Qué es la viscosidad

La viscosidad es una medida de la resistencia de un líquido a fluir. Y no hace falta trabajar en un laboratorio para observarla. Cualquiera que haya pasado algún tiempo en la cocina ha observado una gran variedad de líquidos con una amplia variedad de viscosidades.

• El agua, la leche y el zumo de frutas fluyen con mucha facilidad; esto puede observarse al verter cada uno de ellos en un vaso. Todos ellos son ejemplos de líquidos poco viscosos o poco espesos.
• Otros ejemplos, como el aceite vegetal, el sirope de arce y el jabón de cocina, son considerablemente más viscosos, se resisten a fluir y se vierten más lentamente. Todos ellos son ejemplos de líquidos de viscosidad media.
• La miel, la melaza y el chocolate derretido son muy difíciles de verter y a menudo echamos mano de una cuchara u otro utensilio para acelerar el proceso. Todos ellos son ejemplos de líquidos muy viscosos.
• La mantequilla de cacahuete, la mermelada y el caramelo no suelen verterse y es necesario utilizar utensilios para sacarlos del recipiente. Todos ellos son ejemplos de líquidos muy viscosos. Estos líquidos son tan espesos que empiezan a desdibujar la línea entre líquido y sólido. Pero, a diferencia de los sólidos, la viscosidad de estos líquidos puede medirse y cuantificarse.

Quizá la distinción más importante entre sólidos y líquidos (al menos desde el punto de vista de nuestro fabricante de bombas) sea "¿puede moverse con una bomba?". La respuesta es sí a toda la lista anterior, pero la clave está en saber, más allá de una descripción general de "viscoso", cuál es realmente la viscosidad del líquido.

Unidades de viscosidad y medida

Los términos que he utilizado anteriormente son muy subjetivos. Por ejemplo, si me preguntaran si soy alto, diría que sí. Pero si entrara en la cancha en un partido de baloncesto profesional, sería más exacto describirme como bajo. Lo mismo ocurre con la viscosidad. Para los clientes que manejan sobre todo líquidos finos como el agua, el aceite vegetal se consideraría un líquido viscoso. En un fabricante de chocolate, consideran que el aceite vegetal es un líquido fino. Sin medición ni cuantificación, la viscosidad es relativa.

Para una medición más precisa se necesitará un viscosímetro. Un viscosímetro es un dispositivo diseñado para medir la viscosidad. Existen muchos tipos de viscosímetros de distintos precios y con distintos rangos de medición de la viscosidad. En primer lugar, existen dos tipos diferentes de medición de la viscosidad.

• La viscosidad cinemática depende de la densidad del líquido. Existen varias unidades de medida, pero la más común es el centistokes, abreviado cSt.
• La viscosidad dinámica depende únicamente del esfuerzo cortante o de las fuerzas que intervienen en la deformación del líquido. Existen diversas unidades de medida, pero la más común es el centipoise, abreviado cP.

La conversión entre los dos es muy fácil utilizando la siguiente ecuación:

cSt x peso específico =    cPANDcP ÷ peso específico = cSt

Veamos algunos de los ejemplos más comunes de cada tipo de viscosímetro.

Viscosímetros cinemáticos

• VASOS DE VISCOSIDAD - Un vaso de volumen medido específico con un pequeño orificio en la parte inferior. Las copas de viscosidad funcionan con la misma prueba de vertido descrita anteriormente, pero están calibradas para garantizar que se pueda realizar una medición precisa. Se mide el tiempo necesario para vaciar completamente el vaso a través del orificio. Cuanto mayor sea el tiempo, mayor será la viscosidad. En algunos casos, el propio tiempo es la unidad de medida de la viscosidad. Algunos ejemplos son el Saybolt Seconds Universal (abreviado SSU o SUS) o el Saybolt Seconds Furol (abreviado SSF o SFS). Otros presentan una fácil conversión del tiempo en segundos directamente en centistokes. Hay una gran variedad de copas disponibles, incluyendo Ford, Zahn, Shell y Craftsman, e incluso diferentes números basados en el tamaño del orificio y el rango de viscosidades para las que están calibradas. Son de bajo coste y pueden sumergirse en el líquido para permitir la medición en el punto de uso.
• TUBOS CAPILARES - Se coloca un volumen específico de fluido en un tubo de vidrio en forma de U con dos bulbos. Se mide el tiempo que tarda la muestra de fluido en pasar de un bulbo al otro. Al igual que los viscosímetros de copa, los hay de distintos tamaños según el rango de viscosidades para el que estén diseñados. Son muy populares en los laboratorios donde hay que medir muestras más pequeñas.
• CONSISTÓMETROS - Bandeja inclinada con marcas a lo largo para medir la distancia a la que fluirá un producto durante un tiempo determinado. Una compuerta accionada por resorte situada cerca de la parte superior de la bandeja se abre para permitir que el líquido fluya hacia abajo a través de las marcas. Son muy populares en las industrias de la pintura, la tinta y la alimentación, ya que son fáciles de limpiar y pueden medir la consistencia de líquidos sensibles al cizallamiento. Uno de sus inconvenientes es que no son un verdadero viscosímetro y no devuelven una unidad cinemática específica de viscosidad... cuantificable, sí, pero no directamente convertible en unidades tradicionales de viscosidad. Por este motivo, a menudo se combinan con viscosímetros dinámicos.

