viscosidad de aceites

DETERMINACIN DE LA VISCOSIDAD DE FLUIDOS UTILIZANDO UN VISCOSMETRO ROTATIVO ANALGICO

INGENIERIA MECANICA

2

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA DE INGENIERA MECNICA

PROYECTO DE INVESTIGACIN:

DETERMINACIN DE LA VISCOSIDAD DE FLUIDOS UTILIZANDO UN

VISCOSMETRO ROTATIVO ANALGICO

CURSO:

FSICA II

DOCENTE:

Prof. Rojas Alegra Roberto

ALUMNO:

RODRIGUEZ ABANTO, Luis Daniel

Trujillo Per

2009

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INTRODUCCIN

La viscosidad es una propiedad de los fluidos que es de gran importancia en

mltiples procesos industriales, adems de ser una variable de gran influencia

en las mediciones de flujo de fluidos, el valor de viscosidad se usa como punto

de referencia en la formulacin y formacin de nuevos productos, facilitando la

reproduccin de la consistencia de un lote a otro de fluido que se va a producir.

Para el clculo de la viscosidad de los fluidos se utilizan distintos tipos de

instrumentos que son llamados viscosmetros, en el desarrollo de nuestro

proyecto utilizamos un Viscosmetro Rotativo Analgico, el cual emplea la idea

de que la fuerza requerida para rotar un objeto inmerso en un fluido puede

indicar la viscosidad del fluido.

Es importante precisar una observacin importante en el desarrollo del proyecto,

que la viscosidad de un fluido depende considerablemente de la temperatura a la

que se encuentre. En el desarrollo del proyecto se han especificado tales

observaciones.

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CONTENIDO

RESUMEN . 05

OBJETIVOS . 06

MARCO TEORICO... 07

INSTRUMENTOS Y MATERIALES . 23

METODO Y ESQUEMA EXPERIMENTAL .. 29

DATOS EXPERIMENTALES . 31

ANALISIS DE RESULTADOS Y DISCUSION 35

CONCLUSIONES ........... 48

APENDICE .............. 50

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 51

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1 RESUMEN

En este experimento hemos calculado la viscosidad de diversos fluidos

(lquidos), en este caso utilizamos diversos tipos de lubricantes que son

utilizados en la industria automotor para evitar el desgaste por friccin de

diversos componentes que se hallan en contacto.

Lo primero que se hizo fue armar el equipo (Viscosmetro Rotativo Analgico),

luego procedemos a seleccionar los lubricantes (no interesa el orden) que

colocaremos en el viscosmetro, para esto necesitamos vaciar el lubricante en un

pequeo recipiente (vaso de precipitacin); es importante mencionar que el

viscosmetro posee cuatro rotores diferentes para cada tipo de viscosidad, los

cuales estando en movimiento, cuando entran en contacto con el fluido nos

indicarn en el disco graduado el valor de la viscosidad.

Puesto el recipiente en una posicin correcta, procedemos a introducir un rotor,

accionamos la entrada de energa para que el viscosmetro funcione, el rotor

empezar a girar a una determinada velocidad.

Luego de medir la viscosidad del fluido con un rotor, cambiamos de rotor y

observamos en el indicador la viscosidad que presenta, anotamos resultados, si

es necesario se hace las pruebas con los dos rotores faltantes.

Seguidamente en una cocina elctrica calentamos el fluido hasta una

temperatura considerable, con ayuda de un termmetro medimos la temperatura

a la que se encuentra, luego de esto llevamos el recipiente nuevamente al

viscosmetro y realizamos las respectivas mediciones.

Anotamos resultados.

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2 OBJETIVOS

Determinar la viscosidad de diversos tipos fluidos (lubricantes).

Mostrar experimentalmente que la viscosidad de un fluido vara con el

cambio de temperatura.

Mostrar experimentalmente que la densidad de un fluido tambin vara

con el cambio de temperatura.

Aprender a utilizar el Viscosmetro Rotativo Analgico.

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3 MARCO TERICO

VISCOSIDAD:

La viscosidad es una propiedad fsica-quimia de los fluidos y representa la

resistencia que presentan los fluidos al fluir.

Es la oposicin de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no

tiene viscosidad se llama fluido ideal. Pero en realidad todos los fluidos

conocidos presentan viscosidad. La viscosidad solo se manifiesta en lquidos en

movimiento, ya que cuando el fluido esta en reposo, la superficie permanece

plana.

Explicacin de la viscosidad:

Imaginemos un bloque slido (no fluido) sometido a una fuerza tangencial,

observemos la figura (a), el material slido se opone una resistencia a la fuerza

aplicada, pero se deforma (observar la figura (b)), se deforma cada vez ms

cuanto menor es la rigidez del slido.

Si imaginamos que el slido est formada por capas unas sobre otras, el

resultado de la formacin es el desplazamiento de unas capas respecto a las

adyacentes, tal como se muestra en la figura (c).

En los lquidos, el pequeo rozamiento entre las capas adyacentes de denomina

viscosidad.

Si arrastramos la superficie de un lquido con la palma de la mano, las capas

inferiores no se movern o se movern mucho ms lentamente que la superficie,

ya que son arrastradas por efecto de la pequea resistencia tangencial, mientras

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8

que las capas superiores fluyen con facilidad. Igualmente, si revolvemos con una

cuchara un recipiente grande con agua en el que hemos depositado pequeos

trozos de corcho, observamos que al revolver en el centro tambin se mueve la

periferia y revolver en la periferia tambin dan vueltas los trocitos de corcho del

centro; las capas cilndricas de agua se mueven por efecto de la viscosidad,

disminuyendo su velocidad a medida que nos alejamos de la cuchara.

