LABORATORIO 4

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA

MEDICIONES Y ENSAYOS DE I.M.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA CUARTA PRÁCTICA DE LABORATORIO DE MEDICIONES Y ENSAYOS EN INGENIERÍA MECÁNICA MEDICION DE VISCOSIDAD

1. OBJETIVO. Conocer las maneras de medición de viscosidad y tener una referencia relativa de los instrumentos a utilizar.

2.

INTRODUCCIÓN.

La viscosidad es una de las propiedades más importante de un lubricante. De hecho buena parte de los sistemas de clasificación de los aceites están basados en ésta propiedad por lo tanto la viscosidad es una especificación de primer orden en los aceites lubricantes, ya que condiciona las cualidades requeridas para la lubricación.

3. FUNDAMENTO TEÓRICO. 

VISCOSIDAD:

Una propiedad física muy importante que caracteriza la resistencia al flujo de los fluidos es la viscosidad.

Y se deriva como consecuencia del principio de Newton de la viscosidad. Este principio establece que para un flujo laminar y para ciertos fluidos llamados Newtonianos, la tensión cortante en una intercara tangente a la dirección del flujo, es proporcional al gradiente de la velocidad en dirección normal al flujo. Operacionalmente se expresa, así:

MEDICIONES Y ENSAYOS I.M.

1



Donde µ se conoce con el nombre de coeficiente de viscosidad dinámica y tiene las dimensiones (Ft/L2). En general la viscosidad de los fluidos incompresibles disminuye al aumentar la temperatura, mientras que, en los gases sucede lo contrario. El estudiante se encargará de dar una explicación de este fenómeno.

Ecuación de Stockes: El flujo de un fluido alrededor de una esfera ha sido estudiado por Stockes. Su aplicación es de gran utilidad en la resolución de problemas tales como los del sedimento de partículas de polvo. Stockes encontró que el empuje (fuerza ejercida sobre la esfera por el flujo de un fluido alrededor de ella) vale:

siendo: r esf : Radio de la esfera v

: Velocidad de la esfera

Para encontrar la velocidad final de una esfera que cae en un fluido en reposo, debe tenerse en cuenta que:

Fuerza de empuje hidrostático + Fuerza de empuje = Peso

donde:



: Viscosidad del líquido problema

r

: Radio de la esfera

g

: Gravedad

esf : Densidad de la esfera


2



liq : Densidad del líquido problema

t

: Tiempo de caída de la esfera entre las dos marcas

h

: Longitud del tubo entre las dos marcas

Ecuación válida para Re > 0.1; para Re=1 se toma un 10% mayor al valor hallado .

-Ecuación de Hange-Poiseuille: Si se aplica la ley de Newton de la viscosidad al flujo de fluidos que circulan en régimen laminar, recorriendo conductos de sección circular y uniforme, se obtiene la ecuación de Hange-Poiseuille

(1)

donde: P

: Presión total aguas abajo

Q

: Caudal volumétrico

R

: Radio del conducto

µ

: Viscosidad absoluta

L

: Longitud del conducto

En el caso de un tubo vertical la variación total en la presión únicamente se debe a la carga hidrostática, la ecuación (1) puede escribirse en la forma:

en la que: g

: Aceleración de la gravedad

h

: Diferencia de carga hidrostática

ⱱ

: Viscosidad cinemática

Esta ecuación nos permite relacionar las viscosidades de dos fluidos, de la siguiente forma:


3



donde:



µ1

: Viscosidad del líquido de referencia

µ2

: Viscosidad del líquido problema

1

: Densidad del líquido de referencia

2

: Densidad del líquido problema

t1

: Tiempo de escurrimiento del líquido de referencia

t2

: Tiempo de escurrimiento del líquido problema

INSTRUMENTOS PARA LA MEDICIÓN DE VISCOSIDAD:

1. Viscosímetro de Tubo Capilar 

Viscosímetro de Ostwald



Viscosímetro Ubbelohde



Viscosímetro de Cannon-Fenske

2. Viscosímetro Rotacionales 

Viscosímetro de Stormer (Searle)