Viscosímetros dinámicos

• BOLA QUE CAE o PISTÓN QUE CAE - Estos viscosímetros funcionan con la prueba de la bola o canica descendente descrita anteriormente. De nuevo, el tiempo es la medida, cronometrando cuánto tarda la bola o el pistón ponderado en gotear a través del líquido a medida que fluye a su alrededor. Un pequeño inconveniente es que estos viscosímetros no pueden utilizarse con líquidos opacos.

• VISCOSÍMETROS ROTACIONALES - Estos viscosímetros utilizan un husillo giratorio (copa, varilla, cono, placa, etc.) para "agitar" la muestra líquida y medir el esfuerzo cortante resultante. Suelen ser los viscosímetros más caros de esta lista, pero tienen la gran ventaja de poder observar y cuantificar el efecto que tiene el cizallamiento en la viscosidad del líquido (más información al respecto más adelante). Para fluidos de muy alta viscosidad (como el ejemplo anterior de la mantequilla de cacahuete), ésta es la mejor opción.

Pero, ¿y si no tienes acceso a un viscosímetro? Existen un par de métodos para estimar la viscosidad de un líquido.

Cómo calcular la viscosidad de un líquido

• MÉTODO DE COMPARACIÓN - Vertiendo o "chapoteando" un líquido en un frasco y comparando su flujo con otro líquido de viscosidad conocida, se puede estimar si el líquido de la muestra es más viscoso, menos viscoso o aproximadamente de la misma viscosidad que el líquido de comparación conocido. Algunos ejemplos comunes utilizados para las comparaciones son:

Se trata de un método bastante subjetivo y sólo una estimación muy aproximada de la viscosidad de un líquido, pero descripciones como ésta pueden ayudar a definir mejor la viscosidad de un líquido en lugar de utilizar términos vagos como "espeso" o "pesado".

LA PRUEBA DEL LÁPIZ - Desarrollada por Viking Pump, la prueba del lápiz es una forma rudimentaria de viscosímetro cinemático. Utiliza un lápiz de madera afilado, un recipiente de líquido lo suficientemente hondo como para sumergir el lápiz a una profundidad de 3" y un reloj o cronómetro.

DESCARGO DE RESPONSABILIDAD: Este método funciona mejor para viscosidades entre 100 y 7500 cSt. Sus mejores y más precisas mediciones se harán con un viscosímetro, pero en su lugar estos métodos permiten establecer una estimación.

Independientemente del método de medición utilizado, es importante tener en cuenta las variables del sistema y sus efectos antes de seleccionar y dimensionar una bomba.

Variables del sistema y su efecto en la viscosidad

Volvamos al ejemplo de la cocina. Cualquiera que haya aplicado calor a un aceite, un jarabe o una salsa sabe el efecto que tiene sobre la viscosidad. Salvo raras excepciones, la viscosidad de un líquido varía de forma inversa a la temperatura. Cuanto menor es la temperatura, mayor es la viscosidad. Esto significa que, por lo general, la viscosidad de un líquido no es un valor fijo, sino un intervalo. Mantener los líquidos en interiores y en entornos de temperatura controlada reducirá ese intervalo, pero sigue siendo importante tener en cuenta cuál será la viscosidad máxima y mínima para una aplicación de bombeo.

La adición de temperatura mediante calentamiento también puede utilizarse para reducir la viscosidad del líquido, lo que permite reducir el tamaño de la bomba, reducir las pérdidas por fricción en la línea y reducir el tamaño y el consumo de energía del equipo de accionamiento. También puede hacer posible el bombeo de sólidos a temperatura ambiente, como chocolate, cera e incluso asfalto.

Otra variable a tener en cuenta es el cizallamiento. En algunos líquidos, el cizallamiento no tiene ningún efecto. Estos líquidos se clasifican como líquidos newtonianos. Un ejemplo común es el agua. Si mides la viscosidad del agua antes y después de agitarla enérgicamente, verás que la viscosidad es la misma, independientemente del cizallamiento.

Para otros líquidos, el cizallamiento puede alterar la viscosidad. Estos líquidos se clasifican como líquidos no newtonianos. Un ejemplo común es el ketchup, que es un líquido no newtoniano que se diluye por el cizallamiento. Estacionario en la botella, el ketchup se comporta como un líquido viscoso y no se vierte fácilmente. Pero si se agita o se golpea la botella, el ketchup se diluye y se derrama con facilidad.

En los sistemas de bombeo se produce cizallamiento a medida que el líquido se desplaza por las tuberías, los accesorios y la propia bomba. Comprender el cizallamiento y sus efectos puede ayudar a seleccionar la bomba, dimensionarla y calcular el consumo de energía.

Viscosidad y selección de bombas

Es importante recordar que las bombas diseñadas para bombear agua y otros líquidos finos no están pensadas para bombear líquidos viscosos. En el mejor de los casos, son ineficaces cuando manipulan líquidos viscosos. En el peor de los casos, fallan catastróficamente, provocando fugas en el cierre y averías mecánicas.

Como regla general, he aquí las distintas clases de bombas y dónde se aplican en una gama de viscosidades:

Incluso con esta guía, es importante asegurarse de que la construcción de la bomba, la junta y el equipo de accionamiento asociado son apropiados para la gama de viscosidades que se va a manejar.