laboratorio nº1 fluidos propiedades de los fluidos

18
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS. Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013 Pablo Javier Jiménez Ceciliano LABORATORIO N º 1. LABORATORIO DE PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS PROFESOR: OSCAR EDUARDO MONGE RUIZ

Upload: allanpelon

Post on 24-Apr-2015

118 views

Category:

Documents


14 download

TRANSCRIPT

Page 1: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

LABORATORIO Nº1.

LABORATORIO DE PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

PROFESOR: OSCAR EDUARDO MONGE RUIZ

Page 2: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

I

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

Contenido Descripción del Equipo, Materiales y Accesorios utilizados: ..................................................... 1

Procedimientos de Operación de los Equipos y Accesorios así como la preparación de los

materiales: ......................................................................................................................................... 2

Explicación del Laboratorio realizado: .......................................................................................... 4

Objetivos. ....................................................................................................................................... 5

Resultados obtenidos (Discusión de resultados y conclusiones). ............................................ 6

Conclusiones. ................................................................................................................................ 8

Bibliografía ......................................................................................................................................... 9

Normas. ............................................................................................................................................ 10

Apéndice. ......................................................................................................................................... 11

Apéndice A .................................................................................................................................. 11

Apéndice B .................................................................................................................................. 12

Apéndice C .................................................................................................................................. 13

Apéndice D. ................................................................................................................................. 15

Apéndice E (Cálculos). .............................................................................................................. 16

TABLA 1: DATOS EXPERIMENTALES. ................................................................................................................. 6

TABLA 2: RESULTADOS OBTENIDOS PARA EL ACEITE SAE 20W50. ................................................................ 6

FIGURA 1: NORMA SAE J300.......................................................................................................................... 12

FIGURA 2: PROPIEDADES DE ACEITE PENNZOIL HDX ..................................................................................... 12

FIGURA 3: CALCULO DE ÍNDICE DE VISCOSIDAD. ............................................................................................. 13

FIGURA 4: GRAFICO DE VISCOSIDAD VS. TEMPERATURA PARA UN ACEITE SAE 20W50. .............................. 14

FIGURA 5: DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD. ............................................................................................. 15

Page 3: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

1

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

Descripción del Equipo, Materiales y Accesorios utilizados:

2 Probetas con una capacidad de 250 ml.

2 Viscosímetros Saybolt: Se trata de dos viscosímetros tipo Saybolt, uno de

ellos de marca Lab-Line Instruments Inc. el cual trabaja con un voltaje de

120 V y consume una potencia de 850 W, el segundo es de marca

GCA/PRECISION SCIENTIFIC que trabaja con un voltaje de 120 V y

consume una potencia de 700W. La logística de esta máquina es calentar

un tanque interno de agua y poder calentar los compartimentos o cañones

que se encuentran sumergidos en dicho tanque, cañones y tanque actúan

como el conocido baño maría, cuya función es llevar a la temperatura

deseada las muestras de fluido para luego poder medir el tiempo que

tarden estas muestras, en su mayoría con un volumen de 60 ml, en pasar

completamente a través de un orificio calibrado al fondo de los cañones y

obtener un coeficiente de viscosidad cinemática en unidades de

SSU(segundos saybolt universales). Ambos viscosímetros cuentan con 4

compartimentos o cañones para depositar muestras del fluido a ensayar y

también con un pequeño agitador del agua para homogenizar la

temperatura del tanque de agua.

2 Probetas graduadas con capacidad de 60 ml

500 ml de aceite marca Penzoil tipo 20W-50 como elemento de prueba de

su viscosidad.

1 Higrómetro digital para medición de la temperatura ambiente.

2 Densímetro utilizado para conseguir la densidad del aceite.

2 Cronómetro digital.

2 Termómetro con alma de mercurio.

Page 4: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

2

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

Procedimientos de Operación de los Equipos y Accesorios así como la

preparación de los materiales:

1. Lo primero a realizarse es el calentamiento previo, por parte del profesor,

de los baños maría pertenecientes a los viscosímetros Saybolt y

encargados de calentar las muestras de aceite a la temperatura necesaria

para cada uno de los casos; parte de este trabajo previo por parte del

profesor también está el llenado correcto de las probetas de 250 ml que

servirán como muestras.

