DISEÑO DE UN VISCOSÍMETRO PARA
ESTUDIOS DE REOLOGÍA
DESIGN OF A VISCOMETER FOR RHEOLOGY STUDIES
Jaime Antonio Cancho Guisado
Universidad Nacional Federico Villarreal, Perú
Jose Francisco Moro Pisco
Universidad Nacional Federico Villarreal, Perú
Jose Julio Rodriguez Figueroa
Universidad Nacional Federico Villarreal, Perú
Edward José Flores Masias
Universidad Nacional Federico Villarreal, Perú
Victor Leonardo Soberón Tomasto
Universidad Nacional Federico Villarreal, Perú
Pierre Anibal Cano Contreras
Universidad Nacional Federico Villarreal, Perú
pág. 10449
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i4.12201
Diseño de un Viscosímetro para Estudios de Reología
Jaime Antonio Cancho Guisado1
jcancho68@gmail.com
https://orcid.org/0000-0002-7476-6979
Universidad Nacional Federico Villarreal
Perú
Jose Francisco Moro Pisco
josemoro17720@gmail.com
https://orcid.org/0000-0003-0061-6932
Universidad Nacional Federico Villarreal
Perú
Jose Julio Rodriguez Figueroa
rofigjj@gmail.com
https://orcid.org/0000-0002-3672-1526
Universidad Nacional Federico Villarreal
Perú
Edward José Flores Masias
eflores@unfv.edu.pe
https://orcid.org/0000-0001-8972-5494
Universidad Nacional Federico Villarreal
Perú
Victor Leonardo Soberón Tomasto
victorsoberon09st@gmail.com
https://orcid.org/0009-0001-2708-2312
Universidad Nacional Federico Villarreal
Perú
Pierre Anibal Cano Contreras
pierrecano16@gmail.com
https://orcid.org/0009-0006-9946-2791
Universidad Nacional Federico Villarreal
Perú
RESUMEN
Todo fluido se deforma continuamente por efecto de los esfuerzos cortantes. La viscosidad es una
propiedad física de los fluidos, quienes se mueven en diferentes velocidades, en su movimiento se
origina la colisión de sus partículas, provocando la ralentización, desaceleración o la resistencia en su
desplazamiento. El objetivo del presente trabajo es Diseñar un viscosímetro para facilitar los estudios
de Reología de los fluidos, mayores a 480 cP, en el laboratorio de fluidos de la Facultad de Ingeniería
Electrónica e informática de la Universidad Nacional Federico Villarreal, obteniendo la caracterización
de las propiedades reológicas e identificando la variación de los rangos de temperatura aplicados a los
fluidos. Se utilizó la metodología de investigación tomando en cuenta: el ámbito espacial y temporal;
el universo, población y muestra del estudio; unidad de análisis del estudio; las técnicas de recolección
de datos e instrumentos. Se desarrolló el diseño del viscosímetro de acuerdo con la norma ASTM
D3835, utilizándose el programa de diseño mecánico, AUTODESK INVENTOR PROFESSIONAL y
para el diseño del mando y la fuerza de la energía eléctrica se utilizó el software CAD e-SIMU. Como
resultado se obtuvieron 12 planos en el Sistema ISO E, donde el undécimo plano corresponde al de
ensamblado, es el de mayor importancia porque es allí donde se indica el montaje de las piezas
diseñadas y el duodécimo plano es el explosionado de las piezas y partes, donde se muestran todos los
componentes del viscosímetro, considerando su orden de montaje y desmontaje. Luego se analizaron
dichos resultados con los ajustes debidos del diseño, tomando en consideración los cálculos de estudios
de Ingeniería tanto para el diseño de la estructura, elección de partes que conforman el equipo propuesto
y los cálculos para el montaje correspondiente. Para la validación del diseño del viscosímetro se acepta
el 3% de error respecto a la comparación realizada con un viscosímetro análogo rotacional, Modelo
NDJ4, tipo “A” y se llegó a la conclusión que el viscosímetro diseñado se encuentra dentro de los
parámetros de aceptación.