Cabe sealar que la viscosidad solo se manifiesta en fluidos en movimiento, ya

que cuando el fluido esta en reposo adopta una forma tal en l, ya que cuando el

fluido esta en reposo adopta una forma tal en la que no actan las fuerzas

tangenciales que no puede resistir.

Si la viscosidad fuese muy grande, el rozamiento entre capas adyacentes lo

sera tambin, Lo que significa que estas no podran moverse unas respecto de

otras, o lo haran muy poco.

UNIDADES DE LA VISCOSIDAD:

La viscosidad de un fluido puede medirse por un parmetro dependiente de la

temperatura llamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad:

Coeficiente de viscosidad dinmico, designado como o . En unidades en el

SI: [] = [Pas] = [kgm-1s1] ; otras unidades:

1 poise = 1 [P] = 10-1 [Pas] = [10-1 kgs-1m-1]

Coeficiente de viscosidad cinemtico, designado como , y que resulta ser

igual al cociente del coeficiente de viscosidad dinmica entre la densidad =

/. (En unidades en el SI: [] = [m2.s1].

VISCOSIDAD DINMICA O ABSOLUTA ():

La viscosidad absoluta es una propiedad de los fluidos que indican la mayor o

menor resistencia que estos ofrecen al movimiento de sus partculas cuando son

sometidos a un esfuerzo cortante.

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9

Se muestran algunas tablas:

VISCOSIDAD CINEMTICA:

Es la relacin entre la viscosidad dinmica y la densidad el fluido este suele

denotarse como .

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VARIACIN DE LA VISCOSIDAD CON LA TEMPERATURA:

Para aceites y lubricantes:

El aceite por lo general es bastante difcil de vaciar cuando esta fralo que indica

que tiene una viscosidad alta. Conforme la temperatura del aceite va

aumentando, su viscosidad disminuye notablemente. Todos los lquidos exhiben

este comportamiento en algn grado.

Para los gases:

En los gases se comportan de manera diferentes a los lquidos, ya que la

viscosidad aumenta al tiempo que aumenta la temperatura.

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INSTRUMENTOS EMPLEADOS PARA MEDIR LA VISCOSIDAD:

El instrumento ms usado para medir viscosidad es el viscosmetro.

VISCOSMETROS:

Un viscosmetro es un instrumento empleado para medir la viscosidad y algunos

otros parmetros de flujo de un fluido. Fue Isaac Newton el primero en sugerir

una frmula para medir la viscosidad de los fluidos, postul que dicha fuerza

corresponda al producto del rea superficial del lquido por el gradiente de

velocidad, adems de producto de una coeficiente de viscosidad. En 1884

Poiseville mejor la tcnica estudiando el movimiento de lquidos en tuberas.

Tipos de viscosmetros:

-Viscosmetros que vibran dentro del agujero:

Los Viscosmetros que vibran son sistemas rugosos usados para medir

viscosidad en las condiciones de proceso. La pieza activa del sensor es una

barra que vibra. La amplitud de la vibracin vara segn la viscosidad del lquido

en el cual se sumerge la barra. Estos centmetros de la viscosidad son

convenientes para medir estorbando los lquidos fluidos y de gran viscosidad

(hasta 1.000.000 cP).

Actualmente, muchas industrias alrededor del mundo consideran estos

viscosmetros como el sistema ms eficiente para medir la viscosidad, puesta en

contraste con los viscmetros rotatorios, que requieren ms mantenimiento,

inhabilidad de medir el estorbar del lquido, y calibracin frecuente despus de

uso intensivo.

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-Viscosmetros capilares:

La tcnica ms comnmente empleada para medir la viscosidad de un lquido o

de un sistema coloidal diluido es la de viscosimetra capilar. Los viscosmetros

capilares de vidrio son fciles de construir y operar, son baratos y pueden

emplearse para mediciones de rutina. Los viscosmetros capilares pueden

detectar rpida y fcilmente comportamientos anormales entre una serie de

muestras para un estudio posterior, con instrumentos ms precisos y en los que

puede variarse a voluntad, por ejemplo, el viscosmetro de cono y plato.

-Viscosmetros del tipo que cae:

Se permite que un cuerpo (por ejemplo, una esfera) caiga a travs de una masa

de fluido en un tubo cilndrico. Se mide el tiempo que necesita el cuerpo para caer

a cierta distancia (a velocidad constante) y se correlacionan esas mediciones con

la viscosidad. Este tipo de instrumento se puede calibrar con fluidos de

viscosidades conocidas.

El viscosmetro que usamos para nuestro experimento fue el siguiente:

-Viscosmetros de Rotacin:

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Los viscosmetros de rotacin emplean la idea de que la fuerza requerida para

rotar un objeto inmerso en un fluido puede indicar la viscosidad del fluido. Algunos

de ellos son:

o El ms comn de los viscosmetros de rotacin son los del tipo Brookfield que

determinan la fuerza requerida para rotar un disco o lentejuela en un fluido a

una velocidad conocida.

o El viscosmetro de 'Cup and bob' que funcionan determinando el torque

requerido para lograr una cierta rotacin. Hay dos geometras clsicas en este

tipo de viscosmetro de rotacin, conocidos como sistemas: "Couette" o

"Searle".

'Cono y plato' los viscmetros emplean un cono que se introduce en el fluido a

una muy poca profundidad en contacto con el plato.

