Estudio de Lubricantes

Estudio de lubricantes

Corría el año de 1687, cuando Isaac Newton publicó su obra “Philosophiae

naturalis, principia matematica” en la cual recopilaba sus descubrimientos en

mecánica y cálculo matemático. Esta obra marcó un punto de inflexión en la

historia de la ciencia y es considerada, por muchos, como la obra científica más

importante de la historia.

Junto con la famosa ley de gravitación universal, Newton enuncia el concepto de

viscosidad, el cual afirma que la resistencia ejercida que surge a partir de una falta

en el deslizamiento de un fluido, si el resto de factores se mantienen constantes,

es proporcional a la velocidad a la que las partes de un fluido son separadas entre

sí. De este modo, se establece la proporcionalidad existente entre el esfuerzo por

unidad de área (F/A) necesario para producir un gradiente de velocidades en un

fluido, siendo la constante de proporcionalidad un factor que describe "la

capacidad de deslizamiento de un fluido" (más tarde esta constante de

proporcionalidad fue llamada viscosidad). La hipótesis propuesta por Newton se

suele representar con un esquema como el de la figura, en el que se muestran dos

superficies de área A, separadas por una distancia Y, estando una de ellas

sometida a una fuerza F que le provoca una velocidad V.

Al mismo tiempo, se suele describir matemáticamente los principios establecidos

por Newton a partir de una expresión matemática como la ecuación siguiente:

IMPORTANCIA DEL ANÁLISIS DE LOS LUBRICANTES

A través del análisis se pueden conocer las características de los lubricantes. Esto

es fundamental para conocer de antemano cual será su comportamiento ante

nuestra necesidad, para decidir que lubricante poner debemos tener en cuenta el

trabajo que realizara el lubricante y el estado de la maquina donde lo pondremos.

Valores físicos que determinan la calidad de un lubricante

Densidad y peso especifico, viscosidad, volumen a diferentes temperaturas, punto

de inflamación y de combustión, punto de fluidez, penetración y por último índice

de neutralización de basicidad y de acidez hay algunos otros pero son

derivaciones de estos.

No hay mucho que comentar sobre la densidad y peso especifico, todos sabemos

las relaciones existentes entre la masa de un cuerpo y la relación de esta con la

masa de un volumen igual en agua.

CLASIFICACIÓN DE LOS ACEITES LUBRICANTES

Debido a la gran cantidad de lubricantes que se fabrican actualmente, se han

desarrollado clasificaciones o normas que delimitan el uso y la aplicación de los

mismos. Estas normas se van actualizando constantemente para adaptarlas a las

continuas innovaciones tecnológicas que se han incorporado a los motores.

En su elaboración colaboran todas las partes interesadas como son:

• Los constructores de vehículos.

• Los fabricantes de lubricantes.

• Otros organismos civiles y usuarios.

Las clasificaciones de los lubricantes se realizan atendiendo a dos aspectos

fundamentales:

1. Clasificación por la viscosidad.- Los aceites para motor se clasifican en

diferentes grados de viscosidad que definen su utilización según la

temperatura a la que se encuentra el motor. La clasificación más

importante es la SAE.

2. Clasificación por las condiciones de servicio.- Los aceites se clasifican

por las diferentes condiciones de servicio que tienen que soportar en el

motor según el tipo o las características técnicas del mismo. El aceite se

somete a estas condiciones en laboratorio o realizando pruebas sobre los

motores en banco. Las clasificaciones más importantes son:

• API.

• ACEA.

• MILITARES.

• FABRICANTES DE VEHÍCULOS.

CLASIFICACIÓN “SAE”

La clasificación SAE fue creada por la Society of Automotive Engineers (Sociedad

Norteamericana de Ingenieros del Automóvil).

Esta clasificación toma como referencia la viscosidad del aceite lubricante en

función de la temperatura a la que está sometido durante el funcionamiento del

motor, por lo que no clasifica los aceites por su calidad, por el contenido de

aditivos, el funcionamiento o aplicación para condiciones de servicio especializado

o el tipo de motor al que va destinado el lubricante: de explosión o Diesel.

Establece una escala numérica de aceites de motor de 10 grados SAE, que

comienza en el grado SAE 0, indicativo de la mínima viscosidad de los aceites o

de su máxima fluidez. Conforme el número del grado va aumentando, la

viscosidad se va haciendo mayor y el aceite es más espeso.

