AUTOMATIZACION DEL VISCOSIMETRO DE CONO Y PLACA PARA LA
DETERMINACION DE VISCOSIDADES
NDICEUNIDAD I GENERALIDADES31.1 INTRODUCCIN31.2 JUSTIFICACIN41.3
Objetivos51.3.1 OBJETIVO GENERAL51.3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS51.4
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA61.5 ALCANCES Y LIMITACIONES71.5.1
ALCANCE71.5.2 LIMITACIONES71.6 CARACTERIZACIN DEL REA81.6.1
LABORATORIOS DEL DEPARTAMENTO DE QUMICA, BIOQUMICA Y
AMBIENTAL.9UNIDAD II FUNDAMENTOS TERICOS102.1
Fluidos102.1.1Importancia DE LOS FLUIDOS102.1.2Propiedades DE LOS
FLUIDOS112.1.3 CLASIFICACIN DE LOS FLUIDOS142.1.3.1 FLUIDO
NEWTONIANO152.1.3.2 FLUIDO NO NEWTONIANO162.1.3.2.1 FLUIDOS
INDEPENDIENTES DEL TIEMPO162.1.3.2.2 FLUIDOS DEPENDIENTES DEL
TIEMPO182.1.3.3 FLUIDOS VISCOELSTICOS202.2VISCOSIDAD DE LOS
FLUIDOS212.3LEY DE LA VISCOSIDAD DE NEWTON222.4 VARIACIN DE LA
VISCOSIDAD CON LA PRESIN Y LA TEMPERATURA242.4.1 VARIACIN DE LA
VISCOSIDAD CON LA PRESIN242.4.2 VARIACIN DE LA VISCOSIDAD CON LA
TEMPERATURA252.5 MEDICIN DE LA VISCOSIDAD272.5.1 Procedimientos de
MEDICIN de la viscosidad.272.5.2 Ley de Stokes282.6 EQUIPOS PARA LA
DETERMINACIN DE LA VISCOSIDAD292.6.1 DESCRIPCIN DE EQUIPOS302.6.1.1
VISCOSMETRO DE CAIDA DE ESFERA302.6.1.2 VISCOSMETRO
SAYBOLT312.6.1.3 VISCOSMETRO ENGLER322.6.1.4
VISCOSMETROSCAPILARES332.6.1.5 VISCOSMETROS ROTACIONALES342.6.1.6
VISCOSMETRO DE STORMER342.6.1.7 VISCOSMETRO BROOKFIELD352.6.1.8
Viscosmetro de placa y placa362.6.1.9 VISCOSMETRO DE CONO Y
PLACA362.7 AUTOMATIZACIN DEL VISCOSMETRO37UNIDAD III
METODOLOGA393.1 SECUENCIA DE ACTIVIDADES PARA LA AUTOMATIZACIN DEL
VISCOSMETRO.393.2 PROCEDIMIENTO PARA EL CONTROL DEL SOFTWARE
ARDUINO 1.0.403.2.1 CONTROL DE TEMPERATURA44UNIDAD IV
RESULTADOS464.1 SELECCIN DE MUESTRAS464.2. EVALUACIN DE LA
VISCOSIDAD EN LA MUESTRAS.464.3 ANALISIS Y DISCUSIN DE
RESULTADOS.48UNIDAD V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES495.1
CONCLUSIONES495.2 RECOMENDACIONES50BIBLIOGRAFA51ANEXOS52
AUTOMATIZACION DEL VISCOSIMETRO DE CONO Y PLACA PARA LA
DETERMINACION DE VISCOSIDADES
Instituto Tecnolgico de VillahermosaPgina 46UNIDAD I
GENERALIDADES1.1 INTRODUCCIN
La viscosidad, es la propiedad de un fluido al oponerse a su
flujo cuando se aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad
presentan una cierta resistencia a fluir y los de baja viscosidad
fluyen con facilidad. De esta manera se conoce que la fuerza con la
que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas
adyacentes de dicho fluido determina su viscosidad.
Se entiende por medio de estudios que las condiciones
ambientales, especialmente la temperatura y la presin afectan a la
viscosidad. Conforme la temperatura de un fluido aumenta con el
tiempo, su viscosidad disminuye y viceversa.
Los procedimientos y el equipo para medir la viscosidad son
numerosos. Algunos emplean los principios fundamentales de la
mecnica de fluidos para tener la viscosidad en sus unidades bsicas.
Otros indican exclusivamente valores relativos de la viscosidad que
se pueden utilizar para comparar diferentes fluidos.Un viscmetro o
viscosmetro es un instrumento para medir la viscosidad y algunos
otros parmetros de un fluido.
El proyecto se desarroll con la finalidad de automatizar el
viscosmetro de cono y placa para la determinacin de la viscosidad
de diversos fluidos que as lo requieran. Para llevar a cabo lo
mencionado anteriormente, se realiz un anlisis del equipo para
diagnosticar las posibles mejoras que podran implementarse. Durante
este anlisis, se encontraron inconvenientes que prolongaban la
determinacin de la viscosidad de los fluidos, ya que las lecturas
requeridas para obtener la viscosidad no eran precisas.
Fue necesario implementar una mejora para esta variable
apoyndose de la tecnologa, es decir, con ayuda de un PLC
(Controlador Lgico Programable) fue posible realizar las pruebas
con ms precisin gracias a los sensores de temperatura integrados en
el PLC, de esta manera se puede manipular por medio de un Set Point
la temperatura deseada sin tener la preocupacin de que el fluido a
estudiar sufra cambios en su temperatura durante el desarrollo de
la prueba.
1.2 JUSTIFICACIN
El presente proyecto se realiz con la finalidad de facilitar el
manejo del viscosmetro de cono y placa para la determinacin de
viscosidades haciendo uso de la tecnologa por medio de un
Controlador lgico programable (PLC). De esta manera, los usuarios
pueden determinar la viscosidad del fluido con ms precisin en
relacin a la lectura de la temperatura, ya que, anteriormente, no
era uniforme, es decir, la temperatura variaba con el tiempo y por
ende, impeda obtener una lectura de temperatura estable, adems, en
algunos casos, exceda la temperatura deseada por el usuario,
llegando incluso al punto de ebullicin del fluido. Con la
implementacin del PLC la lectura de la temperatura es ms precisa y
los usuarios del Instituto Tecnolgico de Villahermosa podrn obtener
datos ms exactos para determinar la viscosidad de un fluido.
1.3 Objetivos
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Automatizar el viscosmetro de cono y placa para una determinacin
efectiva de la viscosidad.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS
Implementacin de accesorios al viscosmetro de cono y placa para
la determinacin de la viscosidad. Establecer el procedimiento de
pruebas para la determinacin de la viscosidad. Establecer los
ajustes necesarios para facilitar la lectura directa de la
viscosidad.
1.4 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El Instituto Tecnolgico de Villahermosa cuenta con una gran
variedad de laboratorios. Enfocndose en la ingeniera qumica,
destaca el laboratorio de fisicoqumica, dentro del cual, se
realizan diferentes tipos de prcticas, por medio de las cuales, los
estudiantes ponen en prctica sus conocimientos. Por este motivo es
necesario resaltar que durante la estancia de los alumnos como
estudiantes de la carrera de ingeniera qumica es inevitable el
estudio de los fluidos y sus propiedades. De esta manera se ejerce
el estudio de la viscosidad de los fluidos y los diferentes mtodos
para calcularla as como tambin, los diferentes equipos que existen
para determinar la viscosidad. El tecnolgico cuenta con un
viscosmetro rotacional del tipo cono y placa, el viscosmetro cumple
las caractersticas de diseo para su funcionamiento, sin embargo,
presenta algunas desventajas que provocan, de alguna manera la
imprecisin en la lectura de datos para determinar la viscosidad.
Por lo cual, es necesario automatizar el viscosmetro para un mejor
funcionamiento.
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES
1.5.1 ALCANCE
Para calcular la viscosidad es necesario tener como dato la
temperatura con la que se trabaja, el problema del viscosmetro de
cono y placa es la lectura no uniforme, lo que genera una
imprecisin al momento de tomar como dato la temperatura, por esta
razn es necesario implementar el uso de un sensor de temperatura
conectado a un circuito que controla de manera automtica el rango
de temperatura que el usuario dese. De esta manera es posible
obtener un lectura ms precisa para determinar la viscosidad del
fluido muestra.
