practica 1 flujo de fluidos

Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura

Unidad Ticomán

Materia:

Flujo de Fluidos

Practica No. 1

“Caracterización reológica de los fluidos”

Fecha de realización: 14/Septiembre/2015

Fecha de entrega: 21/Septiembre/2015

Grupo:

3PM1

Alumno:

Contreras Sánchez Osmar Reyes

Profesor:

Jiménez Chong Gumesindo Alejo

1

Flujo de Fluidos 3PM1 Práctica 1

Resumen

Con la realización de esta práctica se logró caracterizar reológicamente 8 fluidos

distintos, se observó la variación de viscosidad que sufren los fluidos al aplicar una

velocidad angular, esto mediante el viscosímetro rotacional. Además se observó

la variación de la viscosidad del petróleo al encontrarse a distintas temperaturas,

con la ayuda del viscosímetro Saybolt. Se obtuvieron datos de viscosidad en

Centipoise, velocidad angular en RPM, viscosidad cinemática del petróleo en

Segundos Universales Saybolt (SUS).

Objetivos

Determinar la variación de la viscosidad con el esfuerzo cortante

Clasificar reológicamente diversos fluidos

Determinar la viscosidad cinemática del petróleo a distintas temperaturas.

Marco teórico

Determinación de la viscosidad

Experimentación Simple

Una manera de probar la viscosidad de un líquido es observando cuánto tarda un

objeto para hundirse en ese líquido. También puedes comparar las viscosidades

comparando los diferentes tiempos de hundimiento para los diferentes líquidos. Se

puede proceder tomando en el costado de la botella aproximadamente 3 cm. (1

pulgada) de cada extremo, se dibujan dos líneas por todo alrededor con un

marcador permanente. Introducimos una canica en la botella, llenamos la botella

con agua hasta el tope y cerramos firmemente la tapa, vertimos la botella y

observamos cómo cae la canica en el agua (Cae muy rápidamente).

Con el cronómetro, medimos el tiempo que demora la canica para caer de una

línea de la botella a la otra cuando la inviertes. (Esto es casi imposible de hacer

porque la canica cae muy rápidamente. El agua no es muy viscosa). Y repetimos

2


para tomar diferentes ensayos.

Experimentación con tubo capilar.

El método clásico es debido al físico Stokes, consistía en la medida del intervalo

de tiempo de paso de un fluido a través de un tubo capilar. Este primigenio

aparato de medida fue posteriormente refinado por Cannon, Ubbelohde y otros, no

obstante el método maestro es la determinación de la viscosidad del agua

mediante una pipeta de cristal.Las pipetas de cristal pueden llegar a tener una

reproducibilidad de un 0,1% bajo condiciones ideales, lo que significa que puede

sumergirse en un baño no diseñado inicialmente para la medida de la viscosidad,

con altos contenidos de sólidos, o muy viscosos. No obstante, es imposible

emplearlos con precisión en la determinación de la viscosidad de los fluidos no-

newtonianos, lo cual es un problema ya que la mayoría de los líquidos

interesantes tienden a comportarse como fluidos no-newtonianos. Se muestran

dos recipientes conectados por un tubo largo de diámetro pequeño, conocido

como tubo capilar el fluido fluye a través del tubo con una velocidad constante, y el

sistema pierde energía ocasionando una caída de presión que puede ser medida

utilizando un manómetro

Los viscosímetros

Los viscosímetros son instrumentos diseñados y especializados para realizar la

medición del nivel de viscosidad de fluidos. También permiten medir otros

parámetros de flujo de los fluidos.

Tipos de viscosímetros

-Viscosímetro de Ostwald. El método mas sencillo para

medir viscosidades es mediante un viscosímetro de Ostwald

(figura 1). En este tipo de viscosímetros, se determina la

viscosidad de un líquido midiendo el tiempo de flujo de un

volumen dado V del líquido en un tubo capilar bajo la influencia de

la gravedad.

