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LABORATORIO DE ENERGÍA TÉRMICA-FIM

“AÑO DE LA CONSOLIDACIÓN DEL MAR DE GRAU” UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

MEDICIÓN DE VISCOSIDAD CURSO: CÓDIGO: SECCIÓN: DOCENTE: TEMA: GRUPO:

LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA 1 MN-412 B

Ing. VISCOSIDAD EN LOS LUBRICANTES

2B

ESTUDIANTE:

CÓDIGO:

 ALANYA ANTICONA CARLOS FRANCISCO 20132230H  BOLTAÑA VALENZUELA SEBASTIAN RICARDO 20144143H  CISNEROS LAVERIANO HANS CHRISTIAN 20121143A

FECHA DE REALIZACIÓN: 24/10/16 FECHA DE PRESENTACIÓN: 31/10/16 LUGAR: Laboratorio de Energía Térmica – Facultad de ingeniería Mecánica – Av. Túpac Amaru 210

RIMAC-LIMA-PERU 2016

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I RESUMEN TÉCNICO La viscosidad es una medida de la fricción interna del fluido, esto es, la resistencia a la deformación. La viscosidad de un fluido newtoniano está determinada por el estado del material siendo la temperatura la variable más importante por lo que la consideraremos primero. Se dispone de excelentes ecuaciones empíricas para la viscosidad como una función de la temperatura. En este laboratorio usamos el equipo denominado viscosímetro de Redwood, en donde determinamos la viscosidad del aceite SAE y con tablas de viscosidad aceites determinamos que pertenece al tipo Shell Helix SAE20W50 .Ademas concluimos que a más temperatura la viscosidad de los lubricantes disminuye Para llegar a las conclusiones anteriormente mencionadas calculamos la viscosidad según formulas empíricas, graficamos la tendencia de viscosidad versus temperatura. por ultimo decimos firmemente que conocimiento de la viscosidad de un líquido nos ayuda en el área de mecánica de fluidos ya que podemos saber qué tipo de líquido es importante y porque usarlo en tal máquina para que esta funcione en óptimas condiciones. O porque usar tal lubricante para un vehículo a tal temperatura y porque no usar otro. O tal vez en las bebidas, fármacos líquidos, ya que la viscosidad influye mucho en el gusto de la persona, así como el comportamiento del fluido en el organismo, etc. Nos despedimos esperando que este informe sirva de base para otros informes sobre lubricantes pues el desarrollo de la misma permitirá un buen desenvolvimiento de ingeniero mecánico en la industria.

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II TABLA DE CONTENIDOS 1.

INTRODUCCIÓN ................................................................................... 6

2.

OBJETIVO ............................................................................................. 7

3.

FUNDAMENTO TEORICO .................................................................... 8

4.

MATERIALES, INSTRUMENTOS Y EQUIPOS ................................... 17

5.

PROCEDIMIENTO (EXPLICACION DE LA EXPERIENCIA) ............... 18

6.

CALCULOS Y RESULTADOS ............................................................. 19

7.

CONCLUSIONES ................................................................................ 22

8.

RECOMENDACIONES ........................................................................ 23

9.

REFERENCIAS ................................................................................... 24

10.

ANEXO ................................................................................................ 25

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III AGRADECIMIENTOS

Agradecemos a la facultad de ingeniería mecánica por conceder los laboratorios para nuestras experiencias y a los mentores del curso que nos guian en el desarrollo del mismo y nos forman como profesionales.

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IV LISTA DE SIMBOLOS



: Viscosidad Absolut a o Dinám ica (Poise) .



: Tensión de corte (dina/cm2).

dv dL

: Régimen de corte (1/seg).

v

:Velocidad (cm/seg).

L

: Distancia (cm).



: Viscosidad cinemática (Stoke).



: Densidad (kg/cm 3 ).

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1.

