CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN - Universidad de Zaragoza
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CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN 1. INTRODUCCIÓN Cuando un fluido se intenta deformar, exhibe, además de sus propiedades como el olor, el color e incluso el sabor (si se trata de un alimento), un comportamiento mecánico característico, lo que provoca que unos fluidos se muevan con más dificultad que otros. Para identificar este comportamiento se utilizan métodos físicos mediante un equipamiento de medición adecuado. De este estudio físico se ocupa la Reología (consultar apartado 1.1 del Anexo 1). La Reología se define como la ciencia que se dedica al estudio de las deformaciones de un cuerpo sometido a esfuerzos producidos por fuerzas externas. El concepto se comenzó a investigar a partir del siglo XVII gracias a los científicos Robert Hooke e Isaac Newton, los cuales asentaron las ideas generales de dicha ciencia (incluso válidas en nuestros días). Isaac Newton introdujo además otro concepto muy importante en Reología, la viscosidad. La definió como la medida de la resistencia de un fluido a deformarse, producida por las fuerzas de fricción internas entre las capas adyacentes del fluido en movimiento (consultar apartado 1.2 del Anexo 1). Se pueden definir tres tipos de viscosidad: dinámica o absoluta, aparente y cinemática. Todas ellas dependen de varios factores, entre los que se encuentran la temperatura y la presión. Debido a ello, estas propiedades se deben tener muy en cuenta a la hora de realizar cualquier estudio reológico. Este proyecto va a tratar sobre el desarrollo de tres de ensayos reológicos mediante programación para una serie de fluidos newtonianos y no newtonianos. 1.1 MOTIVACIONES Es muy importante conocer las propiedades reológicas de un fluido. Como ejemplo, se citan las propiedades que deben tener algunos fluidos (newtonianos y no newtonianos; consultar apartado 1.3 del Anexo 1): 1 CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN La pintura (o la tinta de impresión) debe ser fácil de extender (máxima fluidez, disminución de viscosidad)en el momento de aplicación, y una vez depositada se debe volver más viscosa para que no se derrame, con el tiempo de aplicación). El aceite de girasol, o la leche deben mostrar una sensación agradable en la boca a la hora de digerirlos, manteniendo en todo momento un valor constante de viscosidad. El ketchup debe mostrar una disminución de viscosidad a la hora de agitarlo para que salga del envase. La harina de maíz mezclada con agua debe formar un producto muy viscoso al removerla rápidamente para elaborar productos alimenticios con gran consistencia y para evitar derrames en el recipiente en que se encuentra. Todo ello nos lleva a la búsqueda de un método experimental para poder caracterizar reológicamente un fluido. 1.2 OBJETIVOS Los objetivos a la hora de realizar este proyecto han sido los siguientes: Automatización de las medidas reológicas de un viscosímetro mediante la adquisición y procesamiento de datos por ordenador. Diseñar unos ensayos para caracterizar reológicamente determinados tipos de fluidos. Aplicar los ensayos anteriores a un grupo representativo de fluidos. 2 CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN 1.3 ORGANIZACIÓN DE LA MEMORIA En el presente capítulo se ha realizado una breve introducción a la reología, hablando también de las motivaciones que han impulsado el desarrollo de este proyecto. Además se han detallado objetivos que se querían conseguir con este proyecto. En el capítulo 2 se ha descrito un resumen de todas las tareas desarrolladas durante el período en que se realizó el proyecto. En el capítulo 3 se ha desarrollado desarrolla un esquema de todos los resultados obtenidos. En el capítulo 4 se han elaborado una serie de conclusiones que se han obtenido al realizar el proyecto. Además, se han descrito los trabajos futuros que han quedado para desarrollar con más profundidad con ayuda de este proyecto. En el Anexo 5 se ha detallado toda la bibliografía utilizada. A continuación, se han desarrollado cinco anexos: En el Anexo 1 se ha desarrollado con n más detalle el estudio de la Reología, hablando un poco de la historia de la misma, del concepto de viscosidad, y de los tipos de fluidos que existen desde el punto de vista reológico. En el Anexo 2 se ha realizado una descripción de todos los componentes del equipo experimental: el Rotovisco RV20 HAAKE, la tarjeta de adquisición de datos, el ordenador y el baño termostático. Además se ha elaborado un manual para el manejo del equipo durante los ensayos. En el Anexo 3 ha efectuado una introducción teórica al lenguaje de programación gráfica “LabVIEW”. Después de la introducción, se han diseñado dos programas que han ayudado a la caracterización reológica de los fluidos ensayados . 