1. Educación

XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
AMH
DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
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MÉTODOS PARA LA MEDICIÓN DE BURBUJAS EN UN REACTOR DE
ELECTROCOAGULACIÓN
Canto Ríos Javier1, Martín Domínguez Alejandra2, Alcocer Yamanaka Víctor Hugo2 y
Pérez Castrejón Sara2
1
Posgrado, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México.
Paseo Cuauhnáhuac No. 8532, Col. Progreso, Jiutepec, Morelos, México. C.P. 62550
2
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Paseo Cuauhnáhuac No. 8532, Col. Progreso, Jiutepec, Morelos,
México. C.P. 62550
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Antecedentes
En la industria así como en diferentes obras hidráulicas, se
puede encontrar el paso de fluidos con transporte de
materiales o elementos dispersos, es decir los fluidos se
componen de diferentes fases, las cuales pueden observarse en
distintas proporciones y cuya presencia puede dar origen a
diferentes efectos en el funcionamiento de los equipos y obras.
El flujo bifásico es uno de los casos de interés en diferentes
fenómenos, su clasificación se realiza de acuerdo a los
patrones que presentan, ocasionados por la geometría de la
conducción y la dirección de la mezcla.
Los efectos de estas mezclas pueden ser positivos o negativos
de acuerdo a la aplicación de la que se trate, a pesar a de esto,
en muchas ocasiones no se estudia de manera adecuada para
modelar su comportamiento, en parte por la dificultad que
representa el estudio de la mezcla como tal y por otro lado por
la falta de experiencia en la selección de una metodología o
equipo de medición adecuado.
Existe un gran número de trabajos que se han especializado en
el estudio del comportamiento de las fases, tanto en sistemas
cerrados como en superficies libres.
Stikland et al (1997), analizaron el crecimiento y
desprendimiento de las burbujas por medio de fotografías de
alta velocidad, Martinez (2003) presenta un análisis
tridimensional de la fracción volumétrica de gases en un flujo
vertical con inyección de burbujas, Botello et al (2011),
mejoraron la predicción del coeficiente de transferencia de
masa en columnas de reactores de burbujeo; López (2004)
realizó el análisis del campo de velocidad en un flujo al cual
se le inyectó gas; Torres et al (2006) aplicaron la tecnología de
PIV a aerogeneradores para la caracterización de los campos
de velocidad. Pelcastre (2006) realizó el análisis de un flujo
vertical con inyección de aire en dirección de la corriente y
contracorriente y Paredes (2012) determinó el tamaño de
burbuja en celdas de flotación por medio de un algoritmo
desarrollado en Matlab.
Junqua, A. (2004) demostraron las ventajas de las sondas de
fibras ópticas de cuatro canales en la medición de la
concentración del área interfacial en la zona de oleaje de un
fluido estratificado, Chaumat H. et al (2005), analizaron la
confiabilidad de las fibras ópticas en el análisis de burbujas en
flujos bifásicos y Murzyn F. et al. (2005) realizaron la
medición de las características de las burbujas generadas en un
salto hidráulico para distintos número de Froud por medio de
las fibras ópticas de doble punta.
Elementos y principios de las técnicas de
medición
Velocimetría de partículas por imágenes (PIV)
El principio básico del PIV es iluminar las partículas presentes
en las líneas de flujo de estudio y realizar capturas progresivas
de imágenes o video, para posteriormente realizar el análisis
de las mismas en algún programa comercial como Image J®,
Visilog® o PIV lab®.
Los elementos que conforman un sistema para realizar la PIV,
son una cámara de alta velocidad y calidad de al menos 150
cuadros por segundo, junto con una fuente de iluminación, que
puede ser una lámpara acompañada de un panel difusor, de
una lámina de luz láser o una lámpara estroboscópica. Cada
uno de los elementos se coloca de manera estratégica para la
obtención de las imágenes las cuales se procesan
posteriormente con programas de cómputo especializado de
acuerdo a las necesidades de la experimentación. Las
características de los elementos dependen de la complejidad
de obtención de los datos e incluso se realizan adaptaciones
para realizar la medición, como veremos a continuación
(Figura 1).
Por otro lado, Taboada B. et al (2003) analiza el mezclado de
multifases por efectos de fermentación mediante la tecnología
de microscópios, Galindo (2007), y Corkidi (2008), aplicaron
esta técnica al estudio del cultivo de Trichiderme Harzium,
donde se tenía la presencia de gas en el medio fluido.
Finalmente Dias S. et al (1997) y Kiambi S. et al (2001)
investigaron el área interfacial entre agua y gas por medio de
fibras ópticas, Le Corre et al (2003) analizaron la eficiencia de
probetas de cuatro sensores de conductividad, Herviu E.y
Figura 1. Esquema de elementos principales para PIV.
Al trabajar la medición de las fases en recipientes curvos es
necesario acoplar un recubrimiento adicional de sección
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rectangular con un fluido de mayor densidad, generalmente
jarabe de maíz, con la finalidad de corregir los efectos de
curvatura y refracción.
La técnica del PIV tiene una variante denominada seguimiento
de imágenes de partículas por imágenes SPI, la cual utiliza
como medio de adquisición de imágenes una cámara de 30
cuadros por segundo y como fuente de iluminación una
lámpara común.
Instrumentación de fibra óptica
Los medidores de fibra óptica usan básicamente tres
componentes, una probeta de fibra óptica, un módulo optoeléctrico y una computadora con un tablero de interface con
los controladores necesarios para la visualización y manejo de
imágenes (Figura 2).
