I)

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OBJETIVOS:

Conocer en la prctica la naturaleza de la viscosidad de un lubricante y sus propiedades.

Conocer el funcionamiento del viscosmetro Redwood mediante la experiencia realizada.

Determinar la viscosidad cinemtica de los aceites o lubricantes mediante el viscosmetro Redwood en funcin de su temperatura.

Obtener el ndice de viscosidad del aceite y entender qu significa este valor obtenido.

FUNDAMENTO TERICO

PROPIEDAD FSICA: VISCOSIDADPrimero, tenemos un dibujo idealizado del flujo de un lquido tpico por un tubo, observe que las capas del fluido se mueven todas a la misma velocidad representada por las flechas verdes (Figura 1a). Luego, para un fluido real, la pelcula de lquido en inmediata vecindad con las paredes del tubo est en reposo, y el perfil de la velocidad del resto de las capas adquiere un carcter parablico (Figura 1b). Tal flujo se le llamaflujo de Poiseuille, en honor a Jean Poiseuille que estudi la circulacin sangunea. La razn de este cambio en el perfil de la velocidad relativa de las capas del fluido, entre un fluido idealizado, y uno real, es el rozamiento interno del fluido oviscosidad. (Figura 1)

La viscosidad es la medida de la friccin interna de un lquido. Esta friccin llega a ser evidente por el efecto de corte o deslizamiento del movimiento de una capa de fluido con respecto a otra. Cuanto mayor es la friccin, mayor es la fuerza requerida para causar este movimiento, que se llama esquileo. El esquilar ocurre siempre que el lquido se mueva o se distribuya fsicamente, como en verter, separarse, la rociadura, mezclarse, etc. Los lquidos altamente viscosos, por lo tanto, requieren ms fuerza para moverse que los materiales menos viscosos (Manual Brookfield., 2004).

La viscosidad es una propiedad fsico-qumica de los fluidos y representa la resistencia que presentan los fluidos al fluir. Los fluidos reales muestran una amplia diversificacin de resistencia a los esfuerzos cortantes.

La viscosidad es una de las propiedades ms importante de un lubricante. De hecho buena parte de los sistemas de clasificacin de los aceites estn basados en esta propiedad por lo tanto la viscosidad es una especificacin de primer orden en los aceites lubricantes, ya que condiciona las cualidades requeridas para la lubricacin.

La viscosidad es una de las principales caractersticas de los combustibles lquidos que determina el mtodo de las operaciones de llenado y vaciado, las condiciones de transporte y bombeo, la resistencia hidrulica durante el transporte por tuberas y el trabajo efectivo de los quemadores.

El flujo viscoso puede ser analizado si tomamos dos piezas planas de vidrio, con una fina capa de fluido entre ellas, y tratamos de deslizar un vidrio sobre el otro. Esto es ms fcil de hacer con agua que con aceite, y la facilidad depender de la viscosidad. Para cuantificar el efecto, tomemos el plano sealado como reaAel que est separado del otro plano por la distanciay (Figura 2). Para que plano superior se mueva con una velocidad constantevdebe ser aplicada una fuerzaFdel mismo modo que cuando queremos arrastrar un ladrillo por un piso rugoso a velocidad constante. La magnitud de la fuerzaFresulta ser proporcional al rea del plano que se mueve, esto es, si se duplica el rea, tambin se duplicar la fuerza necesaria en la misma direccin del movimiento. (Figura 2)Adicionalmente esta fuerza se incrementa directamente proporcional con la velocidad, y es inversamente proporcional a la distanciay. Por ltimo el valor de la fuerza depender de la naturaleza del fluido, este efecto se incluye en el llamadocoeficiente de viscosidadque se representa con la letra griega (eta).