Viscosímetro de Cono-Placa



Viscosímetro de Cilindro Concéntrico



Viscosímetro Brookfield



Viscosímetro de Tambor Giratorio

3. Viscosímetro Empíricos 

Viscosímetro Saybolt 

Universal



Furol



Viscosímetro Engler



Viscosímetro Redwood

4. Viscosímetro de Hoppler 

Viscosímetro de Caída de Bola


4



Viscosimetro de

Viscosimetro de

Ostwald

Ubbelohde



Viscosímetro de Stomer

Viscosímetro de cono-placa

Viscosímetro de caída de esfera (de Poiseuille)

Este equipo presenta un tubo de vidrio o plástico que se llena con el fluido cuya viscosidad se quiere determinar y permite obtener la velocidad límite que alcanza la esfera de un material determinado (acero, vidrio, etc.), que se deja caer en su seno. La ecuación de Stokes muestra la viscosidad del fluido en función de la velocidad límite de la esfera,

siendo, ρs, la densidad de la esfera (kg/m3), ρL, la densidad del líquido (kg/m3), r, radio de la esfera (m), Umax, velocidad límite alcanzada por la esfera (m/s).

Esta ecuación es válida siempre y cuando la esfera caiga en régimen laminar con fuerzas viscosas dominantes y el diámetro de ésta sea pequeño comparado con el diámetro del tubo. Se considera que el ensayo es válido cuando el número de Reynolds sea menor a 0,1,.

Faxen modifica el resultado obtenido mediante la expresión anterior para tener en cuenta los efectos perturbadores que pueda tener la pared del tubo de la siguiente manera:

Siendo, μS, viscosidad según Stokes y μF la viscosidad corregida según Faxen. El factor de Faxen (F) está dado por:


5



Siendo, d, el diámetro de la esfera y D el diámetro del tubo (m).

En este equipo se obtiene la viscosidad de un fluido midiendo la velocidad límite de caída de una esfera en el seno del mismo. Esta velocidad se medirá entre los dos aforos del equipo. La densidad de la esfera se deberá determinar con mucha exactitud, por cualquier método conocido. Se harán mediciones con distintas esferas y luego se compararán los resultados.



VISCOSÍMETRO SAYBOLT

Este equipo consiste en un recipiente destinado a contener el fluido cuya viscosidad se quiere determinar y donde en su parte inferior dispone un orificio de diámetro normalizado. Este recipiente se halla a su vez dentro de otro que le sirve de baño termostático para poder determinar viscosidades a distintas temperaturas.

Está dotado de un sistema de calentamiento integrado. Una clase especial de viscosímetro Saybolt

es

el

denominado

de

Saybolt -Furol, que tiene idénticos principios de funcionamiento pero su orificio tiene un diámetro mayor y sirve para fluidos cuyas viscosidades son

altas

(desde

480

cP

en

adelante). La denominación “Furol” proviene de la contracción de las palabras “Fuel and Road Oil”.


6



4. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR. CAIDA DE BOLA:     

1Tubo de vidrio de 90 cm de longitud y 21.7 mm de diámetro 2 billas de acero de 4.71 y 6.34 mm de diámetro Glicerina vernier Un cronometro

90 cm 2 billas de acero de 4.71 y 6.34 mm de diámetro

1Tubo de vidrio de 90 cm de longitud y 21.7 mm de diámetro

V. SAYBOLT:      

Cocinilla Copa de Ford Termómetro Aceite Lubricante Recipiente para contener y dejar pasar el flujo, según características predeterminadas Cronometro


7



5. PROCEDIMIENTO. VISCOSIMETRO DE CAIDA DE BOLA -

Llenar en el tubo de vidrio la glicerina.

-

Tomar la temperatura de la glicerina en el tubo de vidrio

-

Hacer caer dentro del fluido varias esferas metálicas, medir el tiempo de caída y registrar otros valores dimensionales.