-Viscosímetro Rotacional. El viscosímetro rotacional funciona por el

principio de rotación, un cilindro o bien un disco sumergido en el material

que se debe probar, midiendo la fuerza de torsión necesaria para superar la

resistencia viscosa de la rotación. El cilindro o disco (husillo)esta acoplado

con un muelle a un motor que gira a una velocidad determinada. El ángulo

de desviación del eje se mide electrónicamente dando a la medida de

fuerza de torsión.

-Viscosímetro Saybolt. Este equipo consiste en un

recipiente (figura 2) destinado a contener el fluido cuya

viscosidad se quiere determinar y donde en su parte inferior

dispone un orificio de diámetro normalizado. Este recipiente

Fig. 1

Fig. 2

3


ªse 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.

-Viscosímetros de cuerpo móvil.

En los viscosímetros de cuerpo móvil la movilidad de una esfera, burbuja,

disco, etc. En el fluido da medida de la viscosidad del fluido.Los

viscosímetros más conocidos son los de caída de esferas, los cuales se

basan en la ley de Stokes, que relaciona la viscosidad de un fluido con la

velocidad de caída. Si una esfera cae en el interior de un fluido libremente

se acelera hasta que la fuerza de la gravedad se iguala a la fuerza de

rozamiento que ejerce el fluido sobre ella.

-Viscosímetro de caída de bola (Höppler).

Conforme un cuerpo que cae en un fluido solamente bajo la influencia de la

gravedad, acelerará hasta que la fuerza hacía abajo (su peso) quede

equilibrada con la fuerza de flotación y la de arrastre viscoso que actúan

hacía arriba. La velocidad que alcanza en ese tiempo se denomina

velocidad terminal.

-Viscosímetro Engler

El principio de funcionamiento de este equipo es igual al de los

viscosímetros Saybolt. Las diferencias residen en las formas de los orificios

normalizados y en que el viscosímetro Engler requiere un sistema de

calentamiento externo.

- Viscosímetros capilares

Probablemente el primer experimento científico en el que se utilizó un

capilar o tubo para medir el flujo fue realizado en 1839 por Hagen, seguido

de cerca por el trabajo de Poiseuille. Poiseuille estudió problemas de flujo

capilar para entender mejor la circulación de la sangre a través de los vasos

capilares en el cuerpo humano. Descubrió la relación (conocida como la ley

de Hagen-Poiseuille) entre la velocidad de flujo y la caída de presión para

un tubo capilar

4


Procedimiento experimental

Material

Dispersión de bentonita (8%)

Dispersión de Carboximetil Celulosa de Sodio (CMC) (1%)

Dispersión de almidón de maíz (100%)

5


Glicerina

Jarabe de maíz

Petróleo

6


Diesel

Jabón liquido

Equipo

8 vasos de 600 ml

7


4 Viscosímetros rotacional

3 Viscosímetros Saybolt

8 espátulas

Báscula

8


Termómetro

Cronómetro

3 vasos 100 ml

9


Procedimiento experimental

Experimento 1 "Variación de µ vs τ"

5.- Iniciar a medir las viscosidades y el torque a distintasvelocidades angulares con el jarabe de maíz, esto debido aque es el fluido que esta listo para medir la viscosidad.

4.- Ya con los fluidos listos (cada equipo tendrá 2 fluidosdistintos), elegir una espindula, se elegirá de acuerdo a losdatos seguros que arroje.

3.1.2 Mezclar ambos componentes para obtener la dispersión.

Nota: Mezclar continuamente el almidón, ya que podríasolidificarse.

3.1.1.-Se deberá pesar el almidón y medir correctamente elvolumen de agua.

3.1.- Para el fluido de almidón de maíz se empleará 600 ml deagua y 600 gr de almidón de maíz.

3.- Debido a que solo se proporcionó un fluido preparado, sedeberá elaborar la muestra de la dispersión del almidón demaíz (100 %).

2.- Tomar el viscosímetro rotacional, conectarlo y encenderlo,una vez encendido nivelar el viscosímetro

1.- Contar con todo el material y equipo a utilizar, verificar quese encuentre en buen estado. Escuchar la explicación delfuncionamiento del equipo así como las indicaciones por partedel profesor.

