluir.

Tanto los líquidos como los gases presentan viscosidad aunque los primeros son mucho más viscosos

ƞ

que los últimos. La viscosidad absoluta absoluta o dinámica se la presenta generalmente con la letra griega “ ” y en el sistema internacional de unidades se mide en:

ƞ = ∙= ∙ ∙ = ∙ ∙ En el sistema de unidades C.G.S.:

ƞ =  ∙=   =  1 = 0.1  ∙  Generalmente para cálculos también se emplea la viscosidad cinemática representada por: La letra griega “µ”

µ = ƞ

Las unidades s de la viscosidad cinemática son: Elaborado por:

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PROCESO OPERATIVO ESTANDARIZADO PARA LABORATORIO LABORATORIO DE VISCOSIMETRIA S.I.


µ=⁄ =   =   C.G.S.= µ =  ⁄

Ley de Stokes Cuando un fluido ideal de viscosidad nula circula alrededor de una esfera o cuando una esfera se mueve a través de un fluido en reposo, las líneas de corriente forman una figura perfectamente simétrica alrededor de ella. Figura 2

La presión en cualquier punto de la semiesfera que enfrenta a la corriente es exactamente la misma que en el punto correspondiente a la cara opuesta.

Por tanto es nula la fuerza resultante sobre la esfera. Sin embargo, si el fluido es real y tiene viscosidad, existirá un arrastre sobre la esfera. (en este laboratorio se considera una esfera para

Figura 2

.

facilitar el análisis).

Stokes determino una expresión para la fuerza que se origina debido a la viscosidad a partir de las leyes de circulación de un fluido viscoso. La fuerza viene dada por:

=6∙∙ƞ∙∙ Dónde:

.1

ƞ= Viscosidad Absoluta o Dinámica. r= Radio de la esfera. v= Velocidad de la esfera.

Viscosímetro de Stokes

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Una aplicación de la ecuación de Stokes que se lleva a cabo en el movimiento de una esfera de densidad

"", que cae por efecto gravitatorio dentro de un líquido en reposo (aceite) de densidad "" y la viscosidad "ƞ". Cuando la esfera cae en el interior del fluido viscoso alcanza un régimen de velocidad uniforme, es decir una velocidad limite

"" para la cual la fuerza restauradora debido a la viscosidad más el empleo

hidrostático se equilibran con el peso de la esfera. Figura 3 Se tienen las ecuaciones:

+= .2  =  ∙  ∙  .3  =  ∙  ∙  .4 Pero se sabe que:

 = 43 ∙  ∙       Reemplazando las ecuaciones (1), (3) y (4) en (2) se obtiene:

6 ∙  ∙ ƞ ∙  ∙  +  ∙  ∙   = ( ∙  ∙  )  ∙  ∙ (   ) 2 ∙  ƞ= .5 9∙ (Figura 3)

 2 ∙  ƞ = 9 ∙  ∙ (  )

.6

Como la velocidad con la que se mueve la esfera es uniforme, se la puede determinar midiendo la altura y el tiempo empleado:

 = ℎ En realidad el análisis no es tan sencillo, pues las formulas anteriores solo son válidas si el líquido no está encerrado en un recipiente, además en el movimiento de la esfera surgen turbulencias que se reflejan en las paredes y en el fondo del recipiente perturbando dicho movimiento. Para tomar en cuenta dichos efectos se realizan las siguientes correcciones: 

, el movimiento se realiza según un tubo de radio “R”. 1  = 1+2.1∙ .7  

Corrección según Landenburg

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PROCESO OPERATIVO ESTANDARIZADO PARA LABORATORIO LABORATORIO DE VISCOSIMETRIA Dónde:


R=radio del tubo. r=radio de la esfera.

, para un recorrido finito “h”. 1 .8  = 1+3.3∙  ℎ′

Corrección según Altrichter y Lustin



ℎ′= La altura de la columna liquida.

