informe viscocimetro

Universidad Técnica de Ambato

Ingeniería Mecánica

INFORME VISCOCIMETRO

1. TEMA: “VISCOCIMETRO DE CAÍDA BOLA”

2. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GENERAL 

Diseñar y construir un dispositivo para medir la viscosidad de líquidos empleando la técnica de Caída de bola.

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Estudiar la viscosidad de los fluidos, detectando el movimiento de una esfera de acero que se deja caer en el tubo de ensayo.



Observar el comportamiento de los fluidos newtonianos y no newtonianos.



Elaborar un circuito electrónico que nos ayudara a determinar la distancia y el tiempo que recorrerá la bola de acero.



Agilizar la obtención de resultados de la viscosidad de diversos fluidos con mayor eficiencia y exactitud

3. MATERIALES Base viscosímetro: 

Placas de acero estructural ASTM A36

Página 1




Electrodos 6011



Pintura anticorrosiva



Lijas y limas.



Tiñer



Página 2




Probeta: 

Vidrio borosilicato

Pantalla LDC

Teclado

Página 3




Censores inductivos

Circuito electrónico: 

Detalles en anexos.

4. MARCO TEÓRICO VISCOSIDAD Los gases y los líquidos tienen una propiedad conocida como la viscosidad, la cual se puede definir como la resistencia a fluir ofrecida por un liquido, resultante de los efectos combinados de la cohesión y la adherencia. La viscosidad se produce por el efecto de corte o deslizamiento resultante del movimiento de una capa de fluido con respecto a otro y es completamente distinta de la atracción molecular. Se puede considerar como causada por la fricción interna de las moléculas y se presenta tanto en gases ideales como en líquidos y gases reales.

Fuente :(http://www.monografias.com/trabajos33/viscosidad/viscosidad.shtml#ixzz34IRMuUQ)

Un gráfico del comportamiento de algunos materiales típicos en flinción de la viscosidad se incluye en la figura 1.1

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En esta gráfica puede observarse las diferencias que existen entre los diversos fluidos con respecto a su viscosidad: Flujo ideal, en el cual la viscosidad se puede considerar despreciable. Flujo newtoniano, la viscosidad es constante. Flujo plástico, en el cual es necesario un esñierzo de corte inicial para que comience a fluir. Este es el caso tipico de las pinturas de aceite. Fluido dilatante. En éstos la viscosidad aumenta con la taza de deformación

Fuente (http://es.wikipedia.org/wiki/Viscos%C3%ADmetro) Tipos de viscosidad: 

Viscosidad absoluta o dinámica: h Unidades en el S.I.: N s/m2 Unidades en el cgs: dina s/cm2 (poise)



Viscosidad cinemática: es la

relación entre la viscosidad absoluta y

la densidad de masa del fluido Unidades en el S.I.: m2/s Unidades en el cgs: cm2/s (stoke) Página 5




Fuente (http://fcm.ens.uabc.mx/~fisica/FISICA_II/APUNTES/VISCOSIDAD.htm)

DENSIDAD Se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. La densidad de un cuerpo esta relacionado con su flotabilidad, una sustancia flotara sobre otra si su densidad es menor. La gravedad especifica o densidad relativa esta definida como el peso unitario del material dividido por el peso unitario del agua destilada a 4 °C. Se representa la gravedad especifica (Ge) y también se puede calcular utilizando cualquier relación de peso de la sustancia a peso del agua.

Fuente (http://www.monografias.com/trabajos33/viscosidad/viscosidad.shtml#ixzz34IS8iKlH) VISCOSÍMETRO Es un instrumento empleado para medir la viscosidad y algunos otros parámetros de flujo de un fluido. Fue Isaac Newton el primero en sugerir una fórmula para medir la viscosidad de los fluidos, postuló que dicha fuerza correspondía al producto del área superficial del líquido por el gradiente de velocidad, además de producto de una coeficiente de viscosidad. Las pipetas de cristal pueden llegar a tener una reproducibilidad de un 0,1% bajo condiciones ideales, lo que significa que puede sumergirse en un baño no diseñado inicialmente para la medida de la viscosidad, con altos contenidos de sólidos, o muy viscosos. No obstante, es imposible emplearlos con precisión en la determinación de la viscosidad de los fluidos nonewtonianos, lo cual es un problema ya que la mayoría de los líquidos interesantes tienden a comportarse como fluidos no-newtonianos. Hay métodos estándares internacionales para realizar medidas con un instrumento capilar, tales como la norma DIN 53015

Fuente (http://es.wikipedia.org/wiki/Viscos%C3%ADmetro)

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Clasificación de Viscosímetros Un viscosímetro es un equipo para medir la viscosidad de un fluido. Existen tres técnicas básicas prácticas para determinar la viscosidad de un líquido newtoniano: 

Midiendo el flujo del líquido a través de tubos (viscosímetros capilares).