Palabras clave: viscosidad, diseño, viscosímetro, fluidos
1
Autor principal
Correspondencia: jcancho68@gmail.com
pág. 10450
Design of a Viscometer for Rheology Studies
ABSTRACT
Every fluid is continually deformed by the effect of shear stresses. Viscosity is a physical property of
fluids, which move at different speeds. Their movement causes the collision of their particles, causing
slowing down, deceleration or resistance in their movement. The objective of this work is to design a
viscometer to facilitate Rheology studies of fluids, greater than 480 cP, in the fluid laboratory of the
Faculty of Electronic and Computer Engineering of the National University Federico Villarreal,
obtaining the characterization of the properties rheological measurements and identifying the variation
of the temperature ranges applied to the fluids. The research methodology was used taking into account:
the spatial and temporal scope; the universe, population and sample of the study; study unit of analysis;
data collection techniques and instruments. The design of the viscometer was developed in accordance
with the ASTM D3835 standard, using the mechanical design program, AUTODESK INVENTOR
PROFESSIONAL, and the CAD software e-SIMU was used to design the control and force of electrical
energy. As a result, 12 plans were obtained in the ISO E System, where the eleventh plan corresponds
to the assembly, it is the most important because it is there where the assembly of the designed parts is
indicated and the twelfth plan is the explosion of the pieces and parts. , where all the components of the
viscometer are shown, considering their assembly and disassembly order. These results were then
analyzed with the appropriate design adjustments, taking into consideration the calculations of
Engineering studies for both the design of the structure, the choice of parts that make up the proposed
equipment and the calculations for the corresponding assembly. For the validation of the viscometer
design, a 3% error is accepted with respect to the comparison made with an analog rotational viscometer,
Model NDJ4, type ''A'' and it was concluded that the designed viscometer is within the parameters
acceptance.
Keywords: viscosity, design, viscosimeter, fluids
Artículo recibido 10 mayo 2024
Aceptado para publicación: 15 junio 2024
pág. 10451
INTRODUCCIÓN
Este trabajo se presenta el diseño del prototipo de un viscosímetro rotacional análogo para que pueda
ser utilizado en el laboratorio de Fluidos en la Facultad de Ingeniería Electrónica e Informática de
nuestra Universidad Nacional Federico Villarreal. Este viscosímetro formara parte de los equipos de
laboratorio para el análisis de los diferentes fluidos, a partir de los 480 cp, a ser analizados en los
diferentes cursos donde se trabajen con fluidos, según nuestra malla curricular.
El prototipo propuesto tiene como finalidad identificar la viscosidad dinámica, a temperatura constante,
de líquidos de manera experimental. Consideramos importantes el conocimiento de las características
de los fluidos a fin de poder entender el comportamiento de estos durante procesos industriales los
cuales podrán ser automatizados por los alumnos de nuestra Faculta de Ingeniería Mecatrónica, en
donde los integrantes del presente grupo investigador, nos desarrollamos como docentes.
“La realización de este proyecto surge de la necesidad existente en las Facultades de Ingeniería de contar
con un equipo capaz de efectuar mediciones de Viscosidad de los fluidos” (Salcedo et al., 2013, p.387).
El viscosímetro es un dispositivo que se utiliza para medir la resistencia viscosa de un fluido. Consiste
en un móvil impulsado por un motor a través de un resorte calibrado, cuya torsión se indica mediante
un puntero en un dial o una pantalla digital. La resistencia viscosa del fluido, indicada por la compresión
del resorte interno, es proporcional a la velocidad de rotación de la aguja y se relaciona con el tamaño
y forma del móvil. El rango de medición varía según el tamaño y la velocidad del móvil utilizado. Para
todos los modelos de viscosímetro, el rango mínimo se obtiene utilizando el móvil más grande a la
velocidad más alta y el alcance máximo se obtiene utilizando el móvil más pequeño a la velocidad más
baja. Las mediciones realizadas con el mismo móvil a diferentes velocidades se utilizan para detectar y
evaluar las propiedades reológicas. El viscosímetro consta de varios subconjuntos mecánicos,
incluyendo un motor de accionamiento y una transmisión de varias velocidades, un resorte de berilio-
cobre calibrado, un dial y un eje de pivote. El dispositivo se utiliza para detectar y evaluar las
propiedades reológicas del fluido ensayado.
