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FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA VISCOCIDAD Curso: Laboratorio de Ingeniería Mecánica I

(MN 412 A)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de ingeniería mecánica

Curso: Laboratorio de Ingeniería Mecánica I Tema: Viscosidad Profesor: Ing. Ponce Integrantes:

 Zevallos Portillo Anthony Luis  Chavez Miranda Jorge Eduardo  Galván Huamaní, Jorch Herbert  Hurtado Vela Alexander

20081131H 20022088B 20082035B 20041117D

2011-I LAB. DE INGENIERIA MECANICA I

Viscosidad 1

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VISCOCIDAD INTRODUCCION: La viscosidad es la propiedad más importante de los fluidos, y por tanto esta requiere la mayor consideración en el estudio del flujo de fluidos. La viscosidad de un fluido depende de su temperatura. Es por eso que en los líquidos a mayor temperatura la viscosidad disminuye mientras que en los gases sucede todo lo contrario lo contrario. Existen diferentes formas de expresar la viscosidad de un fluido, pero las más importantes son las siguientes: viscosidad absoluta o dinámica, cinemática, Saybolt, Redwood. La resistencia de un fluido al corte depende de su cohesión y de su rapidez de la transferencia de la cantidad del movimiento molecular. Un liquido, cuyas moléculas dejan espacios entre ellas mucho más cerradas que las de un gas, tienen fuerzas cohesivas mucho mayor que un gas. La cohesión parece ser la causa predominante de la viscosidad en un líquido; y ya que la cohesión decrece con la temperatura, la viscosidad decrece también.

Al inicio de cualquier proceso se debe conocer la viscosidad de los fluidos a trabajar ya que ella, junto con otras propiedades, determina el proceso requerido para el tratamiento de ciertos fluidos, como es el caso de los petróleos. El tratamiento que se le da a un petróleo liviano no es el mismo que el que se le da a un petróleo extra pesado. Al final del proceso también es importante conocer ésta propiedad ya que se debe saber si los productos cumplen con las especificaciones de viscosidad requeridas por las normas establecidas. Este trabajo tiene por objetivo presentar el estudio de la viscosidad de un aceite y el efecto de la temperatura sobre la misma y establecer la relación de la viscosidad de los fluidos en función de la temperatura. La viscosidad se determinara a temperatura ambiente utilizando un viscosímetro Redwood. Este informe está estructurado por puntos, que son: Fundamento teórico referente a la viscosidad, el procedimiento experimental utilizado, descripción de los equipos e instrumentos requeridos, cálculos, gráficos y finalmente conclusiones.

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OBJETIVOS  Aprender y conocer los métodos de calcular la viscosidad y densidad de los lubricantes.  Calcular en forma experimental la viscosidad cinemática de diferentes tipos de lubricantes mediante el viscosímetro Redwood.  Determinar también el índice de viscosidad de cualquier lubricante o fluido requerido. FUNDAMENTO TEORICO 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 líquido, 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. VISCOSIDAD DE LOS LIQUIDOS: Los líquidos presentan mucha mayor tendencia al flujo que los gases y, en consecuencia, tienen coeficientes de viscosidad mucho más altos. Los coeficientes de viscosidad de los gases aumentan con la temperatura, en tanto que los de la mayoría de líquidos, disminuyen. Asimismo se ha visto que los coeficientes de viscosidad de gases a presiones moderadas son esencialmente independientes de la presión, pero en el caso de los líquidos el aumento en la presión produce un incremento de viscosidad. Estas diferencias en el comportamiento de gases y líquidos provienen de que en los líquidos el factor dominante para determinar la viscosidad en la interacción molecular y no la transferencia de impulso. La mayoría de los métodos empleados para la medición de la viscosidad de los líquidos se basa en las ecuaciones de Poiseuille o de Stokes. La ecuación de Poiseuille para el coeficiente de viscosidad de líquidos es:

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Donde V es el volumen del liquido de viscosidad que fluye en el tiempo t a través de un tubo capilar de radio r y la longitud L bajo una presión de P dinas por centímetro cuadrado. Se mide el tiempo de flujo de los líquidos, y puesto que las presiones son proporcionales a las densidades de los líquidos, se puede escribir como:

Las cantidades t1 y t2 se miden más adecuadamente con un viscosímetro de Ostwald. Una cantidad definida de liquido se introduce en el viscosímetro sumergido en un termostato y luego se hace pasar por succión al bulbo B hasta que el nivel del liquido este sobre una marca a. Se deja escurrir el liquido el tiempo necesario para que su nivel descienda hasta una marca b y se mide con un cronometro. El viscosímetro se limpia, luego se añade el líquido de referencia y se repite la operación. Con este procedimiento se obtienen t1 y t2 y la viscosidad del líquido se calcula con la ecuación anterior. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA: El efecto de la temperatura sobre la viscosidad de u líquido es notablemente diferente del efecto sobre un gas; mientras en este ultimo caso el coeficiente aumenta con la temperatura, las viscosidades de los líquidos disminuyen invariablemente de manera marcada al elevarse la temperatura. Se han propuesto numerosas ecuaciones que relacionan viscosidad y temperatura como por ejemplo:

Donde A y B son constantes para el liquido dado; se deduce que el diagrama de Log( ) frente a 1/T seta una línea recta. Se pensó en otro tiempo que la variación de la fluidez con la temperatura resultaría más fundamental que la del coeficiente de viscosidad; pero el uso de una expresión exponencial hace que la opción carezca de importancia. 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 específica o densidad relativa esta definida como el peso unitario del material dividido por el peso unitario del agua destilada a 4 °C. Se LAB. DE INGENIERIA MECANICA I

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representa la gravedad específica (Ge) y también se puede calcular utilizando cualquier relación de peso de la sustancia a peso del agua. Densímetro: Un hidrómetro, o densímetro, es un instrumento que sirve para determinar la densidad relativa de los líquidos sin tener que calcular antes la masa y el volumen. Normalmente está hecho de vidrio y consiste en un cilindro y un bulbo pesado para que flote derecho. El líquido se vierte en una jarra alta, y el hidrómetro se baja gradualmente hasta que flote libremente. A continuación se observa en la escala el punto en el que la superficie del líquido toca el cilindro del hidrómetro. Los hidrómetros generalmente contienen una escala de papel dentro de ellos para que se pueda leer directamente la gravedad específica en gramos por centímetro cúbico. En líquidos ligeros, como queroseno, gasolina, y alcohol, el hidrómetro se debe hundir más para disponer el peso del líquido que en líquidos pesados como agua salada, leche, y ácidos. De hecho, es usual tener dos instrumentos distintos: uno para los líquidos en general y otro para los líquidos ligeros, teniendo como diferencia la posición de las marcas medidas. Viscosidad del lubricante: La viscosidad es una de las propiedades más importantes de un aceite lubricante. Es uno de los factores responsables de la formación de la capa de lubricación, bajo distintas condiciones de espesor de esta capa. La viscosidad afecta la generación de calor en rodamientos, cilindros y engranajes debido a la fricción interna del aceite. Esto afecta las propiedades sellantes del aceite y la velocidad de su consumo. Determina la facilidad con la que las máquinas se pueden poner en funcionamiento a varias temperaturas, especialmente a las bajas. La operación satisfactoria de una dada pieza de un equipo depende fundamentalmente del uso de un aceite con la viscosidad adecuada a las condiciones de operación esperadas. Se han utilizado otros sistemas de medida, incluyendo Saybolt, Redwood y Engler, debido a su familiaridad para muchas personas, pero son raros los instrumentos desarrollados para realizar las mediciones en estas unidades. La mayoría de las determinaciones de viscosidad se realizan en centistokes y se convierten a valores de otros sistemas. La viscosidad de cualquier fluido cambia con la temperatura, incrementándose a medida que baja la temperatura, y disminuyendo a medida que ésta aumenta. La viscosidad también puede cambiar con un cambio en el esfuerzo o velocidad de corte.