3 CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN Éstos programas se han denominado “CURVAS_FLU” (obtención de curvas de fluidez y viscosidad) y “RELAJACIÓN” (obtención de tiempos de relajación). En el Anexo 4 se ha hablado con detenimiento de los resultados obtenidos. Primeramente, se ha realizado una calibración del viscosímetro para comprobar que medía correctamente. Posteriormente se han descrito los tres ensayos que se han aplicado mediante el uso de los dos programas diseñados. A continuación, se ha estudiado el principal factor que influía en las medidas realizadas. Más tarde se ha efectuado la caracterización reológica de diez fluidos para conseguir como resultado un análisis de las curvas que se obtienen con los programas (de forma cualitativa sólo para los tiempos de relajación y de recuperación). Para concluir, en el Anexo 5 se ha realizado un análisis cuantitativo de estos tiempos en los fluidos ensayados. 4 CAPÍTULO 2:TAREAS DESARROLLADAS 2. TAREAS DESARROLLADAS La duración del proyecto ha sido de 16 meses, realizándose las siguientes tareas: Conexión del Rotovisco RV20 HAAKE a un ordenador personal. La tarea ha consistido en conectar un viscosímetro rotatorio RV20 HAAKE unido a un baño termostático, a una tarjeta de adquisición de datos instalada en un ordenador, mediante un cable de conexión con adaptador de señales (ver apartados 2.1-4 del Anexo 2). Hay que tener en cuenta anteriormente que el viscosímetro estaba conectado a un resgistrador xy-t deteriorado Desarrollo de unos programas de medición y procesamiento mediante LabVIEW. En dicha tarea se ha diseñado una conjunto de programas en LabVIEW (ver apartado 3.1 del Anexo 3) para obtener la caracterización reológica de los fluidos (ver apartado 3.2 del Anexo 3). Calibración del viscosímetro. En esta tarea se han aplicado los programas diseñados para calibrar el viscosímetro, observando si las medidas reológicas obtenidas se correspondían con sus valores reales(consultar apartado 4.1 del Anexo 4). Caracterización reológica de diversos fluidos mediante la aplicación desarrollada. Se ha realizado un protocolo para el manejo de todo este quipo experimental durante los ensayos(consultar apartado 2.5 del Anexo2).Finalmente se ha procedido a aplicar los programas diseñados mediante tres ensayos distintos (“Viscosidad”, “Temperatura” y “Tiempos”), a diez fluidos: uno newtoniano, cuatro pseudoplásticos, tres dilatantes y cuatro tixotrópicos (ver apartado 4.2-5 del Anexo 4). 5 CAPÍTULO 3:RESULTADOS 3. RESULTADOS Los resultados obtenidos con ambos programas se han resumido en los cinco siguientes apartados: 1) CALIBRACIONES El viscosímetro HAAKE RV20 deber ser calibrado para ver si las medidas que se obtienen con él son válidas realmente, así que se han utilizado tres patrones newtonianos de viscosidad conocida (aceites de 980 mPa·s, 13000 mPa·s, y 60000 mPa·s a 25 ºC). Para ello, se ha aplicado el programa “CURVAS_FLU” para obtener como resultado la curva de fluidez que es la única que nos interesa en este caso. Con dicha curva se ha obtenido la viscosidad de cada aceite como la pendiente de la línea de tendencia (consultar apartado 4.1 del Anexo 4) Además, se ha estudiado la influencia que podría tener el tiempo de ensayo (18 segundos y 60 segundos) en los resultados obtenidos. Comparando los valores, se ha visto que no influye ya que los errores que se cometen son mínimos. 