1.5.2 LIMITACIONES
Algunas limitaciones se debieron principalmente por la falta de
tiempo y de material, hablando econmicamente, ya que es necesario,
para que el viscosmetro tenga un funcionamiento ptimo la
implementacin de un sensor para medir las revoluciones por minuto
(RPM) sin que esta vari con el voltaje. Por el momento es necesario
medir las RPM con un fototacometro y haciendo uso de un regulador
de voltaje para que no vari con el tiempo.
1.6 CARACTERIZACIN DEL REA
El Instituto Tecnolgico de Villahermosa fue fundado el 9 de
septiembre de 1974, cuando la economa del estado estaba basada en
renglones muy especficos: agricultura, ganadera, pesca y sus
cuatros principales industrias eran: azucarera, chocolatera,
aceitera y petrolera. Hasta ese ao, la industria presentaba un
desarrollo escaso debido en gran parte, a la carencia de mano de
obra calificada. La educacin tcnica en el mbito, medio superior
para capacitar al personal de estas industrias, se encontraba fuera
del estado, por lo que era urgente detener la migracin de los
estudiantes, proporcionndoles los medios adecuados para su
capacitacin y facilitar su acceso al engranaje econmico del estado.
Las deficiencias del sistema econmico y social, tienen como
consecuencia otra serie de problemas: falta de vivienda, educacin,
el ndice de desempleo crece y se acentan las deficiencias tu
salubridad. Haba que utilizar del mejor modo los recursos
disponibles atacando las necesidades ms imperiosas: construccin de
obra civil, problemas de drenaje y control de inundaciones, as como
la naturaleza inminentemente agrcola y ganadera de la regin, el
clima y la reciente creacin de complejos petroqumicos.VisinSer una
Institucin lder en Educacin Superior Tecnolgica reconocida nacional
e internacionalmente. MisinFormar profesionistas competitivos,
ntegros y con alto sentido de responsabilidad social.Valores
Honestidad Responsabilidad Respeto Compromiso Liderazgo Servicio
Lealtad1.6.1 LABORATORIOS DEL DEPARTAMENTO DE QUMICA, BIOQUMICA Y
AMBIENTAL.
El instituto tecnolgico de Villahermosa cuenta en su totalidad
con 8 laboratorios mencionados a continuacin:
Laboratorio de ingeniera qumica Laboratorio de ciencias
Laboratorio de frutas y hortalizas Laboratorio de qumica
cualitativa y cuantitativa Laboratorio de fisicoqumica Laboratorio
de qumica general Laboratorio de microbiologa Laboratorio de
ingeniera ambiental
Organigrama del departamento de Qumica, bioqumica y
ambiental.
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA, BIOQUIMICA Y AMBIENTALIng.
Carlos Enrique Ramn Bayln
LABORATORIO DE QUIMICA Y BIOQUIMICALic. Mara Genoveva Martnez
Mrquez
LABORATORIO DE CIENCIAS DE LOS ALIMENTOSM.C. Martha Villaseor
Negrete
LABORATORIO DE CUALICUANTIM.C. Mara Felicitas Cisneros
Romero
LABORATORIO DE QUMICA GENERALLic. Mara Genoveva Martnez
Mrquez
TALLER DE FRUTAS Y HORTALIZAS
LABORATORIO DE FSICO QUMICO
LABORATORIO DE LACTEOS
LABORATORIO DE MICROBIOLOGAIng. Martha Rodrguez Cepeda
El rea a la que est enfocado este proyecto tiene que ver con el
estudio de los fluidos y sus propiedades que se hacen mencin en la
Unidad II, como se haba mencionado anteriormente, los estudios de
la viscosidad se practican en el laboratorio de Fisicoqumica donde
los alumnos pueden de manera fcil, determinar la viscosidad de
diferentes fluidos haciendo uso del viscosmetro Saybolt y del
viscosmetro de cono y placa.
UNIDAD II FUNDAMENTOS TERICOS
2.1 Fluidos
El fluido es una sustancia que se deforma continuamente al
aplicarle un esfuerzo de corte, es decir; al aplicarle un esfuerzo
tangencial, por pequeo que este sea, siempre aparecer una
deformacin continua en forma de gradiente de velocidades o
velocidad de deformacin como reaccin ante el
esfuerzo.2.1.1Importancia DE LOS FLUIDOS
Los fluidos se encuentran en nuestro alrededor y dentro de
nosotros mismos y son importantes tanto en la vida diaria como en
los procesos productivos.Se entiende por fluido, un estado de la
materia en el que la forma de los cuerpos no es constante, sino que
se adapta a la del recipiente que los contiene. La materia fluida
puede ser trasvasada de un recipiente a otro, es decir, tiene la
capacidad de fluir. Los lquidos y los gases corresponden a dos
tipos diferentes de fluidos. Los primeros tienen un volumen
constante que no puede manipularse por compresin. Se dice por ello
que son fluidos incompresibles. Los segundos no tienen un volumen
propio, sino que ocupan el del recipiente que los contiene; son
fluidos compresibles porque, a diferencia de los lquidos, s pueden
ser comprimidos.A medida que la industria evoluciona
tecnolgicamente, aumenta la importancia de los fluidos en la
eficiencia de las mquinas. Ms de un siglo atrs, el agua era el nico
fluido importante que se transportaba por tuberas, sin embargo,
hoy, cualquier fluido se transporta por tuberas durante su
produccin, proceso o utilizacin.Algunos gases como el acetileno y
el butano se utilizan como combustibles en diversas operaciones,
tales como soldadura, sistemas de calefaccin de casas, hornos
industriales, etc. Tambin pueden ser materia prima para producir
otras sustancias intermedias, a partir de las cuales se obtienen
los plsticos, pinturas y aerosoles. El aire es utilizado en los
procesos industriales para producir aceros y metales para el secado
de alimentos entre otros usos.Los fluidos lquidos juegan tambin un
papel importante. Un buen nmero de procesos de la industria qumica
y de alimentos incluyen reactores que involucran lquidos. El
enfriamiento de los motores de combustin interna se lleva a cabo
con aceites de alto peso molecular en forma lquida. Las redes de
tuberas de agua y los equipos para su tratamiento involucran el
manejo de reactivos lquidos.2.1.2Propiedades DE LOS FLUIDOS
Las propiedades de un fluido son las que definen el
comportamiento y las caractersticas del fluido tanto en reposo como
en movimiento. Existen propiedades primarias y secundarias del
fluido los cuales se enlistan en la tabla 1.Tabla 1 Propiedades
principales de los fluidos.Propiedades primarias o
Termodinmicas:Propiedades secundarias
Presin Densidad Temperatura Energa interna Entalpa Entropa Calor
especfico ViscosidadEstas propiedades caracterizan al fluido.
Viscosidad Conductividad trmica Tensin superficial Compresin
a) PresinEs el esfuerzo en un punto en un fluido en reposo.
Despus de la velocidad, es la variable ms significativa en la
dinmica de un fluido. Las diferencias o gradientes de presin son
generalmente las responsables del flujo, especialmente en
conductos. En flujo a baja velocidad, la magnitud real de la presin
suele no ser importante, a menos que baje tanto como provocar la
formacin de burbujas de vapor en los lquidos.b) DensidadEn general,
los fluidos tienen densidades menores que las de los slidos, salvo
el caso de los metales lquidos como el mercurio o el galio y los
metales fundidos, que son fluidos con densidades ms elevadas que
las de muchos slidos.La densidad de un fluido es la relacin que
existe entre la masa del mismo dividida por su unidad de
volumen.
De esta manera es posible calcular la cantidad de sustancia que
existe en un determinado volumen. Esta propiedad depende de la
temperatura, por lo que al medir la densidad de una sustancia se
debe considerar la temperatura a la cual se realiza la medicin.c)
TemperaturaLa temperatura tiene un impacto importante enel
comportamiento de los lquidos, alterando su estado ocambiando su
volumen.Los cambios de temperatura de los liquidos influyen en la
viscosidad y la densidad de los liquidos afectando su desempeo.
d) Energa Interna
La energa interna se define como la energa asociada con el
movimiento aleatorio y desordenado de las molculas. Intenta ser un
reflejo de la energa a escala macroscpica, es decir; es la suma de
la energa cintica interna y la energa potencial interna. Depende de
la temperatura y del volumen de un fluido, lo que indica que en
casos de fluidos incompresibles solo depender de la
temperatura.
