Estudio de lubricantes
Corría el año de 1687, cuando Isaac Newton publicó su obra “Philosophiae
naturalis, principia matematica” en la cual recopilaba sus descubrimientos en
mecánica y cálculo matemático. Esta obra marcó un punto de inflexión en la
historia de la ciencia y es considerada, por muchos, como la obra científica más
importante de la historia.
Junto con la famosa ley de gravitación universal, Newton enuncia el concepto de
viscosidad, el cual afirma que la resistencia ejercida que surge a partir de una falta
en el deslizamiento de un fluido, si el resto de factores se mantienen constantes,
es proporcional a la velocidad a la que las partes de un fluido son separadas entre
sí. De este modo, se establece la proporcionalidad existente entre el esfuerzo por
unidad de área (F/A) necesario para producir un gradiente de velocidades en un
fluido, siendo la constante de proporcionalidad un factor que describe "la
capacidad de deslizamiento de un fluido" (más tarde esta constante de
proporcionalidad fue llamada viscosidad). La hipótesis propuesta por Newton se
suele representar con un esquema como el de la figura, en el que se muestran dos
superficies de área A, separadas por una distancia Y, estando una de ellas
sometida a una fuerza F que le provoca una velocidad V.
Al mismo tiempo, se suele describir matemáticamente los principios establecidos
por Newton a partir de una expresión matemática como la ecuación siguiente:
IMPORTANCIA DEL ANÁLISIS DE LOS LUBRICANTES
A través del análisis se pueden conocer las características de los lubricantes. Esto
es fundamental para conocer de antemano cual será su comportamiento ante
nuestra necesidad, para decidir que lubricante poner debemos tener en cuenta el
trabajo que realizara el lubricante y el estado de la maquina donde lo pondremos.
Valores físicos que determinan la calidad de un lubricante
Densidad y peso especifico, viscosidad, volumen a diferentes temperaturas, punto
de inflamación y de combustión, punto de fluidez, penetración y por último índice
de neutralización de basicidad y de acidez hay algunos otros pero son
derivaciones de estos.
No hay mucho que comentar sobre la densidad y peso especifico, todos sabemos
las relaciones existentes entre la masa de un cuerpo y la relación de esta con la
masa de un volumen igual en agua.
CLASIFICACIÓN DE LOS ACEITES LUBRICANTES
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:
1. Clasificación por la 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.
2. 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.
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, como vemos en la figura:
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 multigrado de baja viscosidad como
son los aceites SAE 5W-30 y SAE 10W-40, como vemos en la figura.
ACEITES 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.
ACEITES MULTIGRADO
Cuando existen cambios importantes en la temperatura ambiente de una zona o
de un país, se pueden utilizar también aceites multigrado, 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.
En la figura anterior se muestra una comparación entre los aceites monogrado y
multigrado sus campos de aplicación. Los aceites multigrado presentan una serie
de ventajas sobre los monogrado como son:
• 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.
ESTUDIO DE LUBRICANTES
La conversión del agua en vapor, trae consigo una serie de fenómenos estudiados
por la Física, tales como: presión, fuerza, trabajo, potencia, etc.; sin cuyo
conocimiento previo nos sería difícil definir y explicar el funcionamiento del
caldero. Cuando hablamos de conversión de agua en vapor nos referimos a la
generación de vapor, fenómeno que se lleva a cabo en las calderas y cuyo
provecho se utiliza tanto en las plantas térmicas, en la generación de potencia
como las plantas industriales. En lo que respecta a las unidades generadoras de
vapor (calderos), se podría decir que su evolución se viene dando desde el año
de 1919 hasta nuestros días, de modo que se pueda conseguir una unidad
generadora de vapor eficiente. Al hablar de calderas nos estamos refiriendo como
ya se dijo a su funcionamiento, al combustible que se utiliza, a la cantidad de aire
que se necesita para quemar el combustible, a los tipos de calderas, a sus
accesorios, al manejo y cuidado de las mismas, etc. Es así que cuando hablamos
de un generador de vapor moderno tomamos en consideración un caldero que
reúna las condiciones más óptimas de funcionamiento, y cuya finalidad sea la de
aprovechar al máximo la energía química del combustible y así lograr el objetivo
(conversión de agua en vapor), que como ya se dijo es un requerimiento primordial
en el campo industrial por sus múltiples aplicaciones.
ESTADOS DE VAPOR:
Una sustancia se halla en la fase de vapor si no se halla muy lejos de su fase
líquida, de manera que si se le entrega mayor cantidad de energía dicha sustancia
puede alcanzar al fase gaseosa. A diferencia de los gases que tienden a seguir
las leyes de gases ideales, los vapores se apartan mucho de éstas y sus
propiedades termodinámicas deben ser obtenidas mediante tablas o gráficas.