2) ANÁLISIS DEL FACTOR PRINCIPAL QUE INFLUYE EN LOS ENSAYOS En este caso se ha tratado de determinar la influencia de los tiempos de subida y de bajada durante los ensayos realizados(consultar apartado 4.3 del Anexo 4). Los factores que se han estudiado han sido dos: Este análisis se ha realizado mediante el programa “CURVAS_FLU”: El tiempo de subida se define como el tiempo que tarda el fluido en alcanzar el límite máximo de velocidad de deformación. Si el fluido era tixotrópico se le ha añadido al análisis un tiempo de bajada (de igual valor al anterior, mediante el programador PG 6 CAPÍTULO 3:RESULTADOS 242), ya que presentaban histéresis y era necesario conocer el valor de las curvas hasta que la velocidad de deformación se reducía a cero. El objetivo de este ensayo ha sido cambiar los tiempos de subida y de bajada en cada ensayo para ver si se obtenían curvas de fluidez y viscosidad semejantes o distintas. 3) CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA DE LOS FLUIDOS En este apartado se han caracterizado reológicamente una serie de fluidos, diez en total, mediante tres ensayos realizados con los dos programas que se han diseñado (consultar 4.4 del Anexo 4). Las características más relevantes de los tipos de ensayos realizados han resumido en la siguiente tabla: ENSAYO DE VISCOSIDAD - Realizado a todos los fluidos (10) a una temperatura entre 25 y 25,5 º C (conseguida mediante baño o sin él) - Se ha analizado la variación de tiempos de subida y de bajada para un pseudoplásticos, un dilatante y para todos los tixotrópicos (dependientes del tiempo) ENSAYO DE TEMPERATURAS - Realizado sólo a un pseudoplástico (ketchup) ya que el baño termostático, que es el que calienta el fluido, necesita una campana extractora para absorber los gases que salen de éste, y no hay en el laboratorio - Se han obtenido valores a tres temperaturas - 7 Se ha analizado el resultado CAPÍTULO 3:RESULTADOS ENSAYO DE TIEMPOS - Realizado a los 10 fluidos a una temperatura entre 25 y 25,5 º C para comparar resultados - Se ha hecho un análisis cualitativo. - En el apartado siguiente (4.5) se ha realizado el análisis cuantitativo, normalizando los resultados Los fluidos (newtonianos y no newtonianos) que han sido ensayados se muestran en esta otra tabla: NEWTONIANOS - Aceite de girasol PSEUDOPLÁSTICOS - Ketchup - Mezcla ketchup-mostaza al 50 % - Gel de manos - Suavizante DILATANTES - Harina de maíz al 40 % TIXOTRÓPICOS - Detergente líquido - Gel de baño - Yogur - Pintura En cuanto a los demás tipos de fluidos, hay que comentar que no han podido ensayarse, detallándolo a continuación: El ensayo a fluidos plásticos no se han podido realizar debido a que el viscosímetro no admitía velocidades cercanas a cero para poder calcular con seguridad el valor del esfuerzo umbral. 8 CAPÍTULO 3:RESULTADOS Además, se ha intentado realizar un ensayo con un fluido reopéctico (el yeso), pero ha dado muchos problemas por su rápida solidificación, y no se ha encontrado otro fluido de este tipo menos viscoso. Los “Resultados” que se han obtenido para diez fluidos se muestran en las siguientes tablas, incluyendo en ellas los ensayos de Viscosidad (análisis de tiempos de subida y de bajada), de Temperaturas (sólo para el ketchup debido a la ausencia de una campana para retirar los gases del baño que calienta el fluido) y de Tiempos (éste último de forma cualitativa ya que en el siguiente apartado se ha realizado el análisis cuantitativo): FLUIDOS NEWTONIANOS ACEITE DE GIRASOL La siguiente tabla muestra los principales resultados: Ensayo de Viscosidad - Ensayo de Tiempos (cualitativo) Regresión cercana a uno de la - curva de fluidez. Se asemeja a cambia casi línea recta. - - - Segunda variación: la viscosidad Curva de viscosidad paralela, permanece prácticamente constante característico de newtoniano. con el tiempo = 66,46 mPa·s (pendiente de la - Tiempo de relajación menor que recuperación: nulo curva) - Primera variación : la viscosidad no No hecho análisis de tiempo de subida porque no influye al ser newtoniano(ver Calibraciones) 9 CAPÍTULO 3:RESULTADOS FLUIDOS NO NEWTONIANOS i) Fluidos Pseudoplásticos KETCHUP, KETCHUP-MOSTAZA AL 50%, GEL DE MANOS, SUAVIZANTE Para todos estos fluidos se han obtenido resultados semejantes al aplicar los ensayos de “Viscosidad” y de “Tiempos”. Dichos resultados se han resumido en la siguiente tabla: Ensayo de Viscosidad - - Ensayo de Tiempos (cualitativo) Curva de fluidez creciente con el - aumento de “D”. decreciente con el tiempo de Curva de viscosidad decreciente con ensayo. el