10


Experimento 2 "Variación de µ vs T (Temperatura), en una muestra de

petróleo”.

8.- Una vez obtenidos los resultados se deberángraficar y tabular para ser analizados y así caracterizarreológicamente los fluidos.

7.- Una vez realizado todo el procedimiento demedición para el jarabe de maíz se deberá repetir elprocedimiento (Pasos 4-6), esta vez con la muestrade almidón de maíz (100 %).

6.- Observar las viscosidades a distinta velocidadangular, se deberá tomar nota de las viscosidadesleídas, la velocidad angular y el torque medidas.

Nota: Con cada cambio de velocidades esperar undeterminado tiempo, esto estará en función de lasRevoluciones por minuto de la velocidad angular.

1.- Contar con todo el material y equipo a utilizar paraeste esxperimento se ocupara una viscosímetroSaybolt, cronometro, termometro y vasos depresipitados, asi como una muestra de petroleo,verificar que el equipo este en buen estado. Escucharla explicación del funcionamiento del equipo así comolas indicaciones por parte del profesor.

11


7- Tabular los datos medidos con el ViscosímetroSaybolt y analizar los resultados. Ádemas transformarlos SUS a viscosidad cinemática.

6.- Tomar nota del tiempo que tarda en caer el fluido,pues esta sera la viscosidad en Segundos UniversalesSaybolt.

5.- Se medirá el tiempo que tarda en caer el petróleo,esto con ayuda de un cronómetro.

4.- Se medirá el tiempo que tarda en caer el petróleo,esto con ayuda de un cronómetro.

3.- Una vez alcanzadas las temperaturas, se colocaráun vaso de precipitado debajo del viscosímetro.

2.- Se calentaran dos muestras de petróleo con elViscosímetro Saybolt hasta llegar a tres distintastemperaturas a 40 y 60 ºC, también se realizara lapruebe con la temperatura ambiente (aprox. 20 ºC).

Nota: Durante la experimentación no se logro tener elpetroleo a dichas temperaturas, las mediciones fuerona 23, 45 y 54 grados Celcius.

12


Resultados y calculos

1) Variación de µ vs τ

1.1 Dispersion de Bentonita (8%)

Dispersión de Bentonita (8%) Sp R2

ω [RPM]

µ [cP]

T %

4 2749.7 27.5

5 2272.8 28.4

6 1943.4 29.2

10 1157.0 28.9

12 993.0 29.7

20 643.5 32.2

30 464.5 34.8

50 315.3 39.5

60 277.2 41.6

100 190.4 47.5

Graficando los datos obtenidos

Grafico 1.1.1: Viscosidad vs Velocidad angular para prueba de dispersión

de bentonita (8%).

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 20 40 60 80 100 120

µ

[cP

]

ω [RPM]

µ vs ω

Clasificación de dispersión de bentonita (8%): FLUIDO PSEUDOPLASTICO

13


1.2 Muestra de Diesel

Diesel Sp R2

ω [RPM]

µ [cP]

T %

100 17.9 4.5

60 15.8 2.4

50 15.3 1.9

30 14.0 1.1

20 14.7 0.7

12 16.8 0.5

10 17.6 0.4

6 22.7 0.3

5 27.0 0.3

4 32.0 0.3


Grafico 1.2.1: Viscosidad vs Velocidad angular para prueba de diésel.

0

5

10

15

20

25

30

35

0 20 40 60 80 100 120

µ

[cP

]

ω [RPM]

µ vs ω

Clasificación de

diesel:

FLUIDO

NEWTONIANO

14


1.3 Muestra de Jarabe de maíz

Jarabe de maíz Sp R5

ω [RPM]

µ [cP]

T %

60 6159.3 922.2224

50 6207.0 77.6

30 6233.8 46.8

20 6295.7 31.5

12 6431.7 19.3

10 6473.8 16.2

6 6646.5 9.9

5 6715.2 8.4

4 6871.8 6.9

3 6998.2 5.2


Grafico 1.3.1: Viscosidad vs Velocidad angular para prueba con jarabe de

maíz.