INTRODUCCIÓN

Cada vez que se produce una f alla mecánica es en primer lugar es por f alta de mantenim iento y con esto específ icamente lubricación además para construir máquinas más perf ectas, se ha tenido en cuenta el grado de exact itud de estas no sólo en su construcció n sino en el trabajo que deben realizar y par a ello el rozamiento entre las piezas ha jugado un rol muy importante y justamente este es el causante del deterioro y del calentamiento de las mismas durante su f uncionam iento. Es

por

ello

notablement e

que

el

dur ante

estudio los

de

últimos

lub ricantes años

se

creándose

ha

desarrollado

adit ivos

a

los

lubr icantes para que estos no sólo lubriquen sino también eviten la corrosión, el calentamiento y la acción espumante de estas. Mediante la lubricación adecuada de l as piezas, se logran darles mayor tiempo

de

vida

y

sobre

todo

ut ilizar

menos

esf uerzos

para

su

f uncionam iento. Así, por ejemplo, el telescopio Hale de 5.08 m de diámetro, del obser vatorio del Monte Palomar, que pesa 450 000 Kg se apoya sobre patines. Si esta gira en seco, es decir sin lubr icante, necesitar ía una f uerza de var ios miles de Kg, pero si en cambio estuviese lubr icado, el esf uerzo no llegar ía a 2 Kg, lo que equivaldr ía a un rozam iento en seco con un coef icient e miles de veces más pequeño. En síntesis toda m áquina por más per f ecta que sea, debe tener un lubr icante adecuado a la t area que realiza para evitar pérdidas mayores y desgaste general.

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2.

OBJETIVO

El presente laboratorio tiene como finalidad los siguientes puntos: a) Familiarizar al estudiante con los instrumentos de medición de viscosidad para futuras investigaciones. b) Determinar la viscosidad cinemática, con la ayuda del viscosímetro Redwood, de un aceite multigrado Móvil SAE 20W-50 y construir la gráfica de  vs T. c) Superponer estos gráficos en otro extraído de un libro de Mecánica de Fluidos y observar su comportamiento respecto de otros líquidos.

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3.

FUNDAMENTO TEORICO

3.1 CONCEPTOS PREVIOS: La viscosidad es la característica de un fluido que representa la oposición del movimiento entre las capas del fluido por la acción de un esfuerzo córtate aplicado sobre él. Por tanto, la viscosidad representa la resistencia del fluido a fluir. En los líquidos, el grado de viscosidad y fluidez está relacionado con el tamaño de sus moléculas, las fuerzas intermoleculares, debido a las características de las moléculas, las condiciones en las que se las obliga a fluir y demás. Además, el grado de movilidad de las moléculas está relacionada con el calor suministrado y a la temperatura en la que se encuentren, por lo que esta, para la medición de la fluidez es una medida importante. Los materiales viscosos tienen la característica de ser pegajosos, como los aceites o la miel. Si se vuelcan, no se derraman fácilmente, sino que se pegotean. Lo contrario ocurre con el agua, que tiene poca viscosidad. Los fluidos no viscosos se denominan ideales, pues todos los flujos algo de viscosidad tienen. Los fluidos con menor viscosidad (casi ideal) son los gases. (1) Lubricante Se denomina así al fluido que debido a su viscosidad reduce el desgaste de superficies que se encuentran en contacto y movimiento, además que facilita la disipación de calor y permite evacuar los sedimentos producto del roce entre las superficies.

3.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS LUBRICANTES Viscosidad La viscosidad es, quizá, la propiedad más importante de un lubricante y en ella influyen la temperatura, presión y esfuerzos cortantes (movimiento de líquidos).Es la propiedad de los fluidos, mediante el cual tratan de oponerse a la acción de los esfuerzos cortantes, también se le define como el resultado de la fricción intermolecular que existe en el seno del fluido cuando las capas adyacentes que la conforman tienden a deslizarse una sobre otra. Existen dos clases de viscosidad: la dinámica o absoluta y la cinemática. (2)

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Unidades de viscosidad absoluta La viscosidad absoluta es una propiedad de los fluidos que indica la mayor o menor resistencia que estos ofrecen al movimiento de sus partículas cuando son sometidos a un esfuerzo cortante. Algunas unidades a través de las cuales se expresa esta propiedad son el Poise (P), el Pascal-Segundo (Pa-s) y el centiPoise (cP), siendo las relaciones entre ellas las siguientes: 1 Pa-s = 10 P = 1000 cP. La Viscosidad Absoluta suele denotarse a través de la letra griega μ. Es importante resaltar que esta propiedad depende de manera muy importante de la temperatura, disminuyendo al aumentar ésta.