En un gas Ideal monoatmico bastara con considerar la energa
cintica de traslacin de sus tomos. En un lquido o solido se toma en
cuenta la energa potencial que representa las iteraciones
moleculares.
e) Entalpia En los fluidos se puede almacenar energa bsicamente
en tres formas: Aumentando de la energa potencial debida a la
gravedad. Aumentando la energa cintica. Aumentando la entalpa.La
entalpia de un fluido se puede definir como la energa almacenada en
un fluido asociada a su energa interna y a su presin.
Dnde:H: EntalpiaU: Energa InternaP: Presin del fluidoV: Volumen
que ocupa el fluidof) EntropaLa entropa se define como el grado de
desorden de las molculas, por lo que es mayor en los gases que en
los lquidos, mientras que la entropa de los lquidos es mayor que la
de los slidos. Esto tiene significado fsico ,si subimos la
temperatura de un gas, aumentara la energa cintica de las molculas,
habr ms movimiento y aumenta las posibilidades de aumentar ms
sitios de tal manera que la entropa crece al igual que la energa
interna y la entalpa .g) Calor Especfico.Es una magnitud fsica que
se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la
unidad de masa de una sustancia o sistema termodinmico para elevar
su temperatura a una unidad. El calor especfico de la misma manera
indica la capacidad de una sustancia para almacenar energa interna
en forma de calor.h) ViscosidadLaviscosidades la oposicin de un
fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene
viscosidad se llamafluido ideal. En realidad todos los fluidos
conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de
viscosidad nula una aproximacin bastante buena para ciertas
aplicaciones. La viscosidad slo se manifiesta en lquidos en
movimiento.i) Tensin SuperficialLas fuerzas cohesivas entre las
molculas de un lquido, son las responsables del fenmeno conocido
como tensin superficial. Las molculas de la superficie no tienen
otras iguales sobre todos sus lados, y por lo tanto se cohesionan
ms fuertemente, con aquellas asociadas directamente en la
superficie. Esto forma una pelcula de superficie, que hace ms
difcil mover un objeto a travs de la superficie, que cuando est
completamente sumergido.j) Conductividad TrmicaLaconductividad
trmicaes unapropiedad fsicade los materiales que mide la capacidad
deconduccin de calor. En otras palabras la conductividad trmica es
tambin la capacidad de una sustancia de transferir laenerga
cinticade sus molculas a otras molculas adyacentes o a substancias
con las que no est en contacto. La conductividad trmica de los
fluidos decrece a medida que aumenta la temperatura, excepto en el
caso del agua, pero el cambio es tan pequeo que en la mayor parte
de las situaciones prcticas, la conductividad trmica se puede
suponer constante para ciertos intervalos de temperatura.k)
CompresinTodos los fluidos se comprimen si la presin se incrementa,
lo que da por resultado un incremento de densidad. Una forma comn
de describir la compresibilidad de un fluido es mediante la
definicin de mdulo de masa de elasticidad, es decir; la relacin de
cambio de presin a cambio relativo de densidad mientras que la
temperatura permanece constante.
2.1.3 CLASIFICACIN DE LOS FLUIDOS
Los fluidos se clasifican en lquidos y gases.Lquidos: Un lquido
est sometido a fuerzas intermoleculares que lo mantienen unido de
tal manera que su volumen est definido pero su forma no. Cuando se
vierte un lquido dentro de un recipiente, el lquido ocupara un
volumen parcial o igual al volumen del recipiente sin importar la
forma de este ltimo. Los lquidos presentan superficie libre y son
ligeramente compresibles ya que su densidad vara poco con la
temperatura y la presin.Gases: Un gas consta de partculas en
movimiento que chocan unas con otras y tratan de dispersarse de tal
modo que un gas no tiene forma ni volumen definido. As un gas
llenar completamente el recipiente que lo contenga
De acuerdo con la relacin entre el gradiente de velocidades y el
esfuerzo cortante, se tienen los siguientes tipos de fluidos:
a) Fluidos Newtonianos: Siguen una relacin lineal entre la
relacin de deformacin y la magnitud del esfuerzo cortante.
b) Fluidos no Newtonianos: No siguen una relacin lineal entre la
relacin de deformacin y la magnitud del esfuerzo cortante. A su vez
se dividen en:
1. Independientes del tiempo: Pseudoplstico, Dilatantes. Con
esfuerzo umbral: Plsticos.
2. Dependientes del tiempo: Tixotrpicos Reopcticos.c)
Viscoelsticos: Se comportan como liquidos y slidos, presentando
propiedades de ambos, y con propiedades tanto viscosas como
elsticas.
2.1.3.1 FLUIDO NEWTONIANO
Unfluido newtonianoes un fluido cuyaviscosidadpuede considerarse
constante en el tiempo. La curva que muestra la relacin entre
elesfuerzoocizallacontra su tasa dedeformacines lineal y pasa por
elorigen, es decir, el punto [0,0] como se muestra en la figura 1.
El mejor ejemplo de este tipo de fluidos es elaguaen contraposicin
alpegamento, lamielo losgelesque son ejemplos defluido no
newtoniano.Un buen nmero de fluidos comunes se comportan como
fluidos newtonianos bajo condiciones normales de presin y
temperatura: elaire, elagua, lagasolina, elvinoy algunos aceites
minerales.
Figura 1. Diagrama ReolgicoMatemticamente, el rozamiento en un
flujo unidimensional de un fluido newtoniano se puede representar
por la relacin:
Dnde:: es la tensin tangencial ejercida en un punto del fluido o
sobre una superficie slida en contacto con el mismo, tiene unidades
detensinopresinPa.es la viscosidad del fluido, y para un fluido
newtoniano depende slo de la temperatura, puede medirse en [Pas] o
[kps/cm2].es el gradiente de velocidad perpendicular a la direccin
al plano en el que estamos calculando la tensin tangencial,
[s1].2.1.3.2 FLUIDO NO NEWTONIANO
Unfluido no newtonianoes aqul cuyaviscosidadvara con la
temperatura y latensin cortanteque se le aplica. Como resultado, un
fluido no newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y
constante, a diferencia de unfluido newtoniano.Aunque el concepto
de viscosidad se usa habitualmente para caracterizar un material,
puede resultar inadecuado para describir el comportamiento mecnico
de algunas sustancias, en concreto, los fluidos no newtonianos.
Estos fluidos se pueden caracterizar mejor mediante otras
propiedadesreolgicas, propiedades que tienen que ver con la relacin
entre el esfuerzo y lostensores de tensionesbajo diferentes
condiciones de flujo, tales como condiciones deesfuerzo cortante
oscilatorio.Un ejemplo barato y notxicode fluido no newtoniano
puede hacerse fcilmente aadiendoalmidn de mazen una taza deagua. Se
aade el almidn en pequeas proporciones y se revuelve lentamente.
Cuando la suspensin se acerca a la concentracin crtica es cuando
las propiedades de este fluido no newtoniano se hacen evidentes. La
aplicacin de una fuerza con la cucharilla hace que el fluido se
comporte de forma ms parecida a un slido que a un lquido. Si se
deja en reposo recupera su comportamiento como lquido. Se investiga
con este tipo de fluidos para la fabricacin de chalecos antibalas,
debido a su capacidad para absorber la energa del impacto de un
proyectil a alta velocidad, pero permaneciendo flexibles si el
impacto se produce a baja velocidad.2.1.3.2.1 FLUIDOS
INDEPENDIENTES DEL TIEMPO
Este tipo de fluidos presentan un comportamiento caracterizado
por la existencia de una funcin del tipo general , con curvas
representativas en el diagrama tensin-deformacin como la que se
muestra en la figura 2.
Figura 2. Curvas caractersticas de los fluidos independientes
del tiempoDentro de este grupo, los fluidos Pseudoplasticos y
Dilatantes presentan caractersticas similares aunque contra puestas
en cuanto a que, para los primeros, la viscosidad aparente
disminuye con el aumento de esfuerzo cortante, mientras que para
los segundos, aumenta con este ltimo, en ambos casos la viscosidad
aparente tiende a hacerse lineal para altos valores de velocidad de
deformacin, es decir, alcanza un valor constante a partir de un
valor lmite de la velocidad de deformacin.El comportamiento plstico
representa otro gran grupo dentro de los fluidos independientes del
tiempo. Su caracterstica fundamental es el hecho de presentar un
valor de tensin denominada esfuerzo de deformacin umbral, que debe
ser superado para que el producto comience a fluir. Dentro del
grupo plstico existen varios comportamientos, siendo los reogramas
de los ms usuales los que se indican en la figura 3.