Esta escala está dividida en dos grupos, como vemos en la figura:

1. En el primer grupo la viscosidad se mide a una temperatura de - 18º C, lo que

da una idea de su viscosidad en condiciones de arranque en frío y está dividido en

los seis grados SAE siguientes: SAE 0W, SAE 5W, SAE 10W, SAE 15W, SAE

20W, y SAE 25W. La letra W es distintiva de los aceites que se utilizan en invierno

y proviene del inglés (Winter).

Estos grados indican la temperatura mínima de utilización del aceite conservando

su viscosidad para circular bien por las tuberías y llegar a los lugares de engrase

con rapidez y a la presión adecuada, facilitando el arranque en frío.

Por ejemplo: un aceite clasificado SAE 10W, permite un arranque rápido en frío

del motor hasta temperaturas mínimas de -20º C. El aceite SAE 15W nos

garantiza el arranque rápido del motor en frío hasta temperatura mínimas de -15º

C.

2. En el segundo grupo la viscosidad se mide a una temperatura de 100º C, lo que

da idea de la fluidez del aceite cuando el motor se encuentra funcionando en

caliente. En este grupo se establecen cuatro grados SAE como son: SAE 20, SAE

30, SAE 40 y SAE 50.

Los motores modernos son cada vez más rápidos y están construidos con menor

tolerancia de montaje entre las piezas, lo que requiere la utilización de aceites de

bajo grado SAE, con la fluidez suficiente para circular libremente y que formen

películas de espesor más fino manteniendo el grado de lubricación. Debido a esto,

los fabricantes cada vez recomiendan aceites multigrado de baja viscosidad como

son los aceites SAE 5W-30 y SAE 10W-40, como vemos en la figura.

ACEITES MONOGRADO

Si consideramos cada uno de los grados SAE definidos anteriormente de forma

individual, obtenemos los denominados aceites monogrado ya que se designan

por un solo grado de viscosidad, que puede ser de invierno o de verano, e indica

los márgenes de temperatura dentro de los cuales, este aceite tiene un buen

comportamiento.

Los aceites monogrado son apropiados para su uso en zonas sometidas a pocos

cambios de temperatura ambiente a lo largo del año. Si existen cambios

importantes de invierno a verano, es necesario utilizar aceites de un grado SAE

bajo para el invierno (SAE 10 W) y otro aceite de grado SAE alto, para utilizar en

verano (SAE 40).

Entre los aceites monogrado se encuentran los siguientes:

• SAE 40. Usado para motores de trabajo pesado y en tiempo de mucho

calor (verano).

• SAE 30. Sirve para motores de automóviles en climas cálidos.

• SAE 20. Empleado en climas templados o en lugares con temperaturas

inferiores a 0º C, antiguamente se utilizaba para el rodaje de motores

nuevos. Actualmente no se recomienda su uso.

• SAE 10. Empleado en climas con temperaturas menores a 0º C.

Los aceites monogrado no son solicitados actualmente por ningún fabricante de

vehículos, dado lo limitado de su funcionamiento a diferentes temperaturas.

Solamente son utilizados en situaciones especiales como por ejemplo motores con

problemas de compresión, etc.

ACEITES MULTIGRADO

Cuando existen cambios importantes en la temperatura ambiente de una zona o

de un país, se pueden utilizar también aceites multigrado, de forma que, con la

utilización de un solo aceite, se cubre el engrase del motor durante todo el año.

Estos aceites, se formulan para mantener estable la viscosidad frente a los

cambios de temperatura y cumplir con los requerimientos de más de un grado de

esta clasificación por lo que se pueden utilizar en un rango de temperaturas más

amplio que los aceites monogrado.

Estos aceites se identifican por dos grados SAE, pertenecientes uno a cada grupo

de los mencionados anteriormente, como por ejemplo: SAE 10W40. Esto indica

que este aceite se comporta como un SAE 10W cuando el motor se encuentra a

bajas temperaturas, manteniendo la fluidez adecuada y favoreciendo el arranque

en frío del motor, y como un SAE 40, más espeso, cuando el aceite del motor se

encuentra entre 60º y 85º C durante el funcionamiento del motor.

Así para una mayor protección en frío, se deberá recurrir a un aceite que tenga el

primer número lo más bajo posible y para obtener mayor grado de protección en

caliente, se deberá incorporar un aceite que posea un elevado número para el

segundo.

