Tipos de Viscosímetros

 

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE MECÁNICA CARRERA DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL “TIPOS DE VISCOSÍMETROS”.

Presentado como proyecto de asignatura: MECÁNICA DE FLUIDOS

AUTOR/ES: ROBERTO CARLOS SACÓN PAZMIÑO SANDRO ROMARIO MONTALVÁN MORENO YAZMANY ISAIAS RODRIGUEZ REYES Riobamba - Ecuador  2020

 

Tabla de Contenidos “TIPOS DE VISCOSÍMETROS”............................................................................................i Capítulo 1 Introducción e información general...............................................................................1 1.1 Viscosímetro..............................................................................................................................1 1.2 Tipos de viscosímetro............................................................................................................1 1.2.1 Tubo Capilar........................................................................................1 1.2.2 Viscosímetro ViscosímetrosdeRotacionales............................................................................................4 1.3.1 Viscosímetro Saybolt........................................................................................................11 1.4 Viscosímetro de Hoppler.................................................................................................14 Capítulo 2.......................................................................................................................................16 2.1 Conclusión...........................................................................................................................16 Lista de referencias........................................................................................................................17 Bibliografía....................................................................................................................................17

 

 

Lista de figuras Figura 1...........................................................................................................................................1 Figura 2...........................................................................................................................................2 Figura 3...........................................................................................................................................3 Figura 4...........................................................................................................................................4 Figura 56...........................................................................................................................................5 ...........................................................................................................................................6 Figura 7...........................................................................................................................................7 Figura 8...........................................................................................................................................8 Figura 9...........................................................................................................................................8 Figura 10.......................................................................................................................................10 Figura 11.......................................................................................................................................10 Figura 12.......................................................................................................................................13 Figura 13.......................................................................................................................................14 Figura 14.......................................................................................................................................15 Figura 15.......................................................................................................................................16

 

1. Capítulo 1 Introducción e información general 2. 1. 1.11 Visc Viscos osím ímet etro ro Un viscosímetro (denominado también viscosímetro) es un instrumento para medir la viscosidad y algunos otros parámetros de un fluido dependiendo de la tecnología o fundamento bajo el cual funcione el equipo. Fue Isaac Newton el primero en sugerir una fórmula para medir la viscosidad de los fluidos quien postulo que la fuerza de la viscosidad correspondía a la fuerza que ejercía el  producto sobre una superficie superficie por el gradiente ddee velocidad, además de ser el producto producto de un coeficiente de viscosidad. Sin embargo, en 1884 Poiseuille mejoró la técnica estudiando el movimiento de líquidos en tuberías. [CITATION MarcadorDePosición1 \p 16 \l 12298 ]

1.2 Tipos de viscosímetro 1.2.1 Viscosímetro de Tubo Capilar. 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.[ CITATION Lop141 \l 12298 ] Figura 1 Viscosímetro de tubo capilar.

 Nota. figura representa el Viscosímetro de tubo capilar. Tomado de [ CITATION Rob06La \l 12298 ]

 

1.2.1.1 Viscosímetro de Ostwald 

La forma más usual de este aparato sencillo y suficientemente seguro, para comparar las viscosidades de diferentes líquidos. La rama izquierda del tubo de U es en esencial una pipeta con dos marcas definidas A y B, y un capilar de paredes resistentes C, a través del cual el líquido contenido en el ensanchamiento D fluye por la acción de la gravedad hacia el ensanchamiento E, situado en la rama derecha. La fuerza que empuja al liquido  por el capilar es igual a h × ρ × g  siendo h la diferencia media de nivel del liquido en 1

ambas ramas del tubo.[ CITATION Ale79 \l 12298 ] Figura 2 Viscosímetro de Ostwald.

