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UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE MECÁNICA LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA I

INFORME DE LA PRÁCTICA N°9 MEDICIÓN DE VISCOSIDAD

Revisado Por:

Realizado Por:

Prof. Johnny Martínez

Br. Jessica Quintana

Sección 01

C.I: 29838674

Barcelona, Febrero del 2017

II. Resumen El experimento realizado consistió en la medición del tiempo de escurrimiento en función de la temperatura para un aceite desconocido y con ello obtener la viscosidad cinemática del mismo. Para realizar la práctica se utilizó un banco de prueba el cual consistió en un recipiente lleno de agua a temperatura ambiente con un viscosímetro cinemático, el cual contiene el aceite desconocido, introducido dentro del mismo. La temperatura del agua se varió utilizando un variador de temperaturas en el cual se programaban las temperaturas deseadas y éste automáticamente se encargaba de calentar el agua hasta las temperaturas deseadas, las cuales se mostraban en una pantalla digital. Los datos experimentales que se obtuvieron se utilizaron para construir una gráfica de la viscosidad cinemática (expresada en centistokes) en función de la temperatura. Para obtener dicha viscosidad se multiplicaron los tiempos de escurrimiento por la constante suministrada por el viscosímetro para cada temperatura. La gráfica obtenida se comparó con las de diferentes aceites determinar el tipo de aceite con el que se trabajó.

I.

CONTENIDO

Resumen……………………………………………………….................. II Contenido………………………………………………………………..... III 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Introducción……………………………………………………………….…4 Objetivos…………………………………………….…………….…9 Materiales y Equipos Utilizados………………………………….10 Procedimiento Experimental………………………………..........11 Resultados……………………………………………...…...……..12 Análisis de Resultados……………………………..... ……….…13 Conclusiones y Recomendaciones………………………........ 14 Referencias Bibliográficas……………………………………... 15 Apéndices: Apéndice A. Ejemplos de Cálculos……………………………..…….. 16 Apéndice B. Asignación…………………………………………….….. 17 Apéndice C. Anexos……………………………………………………. 23

1. INTRODUCCIÓN

1.1. Viscosidad: La viscosidad puede ser considerada como la pegajosidad interna de un fluido. Es una de las propiedades que influye en la potencia necesaria para mover una superficie aerodinámica a través de la atmósfera. Responde a las pérdidas de energía asociadas con el transporte de fluidos en ductos, canales y tuberías. Además, la viscosidad desempeña un papel primordial en la generación de la turbulencia. La viscosidad es una propiedad de fluido extremadamente importante en el estudio de flujos [1].

Figura 1.1: Representación de la viscosidad. El concepto básico de la viscosidad se muestra en la figura 1.1, donde una placa se mueve a una velocidad constante V sobre una capa de aceite. El aceite se adhiere a ambas caras de las placas, la móvil y la estacionaria. El aceite en contacto con la cara de la placa móvil viaja a la misma velocidad que ésta, mientras que el aceite en contacto con la placa estacionaria tiene velocidad nula. Entre ambas placas, se puede visualizar al aceite como si estuviera compuesto por muchas capas, cada una de ellas siendo arrastrada por la superior a una fracción de la velocidad V, proporcional a su distancia de la placa estacionaria. Una fuerza F debe ser aplicada a la placa móvil para vencer a la fricción entre las capas fluidas. Dado que esta fricción esta relacionada con la viscosidad, la fuerza necesaria para mover la placa es proporcional a la viscosidad. La viscosidad se puede determinar midiendo la fuerza necesaria para vencer la resistencia a la fricción del fluido en una capa de dimensiones conocidas. La viscosidad determinada de esta manera se llama dinámica o absoluta [2]. La viscosidad dinámica normalmente se expresa en poise (P) o centipoise (cP, donde 1 cP = 0,01 P), o en unidades del Sistema Internacional