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Viscosímetros capilares: que miden la velocidad de flujo de un volumen fijo de fluido a través de un orificio de diámetro pequeño, a una temperatura constante y controlada. La velocidad de corte puede variar entre casi 0 a 106 s-1 cambiando el diámetro del capilar y la presión aplicada. Los tipos de viscosímetros capilares y sus modos de operación son: Viscosímetros de capilar de vidrio: el fluido para a través de un orificio de diámetro fijo bajo la influencia de la gravedad. La velocidad de corte es menos de 10 s-1. Todas las viscosidades cinemáticas de lubricantes para automóviles se miden con viscosímetros capilares. Viscosímetros capilares de alta presión: aplicando un gas a presión, se fuerza a un volumen determinado del fluido a pasar a través de un capilar de vidrio de pequeño diámetro. La velocidad de corte se puede variar hasta 106 s-1 . Esta técnica se utiliza comúnmente para simular la viscosidad de los aceites para motor en las condiciones de operación. Esta viscosidad se llama alta temperatura-alto corte (HTHS por su sigla en inglés) y se mide a 150 ºC y 106 s-1 Viscosímetros rotatorios, que usan el torque de un eje rotatorio para medir la resistencia al flujo del fluido. El Simulador de Cigüeñal Frío (CCS), el mini-viscosímetro rotatorio (MRV), el viscosímetro Brookfield y el Simulador de Cojinete Cónico (TBS) son viscosímetros rotatorios. La velocidad de corte se puede cambiar modificando las dimensiones del rotor, el espacio entre el rotor y la pared del estator, y la velocidad de rotación. Simulador de Cigüeñal frío: El CCS mide la viscosidad aparente en el rango de 500 a 200.000 cP. Los rangos de velocidades de corte van entre 104 y 105 s-1. El rango normal de temperaturas de operación está entre 0 a -40 ºC. El CCS ha demostrado una excelente correlación con los datos de cigüeñales de máquinas a bajas temperaturas. La clasificación de viscosidades SAE J300 especifica el comportamiento viscoso de aceites para motor a bajas temperaturas mediante límites del CCS y requisitos del MRV. Mini-viscosímetro Rotatorio(ASTM D 4684): La prueba con el MRV, que está relacionado con el mecanismo de bombeo, es una medición a baja velocidad de corte. La baja velocidad de enfriamiento es la característica clave del método. Se trata una muestra para que tenga una historia térmica que incluya ciclos de calentamiento, enfriamiento lento y remojado. El MRV mide una aparente tensión admisible, la cual, si es más grande que el valor umbral, indica un posible problema de bombeo por mezcla con aire. Por sobre una cierta viscosidad (normalmente definida como 60.000 cP por la SAE J300), el aceite podría estar sujeto a una falla de bombeo por un mecanismo llamado LAB. DE INGENIERIA MECANICA I

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comportamiento de "flujo límite". Un aceite SAE 10W, por ejemplo, se requiere para tener una viscosidad máxima de 60.000 cP a -30 ºC sin tensión admisible. Este método también mide una viscosidad aparente bajo velocidades de corte de 1 a 50 s-1 Viscosímetro Brookfield, determina un amplio rango de viscosidades (1 a 105 P) bajo una baja velocidad de corte (hasta 102 s-1). Se usa principalmente para determinar la viscosidad a baja temperatura de aceites para engranajes, transmisiones automáticas, convertidores de torque y aceites hidráulicos para tractores, automóviles e industriales. La temperatura del ensayo se mantiene constante en el rango de -5 a -40 ºC. La técnica de ensayo Brookfield mide la viscosidad Brookfield de una muestra a medida que es enfriada a velocidad constante de 1 ºC por hora. Como el MRV, este método intenta correlacionar las características de bombeo de un aceite a baja temperatura. El ensayo informa el punto de gelificación, definido como la temperatura a la cual la muestra llega a 30.000 cP. El índice de gelificación se define como la relación entre la mayor velocidad de cambio en el incremento de la viscosidad desde -5 ºC y la temperatura más baja del ensayo. Este método encuentra aplicación en aceites de motores, y es requerido por la ILSAC GF-2. Simulador de Cojinete Cónico: Esta técnica también mide viscosidades a altas temperaturas y velocidades de corte (ver Viscosímetro capilar de alta presión). Se obtienen altas velocidades de corte usando distancias extremadamente pequeñas entre las paredes del rotor y estator.