6100

6200

6300

6400

6500

6600

6700

6800

6900

7000

7100

0 10 20 30 40 50 60 70

µ

[cP

]

ω [RPM]

µ vs ω

Clasificación de

jarabe de maíz:

FLUIDO

NEWTONIANO

15


1.4 Dispersión de almidón de maíz (100%)

Almidón de maíz Sp R5

ω [RPM]

µ [cP]

T %

100 131.2 32.8

60 88.1 13.2

50 78.1 9.8

30 67.6 4.9

20 66.8 3.3

12 82.9 2.5


Grafico 1.4.1: Viscosidad vs Velocidad angular para prueba con almidón de

maíz.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100 120

µ

[cP

]

ω [RPM]

µ vs ω

Clasificación del

dispersión de almidón

de maíz:

FLUIDO

DILATANTE

16


1.5 Muestra de Jabón líquido

Jabón líquido Sp R3

ω [RPM]

µ [cP]

T %

5 1644.6 8.2

6 1615.5 9.7

10 1582.6 15.8

12 1688.0 20.3

20 1661.7 33.2

30 1644.5 49.3

50 1611.8 80.6

60 1561.0 93.5


Grafico 1.5.1: Viscosidad vs Velocidad angular para prueba con jabón

líquido.

1540

1560

1580

1600

1620

1640

1660

1680

1700

0 10 20 30 40 50 60 70

µ

[cP

]

ω [RPM]

µ vs ω

Clasificación del

dispersión de

almidón de maíz:

FLUIDO

PSEUDOPLASTICO

17


1.6 Muestra de Glicerina

Glicerina Sp R3

ω [RPM]

µ [cP]

T %

10 534.4 5.3

12 521.7 6.3

20 498.8 9.9

30 509.1 15.3

50 516.3 26.4

60 544.3 32.9

100 531.1 53.3


Grafico 1.6.1: Viscosidad vs Velocidad angular para prueba con glicerina

490

500

510

520

530

540

550

0 20 40 60 80 100 120

µ

[cP

]

ω [RPM]

µ vs ω

Clasificación de

glicerina:

FLUIDO

NEWTONIANO

18


1.7 Muestra de petróleo.

Petróleo Sp R2

ω [RPM]

µ [cP]

T %

1 42.5 0.1

1.5 69.8 0.3

4 51.6 0.5

6 48.2 0.7

10 51.3 1.3

12 48.9 1.5

20 45.4 2.3

30 46.2 3.5

50 54.8 6.9

60 58.9 8.8


Grafico 1.7.1: Viscosidad vs Velocidad angular para prueba con petróleo.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 10 20 30 40 50 60 70

µ

[cP

]

ω [RPM]

µ vs ω

Clasificación de

petróleo:

FLUIDO

NEWTONIANO

19


1.8 Muestra de Carboximetil Celulosa de Sodio.

CMC Sp R4

ω [RPM]

µ [cP]

T %

1 9773.4 4.9

1.5 1011.9 7.6

4 7787.5 15.6

6 7021.9 21.1

10 5709.8 28.5

12 5345.9 32.1

20 4439.5 44.1

30 3737.1 56.1

50 2936.8 73.4

60 2688.0 80.6


Grafico 1.8.1.: Viscosidad vs Velocidad angular para prueba con CMC

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 10 20 30 40 50 60 70

µ

[cP

]

ω [RPM]

µ vs ω

Clasificación de

CMC:

FLUIDO

PSEUDOPLASTICO

20


2) Variación de µ vs T (Temperatura), en una muestra de petróleo

2.1 Cuando la temperatura (T) es 23 ºC



Combinando las tres mediciones obtenemos la siguiente tabla

Graficando los datos obtenidos mediante el viscosímetro Saybolt

Calculando la viscosidad cinemática a partir de los S.U.S.

T (Centígrados) S.U.S

23 98


44 13


55 11


23 98

44 13

55 11

0

50

100

150

0 10 20 30 40 50 60

S.U

.S.

