FLUIDOS: FLAMEO Y VISCOSIDAD PROTOCOLO Curso de Materiales

EDICION 2009-1 FACULTAD INGENIERIA INDUSTRIAL LABORATORIO DE PRODUCCION

TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 3 OBJETIVOS ....................................................................................................... 3 INSTRUCCIONES DE SEGURIDAD ................................................................. 4 1. ASIGNACIÓN DE TIEMPOS ....................................................................... 4 1.1 Explicación Teórica .............................................................................. 4 1.2 Práctica ................................................................................................ 4 2. MARCO TEÓRICO ...................................................................................... 5 2.1 Generalidades de los aceites lubricantes ................................................ 5 2.1.1 Clasificación de los aceites lubricantes ............................................... 6 2.1.2 Características de un lubricante .......................................................... 6 2.1.3 Propiedades de los aceites lubricantes ............................................... 7 3. PARTES PRINCIPALES DE LA MÁQUINA. ................................................ 9 3.1 Equipo de Flameo ................................................................................ 9 3.2 Partes principales del equipo de flameo .............................................. 9 3.2.1 Plancha de calentamiento ................................................................... 9 3.2.2 Encendedor de llama pequeña ............................................................ 9 3.2.3 Copa Abierta (recipiente) ................................................................... 10 3.2.4 Contactor ........................................................................................... 10 3.2.5 Controlador de Temperatura ............................................................. 10 3.2.6 Termómetro Digital ............................................................................ 10 Figura 2. Copa abierta ................................................................................. 10 4. PRUEBA DE FLAMEO (norma astm d92 ip – 36)...................................... 11 Figura 3. Termómetro digital ........................................................................ 11 4.1 Especificaciones de la Norma ASTM D92 IP – 36 ............................. 12 4.1.1 Punto de Chispeo .............................................................................. 12 4.1.2 Punto de Flameo ............................................................................... 12 5. PRECAUCIONES EN EL MOMENTO DE LA PRUEBA ............................ 12 6. IMPORTANCIA Y APLICACIÓN DE LA PRUEBA. .................................... 13 7. CONFIABILIDAD DE LA PRUEBA DE FLAMEO ....................................... 13 7.1 Barómetro .......................................................................................... 13 7.2 Corrección de los puntos de chispeo y de flameo .............................. 14 8. LOS FLUIDOS Y LA VISCOSIDAD ........................................................... 14 9. DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA ............................................................ 16 9.1 PRACTICA I ....................................................................................... 16 9.1.1 Objetivo: ............................................................................................ 17 9.1.2 Procedimiento:................................................................................... 17 9.2 PRACTICA II ...................................................................................... 17 9.2.1 Objetivo: ............................................................................................ 17 9.2.2 Procedimiento:................................................................................... 17 10. EJEMPLO .................................................................................................. 18 10.1 Practica I ............................................................................................ 18 10.2 Practica II ........................................................................................... 19 11. BIBLIOGRAFIA .......................................................................................... 21 12. CONTENIDO DEL INFORME .................................................................... 22 13. FORMATOS............................................................................................... 23 Escuela Colombiana de Ingeniería. “Julio Garavito”

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INTRODUCCIÓN

En el proceso de formación de un Ingeniero Industrial, es muy importante el conocimiento de la Ciencia de los Materiales, ya que esta proporciona las herramientas necesarias para comprender el comportamiento general de cualquier material, lo cual es necesario a la hora de desarrollar adecuadamente diseños de componentes, sistemas y procesos que sean confiables y económicos. En la industria se usan diferentes componentes recurrentes como son los aceites (o combustibles) sometidos a diferentes temperaturas, lo que altera sus propiedades mecánicas y físicas. Para conocer este comportamiento se realiza la prueba de flameo y chispeo, explicada con mas detenimiento en el protocolo. Para la correcta realización de esta prueba, se recomienda que los estudiantes hayan comprendido previamente el contenido de esta, consignado en el Protocolo.

OBJETIVOS       

Entender la aplicación de la prueba de flameo para aceites lubricantes en el ámbito industrial y de investigación. Conocer las propiedades de los aceites lubricantes. Comprender el significado del punto de chispeo y de flameo en los aceites lubricantes. Analizar resultados arrojados por la prueba de flameo con mínimo dos tipos diferentes de aceites lubricantes. Conocer accesorios y partes principales del equipo de Flameo. Estar en capacidad de leer y operar los diferentes elementos que ayudan a la realización de la práctica (termocupla-controlador de temperatura). Determinar la implicación de la altura del lugar donde se desarrolla la prueba de flameo en los resultados obtenidos experimentalmente.