INDICE DE VISCOSIDAD: Para comparar los aceites con base de petróleo con respecto a variaciones de viscosidad con la temperatura, el método ASTM D 2270 proporciona una manera de calcular el índice de viscosidad (IV). Este es un número arbitrario utilizado para caracterizar la variación de la viscosidad cinemática de un producto de petróleo con la temperatura. El cálculo se basa en mediciones de la viscosidad cinemática a 40 y 100 ºC. Para aceites de viscosidad cinemática similar, a índices de viscosidad más grandes, más pequeño el efecto de la temperatura. Índice de Viscosidad (I.V.): IV =

L −U x100 L −H

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Donde: L: Viscosidad a 100 ºF de un aceite cuyo IV es 0 y a 210ºF tiene una viscosidad igual a la del aceite en ensayo. H: Viscosidad a 100 ºF de un aceite cuyo IV es 100 y a 210ºF tiene una viscosidad igual a la del aceite en ensayo. U: Viscosidad del aceite que queremos a 100 ºF . Los beneficios de un IV más alto son: Viscosidad más alta a mayor temperatura, lo cual resulta en un menor consumo de aceite y desgaste del motor. Menor viscosidad a bajas temperaturas, lo cual permite un mejor arranque en frío del motor y menor consumo de combustible durante el calentamiento. La medición de viscosidades absolutas bajo condiciones reales ha reemplazado al concepto de índice de viscosidad convencional para evaluar lubricantes bajo condiciones de operación. Método del Ensayo: El viscosímetro a emplear es el Redwood, este viscosímetro trabaja con temperaturas estándar de 70, 100, 130, y 210 ºF y mide bajos niveles de viscosidad pues trabaja con agua, sustancia que regula temperatura del aceite (máx. Tagua = 100 ºC). Sabemos que en la mayoría de aceites la viscosidad varia con la temperatura, por eso durante el ensayo se debe mantener una temperatura constante para obtener un valor más preciso si es posible calentar el aceite en unos 3ºC más que el necesario, pues al vaciarlo al recipiente del viscosímetro Redwood pierde calor por convección. La cantidad de aceite a emplear es de 50 cc., los resultados están expuestos según el tiempo de escurrimiento del aceite en segundos Redwood. La norma a consultar para la determinación exacta de la viscosidad es IP 70 - 46. Determinación de la Viscosidad cinemática: La viscosidad cinemática se determina mediante el tiempo total necesario para que un aceite escurra por un tubo capilar por accion de la gravedad (donde este tiempo varia proporcionalmente con la viscosidad e inversamente con la densidad) según el viscosímetro utilizado, luego mediente operaciones se da el verdadero valor de la viscosidad en poises. Los viscosímetros más empleados son el Seybotl (USA), Redwood (Inglés) y el Engler (EURO). Reemplazando en la ecuación Empírica Para el Viscosímetro de Redwood ν = A.t - B/t ν:

Viscosidad Cinemática (cm^2/seg)

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t = Tiempo Redwood (seg) A = 0.0026 B = 1.72 cte. PARTE EXPERIMENTAL: PROCEDIMIENTO DE ENSAYO • Lavar con detergente todos los instrumentos antes de comenzar la experiencia. • Luego calentar el agua por medio de una resistencia regulable hasta una determinada temperatura (temperatura experimental).

• Calentar el aceite hasta la temperatura experimental con ayuda del agua calentada por el potenciómetro. • Echar el aceite en el depósito y verificar que el agua, dentro de la muestra este al mismo nivel que el aceite en el depósito. • Posteriormente, mover el agua lentamente con el agitador hasta que la temperatura del agua y del aceite se igualen.

