Viscosidad Cinemática explicada

¿qué es la viscosidad cinemática?

la viscosidad cinemática es una medida de la resistencia interna de un fluido al flujo bajo fuerzas gravitacionales. Se determina midiendo el tiempo en segundos, requerido para que un volumen fijo de fluido fluya una distancia conocida por gravedad a través de un capilar dentro de un viscosímetro calibrado a una temperatura estrechamente controlada.

Este valor se convierte en unidades estándar como centistokes (cSt) o milímetros cuadrados por segundo., La notificación de viscosidad solo es válida cuando también se informa la temperatura a la que se realizó el ensayo, por ejemplo, 23 cSt a 40 grados C.

de todas las pruebas empleadas para el análisis de aceite usado, ninguna proporciona una mejor repetibilidad o consistencia del ensayo que la viscosidad. Del mismo modo, no hay ninguna propiedad más crítica para la lubricación efectiva de los componentes que la viscosidad del aceite base. Sin embargo, la viscosidad es más de lo que parece. La viscosidad se puede medir e informar como Viscosidad dinámica (absoluta) o como viscosidad cinemática. Los dos se confunden fácilmente, pero son significativamente diferentes.,

la mayoría de los laboratorios de análisis de aceite usados miden e informan la viscosidad cinemática. Por el contrario, la mayoría de los viscosímetros in situ miden la viscosidad dinámica, pero están programados para estimar e informar la viscosidad cinemática, de modo que las mediciones de viscosidad reportadas reflejen los números cinemáticos reportados por la mayoría de los laboratorios y proveedores de aceite lubricante.,

dada la importancia del análisis de viscosidad junto con la creciente popularidad de los instrumentos de análisis de aceite en el sitio utilizados para filtrar y complementar el análisis de aceite de laboratorio fuera del sitio, es esencial que los analistas de aceite entiendan la diferencia entre las mediciones de viscosidad dinámicas y cinemáticas.

en términos generales, la viscosidad es la resistencia de un fluido al flujo (esfuerzo cortante) a una temperatura dada. A veces, la viscosidad se conoce erróneamente como espesor (o peso)., La viscosidad no es una medida dimensional, por lo que Llamar aceite altamente viscoso grueso y aceite menos viscoso delgado es engañoso.

del mismo modo, reportar viscosidad para propósitos de tendencia sin una referencia a la temperatura es absurdo. La temperatura debe definirse para interpretar la lectura de viscosidad. Típicamente, la viscosidad se reporta a 40 ° C y / o 100°C o ambos si se requiere el índice de viscosidad.,

ecuación de viscosidad cinemática

Varias unidades de ingeniería se utilizan para expresar la viscosidad, pero las más comunes son centistoke (cSt) para la viscosidad cinemática y la centipoise (cP) para la viscosidad dinámica (absoluta). La viscosidad cinemática en cSt a 40 ° C es la base del sistema de clasificación de viscosidad cinemática ISO 3448, lo que lo convierte en el estándar internacional. Otros sistemas comunes de viscosidad cinemática como los segundos universales Saybolt (SUS) y el sistema de clasificación SAE se pueden relacionar con la medición de la viscosidad en cSt a 40°C o 100°C.,

medición de la viscosidad cinemática

la viscosidad cinemática se mide anotando el tiempo que tarda el aceite en viajar a través del orificio de un capilar bajo la fuerza de gravedad (Figura 1). El orificio del tubo viscosímetro cinemático produce una resistencia fija al flujo. Hay capilares de diferentes tamaños disponibles para soportar fluidos de viscosidad variable.

el tiempo necesario para que el fluido fluya a través del tubo capilar se puede convertir a una viscosidad cinemática utilizando una constante de calibración simple proporcionada para cada tubo., El procedimiento dominante para realizar mediciones de viscosidad cinemática es ASTM D445, a menudo modificado en el laboratorio de análisis de aceite usado para ahorrar tiempo y hacer que la medición de la prueba sea más eficiente.

medición de la viscosidad dinámica (viscosidad absoluta)

la viscosidad dinámica se mide como la resistencia al flujo cuando una fuerza externa y controlada(bomba, aire presurizado, etc.,) fuerza el aceite a través de un capilar (ASTM D4624), o un cuerpo es forzado a través del fluido por una fuerza externa y controlada, como un husillo impulsado por un motor. En cualquier caso, se mide la resistencia al flujo (o cizallamiento) en función de la fuerza de entrada, lo que refleja la resistencia interna de la muestra a la fuerza aplicada, o su viscosidad dinámica.