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INSTRUCCIONES DE SEGURIDAD Para evitar lesiones personales y/o fallas en la máquina (equipo de flameo) e instalaciones, causadas durante la realización de la práctica, es necesario que los estudiantes al momento de la ejecución de la práctica tengan en cuenta:  

 

Es obligatorio portar los implementos de seguridad necesarios: delantal de cuero, careta de acetato o gafas de seguridad y guantes de baqueta o carnaza. Tener un completo conocimiento de la práctica y todo lo relacionado con ésta, como el manejo del equipo y la utilización de sus componentes: encendedor, controlador de temperatura, termocupla, pinzas y recipiente o copa. En el momento de producirse flama o chispeo, se debe tener cuidado de no estar cerca (distancia no menor a 60 cm.), ni obstaculizar de alguna forma el correcto desarrollo del ensayo, ya que la llama puede ser fuerte. Seguir precisamente las instrucciones dadas por los monitores, antes de la realización de la práctica.

1. ASIGNACIÓN DE TIEMPOS 1.1

Explicación Teórica TEORIA

TIEMPO (min.)

-Instrucciones de seguridad para el óptimo desarrollo de la práctica. -Explicaciones generales acerca de las propiedades de aceites lubricantes. -¿Qué es la prueba de flameo?; punto de chispeo o FLASH point y punto de flameo o FIRE point y su importancia. -Partes del Equipo de Flameo (Base de Calentamiento, Soportes fijos y móvil para encendedor, recipiente, y base de calentamiento; Controlador de temperatura, Contactor y Recipiente o Copa Abierta.)

1.2

5 10 10

5

Total

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ENSAYO PARA CADA TIPO DE ACEITE

TIEMPO (min.) / MUESTRA

Práctica

-Seguir instrucciones de seguridad, y alistamiento de los estudiantes. -Alistar el aceite y verterlo teniendo en cuenta que este debe quedar a 9 o 10 mm por debajo del borde de la copa según norma ASTM D 92 IP – 36

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-Programar la temperatura a la cual se desea llegue el aceite -Cuando la temperatura llegue expansión de los 70 °C, comenzar a pasar por encima de la copa, en forma de abaniqueo la llama pequeña del encendedor y cada 5 °C por encima de esta temperatura obtener el punto de chispeo. -Anotar la temperatura a la cual se consigue el punto de chispeo y cada 2 °C por encima de esta temperatura comenzar a pasar la llama pequeña del encendedor con el fin de conseguir el punto de flameo. -Consignar la temperatura del punto de flameo para el aceite con el que se esté trabajando. -Indicaciones para la elaboración del informe y explicaciones a cerca de la corrección de los puntos de flameo y chispeo.

1 10

5

2 5

30

Total

2. MARCO TEÓRICO A continuación se presentan de manera general, los aspectos más importantes que se deben tener presentes para realizar la práctica. 2.1 Generalidades de los aceites lubricantes Los lubricantes son sustancias aplicadas a las superficies de rodadura, deslizamiento o contacto de las máquinas para reducir el rozamiento entre las partes móviles. Los primeros lubricantes fueron los aceites vegetales y las grasas animales. Sin embargo, desde finales del siglo XIX más del 90% de todos los lubricantes se derivan del petróleo o del aceite de esquistos, productos abundantes que pueden destilarse y condensarse sin descomponerse. Un buen lubricante tiene que tener cuerpo, o densidad, ser resistente a los ácidos corrosivos, tener un grado de fluidez adecuado, presentar una resistencia mínima al rozamiento y la tensión, así como unas elevadas temperaturas de combustión e inflamación, y estar libre de oxidación o espesamiento. Hay pruebas químicas para determinar todas estas propiedades en un lubricante. Los lubricantes permiten un buen funcionamiento mecánico al evitar la abrasión o agarrotamiento de las piezas metálicas a consecuencia de la dilatación causada por el calor. Algunos también actúan como refrigerantes, por lo que evitan las deformaciones térmicas del material. En la actualidad los lubricantes se aplican muchas veces mecánicamente para un mejor control, por lo general mediante válvulas, anillos o cadenas giratorias, dispositivos de inmersión o salpicado o depósitos centrales y bombas. La grasa y otros lubricantes similares se aplican mediante prensado, presión o bombeo. Para un lubricado eficaz hay que elegir el método de aplicación más adecuado además de seleccionar un lubricante. 5 Escuela Colombiana de Ingeniería. “Julio Garavito”

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2.1.1 Clasificación de los aceites lubricantes  Aceites minerales Obtenidos de la destilación fraccionada del petróleo, y también de ciertos carbones y pizarras.  Aceites de origen vegetal y animal. Son denominados también aceites grasos y entre ellos se encuentran: aceite de lino, de algodón, de colza, de oliva, de tocino, glicerina, etc.  Aceites compuestos Formados por mezclas de los dos primeros, con la adición de ciertas sustancias para mejorar sus propiedades.  Aceites sintéticos Constituidos por sustancias liquidas lubricantes obtenidas por procedimientos químicos. Tienen la ventaja sobre los demás de que su formación de carbonillas es prácticamente nula; su inconveniente consiste en ser más caros.