Matemticamente podemos establecer la relacin entre las variables que intervienen como: F=vAy

El coeficiente de viscosidad es muy influenciado por latemperaturadel fluido, por lo que cada fluido tendr un coeficiente diferente para cada temperatura.De la frmula se desprende que la unidad del coeficiente de viscosidad en el sistema internacional de unidades es Ns/m2= kg/ms

Donde:N=Newtons=segundom=metrokg=unidad de masa

VARIACIN DE LA VISCOSIDAD CON LA TEMPERATURALa viscosidad es una manifestacin del movimiento molecular dentro del fluido. Las molculas de regiones con alta velocidad global chocan con las molculas que se mueven con una velocidad global menor, y viceversa. Estos choques permiten transportar cantidad de movimiento de una regin de fluido a otra. Ya que los movimientos moleculares aleatorios se ven afectados por la temperatura del medio, la viscosidad resulta ser una funcin de la temperatura (Ocaa P., 2006). Algunos lquidos son absolutamente sensibles a la temperatura, y una variacin relativamente pequea dar lugar a un cambio significativo en la viscosidad. Otros son relativamente insensibles. La consideracin del efecto de la temperatura en viscosidad es esencial en la evaluacin de los materiales que sern sujetados a las variaciones de la temperatura, por ejemplo los aceites y las grasas (Manual Brookfield., 2004). La variacin de la temperatura tiene consecuencias importantes sobre el valor de la viscosidad. Tpicamente, se considera que la viscosidad vara en un 2% por grado Celsius.

El aceite para un motor, por lo general es bastante difcil de vaciar cuando est fro, lo cual indica que tiene una viscosidad alta. Conforme la temperatura del aceite va aumentando, su viscosidad disminuye notablemente, como se ilustra en la figura 3. Todos los lquidos exhiben este comportamiento en algn grado.

Figura 3

En los gases se comportan de manera diferente a los lquidos, en el hecho de que la viscosidad aumenta al tiempo que aumenta la temperatura. Figura 4

VISCOSMETRO REDWOODViscosmetro normalizado de tipo britnico en el cual la viscosidad se determina por el tiempo en segundos, necesario para que cierta cantidad de lquido pase por el orificio en condiciones dadas; utilizado para determinar las viscosidades de aceites de petrleo.La cantidad de aceite empleada es de 50 cc y el tiempo de escurrimiento est expresado en segundos Redwood.Las temperaturas usuales de referencia son: 70, 140, 100, 200 grados Fahrenheit.

NDICE DE VISCOSIDADEs un valor que representa la variacin de la viscosidad de un lubricante con la temperatura. Este valor ser tanto MAYOR cuanto MENOR sea dicha variacin. Para determinar este ndice se compara la viscosidad del aceite con la de otros dos aceites tomados como referencia. Estos aceites se denominan: Aceite H: Es un aceite parafnico estndar, presenta escasa variacin de viscosidad con la temperatura. Su ndice de viscosidad se fija en 100.Aceite L: Es un aceite naftalnico estndar, presenta gran variacin de viscosidad con la temperatura. Su ndice de viscosidad se fija en 0.

CLCULO DEL NDICE DE VISCOSIDADEn el viscosmetro Standard Saybolt Universal se mide la viscosidad (cinemtica, cinemtica, = / ) del aceite en estudio a 38C (u) y a 99C (x).Suponiendo que los aceites comparados H y L tuvieran sus viscosidades a 99C iguales a las del aceite en estudio a la misma temperatura sus viscosidades respectivas a 38C seran las que se obtienen de tablas.Con este valor (el de viscosidad a 99C) se busca en tabla la viscosidad de H y L a 38C, as, con estos L a 38C, as, con estos datos se calcula el I.V. mediante la expresin emprica de Dean y Davis.I.V.= (L u) /(L H) (todas a 38C)El valor que determina la correlacin existente entre la viscosidad de un aceite lubricante y la temperatura, es elndice deViscosidad (IV). De modo prctico, pudiramos entender al ndice de viscosidad como un nmero querefleja cunto podr variar la viscosidad del lubricante ante los cambios de temperatura, correspondiendo los mayores valores a aquellos aceites que presentan menor variacin.

A menudo el ndice de viscosidad (IV) no es considerado como un parmetro en la seleccin de lubricantes. La razn, es que es poco conocido y entendido. Algunos piensan que el ndice de viscosidad est incluido en el grado de viscosidad ISO de los aceites, pero no es as. Este es por s mismo un diferenciador independiente del desempeo de un lubricante.Todos sabemos que la viscosidad es la propiedad ms importante de un lubricante. Es una medida de la constitucin molecular desde el punto de vista del tamao de la cadena de hidrocarburos que conforman un lubricante. La viscosidad se origina por la friccin interna de las molculas cuando el fluido se pone en movimiento. Mientras ms grande sea la friccin intermolecular (molculas ms grandes), mayor ser la viscosidad.La viscosidad determina el espesor y la resistencia de la pelcula lubricante dentro de la mquina. Sobre ella tambin influyen algunos factores importantes como los que se mencionan en la tabla 1.