Diagrama T-s del vapor de agua
El diagrama anterior es un diagrama T-s general, válido para una sustancia típica
hipotética. En ella podemos observar una zona de líquido sub-enfriado o líquido
comprimido a la izquierda de la campana, y otra de vapor sobrecalentado, a la
derecha de la misma. En estas dos zonas se considera que la sustancia es
completamente líquida o completamente vapor. La zona dentro de la campana
corresponde a un estado de transición en la cual la sustancia se considera un
vapor húmedo, es decir, si consideramos que la sustancia es calentada, parte de
ella aún no se ha vaporizado, o si consideramos que la sustancia es enfriada,
parte de ella aún no se ha condensado. Así pues para la sustancia de esta
campana se puede definir una calidad x, que es la fracción (o porcentaje) en masa
que es vapor con respecto a la masa total de sustancia, o bien la humedad y, que
sería lo contrario, es decir la fracción en masa que es líquido con respecto a la
masa total de la sustancia:
total
vapor
m
mx
total
líquido
m
mx
La curva que forma la campana, a la izquierda del punto crítico recibe el nombre
de curva de líquido saturado y representa el lugar geométrico de todos los puntos
donde el x de la sustancia es 0. A la derecha del punto crítico esta curva recibe el
nombre de curva de vapor saturado (aquí x=1).
En materiales que no son amorfos, existe siempre cierta temperatura a la cual
ocurre la ebullición (comienzo de la vaporización) para una presión dada. Esta
temperatura se llama temperatura de saturación y será constante a través de todo
el proceso de vaporización (de A a B en la gráfica). La presión correspondiente se
llamará presión de saturación.
CALORÍMETROS SEPARADORES:
Este tipo de calorímetro se utiliza especialmente con vapores que por sus
características de presión o temperatura se suponen húmedos. Es estos casos la
densidad del vapor es sólo una puy pequeña fracción de la de las gotitas de agua
en suspensión. Así, a unos 20 kg/cm2, la densidad del agua saturada es
aproximadamente cien veces mayor que la del vapor saturado. Si se invierte
bruscamente la dirección del movimiento del vapor húmedo, las gotitas de agua
tienden a seguir en la dirección primitiva y, por lo tanto, se separan del vapor.
En los calorímetros separadores, el vapor de entrada se ve obligado a cambiar
bruscamente de dirección. Las gotitas de agua se separan y se juntan en la
cámara de separación. Un nivel indica el nivel de agua en la cámara separadora y
lleva una escala que permite leer la cantidad de agua presente. El vapor seco
continúa su camino por un pasaje que rodea la cámara de separación y a través
de un pequeño orifico en el fondo del calorímetro.
Cuando la presión en el lado de corriente abajo de un orifico es menor que
alrededor del 55 por ciento de la presión inicial (para el vapor), el caudal en peso a
través de un orifico de área dada es casi proporcional a la presión inicial. Debido
a esta proporcionalidad, puede agregarse una escala auxiliar al manómetro
utilizado para determinar la presión en la entrada del calorímetro. Esta escala
auxiliar indicará el flujo por unidad de tiempo (por lo general 10 minutos) a través
del orifico. Si el manómetro no cuenta con esta escala auxiliar, se puede
condensar y pesar el vapor que pasa por el orificio. El contenido de humedad del
vapor es
Donde:
S = peso del vapor que pasa por el orificio en un intervalo de tiempo dado.
M = peso del agua reunida en el mismo intervalo de tiempo.
De modo similar, el título del vapor es:
A continuación se muestra un típico calorímetro separador:
Errores comunes en la medición con calorímetros separadores:
Para obtener resultados válidos con el calorímetro separador, hay que reducir al
mínimo los siguientes errores o introducir las correcciones pertinentes:
1. Pérdidas de agua. Dado que la presión sobre el vidrio del nivel es la misma
que en la tubería de vapor, esta alta presión tiende a causar pérdidas a
través de las empaquetaduras. Dado que el contenido de agua del vapor es
por lo general pequeño, no es necesario que la pérdida sea muy grande para
que los resultados se vean sensiblemente alterados.
2. Pérdidas de calor. Aunque los efectos de pérdidas de calor se reducen al
mínimo en este calorímetro niquelando la superficie externa y haciendo que
el vapor separado actúe como una camisa para la cámara de separación, la
pérdida de calor es lo suficientemente importante como para hacer necesaria
una corrección en las determinaciones de precisión del título. La pérdida de
calor puede ser disminuida aún más cubriendo todo el calorímetro con un
gran espesor de aislante.