 

Poise  dina.

dv dL

Fórmula 1.1.

seg gr  2 seg.cm cm

Viscosidad relativa o específica de un fluido La viscosidad especifica de un fluido, es la relación de la viscosidad de un fluido, a la de un fluido patrón (por lo general el agua, o el disolvente en caso de soluciones), tomando ambas viscosidad a la misma temperatura. La viscosidad del agua del agua a 20°C, es aproximadamente un Centipoise (1Cp), por lo tanto para fines prácticos, la viscosidad relativa de un fluido a 20°C es idéntica a su viscosidad absoluta en Centipoise. (2) Viscosidad cinemática La viscosidad cinemática, correspondiente a un fluido, que tiene una densidad (), en kg. Masa/cm3 y viscosidad absoluta (), en kg masa/m.seg, es:



 2 (m / seg )  Fórmula 1.2.

La unidad de la viscosidad cinemática, en el sistema C.G.S. es el Stokes, que es igual a 1 cm2/seg. Generalmente se usa el CentiStoke (CSt), que es una unidad menor: CSt = 0.01 Stokes.

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Índice de vi scosidad En una gran variedad de aplicaciones, pudiendo mencionarse aquéllas que usan aceite para fines de lubricación, es necesario garantizar que la sustancia reduzca su viscosidad lo menos posible al aumentar la temperatura. La propiedad que indica el comportamiento de la viscosidad de un fluido con la temperatura es conocida como Índice de Viscosidad (IV). Un alto IV indica que el fluido es estable con los cambios de temperatura, es decir, que su viscosidad se reduce moderadamente al aumentar la temperatura. Esta propiedad puede hallarse a través de la ecuación de Deanny-Davis:

IV  100

L U L H

Donde U son los SSU del fluido a 100°F y los valores de L y H se obtienen de la tabla 1, ingresando con los SSU a 210°F. Punto de inflamaci ón Es la temperatura mínima a la cual los vapores emitidos por el fluido se inflaman en presencia de una llama en condiciones normalizadas. Punto de combusti ón Sí después de haber llegado al punto de combustión se continúa calentando el fluido, llega un momento en que empieza a arder ininterrumpidamente. Se denomina punto de combustión a la temperatura a partir de la cual el fluido arde durante cinco segundos por lo menos sin interrupción. Punto de congelación Es el punto en el cual el lubricante por descenso de temperatura se solidifica. Es decir se vuelve un cuerpo sólido. Lo más importante de este caso aparente de congelación, el cual es la temperatura a la que se encuentra el lubricante permitiendo cierta deformación en su superficie antes de solidificarse. Poder anticorrosi vo. Es una cualidad del lubricante que busca proteger al elemento lubricado de la acción corrosiva de agentes extraños como el agua de condensación, azufre de los motores, etc. Poder antiespumante Es una cualidad del lubricante a formar espumas producto de la emulsión de aire en el mismo lubricante.

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Poder detergente Es un aditivo especial en el lubricante cuyo objetivo es arrasar con los sedimentos manteniéndolos en suspensión coloidal en la masa del lubricante sin que esto perjudique a la lubricación. Aditi vos Son añadiduras que sirven para mejorar las siguientes características del lubricante: 

Punto de congelación



Untuosidad



Poder antioxidant e y anticorrosivo



Poder detergente



Poder antiespumant e



Presiones extrema.

3.3 CUALIDADES DE LOS LUBRICANTES 1. Gran Poder Lubri cante 2. Es decir, reduce considerablemente la resistencia al rozamiento de las superficies de trabajo, con pequeño consumo de lubricante. El poder lubricante depende del rozamiento interior de la materia lubricante y del grado de fluidez (viscosidad). Su rozamiento interior será tanto mayor cuanto menor fluido sea. Cuanto más fluido se presenta un lubricante, menor es el poder de lubricación, pues se comprime con mayor facilidad entre la superficie de trabajo; es menor por consiguiente el espesor de la capa de engrase, aumentando la resistencia al rozamiento expulsándolo fácilmente la materia lubricante, aumenta el peligro de un calentamiento excesivo. El calor desarrollado siempre entre 2 superficies por el rozamiento existente entre las mismas, vendrá determinado por la mayor o menor resistencia al rozamiento de las superficies que resbalan. 3. Gran estabilidad El aceite de engrase no debe secarse al aire ni solidificarse. Esto último se favorece por el calor y el polvo. El aceite a la temperatura de utilización, no deberá vaporizar ni formar gases combustibles.