2.1.2 Características de un lubricante El Grado Se define por la clasificación SAE: SAE es la sigla de Society of Automotive Engineers, una asociación que ha establecido los criterios de clasificación de los aceites basándose en su viscosidad. Los números 20, 30, 40, 50 y 60 clasifican a los lubricantes según su viscosidad a 100°C. Para los aceites multigrados el grado es dado por dos números separados por la letra W: El primer número seguido por "W" (Winter) representa la viscosidad a baja temperatura, 5W, 10W, 15W... más pequeño el número, más fluido se mantiene el lubricante a baja temperatura y facilita el arranque El segundo número representa la viscosidad a alta temperatura, 20, 30, 40, 50. Más alto este número, más viscoso se mantiene el aceite a alta temperatura.

La viscosidad SAE Es la característica más importante para la elección de los aceites y se define como la resistencia de un líquido a fluir. Es la inversa de la fluidez y se debe a la fricción entre las partículas del líquido. La viscosidad se valora según los métodos usados para su determinación, y las unidades, en orden decreciente a su exactitud, son:

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

Viscosidad dinámica o absoluta. La unidad de viscosidad absoluta es el poise, que se define como la viscosidad de un fluido que opone determinada fuerza al deslizamiento de una superficie sobre otra a velocidad y distancia determinadas. Corrientemente se emplea el centipoise, que es la centésima parte del poise y equivale a la viscosidad absoluta del agua.



Viscosidad cinemática. Es la relación entre la viscosidad dinámica y la densidad del líquido. La unidad es el stoque (St), aunque prácticamente se emplea el centistoke, que equivale a la centésima parte de aquel y es aproximadamente la viscosidad cinemática del agua a 20 °C.



Viscosidad relativa. En la práctica, la medición de la viscosidad se hace en aparatos denominados viscosímetros, en los cuales se determina el tiempo que tarda en vaciarse un volumen fijo de aceite a determinada temperatura y por un tubo de diámetro conocido. Los mas empleados son los Engler, Redwood y Saybolt. Los grados de viscosidad así determinados deben acompañarse siempre de la inicial del viscosímetro y de la temperatura de ensayo; por ejemplo: 5 °E a 50 °C, 25 S.S.U. a 210 °F, para pruebas (Standard Saybolt Unit).

2.1.3 Propiedades de los aceites lubricantes Los aceites lubricantes se distinguen entre si según sus propiedades o según su comportamiento en las máquinas. Debemos conocer las propiedades de los aceites lubricantes, para poder determinar cual utilizaremos según la misión que deba desempeñar. Un buen aceite lubricante, a lo largo del tiempo de su utilización, no debe formar excesivos depósitos de carbón ni tener tendencia a la formación de lodos ni ácidos; tampoco debe congelarse a bajas temperaturas. Las propiedades más importantes que deben tener los aceites lubricantes son: 

Color: cuando observamos un aceite lubricante a través de un recipiente transparente el color nos puede dar idea del grado de pureza o de refino. En un aceite usado, es medida de la contaminación que haya sufrido este.



Densidad: La densidad del aceite es la relación entre su peso y su volumen, y en este caso está afectada por la temperatura.



Viscosidad: Es la resistencia que un fluido opone a cualquier movimiento interno de sus moléculas, dependiendo por tanto, del mayor o menor grado de cohesión existente entre estas.

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

Índice de Viscosidad: Se entiende como índice de viscosidad, el valor que indica la variación de viscosidad del aceite como consecuencia de la variación de su temperatura. Siempre que se calienta un aceite, éste se vuelve más fluido, su viscosidad disminuye; por el contrario, cuando el aceite se somete a temperaturas cada vez mas bajas, éste se vuelve mas espeso, es decir, su viscosidad aumenta.



Untuosidad: La untuosidad es la propiedad que representa mayor o menor adherencia de los aceites a las superficies a lubricar y se manifiesta cuando el espesor de la película de aceite se reduce al mínimo, sin llegar al punto donde las superficies lubricadas entren en contacto.



Punto de Chispeo (Inflamación): El punto de inflamación de un aceite lo determina la temperatura mínima a la cual los vapores desprendidos se inflaman en presencia de una llama.



