UNIVERSIDAD DEL BIO-BIO Departamento Ingeniería Civil

GUÍA LABORATORIO N° 1

VISCOSIDAD 1.- OBJETIVOS: Proporcionar bases teóricas, acerca de viscosidad y determinar, experimentalmente, viscosidad de fluidos con Viscosímetro Saybolt. 2.- PRINCIPIOS TEORICOS: La viscosidad de un fluido es una medida de su resistencia a la deformación cortante o angular. La viscosidad es probablemente la propiedad física más importante de los fluidos. La viscosidad varía con la temperatura. Al aumentar la temperatura, la viscosidad de todo líquido disminuye, mientras que la viscosidad de todo gas aumenta. Ley de Newton: En un flujo laminar, la tensión tangencial, en la dirección del escurrimiento, es proporcionar al gradiente de velocidad. Donde: τ : tensión tangencial.

μ: Viscosidad absoluta o dinámica. ν: Viscosidad cinemática, relación entre la viscosidad absoluta (μ) y la densidad del fluido (ρ) a la temperatura del ensayo.

dydv

: Régimen de corte o gradiente de velocidad. (v:

velocidad, x : distancia)

A: Area de la superficie de la placa móvil.

F: Fuerza aplicada para mover la placa B venciendo la resistencia por la viscosidad del aceite.

Los fluidos que satisfacen esta ecuación, son llamados “Newtonianos”. Ej.: agua, aire, etc.

Unidades de medida:

C.G.S M.K.S

Viscosidad dinámica 1g.cm . S = Poise 1kg. m . S = 10 Poise 1− 1− 1− 1−

Viscosidad cinemática 1 cm 2 . S = Stoke 1 m . S = 10 Stoke 1− 2 1− 4

Además de estas unidades de medida se utiliza, especialmente, para lubricantes, el segundo Saybolt Universal (SSU) que es una unidad convencional de viscosidad. Se define el SSU como el tiempo de escurrimiento en segundos que demora es escurrir por un orificio universal calibrado, una muestra de 60 ml. Bajo condiciones especificadas. Otras unidades de viscosidad convencional con: Segundos Saybolt Furol, Grados Engier y Segundos Redwood. Relaciones entre SSU y unidades de viscosidad cinemática y dinámica. Estas relaciones son usadas y aceptadas para cálculos de tipo comercial, en ningún caso en cálculos de precisión. C : Viscosidad en Centi-Stoke = 10 Stoke st

2−

C = (0,22 t – 180/t) st

C : Viscosidad en Centi-Poise = 10 Poise ps

2−

C = ρ (0,22 t – 180/t) ps

t : tiempo en segundos que demora en escurrir la muestra a través de la probeta (SSU) (Saybolt

Universal) El conocimiento de la viscosidad de un líquido permite interpretar. a) Los fenómenos que aparecen durante un flujo de un fluido, a través de tubos y accesorios. b) Las pérdidas debidas al roce que se presentan en la lubricación. Instrumentos de medición: Viscosímetros: Existen diferentes tipos de Viscosímetros, siendo los más utilizados: a) Viscosímetros Tipo Capilar: Es aquél en el cual, se determina la viscosidad de un líquido, mediante la

medición del tiempo que demora en escurrir un determinado volumen de líquido, a través de un tubo capilar bajo una presión exactamente reproducible, generalmente bajo la presión de una columna líquida, manteniendo constante la temperatura durante el ensayo Ej.; Viscosímetro cinemático (Cannon, Fenste).

b) Viscosímetro de Esfera Gravitante: Es aquél en el cual se determina las viscosidad por la velocidad de caída de una esfera de diámetro y peso especificadas, a través del líquido bajo condiciones que

aseguran la proporcionalidad entre la viscosidad y la velocidad de caída, manteniendo constante la temperatura durante el ensayo.

c) Viscosímetros convencionales: son viscosímetros de dimensiones normalizadas, en que se determina la viscosidad convencional, de conformidad con procedimientos especificados para cada caso.

Las indicaciones de estos instrumentos no deberán emplearse en cálculos que requieran precisión y podrán servir únicamente para informaciones aproximadas de la viscosidad en aplicaciones de tipo industrial. Ej.: Viscosímetro Saybolt (USA) Viscosímetro Engler (EUROPA) El viscosímetro Saybolt Universal (ASTM D88) es utilizado para aceites de bajas y medias viscosidades. Consiste en un recipiente cilíndrico para la muestra de aceite y un frasco de contención, colocado abajo para recibir y medir el aceite descargado del recipiente. En la parte inferior del recipiente existe un orificio de dimensiones específicas a través del cual fluye el aceite. El recipiente con el aceite está enchaquetado con un baño de aceite para facilitar que la temperatura de la muestra se mantenga constante. Las temperaturas son controladas por dos termómetros. Uno colocado en el aceite muestra y el otro en el baño. Para ajustar la temperatura, se utiliza una fuente externa de calor, la cual es aplicada al baño. El tiempo de flujo del aceite hasta el frasco recibidor es tomado con un cronómetro. El viscosímetro Saybolt Furol, se utiliza para los aceites muy viscosos, este aparato difiere del viscosímetro Saybolt Universal, únicamente en el diámetro del orificio por donde escurre el aceite. - Diámetro orificio Saybolt Universal : 0,0695 pulgadas - Diámetro orificio Saybolt Furol : 0,1240 pulgadas Indice de Viscosidad: Es un número empírico que indica el cambio de viscosidad de un aceite, al variar la temperatura. Un índice de viscosidad bajo, significa un cambio relativamente grande con la temperatura y viceversa.