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4. Libre de ácidos Los aceites vegetales y las grasas animales, con frecuencia contienen ácido sulfúrico, que pertenece después de su purificación y ataca las superficies de resbalamiento. Los aceites minerales, raras veces contienen ácidos. Para comprobar si existen en agua hirviendo en la que se haya diluido una pequeña porción de tintura de tornasol y se deja reposar el agua. Si esta toma un color rojizo, el aceite contiene algún ácido. 5. LIMPIEZA ABSOLUTA Carencia de cuerpos extraños, como polvo, fibras vegetales en aceites de origen vegetal, partículas de carbón en aceites minerales. Estas impurezas aumentan el rozamiento y obstruyen los aparatos de engrase.

3.4 VARIACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON LA TEMPERATURA: La viscosidad es una manifestación del movimiento molecular dentro del fluido. Las moléculas de regiones con alta velocidad global chocan con las moléculas que se mueven con una velocidad global menor, y viceversa. Estos choques permiten transportar cantidad de movimiento de una región de fluido a otra. Ya que los movimientos moleculares aleatorios se ven afectados por la temperatura del medio, la viscosidad resulta ser una función de la temperatura. Algunos líquidos son absolutamente sensibles a la temperatura, y una variación relativamente pequeña dará lugar a un cambio significativo en la viscosidad. Otros son relativamente insensibles. La consideración del efecto de la temperatura en viscosidad es esencial en la evaluación de los materiales que serán sujetados a las variaciones de la temperatura, por ejemplo, los aceites y las grasas. (4)

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Figura 1.2. Viscosidad vs Temperatura Cinemática (Fuente: Mott, Robert, Mecanica de Fluidos, Editorial Pearson)

3.5 VARIACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON LA PRESIÓN: La variación de la viscosidad de un líquido con la presión (atm) puede expresarse por la relación /o-ebp donde la /p=bx esto significa que la rapidez de aumento de la viscosidad con la presión crece al aumentar la viscosidad. Donde o es la viscosidad a la presión atmosférica,  es la viscosidad a la presión p; p es la presión manométrica. El agua es excepcional a temperaturas bajas porque muestra al principio una disminución de la viscosidad cuando aumenta la presión.(5)

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3.6 VARIACIÓN

DE LA VELOCIDAD RESPECTO AL PESO MOLECULAR.

DE

DEFORMACIÓN

CON

Una gran cantidad de fluidos, casi todos de interés industrial, presentan desviaciones de la ley de Newton al ser su viscosidad una función de la velocidad de cizalla aplicada (viscosidad dinámica); la diferencia básica entre el comportamiento Newtoniano y el no Newtoniano es la longitud de la molécula del fluido, de forma que aquellos fluidos con moléculas de pequeño tamaño presentan un comportamiento Newtoniano en contraposición de que posean moléculas de mayor tamaño.

Figura 1.3. Efecto del peso molecular en la viscosidad a bajas velocidades de cizalla (Fuente: Barnes, H.A. Una introducción a la reología, Ed. Elsevier

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3.7 MÉTODOS DE MEDICIÓN DE VISCOSIDAD Los equipos existentes más comunes para determinarla viscosidad cinemática son:

3.7.1 VISCOSÍMETRO DE SAYBOLT La facilidad con que un fluido fluye a través de un orificio de diámetro pequeño es una indicación de su viscosidad. Éste es el principio sobre el cual está basado el viscosímetro de Saybolt. La muestra de fluido se coloca en un aparato parecido al que se muestra en la figura.Después de que se establece el flujo, se mide el tiempo requerido para colectar 60 mL del fluido. El tiempo resultante se reporta como la viscosidad del fluido en Segundos Universales Saybolt (SSU o. en ocasiones, SUS).Puesto que la medición no está basada en la definición fundamental de viscosidad, los resultados son solamente relativos. Sin embargo, sirven para comparar las viscosidades de diferentes fluidos.

