ÍNDICE
INTRODUCCIÓN......................................................................................2
I. OBJETIVOS.........................................................................................3
II. FUNDAMENTO TEORICO................................................................3
2.1 VISCOSIDAD................................................................................3
2.1.1 Viscosidad Dinámica..............................................................4
2.1.2 Viscosidad Cinemática...........................................................4
2.1.3 Medidor de Viscosidad...........................................................5
2.1.4 Influencia de la presión y temperatura.................................5
2.2. ACEITES LUBRICANTES.............................................................5
2.2.1 CLASIFICACIÓN SAE.............................................................7
III. METODOLOGIA............................................................................12
3.1 EQUIPOS y MATERIALES........................................................12
3.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL......................................13
IV. TABLAS , CÁLCULOS Y RESULTADOS................................14
V. CONCLUSIONES.............................................................................20
VI. RECOMENDACIONES.................................................................20
VII. REFERENCIA BIBLIOGRAFICA................................................20
INTRODUCCIÓN
La viscosidad es la principal característica de la mayoría de los productos lubricantes. Es la medida de la fluidez a determinadas temperaturas.
Si la viscosidad es demasiado baja el film lubricante no soporta las cargas entre las piezas y desaparece del medio sin cumplir su objetivo de evitar el contacto metal-metal, si la viscosidad es demasiado alta el lubricante no es capaz de llegar a todos los intersticios en donde es requerido.
Al ser alta la viscosidad es necesaria mayor fuerza para mover el lubricante originando de esta manera mayor desgaste en la bomba de aceite, además de no llegar a lubricar rápidamente en el arranque en frio.
La medida de la viscosidad se expresa comúnmente con dos sistemas de unidades SAYBOLT (SUS) o en el sistema métrico CENTISTOKES (CST).
Como medida de la fricción interna actúa como resistencia contra la modificación de la posición de las moléculas al actuar sobre ellas una tensión de cizallamiento.
La viscosidad es una propiedad que depende de la presión y temperatura y se define como el cociente resultante de la división de la tensión de cizallamiento (t) por el gradiente de velocidad (D).
m =t / D
Con flujo lineal y siendo constante la presión, la velocidad y la temperatura.
Afecta la generación de calor entre superficies giratorias (cojinetes, cilindros, engranajes). Tiene que ver con el efecto sellante del aceite. Determina la facilidad con que la maquinaria arranca bajo condiciones de baja temperatura ambiente.
I. OBJETIVOS
Determinar la viscosidad de una muestra de Aceite lubricante en
el viscosímetro Engler.
Analizar la variación de la viscosidad de un fluido liquido con el
cambio de Temperatura.
II. FUNDAMENTO TEORICO
La capacidad de un líquido para fluir se mide por la viscosidad. Las
viscosidades disminuyen con el aumento de la temperatura, pues las
partículas se mueven más rápidamente por tener mayor energía y por lo
tanto se pueden escapar de sus vecinas con mayor facilidad, es una
característica de cada sustancia liquida pura, por ende es una propiedad
termodinámica intensiva y está relacionada con su resistencia a fluir.
II.1 VISCOSIDAD
La viscosidad se puede definir como una medida de la resistencia a la
deformación de fluido. Dicho concepto fue introducido por Newton, que
relaciona el esfuerzo cortante con la velocidad de deformación
(gradiente de velocidad).
τ=μ dvdy
El factor de proporcionalidad para el fluido viscoso es la viscosidad
dinámica o absoluta, dv/dy es la rapidez de deformación o gradiente de
velocidad normal. v es la velocidad del fluido y у es la distancia medida
desde la pared y σ es el esfuerzo cortante.
Es la propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se
le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta
resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La
fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a
las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se mide
con un recipiente (viscosímetro) que tiene un orificio de tamaño conocido
en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale por el orificio es una
medida de su viscosidad.
Las unidades de viscosidad más utilizadas son los miliPascales segundo
[mPa·s]. 1000 mPa·s = 1 Pa · s
Además, el sistema cegesimal (C.G.S) aún se sigue usando, siendo la
unidad de medida el centipoise [cp].
