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INFOR ME DE LABORATORIO“Viscosidad”Integrante : Victor Mauricio Andias Ramirez Asignatura : Laboratorio de Mec. De Fluidos Código : 440050 - Profesor : Daniel Alejandro Pradenas Villalobos Fecha : 06/05/ Email de : [email protected] contactoIntroducciónLa viscosidad de un fluido es definida com...

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INFOR ME DE LABORATORIO

“Viscosidad”

Integrante

:

Victor Mauricio Andias Ramirez

Asignatura

:

Laboratorio de Mec. De Fluidos

Código

:

440050-1

Profesor

:

Daniel Alejandro Pradenas Villalobos

Fecha

:

06/05/2021

Email de

:

[email protected]

contacto

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Índice

Introducción ................................................................................................................... 3 Objetivo......................................................................................................................... 4 Marco Teórico ................................................................................................................ 5 Desarrollo ...................................................................................................................... 9 Memoria de Cálculo ...................................................................................................... 15 Conclusión ................................................................................................................... 17

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Introducción La viscosidad de un fluido es definida como una propiedad física, la cual tiene intrínseca relación con la resistencia u oposición a fluir, o también como una resistencia a experimentar deformaciones por esfuerzos de corte. Los esfuerzos de corte producen una gradiente de velocidad con respecto a la dirección del escurrimiento. La viscosidad tiene directa relación con las temperaturas a las cuales se encuentra un fluido, dado que, si este experimenta cambios, los cuales pueden ser generados por una menor o mayor temperatura, reflejará mayor o menor resistencia a fluir. A raíz de esto cuando un fluido es sometido a temperaturas elevadas su viscosidad disminuye por lo que este tendrá menor resistencia a fluir, en tanto cuando su temperatura es menor su viscosidad será mayor y a la vez su resistencia a fluir. En esta experiencia de laboratorio, se determinará la viscosidad de dos fluidos, estos son aceites SAE 40 y SAE 15 W-40, esto a través del viscosímetro “Saybolt Universal (ASTM D88)”, donde se obtendrá el “Segundo Saybolt Universal (SSU)”, esto indicará el tiempo de escurrimiento de un aceite que demora hasta concretar una muestra de 60 ml, bajo condiciones de temperaturas generadas.

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Objetivo Proporcionar bases teóricas, acerca de Viscosidad. Determinar experimentalmente usando método gráfico, Índice de Viscosidad según ASTM D2270 para lubricantes, con Viscosímetro Saybolt.

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Marco Teórico Una de las propiedades que definen o que representan a los fluidos o gases es la viscosidad, la cual se define como la resistencia de un fluido al movimiento o a la acción de esfuerzo de corte. Según la ley de viscosidad de Newton, se establece que el esfuerzo de corte, en una sección de flujo con escurrimiento laminar, es proporcional al gradiente de velocidad y que constituye la principal característica de los fluidos Newtonianos.

Figura 1.1: Representación de un fluido laminar o experimento de Newton.

Figura 2.1: Representación del Esfuerzo de corte del fluido.



dv dy

Ecuación 1.1: Ecuación de esfuerzo de corte. Página 5

Donde µ es la viscosidad dinámica o absoluta y

𝜕𝑢 𝜕𝑦

el gradiente de velocidad.

Los fluidos que satisfacen esta ecuación son denominados fluidos Newtonianos, dentro de estos podemos encontrar algunos como el agua, aceite, aire entre otros. La viscosidad varía dependiendo del fluido, a la vez si es que a este se le aplica temperatura, un fluido experimentará mayor o menor resistencia al movimiento. En un fluido líquido su viscosidad disminuirá si es que su temperatura es mayor, en tanto en uno gaseoso, su viscosidad aumentara si es que experimenta temperaturas mayores. Algunos ejemplos de fluidos Newtonianos son el agua, aceite, petróleo, lubricantes, aire, entre otros. Unidades de medida de Viscosidad cinemática y dinámica