En la figura anterior se muestra una comparación entre los aceites monogrado y

multigrado sus campos de aplicación. Los aceites multigrado presentan una serie

de ventajas sobre los monogrado como son:

• Son más estables ante los cambios de temperatura.

• Llegan rápidamente a las piezas debido a su baja viscosidad en frío.

• Permiten un arranque más rápido del motor en frío, con un menor

desgaste del mismo, mayor vida útil de la batería y del motor de

arranque. Esto se comprueba no solamente en climas fríos, sino

también a temperaturas ambiente moderadas como 20º C. La diferencia

entre un multigrado y un monogrado en estos casos es notoria ya que el

primero establece la lubricación adecuada en la mitad de tiempo que el

segundo.

• Eliminan la necesidad de cambios estacionales del aceite.

• Presentan mejores prestaciones para el trabajo a bajas temperaturas ya

que los huelgos en los motores modernos son cada vez menores, el

aceite debe fluir más rápidamente para llegar a las piezas vitales del

motor especialmente la lubricación del turbocompresor.

• También se comportan muy bien a altas temperaturas, con una película

más resistente a altas cargas que la de los aceites monogrado con una

disminución del desgaste general del motor.

• Existe un ahorro importante de lubricante, ya que se logra un excelente

sellado en la zona entre los segmentos y el pistón reduciendo el paso de

aceite hacia la cámara de combustión, donde se quema tras lubricar el

segmento superior.

• Existe un ahorro de combustible debido a su mayor fluidez a bajas

temperaturas que reduce las pérdidas de energía en el arranque y a su

mayor capacidad para reducir la fricción en las zonas calientes y críticas

del motor, gracias a los aditivos estabilizadores del índice de viscosidad.

• Mejoran sensiblemente la oxidación por degeneración.

ESTUDIO DE LUBRICANTES

La conversión del agua en vapor, trae consigo una serie de fenómenos estudiados

por la Física, tales como: presión, fuerza, trabajo, potencia, etc.; sin cuyo

conocimiento previo nos sería difícil definir y explicar el funcionamiento del

caldero. Cuando hablamos de conversión de agua en vapor nos referimos a la

generación de vapor, fenómeno que se lleva a cabo en las calderas y cuyo

provecho se utiliza tanto en las plantas térmicas, en la generación de potencia

como las plantas industriales. En lo que respecta a las unidades generadoras de

vapor (calderos), se podría decir que su evolución se viene dando desde el año

de 1919 hasta nuestros días, de modo que se pueda conseguir una unidad

generadora de vapor eficiente. Al hablar de calderas nos estamos refiriendo como

ya se dijo a su funcionamiento, al combustible que se utiliza, a la cantidad de aire

que se necesita para quemar el combustible, a los tipos de calderas, a sus

accesorios, al manejo y cuidado de las mismas, etc. Es así que cuando hablamos

de un generador de vapor moderno tomamos en consideración un caldero que

reúna las condiciones más óptimas de funcionamiento, y cuya finalidad sea la de

aprovechar al máximo la energía química del combustible y así lograr el objetivo

(conversión de agua en vapor), que como ya se dijo es un requerimiento primordial

en el campo industrial por sus múltiples aplicaciones.

ESTADOS DE VAPOR:

Una sustancia se halla en la fase de vapor si no se halla muy lejos de su fase

líquida, de manera que si se le entrega mayor cantidad de energía dicha sustancia

puede alcanzar al fase gaseosa. A diferencia de los gases que tienden a seguir

las leyes de gases ideales, los vapores se apartan mucho de éstas y sus

propiedades termodinámicas deben ser obtenidas mediante tablas o gráficas.