• Una vez que se igualan las temperaturas, dejar caer el aceite por el tubo capilar hacia el recipiente y tomar el tiempo que demora en llenar 50 .ml. LAB. DE INGENIERIA MECANICA I

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• Repetir el procedimiento 2 veces con diferentes temperaturas

CALCULOS Y RESULTADOS Datos obtenidos: mprobeta = mprobeta+maceite = maceite =

230.2 gr 406.3gr 176.1gr

El viscosímetro de Redwood obedece a la siguiente ecuación empírica:

g1 = A.q- B/q Donde: a)

A = 0.0026

b)

B = 1.72

c)

q = segundos Redwood Sabemos que: 1 stoke = 100 centistokes = 1 cm²/s = 0,0001 m²/s N° 1

Temperatura (°C) 21

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Tiempo / 60ml 30min 21s Viscosidad

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2 3 4

40 55 90

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9min 59s 5min 24s 1min 43s

Hallando el Indice de Viscosidad Usando Conversores de Internet: 69.8 ºF 1821 segundos Redwood = 473.36 CST = 2194,0236 SSU 104 ºF 599 segundos Redwood = 155.45 CST = 720.51 SSU 131 ºF 324 segundos Redwood = 83.71 CST = 387.99 SSU 194 ºF 103 segundos Redwood = 25.11 CST = 116.38 SSU Luego determinamos el índice de viscosidad de la siguiente manera:

Con: Y = 116.38 y U = 2194.0236

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Por Tablas determinamos también que el grado SAE es 50, en este caso.

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

140 250

120 a 200 a 210ºF 200

g a 210ºF min

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES  En el momento de medir la densidad del aceite, se debe tener presente que la temperatura del aceite no varíe con respecto a los valores de 100°F y 210°F para nuestro caso.  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 210 ºF fue menor que el tiempo que tardó en pasar a 100 ºF. 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.  Debemos tener cuidado con la medida del volumen del lubricante; a fin de obtener los resultados con una precisión aceptable. LAB. DE INGENIERIA MECANICA I

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 Debemos tener presente la importancia de la limpieza de los elementos a utilizar, tener cuidado con que el lubricante no entre en contacto con el agua; lavar cuidadosamente los elementos a utilizar cada vez que realizamos una nueva medición al elevar la temperatura del lubricante.  Debemos tener cuidado de que no se formen burbujas en la probeta

ANEXO IMPORTANCIA DE LOS LUBRICANTES Y LA LUBRICACION A primera vista, parece que el título es muy largo para cubrir su aspecto que todos los automovilistas "dominan", además, es harto conocido que los aceites lubricantes por derivados del petróleo y que en los últimos años aparecieron los lubricantes sintéticos, los cuales son más eficientes y duraderos. Pero si usted sigue con atención esta serie de artículos descubrirá que los aceites y la lubricación son un poco más que eso. Los objetivos primarios de la lubricación en los motores de combustión interna son: 1.-Reducir a un mínimo la fricción. 2.-Mantener la temperatura de las partes móviles dentro de límites tolerables. Para lograr los objetivos antes citados se necesita que el lubricante cumpla con una serie de funciones que conoceremos más adelante. ACCIÓN DEL LUBRICANTE Ninguna superficie es completamente lisa. Aun las superficies altamente pulidas cuando son examinadas bajo un microscopio muestran formas de picos y valles.

Si una pieza gira dentro de otra, sin lubricación, habrá considerable fricción debido a la tendencia al acoplamiento entre "picos y valles".

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La fricción genera calor y la elevada temperatura reduce las cualidades de resistencia al desgaste hasta el punto en que se inicia el deterioro de las superficies en contacto. El lubricante que se interpone entre las piezas, figuras, reduce la fricción debido a una película que evita el contacto entre las superficies. La disminución de la fricción permite mayor libertad de movimiento y reduce enormemente la cantidad de calor generado.

CLASIFICACION DE LOS LUBRICANTES El diseño del motor y las condiciones de operación determinan el tipo de lubricante que debe usarse, por lo tanto deben seguirse siempre las recomendaciones del fabricante del vehículo para emplear el aceite adecuado. El mismo se seleccionará por su viscosidad, en base a la clasificación SAE (Society of Automotive Engineers) y por el nivel de servicio API (American Petroleum Institute). El API ha clasificado por letras los niveles de servicio para vehículos nafteros y diesel. Se emplea la letra "S" para identificar los aceites para motores nafteros y la letra "C" para los gasoleros. Ambas van acompañadas de una segunda letra que indica el nivel de desempeño del aceite, es decir, la aplicación para la cual han sido formulados. Comienzan por la letra “A” para el menos exigido, aumentando en orden alfabético a medida que aumenta la exigencia.

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