Hay varios tipos y realizaciones de viscosímetros absolutos. El método rotativo de Brookfield que se muestra en la Figura 2 es el más común., La medición de la viscosidad absoluta se ha utilizado para aplicaciones de investigación, control de calidad y análisis de grasa dentro del campo de la lubricación de maquinaria.

los procedimientos para probar la viscosidad dinámica en el laboratorio por el método tradicional de Brookfield se definen por ASTM D2983, D6080 y otros. Sin embargo, la viscosidad dinámica se está volviendo común en el área del análisis de aceite usado porque la mayoría de los viscosímetros in situ vendidos en el mercado hoy en día miden la viscosidad dinámica, no la viscosidad cinemática., Los proveedores de viscosímetros dinámicos in situ son Anton Paar, Kittiwake y Spectro Scientific.

en términos generales, la viscosidad cinemática (cSt) se relaciona con la viscosidad absoluta (cP) en función de la gravedad específica del fluido (SG) según las ecuaciones de la figura 3.

tan simples y elegantes como parecen estas ecuaciones, son válidas solo para los llamados Fluidos newtonianos. Además, la gravedad específica del fluido debe permanecer constante durante el período de tendencia., Ninguna de estas Condiciones se puede asumir constante en el análisis de aceite usado, por lo que el analista debe ser consciente de las condiciones bajo las cuales puede ocurrir la varianza.

Viscosidad Cinemática: Fluidos newtonianos vs.fluidos no newtonianos

un fluido newtoniano es un fluido que mantiene una viscosidad constante a través de todas las velocidades de cizallamiento (el esfuerzo de cizallamiento varía linealmente con la velocidad de cizallamiento). Estos fluidos se llaman newtonianos porque siguen la fórmula original establecida por Sir Isaac Newton en su Ley de mecánica de fluidos. Sin embargo, algunos líquidos no se comportan de esta manera. En general, se denominan fluidos no newtonianos., Los fluidos newtonianos incluyen gases, agua, aceite, gasolina y alcohol.

un grupo de fluidos no newtonianos conocidos como tixotrópicos son de particular interés en el análisis de aceites usados porque la viscosidad de un fluido tixotrópico disminuye a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento. La viscosidad de un fluido tixotrópico aumenta a medida que disminuye la velocidad de cizallamiento. Con los fluidos tixotrópicos, el tiempo de ajuste puede aumentar la viscosidad aparente como en el caso de la grasa. Ejemplos de fluidos no newtonianos incluyen:

• líquidos Espesantes de cizallamiento: la viscosidad aumenta a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento., Por ejemplo, el almidón de maíz, cuando se coloca en agua y se agita, comienza a sentirse más espeso con el tiempo.
• líquidos adelgazantes de cizallamiento: la viscosidad disminuye a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento. La pintura para sus paredes es un buen ejemplo de esto. A medida que revuelve la pintura, se vuelve más fluida.
• líquidos tixotrópicos: se vuelven menos viscosos cuando se agitan. Ejemplos comunes de esto son la salsa de tomate y el yogur. Una vez agitados, se vuelven más fluidos. Cuando se les deja solos vuelven a un estado similar al gel.
• líquidos Reopécticos: se vuelven más viscosos cuando se agitan. Un ejemplo común de esto es la tinta de impresora.,quids (mayor velocidad de cizallamiento, mayor viscosidad)
  agua líquidos adelgazantes de cizallamiento (mayor velocidad de cizallamiento, menor viscosidad) aceite líquidos tixotrópicos (se vuelven menos viscosos cuando se agitan) Gasolina
  líquidos Reopécticos (se vuelven más viscosos cuando se agitan) alcohol