Figura 1.4. Principio de funcionamiento del viscosímetro Saybolt y el equipo

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3.7.2 VISCOSÍMETRO REDWOOD Viscosímetro estándar Británico. El tiempo en segundos que requieren 50 ml de aceite para fluir en un viscosímetro Redwood a una temperatura específica. (Método IP 70).

3.7.3 VISCOSÍMETRO ENGLER La viscosidad Engler se expresa en segundos Engler, tiempo de flujo de 200 cm3 de líquido. El grado Engler de viscosidad es la relación entre los tiempos de flujo de 200 cm3 de líquido a una temperatura indicada y del mismo volumen de agua destilada a 20°C (48.51s) Conversión grado Engler a viscosidad cinemática

Figura 1.5. Principio de funcionamiento del equipo Engler

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4.

MATERIALES, INSTRUMENTOS Y EQUIPOS

Figura 4.1 • Equipo : Viscosimetro Redwood • Marca : StandHode - Setd • Rango: ---------------------• Aproximación: --------------

Figura 4.2 • Instrumento : Termometros de bulbo • Marca : ---• Rango: 0 – 150 ℃

Figura 4.3 • Material : Aceite SAE • Marca : Shell Helix • Rango: ----

Figura 4.4 • Instrumento : Probeta • Marca : Fortuna • Rango: 0 – 50 ml • Aproximación: ± 0.5ml

Figura 4.5 • Equipo : Potenciometro • Marca : StandHode - Setd • Rango: ---------------------• Aproximación: --------------

Figura4.6 • Equipo : Cronometro Digital • Marca : Casio • Rango: 10 horas • Aproximación: 0.01 seg

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5.

PROCEDIMIENTO (EXPLICACION DE LA EXPERIENCIA)

En este método de ensayo específica un procedimiento para la determinación de la viscosidad cinemática de productos de petróleo, mediante la medición de tiempo que tarda en fluir un volumen de líquido por acción de la gravedad a través de un viscosímetro capilar de tubo calibrado para ello seguimos los siguientes pasos: 1) Se limpia con waipe el viscosítremo y se elimina todos los residuos de tal manera que el orificio quede libre para poder hacer la experiencia. El material de trabajo fue diésel de grado 2.

Figura 5.1

2) Se llena en un vaso calibrado la cantidad necesaria de diésel y preparamos el baño maría mediante el cual se transmitirá calor al diésel cuando elevamos la temperatura.

Figura 5.2

3) Cuando se tiene el equipo preparado pasamos a medir el tiempo en que tarda en llenar la probeta de 50 ml a cuatro temperaturas distintas. La primera lectura se hace a temperatura ambiente en la experiencia fue aproximadamente de 19°c, el tiempo registrado fue de 42 minutos.

Figura 5.3

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4) La segunda lectura se hace a una temperatura de 37.7°c según la norma ASTM, para ello se debe calentar el agua mediante el Reóstato, el agua al calentarse transmitirá calor al lubricante y debemos esperar hasta que el lubricante alcance dicha temperatura y mantenerla durante la lectura del tiempo.

Figura 5.4

5) La tercera temperatura según norma fue de 54.4°c y La ultima temperatura según norma es de 98.8°c, en la experiencia se tuvo un problema debido a que termómetro no llegaba a esa lectura por lo tanto se tomó 90°c aproximadamente. 6) Una vez obtenido los datos necesarios se procede a limpiar el equipo, para evitar que forme futuras obstrucciones.

6.

CALCULOS Y RESULTADOS

Viscosímetro Redwood (ACEITE) DATOS: Vol=50 ml ; Tamb=19°C Tabla N° 1 tiempo versus temperatura

Tiempo(seg)

Temperatura(ºC)

2520 840 240 113

19 37.7 54.4 90

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El viscosímetro de Redwood obedece a la siguiente ecuación empírica:

v = At -

B (cm2/s o Stokes) t

υ= viscosidad cinemática (Stokes) Constantes:

A =0.0026

B =1.72

Tabla N° 2 tiempo, temperatura y viscosidad cinemática.