T [Grados Centígrados]

S.U.S. vs T

Grafica 2 :

Grafica de S.U.S.

vs T

21


0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60

v [

cSt]

T [Grados Centígrados]

ν vs T

S.U.S. es una medida de la viscosidad cinemática definida como el tiempo

en segundos que demora en llenarse de fluido un matraz estándar de 60 ml

cuando escurre el líquido por un orificio calibrado de 1/16” de diámetro

interior. Para calcular la viscosidad cinemática en cSt se utiliza la siguiente

ecuación:

n =S.U.S.

4.6347= cSt[ ]

2.1.2.- Cálculo de viscosidad cinemática cuanto T= 23 ºC y S.U.S. =98

@23ºCv =S.U.S.

4.6347=

98

4.6347= 21.1448 cSt


@44ºCv =S.U.S.

4.6347=

13

4.6347= 2.8049 cSt


@55ºCv =S.U.S.

4.6347=

11

4.6347= 2.3734 cSt

Concentrando los valores de la viscosidad cinemática en Centistoke,

obtenemos:

T (Centígrados) S.U.S 𝜈 (𝐶. 𝑆𝑡𝑜𝑘𝑒𝑠)

23 98 21.1448

44 13 2.8049

55 11 2.3734

Grafica 2.1 :Grafica de viscosidad cinemática vs Temperatura

de

22


Discusión de resultados

A continuación se muestran los resultados obtenidos durante la práctica con los 8

fluidos esta vez ya concentrados para realizar un analisis de los resultados, se

observa que en distintos fluidos hubo una gran variedad de datos “no seguros”

pues el torque no se encuentra entre los parametros (mayor a 15 y menor a 95) ;

es decir aquellas lecturas que esten marcadas de color rojo, no son seguras,

probablemente sean no tan exactas o incluso erroneos.

Dispersión de Bentonita (8%) Diesel

ω µ T ω µ T

[RPM] [cP] % [RPM] [cP] %

4 2749.7 27.5 100 17.9 4.5

5 2272.8 28.4 60 15.8 2.4

6 1943.4 29.2 50 15.3 1.9

10 1157 28.9 30 14 1.1

12 993 29.7 20 14.7 0.7

20 643.5 32.2 12 16.8 0.5

30 464.5 34.8 10 17.6 0.4

50 315.3 39.5 6 22.7 0.3

60 277.2 41.6 5 27 0.3

100 190.4 47.5 4 32 0.3

Petróleo CMC

ω µ T ω µ T


1 42.5 0.1 1 9773.4 4.9

1.5 69.8 0.3 1.5 1011.9 7.6

4 51.6 0.5 4 7787.5 15.6

6 48.2 0.7 6 7021.9 21.1

10 51.3 1.3 10 5709.8 28.5

12 48.9 1.5 12 5345.9 32.1

23


20 45.4 2.3 20 4439.5 44.1

30 46.2 3.5 30 3737.1 56.1

50 54.8 6.9 50 2936.8 73.4

60 58.9 8.8 60 2688 80.6

Jarabe de maíz Jabón líquido

ω µ T ω µ T


60 6159.3 92.4 5 1644.6 8.2

50 6207 77.6 6 1615.5 9.7

30 6233.8 46.8 10 1582.6 15.8

20 6295.7 31.5 12 1688 20.3

12 6431.7 19.3 20 1661.7 33.2

10 6473.8 16.2 30 1644.5 49.3

6 6646.5 9.9 50 1611.8 80.6

5 6715.2 8.4 60 1561 93.5

4 6871.8 6.9

3 6998.2 5.2

Glicerina

Almidón de maíz Sp R5 ω µ T

ω µ T [RPM] [cP] %

[RPM] [cP] % 10 534.4 5.3

100 131.2 32.8 12 521.7 6.3

60 88.1 13.2 20 498.8 9.9

50 78.1 9.8 30 509.1 15.3

30 67.6 4.9 50 516.3 26.4

20 66.8 3.3 60 544.3 32.9

12 82.9 2.5 100 531.1 53.3

Con lo anterior se cree que el caracterizar reologicamente los fluidos no haya sido

del sencillo, puede que en ciertas graficas se pueda confundir el comportamiento

de los fluidos, por ejemplo en el jabon liquido hay un descenso y posterior mente

