Viscosidad de los combustibles líquidos
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Objetivos.
Introducción. viscosidad absoluta y viscosidad cinemática, unidades
Los viscosímetros
Viscosímetro Saybolt
Viscosímetro Redwood
Viscosímetro Engler
Variaciones de la viscosidad con la temperatura
Formulario de Registro de Datos
Panel de salida. Resultados
Introducción.
La viscosidad es la propiedad de los líquidos de ofrecer resistencia al desplazamiento relativo de sus moléculas dentro de su masa. Este movimiento relativo puede ocurrir de manera caótica, como en el caso del flujo turbulento o en forma ordenada, como es el caso del flujo laminar.
El coeficiente de viscosidad es una propiedad característica de cada líquido y es usual denominarlo viscosidad absoluta. En el sistema métrico absoluto las unidades de este coeficiente se expresan en gramo-masa/cm - seg, unidad conocida como poise, teniendo como divisor el centipoise, que es la centésima parte del poise y coincide aproximadamente con la viscosidad del agua destilada a 20 ºC o 68 ºF.
Se le llama poise a la fuerza tangencial o esfuerzo de fricción para rozar una capa de fluido de 1 cm2 y de 1 cm de espesor, a una velocidad de 1 cm por segundo. Medir la viscosidad absoluta resulta complicado por lo que la determinación de la viscosidad en los laboratorios se realiza mediante equipos sencillos que miden el tiempo en que fluye una cantidad determinada de producto a través de un tubo capilar graduado. Estos análisis generalmente se realizan a temperaturas estandarizadas según el tipo de instrumento utilizado.
La viscosidad cinemática de un líquido se define como el resultado de dividir la viscosidad absoluta, gramos -masa/cm - seg, entre su densidad g/cm3.
La relación entre ambas viscosidades se demuestra a continuación:
| |
gramos -masa/cm - seg |
| cm2/seg= |
------------------------------------ |
| |
gramos -masa/cm3 |
Las unidades en que se reporta la viscosidad cinemática es el cm2/seg, unidad conocida como el stokes y tiene como divisor el centistokes que es la centésima parte del stokes.
Existen gran cantidad de aparatos para medir la viscosidad. Se les conoce, en general, con el nombre de viscosímetros. Cada uno de ellos reporta la magnitud en unidades diferentes y a temperaturas diferentes. Nos limitaremos a describir sólo los más conocidos y que son utilizados en los laboratorios actuales de combustibles y lubricantes .
Los viscosímetros.
Los viscosímetros se pueden clasificar de acuerdo al sistema que emplean para medir la viscosidad en 3 grupos: sistema capilar, sistema rotacional y sistema de arrastre. Los del primer grupo, que son los de mayor presencia y aplicación en los laboratorios, está integrado por:
Viscosímetro Saybolt Universal (SSU). Temperaturas de 100, 130, y 210 ºF
Viscosímetro Saybolt Furol (SSF). Temperaturas de 70, 122 ºF
Viscosímetro Redwood. Temperaturas de 70, 140, 212 ºF
Viscosímetro Engler. Temperaturas de 20 ºC (68 ºF), 50 ºC (122 ºF ), 100 ºC (212 ºF)
De este grupo describiremos los tres más empleados internacionalmente:
Viscosímetro Saybolt. Es el que goza de mayor popularidad en América. La viscosidad se determina indirectamente midiendo el tiempo requerido para descargar en el frasco calibrado una cantidad determinada de líquido que fluye por un tubo capilar de diámetro determinado, a una temperatura específica. El tiempo se mide en segundos y consecuentemente la viscosidad se expresa en unidades Saybolt. Existen dos medidas normalizadas para el diámetro del tubo capilar del viscosímetro Saybolt, lo que determina dos escalas de medidas a saber, el segundo saybolt universal (SSU) que corresponde al diámetro menor y el segundo Saybolt Furol (SSF) que corresponde al diámetro mayor. Las lecturas para un mismo combustible o lubricante a la misma temperatura serían diez veces menores con el diámetro capilar correspondiente al SSF que con el capilar correspondiente al SSU. ( a menor diámetro del capilar, mayor es el tiempo que demora en fluir un mismo volumen a temperatura constante).
El viscosímetro Saybolt por basarse en el sistema capilar dará valores proporcionales a la viscosidad cinemática del líquido, por consiguiente podemos considerar los segundos Saybolt como una unidad de medida práctica de la viscosidad cinemática.
La relación entre las unidades del viscosímetro Saybolt (SSU) y el stokes, para combustibles y lubricantes de viscosidades cinemáticas no menores de 30 centistokes, viene dada con suficiente aproximación por la igualdad de la fila 1 en la siguiente Tabla. En el caso de líquidos muy fluidos, con viscosidades inferiores a 30 centistokes, debe aplicarse la fórmula corregida de la fila 2 para la conversión a stokes:
| fila 1 |
N(stokes)=0.0022 t (SSU) , siendo t en seg |
| fila 2 |
N(stokes)=0.0022 t - (1.80/t) (SSU) |
multiplicando los segundos Saybolt universal (SSU) por el coeficiente 0.0022 se obtienen el equivalente en stokes. Para el caso de combustibles muy fluidos, se realiza la corrección restando al valor anterior el cociente de dividir 180 entre los SSU. En ambas expresiones se obtendrá, con suficiente aproximación, la viscosidad cinemática en stokes. Por ejemplo, un fuel_oil o derivado ligero que tiene una viscosidad de 50 SSU, la viscosidad cinemática equivalente es de (expresión en fila 2) :
1.80/50 = 3.6E-02
0.0022*50=0.11
stokes=0.11-
3.62E-02=0.074 stokes = 7.4 centistokes
Si el combustible es un fuel_oil pesado con una viscosidad de 500 SSU, su equivalente cinemática es (expresión en fila 1) :
0.0022*500=1.1 stokes = 110 centistokes
Viscosímetro Redwood.