Tabla 1 Los efectos de la viscosidad

Cada uno de los siguientes grupos mide viscosidad en su propia escala:

RECOMENDACIONES SOBRE ACEITESViscosidadEs de suma importancia que el aceite posea la viscosidad apropiada a la temperatura de trabajo. Es conocido el hecho de que la viscosidad vara con la temperatura, determinando que un aceite sea menos viscoso cuando se lo calienta, espesndose cuando es enfriado. En primer lugar estos fluidos deben lubricar elementos mviles que usualmente estn diseados con tolerancias estrictas, por lo que el lubricante deber poseer la viscosidad adecuada para este propsito. Adems, el aceite necesita tener la suficiente viscosidad como para producir un cierre hermtico. Por otra parte, la viscosidad del aceite no deber ser tan elevada como para provocar resistencias innecesarias, pues si stas son muy grandes, se producir un gasto intil de energa. En otras palabras, existe un lmite superior e inferior para la viscosidad requerida en un sistema hidrulico y la eleccin del lubricante debe hacerse dentro de un ajustado rango de viscosidades. Los ambientes fros determinan una condicin adicional de viscosidad, por tal motivo es que para ciertos equipos se especifica una viscosidad mxima para la menor temperatura de arranque.

ndice de ViscosidadAsociado con la viscosidad est el ndice de viscosidad (I.V.) que nos indica la mayor o menor variacin de la viscosidad del aceite con los cambios de temperatura. A mayor I.V. menor variacin de la viscosidad, con cambio de la temperatura. Por lo tanto, en todo sistema hidrulico con amplias variaciones de temperatura, se debe recurrir a aceites de alto I.V., de manera de mantener un rango de viscosidad ptimo a todas las temperaturas de operacin.

PROCEDIMIENTO DE LAS EXPERIENCIAS

MATERIALES UTILIZADOS

Viscosmetro Redwod

Aceite Shell Helix SAE 40

Probeta de Pyrex.

Termmetro

DATOS DE LA ZONA DE TRABAJO

Presin baromtrica: 757 mmHg Temperatura de bulbo seco: 23.31 C Temperatura de bulbo hmedo: 21.64 C Humedad relativa: 85 %

Con estos datos calculamos:

Densidad del aire: = =1.225 /3 Presin: 100.96 Kpa. Temperatura: 297.6 K R (Constante de los gases): 0.287 KJ/Kg*K Densidad del agua: De las tablas termodinmicas: Estados de Lquido Comprimido del Agua =979 /3

PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO

Lavar con detergente todos los instrumentos antes de comenzar la experiencia. Echar el aceite y el agua en sus respectivos depsitos y verificar que ambos estn en al mismo nivel. Calentar el agua por medio de una resistencia regulable hasta una determinada temperatura. Mientras calienta el agua, mover lentamente con el agitador hasta que la temperatura del agua y del aceite se igualen. Calentar el aceite hasta la temperatura experimental. Una vez que se igualan las temperaturas, dejar caer el aceite por el tubo capilar hacia el recipiente y tomar el tiempo que demora en llenar 60 .ml. Repetir el procedimiento hasta tomar medidas a 70F, 100 F, 140F, 200F.

CALCULOS Y RESULTADOS:

Despus de medir la viscosidad cinemtica en cada temperatura tenemos los siguientes resultadosTemperatura (F)Viscosidad Cinemtica Redwood (seg.)

701205

100508

140185

21072

Obtuvimos la viscosidad cinemtica Redwood y la transformamos en Stokes segn la ecuacin siguiente:

Donde A y B para segundos Redwood es la siguiente.

Con esta ecuacin aplicada a cada medicin de viscosidad cinemtica obtenemos los siguientes resultados:Temperatura (F)Viscosidad Dinmica (Stokes)

703.1344

1001.3242

1400.4903

2100.2111

Entonces con estos valores graficamos la tendencia de la viscosidad segn la temperatura en ambas unidades:

Con la misma ecuacin aplicada a los segundos Saybolt Universal pero inversamente, conseguimos los segundos de esta escala para poder hallar el ndice de viscosidad.