Viscosímetros rotacionales.



Empleando patrones de viscosidad de fluidos conocidos.

VISCOSÍMETRO DE TUBO CAPILAR En este método se hace una medición del tiempo necesario para que cierta cantidad de fluido pase por un tubo capilar (o de calibre pequeño) de longitud y diámetros conocidos, bajo una diferencia medida y constante de presiones. Se puede aplicar la ley de Hagen – Poiseuille, en el caso de que el flujo sea laminar , para calcular la viscosidad m m = p*Dp*D4*128*Q* l en donde D es el diámetro interno de la tubería, Dp es la diferencia de presiones en la longitud l y es el gasto en volumen de flujo. Si se mide la presión en los extremos de la tubería, deben efectuarse ciertas correcciones para los cambios de distribución de velocidad y las pérdidas de entrada. Las correcciones dependen del aparato que se utilice. Teniendo en cuenta que la viscosidad depende de la temperatura, es necesario controlar y especificar la temperatura en todas las mediciones de la viscosidad. Normalmente estos modelos tienen la forma de un tubo en U como se pueden apreciar en la Así tenemos el viscosímetro de Ostwald, el viscosímetro de Cannon-Fenske y el viscosímetro de Ubbelohde.

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Fuente(http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/medidores/viscosimetrosempiricos/v iscosimetrodetubocapilar.htm) Fuente(http://es.wikipedia.org/wiki/Viscos%C3%ADmetro) VISCOSÍMETRO ROTACIONAL Los viscosímetros de rotación emplean la idea de que la fuerza requerida para rotar un objeto inmerso en un fluido puede indicar la viscosidad del fluido. Algunos de ellos son: 

viscosímetros Bloomfield es el más común, que determinan la fuerza requerida para rotar un disco o lentejuela en un fluido a una velocidad conocida.



El viscosímetro de 'Cup and bob' que funcionan determinando el torque requerido para lograr una cierta rotación. Hay dos geometrías clásicas en este tipo de viscosímetro de rotación, conocidos como sistemas: "Couette" o "Searle".



'Cono y plato' los viscosímetros emplean un cono que se introduce en el fluido a una muy poca profundidad en contacto con el plato.



El viscosímetro Stormer. Es un dispositivo rotatorio empleado para determinar la viscosidad de las pinturas, es muy usado en las industrias de elaboración de pintura. Consiste en una especie de rotor con paletas tipo paddle que se sumerge en un líquido y se pone a girar a 200 revoluciones por minuto, se mide la carga del motor para hacer esta operación la viscosidad se encuentra en unas tablas ASTM D 562, que determinan la viscosidad en unidades Krebs. El método se aplica a pinturas tanto de cepillo como de rollo. Página 8




(http://es.wikipedia.org/wiki/Viscos%C3%ADmetro) VISCOSÍMETRO DE CAÍDA DE BOLA Este viscosímetro se utiliza principalmente para substancias de baja viscosidad, entre 0,6 y 100.000 mPa·s, como: 

Industria de aceites minerales (aceites, líquidos hidrocarbonos)



Industria alimentaria (soluciones de azúcar, miel, cerveza, leche, gelatina, zumos de frutas)



Industria química (soluciones de polímeros, disolventes, soluciones de resinas, dispersiones de látex, soluciones adhesivas)



Industria Cosmética/Farmacéutica (materias primas, glicerina, emulsiones, suspensiones, soluciones, estractos)



Industria petrolera (crudo, aceite para máquinas, petróleo)



Carburantes (petróleo, aceite diesel y parafina)



Industria papelera (emulsiones, dispersiones de pigmentos, aditivos del papel)



Pinturas y barnices (tintas para impresión, barnices, aquarelas, tintas)



Detergentes Cumple los requerimientos de las normativas DIN 53015 y ISO 12058.