El viscosímetro Redwood de igual modo que en el viscosímetro Saybolt
se utilizan tubos capilares de dos diámetros diferentes lo que da origen a dos escalas de medida, o sea, la determinación por el viscosímetro Redwood No. 1 que tiene diámetro menor, y la determinación por el viscosíimetro Redwood no. 2 , que tiene diámetro mayor.
Cuando la determinación se realiza con el instrumento No. 1, el resultado se expresa en segundos Redwood normal (SRN); y cuando se realiza con el instrumento No.2, el resultado se expresa en segundos Redwood almirante (SRA).
La relación entre la viscosidad cinemática expresada en segundos Redwood normal y la expresada en stokes, se obtiene aplicando la siguiente expresión corregida:
| N(stokes) = 0.0026 t (SRN) - |
1.88 |
| ----------------------------------- |
| t (SRN) |
| , siendo t en seg |
multiplicando los segundos Redwood normal por el coeficiente 0.0026 y restando el cociente que resulta de dividir 1.88 entre el tiempo obtenido en segundos Redwood normal, se obtendrá, con suficiente aproximación, la viscosidad cinemática en stokes. Por ejemplo, un fuel_oil o derivado que tiene una viscosidad de 250 SRN, la viscosidad cinemática equivalente es de:
1.88/250 = 7.52E-03
0.0026*250=0.65
stokes=0.65-
7.52E-03=0.642 stokes = 64.2 centistokes
Viscosímetro Engler. Es un instrumento para medir la viscosidad cinemática de uso muy extendido en Europa continental. en principio es un viscosímetro de tipo capilar que se opera en forma muy semejante al Saybolt. con este instrumento se obtienen determinaciones referidas a dos tipos de unidades diferentes, segundos engler y grados Engler. Los grados Engler constituyen en realidad las unidades derivadas de este instrumento que más se conocen y emplean. La relación entre la viscosidad cinemáticas expresada en grados Engler y el stokes se obtiene, con suficiente aproximación, aplicando la siguiente fórmula:
| N(stokes) = 0.076 grados Engler |
multiplicando los grados Engler por el coeficiente 0.076 se obtendrá, con suficiente aproximación, la viscosidad cinemática en stokes. Por ejemplo, un fuel_oil o derivado que tiene una viscosidad de 5 grados Engler (5 ºE) , la viscosidad cinemática equivalente es de:
0.076*5 ºE= 0.38 stokes = 38 centistokes
El procesador que a continuación de publica considera que una vez realizada la determinación en el laboratorio de la viscosidad de un combustible, el usuario convierte las unidades reportadas por el instrumento a uinidades de viscosidad cinemática empleando para ello las expresiones empíricas anteriormente presentadas.
Variaciones de la viscosidad con la temperatura.
Los cambios de la viscosidad con la temperatura tienen características particulares en los hidrocarburos líquidos combustibles y lubricantes. Esto es debido a que los mismos están constituidos por una variada gama de cadenas de carbono y otros compuestos orgánicos en proporciones difíciles de determinar lo que hace que combustibles aparentemente similares tengan diferentes comportamientos en sus relaciones de temperatura y viscosidad. La relación entre ambas magnitudes dista mucho de ser proporcional. Para cada combustible y lubricante existirá una relación particular.
En la figura que sigue encontramos la escala de viscosidad en unidades cinemáticas, grados Engler (ºE) y centistokes, y la variación con la temperatura que experimetaría cuatro combustibles líquido típicos para los niveles de 20 ºC (68 ºF), 50 ºC (122 ºF) y 100 ºC (212 ºF). El combustible 1 se encuentra a 20 ºC y su viscosidad es de 15 ºE, al aumentar su temperatura su viscosidad descendió a 5.5 ºE y cuando lo calentamos a 100 ºC, disminuyó a casi 2 ºE. Esta relación no es lineal, por eso la carta de fondo de la figura que sige es logaritmica. El comportamiento anterior es propio del combustible 1 y el resto tiene características semejantes pero no identicas.
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El Formulario convertidor de unidades de viscosidad se ha diseñado basándose en las unidades más usadas internacionalmente que son para la viscosidad absoluta el poise, centipoises; y para las unidades de viscosidad cinemática el stokes, centistokes y grados Engler. El procesador es capaz de convertir las unidades absolutas a cinemáticas y vis., siempre que se registre la densidad del combustible a la misma temperatura base. De no reportarse la viscosidad y la densidad bajo la misma base o referencia, el resultado será aproximado.