-


8



a) Billa 1

                      Diámetro

b) Billa 2

                      Diámetro


9


-


Calcular la viscosidad dinámica según la ecuación de Stokes:

       [] -

Calcular el factor de Faxen y la viscosidad corregida según Faxen, y comparar según valores bibliográficos, y realizar las siguientes tablas:

       () ()

Para la esfera de acero 1:

      ()() ()                 Lectura Tiempo(s) Longitud(m) 1 18.40 0.9 2 18.15 0.9 3 18.26 0.9 4 18.17 0.9 5 18.25 0.9

V(m/s) 0.0489 0.0496 0.0493 0.0495 0.0493

μs 2.9518 2.9101 2.9278 2.9160 2.9278

Factor de F 0.4355 0.4355 0.4355 0.4355 0.4355

μf 1.2855 1.2673 1.2750 1.2699 1.2751

μ 1.29 1.27 1.28 1.27 1.28


10



Comparación de datos:

Lectura





1 2 3 4 5

1.29 1.27 1.28 1.27 1.28

1.50 1.50 1.50 1.50 1.50

Error porcentual (%) 14.00 15.33 14.67 15.33 14.67

Para la esfera de acero 2:

      ()() ()                 Lectura Tiempo(s) Longitud(m) 1 28.00 0.9 2 27.61 0.9 3 26.92 0.9 4 26.73 0.9 5 27.49 0.9

V(m/s) 0.0321 0.0325 0.0334 0.0337 0.0327

μs 2.4817 2.4512 2.3851 2.3639 2.4362

Factor de F 0.5643 0.5643 0.5643 0.5643 0.5643

μf 1.4004 1.3832 1.3459 1.3339 1.3747

μ 1,40 1.39 1.35 1.33 1.37

Comparación de datos:

Lectura





1 2 3 4 5

1.40 1.39 1.35 1.33 1.37

1.5 1.5 1.5 1.5 1.5

Error porcentual (%) 6.67 7.33 10.00 11.33 8.67


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VISCOSIMETRO DE COPA DE FORD -

Tomar los datos del aceite a experimentar.

-

Llenar la copa de Ford con un determinado aceite, obturando el orificio.

-

Medir el tiempo que demora en vaciarse la copa.


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-

Realizar la experiencia para varias temperaturas.

-

Calcular la viscosidad, para la copa de Ford con orificio N°4, mediante la siguiente ecuación.

  


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PARA LA HIDROLINA Lectura Tiempo(s) Temperatura(°C) Viscosidad(cSt) 1 2 3 4 5 6

32.00 24.59 20.93 18.53 16.64 13.19

19 30 41 50 59 67

105.90 74.72 58.32 46.97 37.53 18.47

PARA EL SAE 80W-90 Lectura Tiempo(s) Temperatura(°C) Viscosidad(cSt) 1 2 3 4 5 6

102.49 62.32 47.58 37.72 32.73 25.88 



20 33 42 51 60 69

375.31 224.17 167.64 128.95 108.88 80.30

PARA HIDROLINA: viscosidad a 40°C= 68.3 CST

  |  | 

  Y PARA SAE 80W-90: viscosidad a 40°C= 169 CST   |  |   

6. CONCLUCIONES. 

Se aplicaron dos métodos de medición de viscosidad en diferentes fluidos obteniéndose valores de viscosidad cercanos a los teóricos.



El método de caída de bola resulto valores de viscosidad para la glicerina a una temperatura determinada.



Se conoció los instrumentos para medir viscosidad y utilizar en la práctica.


14





Por lo observado experimentalmente, fueron mucho más exactas las lecturas cuando se empleó una esfera de menor tamaño en comparación con el diámetro del tubo capilar.



El uso de este método de medición de viscosidad supone un problema al ser una persona quien registra el tiempo en que la esfera baja por el fluido, ya que para un correcto análisis se depende en gran parte de la visión y reacciones de quien mide el tiempo.



También es un problema el hecho que se presentó al inicio de la toma de tiempo, y fue el de que la esfera de acero se adhería a la superficie dl tubo capilar, suponiendo así una resistencia a su movimiento.



Otro problema presente, es que la billa se suelta de una altura considerable del nivel inicial de la glicerina, lo cual afecta a la billa haciendo que esta entre con una velocidad inicial mayor que cero.



Finalmente, se puede decir que este método es muy práctico debido a la poca implementación que se necesita para su aplicación.