Dónde:

Por último la ecuación final queda:

 ∙  ∙ (   ) 2 ∙  ∙  ∙    ƞ= 9∙

.9

(  ) ƞ = 29 ∙  ∙ ℎ ∙ 12.1∙  ∙13.3∙    ℎ′

.10

O sea:

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Tabla de datos Nº de Diámetro de medición la esfera “r” 1 2 3 4 5

" ̅ "

Masa de la esfera 

Masa de la aceite 

Volumen del aceite

Diámetro del tubo de vidrio

Altura hidrostática

"  "

" "

""

" "

"ℎ′ "

" "

" "

1. OBTENCION DE MEDIDAD DE LOS PARAMETROS O CONSTANTES

Para la esfera: 

Medir el diámetro “d”



Para obtener la masa de cada esfera se empleara una balanza digital, bastara con una medida.



Determinar el volumen



"". Determinar el peso específico " "             

 =  ̅2 =  ∙ 

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Reviso: T.S Marco Aranda U.

 = (43) ∙  ∙   = ()

                 Para el aceite lubricante: 

POE 008 07/11/2016 2 23

Obtener una muestra representativa de aceite lubricante y colocarlo en un vaso de precipitado, para determinar su masa

" ".

"".



Medir el volumen de la muestra de aceite mediante el empleo de un recipiente graduado



Determinar el peso específico del aceite.

           .      

=  ∙    = 

Para el tubo de vidrio: 

        

"".  = 2

Determinar el radio interior del tubo de vidrio que contiene el aceite lubricante.

Medir la altura hidrostática total de la columna de aceite

ℎ.

2. OBTENCION DE MEDIDAD DE LAS VARIABLES 

Medir la temperatura del aceite acei te (temp. Recomendada 20° C).



Medir la altura de la columna de aceite y encontrar la mitad, esta servirá como eje de referencia para asignar alturas hidrostáticas de inicio y final de recorrido del perdigón, colocar marcas intermedias con una cinta cada 10 cm arriba y debajo del eje de referencia (opcional).



Dejar caer las esferas y cronometrar el tiempo que recorre cada una de ellas en los trayectos predeterminados. (las esferas deben de estar secas y limpias)



Una vez concluidas las lecturas medir la temperatura del aceite



Llenar la tabla de datos. Nº de mediciones Variable independiente altura “y” Variable dependiente tiempo “t”

1

2

3

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4

5

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Análisis y tratamiento de datos



0.318 0.585 0.857 1.113

ℎ 10 20 30 40

Graficar h vs t de la tabla 1

GRAFICO h vs t 45 40 A C I 35 T A30 T S O25 R D I H20 A R15 U T L 10 A

5 0 0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1

1 .2

TIEMPO

Ajuste por método de mínimos cuadrados la curva h= v* t, graficar la recta ajustada y obtener la pendiente que en este caso es la velocidad

   =  ∙ ∑ ∙ ∑ ∙ ∑∑  ∑   ∑∙    ∙ ∑  ∑   = ∑∙ 

=+∙

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Mediciones





 ∙ 



1

10

0.318

3.18

100

2

20

0.585

11.7

400

3

30

0.857

25.71

900

4

40

1.113

44.52

1600

=.

100

2.873

85.11

3000

Nº de

∑  ∙   ∑  ∑  ∑ ∑  = 4 ∙ 85.11 85.11  100 1002.873 2.873  =  ∙ ∑  4 ∙ 3000 3000  100 100 ∑    ∙ (∑ )  ∑ 

=0.0266



∑∙     ∙ ∑  ∑   = 2.873 2.873 0.0266∙ 100 100  = ∑∙  4 =.+.∙

=0.0532

GRAFICA DE LA ECUACION ECUACION LINEAL Y=a+b*X X

Y

0.12

-1,5

-0,0532

0.1

-1

-0,0266

0.08

-0,5

0

0.06

0

0,0266

0,5

0,0532

1

0,0798

1,5

0,1064

0.04 0.02 0 -2

-1 .5

-1

- 0 .5 0 -0.02

0 .5

1

1 .5

-0.04 -0.06 -0.08

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2





Calculando la tangente del Angulo que es igual a la velocidad

DISTANCIA VERTICAL Y =0.0266

 DISTANCIA HORIZONTAL X =0.5

La pendiente del grafico es la velocidad

tan∝= 

Hallando la viscosidad Dinámica

Pero sabemos que:

α=tan− 0.0266 0.5  α=Vel.=3.045 

(   ) ƞ = 29 ∙  ∙ ℎ ∙ 12.1∙   ∙ 13.3∙    ℎ Δ = 1 = 1 Δ Δ . Δ 1 ∙ (   ) ƞ = 29 ∙  ∙ . 12.1∙   ∙ 13.3∙ ℎ′ 

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MATERIALES

ITEM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

VI.