aumento“D”. - Primera variación de “D”: curva - Tiempo de subida: no influye. Segunda variación de “D”: curva creciente con el tiempo de ensayo - Tiempo de relajación menor que el de recuperación (D = velocidad de deformación) Además se ha realizado el ensayo de temperaturas para el ketchup, obteniendo como resultado la tabla siguiente: Ensayo de Temperaturas - Curva de fluidez: si la temperatura aumenta, aumenta el esfuerzo cortante - Curva de viscosidad: si la temperatura, aumenta, la viscosidad baja. 10 CAPÍTULO 3:RESULTADOS ii) Fluidos Dilatantes HARINA DE MAÍZ al 40 % Los resultados que se han obtenido mediante los ensayos de “Viscosidad” y de “Tiempos”se muestran en la tabla siguiente: Ensayo de Viscosidad - Ensayo de Tiempos Curva de fluidez decreciente con el - aumento de “D”. - - Primera variación de “D”: curva creciente con el tiempo de ensayo Curva de viscosidad creciente con el - Segunda variación de “D”: curva aumento de “D”. decreciente con el tiempo de Tiempo de subida: no influye ensayo - Tiempo de relajación menor que el de recuperación (D = velocidad de deformación) Fluidos Tixotrópicos DETERGENTE LÍQUIDO, GEL DE BAÑO, PINTURA Y YOGUR En líneas generales, para todos estos fluidos, se han conseguido los siguientes resultados: Ensayo de viscosidad - Ensayo de tiempos Curva de fluidez creciente con - “D”durante la subida y decreciente creciente con el tiempo de ensayo durante la bajada. - - Segunda variación de “D”: curva Curva de viscosidad decreciente con decreciente con el tiempo de “D” durante la subida, y creciente ensayo durante la bajada - Primera variación de “D”: curva - Histéresis: curva ascendente Tiempo de relajación menor que el de recuperación. 11 CAPÍTULO 3:RESULTADOS superior a la descendente - Tiempo de subida y tiempo de bajada: sí influye D=Velocidad de deformación 4) CÁLCULO DE LOS TIEMPOS DE RELAJACIÓN Y DE RECUPERACIÓN El estudio cuantitativo de los tiempos de relajación como los de recuperación se ha realizado mediante la normalización de la viscosidad, es decir, convirtiendo la curva de viscosidad en otra semejante pero con valores en el eje de ordenadas entre 0 y 1 para obtener más fácilmente los valores de los tiempos buscados. Dicho estudio se ha dividido en tres casos, dependiendo del comportamiento de los fluidos tratados en el ensayo de “TIEMPOS”: pseudoplásticos y tixotrópicos, dilatantes y newtonianos. Primeramente se ha desarrollado una introducción teórica de lo que significa ese valor de normalización, el cual se ha aplicado en todos los casos de fluidos, y cómo se debía de calcular tanto el tiempo de relajación como el de recuperación (ver apartado 4.5.1 del Anexo 4). Finalmente se han utilizado los valores que se obtuvieron para el ensayo de “Tiempos” en cada uno de los fluidos para calcular ambos tiempos (ver apartado 4.5.2 del Anexo 4). Los resultados que se han obtenido se han agrupado en las siguientes tablas: TIEMPO DE RELAJACIÓN (N = newtoniano; P = pseudoplástico; D = dilatante; T = tixotrópico) 12 CAPÍTULO 3:RESULTADOS Aceite de girasol Tipo de fluido N Tiempo de relajación (s) 0 Harina de maíz al 40% D 0,5 Gel de baño P 0,7 Gel de manos T 0,7 Detergente líquido T 0,8 Suavizante P 0,9 Ketchup P 1,1 Kecthup-mostaza 50% P 1,1 Yogur T 1,5 Pintura T 1,8 Aceite de girasol Tipo de fluido N Tiempo de relajación (s) 0 Detergente líquido T 3,9 Ketchup P 5,1 Ketchup-mostaza 50% P 5,5 Gel de manos T 5,8 Gel de baño P 6 Suavizante P 6,1 Harina de maíz al 40% D 7,6 Pintura T 10,7 Yogur T 10,8 Fluido TIEMPO DE RECUPERACIÓN Fluido Los resultados se han comentado en el apartado 4.5.2 del Anexo 2. 13 CAPÍTULO 4:CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO 4. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO Las principales conclusiones que se pueden deducir de este proyecto son: 1. El viscosímetro se ha conectado a un ordenador, lo cual permite la adquisición y procesamiento automático de datos reológicos. 2. Mediante pruebas de calibración se ha comprobado que la precisión del viscosímetro empleado es buena, mostrando un error menor del 5%. 3. Se ha comprobado que el programa LabVIEW es una herramienta muy potente para la adquisición y procesamiento de datos. No obstante, hay que destacar que su curva de aprendizaje es lenta inicialmente. 