2. Se procede con la medición de la temperatura ambiente observándola en el

higrómetro ubicado en el centro del área mecánica de la escuela y

anotándola en la tabla respectiva.

3. Una vez con las probetas llenas con el aceite 20W-50 se introduce el

densímetro en las muestras y se deja suspendido en la misma para luego

observar y anotar el valor de densidad de la muestra.

4. A continuación se comprueba la temperatura del baño maría de los

viscosímetros Saybolt por medio de los termostatos digitales que los

viscosímetros poseen y se busca obtener las temperaturas de 100°C y

40°C necesarias en cada uno de los viscosímetros; cabe destacar que las

temperaturas no tienen que ser exactamente de 100 °C y 40°C se puede

trabajar con una tolerancia de hasta 5°C esto porque es muy difícil

conseguir los valores exactos antes mencionados.

Page 5: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

3

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

5. Inmediatamente después de aproximar las temperaturas lo mejor posible se

procede a la medición de muestras de 60 ml en las probetas calibradas con

este volumen, es importante recalcar que es se debe tomar en cuenta el

efecto de capilaridad del aceite generador del menisco en la probeta por lo

que se hace necesario sobrepasar en algunas gotas el nivel establecido en

la probeta, esto también proveyendo las pérdidas de aceite que se adhiere

a las paredes de los compartimientos del viscosímetro.

6. Seguidamente se limpian los compartimentos de los viscosímetros con las

bazucas y se vierten las muestras en los compartimentos de los

viscosímetros.

7. Continuando con la realización del laboratorio se debe esperar a que las

muestras de aceite tomen la temperatura deseada en cada uno de los

casos para supervisar esta propiedad se utiliza un termómetro de mercurio.

8. Una vez las muestras alcanzan las temperaturas deseadas se procede a

quitar los tapones de los compartimentos llenos con el aceite y tomar el

tiempo que dura cada una de las muestras en abandonar completamente

los compartimientos de los viscosímetros. En este paso se debe tener la

medida de seguridad de no tener contacto con las muestras de aceite en el

momento de verter las muestras para medir sus tiempos, en especial evitar

el contacto con el aceite que se encuentra a 100°C para evitar lesiones

como quemaduras.

9. Se procede con la desconexión y limpieza de los viscosímetros además se

retornan las muestras de 60 ml en las probetas de 250 ml, y estas a los

envases correspondientes ya que se pueden reutilizar.

Page 6: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

4

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

Explicación del Laboratorio realizado:

1. Marco Teórico

Densidad: Es la relación que existe entre masa (m) y el volumen (V) de un

fluido es decir unidad de masa por unidad de volumen.

Cuando se habla de la densidad relativa de un fluido es la relación entre a

densidad de dicho fluido y la densidad del agua por lo que la densidad relativa en

adimensional.

Peso específico: El peso específico de un fluido se refiere a la relación

existente entre el peso (mg) y su volumen se relacionan como unidad de peso por

unidad de volumen de la siguiente manera:

El peso específico relativo de un fluido al igual que la densidad relativa es la

relación entre el peso específico del líquido con el peso específico del agua.

Viscosidad: La viscosidad en un fluido homogéneo es la propiedad que se

opone al movimiento de dicho fluido. En un flujo de fluido laminar se sabe

experimentalmente que el esfuerzo cortante y su gradiente de velocidad son

directamente proporcionales y la constante que relaciona estas dos magnitudes

recibe el nombre de coeficiente dinámico de viscosidad . También existe el

coeficiente de viscosidad cinemática (v), este coeficiente se trata sencillamente de

la relación entre el coeficiente dinámico y la densidad del fluido. v = μ/

Page 7: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

5

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

Ahora bien para conseguir el coeficiente dinámico existen diversos métodos

experimentales y uno de los más comunes es el viscosímetro saybolt.

