DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN VISCOSIMETRO ROTACIONAL
WILSON FABIAN CALDERON CASTRO WALTHER OMAR VELAZQUEZ MARIA CAMILA ISAZA LANCHEROS
UNIVERSIDAD SANTO TOMAS DIVISION DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA FACULTAD DE INGENIERÍA MECATRÓNICA BUCARAMANGA 2017
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN VISCOSIMETRO ROTACIONAL
WILSON FABIAN CALDERON CASTRO WALTHER OMAR VELAZQUEZ MARIA CAMILA ISAZA LANCHEROS
Anteproyecto presentado como requisito para la aprobación del proyecto integrador del primer semestre de 2017.
Director Ing. Pedro Pablo Díaz Jaimes. Ing. Deisy Carolina Páez Casas.
UNIVERSIDAD SANTO TOMAS DIVISION DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA FACULTAD DE INGENIERÍA MECATRÓNICA BUCARAMANGA 2017
Tabla de contenido 1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA .....................................................................................7 2.
JUSTIFICACIÓN ......................................................................................................................7
3.
ALCANCE ..................................................................................................................................7
4.
OBJETIVOS ...............................................................................................................................7 4.1
5.
OBJETIVO GENERAL ....................................................................................................7
MARCO DE REFERENCIA ....................................................................................................8 5.1
MARCO TEÓRICO ..........................................................................................................9
5.2
MARCO CONCEPTUAL ...............................................................................................11
6.
DISEÑO METODOLÓGICO PRELIMINAR ......................................................................12
7.
RECURSOS DISPONIBLES ..................................................................................................12
8.
PRESUPUESTO ......................................................................................................................12
9.
RESULTADOS E IMPACTOS ESPERADOS .....................................................................12 9.1
RESULTADOS ESPERADOS ........................................................................................12
9.2
IMPACTOS ESPERADOS .............................................................................................13
9.2.1 10.
IMPACTOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS .................................................13
CRONOGRAMA .................................................................................................................13
Tabla 1. Costos del proyecto. ..........................................................................................................12 Tabla 2. Cronograma de actividades ..............................................................................................15
1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Teniendo en cuenta la formulación de las leyes de newton para los fluidos y su comportamiento, se desea calcular la viscosidad de ciertos fluidos incompresibles en condiciones monitoreadas, lo cual resulta en la creación de un instrumento de medición, el cual podrá evaluar y calcular la viscosidad en un instante dado, a condiciones establecidas para fluidos de orden laminar. Cabe destacar que el comportamiento de los fluidos varía de acuerdo a la dinámica del mismo y su viscosidad está sujeta a variables tales como la temperatura,presión,esfuerzo cortante y velocidad a la cual se somete el fluido, por ende se ha de establecer dichos parámetros para dar con una viscosidad lo más exacta posible.
2. JUSTIFICACIÓN Este proyecto busca la unión de pre saberes aplicados a un instrumento de medición, el cual realizaremos con la finalidad de mejorar los implementos educativos presentes en nuestra universidad, así mismo se pondrán a prueba nuestros conocimientos y la toma de decisiones para elegir y caracterizar los temas de estudio, con esto demostraremos el avance que hemos tenido a lo largo de nuestra carrera profesional. El viscosímetro se comunicará con la computadora para almacenar los datos adquiridos, se medirá y tendrá en cuenta el valor de la temperatura, velocidad, altura, área y fuerza que se aplica al fluido, las lecturas serán mostradas en un display con lo cual se podrá conocer la viscosidad de un fluido determinado.
3. ALCANCE Diseñar un sistema capaz de mostrar la viscosidad de fluidos dependiendo de la temperatura registrada en el momento de la prueba junto con la cantidad de energía gastada por el sistema para dicha medición de tal forma que se puedan almacenar y mostrar una cantidad de datos específicos de estos fluidos durante el proceso. La construcción de este proyecto se llevará a cabo durante 18 semanas en las cuales se dividirá este proyecto en cuatro entregas estratégicas siendo los dos primeros: informes escritos sobre el proyecto y su metodología, lo siguiente es la fase de construcción y evaluación del sistema, y como último se tendrá una exposición del proyecto junto con la muestra de su funcionamiento.