Punto de Flameo (Combustión): Si prolongamos el ensayo de calentamiento del punto de chispeo, notaremos que el aceite se incendia de un modo más o menos permanente, ardiendo durante unos segundos, entonces es cuando se ha conseguido el punto de flameo.



Punto de congelación: Es la temperatura a partir de la cual el aceite pierde sus características de fluido para comportarse como una sustancia sólida.



Acidez: Los diferentes productos terminados, obtenidos del petróleo bruto pueden presentar una reacción ácida o alcalina. En un aceite lubricante, una reacción ácida excesiva puede ser resultado de un refinado en malas condiciones. A esta acidez se le llama acidez mineral.



Índice de basicidad T.B.N: Es la propiedad que tiene el aceite de neutralizar los ácidos formados por la combustión en los motores. El T.B.N. (Total Base Number) indica la capacidad básica que tiene el aceite. Si analizamos un aceite usado el T.B.N residual nos puede indicar el tiempo (en horas) que podemos prolongar los cambios de aceite en ese motor.



Demulsibilidad: Es la mayor o menor facilidad con que el aceite se separa del agua, esto es lo contrario de emulsibilidad.

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3. PARTES PRINCIPALES DE LA MÁQUINA. A continuación se presentan los principales componentes de la máquina de flameo. 3.1 Equipo de Flameo Este aparato consiste en una copa abierta, una base de calentamiento, un encendedor, un controlador de temperatura, contactor, y soportes que se describen detalladamente a continuación. (Ver Figura 1).

Figura 1. Equipo de flameo

3.2

Partes principales del equipo de flameo

3.2.1 Plancha de calentamiento Esta parte de la máquina posee una resistencia que permite calentar el aceite a la temperatura requerida; está conectada a una termocupla que a su vez se encuentra conectada a un controlador de temperatura, que indica de esta forma la temperatura en la que se encuentra el aceite. La plancha de calentamiento está fabricada en aluminio, material que permite una distribución homogénea del calor. (Ver Figura 1) 3.2.2 Encendedor de llama pequeña Este encendedor, puesto sobre una base giratoria permite un movimiento de rotación adecuado para pasar la pequeña llama sobre el recipiente con aceite, cumpliendo con una radio de rotación de 240 mm. (Ver Figura 1)

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3.2.3 Copa Abierta (recipiente) Esta copa cumple las especificaciones de material y dimensiones exigidas en la norma ASTM D 92 IP –36. Está fabricada en bronce latón; en la siguiente figura se pueden ver sus dimensiones en milímetros. (Ver Figura 1 y 2)

Figura 2. Copa abierta 3.2.4 Contactor El contactor es un interruptor accionado a distancia por medio de un electroimán; el electroimán es el elemento motor, esta compuesto por una serie de elementos cuya finalidad es transformar la energía eléctrica en magnetismo, generando un campo magnético muy intenso, el cual a su vez producirá un movimiento mecánico. La función principal de este contactor es funcionar como interruptor de la corriente eléctrica para energizar la plancha de calentamiento y sostenerla a una temperatura superior (por lo menos 50º C más) de la que se espera ocurra el punto de flameo. 3.2.5 Controlador de Temperatura Este aparato permite alcanzar la temperatura deseada en la plancha de calentamiento y además controlarla para que se mantenga estable durante el calentamiento del aceite. (Ver Figura 1) 3.2.6 Termómetro Digital Este termómetro digital o termocupla permite conocer la temperatura a la cual se encuentra el aceite después de que ha sido puesto sobre la plancha de calentamiento, y el momento en que éste ha alcanzado la temperatura requerida. La medición dada por el termómetro digital nos va a permitir revisar cierto lapso de temperatura (cada 5º C o cada 2º C) y de esta forma consignar las observaciones de punto de chispeo y flameo. (Ver Figura 3) 10 Escuela Colombiana de Ingeniería. “Julio Garavito”

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Figura 3. Termómetro digital

4. PRUEBA DE FLAMEO (NORMA ASTM D92 IP – 36) La prueba del punto Flameo y Chispeo parte de la necesidad de conocer el grado de volatilidad de los aceites, la cual se ve afectada cuando se produce una combustión cercana a un grupo de aceites (o combustibles). Esta prueba se efectúa para: 

Conocer la temperatura a la cual los vapores emitidos por el aceite, inician una leve combustión (chispeo) no sostenida. Este es el punto de Chispeo (Flash Point).



Posteriormente conocer la temperatura a la cual los vapores emitidos por el aceite, inician una combustión con llama continua y sostenida durante mínimo 5 segundos. Este es el punto de Flameo (Fire Point).

