Análisis Del Comportamiento Viscoelástico De Fluidos Utilizando Un Reómetro De Cilindros Concéntricos

Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Ingeniería

Materiales no Metálicos

Análisis del comportamiento viscoelástico de fluidos utilizando un reómetro de cilindros concéntricos

Semestre 2015-1

Introducción

Para estudiar las propiedades de flujo de un fluido dado debe seleccionarse un viscosímetro adecuado; en el mercado existe una gran diversidad de aparatos que pueden adecuarse a nuestras necesidades, y en casos muy raros es necesario diseñar y construir uno. La mayoría de los viscosímetros que hay en el mercado dan un único valor de viscosidad (trabajan a una única velocidad de deformación) lo cual es útil si el fluido es newtoniano pero puede dar lugar a sacar conclusiones erróneas si es un fluido no newtoniano. Por ejemplo en la figura 1 se muestra un caso hipotético de la viscosidad que se podría observar al tomar una única medida; si se midiera la velocidad de deformación en X se afirmaría que A es más viscoso que B, en Y se diría que A y B son igual de viscosos y en Z se diría que B es más viscoso que Z.

Figura 1. Viscosidad frente a velocidad de deformación para dos fluidos con diferente comportamiento. (Fuente: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, 2001).

En este punto podríamos tener la duda de ¿En qué condiciones tengo que medir la viscosidad? Si se trata de un fluido no newtoniano siempre deberíamos intentar medir la viscosidad a una velocidad de deformación lo más parecida a las condiciones a las que se va a someter el fluido. Al margen de lo dicho, lo más aconsejable es siempre intentar obtener la curva de flujo cuando estemos estudiando un fluido no newtoniano, lo cual presenta el inconveniente de que los instrumentos necesarios son más caros.

Un estudio completo del comportamiento viscoso de los fluidos, que permita mostrar las diferencias entre newtonianos y no newtonianos resulta algunas veces irrealizable en los laboratorios de enseñanza, debido principalmente a los costos elevados de los equipos comerciales (viscosímetros y reómetros). Por este motivo, el presente trabajo ilustra cómo construir un viscosímetro de cilindros concéntricos de bajo costo, para determinar el comportamiento viscoso que exhiben los fluidos newtonianos y los no newtonianos, el cual puede ser construido por los mismos estudiantes permitiendo desarrollar su creatividad así como sus habilidades experimentales.

Del mismo modo, este trabajo pretende conducir experiencias que permitan al estudiante distinguir entre fluidos newtonianos y no newtonianos, introduciéndolo de manera general a los cursos avanzados de mecánica de fluidos y de reología.

Viscosímetros rotacionales

Los viscosímetros rotacionales constan básicamente de dos partes que se encuentran separadas por el fluido a estudiar. Dichas partes pueden ser dos cilindros, dos superficies paralelas, una superficie y un cono de pequeño ángulo, un rotor en el interior de un cilindro.

El movimiento de una de estas partes provoca la aparición de un gradiente de velocidades a lo largo del fluido. Para determinar la viscosidad del fluido se mide el esfuerzo necesario para producir una determinada velocidad angular. Este tipo de viscosímetros son mucho más versátiles que los estudiados anteriormente y pueden ser utilizados para fluidos no Newtonianos; sin embargo, su principal inconveniente es el precio. En los años 90 este tipo de viscosímetros han sufrido una importante transformación al ser conectados a ordenadores lo cual ha hecho más sencillo su uso. A continuación se describirán los tipos de viscosímetros rotacionales más empleados:

- Viscosímetros de cilindros concéntricos.

- Viscosímetros de placas paralelas.

- Viscosímetros de cono-placa.

Viscosímetros de cilindros concéntricos.

Los primeros viscosímetros rotacionales fueron de cilindros concéntricos; constan de dos cilindros concéntricos, uno exterior hueco y otro interior macizo (en la bibliografía en inglés se pueden encontrar como "cup and bob"). Por el movimiento de uno de los cilindros se genera una cizalla en el líquido situado en el espacio anular.

Este tipo de instrumentos pueden realizar las medidas de dos formas:

- Haciendo girar uno de los elementos con un cierto par de fuerzas y midiendo la velocidad de giro provocada.

- Provocando una velocidad de giro en uno de los elementos y midiendo el par de fuerzas opuesto.

Ambos métodos ya fueron estudiados antes de la Segunda Guerra Mundial, y sus fundamentos fueron introducidos por Couette en 1888, en cuyo honor, al flujo provocado entre los cilindros concéntricos (ver figura 2), se denomina Flujo de Couette.

Figura 2. Flujo de Couette en un

viscosímetro de cilindros concéntricos.

Fabricación del reómetro

El dispositivo empleado para el experimento se decidió fabricarlo de aluminio, el maquinado y ensamblado se llevo a cabo en los talleres de ingeniería mecánica de la Facultad.

El modelo del reómetro es el siguiente:

Donde:

r=6.35

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