En el estudio de los flujos es importante considerar la tasa de deformación; esta es la variación espacial
de la velocidad. Esta da una idea de la rapidez con la que se deforma una porción infinitesimal del
material y se mide en 1/s. Finalmente, se define a la viscosidad como el cociente del esfuerzo tangencial
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y la tasa de deformación, esta suele medirse en milipascales por segundo (mPa/s) que es equivalente al
centipoise (cP). Desde el punto de vista reológico, los líquidos pueden dividirse en dos grupos
principales:
1 Los líquidos newtonianos son aquellos en los que los esfuerzos tangenciales varían linealmente con
la tasa de deformación.
2 En los líquidos no newtonianos, debido a la relación existente entre las tasas de deformación, los
esfuerzos no están dados por una constante, por lo tanto, su correspondiente viscosidad depende de
la tasa de deformación a la que está fluyendo (Feldman et al., 2021, p. 138).
La reología se define como una ciencia que estudia el flujo y deformación de la materia bajo la
influencia de una fuerza mecánica. Pertenece a las ramas de la física y química-física, sus variables
importantes provienen del campo de la mecánica: las fuerzas, las deflexiones y las velocidades. El
origen del término” reología” surge del griego: “Rhein” que significa “fluir”, por lo tanto, la reología
es “la ciencia del flujo”. Sin embargo, los experimentos reológicos no tienen como finalidad la
revelación sobre el comportamiento del flujo de líquidos, sino sobre el comportamiento de la
deformación de los sólidos. Los reólogos tienen como objetivo medir la deformación y el
comportamiento de flujo de una variedad de materias, presentar los resultados obtenidos claramente y
explicarlos (Arias-Gilart et al., 2018, p. 414).
Podemos decir que “la reología es la ciencia que estudia el comportamiento de deformación y flujo de
la materia, incluidas las propiedades de elasticidad, viscosidad y plasticidad de una masa o cuerpo
sometido a tensión” (Silva et al., 2019, p. 285).
Las propiedades reológicas de un material están definidas por la temperatura, la presión, la tensión y la
velocidad de corte. Conociendo la magnitud de estos parámetros en los procesos industriales, la
viscosidad y las propiedades elásticas, se pueden estudiar en un ambiente de laboratorio, utilizando
instrumentos reológicos fundamentales, como los reómetros.
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Los resultados se pueden utilizar para estudiar las diferentes propiedades del material, tales como:
estabilidad, consistencia, temperatura de fusión, temperatura de endurecimiento, estabilidad a la tensión
y peso molecular. También se pueden utilizar para mejorar la calidad del producto y para predecir el
impacto de una formulación de producto específica en un proceso industrial (Leite et al., 2013, p. 193).
“La reología de los alimentos nos permite estudiar la deformación y las propiedades de flujo de las
materias primas sin procesar, los productos intermedios o semielaborados y los productos finales”
(Leandro Laguna et al., 2022, p. 228).
La viscosidad mide la resistencia al flujo. En términos mecánicos, se considera como la capacidad de
resistencia de un fluido a la deformación gradual por un esfuerzo externo aplicado (Alvarado-Montero
et al., 2018, p. 365). La viscosidad es la propiedad de transporte, en función a la temperatura, de los
fluidos, “es clave para la caracterización de compuestos puros y de mezclas, así como en el manejo de
información para el diseño de procesos industriales y la medición del caudal; su exactitud garantizara
la calidad de muchos productos” (Zambrano Carranza, 2014, p. V).
En cuanto a la pulpa de cocona, el estudio de sus propiedades físicas, incluyendo su reología, es
necesario para optimizar las diferentes etapas y procesos para su industrialización (Leandro Laguna
et al., 2022, p. 227). “El esfuerzo cortante y la viscosidad se incrementan según aumentan los sólidos
en pulpas, por ello se necesitará mayor potencia de bombeo; al contrario, disminuyen con el aumento
de la temperatura” (Pérez-García et al., 2021, pp, 619-620).