Obtenemos los siguientes resultadosTemperatura (F)Viscosidad Cinemtica Redwood (seg.)Viscosidad Dinmica (Stokes o cm2/seg)Segundos Saybolt u

7012053.13161392.3846

1005081.3174586.8805

1401850.4717213.3946

210720.163382.3029

Ahora para hallar el ndice de viscosidad, seguimos la siguiente ecuacin

Donde:

Y=viscosidad en segundos Saybolt Universal del aceite del ensayo a 210FU= viscosidad en segundos Saybolt Universal a 100F de nuestro ensayo.

Reemplazando, obtenemos los siguientes resultados:HLndice de Viscosidad

835.3531735.330127.609

OBSERVACIONES:

Hemos tenido un error al tomar las mediciones que consiste bsicamente en tomar las mediciones con 60cc de lubricante, cuando en este procedimiento el volumen es de 50cc, nuestros resultados nos salen con ese margen de error La medicin de la temperatura no fue exacta dado que los termmetros median solo median valores enteros de temperatura en grados Celsius. Se tuvo que agitar el agua manualmente para que haya uniformidad en la temperatura del agua. Dado que el cronometro fue controlado manualmente tambin se notan imprecisiones en la recoleccin de datos. Es difcil lograr que la temperatura del agua y la del aceite sea la misma, siempre hay diferencias por lo que al final permitamos un margen de temperatura que se correga al dejar descender el aceite.

RECOMENDACIONES

Debemos tener cuidado con la medida que tomemos del volumen del lubricante de esto depender nuestra precisin al momento de medir resultados. Debemos tener presente la importancia de la limpieza de los elementos a utilizar, debemos lavar cuidadosamente las piezas cada vez que realizamos una nueva medicin al elevar la temperatura del lubricante. Debemos tener cuidado de que no se formen burbujas en la probeta Hay que tener cuidado de limpiar el recipiente de aceite con huaype o alguno otro material que pueda dejar partculas que obstruyan el agujero por donde saldr el aceite. Hay que tener cuidado de que el agua no entre en el recipiente del aceite.

CONCLUSIONES:

No hemos tenido problemas para usar el viscosmetro Redwood en nuestro caso pero vemos que los parmetros para medir el ndice de viscosidad como tambin el procedimiento est preparado para el viscosmetro Saybolt universal

Por medio de la experiencia con el viscosmetro Redwood Hemos comprobado cunto cambia la viscosidad de un lubricante con el aumento de temperatura. Por eso vemos el valor de la viscosidad su valor no tiene utilidad si no se relaciona con ella. Y que su valor es un dato importante a la hora de escoger un lubricante. Comparando con la ficha tcnica del lubricante Shell Helix SAE 40, hemos tenido una diferencia en el clculo del ndice de viscosidad de (102 a 130 )que se debe a que hemos tomado como medida 60 cc de lubricante , en vez de 50 como manda el procedimiento del viscosmetro Redwood

Hemos logrado conocer el ndice de viscosidad del aceite que se nos dio convirtiendo segundos Redwood a segundos Saybolt Universal y hemos aprendido lo que significa el ndice de viscosidad, hemos visto que el aceite tiene un ndice que es bueno.

Hemos encontrado la curva de viscosidad en funcin de la temperatura, y notamos la clara tendencia que tiene al aumentar la temperatura.

BIBLIOGRAFIA:

SEYMOUR, Jesse El Laboratorio del Ingeniero Mecnico, Ed Hispano Americana 1957 Primera Edicin, Buenos Aires

AVALLONE EUGENE & BAUMEISTER THEODORE: Manual del Ingeniero Mecnico, 1995 pg ( 3-40)

(HANNIBAL BRITO: Texto Bsico De Fenmeno De Transporte I, (18)

MECNICA DE FLUIDOS. Streeter Victor, Mc Graw Hill (2008)

LUBLEARN(2008). Lubricantes, Mx

Prahamian_Daniela(2010). Oleohidrulica

ANEXOS:Hoja de caractersticas del combustible Shell Helix