1. El viscosmetro Stormer. Es un dispositivo rotatorio empleado para determinar

la viscosidad de las pinturas, es muy usado en las industrias de elaboracin

de pintura. Consiste en una especie de rotor con paletas tipo paddle que se

sumerge en un lquido y se pone a girar a 200 revoluciones por minuto, se

mide la carga del motor para hacer esta operacin la viscosidad se encuentra

en unas tablas ASTM D 562, que determinan la viscosidad en unidades

Krebs. El mtodo se aplica a pinturas tanto de cepillo como de rollo.

LUBRICANTES:

Un lubricante es una sustancia que, colocada entre dos piezas mviles, no se

degrada, y forma as mismo una pelcula que impide su contacto, permitiendo su

movimiento incluso a elevadas temperaturas y presiones.

El lubricante es una sustancia que introducida entre dos superficies mviles

reduce la friccin entre ellas, facilitando el movimiento y reduciendo el desgaste.

El lubricante cumple variadas funciones dentro de una mquina o motor, entre

ellas disuelve y transporta al filtro las partculas fruto de la combustin y el

desgaste, distribuye la temperatura desde la parte inferior a la superior actuando

como un refrigerante, evita la corrosin por xido en las partes del motor o

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mquina, evita la condensacin de vapor de agua y sella actuando como una

junta determinados componentes.

La propiedad del lubricante de reducir la friccin entre partes se conoce como

Lubricacin y la ciencia que la estudia es la tribologa.

Un lubricante se compone de una base, que puede ser mineral o sinttica y un

conjunto de aditivos que le confieren sus propiedades y determinan sus

caractersticas.

Cuanto mejor sea la base menos aditivo necesitar, sin embargo se necesita una

perfecta comunin entre estos aditivos y la base, pues sin ellos la base tendra

unas condiciones de lubricacin mnimas.

Los lubricantes se califican segn su base como:

-Lubricante Mineral:

Es el ms usado y barato de las bases parafnicas. Se obtiene tras la destilacin

del barril de crudo despus del gasleo y antes que el alquitrn, comportando un

50% del total del barril, este hecho as como su precio hacen que sea el ms

utilizado.

Existen dos tipos de lubricantes minerales clasificados por la industria, grupo 1 y

grupo 2 atendiendo a razones de calidad y pureza predominando el grupo 1. Es

una base de bajo ndice de viscosidad natural (SAE 15) por lo que necesita de

gran cantidad de aditivaje para ofrecer unas buenas condiciones de lubricacin. El

origen del lubricante mineral por lo tanto es orgnico, puesto que proviene del

petrleo.

Los lubricantes minerales obtenidos por destilacin del petrleo son fuertemente

aditivados para poder:

1. Soportar diversas condiciones de trabajo.

2. Lubricar a altas temperaturas.

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3. Permanecer estable en un amplio rango de temperatura.

4. Tener la capacidad de mezclarse adecuadamente con el refrigerante.

5. Tener un ndice de viscosidad alto.

6. Tener higroscopicidad definida como la capacidad de retener humedad.

-Lubricante Sinttico:

Es una base artificial y por lo tanto del orden de 3 a 5 veces ms costosa de

producir que la base mineral. Se fabrica en laboratorio y puede o no provenir del

petrleo. Poseen unas excelentes propiedades de estabilidad trmica y

resistencia a la oxidacin, as como un elevado ndice de viscosidad natural (SAE

30). Poseen un coeficiente de traccin muy bajo, con lo cual se obtiene una buena

reduccin en el consumo de energa.

Existen varios tipos de lubricantes sintticos:

1.- Hidrocrack: Es una base sinttica de procedencia orgnica que se obtiene de

la hidrogenizacin de la base mineral mediante el proceso de hidrocracking. Es el

lubricante sinttico ms utilizado por las compaas petroleras debido a su bajo

costo en referencia a otras bases sintticas y a su excedente de base mineral

procedente de la destilacin del crudo para la obtencin de combustibles fsiles.

2.- PAO. Es una base sinttica de procedencia orgnica pero ms elaborada que

el hidrocrack, que aade un compuesto qumico a nivel molecular denominado

Poli-Alfaolefinas que le confieren una elevada resistencia a la temperatura y muy

poca volatilidad (evaporacin).

3.- PIB. Es una base sinttica creada para la eliminacin de humo en el lubricante

por mezcla en motores de 2 tiempos. Se denomina Poli-isobutileno.

4.- ESTER. Es una base sinttica que no deriva del petrleo sino de la reaccin

de un cido graso con un alcohol. Es la base sinttica ms costosa de elaborar

porque en su fabricacin por "corte" natural se rechazan 2 de cada 5

producciones. Se usa principalmente en aeronutica donde sus propiedades de

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resistencia a la temperatura extrema que comprenden desde -68C a +325C y la

polaridad que permite al lubricante adherirse a las partes metlicas debido a que

en su generacin adquiere carga electromagntica, hacen de esta base la reina

de las bases en cuanto a lubricantes lquidos. El ster es comnmente empleado

en lubricantes de automocin en competicin.

ACEITES LUBRICANTES DE MOTOR:

Caractersticas del aceite

El aceite de motor es un aceite que se usa para lubricar diversos motores de

combustin interna. Si bien el propsito principal es lubricar partes mviles

reduciendo su friccin, el aceite de motor tambin limpia, inhibe la corrosin,

mejora el sellado y reduce la temperatura del motor transmitiendo el calor lejos de

las partes mviles. Los aceites de motor son derivados de compuestos qumicos

sintticos del petrleo y otros productos usados para la fabricacin del aceite

sinttico.