Tiempo(seg) Temperatura(ºC) Viscosidad cinemática(cSt) 2520 840 240 113

19 37.7 54.4 90

655.131746 218.1952381 61.68333333 27.85787611

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Grafico N° 1 Viscosidad versus temperatura

Viscosidad cinemática(cSt) 700

DVISCISIDAD ( CST)

600 500 400 300 200 100 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

TEMPERATURA (°C)

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7.

CONCLUSIONES

 Analizando los resultados de viscosidad obtenidos, podemos decir que la viscosidad disminuye con la temperatura, debido a que el tiempo que demoró en pasar el aceite a 90 ºC fue menor que el tiempo que tardó en pasar a 19 ºC Por ende la viscosidad varía inversamente proporcional con la temperatura. Por eso su valor no tiene utilidad si no se relaciona con la temperatura a la que el resultado es reportado  De lo anteriormente expresado podemos concluir que la viscosidad de un fluido (lubricante) depende de la temperatura a la que se encuentre; o en su defecto la temperatura de trabajo donde se encuentre; a fin de poder elegir el aceite lubricante apropiado para estas condiciones.  La viscosidad cinemática de un aceite lubricante es una función del tiempo:  A mayor temperatura, disminuye la viscosidad y a menor temperatura, aumenta la viscosidad.  Los aceites Shell Helix son lubricantes para dar protección extra contra el desgaste combinado con una limpieza del motor con alto recorrido.  Del ensayo se concluye que el aceite corresponde a Shell Helix SAE20W50

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8.

RECOMENDACIONES  Se recomienda, antes de empezar la experiencia, si en caso el instrumento este sucio, usar algún disolvente para eliminar cualquier rastro de material que afecte el flujo del lubricante a través de la boquilla.  Aunque para el agua que ha de servir como medio de calentamiento y transferencia para el lubricante, esta puede ser agua sin tratar o tratada.  Se debe filtrar el lubricante que se vaya a usar, puesto que puede haber impurezas o trazas de otros materiales, que, luego de cierta temperatura, obstruir el orificio de salida y aletargar el flujo a través de este, provocando errores en las mediciones.  Cuando se busque calentar el agua, este debe ser calentado a unos grados más (nosotros usamos 3°), para evitar que este se enfrié rápidamente.  No se debe olvidar agitar el aceite y el agua para facilitar el calentamiento de ambos.  Durante la medición, si luego de comprobar que la temperatura del agua ha bajado, calentar con el máximo de resistencia en el reóstato, a fin de evitar que la temperatura en el aceite baje.  Usar los instrumentos como es debido, ya que estos son muy sensibles y su mal uso podría malograr alguno de estos.

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9.

REFERENCIAS

(1) Viscosidad de los Fluidos, cap. 2, Mecánica de Fluidos, 6° Edicion,2006 por Pearson Educación. Prentice Hall. (2)Lubricantes (s.f.). Recuperado el 28 http://materias.fi.uba.ar/7201/LUBRICANTES-I.pdf

de

octubre

de

2016

de

(3)Fluidos viscosos. Recuperado el 28 de octubre https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/3623/1/tema2RUA.pdf

de

2016

de

(4)Efecto de la temperatura en la variación de la viscosidad de un aceite degradado por fritura en inmersión de papas. Johanna María Mora Lizcano, Trabajo presentado como requisito para optar el título de Ingeniero de Alimentos Universidad de Pamplona, Facultad de Ingenierías y Arquitecturas. (5)Manual de Laboratorio de Ing. Mecánica, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Ingeniería. (6)El laboratorio del ingeniero mecánico-Jesse Seymour Doolittle (7)Manual de Laboratorio de Ingeniería Mecánica I-Profesores de Dpto. de Energía – FIM

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10. ANEXO TablaN°3 de rangos de viscosidad para aceites SAE

Sae No.

Rango de Viscosidad en S.S.U a 130ºF

10

90-120

20

120-185

30

185-255

40

Mayor de 255

a 210ºF

Menor de 80

50

80-105

60

105-125

70

125-150

80

100.000 segundos a 0ºF max

90

800 a 1500 seg a 100ºF

140

120 a 200 a 210ºF

250

200 seg a 210ºF min

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