Las propiedades volumétricas, viscosimétricas y termodinámicas de aminoácidos en disolventes mixtos
o pseudobinarios y su investigación resultan un tema de gran interés, debido a que diversos procesos
biológicos que implican cambios en las propiedades físicas, bioquímicas, biomédicas e industrialmente
útiles de estos compuestos, necesitan para su completa comprensión una idea adecuada del estado y el
comportamiento de estas moléculas en el medio, además de su importancia en la industria química y
farmacéutica (Páez et al., 2019, p. 126).
Las soluciones electrolíticas de tetrafluoroborato de litio en solventes apróticos son frecuentemente
utilizados en baterías de alta densidad, tomando como punto principal que los procesos de asociación y
solvatación son imprescindibles, el conocimiento de estas interacciones entre partículas de esta solución
electrolítica es de suma importancia. La viscosidad es la propiedad que tienen las partículas para lograr
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su transporte, por ello se debe evaluar el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de soluciones de
tetrafluoroborato de litio en los solventes de acetonitrilo y acetona (Dilo et al., 2016, p.761).
Debido al alto precio de comercialización, su alto valor nutritivo y características propias, la miel de
abeja puede ser adulterada; “un análisis reológico de la miel de abejas nos permitirá identificar su
veracidad o no” (Andrade et al., 2016, p. 4). El avance tecnológico, las herramientas modernas y la
aplicación de nueva metodología han permitido un gran avance en la industria del petróleo. En
particular, “los estudios reológicos se pueden considerar como los más conocidos y eficaces para
estudiar los petróleos parafínicos y asfalticos altamente viscosos” (Laurencio Alfonso et al., 2017, p.
675). Del mismo modo, “en la biomedicina se espera que el uso del viscosímetro tenga aplicaciones
futuras, donde se requiera analizar fluidos biológicos, aunque se cuente con muy poca muestra”
(Carvajal-Ahumada et al., 2017, p. 54).
“La realización de este proyecto surge de la necesidad existente en las Facultades de Ingeniería de contar
con un equipo capaz de efectuar mediciones de Viscosidad de los fluidos, en un amplio rango de
temperaturas” (Salcedo et al., 2013, p.387).
METODOLOGÍA
El diseño del viscosímetro planteado se llevará a cabo de acuerdo con la norma ASTM D3835. Para el
diseño de partes se utilizará el programa de diseño mecánico, AUTODESK INVENTOR
PROFESSIONAL y para el diseño y simulación del mando y la fuerza de la energía eléctrica se utilizará
el software CAD e-SIMU, luego se analizarán los resultados con los ajustes debidos del diseño. Además,
se efectuará los cálculos de estudios de Ingeniería tanto para el diseño de la estructura, elección de
partes que conforman el equipo propuesto y los cálculos debidos para el montaje correspondiente.
Los materiales para utilizar en el presente proyecto de investigación son los siguientes:
▪ Base resistente con accesorio de nivelación la para fijación.
▪ 1/4 plancha: Acero inoxidable 1,0 mm de espesor
▪ Motor eléctrico de baja velocidad y alto torque.
▪ Husillo rotacional con elemento de medición en el extremo.
▪ Dial analógico con escala para la medición de velocidad angular.
▪ Sistema de transmisión mecánica para conectar el motor al eje rotacional.
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▪ Sistema de control de velocidad y apagado.
▪ Cabezal con protección para el motor y los componentes eléctricos.
Así mismo, la metodología utilizada para el presente Proyecto de Investigación consiste en siete fases:
definición de objetivos y requerimientos, ideación y bosquejo, creación del prototipo, evaluación del
prototipo modelo, creación del prototipo representativo, evaluación del prototipo y validación del
prototipo.
Para que el prototipo cumpla con su propósito como corresponde se tomó en consideración el modelado
el cual permitió acceder al diseño exclusivo desde el momento que fue aprobado dicho Proyecto y
tomando en cuenta las escalas 1:1; 1:2; 1:5; 1:10 y 2:1.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Estudio de ingeniería
A través de la aplicación de conocimientos y actividades se lograron definir los recursos necesarios para
llevar a cabo el proyecto en estudio y para ello se alcanzaron el cumplimiento de los estándares
necesarios como punto de partida para conseguir la creación del diseño del prototipo.