C.G.S

Viscosidad Dinámica

1

Viscosidad Cinemática

1

𝑔 𝑐𝑚 𝑠

=Po

𝑐𝑚 2 𝑠

M.K.S

= St

1 1

𝑘𝑔 𝑚𝑠

=10 Po

𝑚 1 𝑠

= 10

4 St

Por lo general las unidades de medida de la viscosidad se expresan como centi-Poise (cPo) o como centi-Stokes (cSt). Para algunos lubricantes se utiliza el Segundo Saybolt Universal o SSU, el cual es el tiempo en escurrir en segundos que demora una muestra de 60 ml por un orificio bajo determinadas condiciones, y el Segundo Saybolt Furol o SSF. Este último es 10 veces los SSU, (SSF=10*SSU). Existe relación entre los SSU y las unidades de viscosidad cinemática y dinámica, ya que conociendo t, en segundos Saybolt Universal, se define que: 1.- Si t < 100 → Cst = 0,226 t – (195/t) 2.- Si t > 100 → Cst = 0,22 t – (135/t) Página 6

Por lo tanto, se logra definir que, al conocer la viscosidad de un fluido, ya sea este líquido o gaseoso, se pueden conocer e interpretar los fenómenos que acontecen durante el flujo de este a través de tubos, cañerías, etc. En el laboratorio de mecánica de fluidos se puede utilizar viscosímetros del tipo: i.

Tipo Capilar

iv.

Saybolt Universal (ASTM D88)

ii.

Esfera Gravitante

v.

Saybolt Furol (ASTM D88)

iii.

Convencionales El Viscosímetro Saybolt Universal se utiliza para aceites de baja y media viscosidad,

controlando su temperatura a través de dos termómetros. El Viscosímetro Saybolt Furol se utiliza para aceites con mayor índice de viscosidad, este se diferencia del viscosímetro Saybolt Universal por el tamaño del orificio por donde escurre el aceite. Indice de Viscosidad según ASTM 2270 El índice de viscosidad es un valor que indica el cambio de viscosidad que experimenta un fluido al variar su temperatura. Cuando el índice de viscosidad es bajo, significa un cambio importante en su viscosidad. En tanto cuando un fluido tiene un índice de viscosidad alto indica que el cambio de viscosidad es bajo o moderado. El índice de viscosidad se calcula con la siguiente expresión: I.V =

L-U D

*100

Donde: U: Viscosidad cinemática del aceite a 40°C. L: Viscosidad cinemática a 40° de un aceite de I.V = 0, y que tiene la misma viscosidad cinemática a 100°C que la muestra. H: Viscosidad cinemática a 40°C de un aceite de I.V= 100 y que tiene la misma viscosidad cinemática a 100 °C que la muestra. D: L-H Página 7

SAE: Uno de los encargados de regular y medir la viscosidad del aceite es la SAE (Society of Automotive Engineers), esta se encarga de los lubricantes, relacionando la viscosidad del aceite con la temperatura con la cual trabajará cada uno de estos. Según este ente, definen sus aceites para usos en inviernes y ver anos, en conjunto con el nivel calorífico con los que estos trabajarán. Por ejemplo, para la estación de invierno, se debe utilizar un aceite de invierno (SAE 0W a 25W) y en verano, estos se deben utilizar aceites de verano (SAE 20 a 60).

•

SAE 40 Se utiliza para motores de trabajo pesado en temporadas de calor (verano).

•

SAE 15W40 Ideal para utilizar en invierno, mayormente utilizado para vehículos (autos y motocicletas),

este ofrece una amplia gamma de beneficios, entre los que destacan, su ayuda para reducir el desgaste de motor y la corrosión.