Diagrama T-s del vapor de agua

El diagrama anterior es un diagrama T-s general, válido para una sustancia típica

hipotética. En ella podemos observar una zona de líquido sub-enfriado o líquido

comprimido a la izquierda de la campana, y otra de vapor sobrecalentado, a la

derecha de la misma. En estas dos zonas se considera que la sustancia es

completamente líquida o completamente vapor. La zona dentro de la campana

corresponde a un estado de transición en la cual la sustancia se considera un

vapor húmedo, es decir, si consideramos que la sustancia es calentada, parte de

ella aún no se ha vaporizado, o si consideramos que la sustancia es enfriada,

parte de ella aún no se ha condensado. Así pues para la sustancia de esta

campana se puede definir una calidad x, que es la fracción (o porcentaje) en masa

que es vapor con respecto a la masa total de sustancia, o bien la humedad y, que

sería lo contrario, es decir la fracción en masa que es líquido con respecto a la

masa total de la sustancia:

total

vapor

m

mx

total

líquido

m

mx

La curva que forma la campana, a la izquierda del punto crítico recibe el nombre

de curva de líquido saturado y representa el lugar geométrico de todos los puntos

donde el x de la sustancia es 0. A la derecha del punto crítico esta curva recibe el

nombre de curva de vapor saturado (aquí x=1).

En materiales que no son amorfos, existe siempre cierta temperatura a la cual

ocurre la ebullición (comienzo de la vaporización) para una presión dada. Esta

temperatura se llama temperatura de saturación y será constante a través de todo

el proceso de vaporización (de A a B en la gráfica). La presión correspondiente se

llamará presión de saturación.

CALORÍMETROS SEPARADORES:

Este tipo de calorímetro se utiliza especialmente con vapores que por sus

características de presión o temperatura se suponen húmedos. Es estos casos la

densidad del vapor es sólo una puy pequeña fracción de la de las gotitas de agua

en suspensión. Así, a unos 20 kg/cm2, la densidad del agua saturada es

aproximadamente cien veces mayor que la del vapor saturado. Si se invierte

bruscamente la dirección del movimiento del vapor húmedo, las gotitas de agua

tienden a seguir en la dirección primitiva y, por lo tanto, se separan del vapor.

En los calorímetros separadores, el vapor de entrada se ve obligado a cambiar

bruscamente de dirección. Las gotitas de agua se separan y se juntan en la

cámara de separación. Un nivel indica el nivel de agua en la cámara separadora y

lleva una escala que permite leer la cantidad de agua presente. El vapor seco

continúa su camino por un pasaje que rodea la cámara de separación y a través

de un pequeño orifico en el fondo del calorímetro.

Cuando la presión en el lado de corriente abajo de un orifico es menor que

alrededor del 55 por ciento de la presión inicial (para el vapor), el caudal en peso a

través de un orifico de área dada es casi proporcional a la presión inicial. Debido

a esta proporcionalidad, puede agregarse una escala auxiliar al manómetro

utilizado para determinar la presión en la entrada del calorímetro. Esta escala

auxiliar indicará el flujo por unidad de tiempo (por lo general 10 minutos) a través

del orifico. Si el manómetro no cuenta con esta escala auxiliar, se puede

condensar y pesar el vapor que pasa por el orificio. El contenido de humedad del

vapor es

Donde:

S = peso del vapor que pasa por el orificio en un intervalo de tiempo dado.

M = peso del agua reunida en el mismo intervalo de tiempo.

De modo similar, el título del vapor es:

A continuación se muestra un típico calorímetro separador:

Errores comunes en la medición con calorímetros separadores:

Para obtener resultados válidos con el calorímetro separador, hay que reducir al

mínimo los siguientes errores o introducir las correcciones pertinentes:

1. Pérdidas de agua. Dado que la presión sobre el vidrio del nivel es la misma

que en la tubería de vapor, esta alta presión tiende a causar pérdidas a

través de las empaquetaduras. Dado que el contenido de agua del vapor es

por lo general pequeño, no es necesario que la pérdida sea muy grande para

que los resultados se vean sensiblemente alterados.

2. Pérdidas de calor. Aunque los efectos de pérdidas de calor se reducen al

mínimo en este calorímetro niquelando la superficie externa y haciendo que

el vapor separado actúe como una camisa para la cámara de separación, la

pérdida de calor es lo suficientemente importante como para hacer necesaria

una corrección en las determinaciones de precisión del título. La pérdida de

calor puede ser disminuida aún más cubriendo todo el calorímetro con un

gran espesor de aislante.

3. Área del orificio. Cuando el caudal de vapor se determina por medio del

manómetro, todos los factores (tales como oxidación, picado o basuras

alojadas en el orificio) que alteran el área del orificio producen un error en el

caudal medido.

4. Volumen de agua incorrecto. Es posible que, cuando el vapor es sucio o

aceitoso, el interior de la cámara de separación se revista de una capa que

altera sensiblemente su volumen efectivo.