Viscosímetro Saybolt: En el viscosímetro saybolt se obtiene el coeficiente

de viscosidad cinemática en unidades de segundos saybolt universales (SSU) que

tienen conversión directa a unidades del sistema internacional para la

viscosidad cinemática la relación utilizada para poder realizar esta conversión es

la siguiente:

Una vez conociendo los coeficientes de viscosidad cinemática se puede

calcular el índice de viscosidad del fluido.

Índice de viscosidad: Este define la variación de la viscosidad con respecto

a la temperatura de un determinado aceite.

Objetivos.

Conocer el manejo de un viscosímetro y densímetro. Hacer medidas de

viscosidad y densidad a varios aceites.

Page 8: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

6

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

Resultados obtenidos (Discusión de resultados y conclusiones).

Tabla 1: Datos Experimentales.

Tipo de aceite Lectura del

densímetro

Temp.( )

ambiente

Volumen

muestra(ml)

Masa(kg) Temp.( )

muestra

Tiempo(s)

20W50 0,88 19 250 0,216 40 511

20W50 0,87 19 250 0,216 98 101

Resultados obtenidos en el laboratorio usados para el análisis de aceite 20W50.

Tabla 2: Resultados obtenidos para el aceite SAE 20W50.

Muestra Temp. ( ) Densidad

W especifico

Visc. Cinemática

Visc. Cinemática

Visc. Dinámica

Índice de Visc.

20W50 40 864 8475,84 112

220

20W50 98 864 8475,84 21,5

Resultados obtenidos para el análisis del aceite ver cálculos en apéndice.

Page 9: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

7

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

Luego de la realización del laboratorio, la obtención de los resultados que

se muestran en las tablas 1 y 2 podemos ver las propiedades de la muestra

utilizada. Se encontró una densidad de 864 , un peso específico de

8475,84 , se puede observar que estas propiedades no varían con la

temperatura, si se analiza los resultados de viscosidad cinemática y dinámica se

muestra claramente que estas características del aceite si son variables con

respecto a la temperatura, sin embargo que tanto varían estas condiciones con el

aumento en la energía térmica del aceite?

Para tener una idea de la variación de la viscosidad con la temperatura se

calculo el índice de viscosidad, con este índice podemos saber cuál es el cambio,

cuando este índice es alto como lo es el caso de esta prueba podemos interpretar

que el aceite SAE 20W50 tiene muy poca variación con la temperatura, en el caso

de que se esté trabajando a bajas temperaturas este aceite no va a ser muy

“espeso”, debido a que un aceite muy “espeso” trabajando en un motor dificultaría

el arranque de este, de lo contrario un aceite trabajando a altas temperaturas no

debe de hacerse muy “delgado” ya que se propiciaría el desgaste del motor donde

esté funcionando.

Si también se observa la norma SAE J300 se ve que la viscosidad

cinemática encontrada se encuentra dentro del rango que dicta la norma

(Apéndice A), También se puede comparar con una aceite PENNZOIL HDX

(Apéndice B) y se observa que las densidades son muy cercanas donde se

encuentra tan solo un 1,82% de error respecto a este aceite.

En el apéndice C también se puede observar un cálculo rápido del índice de

viscosidad que coincide con el calculado por medio de la tabla mostrada en el

apéndice D.

Page 10: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

8

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

Conclusiones.

La densidad del aceite encontrada es 864 con un peso específico

de 8475,84 .

Se determino una viscosidad cinemática de 112 a 40 y una de

21,5 para una temperatura de 100 .

Page 11: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

9

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

Bibliografía Full Mecanica. (s.f.). Recuperado el 05 de Marzo de 2013, de

http://www.fullmecanica.com/i/indice-de-viscosidad

PENNZOIL. (s.f.). Recuperado el 05 de Marzo de 2013, de

http://products.pennzoil.my/pdsfiles/DEOs/PDS-DEO-HDX-SAE-20W-50.pdf

WIDMAN. (24 de 12 de 2009). Recuperado el 05 de Marzo de 2013, de

http://www.widman.biz/index.html

Yunus A. Cengel. (2012). Mecanica de Fluidos. Mexico DF: Mc Graw Hill.