El aceite de motor consiste principalmente en hidrocarburos, compuestos

orgnicos compuestos ntegramente de carbono e hidrgeno.

El aceite lubricante crea una pelcula separadora entre las superficies mviles

adyacentes para minimizar el contacto directo, el desgaste y la produccin de

calor, protegiendo as al motor. Gracias a la buena conductividad de calor del

aceite, al ponerse en contacto con una superficie caliente, absorbiendo parte del

calor para transmitirlo a otro sitio, normalmente al aire o a un disipador de algn

tipo.

Clasificacin por tipo de servicio:

Los aceites de motor son clasificados por el Instituto Americano del Petrleo (API)

para definir el tipo del servicio para el que son aptos. Esta clasificacin aparece

en el envase de todos los aceites y consta de 2 letras: La primera letra determina

el tipo de combustible del motor para el que fue diseado el aceite, utilizndose

una "S" para motores a gasolina y una "C" para motores diesel. La segunda letra

determina la calidad del aceite donde mayor es la letra (en el alfabeto) mejor es la

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calidad del aceite. Actualmente en motores a gasolina se utilizan los clasificacin

SJ mientras que en motores diesel los CH.

Los aceites de mayor calidad o ms recientes como el SJ pueden ser utilizados

en vehculos viejos con especificaciones de aceite inferiores, pero por ningn

motivo se deber utilizar una aceite de calidad inferior al especificado por el

fabricante del motor.

Clasificacin en cuanto a su naturaleza:

Convencional o Minerales: Aceites obtenidos de la destilacin del petrleo. Estos

aceites estn formados por diversos compuestos de diferente composicin

qumica que dependen del proceso de refinacin as como del petrleo crudo

utilizado.

Sintticos: Aceites preparados en laboratorio a partir de compuestos de bajo peso

molecular para obtener compuestos de alto peso molecular con propiedades

predecibles. Estos aceites tienen algunas ventajas sobre los aceites

convencionales, a continuacin algunas de ellas:

Mejor estabilidad trmica. Los aceites sintticos soportan mayores

temperaturas sin degradarse ni oxidarse, esto es especialmente til para

motores que se operan en ciudades con altas temperaturas y motores turbo-

cargados. Esta estabilidad trmica tambin permite mantener ms limpio el

motor.

Mejor desempeo a bajas temperaturas. Estos aceites fluyen ms fcilmente

a bajas temperaturas, mejorando el arranque del motor en climas fros.

Menor consumo de aceite. Los aceites sintticos tienen una menor volatilidad

lo que se traduce en menor consumo de aceite en el motor.

Sin embargo, el aceite sinttico tiene la desventaja de ser bastante ms caro

que el aceite convencional.

La clasificacin ms usada es la siguiente:

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Clasificacin por su grado de viscosidad:

La Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) tambin clasifica los aceites

segn su grado de viscosidad. La viscosidad es la resistencia que ofrece un

lquido (o gas) a fluir y depende enormemente de la temperatura. En esta

clasificacin los nmeros bajos indican baja viscosidad de aceite o bien aceites

"delgados" como comnmente se les conoce y nmero altos indican lo opuesto.

En cuanto a grado de viscosidad se refiere, existen 2 tipos de aceites:

Monogrados: Diseados para trabajar a una temperatura especfica o en un

rango muy cerrado de temperatura. En el mercado se pueden encontrar aceites

monogrado SAE 10, SAE 30, SAE 40, entre otros.

Multigrados: Diseados para trabajar en un rango ms amplio de temperaturas,

en donde a bajas temperaturas se comportan como un monogrado de baja

viscosidad (SAE 10 por ejemplo) y como un monogrado de alta viscosidad a altas

temperaturas (SAE 40 por ejemplo). Los aceites multigrados estn formados por

una aceite base de baja viscosidad as como de aditivos (polmeros) que evitan

que el aceite pierda viscosidad al calentarse. Esto permite a los aceites

multigrados trabajar en un rango muy amplio de temperatura manteniendo las

propiedades necesarias para proteger el motor. En el mercado podemos

encontrar aceites multigrados SAE 5W-30, SAE 15W-40, SAE 20W-50, entre

otros.

Aquellos aceites que cumplen los requerimientos de viscosidad a bajas

temperaturas (bajo 0C) se les designan con la letra "W" que indica invierno

(Winter).

Ahora veamos algunos ejemplos de aceites multigrados:

- Aceite 20W 50.- el aceite 20W 50 tiene mayor viscosidad a bajas temperaturas y

conforme se calienta va perdiendo viscosidad.

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El nmero 20W se refiere a la facilidad con la que el aceite puede ser "bombeado"

en bajas temperaturas, mientras ms bajo sea el nmero "W", mejores sern sus

propiedades de fluidez y facilitara el arranque del motor a bajas temperaturas. La

"W" significa Winter - invierno.

-Aceite 5W 50.- Un aceite 5W 50 es mejor que un 20W 50 en arranque a bajas

temperaturas, ese es el significado real del primer nmero "Facilidad de arranque

a bajas temperaturas", el segundo trmino es el grado de viscosidad del aceite en

las temperaturas normales de operacin del motor y se determina por la

viscosidad cinemtica del aceite a 100C.