Los calorímetros de separación, correctamente diseñados y usados, permiten

determinar el título con una precisión mucho mejor que 1%. Esto es válido para

vapores que tienen un contenido normal de humedad y que se hallan a presiones

no menores que 3,5 kg/cm2. Cuando la presión es muy baja (atmosférica o

menor), el volumen específico del vapor es tan grande que las pérdidas de calor

pueden introducir un error importante debido a que, entonces, el caudal de vapor

(masa) a través del orificio resulta muy pequeña.

CALORÍMETRO DE ESTRANGULAMIENTO.

La mayoría de los vapores saturados dan lugar a un vapor sobrecalentado cuando

se los somete a un proceso de estrangulación. El estado de un vapor

sobrecalentado está determinado por su presión y temperatura.

La estrangulación causa normalmente una gran reducción del caudal. Así, la

energía cinética antes del dispositivo de estrangulación es muy baja y resulta

despreciable. Durante la estrangulación del fluido, hay un aumento de velocidad

y, por tanto de energía cinética. No obstante, esta energía cinética desaparece a

poca distancia del punto en que se produce la restricción. El hecho de que el

fluido conserve o no una cantidad apreciable de energía cinética dependen del

área trasversal del flujo, de la densidad del flujo y del caudal expresado en

unidades de msa por unidad de tiempo. Es posible diseñar el dispositivo de

estrangulación de manera que no haya una variación apreciable de la energía

cinética.

Si el estrangulador está diseñado de manera que no haya variación neta

apreciable de la energía cinética ni intercambio apreciable de calor, no hay

entonces una variación apreciable de entalpía y se puede considerar como un

proceso de entalpía constante.

El calorímetro de estrangulación está previsto para producir la estrangulación de

vapores saturados, dando lugar así a vapores sobrecalentados cuya temperatura y

presión pueden medirse. Éstas a su vez permiten la determinación de las demás

propiedades.

Al usar el calorímetro de estrangulación, se supone que la entalpía del vapor en el

calorímetro, tal como queda determinada por la presión y la temperatura es igual a

la del vapor en la tubería. Si se mide la presión en la tubería, entonces se puede

determinar la calidad del vapor que circula por ésta: para una presión de

saturación dada se pueden obtener de tablas hf y hfg (entalpías de líquido

saturado y diferencia de entalpías entre éste y vapor saturado, ambos para dicha

presión).

Luego:

De donde se puede obtener la calidad, a partir de la cual se pueden obtener todas

las otras propiedades del vapor.

A continuación vemos la disposición típica de un calorímetro de estrangulación:

Para la experiencia realiza se ha utilizado un calorímetro universal, que consiste

en la unión en serie de un calorímetro separador seguido de un calorímetro de

estrangulamiento.

CALDERO MARCET:

La experiencia en mención se basa en la determinación del calor latente de

vaporización mediante la ecuación de Clapeyron.

La deducción de la ecuación mencionada se basa en una de las relaciones de

Maxwell:

(

) (

)

…………………(1)

Entonces, considerando la ecuación anterior en condiciones de equilibrio para las

condiciones de evaporización, tenemos que T = C, y las condiciones de P y T no

son funciones del volumen y los límites de integración están definidos desde

liquido saturado hasta vapor saturado, por:

( )

( )

…………………….. (2)

Donde:

Es la pendiente de la curva que separa la fase liquida y vapor del diagrama P y

T.

Se puede aplicar este mismo principio en la fase Solido - Líquido.

Diagrama P-T del agua

Además:

De la Primera Ley de la Termodinámica:

( )

Así mismo, durante el cambio de estado del agua en vapor se lleva a cabo un

proceso de P y T constante, entonces:

( )

Donde: ( ) se conoce como función de GIBBS (G) y para dos fases en

equilibrio: G = 0

Entonces:

y

Haciendo la consideración durante la Evaporización y a bajas presiones el vapor

se comporta como gas ideal y que es despreciable comprado con tenemos:

⁄ …………………… (3)

(3) en (2):

Ecuación de CLAPEYRON

Donde:

p = presión saturada (KPa)

T = temperatura de saturación (K)

R= constante del vapor = 0.46152

Es necesario acotar que esta ecuación nos proporciona valores más o menos

exactos del calor latente de vaporización a varias presiones y permite verificar su

compatibilidad del con los datos experimentales.