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Consiste en un recipiente que contiene un fluido viscoso. Su funcionamiento se basa en introducir una pequeña esfera dentro del recipiente, la cual parte del reposo y rápidamente alcanza la velocidad límite. El tiempo que le toma recorrer la distancia L determina la viscosidad del fluido. Las variables que intervienen en el proceso de medición son: p1 Densidad de la esfera sólida. p2 Densidad del líquido. L Longitud que cae la esfera en un tiempo t. Vo Velocidad límite de la esfera. Un ejemplo de este tipo de medidores es el que se muestra en la figura 1.4, el cual consta de un recipiente transparente aislado térmicamente a través del cual caen bolas de acero o níquel. En la tabla 1.1 se describen las características de cada una de ellas.

figura 1.4 Viscosímetro de bola 1

(http:// http://www.quantotec.com/sp/Visco-bola.htm) SENSORES INDUCTIVOS Definición Un sensor inductivo es un dispositivo electrónico que utiliza una tecnología de sensor de proximidad para detectar objetos metálicos sin contacto físico. Página 10




Función Los sensores inductivos suelen ser utilizados para procesos industriales automatizados u otras aplicaciones donde el contacto físico o el acceso puede ser difícil. Los sensores inductivos podrían ser usados para ese tipo de aplicaciones como los semáforos y detectores de metales.

Proceso Los sensores inductivos contienen un circuito inductivo, o sistema de detección electromagnética. Las corrientes eléctricas en el sensor inductivo crean un campo magnético, o un campo de fuerza creado por un objeto magnético. El campo magnético colapsa, creando una corriente cuando se le agrega una entrada de electricidad. La presencia de metal, ya que el metal es un inductor comparativamente fuerte, aumenta el flujo de corriente dentro del circuito inductivo. Esto cambio en la corriente es detectado por el sistema de circuitos, que luego puede enviar una señal apropiada cuando siente un objeto metálico.

Fuente : (http://www.ehowenespanol.com/son-sensores-inductivos-hechos_257253/) Vidrio de borosilicato EL PROCESO DE FABRICACIÓN Vidrio de borosilicato se crea mediante la adición de óxido bórico para frita del vidriero tradicional de arena, silicato de sodio y cal suelo. Puesto que el vidrio de borosilicato se funde a una temperatura más alta que el vidrio de silicato de ordinario, se requiere algunas nuevas técnicas para la producción industrial. Inspirándose en el comercio de la soldadura, se requiere la combinación de oxígeno con quemadores de gas natural. Fuente: (http://centrodeartigos.com/articulos-utiles/article_105648.html)

Composición química No contiene elementos del grupo alcalino-térreo, ni zinc, ni metales pesados. Además del silicio, el carbonato de sodio y el carbonato de calcio usado tradicionalmente en la fabricación de vidrio, el boro es usado en la manufactura de este vidrio. Normalmente su composición es: 

70% de sílice.



10% óxido bórico.



8% óxido de sodio. Página 11

Universidad Técnica de Ambato 

8% óxido de potasio.



1% óxido de calcio



Propiedades químicas 

Tiene gran estabilidad al ataque químico.



Resiste los ataques del agua y de casi todos los ácidos en el campo de temperaturas general de trabajo.



Resiste las esterilizaciones repetidas -húmedas o secas- sin empañarse.



Su contenido relativamente bajo de álcalis deja el valor pH de los medios virtualmente invariable.

Propiedades físicas 

Densidad: 2,23 g/cm3(inferior a la del vidrio común: 2,57 g/cm3)



Coeficiente lineal de dilatación térmica: 33 x 10-7 por ºC entre 20 y 400 ºC

Debido a su dilatación térmica sumamente baja, el vidrio PYREX no sólo resiste las tensiones de los choques térmicos repetidos, sino que permite fabricar materiales más gruesos y robustos que los que son generalmente posibles con vidrio. 

Calor específico: El calor específico entre 0 y 250 ºC se puede representar por Ct = 0,174 + 0,00036 t, en la que Ct es el valor específico a la temperatura t ºC.



Son vidrios crown con baja dispersión (número de Abbe alrededor de 65)



Índices de refracción relativamente bajos (1.51 – 1.54 en el rango visible).

