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PRACTICA 1 MEDIDA DE VISCOSIDAD

Jaime Yesid Salazar Reyes

e-mail: Jaimesalazar_1990@hotmail.com

RESUMEN: 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 . Para realizar la prueba de viscosidad utilizaremos cuatro escalas de temperatura para que por medio del viscosímetro visualicemos los cambios que presenta el aceite, y así medir su índice de viscosidad. Para calcular la viscosidad del fluido en este laboratorio se utiliza una esfera previamente seleccionada para observar el aumento de la velocidad con que cae, la cual es proporcional al cambio en el comportamiento de la viscosidad del fluido a medida que se aumenta la temperatura.

PALABRAS CLAVE: viscosidad, fluido.

ABSTRACT: In this laboratory test oil viscosity (SAE

5W) using a viscometer hoopler was performed. Viscosity is the resistance of a fluid to deformation under shear, is due to the molecular cohesion forces. All known fluids exhibit some viscosity, being the viscosity null model fairly good approximation for certain applications. A fluid without viscosity fluid is called ideal. The viscosity only manifested in moving fluids, the viscosity is defined as the relationship between shear stress and velocity gradient. This viscosity called absolute viscosity or dynamic viscosity. It is usually represented by the Greek letter. To test viscosity temperature use four scales that through the viscometer visualize changes Posing Oil, and thus measure its viscosity. To calculate the viscosity of the fluid in this area a preselected laboratory to observe increased falling velocity, which is proportional to the change in the behavior of the fluid viscosity as the temperature is increased is used. KEYWORDS: viscosity, fluid.

1. INTRODUCCIÓN

En el presente laboratorio se realizara la prueba de la viscosidad del aceite (SAE 5W) con la ayuda de un viscosímetro de hoopler. La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales, es debida a las fuerzas de

cohesión moleculares. Todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal.

2. BASES TEORICAS

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 la viscosidad la cual se debe primordialmente a las interacciones entre las moléculas del fluido. 2.1 ACEITE MULTIGRADO

Los aceites multigrados llegaron a los motores desde los años 1950. Un aceite multigrado es un lubricante diseñado originalmente para trabajar en aplicaciones donde los cambios de temperatura son considerables. Por ejemplo en algunas regiones del hemisferio norte las temperaturas son de -40°C en el invierno y de 40°C en el verano. Sin embargo, esto no significa que los lubricantes multigrados no puedan ser utilizados en lugares en donde los cambios de temperatura no son tan dramáticos. En la actualidad, los aceites mono grados (un solo grado: SAE 40 por ejemplo) son cada vez

menos comunes y han sido desplazados por los multigrados paulatinamente en todo el mundo. Los aceites mono grados se utilizan aún en aplicaciones como motores de competencia, equipo industrial que opera 100% en aplicaciones de alta temperatura y

condiciones especiales de diseño de ciertos motores que no permiten el uso de un multigrado. Para el caso de un aceite 15W 40, mucha gente asume que el 15W es el grado del aceite para bajas

temperaturas y el 40 el grado para altas temperaturas, aunque hay cierta lógica en ello, también hay grandes diferencias. Si esto fuera cierto, un aceite 15W 40 sería grado 15 en baja temperatura y 40 en alta temperatura.

Eso significa que este aceite “engrosaría” con el cambio de la temperatura, lo cuál no es cierto. La realidad es que el aceite 15W 40 es más grueso en bajas

temperaturas que en altas temperaturas (como ocurre también con los aceites mono grados). El número 15W realmente se refiere a la facilidad con la

que el aceite puede ser “bombeado” en bajas temperaturas, mientras más bajo sea el número “W”,

mejores serán sus propiedades de baja viscosidad y el

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motor podrá ser arrancado a muy bajas temperaturas. La “W” significa “Winter” – Invierno en Inglés. Un aceite 5W 40 es mejor que un 15W 40 en arranque a bajas