3. Área del orificio. Cuando el caudal de vapor se determina por medio del
manómetro, todos los factores (tales como oxidación, picado o basuras
alojadas en el orificio) que alteran el área del orificio producen un error en el
caudal medido.
4. Volumen de agua incorrecto. Es posible que, cuando el vapor es sucio o
aceitoso, el interior de la cámara de separación se revista de una capa que
altera sensiblemente su volumen efectivo.
Los calorímetros de separación, correctamente diseñados y usados, permiten
determinar el título con una precisión mucho mejor que 1%. Esto es válido para
vapores que tienen un contenido normal de humedad y que se hallan a presiones
no menores que 3,5 kg/cm2. Cuando la presión es muy baja (atmosférica o
menor), el volumen específico del vapor es tan grande que las pérdidas de calor
pueden introducir un error importante debido a que, entonces, el caudal de vapor
(masa) a través del orificio resulta muy pequeña.
CALORÍMETRO DE ESTRANGULAMIENTO.
La mayoría de los vapores saturados dan lugar a un vapor sobrecalentado cuando
se los somete a un proceso de estrangulación. El estado de un vapor
sobrecalentado está determinado por su presión y temperatura.
La estrangulación causa normalmente una gran reducción del caudal. Así, la
energía cinética antes del dispositivo de estrangulación es muy baja y resulta
despreciable. Durante la estrangulación del fluido, hay un aumento de velocidad
y, por tanto de energía cinética. No obstante, esta energía cinética desaparece a
poca distancia del punto en que se produce la restricción. El hecho de que el
fluido conserve o no una cantidad apreciable de energía cinética dependen del
área trasversal del flujo, de la densidad del flujo y del caudal expresado en
unidades de msa por unidad de tiempo. Es posible diseñar el dispositivo de
estrangulación de manera que no haya una variación apreciable de la energía
cinética.
Si el estrangulador está diseñado de manera que no haya variación neta
apreciable de la energía cinética ni intercambio apreciable de calor, no hay
entonces una variación apreciable de entalpía y se puede considerar como un
proceso de entalpía constante.
El calorímetro de estrangulación está previsto para producir la estrangulación de
vapores saturados, dando lugar así a vapores sobrecalentados cuya temperatura y
presión pueden medirse. Éstas a su vez permiten la determinación de las demás
propiedades.
Al usar el calorímetro de estrangulación, se supone que la entalpía del vapor en el
calorímetro, tal como queda determinada por la presión y la temperatura es igual a
la del vapor en la tubería. Si se mide la presión en la tubería, entonces se puede
determinar la calidad del vapor que circula por ésta: para una presión de
saturación dada se pueden obtener de tablas hf y hfg (entalpías de líquido
saturado y diferencia de entalpías entre éste y vapor saturado, ambos para dicha
presión).
Luego:
De donde se puede obtener la calidad, a partir de la cual se pueden obtener todas
las otras propiedades del vapor.
A continuación vemos la disposición típica de un calorímetro de estrangulación:
Para la experiencia realiza se ha utilizado un calorímetro universal, que consiste
en la unión en serie de un calorímetro separador seguido de un calorímetro de
estrangulamiento.
CALDERO MARCET:
La experiencia en mención se basa en la determinación del calor latente de
vaporización mediante la ecuación de Clapeyron.
La deducción de la ecuación mencionada se basa en una de las relaciones de
Maxwell:
(
) (
)
…………………(1)
Entonces, considerando la ecuación anterior en condiciones de equilibrio para las
condiciones de evaporización, tenemos que T = C, y las condiciones de P y T no
son funciones del volumen y los límites de integración están definidos desde
liquido saturado hasta vapor saturado, por:
( )
( )
…………………….. (2)
Donde:
Es la pendiente de la curva que separa la fase liquida y vapor del diagrama P y
T.
Se puede aplicar este mismo principio en la fase Solido - Líquido.
Diagrama P-T del agua
Además:
De la Primera Ley de la Termodinámica:
( )
Así mismo, durante el cambio de estado del agua en vapor se lleva a cabo un
proceso de P y T constante, entonces:
( )
Donde: ( ) se conoce como función de GIBBS (G) y para dos fases en
equilibrio: G = 0
Entonces:
y
Haciendo la consideración durante la Evaporización y a bajas presiones el vapor
se comporta como gas ideal y que es despreciable comprado con tenemos:
⁄ …………………… (3)
(3) en (2):
Ecuación de CLAPEYRON
Donde:
p = presión saturada (KPa)
T = temperatura de saturación (K)
R= constante del vapor = 0.46152
Es necesario acotar que esta ecuación nos proporciona valores más o menos
exactos del calor latente de vaporización a varias presiones y permite verificar su
compatibilidad del con los datos experimentales.
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