Figura 3. Comportamiento platicos.El comportamiento del tipo ase
conoce con el nombre de plstico de Bingham y se caracteriza porque
para valores de inferiores a el material tiene suficiente rigidez
como para soportar el esfuerzo sin fluir; al alcanzar el valor
umbral se presenta flujo con proporcionalidad entre y como en los
fluidos newtonianos.El comportamiento representado por b es el ms
frecuente en prctica; la no existencia de proporcionalidad entre y
una vez traspasado el umbral , implica la presencia de molculas
asimtricas o cadenas moleculares en una fase liquida que, incluso,
puede ser newtoniana al igual que en el comportamiento
Pseudoplastico.El comportamiento platico se puede explicar
admitiendo que el fluido en reposo mantiene una estructura
tridimensional, con suficiente rigidez como para soportar tensiones
de valores inferiores a ; cuando la tensin aplicada es superior al
umbral, la estructura se deshace y el producto es capaz de fluir.
Al desaparecer la tensin o ser menor que el valor umbral, la
estructura se reconstituye. Este comportamiento es propio de las
margarinas y mantequillas, las grasas, los purs de manzana y tomate
y algunos tipos de chocolate fundido. 2.1.3.2.2 FLUIDOS
DEPENDIENTES DEL TIEMPO
La viscosidad aparente de algunos fluidos depende no slo de la
velocidad de deformacin sino tambin, y de forma simultnea, del
tiempo que se mantiene la deformacin. Son los denominados fluidos
dependientes del tiempo entre los que se encuentran los dos tipos
fundamentales de comportamiento: tixotrpico y reopctico.Presentan
la caracterstica comn de modificacin progresiva de su estructura
por aplicacin de un esfuerzo, entendiendo dicha modificacin en el
sentido de destruccin regeneracin. Este tipo de modificacin es
dinmico, es decir, ocurre en ambos sentidos si bien uno de ellos
(destruccin o regeneracin), puede ser predominante.Cuando un
material que ha estado en reposo durante un tiempo suficiente para
reconstruir su estructura es sometido a un gradiente de velocidad
dado, su estructura puede ser destruida progresivamente, de forma
que la viscosidad aparente disminuye con el tiempo. El valor de
velocidad de destruccin de la estructura, para un determinado
gradiente, depender del nmero de enlaces que an quedan por
eliminar, valor que debe ir disminuyendo con el tiempo. Del mismo
modo, el valor de velocidad de regeneracin de la estructura
aumentara con el tiempo, conforme aumente el nmero de posibles
nuevos enlaces. Se alcanzara un estado de equilibrio dinmico, para
cada valor fijo del gradiente, cuando ambos valores de velocidad se
igualen. De esta forma la viscosidad aparente depender
simultneamente del gradiente de velocidad y del tiempo de
aplicacin.En el comportamiento tixotrpico la velocidad de
destruccin prevalece sobre la de regeneracin con el aumento del
gradiente y del tiempo, por lo que la viscosidad aparente disminuye
con estos. La tixotropa es un fenmeno reversible, es decir, una vez
dejado en reposo el material, su estructura se reconstituye
gradualmente. Por el contrario el comportamiento reopectico muestra
un incremento de la viscosidad aparente con respecto al tiempo de
aplicacin del esfuerzo y el aumento del gradiente. La estructura
temporal de estos materiales se reorganiza con la deformacin,
presentando mayor resistencia a medida que aumenta y volviendo a
desorganizarse cuando se dejan en reposo.La variable adicional
tiempo complica el anlisis de estos tipos de comportamientos. Para
comprender su incidencia se puede plantear una sencilla
experiencia, como es introducir un fluido tixotrpico entre dos
cilindros coaxiales, siendo el exterior fijo y haciendo girar el
interior a una velocidad angular fija conocida . Este cilindro
interior est unido a un sistema que permite medir en cada momento
el par de fuerzas a que se encuentra sometido. En estas condiciones
de ensayo, la grfica que indica el valor del par de fuerzas F en
funcin del tiempo es del tipo presentada en la figura 4. Para
distintas velocidades de rotacin se comprueba que las curvas
obtenidas se desplazan hacia el eje de abscisas con el aumento de
dicha velocidad.
Figura 4. Efecto del tiempo en fluidos tixotrpicos.Cuando las
curvas de flujo de un material tixotrpico se determinan con
distintos intervalos de reposo despus de la aplicacin de esfuerzos,
las relaciones entre la tensin y la velocidad de deformacin
adquieren la forma representada en la figura b), lo cual indica una
reconstitucin gradual de la estructura con el aumento del tiempo de
reposo.El reconocimiento de estos fluidos se realiza mediante un
reograma caracterstico en ciclo de histresis. Se somete el fluido a
un aumento del esfuerzo de deformacin de forma gradual hasta un
valor limite a partir del cual se inicia la disminucin del
esfuerzo, tambin de forma gradual, hasta un valor nulo. Para un
fluido no dependiente del tiempo, las curvas en ascenso y descenso
deben coincidir, sin embargo, cuando la viscosidad aparente vare
con el tiempo, las dos curvas seguirn caminos distintos aunque
completando un ciclo cerrado o ciclo de histresis, como los
representados en la figura 5. Para los dos tipos de comportamientos
dependientes del tiempo. Para algunos autores el rea encerrada
dentro del ciclo es un ndice representativo del comportamiento del
fluido, denominado ndice de tixotropa o de reopexia.
Figura 5. Reograma de los comportamientos tixotrpicos y
reopectico.
2.1.3.3 FLUIDOS VISCOELSTICOS
Los fluidos Viscoelsticos se caracterizan por presentar a la vez
tanto propiedades viscosas como elsticas. Esta mezcla de
propiedades puede ser debida a la existencia en el lquido de
molculas muy largas y flexibles o tambin a la presencia de
partculas lquidas o slidos dispersos. Estas sustancias fluyen
cuando se aplica en ellas un esfuerzo de corte, pero tienen la
particularidad de recuperar parcialmente su estado inicial,
presentando entonces caractersticas de los cuerpos elsticos. Un
ejemplo tpico es la agitacin de un lquido en una taza con una
cuchara, si el fluido es viscoso, cuando se retira la cuchara cesa
el movimiento. Si el material es Viscoelsticos, al sacar la cuchara
se puede observar que el movimiento se hace ms lento e incluso
puede llegar a cambiar levemente el sentido de giro antes de
detenerse por completo. En esta categora podemos mencionar a
polmeros fundidos, soluciones de polmeros. El comportamiento
reolgico de los materiales viscoelsticos durante la relajacin
(ensayos a deformacin constante) puede modelarse mediante analogas
mecnicas compuestas de resortes y amortiguadores. El resorte es
considerado un elemento elstico ideal, obedece la ley de Hooke, y
el amortiguador es representado por un sistema cilindro-pistn en el
cual se manifiesta la parte viscosa, considerando un lquido ideal,
de comportamiento newtoniano.
2.2VISCOSIDAD DE LOS FLUIDOS
La viscosidad puede ser considerada como la pegajosidad interna
de un fluido. Es una de las propiedades que influye en la potencia
necesaria para mover una superficie aerodinmica a travs de la
atmsfera. Responde a la prdida de energa asociada con el transporte
de fluidos en ductos, canales y tuberas. Adems, la viscosidad
desempea un papel primordial en la generacin de turbulencia. La
viscosidad es una propiedad de fluido extremadamente importante en
el estudio de flujos.La velocidad de deformacin de un fluido est
directamente ligada a su viscosidad. Con un esfuerzo dado, un
fluido altamente viscoso se deforma ms lentamente que un fluido de
baja densidad, solo se manifiesta en los fluidos si existe
movimiento. En reposo no se manifiesta un esfuerzo cortante, por lo
tanto no hay efecto de resistencia al mismo.Considrese el flujo de
la figura 6 donde las partculas de fluido se mueven en la direccin
x a diferentes velocidades, de modo que las velocidades de las
partculas varan en la coordenada y. Se muestran dos posiciones de
partculas en diferentes instantes; obsrvese cmo se mueven las
partculas en diferentes instantes; obsrvese como se mueven las
partculas una con respecto a la otra. Para un campo de flujo tan
simple como ese, en el que , la viscosidad del fluido se define
mediante la relacin:
Figura 6. Movimiento relativo de dos partculas de fluido en la
presencia de esfuerzos cortantes
2.3LEY DE LA VISCOSIDAD DE NEWTON
Cuando un fluido fluye a travs de un canal cerrado, esto es, una
tubera o entre dos placas planas. Se representan dos tipos de
flujo, dependiendo de la velocidad de dicho fluido. A velocidades
bajas, el fluido tiende a fluir sin mezclado lateral y las capas
adyacentes se resbalan sobre las otras como los naipes de una
baraja. En este caso no hay corrientes cruzadas perpendiculares a
la direccin del flujo, ni tampoco remolinos de fluido. A este
rgimen o tipo de flujo se le llama flujo laminar. A velocidades ms
altas se forman remolinos, lo que conduce a un mezclado lateral.