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Desarrollo Para obtener el índice de viscosidad de dos tipos de aceites: SAE 40 (Esso Motor Oil, Shell x100, etc.) y SAE 15 W40 (Brutus T5, Shell Rimula X, etc.), se realizará la medición del índice de viscosidad, utilizando un viscosímetro Saybolt (marca: Precision Scientific), este equipo permite medir la tiempo de escurrimiento a temperatura constante, el aceite en cuestión deparará en un matraz de aforo con un índice graduado de 60 ml, el aceite escurrirá a través de un orificio Furol calibrado.

Figura 3.1: Esquema del Viscosímetro Saybolt Página 9

Procedimiento: -

-

Lavar con bencina y secar los matraces Saybolt. Colocar los termómetros, tanto en el baño de aceite como en la muestra, sujetándolos por medio de soportes. Fijar las temperaturas a las cuales realizarán las mediciones (2 temperaturas). Agitar la muestra con el termómetro en movimiento circular por hasta que la temperatura no difiera de la temperatura de ensayo, por lo menos un minuto. Logrado esto, retire el termómetro. Coloque el matraz Saybolt justo bajo el orificio de salida. Retire el corcho, tirando la cadenilla y, simultáneamente, poner en funcionamiento el cronómetro. Cuando hayan escurrido los 60 ml de fluido (marca de aforo), detenga el cronómetro. La lectura del cronómetro corresponde a la viscosidad cinemática en segundos Saybolt Furol (SSF).

Resultados: Tabla 1.1: Resultado de las mediciones en segundos Saybolt Furol de ambas muestras a distintas temperaturas.

Aceite T1 (°C) SSF1 T2 (°C) SSF2 SAE 40 22 227 (s) 66 42 (s) SAE 15 W40 21 151 (s) 66 34 (s) *Datos obtenidos (Temperatura (°C) y viscosidad cinemática en segundo SayboltFurol). Calculo SSU para SAE 40 a 22°C: 1 SSF = 10 SSU 227 SSF = 2270 SSU Como SSU > 100 vsct = 0,22 * SSU -

135 SSU

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Luego: Vsct = 0,22 * 2270 -

135 2270

= 499,34 cst

Cálculo de SSU para SAE 40 a 66 °C: 1 SSF = 10 SSU 42 SSF = 420 SSU Como SSU > 100 135

Vsct = 0,22 * SSU -

SSU

Luego: V2 = 0.22 * 420 -

135 420

= 92,07 cst

V1 = 499,33 cst, T1 = 22°C V2 = 92,07 cst, T2 = 66°C Calculo de SSU para SAE 15 W40 a 21 °C: 1 SSF = 10 SSU 151 SSF = 1510 SSU Como SSU > 100 v2sct = 0,22 * SSU -

135 SSU

Luego: V2sct = 0,22 * 1510 -

135 = 332,11 cst 1510 Página 11

Calculo de SSU para SAE 15 W40 a 66 °C: 1 SSF = 10 SSU 34 SSF = 340 SSU Como SSU > 100 V2sct = 0,22 * SSU -

135 SSU

Luego : V2sct = 0,22 * 340 -

135 = 74,4 cst 340

V2 = 332,11 cst, T1 = 21°C V2 = 74,4 cst, T2 = 66°C

Graficando los puntos obtenidos, para cada aceite se obtuvieron las siguientes rectas:

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A partir del grafico Temperatura v/s Viscosidad, se ubican las viscosidades calculadas, obteniendo una recta donde es posible obtener la viscosidad del fluido a una diferente temperatura. Tabla 2.1: Resultados de la medición de temperatura (°C) y viscosidad (cSt) de los distintos aceites utilizados en la experiencia. Primera medición

SAE 40 SAE 15 W40

T1 (°c) 22 21

Segunda Medición

V1 (cSt) 499,34 332,11

T2 (°C) 66 66

V2 (cSt) 92,07 74,4

La viscosidad del SAE 40 a 40 °C y 100 °C es: V3 = 175 cst, T3 = 40 °C V4 = 25 cst, T4 = 100 °C El índice de viscosidad : 𝐼. 𝑉. =

