Date post: | 07-Nov-2014 |
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Curso de Reología Aplicada Febrero 2006Dr. Javier Blasco Alberto. Área de Mecánica de Fluidos. Centro Politécnico Superior. Universidad de Zaragoza
Métodos de medidas reológicas
Parte I
Fluidos puramenteviscosos
Curso de Reología Aplicada Febrero 2006Dr. Javier Blasco Alberto. Área de Mecánica de Fluidos. Centro Politécnico Superior. Universidad de Zaragoza
Contenido
1) Conceptos de Reología
2) Funcionamiento de los reómetros
3) Ensayos reológicos
4) Modelos matemáticos
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Conceptosde
Reología
Curso de Reología Aplicada Febrero 2006Dr. Javier Blasco Alberto. Área de Mecánica de Fluidos. Centro Politécnico Superior. Universidad de Zaragoza
Conceptos de Reología
• Esfuerzo de cizalla • Deformación• Fluido (frente a sólido)• Cizalla y gradiente de velocidad• Velocidad de cizalla• Viscosidad• Tipos de fluidos
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Esfuerzo de cizalla
• Esfuerzo: fuerza/superficie (Pa) • De cizalla (o cortante):
tangente a la superficie• En inglés: shear stress
σ
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Deformación
• Deformación: ángulo de cambio de la forma de un fluido o sólido
• En inglés: strain
γ
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Fluido
• Fluido: sustancia que no puede soportar un esfuerzo de cizalla sin deformarse continuamente
γσ
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Cizalla
• Cizalla:cuando existe variación de la velocidad.
• Gradiente de velocidad: du/dy• En inglés: shear
Flujo deCouette
Capalímite
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Velocidad de cizalla
• Velocidad de cizalla:velocidad de variación de la deformación
• También se llamavelocidad de deformación(shear rate, strain rate)
γ1d duD sdt dyγ γ −⎡ ⎤≡ ≡ = = ⎣ ⎦
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Viscosidad
• Viscosidad:propiedad de un fluido que mide su oposición a fluir (con cizalla)
Sin cizalla(sin gradte. veloc.)
Con cizalla(por pared)
La viscosidad NO se manifiesta
La viscosidad SÍ se manifiesta
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Viscosidad
• Ejemplo:la miel fluye peor que el agua
• Por tanto:la miel es más viscosa que el agua
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Tipos de viscosidad
• Absoluta o dinámica:• Unidades: Pa s (cps)
• Cinemática:• Unidades: m2/s (cst)
dudy
σ η η γ= =
ηυρ
=
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Tipos de fluidos
• Puramente viscosos
• Viscoelásticos
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Tipos de fluidos viscosos
Viscosidad constante: newtonianos
Viscosidad variable
Independientes del tiempo Dependientes del tiempo
• Pseudoplásticos
• Dilatantes
• Tixotrópicos
• Reopéxicos
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Tipos de fluidos viscosos
Prof. R. Moreno 2005
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Tipos de fluidos viscosos
Prof. R. Moreno 2005
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Pseudoplásticos
• Viscosidad disminuye al aumentar cizalla• Otro nombre: fluidificantes• En inglés: shear-thinning
• Mayor caudal• Mayor fuerza apretando tubo• Más rápido se extiende• Más enérgicamente se mezcla
MENOS CUESTA
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Dilatantes
• Viscosidad aumenta al aumentar cizalla• Otro nombre: espesantes• En inglés: shear-thickening
• Mayor caudal• Mayor fuerza apretando tubo• Más rápido se extiende• Más enérgicamente se mezcla
MÁS CUESTA
Poco frecuentes
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Tixotrópicos
Velocidad de cizalla
Esf
uerz
o de
ciz
alla
Al mantenercizalla constante,• se destruye estructura• disminuye la resistencia
Histéresis
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Tixotropía
• Característico de sustancias sol-gel
• Al someterlo a cizalla, se produce la transición:– de gel (alta viscosidad)– a sol (menor viscosidad)
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Parámetros de la tixotropía
1) Tiempo de destrucción de la estructura2) Viscosidad final del sol 3) Tiempo de recuperación (volver a gel)
• Ejemplo: pintura para pared– Destrucción rápida (fácil extensión)
– Viscosidad baja del sol (fácil extensión)
– Recuperación rápida (evitar goteo)
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Más ejemplos de tixotropía
• Ejemplos: cosméticos, fármacos, pastas alimenticias
– Destrucción rápida (fácil mezcla)
– Viscosidad baja del sol (fácil mezcla)
– Recuperación rápida(evitar sedimentación o segregación)
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Tixotropía: destrucción estructura
Velocidad de cizalla
Esf
uerz
o de
ciz
alla
Área: proporcional ala energía necesaria para romper la estructuraJ/(m3 s)
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Reopexia o Anti-tixotropía
Velocidad de cizalla
Esf
uerz
o de
ciz
alla
Al mantenercizalla constante,• se crea estructura• aumenta la resistencia
HistéresisPoco frecuentes
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Funcionamientode los
reómetros
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Medidas absolutas/relativas
• Absolutas:– Condiciones del ensayo muy controladas:
gradiente de velocidad, flujo laminar, etc.– Se miden magnitudes físicas– Obtienen viscosidad mediante fórmula
matemática sin correlaciones/calibraciones– Por tanto: son exactos
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Medidas absolutas/relativas
