Experimento 5. Viscosidad de líquidos no newtonianos

Transcripción

1 Experimento 5 Viscosidad de líquidos no newtonianos 1. PROBLEMA Para cada uno de los líquidos suministrados, describir el comportamiento de la viscosidad en un reograma e indicar de qué tipo de fluidos se trata. 2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1 Medidas de higiene y seguridad Mantener los recipientes con los líquidos tapados con parafilm. Secar cualquier derrame de líquidos en la mesa de trabajo. Mantener los líquidos usados en los mismos recipientes. No tallar los husillos con fibra, sólo enjuague con agua. 2.2 Materiales Vaso de precipitados de 600 ml. Medidor Vernier. Agitador de vidrio. Viscosímetro Brookfield DV++ con accesorios. 2.3 Sustancias Aceite 500 ml (líquido 1). Pintura vinil-acrílica 500 ml (líquido 2). 2.4 Servicios auxiliares Corriente eléctrica de 110 volts. 2.5 Descripción del equipo El equipo consta de un viscosímetro Brookfield rotacional digital (1) con soporte (2), husillo (3) (en presentación de diferentes tamaños) y termopar (4). Los tornillos de la base (5) se pueden girar para lograr una mejor nivelación del equipo.

2 2.6 Fotografía del equipo 2.7 Desarrollo experimental Preparación del equipo 1. Colocar el viscosímetro en su soporte según la figura, conectar a la corriente eléctrica sin encender. 2. Conectar el cable del termopar al viscosímetro y sujetar el termopar al vaso con sustancia con ayuda del clip. 3. Nivelar con la burbuja que está en la parte superior del viscosímetro, primero moviendo suavemente la cabeza del mismo, y luego girando los tornillos de la base. 4. Colocar el husillo elegido anotando el número indicado en la parte superior del mismo. Operación del equipo 5. Encender el viscosímetro oprimiendo el botón ON/OFF de la parte trasera. Esperar a que se realice el Autocero, indicado en la pantalla. 6. Seguir las instrucciones que se muestran en la pantalla del viscosímetro, utilizando el cuadro de flechas y oprimiendo suavemente el tablero digital. 7. Si en la pantalla aparece otro número de husillo al colocarlo, presionar SELECT SPINDLE (SP) y con ayuda de las flechas UP o DOWN indicar el número del husillo. Volver a presionar SP. Sobre la pantalla se modificará el valor del número del husillo. Esto debe hacerse dentro de los primeros 5 segundos. 8. Si desea ver sobre la pantalla el valor obtenido de la viscosidad (cp), en lugar del % de torque, presionar SELECT DISPLAY. 9. Si desea una velocidad previa del husillo, usar las flechas. Esta velocidad aparecerá a la derecha de RPM y la velocidad actual (si el motor está encendido) aparecerá a la izquierda de RPM. 10. Para cambiar la velocidad del husillo presionar la tecla SET SPEED. Se tomará la velocidad previa por la actual, así que deberá fijar otra velocidad previa si quiere cubrir el rango de velocidades que tiene el viscosímetro. Elegir el rango de velocidades de 0 a 100 RPM.