Esto se llama flujo turbulentoCon respecto a la viscosidad, un
fluido puede diferenciarse de un slido por su comportamiento cuando
se somete a un esfuerzo (fuerza por unidad de rea) o fuerza
aplicada. Un slido elstico se deforma en una magnitud proporcional
similar al esfuerzo aplicado. Sin embargo, cuando un fluido se
somete a un esfuerzo aplicado similar contina deformndose, esto es,
fluye a una velocidad que aumenta con el esfuerzo creciente. Un
fluido exhibe resistencia a este fuerzo. La viscosidad es la
propiedad de un fluido que da lugar a fuerzas que se oponen al
movimiento relativo de capas adyacentes en el fluido. Estas fuerzas
viscosas se originan de las que existen entre las molculas del
fluido y son de carcter similar a las fuerzas cortantes de los
slidos.Estas ideas resultan ms claras al estudiar la viscosidad
desde un punto de vista cuantitativo. En la Figura 7 se muestra un
fluido encerrado entre dos placas paralelas infinitas (muy largas y
muy anchas). Supngase que la placa inferior se desplaza
paralelamente a la superior a una velocidad constante mayor que la
de la placa superior, debido a la aplicacin de una fuerza uniforme
de F newtons. Esta fuerza se llama retardo viscoso y tiene su
origen en las fuerzas viscosas del fluido. Las placas tienen una
separacin . Todas las capas de fluido se desplazan en la direccin
z. La capa inmediatamente adyacente a la placa inferior se desplaza
a la velocidad de dicha placa. La capa que le sigue hacia arriba se
mueve a una velocidad un poco menor, y cada una de ellas tiene una
velocidad un poco menor que la anterior al recorrer el fluido en la
direccin y. Este perfil de velocidades es lineal con respecto a la
direccin y, tal como se muestra en la figura 7, una analoga de este
fluido sera un mazo de naipes donde al mover el naipe de abajo,
todos los dems presentan tambin un cierto grado de
desplazamiento.
Figura 7. Esfuerzo Cortante en un Fluido de Placas paralelasPara
muchos fluidos se ha determinado en forma experimental que la
fuerza F en newtons es directamente proporcional a la velocidad ,
el area A en de la placa usada, inversamente proporcional a la
distancia en m. Expresada con la ley de la viscosidad de Newton
cuando el flujo es laminar.
Donde es una constante de proporcionalidad llamada viscosidad
del fluidos en Pa*s p kg/m*s. Es decir que la fuerza de cizalla por
unidad de rea es proporcional al gradiente negativo de la velocidad
local. Esta es la ley de Newton de la viscosidad, y los fluidos que
lo cumplen se denominan fluidos newtonianos.
2.4 VARIACIN DE LA VISCOSIDAD CON LA PRESIN Y LA TEMPERATURA
La viscosidad puede estar muy afectada por variables como el
gradiente de velocidad de deformacin que ya ha sido explicado
anteriormente, la temperatura y la presin entre otros, siendo estas
las ms importantes.2.4.1 VARIACIN DE LA VISCOSIDAD CON LA
PRESIN
La viscosidad en los liquidos aumenta exponencialmente con la
presin como se muestra en la figura 8. El agua a menos de 30C es el
nico caso en el que disminuye. Los cambios de viscosidad con la
presin son bastantes pequeos para presiones distintas a la
atmosfrica. Para la mayora de los casos prcticos, el efecto de la
presin se ignora a la hora de hacer mediciones con el viscosmetro.
Para presiones que difieran poco de la atmosfrica, del orden de un
bar, los cambios son bastantes pequeos. Por esta razn en los usos
de la mayora de los fluidos este factor apenas se toma en
consideracin; pero hay casos, como en la industria de lubricante,
donde las medidas de viscosidad han de tomarse a elevadas
presiones.En primera aproximacin, la variacin de la viscosidad con
la presin sigue una ley exponencial.La ecuacin de Barus y Kuss
Dnde: es la viscosidad a presin atmosfrica, es la viscosidad a
la presin P, es un parmetro que, segn Worster, equivaleb a:
Esta expresin no es ms que una aproximacin y nos validad para
todos los casos. Para presiones muy altas, es preferible
utilizar:
Dnde: C y n son constantes especficas para una temperatura
determinada.
Figura 8. Efecto de le presin en las curvas de flujo () y
viscosidad () de un aceite2.4.2 VARIACIN DE LA VISCOSIDAD CON LA
TEMPERATURA
Las molculas en un lquido estn acomodadas relativamente cerca.
Estas molculas se atraen unasa otras por fuerzas cohesivas que
afectan la viscosidad del lquido y lo aglutinan. La distancia entre
lasmolculas se incrementa a medida que la temperatura aumenta. Ya
que laintensidad de las fuerzas cohesivas que unen las molculas
disminuye a medida quese van apartando, la viscosidad tambin
disminuye. A medida quela temperatura disminuye, las fuerzas
cohesivas se fortalecenentre las molculas, acercndolas ms. La
viscosidad se incrementa debido a la cercana entre ellas.Gases:En
cuanto a los gases hay que decir que cuanto mayor es la
temperatura, mayor es la agitacin y los choques de las molculas del
gas, oponindose al movimiento (mayor friccin) y produciendo un
aumento de la viscosidad del gas. Ver figura 9.
Figura 9.Dilatacin de GasesLiquidos:La viscosidad disminuye con
la temperatura. Existen varias frmulas que permiten evaluar la
variacin de la viscosidad de un lquido al cambiar la temperatura.La
ecuacin de Arrhenius
Dnde: es la viscosidad dinmica [mPa*s], A y B son las constantes
dependientes del liquido, y T es la temperatura absoluta en CComo
se ve en la ecuacin de Arrhenius, la viscosidad disminuye con la
temperatura. Esto es debido al hecho de que, conforme aumenta la
temperatura, las fuerzas viscosas son superadas por la energa por
la energa cintica, dando lugar a una disminucin de la viscosidad.
Por este hecho se deben extremar las precauciones a la hora de
medir la viscosidad, teniendo en cuenta que la temperatura deber
permanecer prcticamente constante.La temperatura cambia
laviscosidad de los hidrocarburos por diferentes razones,
dependiendo de las caractersticas particulares de cadauno. Observe
las curvas de viscosidad paraalgunas sustancias comunes en la
siguiente figura. En cada ejemplo, la viscosidad vara con la
temperatura, pero la causa del cambio es diferente para cada
sustancia.La grafica muestra la viscosidad de diferentes t
temperaturas para una variedad de hidrocarburos y otras sustancias,
ver figura 10. Observe que, mientras la viscosidad de todas las
sustancias es afectada por los cambios de la temperatura, sta es
afectada en una ms que otras.
Figura 10. Curvas de viscosidad para algunas sustancias
comunes.
2.5 MEDICIN DE LA VISCOSIDAD2.5.1 Procedimientos de MEDICIN de
la viscosidad.
Los procedimientos y equipo para medir la viscosidad son
numerosos. Algunos utilizan principios fundamentales de la mecnica
de fluidos para expresar la viscosidad en sus unidades
fundamentales. Otros, indican solo valores relativos a de la
viscosidad, usados para comparar fluidos diferentes. La medicin de
la viscosidad es una manera eficaz de conocer el estado
(propiedades de la materia) o la fluidez de un lquido o un
gas.Desempea un papel importante en el control de calidad y en
distintas etapas de investigacin y desarrollo de una amplia gama de
industrias, incluyendo la industria alimentaria, qumica,
farmacutica, petroqumica, cosmtica, pinturas, tintas,
revestimientos, Petrleo y Automotriz.Por ejemplo, la viscosidad de
un lquido es un parmetro importante para el diseo de la tubera en
una planta o transporte de petrleo crudo o el agente qumico a travs
de una tubera.En la industria de la ingeniera electrnica, el lquido
se utiliza en los procesos de produccin de la placa de circuito
impreso y pantalla plana de cristal lquido.El control de la
viscosidad del lquido fotosensible es un factor crucial para
determinar las caractersticas, rendimiento, y los rendimientos de
los productos terminados.Entre esas industrias, se ha reconocido
tambin que el control de viscosidad ptima reduce los costes de
produccin.