4
128D dPQ
dzπ
η⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠
dudy
σ η η γ= =
ReómetrosAbsolutos
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Medidas absolutas/relativas
• Relativas:– Condiciones del ensayo no tan controladas– Se miden magnitudes físicas– Obtienen viscosidad mediante
correlaciones/calibraciones– La velocidad de cizalla no es constante
Por tanto, no sirve para obtener curvas de flujo
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Medidas absolutas/relativas
ReómetrosAbsolutos
ReómetrosRelativos
Viscosímetros capilares
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Tipos de reómetros
• Capilares• De ranura• De orificio• Indexador de
fluencia de masa
• Placas deslizantes
• Caída de clindro• Caída de bola• Rotacionales
Flujo conducido por presión Flujo de arrastre
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Tipos de reómetros
Viscosímetrocapilar
(Ostwald)
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Tipos de reómetros
Viscosímetrode ranura
Se mide ladiferencia de
presiónProf. R. Moreno 2005
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Tipos de reómetros
Viscosímetrode orificio(Engler)
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Tipos de reómetros
Indexadoresde fluenciade masa(polímeros)
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Tipos de reómetros
Placasdeslizantes
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Tipos de reómetros
Caída decilindro(similar a
placa deslizante)
Abierto(viscosidad alta) Cerrado
Prof. R. Moreno 2005
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Tipos de reómetros
Caída debola
(Ley de Stokes)
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Tipos de reómetros
Rotacionales
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Reómetros rotacionales
• RotorCilindrodisco
• VasoContiene el fluido
Gradiente develocidadcontrolado
Medidadel par
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Reómetros rotacionales
Cono-placa
Placa-placaCili
ndro
s Prof. R. Moreno 2005
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Modos CS y CR
• Modo CR: Velocidad cizalla controlada“controlled rate”– Fijas velocidad de cizalla– Mides esfuerzo
(1)Fijas un
gradiente develocidadvelocidadrotacióncilindro
(2)Midesel par
sobre el cilindro
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Modos CS y CR
• Modo CS: Esfuerzo controlado“controlled stress”– Fijas esfuerzo– Mides velocidad de cizalla
(2)Mides el
gradiente develocidadvelocidadrotacióncilindro
(1)Ejercesun par
sobre el cilindro
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Modos CS y CR
• Ventajas CR– Reómetro más económico– A veces es necesario fijar la veloc. cizalla
• Ventajas CS– Medidas precisas para veloc. cizalla bajas– Permite medir el punto de flujo
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Ensayosreológicos
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¿Qué queremos medir?
• Medir curva de flujo ycurva de viscosidad
• Averiguar el tipo de fluido(pseudoplástico, tixotrópico, etc)
• Medir punto de flujo
• Tixotrópicos– Tiempo de destrucción– Tiempo de recuperación
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Ensayos
• Ensayo 1: curva de flujo
• Ensayo 2: punto de flujo
• Ensayo 3: tiempo de rotura y recuperación
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Ensayo 1: Curva de flujo
• Indica tipo de fluido• Modo CR o CS
1) Rampa subida2) Tiempo espera3) Rampa bajada
Velocidad de cizalla
Esf
uerz
o de
ciz
alla
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Ensayo 1: Curva de flujo
Parámetros a medir
• Viscosidad aparente• Área encerrada• Ajustes con modelos
Velocidad de cizallaE
sfue
rzo
de c
izal
la
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Ensayo 2: Punto de flujo
• Definición: es el esfuerzo que hay que aplicar para que la sustancia empiece a fluir
• En inglés:– “yield stress” (esfuerzo umbral)– “yield point” (punto de flujo)
• Esperando mucho tiempo, todo fluye …(ej. vidrio catedrales: más fino por arriba)
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Ensayo 2: Punto de flujo
Importancia del punto de flujo
• Pasta de dientes:hay que apretar para que salga
• Ketchup: igual
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Ensayo 2: Punto de flujo
• Aumentamos esfuerzo hasta que el sensor empieza a rotar
• Modo CS
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Ensayo 2: Punto de flujo
• Otro ensayo: deformación vs esfuerzo• Modo CS
Deformacióncomo sólido
Deformacióncomo fluido
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Ensayo 3: Rotura/recuperación(1) Cizalla alta y constante (2) Cizalla muy baja y constante
gel
sol
gel
sol
Mod
o C
S
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Ensayo 3: Rotura/recuperación(2) Cizalla muy baja
sol
gel
En modo CR
Cizalla oscilatoriade muy pequeñaamplitud
VENTAJA: las moléculasestán casi quietas, envez de moviéndose enuna cierta dirección
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Modelosmatemáticos
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¿Para qué son necesarios?
• Primero: hacemos las medidas• Luego: ajustamos las medidas a un modelo
• En control de calidad:– Caracterizamos la muestra con unos parámetros
(mejor que con una curva)– Rangos de validez: P.ej. 5.6 0.4 cpsη = ±
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Modelos más comunes
Fluidos newtonianosPlástico de Bingham
Ostwald-de-Waele
Herschel-Bulkley
σ η γ=
0σ σ η γ= +
nKσ γ=
0nKσ σ γ= +