  Viscosidad Cinemática: un ejemplo práctico

  imagine que tiene dos frascos delante de usted, uno lleno de mayonesa, el otro lleno de miel., Con ambos frascos fijados a la superficie de la mesa con Velcro, imagínese sumergiendo cuchillos de mantequilla idénticos en cada uno de los fluidos en el mismo ángulo y a la misma profundidad. Imagine remover los dos fluidos girando las cuchillas a las mismas rpm mientras mantiene el mismo ángulo de ataque.

  Cual de los dos fluidos fue más difícil de revolver? Tu respuesta debe ser miel, que es mucho más difícil de remover que la mayonesa. Ahora imagine separar los frascos del Velcro en la mesa y girar los frascos de lado. ¿Qué sale más rápido del frasco, miel o mayonesa?, Su respuesta debe ser miel; la mayonesa no fluirá en absoluto girando el frasco de lado.

  ¿qué líquido es más viscoso, miel o mayonesa? Si dijiste mayonesa, tienes razón partially al menos parcialmente. Del mismo modo, si dijiste cariño, estás parcialmente en lo correcto. La razón de la anomalía aparente es que al girar la cuchilla en ambas sustancias, la velocidad de corte varía, mientras que girar cada frasco de lado es simplemente medir la resistencia estática al flujo.,

  debido a que la miel es un fluido newtoniano, mientras que la mayonesa no es newtoniana, la viscosidad de la mayonesa disminuye a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento, o a medida que se gira el cuchillo. La agitación somete la mayonesa a un alto esfuerzo cortante, lo que hace que ceda a la acción de forzamiento. Por el contrario, simplemente colocar el frasco en su lado somete la mayonesa a un bajo esfuerzo cortante, lo que resulta en poco o ningún cambio de viscosidad, por lo que tiende a permanecer en el frasco.

  no se puede medir convencionalmente la viscosidad de un fluido no newtoniano., Más bien, se debe medir la viscosidad aparente, que tiene en cuenta la velocidad de cizallamiento a la que se realizó la medición de la viscosidad. (Ver Figura 4) al igual que las mediciones de viscosidad no tienen sentido a menos que se informe la temperatura de prueba, las mediciones de viscosidad aparente no tienen sentido a menos que se informe la temperatura de prueba y la velocidad de cizallamiento.

  por ejemplo, la viscosidad de la grasa nunca se reporta, sino que la viscosidad aparente de la grasa se reporta en centipoises (cP)., (Nota: la viscosidad puede ser reportada para el aceite base Usado para hacer la grasa, pero no para el producto terminado.)

  en términos generales, un fluido no es newtoniano si está compuesto de una sustancia suspendida (pero no disuelta químicamente) en un fluido huésped. Para que esto suceda, hay dos categorías básicas, emulsiones y suspensiones coloidales. Una emulsión es la coexistencia física estable de dos fluidos inmiscibles. La mayonesa es un líquido común no newtoniano, compuesto de huevos emulsionados en aceite, el líquido huésped., Debido a que la mayonesa no es newtoniana, su viscosidad cede con la fuerza aplicada, por lo que es fácil de esparcir.

  una suspensión coloidal se compone de partículas sólidas suspendidas de forma estable en un fluido huésped. Muchas pinturas son suspensión coloidal. Si la pintura era Newtoniana pueden propagarse fácilmente pero si la viscosidad es baja, o se extendió con gran dificultad y dejar las marcas de pincel, pero no se ejecutará si la viscosidad es alta.

  debido a que la pintura no es newtoniana, su viscosidad cede bajo la fuerza del pincel, pero regresa cuando se retira el pincel., Como resultado, la pintura se extiende con relativa facilidad, pero no deja marcas de pincel y no se ejecuta.