como pascales-segundo (Pa-s, donde 1 Pa-s = 10 P). La viscosidad dinámica, la cual es función sólo de la fricción interna del fluído, es la cantidad usada más frecuentemente en el diseño de cojinetes y el cálculo de flujo de aceites. Debido a que es más conveniente medir la viscosidad de manera tal que tenga en cuenta la densidad del aceite, para caracterizar a los lubricantes normalmente se utiliza la viscosidad cinemática [2]. La viscosidad cinemática de un fluido es su viscosidad dinámica dividida por su densidad, ambos medidos a la misma temperatura, y expresada en unidades consistentes. Las unidades más comunes que se utilizan para expresar la viscosidad cinemática son: stokes (St) o centistokes (cSt, donde 1 cSt = 0,01 St), o en unidades del SI como milímetros cuadrados por segundo (mm2/s, donde 1 mm2/s = 1 cSt) [2]. La viscosidad dinámica en centipoise se puede convertir en viscosidad cinemática en centistokes dividiéndola por la densidad del fluído en gramos por centímetro cúbico (g/cm3) a la misma temperatura. La viscosidad cinemática en milímetros cuadrados por segundo se puede convertir en viscosidad dinámica en pascal-segundos multiplicando por la densidad en gramos por centímetro cúbico y dividiendo el resultado por 1000 [2]. Resumiendo: Viscosidad Absoluta=

Esfuerzo de Corte =1 P Velocidad de Corte

Viscosidad Cinem á tica=

Viscosidad Absoluta =1 Stoke Densidad

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 fluído cambia con la temperatura, incrementándose a medida que baja la temperatura, y disminuyendo a medida que ésta aumenta. 1.2. Viscosímetro: es un instrumento empleado para medir la viscosidad y algunos otros parámetros de flujo de un fluido [3].

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 [3]. No obstante, es imposible emplearlos con precisión en la determinación de la viscosidad de los fluidos no-newtonianos, 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 el ASTM D445 [3]. 1.3. Clasificación SAE: Clasificación de Viscosidad utilizando como unidad de medida el Centistoke (cSt) a100°C. Este sistema se utiliza para clasificar los lubricantes empleados en la lubricación de motores de combustión interna y los aceites para lubricación de engranajes en automotores. De acuerdo al grado SAE de viscosidad los aceites se clasifican en: a. Aceites Unigrados: Se caracterizan porque tienen solo un grado de viscosidad. Cuando vienen acompañados de la letra W (Winter) indica que el aceite permite un fácil arranque del motor en tiempo frío (temperatura por debajo de 0°C). Acorde con la temperatura del medio ambiente por debajo de 0°C, se selecciona el grado SAE que acompaña a la letra W, ya que cada uno de estos grados está en función de dicha temperatura. Los otros grados SAE que no traen la letra W se emplean para operaciones en clima cálido y bajo condiciones severas de funcionamiento [4]. b. Aceites Multigrados: Estos aceites tienen más de un grado de viscosidad SAE. Ej. 15W40. Poseen un alto índice de viscosidad lo cual les da un comportamiento uniforme a diferentes temperaturas, tanto en clima frío con el clima cálido. Una de las ventajas más importantes de los aceites multigrados con respecto a los unigrados, es el ahorro de combustible debido a la disminución de la fricción en las diferentes partes del motor, principalmente en la parte superior del pistón. Los números SAE. Los números SAE de viscosidad constituyen clasificaciones de aceites lubricantes en términos de

viscosidad solamente. Los valores oficiales de 0ºF y 210ºF son los especificados en la clasificación [4].

2. Objetivos

2.1. Objetivo General.  Evaluar la viscosidad cinemática de lubricantes. 2.2. Objetivo Específico.  Medir la viscosidad cinemática de un lubricante para varias temperaturas usando un viscosímetro ASTM.

3. Materiales y equipos 2.1. Equipos.

 2.1.1. Viscosímetro Cinemático ASTM. Tipo: rutinario. Tamaño: 300. N° Serial: G1519.  2.1.2. Variador de temperatura. Marca: Koehler Instrument Company, INC. Apreciación: ± 0,01° C . Capacidad: 200 °C. Serial: R71130091.  2.1.3. Recipiente. Marca: Pirex.  2.1.4. Manguera de succión. 2.2. Materiales.  Agua.