temperaturas. Ese es el real significado del primer número “Facilidad de arranque en bajas temperaturas” – equivalente al término “Startability” en Inglés. El segundo término es el grado de viscosidad real del aceite a la temperatura de operación del motor y es determinado por la viscosidad cinemática del aceite a 100°C. Una vez que el motor arrancó y se ha calentado, el aceite trabaja como un grado SAE 40, esto es; la

viscosidad con la que se protege al motor la mayor parte del tiempo. La gran ventaja de los aceites multigrados es su gran flexibilidad para proteger al motor en el arranque, con una viscosidad baja y que permite que el aceite llegue muy rápido a las partes del motor, para protegerlo contra el desgaste y posteriormente que sostenga una viscosidad correcta para el tiempo que opera en condiciones “normales” de temperatura que son reguladas por el sistema de refrigeración (enfriamiento) del motor. 2.2 ACEITE MONOGRADO

Un lubricante que cumple un solo grado SAE, puede ser un grado de VERANO, o bien de INVIERNO, en el cual el número de SAE va acompañado de la letra "W" por Winter, invierno en idioma inglés. 2.3 GRADO SAE DE VISCOSIDAD La Society of Automotive Engineers, SAE, al español,

«Sociedad de Ingenieros del Automóvil», ha establecido un sistema de códigos numéricos para categorizar los aceites de motor según su viscosidad cinemática. Los grados de viscosidad del SAE son los siguientes: 0, 5,

10, 15, 20, 25, 30, 40, 50 y 60. A algunos de los grados se les puede añadir el sufijo W de "Winter" (palabra en inglés para «invierno») o viscosidad para arranque en frío a bajas temperaturas. La viscosidad se mide según el tiempo que tarda una cantidad determinada de aceite en fluir a través de un orificio a una temperatura estándar. Cuando más tarda, mayor es la viscosidad, y por consiguiente mayor es el código SAE.

Nótese que el SAE opera un sistema de categorización

diferente para aceites de la transmisión que no debe confundirse con la viscosidad del aceite de motor. Números elevados del aceite de la transmisión (ej. 75W-140) no significan necesariamente que la viscosidad sea

mayor que la de un aceite de motor. Los grados SAE únicamente representan un nivel de

viscosidad o resistencia al Fluir, medidas a determinadas temperaturas. En general, cuanta más alta sea la viscosidad, más alto es el grado SAE.

2.4 GRADO ISO DE VISCOSIDAD

En 1975, la Organización Internacional para la Estandarización (ISO, por sus siglas en inglés), al unísono con la Sociedad Americana para Pruebas de Materiales (ASTM), la Sociedad de Tribólogos e Ingenieros de Lubricación (STLE), el Instituto de Estándares Británicos (BSI) y el Instituto Alemán para la Normatividad (DIN) resolvieron establecer una

propuesta que ayude a minimizar la confusión. Esta propuesta se conoce como Grado de Viscosidad de la Organización Internacional de Estandarización, abreviado como ISO VG. 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 (tabla 5/, que abarcan desde los 2 hasta los 1500 centistokes, medida a 40°C. Gracias a este

intervalo se engloban desde los aceites más finos hasta los más espesos. Cada grupo puede presentar un rango de viscosidad, 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. Las equivalencias entre el sistema SAE e ISO se

pueden observar en las tablas 2 y 3.

3. TIPOS DE VISCOSIMETROS

4. VISCOSIMETRO DE TAMBOR

ROTATORIO

Este aparato mide la viscosidad utilizando la definición de la viscosidad dinámica m = t / (D V/D)

y el procedimiento consiste en hacer girar el tambor exterior a una velocidad angular constante w, mientras que el tambor interior se mantiene estacionario. por consiguiente el fluido que queda en contacto con el tambor giratorio tiene una velocidad v conocida; si conocemos D y de la

muestra del fluido podemos calcular la relación DV/D y debido a la viscosidad del fluido, se presenta

una fuerza de arrastre sobre la superficie del tambor interior que ocasiona el desarrollo, cuya magnitud es una medida de tensión de corte t, y así se podrá calcular la viscosidad.

5. VISCOSIMETRO 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 cte. el sistema pierde energía, ocasionando una caída de presión.

