Ingeniería Electromecánica Mecánica de Fluidos
2014
INTRODUCCIÓN
La Viscosidad es la propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. A mayor viscosidad, más espeso es el fluido; y a menor viscosidad, menos espeso es el fluido. El coeficiente de viscosidad absoluta, o simplemente la viscosidad absoluta de un fluido, es una medida de resistencia, al deslizamiento o a sufrir deformaciones internas. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se puede medir con un recipiente (viscosímetro) que tiene un orificio de tamaño conocido en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale por el orificio es una medida de su viscosidad.
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MARCO TEORICO
El área de la mecánica aplicada que estudia el comportamiento de los fluidos ya sea que permanezcan en reposo o estén en movimiento constituye la mecánica de fluidos y la hidráulica. En el desarrollo de sus principios algunas propiedades son importantes y otras poco menos o nada. En el flujo de estas sustancias (fluidos), la propiedad más importante es la viscosidad la cual se debe primordialmente a las interacciones entre las moléculas del fluido.
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OBJETIVO GENERAL
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.
Objetivos Específicos: Conocer algunos métodos y equipos para hacer mediciones de la viscosidad en líquidos. Medir la viscosidad del fluido en el viscosímetro HOPPLER a diferentes temperaturas con ayuda de un termóstato Analizar como varia la viscosidad del fluido al aumentarla de la temperatura ambiente
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PROCEDIMIENTO
Se verificó las condiciones del equipo sean óptimas tales como nivel de agua en el termostato y en el viscosímetro. Luego se depositó la sustancia problema (aceite SAE 20) en el capilar, procurando que no quedará ninguna gota de aire dentro del tubo. Seleccionaron la esfera número 4 y la dejaron caer dentro del tubo, luego con los cronómetros empezaron a medir el tiempo de caída de la esfera que seleccionada Se utilizaron las siguientes temperaturas: 30ºC, 40ºC, 50ºC y60ºC. La esfera cuando entró en el líquido tenía que permanecer sin hacer burbujas.
EQUIPOS Y MATERIALES
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Viscosímetro Hoopler Termómetro Cronometro Densímetro Muestra del problema (bola Nº4) Aceite SAE 20
NUMERO DE BOLA
DIAMETRO DE LA BOLA(mm)
MASA DE LA BOLA (g)
DENSIDAD DE LA BOLA (g/cm3)
CONSTANTE DE LA BOLA K(mPa*gr/cm3)
1
15.813
4.5966
2.22
0.00982
2
15.603
4.4176
2.221
0.09958
3
15.566
16.0483
8.126
0.13104
4
15.156
14.8056
8.122
0.80748
5
13.943
11.5281
8.123
7.13349
6
10.970
5.6216
8.133
34.71246
DATOS INICIALES
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Numero de esfera:
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4
Constante de la esfera (K): 0.80748 mPa*gr/cm 3 Densidad de la esfera (p1): 8.122 g/cm3 Densidad Fluido (p2): 0.849 g/cm3 Distancia de caída de la esfera: 10 cm Angulo de inclinación: 80º Diámetro interior: 15.94 mm Diámetro exterior: 19.60 mm
TEMPERATUR A ((C)
TIEMPO 1 (s)
TIEMPO 2 (s)
TIEMPO 3 (s)
∆TIEMPO (s)
30’
22.59
22.59
22.49
22.55
40’
16.07
15.97
15.99
16.01
50’
10.85
10.94
10.94
10.91
60'
6.99
6.82
6.82
6.87
ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
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Con los datos obtenidos de tiempo se calculan el valor de la viscosidad para cada una de las temperaturas µ=K*(ƿe - ƿf)*t - µ: Viscosidad - K: Constante de la esfera a utilizar (mPa*gr/cm 3) - ƿe: Densidad de la esfera (g/cm3) - ƿf: Densidad del fluido (g/cm3) - t: tiempo de caída de la esfera (s)
Para temperatura de 30ºC µ= (0.80748 mPa*gr/cm3)*(8.122 gr/cm3 – 0,849 gr/cm3)*(22.55 s) µ= 0.13243 Pa*s
Para temperatura de 40ºC µ= (0.80748 mPa*gr/cm3)*(8.122 gr/cm3 – 0,849 gr/cm3)*(16.01 s) µ= 0.09402 Pa*s
Para temperatura de 50ºC µ= (0.80748 mPa*gr/cm3)*(8.122 gr/cm3 – 0,849 gr/cm3)*(10.91 s) µ= 0.06407 Pa*s
Para temperatura de 60ºC µ= (0.80748 mPa*gr/cm3)*(8.122 gr/cm3 – 0,849 gr/cm3)*(6.87 s) µ= 0.04034 Pa*s
Métodos de medir viscosidad Podemos servirnos de la ley de Stokes para realizar una medida precisa de la viscosidad de un fluido. Consideremos una esfera lisa, de masa m y diámetro D, que cae en el seno de un fluido viscoso. Las fuerzas que actúan sobre la esfera son: su peso mg, el empuje hidrostático E y la fuerza de arrastre viscoso FD. La segunda ley de Newton nos permite escribir
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mg E FD ma Como consecuencia de la aceleración de la esfera, su velocidad aumenta; pero, puesto que la fuerza de arrastre FD es proporcional a la velocidad, también aumenta la resistencia al movimiento. Así pues, la esfera llegará a alcanzar una velocidad tal que la fuerza peso sea compensada por la suma del empuje hidrostático y la fuerza de arrastre. Entonces, la aceleración de la esfera será nula y su velocidad no seguirá aumentando. En estas condiciones, la esfera se moverá con una velocidad constante que recibe el nombre de velocidad límite. Grados de viscosidad SAE e ISO SAE el nombre de esta escala proviene de la "Society of Automotive Engineers" que es una organización educativa y científica dedicada a la tecnología de la movilidad. Debido a su procedencia, es una medida para lubricantes de automoción y sirve de referencia en todo el mundo. Se designa mediante un número, el cual indica un intervalo de viscosidades. Así, por ejemplo, un lubricante SAE 20 poseerá una viscosidad comprendida entre 