24


0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 20 40 60 80 100 120

µ

[cP

]

ω [RPM]

µ vs ω

Dispersión de Bentonita (8%)DieselJarabe de maízAlmidón de maízJabón líquidoGlicerina

un ascenso de viscosidad en la grafica, pero si se analiza la tabla es facil observar

que en las primeras dos lecturas que estan marcadas como mediciones “no

seguras” es cuando la viscosidad del fluido cae, pero cuando en el fluido se mide

una zona donde el Torque sea mayor a 15% se puede ver que la velocidad

angular y la viscosidad se comportan de la forma de los fluidos Pseudoplasticos.

Otro punto importante que hay que mencionar es que las graficas por si solas se

pueden interpretar de manera erronea, por ejemplo para la muestra de Diesel se

obtuvieron datos que al graficarlos, a simple vista la grafica (grafica 1.2.1)

pareciera que muestra el comportamiento de un fluido pseudoplastico, pero sin

encambio graficamos todos los fluidos en una sola grafica, es mas facil distinguir

por la grafica de que tipo de fluido es.

A continuación se muestra una grafica (grafico 3.1) de viscosidad vs Vel. Angular

con las graficas obtenidas de todas las muestras de fluidos, con dicha grafica

clasificar reologicamente los fluidos es un tanto más sencillo.

Grafico 3.1.- Graficas µ vs ω de los 8 distintos fluidos analizados

de

25


Además es importante mencionar que tanto para el Diesel como el petróleo no se

leyeron lecturas de Torque “seguras”, esto puede que se deba a la capacidad del

viscosímetro, pues con el viscosimetro rotacional se midieron con todos los tipos

de husillos disponibles, no arrojando arrojando resultados, pues con estas

mediciones no se podria saber si son las correctas. Para este tipo de fluidos se

recomendaria emplear otro viscosimetro capaz de medir viscosidades más bajas.

Por otra parte, aunque durante las pruebas en el almidon de maíz solo se

obtuvieron mediciones de torque “no seguras”, se logro caracterizar correctamente

el fluido como un fluido dilatante, pues al incrementar la velocidad de corte la

viscosidad incrementa.

Para el experimento dos con el viscosímetro Saybolt, donde se obtuvo la

viscosidad en S.U.S. a distintas temperaturas, al transformar los S.U.S. se logró

comparar la viscosidad cinemática y su cambio a distintas temperaturas,

permitiendo verificar que cuando un mismo fluido al verse afectado por un cambio

de temperatura su viscosidad va a cambiar, cuando la temperatura aumenta la

viscosidad cinemática disminuye.

26


Conclusiones

Se observó, analizó y determinó la variación que sufre la viscosidad con el

esfuerzo cortante

Se clasificarón reológicamente diversos fluidos (dispersión de bentonita (8%),

dispersión de CMC (1%), Dispersión de almidoón de maíz, glicerina, jarabe de

maíz, petróleo, diesel y jabón liquido.

Se determinó la viscosidad cinemática del petróleo a distintas temperaturas.

Referencias

Sitio Web: “Tesis- unison”, capitulo I, dirección web:

-http://www.bibliotecadigital.uson.mx/pagindice.aspx?tesis=4122

Sitio Web: “Viscosímetros”, dirección web:

-

http://fluidos.eia.edu.co/fluidos/propiedades/viscosidad/viscosimetrospf.html

González Simón, Tesis: “Diseño mecánico de un equipo para medida de la

viscosidad en fluidos no newtonianos”, Universidad Politécnica de Cartagena ,

2009

Formato digital disponible en:

- http://repositorio.bib.upct.es/dspace/bitstream/10317/960/1/PFC3016.pdf

http://repositorio.bib.upct.es/dspace/bitstream/10317/960/1/PFC3016.pdf

practica 1 flujo de fluidos

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