𝐿 − 𝑈 * 100 𝐿 −𝐻

A partir de la tabla ASTM D2270 los valores de L y H para v4 son: L = 738.5

H = 320.9

El I.V. de SAE 40: I. V. =

738.5 - 175 738.5 - 320.9

* 100 = 135

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Ahora se calculan los índices de viscosidad para SAE 40 y SAE 15-W40 utilizando la ecuación n°4. Para esto primero se necesita obtener la viscosidad cinemática a 40°C y 100 °C para cada aceite observando el grafico de la grafica realizada anteriormente, considerando que µ a 40 °C será igual al termino U, se obtiene:

Tabla 3.1: Resultados de la viscosidad cinemática a 40 °C y 100 °C de forma experimental de los distintos aceites utilizados para la experiencia. SAE 40

SAE 15-W40

µ(cSt) a 40 °C = U

150

110

µ(cSt) a 100 °C

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21

Finalmente, buscamos en la tabla ASTM D2270 valores para L y H, para los valores correspondientes a las viscosidades obtenidas anteriormente y aplicamos la ecuación (4). SAE 40

SAE 15-W40

U = 150

U = 110

L = 331,9

L = 538,4

H = 164,8

H = 247,1

I.V. =

331,9 - 150 331,9 -164,8

∗ 100 108,85

I.V. =

538,4 - 110 538,4 - 247,1

∗ 100 147,06

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Memoria de Cálculo Determinar el índice de viscosidad de un aceite cuyo SSF es de 150 °C a 25 °C y a 50 °C es de 45. Calculo SSU 1 SSF = 10 SSU 150 SSF = 1500 SSU Como SSU > 100 135 SSU

Vsct = 0,22 * SSU Luego: Vsct = 0,22 * 1500 -

135 1500

= 329.91 cst

Cálculo de SSU del aceite a 50 °C: 1 SSF = 10 SSU 45 SSF = 450 SSU Como SSU > 100 Vsct = 0,22 * SSU -

135 SSU

Luego: Vsct = 0,22 * 450 -

135 = 98.7 cst 450

V1 = 329.91 cst, T1 = 25°C V2 = 98.7 cst, T2 = 50°C

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La viscosidad del aceite a 40 °C y 100 °C es: V3 = 140 cst, T1 = 40°C V4 = 17.5 cst, T2 = 100°C Valores obtenidos del gráfico ASTM D 341. El índice de viscosidad: 𝐼. 𝑉. =

𝐿 − 𝑈 * 100 𝐿 −𝐻

A partir de la tabla ASTM D2270 los valores de L y H para v4 son: L = 388.9 H = 188.1 El I.V. de SAE 40: I. V. =

388.9 cst - 140 cst * 100 = 124 388.9 cst - 188.1 cst

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Conclusión Se puede definir que la viscosidad se ve afectada por su temperatura de trabajo, dado que, en la gráfica dibujada con la ayuda de los datos obtenidos a través de la experiencia, se logra observar que a medida que aumenta la temperatura del fluido, su viscosidad disminuye, por lo que la resistencia del fluido al movimiento se reduce. En el caso contrario, cuando la temperatura disminuye, la viscosidad del fluido aumenta, convirtiéndolo en un aceite con mayor resistencia al flujo. Esto se puede observar experimentalmente porque a la temperatura más baja (21 ° C y 22 ° C en este caso), el aceite es más espeso, por lo que se tarda más en llenar el matraz Saybolt. Por otro lado, cuando el mismo aceite se mantiene a una temperatura más alta (66 ° C), se puede alcanzar una velocidad de llenado en el matraz mayor, logrando llenar los 60 ml graduados en un lapso menor. El conocer las propiedades físicas de los fluidos genera la opción de compararlos experimentalmente respecto a tablas tabuladas. Gracias a estos indicadores se logra valorar que tipo de aceite puede satisfacer de mejor manera las necesidades de requerimientos que se generan en distintos maquinas, vehículos, herramientas, etc.

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