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Mediciones de Viscosidad Heli Obregón [ Codigo Universitario 1630450]
—La visc viscos osid idad ad es la prop propie ieda dad d de un fluid fluido o que que Resumen—La tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza; los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos fluidos de baja baja viscos viscosidad idad fluyen con facilida facilidad. d. El objeti objetivo vo de este este laborat laboratorio orio era determi determinar nar la viscos viscosida idad d de un aceite aceite multigrado multigrado SAE 20W-50, 20W-50, mediante el viscosímetro viscosímetro de Hoppler Hoppler MLV MLV; lo primer primero o que se realizo realizo fue llenar llenar el tubo tubo capilar capilar con aceite SAE, y se dejó caer una esfera N°4 con diámetro 15,156 mm y masa 14,8056 g. Se tomaron los tiempos que la esfera tarda en recorrer recorrer la longit longitud ud del tubo tubo y con los datos datos obtenidos obtenidos se calcularon los tiempos promedios para diferentes temperaturas, para luego determinar las viscosidades dinámicas experimentales a cada temperatura para el aceite. Index Terms—Viscosidad,Aceite multigrado SAE 20W-50, viscosimetro de Hoppler
I. I NTRODUCCIÓN El estudio de la mecánica de fluidos puede ayudarnos a comprender el medio natural ya que está siempre presente en nuestra vida cotidiana, La hidráulica estudia los fluidos y su comportamiento, tanto en reposo (hidrostática), como en movimiento movimiento (hidrodinámica). La viscosidad ha sido un aspecto que ha sido evaluado y controlado en el desarrollo industrial, por ello el estudio de estos aspectos a nivel de laboratorio nos brindan los conocimientos y nuevas experiencias .El poder estudiar la viscosidad de una sustancia nos ayuda a concluir cuanto varia con respecto a la temperatura, si es mas viscoso o menos viscoso, es por eso que Los objetivos planteados en esta práctica son describir e interpretar el método de análisis de la viscosidad de un fluido mediante el uso del viscosímetro de Hoppler junto con las variables que afectan esta medida.
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I I . M ARCO T EORICO La viscosidad es la principal característica de la mayoría de los productos lubricantes. Es la medida de la fluidez a determinadas temperaturas, si la viscosidad es demasiado baja el film lubricante no soporta las cargas entre las piezas y desaparece del medio sin cumplir su objetivo de evitar el contacto metal-metal, si la viscosidad es demasiado alta el lubricante no es capaz de llegar a todos los intersticios en donde es requerido. Al ser alta la viscosidad es necesaria mayor fuerza para mover el lubricante originando de esta manera mayor desgaste en la bomba de aceite, además de no llegar a lubricar rápidamente en el arranque en frio. La medida de la viscosidad se expresa comúnmente con dos sistemas de unidades SAYBOLT (SUS) o en el sistema métrico CENTISTOKES (CST). La viscosidad es una propiedad que depende de la presión y temperatura y se define como el cociente resultante de la división de la tensión 2013 - Cucuta, Colombia E-mail:
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de cizallamiento (t ) por el gradiente de velocidad (D). m =t / D. Existen diversos modelos de viscosidad aplicables a sustancias que presentan comportamientos comportamientos viscosos de diferente tipo. El modelo o tipo de fluido viscoso más sencillo de caracterizar es el fluido newtoniano, que es un modelo lineal (entre el gradiente de velocidades y las tensiones tangenciales) pero también existen modelos no lineales con adelgazamiento o espesamiento por cortante o como los plásticos de Bingham. Fluido newtoniano: En un fluido newtoniano la fuerza de resist resistenc encia ia exper experim iment entada ada por una placa placa que se mueve mueve,, a velocidad constante por la superficie de un fluido viene dada por:
donde: FR = fuerza cortante (paralela a la velocidad) A = área área supe superfi rfici cial al del del sóli sólido do en cont contac acto to con con el fluid fluidoo , coeficiente de viscosidad dinámica. , altura del nivel de fluido o distancia entre la placa horizontal y el fondo del recipiente que contiene al fluido. Esta expresión se puede reescribir en términos de tensiones tangenciales sobre la placa como:
donde es la velocidad del fluido. Medidas de la viscosidad: La viscos viscosida idadd de un fluido fluido puede medirse por un parámetro dependiente de la temperatura llamado llamado coeficient coeficientee de viscosidad viscosidad o simpleme simplemente nte viscosiviscosidad.Coeficiente de viscosidad dinámico, designado como µ En unidades en el SI µ : = [Pa•s] = [kg•m-1•s-1] ; Otras unidades: 1 poise = 1 [P] = 10-1 [Pa•s] = 10 1 S kgm −
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PRINCIPIOS DE LUBRICACION: : Debido a las presiones
extremas que se desarrollan en engranajes y rodamientos, y la incapacidad de los lubricantes convencionales convencionales de petróleo para
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lubricar adecuadamente estas partes, es necesario fortificar los aceites y las grasas con diversos componentes que aumenten la capacidad de carga de los lubricantes. La mayoría de las compañías usan químicos para lograr esto. A pesar de que estos químicos aumentan temporalmente la resistencia a la carga, pueden convertirse en abrasivos que contrarrestan la capacidad deslizante del lubricante en sí. Cuando estos químicos entran en contacto con el agua y el calor, forman ácidos que atacan las partes movibles y sus bases de petróleo. Estos ácidos llegan a ser tan fuertes que pueden producir corrosión y desgaste a menos que el lubricante sea cambiado con frecuencia. La fricción causa que los lubricantes se deterioren y pierdan su habilidad de proteger y lubricar. Algunos lubricantes derivan su capacidad de manejo de carga y capacidad deslizante de sus bases sintéticas y sólidos metálicos autolubricantes, que son química y térmicamente estables. Estos fortificadores metálicos o sólidos metálicos autolubricantes, están divididos en partículas micrónicas y submicrónicas, para luego ser científicamente suspendidas o mezcladas en aceites y grasas. Debido a que los aceites sintéticos o los hidroprocesados tienen una vida útil mayor, y gracias a la estabilidad de los sólidos metálicos, estos tipos de lubricantes no necesitan ser cambiados tan frecuentemente como los convencionales. Uno de los sólidos metálicos más importantes contenido en estos lubricantes es el Disulfuro de Molibdeno (o MOLY) cuya formula química es: MoS2,. El Comité Nacional de Consejeros de Aeronáutica (USA) descubrió que el Disulfuro de Molibdeno, en su búsqueda de lubricantes para ser usados en aviación, plataformas de lanzamiento de cohetes y otras aplicaciones de alta temperatura y alta carga, tenía uno de los más altos niveles de lubricidad que cualquier otra sustancia descubierta hasta la fecha."Hace rodar la carga" como si fuera un rodamiento.
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Figura 2. Datos preliminares
V. ANALISIS V ISCOSIDAD: La viscosidad dinámica se calcula con la siguiente formula υ = k ∗ (δe − δf ) ∗ t
ecuacion Para las temperaturas manejadas se tiene: gr gr ] ∗ 65, 13s υ (27°C) = 0, 8 mP agrcm ∗ [8, 122 cm − 0, 87 cm υ (27°C)= 377,86 mPa*s gr gr υ (35°C) = 0, 8 mP agrcm ∗ [8, 122 cm ] ∗ 49, 66s − 0, 87 cm υ (35°C) = 288,1 mPa*s gr gr ] ∗ 27, 01s υ (45°C) = 0, 8 mP agrcm ∗ [8, 122 cm − 0, 87 cm υ (45°C)= 156,70 mPa*s gr gr ] ∗ 16, 46s υ (55°C) = 0, 8 mP agrcm [8, 122 cm − 0, 87 cm υ (55°C)= 95,49 mPa*s gr gr υ (65°C) = 0, 8 mP agrcm [8, 122 cm ] ∗ 10, 57s − 0, 87 cm υ (65°C)= 61,32 mPa*s gr gr υ (75°C) = 0, 8 mP agrcm [8, 122 cm ] ∗ 7, 4s − 0, 87 cm υ (75°C)= 42,93 mPa*s ∗
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R ELACION V ISCOSIDAD - T EMPERATURA Figure 3. Relacion viscosidad frente a la Temperatura