 Nota. la figura representa el Viscosímetro de Ostwald Tomado de [ CITATION Ale79 \l 12298 ]

1.2.1.2 Viscosímetro de Ubbelohde.

Este viscosímetro se utiliza para determinar viscosidades cinemáticas de líquidos  Newtonianos transparentes y de lubricante hidráulicos. Llamado también el viscosímetro

 

de nivel suspendido, el cual elimina el efecto de tensión superficial a la salida del tubo capilar. Además, este instrumento, con previa calibración puede utilizarse para medir en forma directa y precisa la viscosidad de líquidos mediante la medición del tiempo de emanación del líquido en el viscosímetro, es decir, el tiempo en que un volumen dado del líquido fluye a través del capilar. Es importante hacer énfasis en que este tipo de viscosímetro no es adecuado para efectuar estudios reológicos detallados de fluidos no – newtonianos ya que la velocidad de corte de la cual la viscosidad depende, es limitada y no uniforme. Estos tipos de viscosímetros obedecen la ley de Hagen-Poiseuille, el funcionamiento es similar al viscosímetro de Ostwald. [CITATION MarcadorDePosición2 \l 12298 ] Figura 3 Viscosímetro Ubbelohde.

 Nota. La figura representa el Viscosímetro Ubbelohde. Ubbe lohde. Tomado de [CITATION MarcadorDePosición2 \l 12298 ]

1.2.1.3 Viscosímetro de Cannon – Fenske

 

El viscosímetro de Cannon - Fenske está basado en el mismo principio que el viscosímetro de Ubbelohde. Se aplica únicamente a líquidos transparentes. Existen diversos tipos de viscosímetros Cannon - Fenske, en función de la viscosidad a medir, por  lo que debe tomarse para el ensayo el que esté dentro del rango de viscosidades a medir  Al efectuar la medida el viscosímetro debe estar limpio y seco. Si la muestra contiene o  puede contener polvo o partículas en suspensión, se filtrará a través de una un a placa porosa. Llenar el viscosímetro, a temperatura ambiente, colocándolo invertido en posición vertical y con el extremo de la rama con los bulbos sumergido en el líquido. En la  posición indicada, succionar por la otra rama r ama hasta que la muestre llene los dos bulbos y llegue exactamente hasta la marca de aforo inferior. Para calcular la viscosidad de la muestra, en centistokes, multiplicando el tiempo, en segundos, por la constante del × t  . equipo, a la temperatura del ensayo: v = K ×t   . Siendo K la constante propia del equipo,

generalmente en torno a 0.0129 cSt / seg. [ CITATION Unisf \l 12298 ]

Figura 4 Viscosímetro de Cannon – Fenske.

 Nota. La figura representa el Viscosímetro de d e Cannon – Fenske. Tomado de [ CITATION Unisf \l 12298 ]

 

1.2.2 Viscosímetros Rotacionales. Estos viscosímetros se basan en el principio de que la fuerza requerida para rotar un objeto inmerso en un fluido puede indicar la viscosidad del fluido. Estos instrumentos consisten en una copa conteniendo la muestra, la cual gira a una velocidad rotacional ω. En el líquido se encuentra un cilindro sumergido representando un cilindro coaxial de altura h y radio r1. El cilindro interno está suspendido a un alambre de torsión  produciendo un torque como resultado res ultado de las fuerzas viscosas del fluido ro rotando tando sobre este, logrando un estado estacionario de movimiento. En algunos instrumentos el cilindro interno está rotando y el torque se mide en la copa, o bien, a un torque constante aplicado se observa la deformación resultante.[ CITATION Sán08 \l 12298 ]

Figura 5 Viscosímetros Rotatorios.

 Nota. La figura representa el Viscosímetro Rotacional. Tomado de [CITATION MarcadorDePosición2 \l 12298 ] A una distancia r del centro, ese torque es igual a: T =2 × π × r × h × F   2

Donde T: torque, h: altura del cilindro interno, y F: tensor de esfuerzo al radio.