Una vez que el motor arranc y el motor llega a su temperatura normal de

operacin, el aceite trabaja como un grado SAE 50, esta es la viscosidad con la

que se protege al motor la mayor parte del tiempo, la ventaja de los aceites

multigrados es su flexibilidad para proteger al motor en el arranque, con una

viscosidad baja y que permite que el aceite llegue rpido a las partes altas del

motor, para protegerlo contra el desgaste y posteriormente que sostenga una

viscosidad correcta para el tiempo que opera en condiciones "normales" de

temperatura que son reguladas por el sistema de refrigeracin (enfriamiento) del

motor.

Veamos algunas graficas de diferentes tipos de aceites a diferente temperatura:

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Veamos la grfica de diferentes aceites multigrados en un motor

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LA IMPORTANCIA DE LA VISCOSIDAD EN LOS ACEITES LUBRICANTES DE

MOTOR:

Solamente la viscosidad correcta maximizar la vida til y la eficiencia del motor,

transmisin, sistema hidrulico o lo que sea la aplicacin.

Un aceite delgado es menos resistente a fluir, por eso su viscosidad es baja. Un

aceite grueso es ms resistente a fluir y por eso tiene una viscosidad ms alta.

Para el uso automotriz se utiliza una tabla de viscosidades criada por la Sociedad

de Ingenieros Automotrices (SAE).

La viscosidad a 100C para una SAE 40 es entre 12.5 cSt y 16.29 cSt.

Fuente: Widman International SRL

Todos estos aceites tienen la misma viscosidad a 100C. Esta es la temperatura

normal del aceite dentro del motor en funcionamiento (promedio - en realidad se

encuentra temperaturas cerca de 150C en los anillos y puntos presin en el rbol

de levas, y ms de 280C en el turbo). Un motor que opera debajo de 90C no

est funcionando bien, tendr altos depsitos y lodos, y consumir mayor

combustible.

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Hoy en da la mayora de los motores a gasolina estn diseados para un aceite

ms delgado (menos viscoso). Muchos inclusive requieren una viscosidad SAE 20

o SAE 30 en funcionamiento.


Todos estos aceites tienen la misma viscosidad a 100C. Esta es la temperatura

normal del aceite dentro del motor en funcionamiento (promedio - en realidad se

encuentra temperaturas cerca de 150C en los anillos y puntos presin en el rbol

de levas, y ms de 280C en el turbo).


La clasificacin S.A.E. est basada en la viscosidad del aceite a dos

temperaturas, en grados Fahrenheit, 0F y 210F, equivalentes a -18 C y 99 C,

estableciendo ocho grados S.A.E. para los monogrados y seis para los

multigrados.

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Grado SAE

Viscosidad

Cinemtica cSt @

100C

0W 3,8

5W 3,8

10W 4,1

15W 5,6

20W 5,6

25W 9,3

20 5,6 - 9,3

30 9,3 - 12,5

40 12,5 - 16,3

50 16,3 - 21,9

60 21,9 - 26,1

FUENTE: Sociedad Norteamericana de Ingenieros Automotores (SAE)

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4 INSTRUMENTOS Y MATERIALES

- Viscosmetro de Rotacin (+/- 0.25 Pa.s)

o Rotores 1, 2, 3, 4.

o Este modelo de viscosmetro es modelo Q860A24. Faja de Medicin de

10 Pa.s a 2,000.000 Pa.s.

o Sistema mecnico del freno y lectura analgica con disco graduado.

o velocidad ajustable de 0.3; 0.6; 1.5; 3; 6; 12; 30; 60; rpm.

o consta de 4 rotores de acero inoxidable

o voltaje: 220V.

o frecuencia: 60Hz.

o potencia: 50W.

(FIGURA N 1)

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- Termostato (usado para controlar la temperatura del agua)

(FIGURA N2)

- Cocina ( usado para calentar fluidos y slidos)

(FIGURA N3)

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- Termmetro (+/- 1 C, usado para medir la temperatura)

(FIGURA N4- Termmetro y densmetro)

- Densmetro (+/- 0.001 g/cm3 , usado para medir la densidad de lquidos)

- Vaso de Precipitacin ( 500 ml, vaso de vidrio con escala graduada que

permite medir lquidos con aproximacin)

(FIGURA N 5)

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- Probeta Graduada (500 ml, vaso de vidrio, permite medir volmenes de

lquidos cuando no se requiere mucha precisin)

- Aceites Multigrado 20W 50 / 25W 50 (lubricantes para motores de

automviles)

(FIGURA N 6 Aceites monogrado y multigrado)

- Aceite Monogrado 50 (lubricante para motor de automvil)

- Aceite Quemado (aceite desechado debido al amplio trabajo que ha

realizado en los motores)

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5 MTODO Y ESQUEMA EXPERIMENTAL

- Ensamblar el Viscosmetro de Rotacin. Escoger el Rotor que se va a utilizar,

la velocidad y encontrar el coeficiente adecuado de la Tabla de Coeficientes.

- Llenar el Vaso de Precipitacin con el aceite a utilizar.

- Introducir el vaso de precipitacin en el termostato, posteriormente introducir

el viscosmetro de rotacin en el vaso de precipitacin. (Ver figura N 8)

(FIGURA N 8)

- Utilizar un intervalo de temperatura de 5C, hasta llegar a los 100C.

- Anotar los valores que indica el viscosmetro para las diferentes temperaturas

que se quiere medir la viscosidad, tomar nota.

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- Cuando se llega a 75C utilizar la cocina para continuar calentando el aceite,

para esto se monta nuevamente los equipos como se muestra en la figura.

- De igual manera continuar con las mediciones hasta llegar a 100C.