  Viscosidad dinámica vs. cinemática: Cuál es la diferencia

  la viscosidad dinámica determina el espesor de la película proporcionado por el aceite. La viscosidad cinemática es simplemente un intento conveniente de estimar el grado de espesor de la película que el aceite puede proporcionar, pero tiene menos importancia si el aceite no es newtoniano.,

  

  muchas formulaciones y Condiciones de lubricantes producirán un fluido no newtoniano, incluyendo:

  • aditivos mejoradores del índice de viscosidad (VI): los aceites de motor a base de minerales multigrado (excepto los aceites de base vi naturalmente altos) están formulados con un aditivo elástico que es compacto a bajas temperaturas y se expande a altas temperaturas en respuesta al aumento de la solvencia del fluido. Debido a que esta molécula aditiva es diferente de las moléculas del aceite huésped, se comporta de una manera no newtoniana.,

  • contaminación del agua-el aceite y el agua libre no se mezclan, no químicamente de todos modos. Pero bajo ciertas circunstancias, se combinarán para formar una emulsión, al igual que la mayonesa discutida anteriormente. Cualquiera que haya visto aceite que parece café con crema puede dar fe de este hecho. Si bien puede parecer contradictorio, la contaminación del agua, cuando se emulsiona en el aceite, en realidad aumenta la viscosidad cinemática.,

  • subproductos de degradación térmica y oxidativa-muchos subproductos de degradación térmica y oxidativa son insolubles, pero son transportados por el aceite en una suspensión estable. Estas suspensiones crean un comportamiento no newtoniano.

  • hollín-comúnmente encontrado en los motores diesel, el hollín es una partícula que resulta en una suspensión coloidal en el aceite. El aditivo dispersante del aceite, diseñado para evitar que las partículas de hollín se aglomeren y crezcan, sirve para facilitar la formación de una suspensión coloidal.,

  si se midiera la viscosidad absoluta de una de estas emulsiones o coloides comúnmente encontrados descritos anteriormente con un viscosímetro absoluto de velocidad de cizallamiento variable (por ejemplo, ASTM D4741), la medición disminuiría a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento, hasta un punto de estabilización.

  si se dividiera esta viscosidad absoluta estabilizada por la gravedad específica del fluido para estimar la viscosidad cinemática, el valor calculado diferiría de la viscosidad cinemática medida., Una vez más, las ecuaciones de la Figura 3 se aplican solo a los fluidos newtonianos, no a los fluidos no newtonianos descritos anteriormente, por lo que ocurre esta discrepancia.

  efectos de viscosidad cinemática y gravedad específica

  observe las ecuaciones de la Figura 3 de nuevo. Las viscosidades absolutas y cinemáticas de un fluido newtoniano están relacionadas en función de la gravedad específica del fluido. Considere el aparato en la Figura 1, el bulbo que contiene el aceite de muestra, que se libera cuando se elimina el vacío, luego produce una cabeza de presión que impulsa el aceite a través del tubo capilar.,

  ¿se puede asumir que todos los fluidos producirán la misma cabeza de presión? No, la presión es una función de la gravedad específica del fluido, o peso relativo al peso de un volumen idéntico de agua. La mayoría de los aceites lubricantes a base de hidrocarburos tienen una gravedad específica de 0,85 a 0,90. Sin embargo, esto puede cambiar con el tiempo a medida que el aceite se degrada o se contamina (glicol, agua y metales de desgaste, por ejemplo), lo que produce una diferencia entre las mediciones de viscosidad absoluta y cinemática.

  considerar los datos presentados en la Tabla 2., Cada uno de los nuevos escenarios de aceite es idéntico, y en ambos casos la viscosidad absoluta aumenta en un 10 por ciento, generalmente el límite de condena para un cambio en la viscosidad. En el escenario A, el cambio modesto en la gravedad específica resulta en una ligera diferencia entre la viscosidad absoluta medida y la viscosidad cinemática.

  este diferencial podría retrasar ligeramente el sonido de la alarma de cambio de aceite, pero no causaría mucho error. Sin embargo, en el escenario B, el diferencial es mucho mayor. Aquí, la gravedad específica aumenta significativamente, lo que resulta en un aumento medido de 1.,5 por ciento en viscosidad cinemática, frente a un aumento del 10 por ciento medido con un viscosímetro absoluto.