 

1.2.2.1 Viscosímetro de Stormer 

En este equipo se determinan viscosidades de muestras a temperatura ambiente, ya que carecen de baño calefactor. Este viscosímetro consta de dos cilindros concéntricos siendo el interior móvil y el exterior fijo, colocándose el fluido cuya viscosidad se quiere determinar en el espacio comprendido entre estos. [CITATION MarcadorDePosición2 \l 12298 ] Figura 6 

Viscosímetros de Stormer 

 Nota. La figura representa el Viscosímetros de Stormer.Tomado de [CITATION MarcadorDePosición2 \l 12298 ] El cilindro interior se puede hacer girar por medio de un hilo enrollado en la polea superior y en cuyo extremo lleva un peso. Se puede deducir que, para este equipo, la viscosidad se expresa en función del par necesario para hacer girar el cilindro interior. [ CITATION Mac10 \l 12298 ]

 

1.2.2.2 Viscosímetro de Cono-Placa

Su funcionamiento se basa en la cizalla presente en un líquido situado en el espacio comprendido entre un cono y una placa, siendo el ángulo (α) entre ambos muy  pequeño (inferior a 4º, ya que, q ue, para ángulos mayores, los cálculos se complicarían excesivamente). En la figura se muestra de forma exagerada la geometría del sistema. Si el cono gira con cierta velocidad angular (Ω), se generará un movimiento de rotación en el fluido de tal forma que éste girará a una velocidad mayor cerca de las paredes del cono. [CITATION ZAR14 \p 16 \l 12298 ] Figura 7  Viscosímetro de Cono-Placa

 Nota. Representación de un viscosímetro de cono-placa co no-placa tomado de [CITATION Rua04 \l 12298 ] Los viscosímetros de cono y placa permiten que el gradiente de velocidad sea el mismo en todos los puntos de la muestra y se usen para materiales muy viscosos.

 

Figura 8 Viscosímetro rotacional de cono y placa

 Nota.Esquema de un viscosímetro rotacional de cono y placa Tomado de: Rua Mendez , 2014)

1.2.2.3 Viscosímetro de cilindro concéntrico

En ellos se logra un gradiente de cizalladura uniforme en toda la muestra, cizallando una lámina de líquido entre dos cilindros concéntricos. El exterior puede girar  a velocidad constante y la tensión de cizalladura se determina por la deflexión del cilindro interior, que está suspendido de un hilo de torsión.[ CITATION MOR85 \l 12298 ] Figura 9 Viscosímetro de Cilindros Concéntricos

 

 Nota. Esquema de viscosímetro rotacional de cilindros concéntricos. con céntricos. Tomado de Pardo, 2010 Este equipo se emplea para medir viscosidades absolutas. Consiste en dos cilindros concéntricos, un cilindro interior y otro exterior, el cilindro exterior es hueco y el interior macizo; el interior permanece fijo mientras que el exterior se lo hace girar a velocidad angular () constante. Entre los dos cilindros existe un espacio en el cual se coloca el material del cual se quiere medir su viscosidad.[CITATION MAR10 \p 22 \l 12298 ] 1.2.2.4 Viscosímetro de Brookfield 

Comportamiento reológico de un fluido. El aprendizaje integral de la mecánica de fluidos requiere de una implementación experimental que complemente al carácter abstracto de dicha disciplina. Los primeros encuentros prácticos de esta asignatura suelen ser confusos para el estudiante y llegan a obstaculizar la consolidación del conocimiento  perseguido. La desinformación y mala operación del usuario incluso provoca perjuicios per juicios al equipo involucrado. El objetivo del presente trabajo es que los lectores logren identificar el comportamiento reológico de un fluido cotidiano mediante una metodología adecuada, la cual es expuesta. Finalmente, para que el conocimiento sea más representativo, se  presenta un caso de estudio sobre s obre una salsa catsup comercial, encontrándola como un

 

fluido seudoplástico y tixotrópico. Se utilizó un viscosímetro Brookfield DV-II+ Programmable. Los parámetros reológicos para la muestra son elíndice de consistencia de 2.19322 Pa*s y el índice de comportamiento del fluido de 0.29087 obtenidos a partir del “spindle” 4.[ CITATION Acu15 \l 12298 ].

Figura 10 Viscosímetro Brookfield 

 Nota. Viscosímetro Brookfield. Tomada de Acurio & Liliana, 2015

1.2.2.5 Viscosímetro de tambor giratorio

Los viscosímetros rotatorios utilizan un eje giratorio para medir la resistencia del fluido al flujo. Este tipo de viscosímetros se componen de un cilindro que gira dentro de un vaso de medición donde le fluido se encuentra en su exterior como lo muestra la figura 8. El movimiento del rotor es accionado por un motor de corriente continua con velocidad programada o fija.[CITATION Gal18 \p 22 \l 12298 ]

 

Figura 11 Viscosímetro de tambor giratorio.