• 1 cp = 1 m Pa·s
• 1 Poise = 1 g/cm·s o 100cp
II.1.1 Viscosidad Dinámica
Llamada también viscosidad absoluta, es medida por el tiempo que
tarda el líquido en fluir a través de un tubo capilar a una determinada
temperatura. Sus unidades son el poise siendo muy utilizada a fines
prácticos.
II.1.2 Viscosidad Cinemática
Es el tiempo requerido para que una cantidad fija de un líquido fluya
a través de un tubo capilar bajo la fuerza de gravedad.
Matemáticamente se expresa como el cociente de la viscosidad
dinámica (o absoluta) y la densidad de un fluido, ambos a la misma
temperatura.
v=μρ
II.1.3 Medidor de Viscosidad
La medida de la viscosidad se hace con diversos tipos de
viscosímetros, como el Rehotest, el Rehomat, el viscosímetro de
Engler, Redwood, Sayball universal, Mac Michel, de caídas de bolas,
viscosímetro de tubos concéntricos, etc.
II.1.4 Influencia de la presión y temperatura
Para temperaturas elevadas, la viscosidad de los líquidos es muy
pequeña; para un valor de temperatura tendiendo a infinito, el valor
de esta viscosidad es cero, de la misma manera si la temperatura es
muy baja la viscosidad de los líquidos es bastante alta.
2.2. ACEITES LUBRICANTES
Antes que todo, sepamos un poco cual es la función del aceite. No
solamente lubrica, sino que tiene que mantener limpio el motor y también
refrigerarlo, ya que en su interior las temperaturas varían según el lugar
y su desempeño. Por ejemplo en la cabeza del pistón la temperatura es
elevadísima en el momento de la combustión, llegando casi a los 1200
grados centígrados. Por todo esto y demás es que el aceite debe ser el
indicado si queremos tener nuestro automóvil en condiciones y sin
sobresaltos.
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:
A. Clasificación por su 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.
B. 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.
2.2.1 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:
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
multigrados de baja viscosidad como son los aceites SAE 5W-30 y SAE 10W-
40.
ACEITE 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.
ACEITE MULTIGRADO
Cuando existen cambios importantes en la temperatura ambiente de una
zona o de un país, se pueden utilizar también aceites multigrados, 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.
Los aceites multigrados presentan una serie de ventajas sobre los
monogrado, por ejemplo:
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.
III. METODOLOGIA
III.1 EQUIPOS y MATERIALES
Viscosímetro Engler
Dos termómetros de mercurio (0 ºC – 100 ºC), uno para el aceite y otro
para el agua.
Un cronómetro, para medir los tiempos de vaciado del agua y del aceite.
Un bastidor o soporte del viscosímetro con calentador a gas
incorporado.
Un recipiente graduado de 500 ml.
Agua limpia, destilada preferentemente aproximadamente 250 ml.
Aceite lubricante cuyo grado SAE deberá determinarse,
aproximadamente 250ml.
Descripción del equipo
El viscosímetro Engler es un dispositivo que se emplea para medir la
viscosidad cinemática aproximado de aceites hasta un grado SAE60 con
buena eficiencia.
Está conformado por una taza metálica central, con tapa, revestida de
bronce, en cuyo fondo tiene un agujero central de 2.80 mm de diámetro
por donde fluirá el aceite, este agujero se mantiene cerrado mediante un
pin obturador de metal, que puede ser lavado sin necesidad de abrir la
tapa. Un recipiente para agua circunda a la taza y sirve para calentar el
agua (baño maría) que mantendrá al aceite a una temperatura uniforme
en toda la taza utilizando el agitador incomparado al equipo.
III.2
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. Nivelacion del equipo, para ello se familiariza con los instrumentos de trabajo para posteriormente trabajar sin inconvenientes.
2. Llenar la taza central con agua, llevándola a la temperatura de 20 °C
3. Determinar el tiempo de vaciado de 200 mL de agua, para ello se llenó la taza central del viscosímetro con agua, luego en un vaso de precipitado colocado debajo del viscosímetro se tomó el tiempo de caída de los 200 mL de agua.