4. Se han diseñado tres ensayos para caracterizar reológicamente los fluidos. Estos ensayos se realizan mediante dos programas creados en el entorno LabVIEW. 5. El primer programa permite obtener las curvas de fluidez y de viscosidad de forma gráfica y automática mediante la pulsación de un botón. 6. El segundo programa mide los tiempos de respuesta de un fluido ante un cambio brusco de la velocidad de deformación. 7. Se han aplicado los ensayos propuestos a una serie de fluidos. 14 CAPÍTULO 4:CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO Los posibles trabajos futuros que se pueden realizar ampliando este proyecto son: 1. Caracterizar reológicamente otros tipos de fluidos Se podrían caracterizar nuevos fluidos mediante los tres ensayos diseñados, como por ejemplo: Tinta de impresión distintas marcas. Pinturas a distintas concentraciones. Nuevas bebidas. Fluidos Reopécticos: poliéster, arcilla bentonítica. 2. Adquisición de datos de temperatura De las señales que se obtienen en la tarjeta de adquisición de datos sólo se han aprovechado dos: el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación. La tercera señal es la temperatura, así que realizando pequeños cambios en el programa “CURVAS_FLU” se podrían calcular con cierta exactitud una curva de viscosidad variable con la temperatura, e incluso otra que representaría el esfuerzo cortante en función de dicha temperatura. Para ello, se debería colocar una campana para que extrajera los gases que produce el fluido del baño termostático que calienta el vaso de medición. 3. Influencia de la viscosidad sanguínea en la aparición de problemas cardiovasculares Dado el aumento de casos de enfermedades cardiovasculares durante los últimos años, se podría estudiar el comportamiento viscoso de la sangre para la prevención y control de estas mismas (algunos estudios han demostrado que un aumento de la viscosidad sanguínea está relacionado con la aparición de estas enfermedades). 4. Ajuste de datos por la ley de la potencia 15 CAPÍTULO 4:CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO Se podría calcular el valor de “n” en la ley de la potencia representando la curva de fluidez en coordenadas logarítmicas. Con este resultado (mayor, menor o igual a uno) se podría caracterizar adicionalmente un fluido. 5. Cálculo del esfuerzo umbral mediante el método de Vane Mediante la aplicación del método de Vane se podría calcular el esfuerzo umbral, y por consiguiente, caracterizar reológicamente cualquier fluido plástico (no se ha podido ensayar en este proyecto). Este método consistiría en la representación de la curva del esfuerzo cortante frente al tiempo de ensayo aplicando una velocidad de deformación constante y no superior a 1 r.p.m. Al representarla se obtendría un rápido incremento del valor del esfuerzo constante hasta llegar a un máximo, seguido de una disminución muy brusca. El valor del esfuerzo cortante en el máximo se correspondería con el esfuerzo umbral del fluido. 16 CAPÍTULO 5:BIBLIOGRAFÍA 5. BIBLIOGRAFÍA [1] Barnes, H. A; Hutton, J.F.;Watters, K.; “An Introduction to Rheology”. 3ª Edición, Elsevier (1989). [2] White; “Mecánica de Fluidos”; Mc Graw Hill (1996). [3] Alcrudo, F; “Reología no newtoniana” (Práctica de mecánica de fluidos del centro politécnico superior, universidad de Zaragoza; 1995) [4] Harris, John; “Rheology in non-Netwtonian Flow”.Longnan Group Limited (1977). [5] Contraves A.G.; “Measurement of rheological properties”(1974). [6] Haake Company;“Manual del viscosímetro RV20 HAAKE”. [7] Advantech; “Users Manual PCL-711B”, Advantech (2001). [8] Lázaro, Antonio M.; “LabVIEW, Programación gráfica para el control de instrumentación”. Paraninfo (1996). [9] Mihura, Bruce; “LabVIEW for DATA ADQUISITION”. Prentice Hall Inc.(2001). [10] Página web del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la universidad de Pensilvania ; “My first.vi”: http://www.ee.upenn.edu.rca/software/labview41/myfirstvi41.html [11] Página web del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la universidad de Pensilvania; “Simple Data Acquisition and Output in LabVIEW”: http://www.ee.upenn.edu.rca/software/Labview41/inputoutput/inoutputvi.html [12] Steffe, James F.;“Rheological methods in food process”. 2ª Edición, Freeman Press (1996). 17