 Nota. Viscosímetro de tambor giratorio Tomado de (Mott, 1996, p.40) Este equipo posee un taco generador que regula la rotación del motor, dónde al detectar la mínima desviación la corrige. La resistencia de la muestra al fluir en el vaso  provoca una torsión en el resorte reso rte de medición de la viscosidad ubicado en el motor, este movimiento es recogido mediante un traductor electrónico que transmite el número de revoluciones para su procesamiento[CITATION Tom15 \p 161 \l 12298 ]

1.3.1 Viscosímetro Saybolt  Entre estos uno de los más importantes es el Viscosímetro de Tipo Saybolt, que se utiliza para realizar mediciones de viscosidad en aceites derivados de petróleo en un amplio rango de temperatura. Este equipo consiste en un recipiente destinado a contener el fluido cuya viscosidad se quiere determinar, y que tiene en su parte inferior un orificio de diámetro normalizado. [ CITATION Sal13 \l 12298 ] Se utiliza ampliamente con fines industriales comparativos sobre todo para los lubricantes y los productos. [ CITATION Lop14 \l 12298 ]. Este recipiente se halla a su vez dentro de otro que le sirve de baño calefactor, para poder determinar viscosidades a

 

distintas temperaturas. Este viscosímetro posee un mechero para calefacción solidario al equipo. [ CITATION Sal13 \l 12298 ] El viscosímetro Saybolt es de amplio uso en la determinación de viscosidad a diferentes temperaturas para lubricantes de máquinas y equipos. A pesar de esto son poca las referencias acerca del diseño y construcción de este tipo específico de equipos a nivel Universitario a nivel nacional e internacional. [ CITATION Sal13 \l 12298 ] La construcción de los mismos prácticamente se atribuye solamente a empresas especializadas. Solo se obtuvo información acerca de una Universidad en Chimborazo, Ecuador, denominada ESPOCH, que diseñó y construyó un Viscosímetro Saybolt con un sistema de control en cascada. [ CITATION Mac10 \l 12298 ]

1.3.1.1 Viscosímetro Saybolt Furol 

Una clase especial de viscosímetro Saybolt es el denominado Saybolt Furol, que tiene idénticos principios de funcionamiento, pero su orificio tiene un diámetro mayor, y sirve para fluidos cuyas viscosidades son altas (desde 480 cP en adelante). La denominación “Furol” proviene de la contracción de las palabras “Fuel and Road Oíl”. [ CITATION Sal13 \l 12298 ] “Los equivalentes de viscosidad Saybolt Furol se tabulan en figura para temperaturas de 122 ° F y 210 ° F únicamente”. [ CITATION AST16 \l 12298 ]

 

1.3.1.2 Viscosímetro Saybolt Universal 

En estos equipos se mide el tiempo de efusión de 60 ml de muestra a través de un orificio calibrado. El viscosímetro Saybolt Universal sirve para líquidos que tengan entre 32 y 900 segundos de efusión (fuera de esos extremos se observan viscosidades erróneas). [ CITATION Sal13 \l 12298 ] La viscosidad Saybolt Universal equivalente a una determinada viscosidad cinemática varía con la temperatura a la que la se hace la determinación. Los valores de conversión básicos son los dados en la figura para 100 ° F. [ CITATION AST16 \l 12298 ] Figura 12 Viscosímetros Say Bolt 

 Nota: La figura representa viscosímetros Say Bolt con los dos d os tipos de orificios. Tomado de: [ CITATION Mac10 \l 12298 ]

1.3.2 Viscosímetro Redwood 

 