4. OBJETIVOS 4.1 OBJETIVO GENERAL Construir y caracterizar un instrumento para medir viscosidad.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Diseñar la estructura del viscosímetro para el análisis de un mínimo de tres tipos de fluidos. Implementar un sistema de adquisición de datos a partir de muestreos capaz de almacenar los datos en archivos tipo Excel y capaz de mostrar algunos de estos valores mediante pantallas leds. Diseñar la aguja agitadora que sea capaz de resistir las diferentes propiedades de los fluidos escogidos. Definir las características del viscosímetro tales como Exactitud, precisión, alcance, rango, histéresis y resolución mediante una serie de pruebas con diferentes fluidos. Diseñar una interfaz con la cual se pueda visualizar las revoluciones del motor, valor de la viscosidad, temperatura de ambiente y temperatura durante la prueba. Estimar las cargas y velocidades del viscosímetro necesarias para realizar la geometría y los cálculos suficientes para que cumplas con lo estipulado.
5. MARCO DE REFERENCIA Milton Fabián Coba Salcedo, Rafael Ramírez Restrepo y Carlos Ahumada Morales en 2013 trabajaron en el diseño y construcción de un viscosímetro Saibor y su implementación como instrumento didáctico bajo las normas ASTM D88 en las cuales establecen una cama térmica con la cual cambiar el comportamiento del fluido y estudiarlo bajo un esfuerzo, área y velocidad constante, como resultado su instrumento de medición tenía un error del 10% el cual variaba de acuerdo al aceite que estudiaban y si este era o no un fluido newtoniano.
Orlando Villareal Gómez y Javier A. Jiménez Sanguino en 2005 trabajaron en el diseño y construcción de un viscosímetro rotativo el cual brindaba información de torque, temperatura y velocidad del fluido analizado para obtener su viscosidad y presentaba los resultados en un display, con ello llegaron a la conclusión que este debe ser calibrado según parámetros, hojas de datos tomadas previamente y conocidas internacionalmente, debido a que es un equipo que depende de varias condiciones para poder otorgar un resultado veraz.
B. I. Koval’skii, O. N. Petrov, V. G. Shram, and M. N. Artemov en 2015 trabajaron en un viscosímetro de
volumen pequeño para determinar la cinemática en la viscosidad de los lubricantes líquidos en un rango de 40°C-140°C en el cual manejaban fluidos no newtonianos y apreciaban su comportamiento, con lo cual llegaban a la conclusión de que existen errores humanos que eran posibles de evitar gracias
al estudio de una pequeña muestra de aceites comerciales sin que estos perdieran sus propiedades o fuesen afectados por oxidación o degradación térmica
5.1 MARCO TEÓRICO TEORIA DE VISCOSIDAD
Como se puede apreciar en la imagen se presentan un par de placas paralelas con un área y separadas por una distancia y definidas al cual le circula un fluido el cual en un instante de tiempo genera un perfil de velocidad que responde a un flujo ordenado Para ello se requiere una fuerza constante con la cual se termina expresando que la fuerza es directamente proporcional al área y a la velocidad e inversamente proporcional a la distancia entre las placas
= ∗
ℎ
Donde fuerza sobre área es igual a un esfuerzo cortante relacionamos la ecuación hasta:
=∗
Donde el esfuerzo cortante es igual a la viscosidad por un cambio de velocidad respecto a un cambio de altura
MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA VISCOSIDAD:
Viscosímetro de tambor rotatorio: Éste sistema tiene un principio de funcionamiento el cual tiene un recipiente exterior (carcasa), el cual se encuentra estático mientras el motor acoplado al medidor hace girar el tambor rotatorio interno. El funcionamiento está dado por la siguiente ecuación: =
∆ ∆
, donde el espacio que hay entre el tambor y el recipiente se denomina ∆,
adicionalmente se denomina ∆ a la velocidad a la que gira el motor y la magnitud de tensión es denominada con la variable t.
Viscosímetro de tubo capilar: Consiste en dos recipientes conectados por un tubo largo de diámetro pequeño conocido como tubo capilar. El fluido fluye a través del tubo con una velocidad constante. El sistema pierde energía, ocasionando una caída de presión. El funcionamiento está dado por:
Viscosímetro de vidrio capilar estándar calibrados
Viscosímetro de bola
Viscosímetro de saybolt universal
5.2 MARCO CONCEPTUAL Consiste en precisar algunos conceptos o términos que se utilizarán en la investigación y se definen textualmente con el propósito de evitar diferentes interpretaciones de estos por parte del lector del documento y del informe de investigación.