I.V. : Indice de Viscosidad; 100D

UL.V.I ⋅−

=

U : Viscosidad Cinemática del aceite a 37,8°C (100°F) L : Viscosidad Cinemática a 37,8°C (100°F) de un aceite de I.V.= 0, y que tiene la misma

viscosidad a 98,9°C (210°F) que la muestra. D = L – H H : Viscosidad Cinemática a 37,8°C (100°F) de un aceite de I.V. = 100 y que tiene la misma

viscosidad a 210°F que la muestra. Los valores D y L, se pueden encontrar en tablas inditecnor 22-8 ch y ASTM. D 567-53, estas tablas son válidas solamente para valores de viscosidad a 98,9°C comprendidos entre 2,0 y 75,0 c.st. para valores de viscosidad a 98,9°C inferiores a 2,0 c.st., las funciones D y L, se obtendrán de las fórmulas:

)1,2655(1,655L ν+ν= ( )ν+ν= 0,349840,1725D

ν: Viscosidad cinemática del aceite en estudio a 98,9°C (210°F)

Ejemplo: Determinar el índice de viscosidad de un aceite cuya viscosidad a 37,8°C es de 91,60 (c.st.) y a 98,9° es de 9,40 (c.st.) 1 C = 1 centistoke st

De las tablas inditecnor 22-8 ch: L = 146, 33 D = 64,76

I.V. = 76,64

60,9133,146 −. 100 = 84,5

Gráficos, Viscosidad vs, Temperatura: Para poder determinar la viscosidad de un aceite, a cualquier temperatura, conocidas las viscosidades a dos temperaturas diferentes, se pueden confeccionar gráficos de viscosidad, ya sea medidas en (SSU) o Unidades de Viscosidad Absoluta. Dichos gráficos se construyen en papel semi-logarítmico. En el eje logarítmico se ubican las viscosidades y en el eje normal, las temperaturas. Los puntos conocidos se unen con una línea recta.

3.- DESCRIPCION DEL EQUIPO: Se utiliza un viscosímetro Saybolt. Este viscosímetro permite el tiempo de escurrimiento, a temperatura constante, de 60 ml de muestra a través de un orificio furol calibrado. En el Laboratorio se cuenta con dos viscosímetros, cuyas características son: - Viscosímetro Saybolt: - Viscosímetro Saybolt Fisher/Tag ASTM D-88 Marca : Precisión Scientific Marca : Fisher Scientif C.O. Rango : 70 a 210°F Voltaje : 220 Voltaje : 220 V Watt : 700

Ciclos : 50/60

Ciclos : 50/60 Se utilizarán, además, los siguientes accesorios del equipo: Termómetro: Marca: Brannan

Rango: -20°C a 150°C Sens.: 1°C

Probetas Saybolt calibradas de 60 ml.

Marca: Pyrex made U.S.A. Capacidad: 60 ml 0.05 ml.

Aceites (muestras): SAE 40 (Shell) x 100 30 – 40 (Shell)

+ -

4.- PROCEDIMIENTO: - Lavar con bencina y secar las probetas Saybolt. - Conectar el equipo a una red de 220 Volts. - Colocar los termómetros, tanto en el baño de aceite como en la muestra, sujentándolos por medio de

soportes. - Fijar las temperaturas a las cuales realizarán las mediciones ( 2 temperaturas). - Agitar la muestra con el termómetro en movimiento circular hasta que la temperatura no difiera de la

temperatura de ensayo, por lo menos 1 minuto. Logrado esto, retire el termómetro. - Coloque la probeta Saybolt debajo del orificio de salida. - Retire el corcho, tirando la cadenilla y , simultáneamente, ponga en funcionamiento el cronómetro. - Cuando hayan escurrido los 60 ml de fluido, detenga el cronómetro. - La lectura del cronómetro corresponde a la viscosidad cinemática en segundos Saybolt Furol (SSF). 5.- RESULTADOS: - De acuerdo a tablas, transformar los segundos Saybolt-Furol a segundos Saybolt Universal.

1SSF = 10 SSU - Graficar en carta semi-logarítmica ASTM (D 341), un diagrama viscosidad ( STC ) vs temperatura

(°C). - Calcular el I.V. a cada uno de los aceites estudiados. - Comentar cada uno de los resultados obtenidos. 6.- BIBLIOGRAFIA: - Normas Inditecnor de Viscosidad. 22-1 ch. 22-7ch. 22-8 ch. - Normas ASTM. Tomo 7 - Doolittle, J. Seymour: LABORATORIO DEL INGENIERO MECANICO. Edit. HASA - Mataix, Claudio: MECANICA DE FUIDOS Y MAQUINAS HIDRAULICAS, Harper & Row

Publishers Inc. - Streeter, W. : MECANICA DE LOS FLUIDOS. Mc Graw Hill. Concepción, Septiembre 2004.

A N E X O a) TABLA DE DATOS.

1ra. MEDIC. 2da MEDIC.

T° 1 SSF 1 T° 2 SSF 2

ACEITE A

ACEITE B

b) TABLA DE RESULTADOS: U L D I.V.

ACEITE A

ACEITE B