En Inglaterra se utiliza la viscosidad Redwood, que se obtiene de la misma manera que la Saybolt, difiriendo en el volumen que escurre, el cual es de 50 cm3, diferenciándose también dos tipos, según el diámetro del orificio de escurrimiento, el Redwood N°1, con orificio de salida de 0 = 1,62 mm y Redwood N°2, con orificio de salida de 0 = 3,80 mm, obteniéndose la viscosidad en segundos Redwood. [ CITATION Lop14 \l 12298 ] Utilizado en Inglaterra y corresponde al tiempo de derrame de 50 cm3 de aceite. La referencia de temperatura del aceite es de 100°F, 130°F y 21 0°F. [ CITATION SEN12 \l 12298 ]

1.3.3 Viscosímetro Engler 

La viscosidad Engler se utiliza en el continente europeo, y consiste en el cociente entre el tiempo en segundos que tarda en derramarse 200 cm3 del líquido cuya viscosidad se desea conocer, y el tiempo en segundos que tarda en derramarse 200 cm3 de agua, todo, por lo general, a 20 oc de temperatura, pudiendo en los casos de líquidos muy viscosos utilizar temperaturas de 50 oc y hasta 100 °C. El equipo, consta, según muestra la figura. Figura 13 Viscosímetro Engler 

 

 Nota: La figura represente un viscosímetro Engler. Tomado de: [ CITATION Lop14 \l 12298 ]

1.4 Viscosímetro de Hoppler El viscosímetro de hoppler o viscosímetro de caída de bola, utiliza una bola esférica de peso y diámetro conocido la cual cae libremente a travez del fluido y se mide el tiempo requerido para que la esfera recorra una distancia conocida como se puede observar en la figura [ CITATION Per90 \l 12298 ] y [ CITATION Alv18 \l 12298 ] Cuando un cuerpo cae en un fluido bajo la influencia de la gravedad, este se acelera por la fuerza que lo jala hacia abajo (su propio peso) y queda balanceado por la fuerza de la flotación y de arrastre de la viscosidad. La velocidad que adquiere la bola se la conoce como velocidad terminal. [ CITATION Per90 \l 12298 ] y [ CITATION Alv18 \l 12298 ] Figura 14 Viscosímetro de bola que

 

 Nota: La figura muestra un viscosímetro de bola que cae. ca e. Tomado de [ CITATION Mot96 \l 12298 ]

1.4.1 Viscosímetro de Caída de Bola

Este equipo se utiliza para determinar las viscosidades de fluidos Newtonianos y gases (con una bola especial para gases), entre sus aplicaciones figuran la investigación, el control de procesos y el control de calidad. Consta de un simple tubo de vidrio (figura 17), de diámetro pequeño con un ángulo de 180°, que se rellena con el líquido problema y  por él se introduce una esfera sólida de diámetro menor para calcular la viscosidad del fluido. Este viscosímetro determina la viscosidad de líquidos midiendo el tiempo de caída de una esfera sólida necesita para recorrer una distancia entre dos puntos de referencia dentro del tubo de vidrio inclinado con muestra. El funcionamiento es el siguiente:  primeramente, se llena la sustancia que va a ser s er estudiada en el tubo de caída del viscosímetro, en el cual la bola debe caer una distancia calibrada de 100 mm. A partir del tiempo de caída t respectivamente se obtiene la viscosidad dinámica (IJ) del líquido según la ecuación de Stokes. [ CITATION Lop14 \l 12298 ] Figura 15  Viscosímetro de caída de bola

 

 Nota: La figura representa un viscosímetro de caída c aída de bola. Tomado de: [ CITATION Lop14 \l 12298 ]

3. Capítulo 2 2.1 Conclusión En conclusión, las técnicas que se emplean en cada uno de los viscosímetros son factible  para un parámetro y no tanto para para otros por lo cual existe existe de varios tipos tipos,, los parámetros más frecuentes a tomar en cuenta es el análisis de viscosidades cinemáticas de líquidos

 Newtonianos transparentes y de lubricante hidráulicos entre otras. Por último, podemos concluir que, a mayor temperatura de un líquido, su viscosidad será menor (se vuelve menos viscoso, denso) y a menor temperatura de un líquido, su viscosidad será mayor (se vuelve más denso o espeso).

4.

5. List Listaa de rref efer eren enci cias as 6. Bi Bibl bliiog ogra rafí fíaa

 

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