Page 12: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

10

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

Normas.

Norma SAE J300: Esta norma clasifica los aceites según su viscosidad

cinemática.

Page 13: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

11

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

Apéndice.

Apéndice A

SAE J300

La determinación de viscosidad de aceites para motores se mide con la tabla de viscosidades SAE

de acuerdo a la norma SAE J300. Esta tabla clasifica las viscosidades de acuerdo a su viscosidad

cinemática a 100°C y en caso de aceites multigrados también se mide su bombeabilidad y

resistencia al arranque en frío.

Ejemplo:

Un aceite Multigrado SAE 15W-XX no puede espesarse a más que 7,000 cP cuando la

temperatura baja a -20°C en las pruebas de la ASTM D 5293, y 60,000 cP en la prueba ASTM D

4684.

Un aceite SAE 40 tiene que tener la viscosidad entre 12.5 cSt y 16.3 cSt a 100°C. Esta viscosidad

debería mantenerse por el periodo de uso del aceite.

La tabla también regula la rotura de polímeros, o cizallamiento permitido en alta temperatura

(medido a 150°C), garantizando la protección necesaria para los cojinetes, árbol de levas y todas

las piezas que requieren lubricación hidrodinámica forzada. Los aceites certificados API CI-4 tienen

más resistencia, por la exigencia del API de mantener esta viscosidad en un mínimo de 3.5 cP a

150°C. Hoy en día hay aceites SAE 15W-40 que pueden mantener 4.2 cP en estas condiciones.

Esta tabla entró en vigor en Diciembre del 1999. Aceites producidos o certificados anteriormente

utilizaban una tabla menos exigente.

SAE J300

Viscosidad

SAE

Arranque en

Frio (cP)

Bombeabilidad

en Frio

(cP)

Mínima

Cinemática

(cSt)

Máxima

Cinemática

(cSt)

Cizallamiento en alta

temperatura

(cP)

0W 6,200 a -35 60,000 a -40 3.8 - -

5W 6,600 a -30 60,000 a -35 3.8 - -

10W 7,000 a -25 60,000 a -30 4.1 - -

15W 7,000 a -20 60,000 a -25 5.6 - -

20W 9,500 a -15 60,000 a -20 5.6 - -

25W 13,000 a -10 60,000 a -15 9.3 - -

20 - - 5.6 9.3 2.6

30 - - 9.3 12.5 2.9

40 - - 12.5 16.3 2.9 (0W-4-, 5W-40, 10W-40)

40 - - 12.5 16.3 3.7

(15W-40, 20W-40, 24W-40,

40 monogrado) 50 - - 16.3 21.9 3.7

Page 14: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

12

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

SAE J300

Viscosidad

SAE

Arranque en

Frio (cP)

Bombeabilidad

en Frio

(cP)

Mínima

Cinemática

(cSt)

Máxima

Cinemática

(cSt)

Cizallamiento en alta

temperatura

(cP)

60 - - 21.9 26.1 3.7 Figura 1: Norma SAE J300

Apéndice B

Figura 2: Propiedades de aceite Pennzoil HDX

Page 15: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

13

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

Apéndice C.

Figura 3: Calculo de índice de viscosidad.

Page 16: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

14

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

Figura 4: Grafico de viscosidad vs. temperatura para un aceite SAE 20W50.

Page 17: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

15

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

Apéndice D.

Figura 5: Determinación de la viscosidad.

Page 18: LABORATORIO Nº1 FLUIDOS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGIENERIA ELECTROMECANICA

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS.

16

Autores: Allan Ronulfo Araya Morera 07/03/2013

Pablo Javier Jiménez Ceciliano

Apéndice E (Cálculos).