Viscosidad: Es una característica que está presente en los líquidos que se encuentran en movimiento, no se puede ver reflejada en un líquido que se encuentre estático debido a que si el líquido permanece fijo las moléculas que lo componen no tendrán la necesidad de interactuar entre sí para tratar de permanecer unidas. Cuando se muestra la viscosidad en un fluido el mismo está intentando oposición a su movimiento, que es dado ante la aplicación de una fuerza.
Viscosidad absoluta: Es la resistencia presente en los fluidos a oponerse al desplazamiento de sus capas intermoleculares al ser sometidas a una fuerza cortante. De tal forma se encuentra una relación entre la fuerza cortante causante del movimiento y el gradiente de velocidad dando como resultado el valor de esta propiedad de la viscosidad y se representa por la letra griega µ.
Viscosidad relativa: Esta propiedad está dada por la viscosidad absoluta del fluido y la viscosidad del agua
Viscosidad cinemática: Es dado por la relación entre la viscosidad absoluta y la densidad del fluido, suele ser representada por la letra y de la cual se encuentra su fórmula como: µ = .
Viscosímetro: Es un elemento dado para medir la viscosidad de los fluidos teniendo en cuenta las variaciones dadas en las propiedades de los líquidos a partir aquellos factores claves que afectan la viscosidad como serian: la temperatura, la densidad y la presión.
6. DISEÑO METODOLÓGICO PRELIMINAR ¿Cómo se va a realizar la investigación / proyecto? Son las acciones y los procedimientos necesarios para alcanzar las metas y los objetivos propuestos.
7. RECURSOS DISPONIBLES 8. PRESUPUESTO INGRESOS EN MILES DE $ Recursos propios $ 350.000
Total ingresos
$ 350.000
EGRESOS EN MILES DE $ Libros y papelería $ 10.000 Transporte $ 80.000 Material $ 170.000 Otros Gastos $ 80.000 Total Egresos $ 340.000
Tabla 1. Costos del proyecto.
9. RESULTADOS E IMPACTOS ESPERADOS 9.1 RESULTADOS ESPERADOS
-Los resultados obtenidos en la toma de datos son almacenados y mostrados mediante una tabulación. -se puede visualizar y conocer en todo momento la temperatura a la cual se encuentra el fluido -los valores constantes tales como velocidad, área, fuerza no presentan error de medición o es menor a un 10% -la comunicación y entrega de datos es constante y presenta errores -el instrumento podrá hacer uso de diferentes áreas para aplicar un esfuerzo cortante con el cual comprobar su error estadístico.
9.2 IMPACTOS ESPERADOS 9.2.1 IMPACTOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS - El instrumento de medición presenta una nueva adquisición para el desarrollo y estudio de fluidos en los campos de oleo neumática y termo fluidos. - Se pueden apreciar las variaciones de los fluidos y su comportamiento según la temperatura que se encuentre presente - Reducir el precio comercial de un viscosímetro
10.CRONOGRAMA
Actividad Asignación del tema del proyecto Búsqueda bibliográfica para el desarrollo del proyecto. Resolvimos dudas con el docente. Planteamiento de los modelos matemáticos a utilizar Entrega Anteproyecto
Actividad Análisis de las correcciones hechas por el docente Realizar cálculos para escoger los elementos a utilizar. Corregir cálculos en compañía del docente. Compra de los materiales para la construcción. Primer montaje.
Actividad
Semana Semana Semana 3 1 2 x x x x x
Semana Semana Semana 6 4 5 x x x x x
Semana Semana Semana 9 7 8
Elaboración de esquemas eléctricos Pruebas de funcionamiento (Eléctrico) Diseño del prototipo mecánico Adaptación esquema eléctrico al mecánico Entrega de informe de avance
x
Actividad
Semana Semana 10 11
Semana 12
Actividad
Semana Semana 13 14
Semana 15
Entregar modelo funcional y memorias de cálculos y diseño
x
Semana Semana 16 17
Actividad
Presentación y sustentación Entrega de artículo IEEE BIBLIOGRAFIA http://conceptodefinicion.de/viscosidad/
Tabla 2. Cronograma de actividades
Semana 18
x x
ANEXOS