Estas pruebas, se llevan a cabo calentando el aceite a una temperatura prescrita en un recipiente abierto de dimensiones y material normalizados, pasando una llama pequeña periódicamente encima del aceite y observando la temperatura a la que inicia el chispeo primero y luego, continuando el procedimiento, el punto en que flamea. El punto de chispeo es considerado una medida de la tendencia del aceite a vaporizarse. Los puntos de flameo y chispeo a menudo tienen poca importancia, pero son muy útiles para el fabricante en el momento de mantener la uniformidad del producto (aceites, lubricantes, combustibles) durante su manufactura. Entre los aceites lubricantes, los nafthenicos son muy volátiles, hasta el punto de encenderse espontáneamente a una temperatura suficientemente alta.

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4.1 Especificaciones de la Norma ASTM D92 IP – 36 El método de la copa abierta de Cleveland, es un método dinámico que depende de las proporciones de aumento de temperatura para controlar la precisión y conseguir eficazmente los puntos de Chispeo y Flameo, es aplicado a todos los aceites lubricantes, los cuales tienen un punto de Chispeo entre los 79 °C y los 400 °C.

4.1.1 Punto de Chispeo Es el punto de la más baja temperatura en relación con una presión barométrica de 760 mmHg, aplicado a la prueba de Flameo, causa los vapores que encienden pequeñas llamaradas bajo los siguientes parámetros:    

La pequeña llama del encendedor debe pasar separada del borde del recipiente a por lo menos 5 mm. El radio de rotación producido por el encendedor de la llama debe ser mínimo de 150 mm, para lograr que el movimiento sea lo mas horizontal posible. El ensayo debe realizarse rápidamente, debido a que entre más tiempo el aceite sea dejado a la intemperie, se corre el riesgo de que haya pérdida de material volátil. El instante en el cual deben registrarse los datos, debe ser en intervalos de 5 °C indicados por la termocupla.

4.1.2 Punto de Flameo Es la más baja temperatura en la cual el aceite expulsará los vapores necesarios para producir una llama prolongada y sostenida por mínimo 5 segundos; se realiza bajo las anteriores condiciones de laboratorio cambiando el rango al cual se debe registrar los datos, en este caso debe hacerse cada 2 °C inmediatamente después de conseguir el punto de chispeo. 5. PRECAUCIONES EN EL MOMENTO DE LA PRUEBA Como se mencionó en las condiciones de laboratorio, es necesario terminar lo más pronto posible con la prueba, es decir, contar con todo lo requerido (instrumentos, herramientas, etc), en el momento de iniciar con la práctica, para que de esta forma no haya pérdida de material volátil y no se alteren los resultados de la prueba, como podría ser que se obtenga el punto de chispeo y/o flameo a con un error muy alejado del valor teórico. No guarde las muestras de aceites lubricantes en plásticos (Ej: polietileno, polipropileno, etc.). En estos recipientes, los materiales volátiles se pueden difundir a través de las paredes del mismo.

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6. IMPORTANCIA Y APLICACIÓN DE LA PRUEBA. Las mediciones del punto de chispeo de la muestra, indica la tendencia a formar una mezcla inflamable con el aire bajo las condiciones controladas de laboratorio. Es la única prueba con la cual se puede evaluar el riesgo de flamabilidad del material. El punto de chispeo es utilizado en regulaciones de seguridad, para definir los materiales flamables ó combustibles. Se debe consultar las regulaciones particulares, para distinguir precisamente entre estas dos clases de materiales. El punto de chispeo puede indicar la posible presencia de materiales muy volátiles e inflamables en un material relativamente no volátil o no flamable, a temperatura ambiente. 7. CONFIABILIDAD DE LA PRUEBA DE FLAMEO Se presentan dos situaciones experimentales con las cuales se determina la validez de la prueba de flameo con una confiabilidad del 95%. Dichas situaciones se describen a continuación: 1. Situación 1: En el caso de que las pruebas se realicen en el mismo laboratorio, con el mismo material y bajo las “mismas condiciones del ambiente”: Puede ser considerado sospechoso, si al duplicar los resultados, hay una diferencia por encima de las siguientes cantidades: Punto de Flameo: Punto de Chispeo:

15 ºF (8 ºC) 15 ºF (8 ºC)

2. Situación 2: Caso en el que se realizan las pruebas de flameo para el mismo material y en dos laboratorios diferentes: Los resultados obtenidos se consideran poco confiables, si estos difieren por exceso o por defecto en las siguientes cantidades entre ambos resultados: Punto de Flameo: Punto de Chispeo:

30ºF (17ºC) 25ºF (14ºC)