Consideraciones
La escala del dial debe estar calibrada previamente utilizando líquidos de referencia con viscosidades
conocidas.
El motor debe ser lo suficientemente potente para generar un rango de velocidades angulares adecuado
para medir una amplia gama de viscosidades. El sistema de transmisión mecánica debe ser preciso y
debe estar bien centrado para minimizar las oscilaciones que podría afectar las mediciones. Se tienen 4
husillos intercambiables para poder medir fluidos de diferentes viscosidades y se tiene que considerar
la seguridad eléctrica y mecánica al diseñar el prototipo.
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Figura 1. Husillos pata columna
Planteamiento de diseño del prototipo viscosímetro
Se plantea el diseño del prototipo de un viscosímetro análogo de dial, considerando la norma ASTM
D3835, para el diseño de las partes y piezas se ha utilizado el software Autodesk Inventor, con el cual
también se realizaron los análisis de diseño respectivo.
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Figura 2. Perfil del viscosímetro
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Figura 3. Despiece del viscosímetro
Según el diseño establecido, los planos se construyeron satisfactoriamente utilizando el programa de
diseño mecánico AUTODESCK Inventor Professional 2022, conociendo las piezas y componentes
comerciales en el mercado nacional y aplicando las Normas ISO E. Por lo tanto, se utilizaron escalas
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de dibujo normalizadas como 1:1 , 1:2 , 1:5 , 1:10 y 2:1. De manera similar, se utilizó el software CADe
SIMU para crear el plano eléctrico.
Seguidamente se obtuvieron la presentación de los planos, tales como:
- Plano de Explosionado. 01 plano, conformado por 13 piezas.
- Plano de Ensamblado. 01 plano general conformado por 13 piezas
- Plano de Despiece. 11 planos del total de las piezas del Prototipo que se van a fabricar.
- Plano de instalación eléctrica. 01 plano de mando y fuerza.
Por lo tanto, los hallazgos del presente estudio pueden servir como base para investigaciones futuras
que involucren la creación de viscosímetros con las características sugeridas. El software
AUTODESCK Inventor Professional 2022 se utilizó porque está especializado en el diseño de piezas y
componentes mecánicos y también puede presentar los diferentes planos necesarios para la construcción
del viscosímetro según las escalas utilizadas como corresponde. Debido a que es un simulador de
funcionamiento de circuitos eléctricos, se utilizaron el software CAD y SIMU.
De esta manera, se crea la presentación del despiece para mostrar la cantidad total de piezas que se
utilizarán para construir el viscosímetro. Para mostrar el conjunto final del montaje del prototipo, se
realiza la presentación del ensamblado. El plano de las piezas también sirve como presentación para
indicar las medidas precisas que se utilizarán en cada pieza para la construcción posterior del
viscosímetro. De manera similar, se determinó que las escalas utilizadas eran apropiadas para su mejor
presentación e interpretación. Además, se emplearon las Normas ISO E debido a que son aceptadas por
las normas técnicas peruanas que especifican.
CONCLUSIONES
El objetivo del proyecto era Diseñar un viscosímetro para facilitar los estudios de Reología de los
fluidos, mayores a 480 cP en el laboratorio de fluidos de la Facultad de Ingeniería Electrónica e
informática de la Universidad Nacional Federico Villarreal, obteniendo la caracterización de las
propiedades reológicas e identificando la variación de los rangos de temperatura aplicados a los fluidos.
Utilizando el programa de diseño mecánico AUTODESK Inventor Profesional 2022 y cumpliendo con
la norma ASTM D3835, el prototipo se desarrolló satisfactoriamente según las especificaciones
establecidas.
pág. 10460
Después de completar satisfactoriamente el diseño del viscosímetro, se recomienda continuar
investigando para obtener nuevas informaciones que son de gran importancia tanto para la investigación
científica como para la industria alimentaria, farmacéutica, cosmética, de pinturas y petrolera.
En resumen, los viscosímetros son herramientas esenciales para la reología porque permiten medir la
viscosidad de los fluidos, ya que esta propiedad es fundamental para comprender su comportamiento y
para comprender sus aplicaciones en una variedad de campos industriales y científicos.
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