  Esta es una diferencia significativa que podría llevar al analista a identificar la situación como no reportable. El error que se ha cometido es la suposición en ambos escenarios de que los fluidos siguen siendo newtonianos.

  debido a las muchas posibilidades de formar fluidos no newtonianos, el verdadero parámetro de interés para el analista de aceite y la tecnología de lubricantes debe ser la viscosidad absoluta. Es lo que determina el espesor de la película del fluido y el grado de protección de las superficies de los componentes., En interés de la economía, la simplicidad y el hecho de que los nuevos procedimientos de prueba de lubricante se toman comúnmente prestados para el análisis de aceite usado, la viscosidad cinemática del aceite es el parámetro medido utilizado para la tendencia y la toma de decisiones de gestión de lubricante. Sin embargo, en ciertos casos esto puede estar introduciendo errores innecesarios en la determinación de la viscosidad de un aceite.

  el problema se puede reducir a matemáticas simples. Como sugieren las ecuaciones de la Figura 3, la viscosidad absoluta y cinemática están relacionadas en función de la gravedad específica del aceite., Si tanto la viscosidad como la gravedad específica son dinámicas, pero solo se mide una, se producirá un error y la viscosidad cinemática no proporcionará una evaluación precisa del cambio en la viscosidad absoluta del fluido, el parámetro de interés. La cantidad de error es una función de la cantidad de cambio en el parámetro no medido, la gravedad específica.,

  conclusiones importantes con respecto a la viscosidad cinemática

  Se pueden extraer las siguientes conclusiones de esta discusión sobre la medición de la viscosidad:

  • asumiendo que el laboratorio mide la viscosidad por métodos cinemáticos, agregar la medición de la gravedad específica a un programa de análisis de aceite de laboratorio de rutina ayudará a eliminar esto como una variable en la estimación de la viscosidad absoluta a partir de la viscosidad cinemática medida.

  • Cuando utilice un viscosímetro in situ, no busque un acuerdo completo entre el viscosímetro cinemático del laboratorio y el instrumento in situ., La mayoría de estos dispositivos miden la viscosidad absoluta (cP) y aplican un algoritmo para estimar la viscosidad cinemática (cSt), a menudo manteniendo la constante de gravedad específica. Considere la posibilidad de establecer tendencias de los resultados del viscosímetro in situ en cP.
    Es el parámetro que se está midiendo, y ayuda a diferenciar la tendencia in situ de la tendencia de los datos producidos por el laboratorio con un viscosímetro cinemático. No trate de lograr un acuerdo perfecto entre las mediciones de viscosidad en el sitio y en el laboratorio. Es inútil y genera poco valor. En el mejor de los casos, busca correlación suelta., Siempre marque la línea de base del nuevo aceite con el mismo viscosímetro que está utilizando con el aceite en servicio.

  • reconocer que los fluidos no newtonianos no proporcionan la misma protección de película para una viscosidad cinemática dada que un fluido newtoniano de la misma viscosidad cinemática. Debido a que la viscosidad de un fluido no newtoniano variará con la velocidad de cizallamiento, la resistencia de la película se debilita bajo la carga y la velocidad de operación., Esa es una de las razones por las que el agua emulsionada aumenta la tasa de desgaste en componentes como los rodamientos de elementos rodantes, donde la resistencia de la película fluida es crítica (por supuesto, el agua también causa otros mecanismos de desgaste como la cavitación vaporosa, la oxidación y la fragilización por hidrógeno y ampollas).

  La viscosidad es una propiedad crítica del fluido, y el monitoreo de la viscosidad es esencial para el análisis de aceite. Las técnicas de medición de Viscosidad dinámica y cinemática pueden producir resultados muy diferentes al probar aceites usados., Asegúrese de que los entresijos de la medición de viscosidad y el comportamiento del fluido viscoso se entiendan para que se puedan tomar decisiones de lubricación precisas.

  

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