4. Llene la taza central con aceite y el recipiente que circunda con agua. Coloque los termómetros en los depósitos respectivos
5. Lleve el aceite hasta una temperatura de 45 ºC
6. Tome el tiempo de vaciado de 200 ml de aceite, cuando se haya
alcanzado la temperatura deseada y mantenida constante durante
aprox. 5 minutos
7. Anote el resultado en una tabla con los demás datos
8. Repetir los pasos 6 , 7 y 8 a Temperaturas para el aceite de 50 , 60 y 70
°C
9. Durante el proceso, agite constantemente el agua para uniformizar la
temperatura alrededor de la taza de aceite.
10. Con los tiempos de vaciado del aceite lubricante para cada temperatura
determinar los grados Engler, viscosidad del aceite lubricante y la
variación de la viscosidad del aceite con el cambio de temperatura.
IV. TABLAS , CÁLCULOS Y RESULTADOS
EXPERIENCIA
N°
TEMPERATURA
DEL AGUA ( ° C )
TEMPERATURA
DEL ACEITE ( °C)
TIEMPO DE VACIADO DEL
ACEITE (segundos)
1 43 45 9222 46 50 3943 57 60 3314 72 70 240
“t” de vaciado de 200 ml de agua a 20°C = 52 seg.
1.- Determinación de los grados Engler:
° E= t de vaciado de200ml deaceite aT °Ct de vaciado de200ml deaguaa20 ° C
A) Para la 1ra experiencia:
° E1=t de vaciado de200mlde aceite a45 °Ct de vaciado de200mlde aguaa20 °C
° E1=92252
=17.73
B) Para la 2da experiencia:
° E2=t de vaciado de200mlde aceite a50 ° Ct de vaciado de200mlde aguaa20 °C
° E2=39252
=7.5769
C) Para la 3ra experiencia:
° E3=t de vaciado de200ml deaceite a60° Ct de vaciado de200ml deaguaa20 °C
° E3=33152
=6.365
D) Para la 4ta experiencia
° E3=t de vaciado de200ml deaceite a70 ° Ct de vaciado de200ml deaguaa20 °C
° E3=24052
=4.6154
2.- Determinación de la viscosidad Cinemática:
υ=0.0731 ° E−0.0631° E [ cm2
S ]
Para la 1era experiencia
υ1=0.0731 ° E1−0.0631° E1
=0.0731×17.73−0.063117.73
υ1=1.2925cm2
S
Para la 2da experiencia
υ2=0.0731 ° E2−0.0631° E2
=0.0731×7.5769−0.06317.5769
υ2=0.5455cm2
S
Para la 3ra experiencia
υ3=0.0731 ° E3−0.0631° E3
=0.0731×6.365−0.06316.365
υ3=0.45536cm2
S
Para la 4ta experiencia
υ4=0.0731° E4−0.0631° E4
=0.0731×4.6154−0.06314.6154
υ4=0.32371cm2
S
Resultados
Experiencia N° Viscosidad cinemática cm2/s
Temperatura ° C
1 1.2925 45
2 0.5455 50
3 0.45536 60
4 0.3237 70
40 45 50 55 60 65 70 750
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Gráfica: Viscosidad cinemática vs Temperatura
Temperatura °C
Visc
osid
ad C
inem
ática
( cm
/s^2
)
Determinamos viscosidad dinámica:
Dato:ρaceite=891kg
m3
Para la experiencia 1:
Se sabe que:
μ1=ρ∗v1
μ1=891kgm3∗1.2925
cm2
S∗1m2
(100cm )2=115.16175∗10−3 Pa∗s
Similarmente para los demás
μ2=48.6∗10−3Pa∗s
μ3=40.5∗10−3Pa∗s
μ4=28.84∗10−3 Pa∗s
Se aproxima a un aceite de grado SAE 40°
V. CONCLUSIONES
Se llegó a determinar la viscosidad cinemática para cada experiencia,
siendo determinantes para hallar dicha viscosidad, el tiempo de vaciado
del aceite a una determinada temperatura y también el cálculo de los
grados Engler.
Mediante la gráfica se puede observar la variación que tiene la
viscosidad con la temperatura, en el caso de la experiencia 2
posiblemente no hubo una medición adecuada del vaciado del aceite.
VI. RECOMENDACIONES
Vaciar los líquidos cuidadosamente ya que el derramar o desperdiciar
líquido puede alterar nuestros resultados.
VII. REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
Joseph B. Francin i- John Finnemore, MECANICA DE FLUIDOS, novena edición, Mc Graw Hill 1999