Fuente: (http://www.ecured.cu/index.php/Vidrio_Pyrex)

5. PROCEDIMIENTO 1. Para realizar la construcción del viscosímetro de esferas se procedió a buscar la norma de fabricación que este posee, en este caso se usó la norma alemana de construcción DIN 53015. 2. Se procedió a realizar la construcción de la base del viscosímetro en donde se empleó un acero estructural ASTM A36, el cual tiene las medidas establecidas en la norma, y que se detalla en los anexos. 3. Se realizó la construcción del circuito electrónico para medir el tiempo que tarda la esfera en recorrer la distancia establecida por la norma. 4. Se procedió a programar en un LCD, los datos y la formula que se necesita para calcular la viscosidad de los fluidos que estamos estudiando (densidad de fluidos programados en anexos). Página 12




Formula

DONDE: r: diámetro de la probeta g= gravedad p1= densidad la bola p2= densidad del fluido t= tiempo en que la bola recorre 0,1 m d=distancia recorrida (0,1 m) 5. Se realizó la conexión de los sensores inductivos en nuestra baquelita y se procedió a realizar las pruebas de campo necesarias para determinar cuáles eran los aspectos que debían corregirse en la construcción del circuito. 6. Se procedió a comprar el cristal que se emplea en la construcción del viscosímetro el mismo que se compone de Boro, silicio y Magnesio, este cristal se conoce con el nombre de vidrio borosilicato. 7. Se estableció una guía para la utilización de del viscosímetro creando una tabla en donde se detallan los valores de densidad para los fluidos que se van a probar. 8. Finalmente procedió a colocar los sensores en la base metálica y fijarlos la probeta de vidrio para realizar las pruebas indicadas en la norma. 9. Se procedió a realizar las pruebas para determinar los valores de la viscosidad en el fluido estudiado.

6. CONCLUSIONES 

Al detectar el movimiento de la esfera de acero se observó que el diámetro interno del tubo no es igual al diámetro de la esfera, lo que puede variar la velocidad de los fluidos. Página 13




De acuerdo a la velocidad de caída de la esfera de acero pudimos identificar las



Esfera

Material

Diámetro

Peso (g)

Densidad

Constante K Intervalo de

3

oc

3

características de los fluidos newtonianos y no newtonianos. 

Fue posible mejorar la calidad del proyecto añadiendo sensores que nos permitió incrementar la exactitud de la velocidad de la caída de la esfera de acero.



Con la ayuda de la pantalla se puede agilizar la obtención de los datos de viscosidad de los fluidos a estudiar

7. RECOMENDACIONES 

Manejar con cuidado el viscosímetro para evitar daños



Realizar más de tres mediciones para obtener un valor más exacto en la viscosidad.



No usar el viscosímetro sin un fluido en la probeta ;ya que podría romperse con la esfera de acero



Si se desea calcular las viscosidad de un fluido de densidad no programada se lo puede hacer sustituyendo los valor del tiempo en la formula dada anteriormente



Evitar en lo posible el empuje de la esfera que pueda producirse manualmente hacia abajo en el momento de dejarla caer.

8. ANEXOS ESPECIFICACIÓN DE CONSTRUCCIÓN SEGÚN LA NORMA DIN 53015 Medición de la distancia que recorre la bola: 100 Diámetro de la probeta: 15 mm + / - 0,01 mm Ángulo de trabajo: KF10: 50 a 80 ° (posición DIN) Rango de temperatura: -60 ° C - 150 ° C Volumen de muestra: 40 ml Dimensiones: 180 mm x 220 mm x 330 mm Diámetro esferas posibles a usar:

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2 3 4 5 6

Vidrio Vidrio Hierro Hierro Acero Acero

15.812 15.598 15.606 15.203 14.286 11.112


4.5983 4.4073 16.1923 14.9622 11.6771 5.5351

2.221 2.218 8.136 8.132 7.649 7.705


0.00792 0.09601 0.09042 0.65407 4.66080 33.82923

0.6-10 7-130 30-700 200-4800 800-10000 6000-75000

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Diagramas eléctricos:

Página 16




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Densidades de fluidos programados en el viscosímetro. Tabla de densidades de los fluidos a emplearse en el viscosímetro.

Nombre:

Densidad (kg/):

Descripción.

Acetona.

787

Alcohol etílico.

787

Gasolina.

680

Queroseno.

823

Lubricante SAE 15W40.

882

Motores diesel TDX Plus


866

Motores diesel Premium TDX

Lubricante SAE 30.

892



889



881



894



882.2

M.D. Delo 400 multigrade


883

M.D. Delo 400 multigrade

Lubricante SAE 30.

888

Motores

gasolina

Havoline

gasolina

Havoline

Premium. Lubricante SAE 40.

893

Motores Premium.


882

M.G.

Havoline

premium.

Motorcycle oil 4T. con deposit shield Lubricante SAE 80W90.

901

Agua.

1000

Mercurio.

132.8

Glicerina.

1258

Alcohol Metílico.

789

Multigear Ls.

PLANOS DEL SOPORTE

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