2.5.2 Ley de Stokes
LaLey de Stokesse refiere a la fuerza de friccin experimentada
por objetos esfricos movindose en el seno de unfluido viscosoen un
rgimenlaminarde bajosnmeros de Reynolds como se muestra en la
figura 11. Fue derivada en1851porGeorge Gabriel Stokestras resolver
un caso particular de las ecuaciones de Navier-Stokes. En general
la ley de Stokes es vlida en el movimiento de partculas esfricas
pequeas movindose a velocidades bajas.Stokes encontr que el empuje
(fuerza ejercida sobre la esfera por el flujo de un fluido
alrededor de ella) vale:
Dnde:
: Radio de la esfera: Velocidad de la esfera
Para encontrar la velocidad final de la esfera que cae en un
fluido en reposo, debe tenerse en cuenta que:
y
Dnde: : Viscosidad del lquido problema: Radio de la esfera :
Gravedad: Densidad de la esfera: Densidad del liquido problema:
Longitud del tubo : Tiempo de cada de la esfera
Figura 11. Ley de Stokes
La ley de Stokes es el principio usado en losviscosmetrosde bola
en cada libre, en los cuales el fluido est estacionario en un tubo
vertical de vidrio y una esfera, de tamao y densidad conocidas,
desciende a travs del lquido. Si la bola ha sido seleccionada
correctamente alcanzar la velocidad terminal, la cual puede ser
medida por el tiempo que pasa entre dos marcas de un tubo. A veces
se usan sensores electrnicos para fluidos opacos. Conociendo las
densidades de la esfera, el lquido y la velocidad de cada se puede
calcular la viscosidad a partir de la frmula de la ley de Stokes.
Para mejorar la precisin del experimento se utilizan varias bolas.
La tcnica es usada en la industria para verificar la viscosidad de
los productos, en caso como laglicerinao el sirope.2.6 EQUIPOS PARA
LA DETERMINACIN DE LA VISCOSIDAD
Los viscosmetros se pueden dividir en tres categoras:1.
Viscosmetros para obtener viscosidades absolutas.2. Viscosmetros
para obtener viscosidades cinemticas.3. Viscosmetros para obtener
viscosidades extensionales.Los primeros se basan en la resistencia
que ofrece el fluido al movimiento cuando una superficie solida se
mueve en su seno. Como ejemplo de estos viscosmetros se tienen los
de cada de esfera, de Codatter-Ratsahek, de Stormer, etc.Los
viscosmetros que determinan viscosidades cinemticas se basan en el
tiempo que requiere un determinado volumen de fluido en pasar
libremente a travs de un orificio normalizado, por ejemplo, los
viscosmetros de Saybolt, Saybolt Furol, Engler, Capilar, etc.El
tercer tipo de viscosmetro determina la viscosidad extensional por
medio de la informacin que otorga efectuar un esfuerzo de traccin
en el material.Por ltimo se propone otra clasificacin. Flujos de
Poiseuille, donde las paredes son estacionarias y el fluido es
causado por la aplicacin de una presin externa al fluido. Este es
el caso de los viscosmetros capilares, donde el lquido es forzado a
atravesar un tubo muy estrecho y la viscosidad del lquido se
determina a partir del caudal medido, la diferencia de presin
aplicada y las dimensiones del tubo.
Flujos de Couette, donde no existe diferencia de presin, sino
que unas de las paredes del sistema se mueve de manera que produce
el flujo. De hecho, el fluido es arrastrado con la pared debido a
la accin de las fuerzas viscosas (flujo de arrastre), que son
funcin de la velocidad. El principio de medida se basa en la
determinacin simultanea de la velocidad de rotacin del elemento
rotatorio y el momento resultante de esta rotacin. Existen varios
tipos de flujos de Couette, que dan lugar a diferentes remetros
rotacionales: flujo entre dos cilindros coaxiales, flujo entre un
cono y un plato, flujo entre dos platos (discos) paralelos.
2.6.1 DESCRIPCIN DE EQUIPOS2.6.1.1 VISCOSMETRO DE CAIDA DE
ESFERA
Este equipo presenta un tubo de vidrio o plstico que se llena
con el fluido cuya viscosidad se quiere determinar y permite
obtener la velocidad lmite que alcanza la esfera de un material
determinado (acero, vidrio, etc.), que se deja caer en su seno. La
ecuacin de Stokes muestra la viscosidad del fluido en funcin de la
velocidad lmite de la esfera.Esta ecuacin es vlida siempre y cuando
la esfera caiga en rgimen laminar con fuerzas viscosas dominantes y
el dimetro de sta sea pequeo comparado con el dimetro del tubo. Se
considera que el ensayo es vlido cuando el nmero de Reynolds sea
menor a 0.1.
Figura12. Viscosmetro de cada de bola
En la figura 12 se muestra un ejemplo del viscosmetro de cada de
bola. Con este equipo se obtiene la viscosidad de un fluido
midiendo la velocidad lmite de cada de una esfera en el seno del
mismo. Esta velocidad se medir entre los dos aforos del equipo. La
densidad de la esfera se deber determinar con mucha exactitud, por
cualquier mtodo conocido. Se harn mediciones con distintas esferas
y luego se compararn los resultados2.6.1.2 VISCOSMETRO SAYBOLT
Este equipo consiste en un recipiente destinado a contener el
fluido cuya viscosidad se quiere determinar y donde en su parte
inferior dispone un orificio de dimetro normalizado. Este
recipiente se halla a su vez dentro de otro que le sirve de bao
termostticopara poder determinar viscosidades a distintas
temperaturas. Est dotado de un sistema de calentamiento
integrado.Una clase especial de viscosmetro Saybolt es el
denominado de Saybolt Furol, que tiene idnticos principios de
funcionamiento pero su orificio tiene un dimetro mayor y sirvepara
fluidos cuyas viscosidades son altas (desde 480 cP en adelante). La
denominacin Furol proviene de la contraccin de las palabras Fuel
and Road Oil.
Figura13. Viscosmetro SayboltEn la figura 13 se muestra el
viscosmetro Saybolt, estos equipos miden el tiempo de vaciado de un
volumen de muestra a travs de un orificio calibrado. El viscosmetro
Saybolt Universal sirve para lquidos que tengan entre 32 y 900
segundos de tiempo de vaciado (fuera de esos extremos se observan
viscosidades errneas). Antes de comenzar a trabajar con este equipo
debe ser limpiado totalmente conel solvente adecuado yluego secado
con unacorriente de aire.Adems, el orificio debe permanecer libre
de obstrucciones. Se debern realizar mediciones a tres temperaturas
diferentes. Para cada temperatura de trabajo, se determinar la
densidad del fluido empleado con el objetivo de obtener
viscosidades absolutas.2.6.1.3 VISCOSMETRO ENGLER
El principio de funcionamiento de este equipo es igual al de los
viscosmetros Saybolt. Las diferencias residen en las formas de los
orificios normalizados y en que el viscosmetro Englerrequiere un
sistema de calentamiento externo. Ver figura 14.
Figura14. Viscosmetro EnglerComo ya fue mencionado, en los
viscosmetros de Saybolt y Engler, se determinan viscosidades
cinemticas, que se obtienen midiendo el tiempo de vaciado de un
volumen de fluido a travs de un orificio normalizado que se recogen
en un baln aforado y previamente calibrado. Los resultados de
viscosidad cinemtica obtenidos se expresan en base al tiempo de
descarga en: Segundos Saybolt Universal (SSU) o Segundos Engler
Universal (E).
Estos resultados se pueden relacionar con la viscosidad
cinemtica en centistokes (cSt) mediante la siguiente expresin, en
la que representa el tiempo de vaciado:
Las constantes A y B para ambos viscosmetros se expresan en la
tabla 2:Tabla 2. Constantes para viscosmetros Saybolt y
Engler.AB
Saybolt0,2200180,00
Engler0,502391,83
2.6.1.4 VISCOSMETROSCAPILARES
Probablemente el primer experimento cientfico en el que se
utiliz un capilar o tubo para medir el flujo fue realizado en 1839
por Hagen, seguido de cerca por el trabajo de Poiseuille.