- Para medir la densidad a 100C. Vaciar el aceite a una probeta donde se

pueda usar el densmetro, tener cuidado que el aceite debe tener una

temperatura mayor a 100C, esto se hace para no cometer errores en la

medicin.

- Repetir los pasos anteriores para cada uno de los aceites.

- Elaborar las tablas correspondientes con los datos obtenidos.

- Realizar todos los clculos, graficas, ecuaciones, etc. para determinar la

viscosidad de los aceites.

(FIGURA N 9)

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6 DATOS EXPERIMENTALES

Elaboramos las tablas para los cuatro tipos de aceites, con los datos obtenidos en

las diferentes mediciones que se realiz con el viscosmetro.

6.1.- ACEITE MONOGRADO 50

Temperatura

(C) 25 30 35 40

Valor del

Viscosmetro 76.5 70.5 55 39.5

Temperatura

(C) 45 50 55 60

Valor del

Viscosmetro 34.5 27.5 21.5 18

Temperatura

(C) 65 70 75 80

Valor del

Viscosmetro 14.5 11 9 7.5

Temperatura

(C) 85 90 95 100

Valor del

Viscosmetro 5.5 4.5 3.0 2.0

(Tabla N 1- Temperatura del aceite y el valor obtenido en el viscosmetro)

o Para todos las datos obtenidos en la tabla N 1, se trabajo con el rotor nmero

uno, una velocidad de 0.6 rpm y segn la tabla n 11 en apndice le

corresponde un coeficiente 100.

o La densidad medida para el aceite monogrado 50, a la temperatura de 100

centgrados:

Densidad = 0.84 g/cm3

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6.2- ACEITE MULTIGRADO 20W 50

Temperatura

(C) 35 40 45 50

Valor del

Viscosmetro 42 34.5 28.5 21

Temperatura

(C) 55 60 65 70

Valor del

Viscosmetro 16 14 10 7.5

Temperatura

(C) 75 80 85 90

Valor del

Viscosmetro 5.5 4.5 4 3.5

Temperatura

(C) 95 100 ------ ------

Valor del

Viscosmetro 3.0 2.0 ------ ------



uno, una velocidad de 0.6 rpm y segn la tabla N 11 en apndice le


o La densidad medida para el aceite multigrado 20w 50, a la temperatura de

100 centgrados:


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6.3.- ACEITE MULTIGRADO 25W 50

Temperatura

(C) 30 35 40 45

Valor del

Viscosmetro 49 35 24 18.5

Temperatura

(C) 50 55 60 65

Valor del

Viscosmetro 16.5 14 10.5 9

Temperatura

(C) 70 75 80 85

Valor del

Viscosmetro 7.5 6.5 5.5 4.5

Temperatura

(C) 90 95 100 ------

Valor del

Viscosmetro 3.5 2.5 1.5 ------





o La densidad medida para el aceite multigrado 25w 50, a la temperatura de

100 centgrados:


INGENIERIA MECANICA

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6.4.- ACEITE QUEMADO

Temperatura

(C) 55 60 65 70

Valor del

Viscosmetro 10 8.5 7 6.5

Temperatura

(C) 75 80 85 ------

Valor del

Viscosmetro 5.5 5 4 ------





INGENIERIA MECANICA

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7 ANLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIN

Para determinar la viscosidad dinmica o absoluta de los aceites, con los datos

experimentales obtenidos en las tablas anteriores realizamos los siguientes

clculos:

COEFICIENTE DE VISCOSIDAD DINAMICA

=K* Donde: : Viscosidad absoluta o dinmica K: coeficiente de la tabla para cada rotor. (Ver tabla N 11 Apndice) #: Lectura del viscosmetro obtenida experimentalmente.

Despus de realizar los clculos para cada dato obtenido experimentalmente de

cada aceite. Elaboramos las siguientes tablas con su respectivo anlisis y

discusin.

7.1.- ACEITE MONOGRADO 50

Para determinar la viscosidad se uso el rotor N 1 velocidad 0.6 rpm y el valor

de K = 100. (Ver tabla N 11 en apndice)

TEMPERATURA (C)

VALOR OBTENIDO EN

EL VISCOSIMETRO

VISCOSIDAD ABSOLUTA

=K* (Pa.s) 25 76.5 7650

30 70.5 7050

35 55 5500

40 39.5 3950

45 34.5 3450

50 27.5 2750

55 21.5 2150

INGENIERIA MECANICA

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60 18 1800

65 14.5 1450

70 11 1100

75 9 900

80 7.5 750

85 5.5 550

90 4.5 450

95 3.0 300

100 2.0 200

(Tabla N 6 Viscosidad absoluta o dinmica para el aceite monogrado 50)

Con los datos de la tabla N 6 graficamos la viscosidad absoluta en funcin de

la temperatura.

INGENIERIA MECANICA

36

(Grafica N 1 Viscosidad absoluta Vs. Temperatura)

De la grafica se puede apreciar que la funcin que modela la variacin de la

viscosidad en funcin de la temperatura es una funcin exponencial, y segn

la teora se tiene que el coeficiente de viscosidad absoluta () es:

De la grafica se tiene que.

() = y

A = 28216

B = -0.04

T= x

Para determinar la viscosidad cinemtica usaremos la siguiente frmula:

De los datos experimentales se tiene la densidad del aceite monogrado 50 a

100 C:

Densidad = 840 kg/m3 Viscosidad dinamica a 100C = 200 Pa.s

Remplazando los datos en la formula anterior

v = 200/840 v = 0.2381 m/s (viscosidad cinemtica a 100C)

Segn la clasificacin de la Sociedad de Ingenieros Automotores de EE.UU.