III. M ETODOLOGÍA Se inicio verificando las condiciones del viscosímetro de Hoppler, depositamos el aceite SAE 20W - 50 en el capilar comprobando que no hubiera burbujas de aire en el tubo, a continuación se introdujo la esfera N° 4 en la parte superior del tubo, al mismo tiempo tomamos el cronometro y contabilizamos el tiempo que demora en recorre la espera la longitud completa del tubo capilar. Del mismo modo realizamos el procedimiento para las temperaturas de 27°C, 35°C, 45°C, 55°C, 65°C y finalmente 75°C. IV. R ESULTADOS Figura 1. Datos Obtenidos
En la grafica se puede observar claramente que hay una relación inversamente proporcional entre la temperatura y la viscosidad. A medida que aumenta la temperatura la viscosidad disminuye, y así la resistencia del movimiento disminuirá cada vez que aumentemos la temperatura. VI. C ONCLUSIONES A través de los resultados de esta práctica se ha podido interpretar la dinámica de la viscosidad mediante el método de Hoppler, destacando que la viscosidad varía de acuerdo a la temperatura (a mayor temperatura, menor viscosidad), reconociendo la importancia de la viscosidad en la vida cotidiana
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ya que los fluidos están presentes en muchos aspectos, como por ejemplo en las plantas que utilizan la leche para producir subproductos lácteos y así en muchas otras situaciones. VII. A PÉNDICE Cuestionario Otros métodos para medir viscosidad: Método Brookfield:
El método consiste en efectuar una serie de dimensiones de viscosidad mediante un viscosímetro de tipo rotacional sobre una muestra de pintura u otros materiales que tengan propiedades tixotrópicas de alta viscosiad, con propiedades reológicas dependientes del tiempo. La agitación de la pintura que precede a las mediciones de viscosidad debe controlarse cuidadosamente. Procedimiento del método Brookfield
Todas las mediciones deben efectuarse con el viscosímetro Brookfield a 25 ± 1.0°C. Bajar lentamente la aguja núm. 4, la que debe estar bien sujeta al viscosímetro, hasta que quede muy cerca del centro de la superficie de la muestra y sumergir a la profundidad adecuada. Después, correr lentamente el recipiente en un plano horizontal hasta que la aguja esté localizada aproximadamente en el centro del recipiente, para que la prueba sea efectuada en una zona sin turbulencias. Iniciar la prueba con el viscosímetro a 6 rpm y anotar la lectura de la escala después de 10 revoluciones. Incrementar la velocidad del viscosímetro a 12 rpm y anotar la lectura de la escala después de 10 revoluciones. Hacer las observaciones de la misma manera a 30 y 60 rpm. Después de haber efectuado la observación a 60 rpm, reducir la velocidad a 30, 12 y 6 rpm, anotando las lecturas de la escala después de 10 revoluciones a cada una de las velocidades mencionadas. Una vez que ha sido tomada la última lectura a 6 rpm, desconectar el viscosímetro, dejando que tanto el viscosímetro como la muestra estén en reposo durante 2 minutos. Al término del período de reposo de 2 minutos, conectar de nuevo el viscosímetro y anotar la lectura de la escala después de 10 revoluciones. Precisión del método Brookfield La precisión varía conforme a la velocidad del viscosímetro y con el grado de viscosidad de la muestra. La repetitividad y la reproducibilidad de la lectura de viscosidad deben estar dentro del 10 %, excepto las lecturas de viscosidad inicial a la más baja velocidad. Medida de la viscosidad por el método de Stokes: Se fundamenta por el arrastre sobre un cuerpo sumergido. Cuando un cuerpo se mueve a través de un fluido, aparece una fuerza sobre el cuerpo que se opone a dicho movimiento. Dicha fuerza, que recibe el nombre de fuerza de arrastre, tiene su origen en los esfuerzos tangenciales y normales que ejerce el flujo sobre la superficie del cuerpo.La fuerza de arrastre sobre un cuerpo de geometría dada resulta muy difícil de determinar analíticamente, ya que depende de gran número de factores. Por eso es necesario recurrir básicamente a la adquisición de datos experimentales y, con esta finalidad, es costumbre expresar dicha fuerza en la forma:
Normalmente se habla de viscosidad ISO para aceites industriales y viscosidad SAE para aceites automotriz. Los términos de viscosidad ISO y SAE no implican ninguna combinación de aditivos ni propósito específico. Solamente refieren a la viscosidad. A veces se utiliza las medidas de viscosidad SUS (SSU), Redwood, Engler, e otros. Estos sistemas de medición de viscosidad pueden ser convertidos al cSt por formulas matemáticas. Cuando se usa el término “Viscosidad ISO”, se refiere a la viscosidad del aceite en cSt a 40°C (ISO 46 = 46 cSt a 40°C, ISO 150 = 150 cSt a 40°C, etc.). El término “VG” simplemente refiere al Viscosity Grade (Grado de Viscosidad) (VG 46, VG 68, etc.) bajo la norma DIN 51519. Normas ISO:
Este término tampoco tiene que ver con la calidad o su propósito y en general es redundante porque un aceite ISO VG 46 es lo mismo que ISO 46. El término viene de la época antes de la estandarización por la ISO, cuando se fabricaba VG 29, VG 32, VG 37, etc. Además de la estandarización de rangos de viscosidad por la ISO se determinó que en la mayoría de los casos, el equipo diseñado para VG 29 podría funcionar bien con una viscosidad de 32 cSt a 40°C. La ISO permita una variación de 10 % encima y debajo de ese número para clasificarse así. Por ende, un ISO 32 puede ser entre 28.8 cSt y 35.2 cSt a 40°C. Lo importante es controlar la temperatura operacional y calcular la viscosidad a esa temperatura. Normas SAE: Para
el uso automotriz se utiliza una tabla de viscosidades criada por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) basada en la viscosidad cinemática (cSt) a 100°C para la temperatura de operación y una tabla especial de viscosidad en bajas temperaturas para cuidar el motor en el momento de arranque en frío (se define "frío" como temperaturas debajo de 20°C). De acuerdo a esta tabla, los siguientes aceites tienen una viscosidad SAE 40 a 100°C. El comportamiento en calor y frío depende de su índice de viscosidad y aditivos de bombeabilidad que mejoran su punto de fluidez.
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Todos estos aceites tienen la misma viscosidad a 100°C. Esta es la temperatura normal del aceite dentro del motor en funcionamiento (promedio - en realidad se encuentra temperaturas cerca de 150°C en los anillos y puntos presión en el árbol de levas, y más de 280°C en el turbo). Un motor que opera debajo de 90°C no está funcionando bien, tendrá altos depósitos y lodos, y consumirá mayor combustible. Que es el índice de viscosidad: Es la medida de viscosidad de una sustancia comparada con la viscosidad estándar de la sustancia medida a T° de 40°C (VI=0) y a 100 °C (VI=100°C). el índice de viscosidad no tiene unidades debido a que es adimencional. Citation: [ ?] AGRADECIMIENTOS Agradezco al profesor José Rafael Eugenio Lopez por los conocimientos brindados y por la motivacion en el desarrollo de nuevos programas [Lyx] que me permiten enriquecer mis habilidades. De la misma forma al personal del laboratorio de mecánica de fluidos de la universidad que nos brindo su aval. R EFERENCIAS [1] Maron S., Lando J, "Fisicoquímica Fundamental", 2da ed, Ed. Limusa, México, 1987, pag 70 – 75. [2] Crockford H., Navell J., "Manual de Laboratorio de Química Física", 1ra ed, Ed. Alambra, Madrid, 1961, pag 70 – 73. [3] Glasstone S. "Tratado de química física", 7ma ed, Ed. Aguilar, España, 1979, pag 449 – 452. [4] Pons Muzzo G., "Fisicoquímica", 5ta edición, Ed. Universo SA, Lima, 1981. [5] CRC, "Handbook of Chemestry and Physics", 847d ed, Ed CRC Press, 2003 – 2004, pag 10 – 141 15 – 23. Norbert Adolph Lange, "Handbook of Chemestry", Ed. Mc Graw Hill, Book Company,1974.
Heli Obregon Barbosa Nacio el 6 de enero de 1991
en El Tarra[ Norte de Santander ], actualmente reside en Cucuta donde estudia Ingenieria Pecuaria en la universidad Francisco de Paula Santander
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