Poiseuille estudi problemas de flujo capilar para entender mejor la
circulacin de la sangre a travs de los vasos capilares en el cuerpo
humano. Descubri la relacin (conocida como la ley de
Hagen-Poiseuille) entre la velocidad deflujo y la cada de presin
paraun tubo capilar.Un viscosmetro capilar consta esencialmente de
cuatro partes: un depsito de lquido, un capilar de dimensiones
conocidas, un dispositivo de control y medida de la presin aplicada
y un dispositivo para determinar la velocidad de flujo. Los
viscosmetros comercialespueden dividirse en dos tipos principales:
los viscosmetros de cilindro-pistn y los de capilarde vidrio
(Lapasin y Pricl, 1995). Los viscosmetros capilares con el
principio de funcionamiento cilindro-pistn se suelen presentar
tambin como remetros.En la figura 15 se muestran dos recipientes
conectados por un tubo largo de dimetropequeo, conocido como tubo
capilar. Conforme el fluido fluye a travs del tubo con una
velocidad constante, el sistema pierde algo de energa, ocasionando
una cada de presin quepuede ser medida utilizando un manmetro.
Figura15. Viscosmetro de Tubo capilar
2.6.1.5 VISCOSMETROS ROTACIONALES
El primer viscosmetro de este tipo fue desarrollado por Couette
en 1890. Se trataba de un viscosmetro de cilindros coaxiales.
Consista en un vaso rotatorio con un cilindro interiorsostenido por
un alambre de torsin que descansaba en un cojinete en el fondo del
recipiente (Van Wazer et al., 1963). Ms tarde se aplicaron
diferentes mtodos con el fin de conseguirdiferentes velocidades de
cizalla y as obtener un estudio reolgico (remetros).Los
viscosmetros rotatorios utilizan el movimiento giratorio para
conseguir un flujo de cizalla simple. Este tipo de instrumentos
puede ser de dos clases, segn la forma de inducirel flujo: de
velocidad de cizalla controlada ("controlled shear rate", CSR, o
simplemente CR) y de esfuerzo de cizalla controlado ("controlled
shear stress", CSS, o simplemente CS).2.6.1.6 VISCOSMETRO DE
STORMER
Uno de los equipos diseados para determinar esta propiedad es el
Viscosmetro Stormer, ver figura 16. En este equipo se introduce la
sustancia a analizar en el espacio comprendido entre un cilindro
fijo (externo) y uno mvil (rotor interno). El rotor es accionado a
travs de unas pesas y se mide el tiempo necesario para que este
rotor gire 100 veces. Mientras mayor es la viscosidad de la
sustancia, mayor es su resistencia a deformarse y mayor es el
tiempo necesario para que el rotor cumpla las 100 revoluciones.
Puede demostrarse a travs del anlisis del fenmeno y de las
caractersticas constructivas del equipo que la Viscosidad Absoluta
en cP es = 0,0262827mt, donde m es la masa colocada en el
cuelga-pesas y t el tiempo en RotorCilindro
FijoPortapesasTacmetroPlataformaMvilFigura 16 Viscosmetro
Stormersegundos necesario para que el rotor de las 100
revoluciones.
2.6.1.7 VISCOSMETRO BROOKFIELD
Es un viscosmetro rotacional, provisto de dos tipos de rotores:
cilndricos y en forma de disco. El rotor se sumerge en el fluido en
estudio y va acoplado, por medio de un resorte calibrado, a un
motor de velocidad variable. Cuando el rotor gira la deformacin del
resorte esproporcional al par necesario para vencer la resistencia
viscosa del fluido al movimiento. Esta deformacin se indica enun
visor digital y es proporcional a laviscosidad del fluido. Cuando
se trabaja con rotores cilndricos es posible deducir analticamente
la expresin que relaciona el esfuerzo de corte con el par ledo en
el instrumento (considerando un fluido newtoniano) as como tambin
la relacin entre la velocidad de deformacin y la velocidad
angular.Ver figura 17.
Figura 17. Viscosmetro Brookfield2.6.1.8 Viscosmetro de placa y
placa
Los viscosmetros de placa y placas no son un caso lmite de la
geometra del cono y placa, puesto que no existe contacto central y
la velocidad de cizalla no es uniforme de todo el fluido, sin
embargo, por otra parte, los fundamentos son semejantes. Desde
algunos puntos de vista se prefiere esta geometra y ha sido ms til
especialmente en la caracterizacin de los lquidos viscoelsticos.
Ver figura 18.
Figura18. Viscosmetro de placa y placa.2.6.1.9 VISCOSMETRO DE
CONO Y PLACA
El viscosmetro de cono y placa, que se presenta en la figura 19,
consta esencialmente de un alamina plana estacionaria, sobre la que
se coloca el lquido o pasta a ensayar, y un cono invertido, que se
introduce en la sustancia problema hasta que la punta toca la
lmina. El cono se hace girar a una velocidad angular conocida , la
viscosidad del fluido se determina midiendo el par que se necesita
para hacer girar el cono. En la prctica, el ngulo , comprendido
entre las superficies cnicas y plana, es muy pequeo, del orden de
medio grado. Este tipo de aparato presenta algunas ventajas
importantes, especialmente en el caso de los fluidos no
newtonianos.
Figura19.Viscosmetro de Cono y placaPara fluidos no newtonianos
no es necesario llevar acabo correcciones, siendo posible aplicar
las ecuaciones a continuacin descritas:
Dnde:: Esfuerzo de deformacin o esfuerzo de cizalla:Velocidad de
deformacin o de cizalla: Radio del conoG: Par de fuerza aplicado:
Velocidad angular del cono: Angulo del cono2.7 AUTOMATIZACIN DEL
VISCOSMETRO
Antes de lograr la automatizacin del viscosmetro de cono y placa
para la determinacin de las viscosidades de un fluido, era
necesario contar con un termmetro( figura 21) para medir la
temperatura a la que se encontraba el fluido (figura 20), a pesar
de que el viscosmetro contaba con un termostato que regulaba la
temperatura por medio de un sensor que caracteriza a los
termostatos, no era posible establecer una lectura uniforme para
realizar los clculos de la viscosidad del fluido analizado, por
este motivo era forzado tener a la mano el uso del termmetro para
que de alguna manera se llevara el control de la temperatura que se
requera para el fluido, ya que incluso llegaban al punto de
ebullicin. Figura 20. Termmetro. Figura 21. Termostato.Concluidos
los objetivos del proyecto, los inconvenientes mencionados
anteriormente quedaron atrs, ahora es posible controlar la
temperatura del fluido por medio de un sensor de temperatura, este
sensor est conectado a un circuito yen dicho circuito se encuentra
un procesador en el que se han programado las variables a
controlar, es decir, la temperatura mxima y mnima (ver Anexo). Esto
es posible, ya que el circuito cuenta con un software llamado
Arduino 1.0, gracias a este software, el usuario puede manipular a
su antojo el rango de temperatura que dese, lo anterior se lleva a
cabo, conectando el circuito (Arduino) por medio de un cable USB a
una computadora, por medio de la cual, haciendo uso del software
Arduino 1.0 se podr manipular el rango de temperatura deseado.
UNIDAD III METODOLOGA
3.1 SECUENCIA DE ACTIVIDADES PARA LA AUTOMATIZACIN DEL
VISCOSMETRO.
1.- BUSQUEDA DE INFORMACIN DETALLADA DE LOS EQUIPOS PARA LA
DETERMINACIN DE LA VISCOSIDAD.Para llevar a cabo la elaboracin del
proyecto fue necesario realizar una bsqueda de informacin sobre
viscosmetros, con el propsito de obtener conocimientos necesarios
para realizar el proyecto. Durante la bsqueda se recopil informacin
de los tipos de viscosmetros empleados para la medicin de la
viscosidad. Se hace referencia tambin al viscosmetro de cono y
placa, as como su funcionamiento y el mtodo que se utiliza para
determinar la viscosidad de acuerdo con sus parmetros.
2.- ANALISIS DE LOS INSTRUMENTOS ADICIONALES QUE REQUIERE EL
VISCOSIMETRO PARA SU AUTOMATIZACIN.Se desarroll un anlisis para
determinar los instrumentos necesarios que requiere el viscosmetro
para su automatizacin. Por lo cual, se decidi la implementacin de
un sensor para controlar la temperatura del fluido, y de esta
manera obtener una lectura de datos ms precisa.
3.- INSTALACION DE LOS ACCESORIOS REQUERIDOS EN EL
VISCOSMETRO.Concluido el sensor que controla la temperatura, fue
necesaria la desinstalacin del termostato para instalar el circuito
con su respectiva pantalla LCD, donde se lee la temperatura
obtenida.