(SAE) que adopto como temperatura de referencia 100C y manteniendo la

viscosidad de los aceites en centistoke, clasificaron a los aceites lubricantes

en dos categoras. Ver tabla N 7.

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Grado SAE Viscosidad

Cinemtica cSt a 100C

0W 3,8

5W 3,8

10W 4,1

15W 5,6

20W 5,6

25W 9,3

20 5,6 - 9,3

30 9,3 - 12,5

40 12,5 - 16,3

50 16,3 - 21,9

60 21,9 - 26,1

(Tabla N 7 Clasificacin de los aceites segn SAE)

De esta tabla se puede apreciar que la viscosidad del aceite monogrado 50

en centistoke y a 100 C, se encuentra en un rango mayor que 16,3 y menor o

igual que 21,9.

Para convertir la viscosidad del aceite determinada experimentalmente

(100C) a la unidad de centistoke (cSt), usaremos el siguiente cuadro de

equivalencias:

1 stoke = 100 centistokes = 1 cm/s = 0,0001 m/s

Ahora realizamos las conversiones para convertir a centistoke (cst)

v = 0.2381 m/s cSt = 0.2381*10

cSt = 23.81 cm/s

La viscosidad en centistokes para el aceite 50 a la temperatura de 100C es

23.81 cSt.

INGENIERIA MECANICA

38

Por ltimo determinamos el error experimental:

E = [(Vt - Vr) / Vt)] * 100

Luego remplazando obtenemos:

E = [(21.9 - 23.8) / 21.9)] * 100

E = 8.67%

Despus de realizar reiteradas veces el experimento no se logr disminuir el

error para que se encuentre dentro del rango establecido ( 5%). Uno de los

problemas es la precisin del viscosmetro ( 0.25) y otro factor es la calidad

del aceite.

7.2.- ACEITE MULTIGRADO 20W 50



TEMPERATURA (C)

VALOR OBTENIDO EN

EL VISCOSIMETRO

VISCOSIDAD ABSOLUTA

=K* (Pa.s) 35 42 4200

40 34.5 3450

45 28.5 2850

50 21 2100

55 16 1600

60 14 1400

65 10 1000

70 7.5 750

75 5.5 550

80 4.5 450

INGENIERIA MECANICA

39

85 4 400

90 3.5 350

95 3 300

100 2 200

(Tabla N 8 Viscosidad absoluta para el aceite multigrado 20W 50)


la temperatura.





INGENIERIA MECANICA

40


() = y

A = 21551

B = -0.04

T= x


De los datos experimentales se tiene la densidad del aceite multigrado 20W

50 a 100 C:




Segn SAE. (Ver tabla N 7). Se puede apreciar que la viscosidad del aceite

multigrado 20W 50 en centistoke y a 100 C, se encuentra en un rango mayor

que 16,3 y menor o igual que 21,9.



equivalencias:



v = 0.2299 m/s cSt = 0.2299*10

cSt = 22.99 cm/s

INGENIERIA MECANICA

41

La viscosidad en centistokes para el aceite multigrado 20W 50 a la

temperatura de 100C es 22.99 cSt.

Por ltimo determinamos el error experimental:

E = [(Vt - Vr) / Vt)] * 100

Luego remplazando obtenemos:

E = [(21.9 - 22.99) / 21.9)] * 100

E = 4.98 %

El error experimental se encuentra dentro del intervalo permitido ( 5%)

7.3.- ACEITE MULTIGRADO 25W 5O



TEMPERATURA (C)

VALOR OBTENIDO EN

EL VISCOSIMETRO

VISCOSIDAD ABSOLUTA

=K* (Pa.s) 30 49 4900

35 35 3500

40 24 2400

45 18.5 1850

50 16.5 1650

55 14 1400

60 10.5 1050

65 9 900

70 7.5 750

75 6.5 650

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80 5.5 550

85 4.5 450

90 3.5 350

95 2.5 250

100 1.5 150

(Tabla N 9 Viscosidad absoluta del aceite multigrado 25W 50)


la temperatura.





INGENIERIA MECANICA

43


() = y

A = 15312

B = -0.04

T= x


De los datos experimentales se tiene la densidad del aceite multigrado 25W

50 a 100 C:




Segn SAE. (Ver tabla N 7). Se puede apreciar que la viscosidad del aceite

multigrado 25W 50 en centistoke y a 100 C, se encuentra en un rango mayor

que 16,3 y menor o igual que 21,9.



equivalencias:



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v = 0.1807 m/s cSt = 0.1807*10

cSt = 18.07 cm/s

La viscosidad en centistokes para el aceite multigrado 25W 50 a la

temperatura de 100C es 18.07 cSt.

Comparando la viscosidad del aceite multigrado 25W 50 con los valores de la

tabla N 7 podemos ver que 18.07 cSt se encuentra dentro del rango

permitido: En otras palabras el error experimental es 0,0%.

7.4.- ACEITE QUEMADO



TEMPERATURA (C)

VALOR OBTENIDO EN

EL VISCOSIMETRO

VISCOSIDAD ABSOLUTA

=K* (Pa.s) 55 10 1000

60 8.5 850

65 7 700

70 6.5 650

75 5.5 550

80 4 400

(Tabla N 10 Viscosidad absoluta o dinmica para el aceite quemado)

Con los datos de la tabla N 10 graficamos la viscosidad absoluta en funcin

de la temperatura.