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La magnitud de la caída de presión está relacionada con la viscosidad del fluido mediante la siguiente ecuación: m = (r 1-r 2).D²/32.V.L

VISCOSIMETRO DE VIDRIO CAPILAR

ENTANDAR (VISCOSIMETRO UBBELOHDE)

Las determinaciones con este viscosímetro se basan en la medida del tiempo que tarda en fluir una corriente de un flujo capilar del líquido a ensayar, entre dos señales del viscosímetro. Este dispositivo se denomina “Viscosímetro Ubbelohde con nivel de bola suspendido. El aparato consta de tres tubos, 1, 2 y 3, de vidrio, un recipiente de reserva, 4, un capilar, 7, con el recipiente de medida, 8, y la bola de avance del líquido, 9. Entre estas bolas se sitúan las marcas de la medida. El capilar termina en la parte inferior, 6, en un casquete esférico, por el que sale la muestra del capilar en forma de película delgada (nivel de bola suspendido). Para abarcar un amplio rango de viscosidades se disponen de viscosímetros con capilares de diferentes diámetros. Cada viscosímetro ha de tener una constante, K, valor teórico, cSt/seg para cada diámetro.

VISCOSIMETRO DE RUTINA CANNON-FENSKE

El viscosímetro de rutina Cannon-Fenske está esencialmente compuesto de dos partes: el tubo con capilar (1), donde se encuentran la bola de entrada y la

bola de medición, con las marcas superior anular de medida M1 y la marca anular inferior de medida M2

antes del propio tubo capilar; en el tubo de ventilación se encuentra el reservorio.

La determinación de la viscosidad cinemática se consigue midiendo el tiempo que un volumen determinado de líquido fluye por gravedad a través del capilar del viscosímetro, a una temperatura determinada. La viscosidad cinemática es el producto del tiempo que tarda el líquido en ir de la marca anular superior a la marca anular inferior por la constante de calibración del viscosímetro. Esta constante se puede obtener fácilmente determinando el tiempo que tarda en fluir agua, entre dichas marcas, a la misma temperatura.

VISCOSIMETRO DE SAYBOLT UNIVERSAL.

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

reparta como la velocidad del fluido en segundos universales de Saybolt.

6. EQUIPOS Y MATERIALES

Viscosímetro de hoopler

Termómetro

Cronometro

Densímetro

Muestra de Prueba (Bolita numero 4)

Tipo de aceite de prueba

7. PROCEDIMIENTO

Al iniciar el laboratorio es indispensable observar que el recipiente del fluido a evaluar no contenga aire y que el agua a su alrededor no lleve mucho tiempo almacenada. También se requiere averiguar la densidad del fluido a evaluar y la temperatura ambiente con la que realizamos la primera prueba. Se procede a elegir la bolita y a encender la máquina que aumenta la temperatura para que el agua alrededor del aceite se caliente constantemente hasta llegar a la temperatura de la muestra. La bolita seleccionada para esta laboratorio es la numero 4, la cual se introduce en el recipiente que

contiene el fluido y se espera a que la temperatura del agua alcance los 70°C que es la máxima temperatura

para la toma de la muestra y se inclina el viscosímetro a 80° los cuales ya están calibrados gracias a un ojo de

buey. El tiempo que tarda la bolita en recorrer los 10 cm que

están estandarizados son proporcionales a la temperatura y a su vez a la viscosidad. A medida que la temperatura aumenta se observa que la bolita se desliza más fácilmente por el fluido así que tarda menos en recorrer los 10 cm.

Se toman cuatro medidas de temperatura desde 33°C temperatura ambiente hasta 70°C y para cada temperatura se toman 3 muestras de tiempo para luego

calcular el promedio del tiempo y aplicando la formula calculamos la viscosidad.