3 11. Detener el motor oprimiendo el botón MOTOR ON/OFF. Determine lo siguiente Antes de iniciar realice un precorte al líquido, agitando suavemente con un agitador de vidrio por espacio de 1 min. A. Bajar la cabeza del viscosímetro hasta sumergir el husillo según la marca del mismo en el líquido problema. B. Con el motor apagado (MOTOR OFF) elegir una velocidad angular Ω inicial de 1 RPM. Encender el motor (MOTOR ON) y registrar el torque (%) y la viscosidad (cp). Incrementar las velocidades RPM hasta 100 y registrar los valores obtenidos en la tabla anexa. C. Detener el MOTOR, elevar el husillo por arriba del líquido, dejar reposar por unos minutos la muestra líquida y realizar un precorte. D. Repetir el paso (A), disminuyendo las velocidades de 100 a 1 RPM. Registrar los torques (%) y viscosidades (cp) obtenidas en la tabla anexa. E. Parar el MOTOR, elevar la cabeza del viscosímetro y retirar el husillo. F. Elegir la muestra 2, colocar el husillo adecuado en el viscosímetro y registrar su número. G. Repetir los pasos (A) a (D) para la segunda muestra líquida. Recomendaciones: Procurar que no le entren demasiadas burbujas de aire al fluido cuando lo coloque en el recipiente ( por qué es necesario considerar esto?). Sumergir el husillo en el fluido hasta su marca de inmersión. Considerar el husillo adecuado si para todo el rango de las velocidades se obtienen lecturas de la viscosidad. Si aparece en la pantalla del viscosímetro EEEE se debe elegir otra velocidad, o bien, cambiar el husillo. Presionar MOTOR ON/OFF para apagar el motor, cada vez que se eleve o baje la cabeza del viscosímetro. El torque total (TOTAL) del viscosímetro RV es de dinas/cm; es decir corresponde al 100%. Por tanto, calcular el Torque a partir el % Torque leído en el viscosímetro. Paro del equipo 12. Oprimir el botón de paro MOTOR OFF y apagar el viscosímetro (ON/OFF). 13. Elevar la cabeza del viscosímetro y retirar el husillo. 14. Limpiar y lavar el husillo sólo con agua y jabón, sin fibra, secarlo bien. Medir el diámetro y espesor del plato. 15. Retirar y limpiar el termopar junto con el clip. 16. Desconectar el cable eléctrico de la corriente y retirarlo del viscosímetro.

4 17. Quitar la cabeza del viscosímetro del soporte y guardarlo en su caja con cuidado, junto con los cables de corriente y el termopar. 18. Desarmar y guardar el soporte en su caja. 2.8 Información experimental Considere que: Al girar el husillo, éste corta al fluido; el fluido pone resistencia a la deformación. De acuerdo al siguiente esquema, en donde se aplica la fuerza, sobre qué área, a que corresponde el brazo de palanca. Haga las medicones correspondientes para calcular el área. Recuerde el Torque se define como la Fuerza* Brazo de palanca. La fuerza que deforma al fluido entre el área de corte será el esfuerzo al corte. 3. CUESTIONARIO

5 1.- Graficar los valores de torque con la velocidad angular Ω para cada fluido, (Gráfica 1). Explicar el comportamiento. 2. Si el torque es función de la velocidad angular aplicada, cómo se relaciona con el esfuerzo cortante que se aplica al fluido? Según sus observaciones experimentales, cuál considera que será el área de contacto entre el husillo y el fluido? 3. Obtener la velocidad de corte dv θ /dr (1/s) para cada fluido a partir del cálculo de cada esfuerzo cortante y viscosidad Brookfield. 4. Representar en una gráfica (Gráfica 2) la relación que guarda el esfuerzo cortante (Dinas/cm 2 ) a la velocidad de corte (1/s) para cada fluido. Existe un cambio en la tendencia de los puntos con respecto a la Gráfica 1? En la Gráfica 2 qué representa la pendiente de esta línea? Explique. 5. Proponer el modelo reológico empírico de cada fluido con base en las gráficas anteriores de esfuerzo vs Velocidad de corte. 6. En cuál de los líquidos no se presenta una dependencia de la viscosidad con la velocidad de corte? Y en cual si? 7. En cuál de los líquidos se presenta una mayor resistencia a fluir para bajas velocidades de corte? Y cuál para altas? 8. Dado el comportamiento observado de los líquidos en la Gráfica 4, diga de qué tipos de fluidos se trata? 4. NOMENCLATURA Ω Velocidad angular en (rpm) T Torque en (Dinas/cm2) µ Viscosidad en (cp) 5. BIBLIOGRAFÍA Bird, R., Steward, W., and Lightfood, E. Transport Phenomena, John Wiley & Sons, 2nd Ed., New York, Barnes, H., Hutton, J. and Walters, K. An Introduction to Rheology, Elsevier Science B.V., Amsterdam, Morrison, F.A. Understanding Rheology, Oxford University Press, New York, 2001.