7.1 Barómetro Indica la presión del aire por la altura de la columna de mercurio contenida en un tubo vertical de vidrio, cerrado por su extremo superior y en comunicación con el inferior en con un deposito del mismo liquido en contacto con la atmósfera. Otro tipo de barómetro de mercurio es el de sifón, que es un tubo de vidrio doblado en forma de U, con una rama abierta. La presión se mide por la diferencia de niveles que ocupa el mercurio en las dos ramas. Esta presión esta dada en milímetros de mercurio mmHg. 13 Escuela Colombiana de Ingeniería. “Julio Garavito”

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Ciertas conversiones para la presión barométrica en mm Hg: 760 mmHg

= 1 atm

1 atm

= 14.70 psi

760 mmHg

= 1.033 Kg/cm²

1 psi

= 0.0689 Bar

1 Bar

= 1000000 Pa

7.2 Corrección de los puntos de chispeo y de flameo Para la realización de ésta corrección, es necesario observar la presión barométrica a la cual se encuentra el lugar donde se va a realizar la prueba. Cuando esta presión difiere de 760 mm Hg (presión atmosférica al nivel de mar), se debe corregir el punto de chispeo (Flash Point), y el punto de flameo (Fire Point), mediante la siguiente ecuación: Punto de flameo o chispeo corregido = T + 0.06 (760 – P) Siendo: T: Punto de flameo o chispeo, o ambos observado en escala (ºC ó ºF) P: Presión barométrica observada en mmHg. Punto de flameo o chispeo corregido = T+ 0.03 (760 – P) Siendo: T: Punto de flameo o chispeo, o ambos observado en escala (ºC ó ºF) 8. LOS FLUIDOS Y LA VISCOSIDAD Los fluidos son las sustancias que se deforman con facilidad, cuando son expuestos al más mínimo esfuerzo constante: una gota de agua se deforma con solo inclinar un poco la superficie sobre la cual descansa. El esfuerzo cortante al que está expuesto se define como la fuerza que actúa sobre (coplanar) un plano que atraviesa o coincide horizontalmente con la gota:

Figura 4. Plano que atraviesa la gota

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La fuerza que “empuja” la superficie, la pone en movimiento a una velocidad v, creando un gradiente de velocidad tal como se muestra en la Figura 4. Suponiendo que la fuerza F actúa sobre una pequeña área unitaria A, se define la viscosidad absoluta como: dF dA ,  dv dh esto es, la relación entre el esfuerzo cortante  dF dA y la variación del





F .T gradiente de velocidad  dv dh . Sus unidades son . En el sistema ingles L2 es lb-seg/in2, denominado reyns.





La expresión anterior para la viscosidad absoluta  , también se denomina como la ley de viscosidad de Newton. De ahí que los líquidos (o gases) que obedecen a esta ecuación de viscosidad, también se denominan fluidos newtonianos. La importancia de la viscosidad de los líquidos estriba en que en cuanto más viscosos, más difícilmente fluirán en canales, tuberías, recipientes, etc., por lo cual se requiere más energía para desplazarlos. En esta práctica se aprenderá a medir la viscosidad de un liquido (aceite de lubricación) mediante el uso de un viscosímetro del tipo de cilindros concéntricos. En la siguiente figura se describe esquemáticamente el aparato:

Figura 5. Viscosímetro.

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Si se hace girar (a velocidad angular N) el cilindro exterior, este arrastrara por efecto de la viscosidad del líquido al cilindro interior. Su eje superior está conectado a un torcometro que medirá el torque necesario para generar dicho arrastre. Dicho torque se puede medir como una fuerza (con el dinamómetro) actuando a cierta distancia del centro del cilindro mediante un brazo de longitud L (Ver Figura 5):

Torque  F dinamometro L

Este mismo torque es el que existe en forma de fricción (arrastre) dentro del líquido, entre las paredes del cilindro exterior y el cilindro interior del viscosímetro. Por lo tanto:

F   A

Torque interno del liquido )r  , 1

2 r1 a

F  L2 

Así mismo, el gradiente de velocidad se calculara en base al espesor del aceite, r2-r1: 2 r2 N v 60    h r2  r1 Finalmente, para la viscosidad se tendrá:



15 Torque   r2  r1   FT  ,  L2   2 r12 r2 Na

Durante la práctica, se hará girar el recipiente exterior a cierta velocidad angular N (RPM) y se medirá el torque de reacción sobre el cilindro interior mediante un dinamómetro digital. Hechas las mediciones (tamaños) de los recipientes y brazo del torque, se introducen los valores en esta fórmula y se calcula la viscosidad del aceite usado. Este calcula corresponderá a su valor, a temperatura amiente.

9. DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA 9.1 PRACTICA I A continuación se explicarán de manera detallada los pasos que se tienen que realizar para llevar a cabo con éxito esta práctica 16 Escuela Colombiana de Ingeniería. “Julio Garavito”

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Objetivo: Entender la importancia de las practicas chispeo y flameo.

Procedimiento: 1. Preparar el Equipo de Flameo para la prueba y tener listos los aceites a utilizar. 2. Programar inmediatamente la temperatura a la cual se desea llegar en el controlador de temperatura. 3. Cuando la plancha de calentamiento esté a la temperatura deseada, es decir, una temperatura superior en por lo menos 50ºC a la temperatura a la que se espera ocurra el punto de flameo del lubricante, se coloca el recipiente con el aceite a la altura de llenado especificada anteriormente, es decir, que quede a 10 mm por debajo del borde del recipiente. 4. Comenzar a medir la temperatura del aceite con ayuda del termómetro digital cada 5ºC hasta que se alcance una temperatura aproximada a los 70ºC, en este momento se debe a empezar a pasar cuidadosamente y siguiendo las instrucciones de seguridad, el encendedor de llama pequeña hasta conseguir el punto de chispeo del aceite utilizado y consignar los datos en la Tabla No.1. 5. Continuar con la medición de temperatura del aceite cada 2ºC, pasando de la misma manera el encendedor de llama pequeña, hasta conseguir el punto de flameo y consignar los datos del punto de flameo en la Tabla 1. 6. Realizar el cálculo correspondiente para corregir el punto de chispeo y flameo de acuerdo a la presión barométrica del lugar o a la dada por el monitor y consignar los datos en la Tabla 2. 7. Seguir los pasos anteriores para el siguiente aceite a utilizar, y consignar en forma similar a la explicada los datos en la tabla 1 y 2. Nota: Durante la prueba, cada vez que se derrame el aceite sobre la plancha, LIMPIARLA INMEDIATAMENTE.

9.2 PRACTICA II A continuación se explicarán de manera detallada los pasos que se tienen que realizar para llevar a cabo con éxito esta práctica Objetivo: Determinar la viscosidad de un aceite. Procedimiento: 1. Derrame aceite dentro de las paredes del cilindro, de tal forma que no quede aire en el interior. Para verificar abra la perilla que se encuentra en uno de los extremos del cilindro y si el liquido cae constantemente sin ninguna burbuja puede cerrarla. 17 Escuela Colombiana de Ingeniería. “Julio Garavito”

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2.

3. 4. 5.

6. 7.

Ubique la probeta de forma perpendicular con respecto a la lámina que sujeta el cilindro. Mida la distancia desde la probeta hasta la polea, con ayuda del calibrador vernier. Prenda el dinamómetro e inícielo en cero, teniendo en cuenta el paso 2. Prenda la maquina. Prenda el estroboscopio y escoja un punto de referencia en el cilindro (ejemplo la perilla). De tal forma que al ubicar el estroboscopio al frente del cilindro usted aumente o disminuya las revoluciones hasta el punto de no observar el movimiento que está realizando la maquina; anote este dato. A la vez registre todos los valores que está arrojando el dinamómetro, tenga en cuenta las unidades. Apague la máquina.

10. EJEMPLO 10.1 Practica I Se utilizó aceite de dos tiempos y aceite de cuatro tiempos para la realización de la prueba; los resultados que se presentan a continuación, fueron los arrojados en el ensayo del aceite de dos tiempos de referencia: TOMA DE DATOS Material_______________________________ ACEITE XXXX DE DOS CICLOS Presión Barométrica del lugar ___560_____ mmHg Punto de Chispe o Dato No. Temp. ºC si/no 1 70 NO 2 75 NO 3 80 NO 4 85 NO 5 90 NO 6 95 NO 7 100 NO 8 105 NO 9 110 SI 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Punto de Fla me o Dato No. Temp. ºC si/no 1 112 NO 2 114 NO 3 116 NO 4 118 NO 5 120 NO 6 122 NO 7 124 NO 8 126 NO 9 128 NO 10 130 NO 11 132 NO 12 134 NO 13 136 NO 14 138 NO 15 140 SI 16 17 18 19 20

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DATOS CALCULADOS Material ACEITE XXXX DE DOS TIEMPOS Presión Barométrica del lugar 560 mmHg Punto de Chispeo corregido (º C) 116 Punto de Flameo corregido (º C) 146

10.2 Practica II El siguiente ejemplo se realizo con un aceite lubricante SAE 30 a una temperatura (antes de la prueba) de 17° C, el cual fue aplicado a la pared interna del viscosímetro, evitando dejar en ella burbujas de aire. EL primer dato obtenido de esta práctica lo arrojo el estroboscopio el cual dio como resultado el número de revoluciones del viscosímetro, mostrado a continuación: N = 238 RPM Seguidamente se comenzó el registro de los datos arrojados por el dinamómetro a fin de determinar la fuerza:

1 2 3 4 5 6

DATOS ARROJADOS POR EL DINAMOMETRO (F, Kg) 0.261 7 0.285 13 0.240 19 0.268 25 0.273 31 0.291 8 0.282 14 0.277 20 0.273 26 0.271 32 0.256 9 0.250 15 0.270 21 0.274 27 0.248 33 0.273 10 0.223 16 0.280 22 0.268 28 0.272 34 0.270 11 0.260 17 0.264 23 0.250 29 0.251 35 0.255 12 0.240 18 0.275 24 0.252 30 0.255 36

0.241 0.252 0.266 0.269 0.264 0.256

El promedio de estos datos arroja un valor de 0.255 Kg. Con las medidas de la máquina y los valores obtenidos para las revoluciones y la fuerza del dinamómetro se puede calcular el valor de la viscosidad:



15 Torque   r2  r1  , reyns  2 r12 r2 Na

***Teniendo especial cuidado en que todas las medidas de longitudes estén en unidades de pulgadas.

142  0.55  15   0.255  2.2   25.4  25.4   2 2  1.5  1.5  0.55 25.4  238  6.5 





  19.48  106 reyns 19 Escuela Colombiana de Ingeniería. “Julio Garavito”

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Comparamos el valor resultante de la viscosidad con la siguiente Tabla, a fin de verificar la validez del dato obtenido.

Viscosidad Absoluta (Reyns, µ)

Sustancia

Miel Aceite de Ricino glicerina Aceite Lubricante SAE 60

218.0 x 10-6

Aceite Lubricante SAE 50

59.0 x 10-6

Aceite Lubricante SAE 40

35.0 x 10-6

Aceite Lubricante SAE 30

24.0 x 10-6

Aceite Lubricante SAE 20

13.0 x 10-6

Aceite Lubricante SAE 10

9.5 x 10-6

Aceite Lubricante SAE AN-06

3.5 x 10-6

Queroseno

0.290 x 10-6

Mercurio

0.217 x 10-6

Trementina

0.210 x 10-6

Agua

0.145 x 10-6

Gasolina

0.087 x 10-6 0.0026 x 10-6

Aire

145.0 x 10-6 72.0 x 10-6 80.0 x 10-6

Tabla 1. Valores aproximados de viscosidad absoluta

La diferencia entre el valor de viscosidad calculado en la práctica y el dado en la Tabla 1 para Aceite SAE 30, se debe posiblemente a diferentes temperaturas ambientes a las cuales fueron hechos los experimentos.

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11. BIBLIOGRAFIA 

ASKELAND, Donal R., “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, Thomson Editores. México, 1998.



Anderson, J.C. y otros, “Ciencia de los Materiales”, Limusa Editores, México, 1998.



Flim, R.A, y otro, “Materiales de Ingeniería y sus Aplicaciones”, Mc Graw -Hill, México, 1979.



Budinsky, K. y otro, “Engineering Materials”, Prentice – Hall, U.S.A., 1999.

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12. CONTENIDO DEL INFORME PRUEBA DE FLAMEO 1. Introducción. 2. Objetivos. (Generales y Específicos). 3. Marco Teórico. - En qué consiste la prueba de flameo, su importancia y su aplicación. - Importancia del punto de flameo y chispeo; y comparación entre estos con respecto a cada uno de los aceites utilizados. - Análisis de la norma ASTM 92 IP-36. - Características y propiedades de los aceites utilizados en la práctica. 4. Descripción del equipo de flameo. 5. Descripción del procedimiento de la prueba. 6. Estudio de Campo. -

Tabla con los datos pedidos para cada aceite. Cálculo del punto de flameo y chispeo corregidos. Análisis de los resultados obtenidos; valores hallados vs valores teóricos o esperados, error obtenido.

7. Conclusiones de la práctica. 8. Recomendaciones para la prueba. 9. Bibliografía.

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13. FORMATOS. Practica I

TOMA DE DATOS Material_______________________________ Presión Barométrica del lugar ___________ mmHg Punto de Chispeo Dato No. Temp. ºC si/no 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Punto de Flameo Dato No. Temp. ºC si/no 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

DATOS CALCULADOS Material Presión Barométrica del lugar ___________ mmHg Punto de Chispeo corregido Punto de Flameo corregido

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Practica II

N = _______________RPM r1=________________ PUL r2=________________PUL

DATOS ARROJADOS POR EL DINAMOMETRO (F, Kg) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

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