8. DATOS INICIALES DATOS DEL VISCOSIMETRO HOOPLER MLW

Distancia de la caída de la esfera: 10cm

Diámetro interior: 15.94mm

Diámetro exterior: 19.60mm

Angulo de inclinación: 800

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DATOS DE LA ESFERA

Numero de esfera = 4 Constante de la esfera (K) = 0.80000 (MPa*

cm3 /g) Densidad de la bola (Pe) = 8.122 (g/cm3)

DENSIDAD DEL FLUIDO =

9. CALCULO

PROMEDIO DEL TIEMPO

Para calcular el tiempo promedio debemos aplicar la siguiente ecuación:

Temperatura 28°C

Temperatura 40°C

Temperatura 50°C

Temperatura 60°C

VISCOSIDAD

Para calcular la viscosidad se aplica la siguiente formula:

Temperatura 28°C

μ=(0.80000(MPa+cm3/g))*((8.122(g/cm3)-(0.0850)))*(19.95s) μ=1.2827 cP(centipoise) Temperatura 40°C

μ=(0.80000(MPa+cm3/g))*((8.122(g/cm3)-(0.0850)))*(10.98s) μ=70.59 cP(centipoise) Temperatura 50°C μ=(0.80000(MPa+cm3/g))*((8.122(g/cm3)-(0.0850)))*(6.36s) μ=40.89cP(centipoise) Temperatura 60°C μ=(0.80000(MPa+cm3/g))*((8.122(g/cm3)-(0.0850)))*(4.02s) μ=28.56 cP(centipoise) CONVERSIÓN DE cP (centipoise) a cSt (centistoke)

*

= 10.90 cSt

*

= 6 cSt

*

= 3.47 cSt

*

= 2.2 cSt

El aceite que se esta utilizando para la elaboración de esta práctica esta entre el SAE 2.5W y el 5W.

10. CONCLUSIONES

La variación de la temperatura hace que el fluido pierda

sus propiedades mecánicas de viscosidad.

En base a la gráfica que se elabore entre la viscosidad

calculada y la temperatura se logran visualizar las

variaciones con un mejor perspectiva a partir de esto se

puede hallar el aceite.

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11. GRAFICOS, FOTOGRAFÍAS Y TABLAS

Tabla 1. Grado ISO

Tabla 2. Grado SAE Grado ISO

Tabla 3. Grado SAE y Grado ISO

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Figura 1. Viscosímetro de Tambor Rotatorio

Fisgura 2. Viscosímetro de Tubo Capilar

Ilustración 3. Viscosímetro de Vidrio Capilar

Figura 4. VISCOSIMETRO DE RUTINA CANNON-

FENSKE

Figura 5. Viscosímetro de Saybolt Universal

Tabla 4. Características de las esferas utilizadas para

hallar la viscosidad de un fluido.

Tabla 5. Tabla de Lecturas

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Figura 6. Viscosímetro del Laboratorio

Tabla 7. Tabla de Resultados

Tabla 6. Características del Aceite SAE 2.5W utilizado en la Prueba de Laboratorio

Figura 8. Viscosidad de Algunos Aceites

Figura 9. Grafica de Viscosidad VS Temperatura de

la tabla de Resultados

12. REFERENCIAS

[1] Recuperado de: http://www.machinerylubrication.com/sp/ed_dic-ene_2007_ComofuncionaunAceiteMultigrado.asp [2] Recuperado de: http://foro.tuning-on.com/boxes/aceites-monogrados-multigrados-sae/ [3] Recuperado de: http://sergiorivass.wordpress.com/2013/05/18/aceite-de-motor/ [4] Recuperado de: http://www.iesmaritimopesquerolp.org/asignaturas/HIDRAULICA/ESCALAS%20DE%20VISCOSIDAD.pdf [5] Recuperado de: https://sites.google.com/site/instindunexpo2009i/laboratorio/primer-bloque-de-laboratorio/chacon-diaz-naranjo-1/viscosidad [6] Recuperado de: Robert L. Mott. Mecana de fluidos. Traducido por Javier enrique Brito. 6 ed. México D.C: Pearson Educación, 2006. 37p.

Adaptado por:

Jaime Salazar, para la materia de termofluidos.

Facultad de ingeniería Electromecánica

Universidad Francisco de Paula Santander

2015