En el experimento de la copa de Ford hemos tomado en cuenta la formula:

Y hemos hallado que nuestros cálculos han sido muy cercanos al valor teórico de las viscosidades a una temperatura de 40°C Vemos que estos errores son muy pequeños y ´por lo tanto aceptables a pesar de no contar con las condiciones necesarias de un laboratorio para efectuar cálculos mas exactos.

7. CUESTIONARIO. 

¿LA VISCOSIDAD ESTÁ EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA? EXPLIQUE.

En general la viscosidad de un fluido depende tanto de la temperatura como de la presión, aunque la presión influye débilmente en la viscosidad. Para los líquidos, tanto la viscosidad dinámica como la cinemática se consideran independientes de la presión, salvo para presiones extremadamente altas. En cambio, la viscosidad de un fluido disminuye con la reducción de densidad, que tiene lugar al aumentar la temperatura.


15





¿QUÉ SUCEDE SI EL DIÁMETRO DE LA ESFERA Y EL DIÁMETRO DEL TUBO

AUMENTAN? Por lo visto en el experimento fueron mucho más exactos los resultados al usar una esfera de acero de diámetro menor en comparación con el diámetro del tubo capilar. Por lo tanto es conveniente para el experimento si el diámetro del tubo capilar fuese mayor, en tanto fuese menor el diámetro de la esfera de acero.


16





¿QUÉ VENTAJAS Y DESVENTAJAS PRESENTA UTILIZAR EL VISCOSÍMETRO DE CAÍDA DE BOLA?

Ventajas Técnica muy simple.

Exacta en comparación con otros dispositivos. El equipo para su utilización es simple 

Desventajas Depende de la intervención humana: el tiempo de caída de la bola se determina mediante un cronómetro manual y las capacidades visuales del observador. No se puede contar con una conexión a un ordenador para el análisis respectivo. Equipo poco práctico, debido al tamaño del tubo y tomando en cuenta lo diminuto de las billas.

GRAFIQUE LA CURVA VISCOSIDAD VS TEMPERATURA PARA EL MÉTODO DE COPA FORD. 90.00 80.00 70.00 60.00

) t S c ( d 50.00 a d i s o 40.00 c s i V

temperatura vs viscosidad Linear (temperatura vs viscosidad)

30.00 20.00 10.00 0.00 15

Temperatura(°C)



GRAFIQUE LA CURVA VISCOSIDAD EN SEGUNDOS VS TEMPERATURA PARA ET MÉTODO DE COPA FORD


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80 70 60 ) C ° 50 ( a r u t a r 40 e p m e 30 T

Datos Linear (Datos)

20 10 0 10

15

20

25

30

Tiempo (s)



INDIQUE LAS VENTAJAS DE UN ACEITE MULTIGRADO.



Menor desgaste en el momento del arranque. Una mayor estabilidad en la viscosidad del aceite permite el encendido más rápido de un motor en climas fríos o invernales, ya que el aceite fluye inmediatamente para lubricar los componentes vitales de un motor (caso específico de los aceites multigrados). Esta situación disminuye por consiguiente el desgaste de un motor por falta de lubricación durante su tiempo de encendido. Ahorro de combustible. Otra de las ventajas en el uso del aceite multigrado es que favorece el ahorro de combustible, ya que la lubricación del motor se mantiene de forma constante y fluida, disminuyendo su esfuerzo operativo. Mayor vida útil del motor. Al tener una protección al momento de arranque, disminuimos el desgaste del motor, representando un incremento en la vida útil del motor. Mayor estabilidad del aceite en diferentes temperaturas. Al tener un mayor índice de viscosidad, disminuye la variación de la viscosidad a los cambios de temperatura, manteniendo así la estabilidad del aceite. Mayor rendimiento del aceite. El aceite multigrado al tener mayor fluidez en el motor, ayuda a que las condiciones de operación sean benignas, lo que se traduce en menor oxidación del aceite, aumentando así el periodo de cambio.










18



MEDICION

CURSO

Mediciones y Ensayos en Ingeniería Mecánica

DOCENTE

Ing. Jorge Apaza

GRUPO ALUMNO

ALVAREZ BRAVO JESUS ALFREDO

FECHA

JUNIO 2014


19

LABORATORIO 4

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