4. Procedimiento experimental 1. Se encendió el termostato para ajustar la temperatura.

2. Se dejo circular el agua para obtener un flujo permanente con una temperatura estable. 3. Se ajusto la temperatura a 40ºC. 4. Se espero alcanzar la temperatura deseada en todo el sistema. 5. Se hizo subir el aceite del viscosímetro hasta la marca superior aplicando succión en la manguera externa. 6. Se tomo el tiempo que le tomo a la columna de aceite descender a la marca inferior. 7. Se registraron los datos obtenidos. 8. Se aplico el procedimiento descrito en los pasos anteriores para (60,75 y 85)C de temperatura. 9. Se anotaron todos los datos en su respectiva hoja. 10. Se limpiaron y guardaron los equipos, dando por culminado el experimento.

5. Resultados

180 160 140 120Aceite desc.

SAE 15W-40

SAE 10W-40

SAE 10W-60

SAE 5W-40

SAE 0W-30

100 80 60 SAE 30 40 20 0 20

40

60

80

100

Figura 5.1. Comparación de la viscosidad-tiempo, de algunos aceite conocidos, con el aceite utilizado en la práctica.

120

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Para la tabla 5.1 se puede observar que a medida que la temperatura aumenta el valor de la constante K va disminuyendo y así como también la viscosidad cinemática va disminuyendo. Esto quiere decir que a una mayor temperatura la viscosidad disminuirá. Para la gráfica 5.1. Se observa el comportamientos de varios aceites comerciales en la relación de temperatura vs viscosidad, al compararlos con el aceite estudiado en el laboratorio se asemeja al aceite SAE 15W-40, debido a que la curva que arrojaron los resultados se asemeja a dicho aceite.

7. Conclusión y Recomendaciones

a. Conclusiones 

Existe una estrecha relación entre la viscosidad de un fluido y la temperatura a la que se encuentra. Estas demuestran que a mayor temperatura el fluido tiene una viscosidad menor , ya que las moléculas obtienen energía cinética, por lo tanto las fuerzas intermoleculares comienzan a disminuir.



El aceite utilizado en la práctica que se determino fue SAE 15W-40. b. Recomendaciones



Estar atentos a la hora de registrar la medida de tiempo para evitar posibles errores que modifiquen la precisión y exactitud de los resultados.



Verificar que todos los instrumentos y equipos se encuentren bien conectados y en sus estados más óptimos para mejores resultados.



Es necesario que el equipo de medición de viscosidad, el viscosímetro, esté bien calibrado.

8. Bibliografia [1] Potter. M. y Wiggert. D. con Hondzo. M. y Shih. T. (2005). “Mecánica de Fluidos”. 3ra Edición. Editorial Thomson. [2] Lubricar.net. “Teoría y práctica de la lubricación”. [Documento Digital]. Disponible en: http://www.lubricar.net/teoria.htm [3] Wikipedia. “Viscosímetro”. [Documento http://es.wikipedia.org/wiki/Viscos%C3%ADmetro

Digital].

Disponible

en:

[4] Monografías.com. “Los Lubricantes”. [Documento Digital]. Disponible en: http://www.monografias.com/trabajos10/lubri/lubri2.shtml

9. Apéndices Apéndice A. Ejemplos de Cálculo 

Interpolación para la obtención de la constante k.

-

Constante (K) a 40ºC = 0,2507

-

Constante (K) a 100ºC = 0,2497

Por medio de estos datos, realizamos las interpolaciones para hallar cada una de las constantes “K” para las diferentes temperaturas. Despejando la pendiente tenemos: m=

y – y1 x−x 1

Como es un comportamiento lineal podemos igualar las pendientes para cualquier valor entre 40 y 100: y – y1 y1 – y2 x – x 1 x1 – x 2

as í mismo tenemos :

y – 0 ,2507 0 , 2507 – 0 ,2497 = x – 40 40−100

Se sustituye para cada valor de X de temperatura entre el intervalo y se calculan las diferentes constantes: -Constante (K) a 60ºC = 0,2504 -Constante (K) a 80ºC = 0,2500 -Constante (K) a 96ºC = 0,2498



Posteriormente se realizaron los cálculos respectivos a la (cinemática)

, mediante la ecuación:

V =t∗K Dónde: V

= viscosidad cinemática

T = tiempo de escurrimiento K = constante del fabricante Para una temperatura de 40ºC: V =397 . 18∗0 ,2507 V =99 ,573

V

Apéndice B. Asignación 1. Defina: viscosidad cinemática y viscosidad dinámica. a) Viscosidad cinemática: En hidrodinámica intervienen junto con las fuerzas de vidas la viscosidad, las fuerzas de inercias que dependen de la densidad. Por eso tiene un significado importante la viscosidad dinámica referida a la densidad, es decir la relación de la viscosidad dinámica

(μ)

a la densidad

(ρ) , que se denomina viscosidad

cinemática b) Viscosidad dinámica: La viscosidad solo se manifiesta en líquidos en movimiento, se ha definido la viscosidad como la relación existente entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad. Esta viscosidad recibe el nombre de viscosidad absoluta o viscosidad dinámica. Generalmente se representa por la letra griega

μ .

2. Mencione y explique los diferentes métodos para medir viscosidad. a) Viscosímetro de tubo capilar: consiste en 2 recipientes conectados por un tubo largo de diámetro pequeño conocido como tubo capilar. Conforme al fluido fluye a través del tubo con una velocidad constante. El sistema pierde energía, ocasionando una caída de presión. b) El viscosímetro Saybolt: La facilidad con que un fluido fluye a través de un orificio de diámetro pequeño es una indicación de su viscosidad,

este es el principio por el cual está basado el viscosímetro universal. La muestra del fluido se coloca en el aparato después de que se establece el flujo, se mide el tiempo requerido para colectar 60 ml de fluido. El tiempo resultante se representa como la velocidad del fluido en segundos universales de Saybolt. c) Viscosímetro

de

Oswald-

cannon-Fenske:

En

esencial

el

viscosímetro es un tubo “U” una de sus ramas es un tubo capilar fino conectado a un deposito superior. El tubo se mantiene en posición vertical y se coloca una cantidad conocida del fluido en él depósito para que luego fluya por gravedad a través de un capilar. d) Viscosímetro de cilindro concéntrico: Por medio de un cilindro que gira a una cierta velocidad con respecto a un cilindro interno concéntrico estacionario se determina (du/dy), este cociente entre el esfuerzo cortante y el cambio de velocidad expresa la viscosidad. Al medir el momento de torsión sobre el cilindro estacionario es posible calcular el esfuerzo cortante. e) Viscosímetro de caída libre: Consiste en varios tubos llenos con líquido “estándares” de viscosidades conocidas con una esfera de acero en cada tubo. El tiempo necesario para que la esfera recorra la longitud total del tubo depende de la viscosidad del líquido. Si se coloca la muestra en un tubo análogo es posible aproximar el valor de la viscosidad por comparación con los otros tubos. 3. ¿Qué representa la clasificación SAE en un aceite? La siglas SAE norma que básicamente separa el comportamiento del lubricante a temperatura de -18 °C y la define con una letra W proveniente del inglés "Winter" (Invierno-Frío) y otra letra que define el comportamiento del lubricante en temperatura de trabajo 95 °C-105 °C. La tabla SAE hace referencia a las tolerancias que debe "llenar" el lubricante tanto a

temperatura ambiente como a temperatura de trabajo, siempre teniendo en cuenta la temperatura interna del motor y como adicional la temperatura exterior que si bien influye algo en el comportamiento no es la más importante a la hora de elegir un lubricante adecuado. 4. Mencione las diferencias entre un aceite multigrado y un aceite monogrado. ACEITE MULTIGRADO

ACEITE MONOGRADO Los aceites monogrado poseen baja viscosidad a temperatura ambiente

Son muy viscosos a temperaturas lo que permite que sea bombeado ambiente y pierden rápidamente su con mayor rapidez dentro del motor viscosidad al calentarse.

reduciendo

el

desgaste

considerablemente hasta cerca de un 60% durante el arranque. Los aceites multigrados no tienen gran tendencia a la perdida de viscosidad

al

aumentar

la

temperatura Varía

su

viscosidad

con

la

temperatura. Por ejemplo un 5W-30 tiene una viscosidad SAE 5 cuando esta frio y una viscosidad SAE 30 cuando está caliente.