5,6 y 9,3 centiStokes a una temperatura de 99"C. La escala ISO es aplicable a aceites industriales. Suele definirse por ISO VG, cuyas siglas significan " lnternational Standard Organization" "Viscosity Grade". La viscosidad en este sistema de clasificación, se divide en 18 grupos, que abarcan desde los 2 hasta los 1500 centistokes, medida a 4OoC. Gracias a este intervalo se engloban desde los aceites más finos (valvulinas) hasta los más espesos. Cada grupo puede presentar un rango de viscosidades, por lo que se designará por un número que equivale a la viscosidad media. Por ejemplo, la viscosidad de un lubricante ISO VG 10 podrá oscilar entre 9 y 11 cSt, medida a 40"C. También debemos saber que el intervalo de viscosidades en cada grupo variará en +10% de su viscosidad cinemática media. Además, cada viscosidad media será aproximadamente el 50% superior a su anterior ¿Qué es el índice de viscosidad? El valor que determina la correlación existente entre la viscosidad de un aceite lubricante y la temperatura, es el Índice de Viscosidad (IV). De modo práctico, pudiéramos entender al índice de viscosidad como un número
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que refleja cuánto podrá variar la viscosidad ante los cambios de temperatura, correspondiendo los mayores valores a aquellos aceites que presentan menor variación. Aceite multigrado El aceite multigrado se define como un producto que incluye varios grados de viscosidad. El aceite multigrado es la combinación de dos grados de viscosidad: uno para su aplicación en frío y otro para altas temperaturas. La viscosidad de un aceite multigrado es diferente a altas y bajas temperaturas debido a la presencia de aditivos conocidos como modificadores de viscosidad o mejoradores de índice de viscosidad. Estos aditivos son los polímeros orgánicos solubles en el aceite básico (mineral o sintético) permitiendo que la viscosidad de aceite se incremente en la medida que suba la temperatura, y en bajas temperaturas sucede lo contrario. Beneficios del aceite multigrado: Menor desgaste en el momento del arranque, ahorro de combustible, mayor vida útil del motor, mayor estabilidad del aceite en diferentes temperaturas, mayor rendimiento del aceite Aceite monogrado Aceites cuyos índices de viscosidad varían considerablemente en función de la temperatura. Estos aceites deben ser cambiados si las condiciones de temperatura presentan variaciones importantes. ¿A qué temperatura máxima un aceite pierde sus propiedades? La viscosidad de todo aceite se reduce al calentarse .esto debe ser considerado para equipos que operen a temperaturas diferentes a las de diseño, donde se deberá contemplar la selección de un lubricante de mayor o menor viscosidad, según sea el caso .Por lo tanto se requerirá un lubricante de mayor viscosidad para altas temperaturas y viceversa Tipos de viscosímetro Se pueden identificar tres tipos principales de viscosímetros, estos son los viscosímetros de cilindros coaxiales, los viscosímetros análogos y los viscosímetros rotacionales digitales. *Viscosímetros de cilindros coaxiales
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Este tipo de viscosímetros consta de dos cilindros, uno interno y otro externo. Lo que permiten los viscosímetros de cilindros coaxiales es realizar la medida de la viscosidad absoluta de un fluido. Por lo regular se utiliza en aplicaciones donde se tiene que medir el nivel de viscosidad de productos como pinturas, productos alimenticios, suspensiones, entre otros. *Viscosímetros análogos Los viscosímetros análogos se forman con un disco o un cilindro que se encuentra suspendido y gira por la acción de un motor sincrónico. La lectura de la medida del nivel de viscosidad se expresa por una serie de medidas grabadas en el disco o en el cilindro que se utilice. Este tipo de viscosímetros suele ser utilizado en la industria alimenticia, farmacéutica y en la medición de viscosidad de pinturas y grasas. *Viscosímetros rotacionales digitales Para asegurar una medición exacta del nivel de viscosidad de fluidos, los viscosímetros rotacionales digitales son la elección adecuada. Estos son controlados a través de un microprocesador, esto elimina por completo los errores humanos al momento de interpretar las medidas de viscosidad. Su nivel de exactitud y precisión en las medidas es alto, por lo regular cuentan con dispositivos de medición y control de temperatura del fluido analizado para garantizar un ambiente constante de medición. Esto representa una ventaja respecto de los otros dos tipos de viscosímetros, ya que es importante conocer la temperatura a la que se somete un fluido puesto que ésta influencia directamente al nivel de viscosidad.
CONCLUSIONES
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En nuestro análisis, gracias a la práctica, nos es fácil concluir que a mayor viscosidad, más espeso es el fluido; y a menor viscosidad, menos espeso es el fluido.
De acuerdo a la gráfica se puede deducir que la temperatura y la viscosidad son inversamente proporcionales.
La viscosidad es una propiedad muy importante de los fluidos ya que de acuerdo ella y a la temperatura en que esté el fluido son de utilidad en muchas ramas, una de ellas es la de mecánica automotriz.
Los tiempos de caída están sujetos a errores como es la precisión del cronómetro de mano ya que una persona media el tiempo y otra indicaba el instante de paro del cronómetro.
BIBLIOGRAFIA
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MECÁNICA DE FLUIDOS APLICADA, Robert L. Mott. Prentice-Hall. 1994. 4 ed.
