laboratorio nº1 fluidos propiedades de los fluidos
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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
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
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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.
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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.
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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.
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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/
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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.
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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.
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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.
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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 .
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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.
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Normas.
Norma SAE J300: Esta norma clasifica los aceites según su viscosidad
cinemática.
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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
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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
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Apéndice C.
Figura 3: Calculo de índice de viscosidad.
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Figura 4: Grafico de viscosidad vs. temperatura para un aceite SAE 20W50.
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Apéndice D.
Figura 5: Determinación de la viscosidad.
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Apéndice E (Cálculos).