4.- AJUSTE DE LAS VARIABLES DE CONTROL.Instalado el circuito con
el sensor, se puede modificar la temperatura en una computadora,
introduciendo en el software la temperatura deseada, como se
explica en el punto 3.2.1
3.2 PROCEDIMIENTO PARA EL CONTROL DEL SOFTWARE ARDUINO 1.0.
La tabla 3 presenta los pasos necesarios para utilizar el
software, se explica de manera detallada el procedimiento para
utilizar el programa y el respectivo cdigo para las temperaturas.
Es necesario este seguimiento para poder controlar las temperaturas
deseadas y hacer buen uso del viscosmetro.Tabla 3 Procedimiento
para el control del software Arduino 1.0.
Abrir la carpeta (Arduino 1.0) donde se encuentra la aplicacin
Arduino.
a) Abrir la aplicacin Arduino.
b) Dar click en la barra de men File y seleccionar la opcin
Open.
c) Seleccionar el archivo que contiene el cdigo Arduino y
abrir.
d) El cdigo se abrir en otra ventana. Dar click en el botn
Verify (verificar) para correr el programa. De lado inferior
derecho aparecer una raya de color verde que indica la verificacin
del programa.
e) Dar click en Upload para compilar como el paso anteriormente
mencionado. De esta manera se hace funcionar el circuito.
f) Por ltimo, dar click en la opcin Serial monitor de lado
superior derecho para lograr ver los grados a los que se encuentra
el sensor (en esta caso la temperatura del fluido). Estos datos
tambin aparecen en la pantalla LCD que se encuentra integrado en el
Viscosmetro.
3.2.1 CONTROL DE TEMPERATURA
En la figura 22 se aprecia en crculos de color rojo los rangos
de temperatura que estn establecidos. El usuario puede manipular
los rangos de temperatura. Por ejemplo; si el usuario desea que la
temperatura se mantenga en un rango de 30C a 34C, el circuito, de
manera automtica, calentara el fluido cuando la temperatura sea
menor o igual a 30C, entonces, encender una luz roja, es decir; la
parrilla est encendida.
Figura 22. Ejemplo para modificar la temperatura.Cuando el
fluido alcance una temperatura mayor o igual a 34C la parrilla se
apagara, en este caso, encender una luz verde (La luz amarilla
quiere decir que funciona correctamente cuando parpadea).
Automticamente el proceso se repite hasta que el usuario termine y
desconecte el equipo.Cabe sealar que el circuito puede funcionar
sin el uso de una computadora, para esto es necesario conectar un
alimentador al circuito para que este encendido. Funcionar con el
rango de temperatura que se haya establecido con la computadora.Al
iniciar la prctica se debe colocar una cantidad de la muestra
problema dentro de la bandeja, misma que puede manipularse fuera
del equipo para facilitar su carga. Una vez devuelta en su lugar,
esta bandeja se puede calentar con la temperatura deseada.Cuando la
muestra est a la temperatura sealada, se procede a activar el
motor, esto se realiza girando el interruptor y colocndolo en una
posicin, teniendo en cuenta el giro del mismo. Se utiliza un
fototacometro con el cual se miden las revoluciones por minuto
(RPM) a las que gira el motor. Despus de que se determinar las RPM
iniciales se procede a introducir el cono en la muestra y se repite
la medicin con el equipo obteniendo de esta manera una diferencia
en la cantidad de revoluciones.Finalmente con los datos de
temperatura y RPM que se observaron con el viscosmetro se procede a
utilizar la ecuacin.
Dnde: : 40 : 793.75 Radio del conoRevoluciones Por Minuto
(RPM)
UNIDAD IV RESULTADOS
4.1 SELECCIN DE MUESTRAS
Con los objetivos cumplidos para el viscosmetro, se dio lugar
para realizar pruebas con diferentes fluidos: Shampoo, aceite para
automvil y aceite de cocina.
Figura 23. Fluidos utilizados para realizar las pruebas.4.2.
EVALUACIN DE LA VISCOSIDAD EN LA MUESTRAS.
Con los datos medidos se calcularon las viscosidades de las
muestras seleccionadas utilizando la ecuacin descrita en el tema
3.2.1Shampoo a 25C
Shampoo a 46C
Aceite para Automvil a 26C:
Aceite para Automvil a 60C:
Aceite de Cocina a 28C:
Aceite de Cocina a 36C:
En la tabla 4 se muestran las lecturas de temperatura y rpm
medidas en el viscosmetro de las muestras seleccionadas, as como el
resultado del clculo de las viscosidades en Cp.Tabla 4 Resultados
de Viscosidades.MuestraPruebaTemperatura (C)RPM
Viscosidad (Cp)
Shampoo
125223.19
246282.50
Aceite de motor
126581.41
260701.2
Aceite de Cocina
128481.46
236551.27
4.3 ANALISIS Y DISCUSIN DE RESULTADOS.
Los resultados obtenidos en este proyecto, muestran que despus
de haberse aplicado el anlisis en la automatizacin del viscosmetro
de cono y placa para la determinacin de viscosidades, se alcanzaron
los objetivos presentados en el proyecto, as como tambin facilitar
el manejo del viscosmetro para futuros usuarios. De esta manera fue
posible obtener resultados favorables en la lectura de los
parmetros para calcular la viscosidad del fluido.De acuerdo a las
muestras analizadas, se obtuvieron resultados de viscosidad
favorables, es decir, los resultados fueron satisfactorios de
acuerdo a la viscosidad real del fluido, ya que estn dentro del
rango de viscosidad indicada en la revista del consumidor para el
Shampoo y para el aceite de automvil obtenida en el artculo aceite
para motores de gasolina.La determinacin de viscosidades es
importante en la ingeniera para el diseo de equipos de procesos;
para disear bombas, intercambiadores de calor, secadores, etc. De
acuerdo a la aplicacin es necesario analizar las propiedades del
fluido.
UNIDAD V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES5.1 CONCLUSIONES
Gracias a las investigaciones realizadas para la elaboracin del
proyecto se logr entender de manera amplia y profunda el uso de los
viscosmetros y los tipos de mtodos que se emplean para determinar
la viscosidad de los fluidos, de igual manera se da a conocer de
forma clara, las propiedades que afectan a los fluidos para
determinar su viscosidad, por ejemplo; a mayor temperatura existe
menor viscosidad y a menor temperatura el fluido se comporta ms
viscoso.Durante la investigacin se dio a conocer la clasificacin de
los fluidos, de esta manera es posible identificar los tipos de
fluidos que son utilizados en las industrias, y en este caso, para
determinar su viscosidad. Gracias a esta clasificacin se puede
analizar un fluido dependiendo de su tipo.Cuando se realizaron las
pruebas para determinar la viscosidad de los fluidos, se obtuvieron
resultados satisfactorios, ya que estn dentro del rango de las
viscosidades reales de los fluidos, tal y como se muestra en la
tabla nmero 4, por lo tanto, el objetivo de obtener una lectura
precisa para determinar la viscosidad se logr cumplir gracias a los
dispositivos instalados en el viscosmetro de cono y placa.
5.2 RECOMENDACIONES
1. El motor giratorio del equipo presenta un inconveniente al
medir las RPM, ya que no es posible en ocasiones obtener una
lectura uniforme y por tal problema se dificulta obtener una
lectura exacta, es necesario implementar otro dispositivo similar
al que se utiliza para medir la temperatura, ya que se podra
controlar las RPM y obtener una lectura ms precisa. Esto, con ayuda
del sensor que trae el fototacometro integrado.
2. Es recomendable para manipular la carcasa que contiene el
motor giratorio la instalacin de una cremallera para subir y bajar
el motor, ya que podr manipularse incluso con una sola mano.
3. Contar con el equipo necesario para realizar las mediciones
de viscosidad y que se trabaja con fluidos calientes.
BIBLIOGRAFAAntonio Creus Sol; Instrumentacin Industrial; Sptima
Edicin; MARCOMBO S.A. Espaa. 2005.Bird, R.B., Stewart, W.E. y
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Edicin; Mxico 1998Carlos Arturo Duarte Agudelo, Jos Roberto Nio
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Espaa.R. Byron Bird, Warren E. Stewart; Fenmenos de Transporte;
Edicin REPLA S.A. Barcelona, Espaa 1992.Yrn Romai; Fluidos de
Perforacin: Mexico.2008
ANEXOS
Circuito que controla la temperatura Sensor de temperatura
Instalacin de los dispositivos Fototacometro
