PRINCIPIOS - FLUIDOS (PROCESO DE EXTRUSION).pdf

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


Contenido

1) Conceptos de Reología

2) Funcionamiento de los reómetros

3) Ensayos reológicos

4) Modelos matemáticos


Conceptosde

Reología


Conceptos de Reología

• Esfuerzo de cizalla • Deformación• Fluido (frente a sólido)• Cizalla y gradiente de velocidad• Velocidad de cizalla• Viscosidad• Tipos de fluidos


Esfuerzo de cizalla

• Esfuerzo: fuerza/superficie (Pa) • De cizalla (o cortante):

tangente a la superficie• En inglés: shear stress

σ


Deformación

• Deformación: ángulo de cambio de la forma de un fluido o sólido

• En inglés: strain

γ


Fluido

• Fluido: sustancia que no puede soportar un esfuerzo de cizalla sin deformarse continuamente

γσ


Cizalla

• Cizalla:cuando existe variación de la velocidad.

• Gradiente de velocidad: du/dy• En inglés: shear

Flujo deCouette

Capalímite


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 −⎡ ⎤≡ ≡ = = ⎣ ⎦


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


Viscosidad

• Ejemplo:la miel fluye peor que el agua

• Por tanto:la miel es más viscosa que el agua


Tipos de viscosidad

• Absoluta o dinámica:• Unidades: Pa s (cps)

• Cinemática:• Unidades: m2/s (cst)

dudy

σ η η γ= =

ηυρ

=


Tipos de fluidos

• Puramente viscosos

• Viscoelásticos


Tipos de fluidos viscosos

Viscosidad constante: newtonianos

Viscosidad variable

Independientes del tiempo Dependientes del tiempo

• Pseudoplásticos

• Dilatantes

• Tixotrópicos

• Reopéxicos



Prof. R. Moreno 2005





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


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


Tixotrópicos


Esf

uerz

o de

ciz

alla

Al mantenercizalla constante,• se destruye estructura• disminuye la resistencia

Histéresis


Tixotropía

• Característico de sustancias sol-gel

• Al someterlo a cizalla, se produce la transición:– de gel (alta viscosidad)– a sol (menor viscosidad)


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)


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)


Tixotropía: destrucción estructura


Esf

uerz

o de

ciz

alla

Área: proporcional ala energía necesaria para romper la estructuraJ/(m3 s)


Reopexia o Anti-tixotropía


Esf

uerz

o de

ciz

alla

Al mantenercizalla constante,• se crea estructura• aumenta la resistencia

HistéresisPoco frecuentes


Funcionamientode los

reómetros


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



4

128D dPQ

dzπ

η⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

dudy

σ η η γ= =

ReómetrosAbsolutos



• 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



ReómetrosAbsolutos

ReómetrosRelativos

Viscosímetros capilares


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


Tipos de reómetros

Viscosímetrocapilar

(Ostwald)


Tipos de reómetros

Viscosímetrode ranura

Se mide ladiferencia de

presiónProf. R. Moreno 2005


Tipos de reómetros

Viscosímetrode orificio(Engler)


Tipos de reómetros

Indexadoresde fluenciade masa(polímeros)


Tipos de reómetros

Placasdeslizantes


Tipos de reómetros

Caída decilindro(similar a

placa deslizante)

Abierto(viscosidad alta) Cerrado



Tipos de reómetros

Caída debola

(Ley de Stokes)


Tipos de reómetros

Rotacionales


Reómetros rotacionales

• RotorCilindrodisco

• VasoContiene el fluido

Gradiente develocidadcontrolado

Medidadel par


Reómetros rotacionales

Cono-placa

Placa-placaCili

ndro

s Prof. R. Moreno 2005


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


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


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


Ensayosreológicos


¿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


Ensayos

• Ensayo 1: curva de flujo

• Ensayo 2: punto de flujo

• Ensayo 3: tiempo de rotura y recuperación


Ensayo 1: Curva de flujo

• Indica tipo de fluido• Modo CR o CS

1) Rampa subida2) Tiempo espera3) Rampa bajada


Esf

uerz

o de

ciz

alla


Ensayo 1: Curva de flujo

Parámetros a medir

• Viscosidad aparente• Área encerrada• Ajustes con modelos

Velocidad de cizallaE

sfue

rzo

de c

izal

la


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)



Importancia del punto de flujo

• Pasta de dientes:hay que apretar para que salga

• Ketchup: igual



• Aumentamos esfuerzo hasta que el sensor empieza a rotar

• Modo CS



• Otro ensayo: deformación vs esfuerzo• Modo CS

Deformacióncomo sólido

Deformacióncomo fluido


Ensayo 3: Rotura/recuperación(1) Cizalla alta y constante (2) Cizalla muy baja y constante

gel

sol

gel

sol

Mod

o C

S


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


Modelosmatemáticos


¿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 = ±


Modelos más comunes

Fluidos newtonianosPlástico de Bingham

Ostwald-de-Waele

Herschel-Bulkley

σ η γ=

0σ σ η γ= +

nKσ γ=

0nKσ σ γ= +

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