INGENIERIA MECANICA

45


Para el aceite quemado no se pudo determinar todos los datos

experimentales para hacer el respectivo anlisis, uno de los problemas fue

que al introducirlo en el termostato y al aumentar la temperatura a 35C el

aceite quemado empez a comportarse de una manera inesperada se

formaba una especie de burbujas y reventaba ocasionando que el aceite se

esparrame fuera del vaso de precipitado.

Segn la grfica N 4 se puede apreciar que la viscosidad del aceite quemado

a temperatura ambiente es relativamente baja, esto nos hace pensar que el

aceite quemado al llegar a 100C la viscosidad disminuir notablemente por

ende no cumple con su funcin de lubricar debido a dos factores: bajo grado

de viscosidad y cuando se encuentra a elevadas temperatura el aceite

revienta ocasionando daos en el motor.

INGENIERIA MECANICA

46

7.5.- COMPARACIN DE GRFICAS

De las grficas anteriores se tiene:

(Grafica N 5 Aceites SAE 50, 20W 50, 25W 50 y Aceite quemado)

De la Grafica N 5 se puede apreciar que cuando los aceites SAE 50, 20W 50

y 25W 50 llegan a 100C los tres se comportan como un aceite SAE 50, esto

es cierto porque el ultimo numero indica cmo es que se comportan los

aceites a la temperatura de 100C.

Cuando se encuentran a temperatura ambiente el grado de viscosidad es

diferente para cada aceite.

INGENIERIA MECANICA

47

8 CONCLUSIONES

Conforme la temperatura del aceite va aumentando el grado de viscosidad del

aceite () disminuye notablemente. Este comportamiento de los aceites se

modela con una funcin exponencial de la forma:

Esto sucede en algn grado para todo fluido lquido. No fue propsito de este

trabajo pero para el caso de los fluidos gases sucede todo lo contrario, es

decir la viscosidad aumenta a medida que la temperatura aumenta.

La clasificacin SAE para los aceites monogrado y multigrado solo

proporciona los rangos de viscosidad en el que se encuentra cada aceite, mas

no la calidad del aceite.

La nomenclatura propuesta por SAE, establece que el primer nmero indica la

facilidad de arranque del motor a bajas temperaturas mas no el grado de

viscosidad, claro est que a menor nmero mejor ser la facilidad de bombear

el aceite por ende ocasionara menos desgaste a la hora del arranque. Por lo

tanto de los tres aceites estudiados se concluye que el mejor aceite para

proteger al motor a la hora del arranque es el aceite 20W 50, esto se verifica

rpidamente en las tablas anteriores ya que a temperatura ambiente el aceite

20W 50 es menos viscoso. Del anlisis de resultados se tiene la siguiente

relacin para la viscosidad de los aceites a temperatura ambiente.

20W 50 < 25W 50 < 50

El segundo nmero indica el grado de viscosidad de los aceites cuando se

encuentran operando en el motor a la temperatura de 100C. Por lo tanto se

tiene la siguiente relacin para la viscosidad de los aceites cuando se

encuentran a 100 C

20W 50 = 25W 50 = 50

De todo esto se concluye que de los tres aceites se recomienda el aceite 20W

50, con ms razn si el automvil se encuentra en zonas fras. Pero una vez

que arranco y el motor llega a su temperatura normal de trabajo los tres

aceites realizaran el mismo trabajo ya que los tres se comportan como SAE

INGENIERIA MECANICA

48

50. La gran ventaja de los aceites multigrados es la proteccin a la hora del

arranque.

El aceite quemado como ya est desgastado, la viscosidad en condiciones de

operacin en el motor es muy baja, en otras palabras se adelgaza mucho y

como contiene impurezas debido a la friccin entre las paredes, residuos de

la combustin, etc. El aceite revienta por lo que genera mayor desgaste en el

motor.

Para el aceite SAE 50 se tuvo algunos problemas para medir la viscosidad

como resultado de esto se ha obtenido un error experimental de 8.67%. Los

factores que influyeron en este resultado es la precisin del viscosmetro y la

calidad del aceite.

INGENIERIA MECANICA

49

APENDICE

TABLA DE COEFICIENTES DEL VISCOSIMETRO DE ROTACION

RPM ROTOR 1 ROTOR 2 ROTOR 3 ROTOR 4

L

RPM

0.3 200 1000 4000 20000

0.6 100 500 2000 10000

1.5 40 200 800 4000

3 20 100 400 2000

H

RPM

6 10 50 200 1000

12 5 25 100 500

30 2 10 40 200

60 1 5 20 100

(Tabla N 11 Tabla de coeficientes del viscosmetro de rotacin)

GRAFICA DE LA DENSIDAD DEL ACEITE 25W 50

(Grafica N 6 Densidad en funcin de la temperatura)

INGENIERIA MECANICA

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9 REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

SANTIAGO BURBANO DE ERCILLA, Fsica General. Editorial TEBAR, S.L.

HUMBERTO LEYVA NAVEROS, Fsica II. Editorial Moshera S.R.L: Segunda

edicin 1995.

AVALLONE EUGENE Y BAUMEISTER THEODORF: Manual del Ingeniero

Mecnico.

http://castroll/mx/aceites

http://repsol/mx/aceites_lubricantes

http://es.wikipedia.org/wiki/Viscosidad

http://www.monografias.com/trabajos13/visco/visco.shtml

http://es.wikipedia.org/wiki/Viscos%C3%ADmetro

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

http://es.wikipedia.org/wiki/Lubricante

http://www.monografias.com/trabajos10/gralu/gralu.shtml

viscosidad de aceites

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