MATERIAL Tubo de vidrio Embudo Perdigón de acero Cronometro Imán Flexo metro Vernier Vaso de precipitado Escala milimétrica Tubo capilar Matraz aforado Balanza eléctrica

CARACTERÍSTICA CARACTERÍSTICA 150 cm

CANTIDAD

250 cc 10 cm

1 1 5 1 1 1 1 1 1

50 cm3 Hasta 0.001

1 1

5 mm diam

100 cm

RESULTADOS

El proceso operativo para determinar la viscosidad de un aceite lubricante por viscosímetro de Stokes será evaluado y controlado por el coordinador del área en análisis de aceite para verificar: 

El cumplimiento de los procedimientos necesarios para obtener un análisis representativo de la muestra de aceite lubricante.



La correcta interpretación de resultados y determinar el estado del aceite lubricante.

En base a estos puntos se realizara un informe detallado de procedimientos análisis y resultados.

VII.

RESUMEN Y CONCLUSIONES

Se realizó el laboratorio de viscosimetria con el viscosímetro de Stokes siguiendo una guía de procedimientos que ayuda al personal técnico a obtener mejores resultados en el área de análisis de aceite (medición de viscosidad de un aceite lubricante) Este procedimiento consiste en llenar un tubo de vidrio con aceite lubricante de viscosidad desconocida y se deja caer una esfera de acero en el tubo. El tiempo necesario para que la esfera recorra una longitud específica depende de la viscosidad del aceite. Para esta práctica se utilizó el método de STOKES para la obtención de la viscosidad.

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Se llegaron a las siguientes conclusiones 

Se pudo llegar a comprobar la ley de Stokes mediante una forma muy práctica, que nos da a conocer el coeficiente de viscosidad de un aceite.



La ley de Stokes nos da una formula muy práctica para cuantificar la fuerza de fricción que ejerce sobre un cuerpo sumergido que va a una velocidad constante.

VIII.

BIBLIOGRAFIA -

Guía de experimento de física básica 2, Febo Flores.

-

Practica Nº5 de viscosidad QMC 100L.

-

Laboratorio de viscosidad, Universidad Tecnológica de Perú.

-

Laboratorio de viscosimetria, guía Marco Aranda

-

https://www.google.com/search?q=laboratorio+de+viscosimetria&ie=utf-8&oe=utf8&client=firefox-b-ab

-

http://www2.uned.es/quim-5-macromoleculas/laboratorio/viscosimetria/viscosimegeneral.htm.

-

Eugene A. Avallone, Theodore Bauemeister III, Manual del Ing. Mecánico, Tercera Edición. Editorial McGraw-Hill, 1999.

-

Víctor L. Streeter Mecánica de los Fluidos, Editorial Mc Hill, Novena Edición.

-

Gerhart, R. Groos y J. Hochstein Fundamentos de Mecánica de los Fluidos. (1995) Wilmington, Delaware, USA. Addison-Wesley Iberoamericano, S.A. Segunda Edición.

-

Jaime Zapata Guía para laboratorio de Mecánica de Fluidos, Guayana 1989.

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PROCESO OPERATIVO ESTANDARIZADO PARA LABORATORIO LABORATORIO DE VISCOSIMETRIA IX.


ANEXOS

ESCUELA INDUSTRIAL SUPERIOR “PEDRO DOMINGO MURILLO” MECANICA INDUSTRIAL- 2016

TECNOLOGIAS PREDICTIVAS

“LABORATORIO DE

"PROCESO OPERATIVO OPERATIVO ESTANDARIZADO ESTANDARIZADO PARA LA DETERMINACION DEL

VISCOSIDAD”

COEFICIENTE DE VISCOSIDAD POR VISCOSIMETRO DE STOKES”

Fernando Jair Huanca P. P. Juan Carlos Chambi

Alumnos: Fernando Jair Huanca Paco

Noviembre 2016

Juan Carlos Chambi Docente: Lic. T.S Marco Aranda

Fernando Jair Huanca Paco

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