Los aceites monogrados tienen gran tendencia a la perdida de viscosidad al aumentar la temperatura No varía su viscosidad con la temperatura por ejemplo si dice SAE 30 siempre es SAE 30 cuando esta frio y cuando está caliente

5. Enumere los principales aditivos, así como su función, utilizados para fabricar un aceite. a) Aditivos Detergentes: Estos aditivos son utilizados para lavar las partes interiores en el motor, que se ensucian por las partículas de

polvo, carbonilla, entre otros., que entran a las partes del equipo a lubricar. b) Aditivos Dispersantes: Estos aditivos pone en suspensión las partículas que el aditivo detergente lavó y las disipa en millones de partes, reduciendo su impacto para la zona a lubricar c) Aditivos Antidesgaste: Estos aditivos permanecen pegados a las superficies de las partes en movimiento, formando una película de aceite, que evita el desgaste entre ambas superficies. d) Aditivos anticorrosivos: impiden el ataque a los metales ferrosos, debido a la acción conjugada del agua, del oxígeno del aire y de ciertos óxidos formados durante la combustión. e) Aditivos anticongelantes: Permiten al lubricante mantener una buena fluidez a baja temperatura (de - 15ºC a - 45ºC). 6. ¿Cómo se construye y representa un diagrama reológico? Para construir un diagrama reológico es necesario graficar una serie de magnitudes de esfuerzos cortantes en función de la deformación que producen estos sobre un fluido. Este diagrama representa el comportamiento del fluido a los esfuerzos cortantes, si el fluido produce una gráfica lineal se denomina newtoniano, cualquier grafica que no resulte lineal identifica al fluido como no newtoniano. En el diagrama reológico, cada tipo de fluido tiene una determinada curva representativa. Recordemos que a partir de la ley de Newton de viscosidad, la pendiente de la curva

tensión tangencial frente a la

velocidad de

deformación es la viscosidad del fluido. Si la pendiente es constante, se tiene un fluido newtoniano, y a los fluidos de comportamiento reológico no lineal se les denomina “no newtoniano”.

7. Nombre las principales pruebas de laboratorio con las que se puede caracterizar un lubricante y como se realizan. a) Pruebas en los engranajes: Estas pruebas tienen por objetivo verificar, en mecanismos reales, las propiedades de cohesión interna y de resistencia a la presión de los lubricantes. Diferentes métodos son utilizados según los tipos de engranajes empleados. b) Pruebas en motores: Las pruebas en motores tienen por objetivo observar el comportamiento de los aceites, tanto en motores de gasolina, como en motores diesel. Cada prueba está orientada para evidenciar una o varias propiedades del lubricante. Ninguna prueba en motor es capaz de evaluar simultáneamente el conjunto de las propiedades. c) Pruebas de dispersión: Tienen por objetivo determinar la capacidad de un aceite de mantener en suspensión las materias sólidas susceptibles de contaminar dicho aceite durante el servicio. Por ejemplo: Los motores de combustión producen residuos (hollín) y parte de dichos residuos se encuentra en el aceite. Este, por lo tanto, debe ser capaz de mantener el hollín en suspensión y evitar la acumulación que podría llegar a producir un taponamiento de los circuitos. d) Pruebas de cizalladura: Estas pruebas tiene por objetivo determinar la máxima o la mínima resistencia de los lubricantes a los esfuerzos

mecánicos que tienden a provocar la ruptura de las moléculas de ciertos componentes e) Pruebas en funcionamiento real: proporcionan resultados fiables para la calificación de un lubricante. Permiten seguir la evolución de las necesidades en materia de lubricación de los diferentes tipos de máquinas y el mantenimiento de las fórmulas de los aceites. Suministran información de gran valía con respecto a la orientación de los métodos de pruebas en banco realizadas en una etapa preliminar. 8. ¿Qué factores pueden alterar las características de los lubricantes? a) La presión: Afecta la viscosidad y la densidad pero en menor grado. b) La temperatura: Afecta la densidad y la viscosidad del fluido ya que guarda relación con los enlaces moleculares. c) Presencia de agentes externos: Alteran la composición del lubricante y sus propiedades.

Apéndice C. Anexos