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Para estructuras de visualización más complejas se hace uso
de la videoendoscopía en la cual se hace uso de una cámara de
alta velocidad con posibilidad de capturar hasta de 5130
cuadros por segundo con una resolución de 512 x 512 pixeles,
así mismo se acopla un boroscopio de prisma oscilante, el cual
permite la captura de secuencias dinámicas de las
interacciones de las fases.
En este estudio se analizan la distribución y diámetro de las
burbujas generada en la electrocoagulación para la validación
de los modelos numéricos y analizar su impacto en el
funcionamiento del reactor de electrocoagulación, este
comportamiento se comparará con modelos numérico de CFD
realizado en Ansys Fluent® y Flow 3-D®.
Modelo experimental
El modelo experimental utilizado en este estudio (Figura 3)
está realizado en acrílico de 0.008 m de espesor y cuenta con
cinco zonas de flujo, donde la zona uno corresponde a un
amortiguamiento de la entrada de agua, en zona dos desciende
para ingresar a la zona tres, desde el fondo del reactor donde
se lleva a cabo la electrocoagulación, la zona cuatro es de
desgasificación del agua una vez que pasa por el reactor y la
cinco se utiliza para desalojo del fluido. Es importante
mencionar que las zonas dos, tres y cuatro se diseñaron para
poder ser modificadas de acuerdo a las diferentes condiciones
de experimentación.
Figura 2. Esquema del equipo de medición por fibra óptica.
Dentro de la zona ascendente del reactor (3), se encuentra una
batería de placas de aluminio que forman los electrodos del
sistema, los cuales pueden variar de tres a ocho con
separaciones de 0.006 m a 0.016 m según sea el caso.
El principio de funcionamiento de esta técnica se basa en la
diferencia de los índices de refracción de las fases continua y
dispersa (líquido-gas). El módulo opto-eléctrico transmite luz
a través de la fibra óptica, la cual se encuentra conectada a la
probeta en el flujo, la cual consta de fibras sensibles de
diámetros pequeños, (Gerber, 1974; Volkart, 1978; Volkart,
1991).
Esteromicroscopía y videoendoscopía
Estos sistemas se compone de un estereomicroscópio sujetado
por medio de un soporte, así mismo una fuente de iluminación
estroboscópica sincronizada a las cámaras de TV por medio de
un dispositivo electrónico (Figura 4).
Figura 4. Esquema de reactor de electrocoagulación utilizado.
El modelo se reforzó con piezas de PTR que funcionan como
prensa en las paredes de acrílico y el conjunto se sujeto con
una estructura metálica.
Figura 3. Elementos que conforman un equipo de
estereomicroscopía.
En este estudio se utilizó un diseño de experimentos tipo
central compuesto para analizar la influencia de las variables
independientes en las variables de respuesta del reactor, se
realizarán 16 casos de experimentación, en las cuales se
modificarán algunas características de operación del reactor de
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electrocoagulación, como son el número de electrodos y la
distancia entre ellos, la concentración de aluminio deseada en
el módulo y la densidad de corriente utilizada, la Tabla
1muestra los límites mínimos y máximos de estudio.
Las fibras ópticas vienen diseñadas de acuerdo a la medida de
las burbujas que se tienen en el modelo, debido a que esta es la
incógnita de estudio, la selección puede resultar insuficiente
para medir las burbujas generadas.
Tabla 1. Límites del diseño central compuesto.
Así mismo la presencia de los flocs puede ocasionar ruido
durante la lectura de las burbujas, al entrar en contacto con las
sondas.
Parámetro
Corriente (A)
Mínimo
Máximo
20
60
0.006
0.015
Número de placas
3
8
Número de módulos
4
6
Separación de Placas (m)
La presencia de la corriente eléctrica da lugar a una reacción
electroquímica en la zona del reactor, que genera como
productos gas y flocs, mismos que interactúan con la
hidráulica del modelo.
Para poder analizar la influencia del gas en el funcionamiento
del reactor se propone revisar la densidad y diámetro de
burbujas generadas, para lo cual se debe seleccionar la
metodología más adecuada de las presentadas con antelación,
por lo que se analizan las ventajas y desventajas de cada una
de ellas.
Preselección de la metodología adecuada
Cuando se trata de la adquisición de imágenes
correspondientes a eventos de alta velocidad, se presenta un
problema del monitoreo de los mismos, sobre todo en donde
debido al arreglo experimental se presenten zonas de poca
iluminación y de altas velocidades.
De las metodologías analizadas se realizó una comparación de
las ventajas y desventajas que pudieran tener al ser utilizadas
en el reactor de electrocoagulación.
En el caso de utilizar la velocimetría de partículas por
imágenes, el número de electrodos y la separación entre ellos
modificarían el ancho del haz de láser que se proyecta de
manera paralela al flujo, ocasionando la presencia de sombras
en las imágenes, este mismo problema puede presentarse
debido al soporte exterior del modelo (refuerzos de PTR) y a
la concentración de flócs.
Finalmente en la esteromicroscopía y la videoendoscopia,
presenta las mismas problemáticas de la PIV al generar
efectos de sombra que afectan la visibilidad de los elementos,
así mismo requiere de programas auxiliares para el tratamiento
de las imágenes.
Al igual que la velocimetría de partículas, las imágenes que se
obtienen corresponden a un primer plano y se requieren
algoritmos de filtración para reconocimiento de elementos.
Un problema de las imágenes adquiridas es el traslape de los
elementos de estudio, por el contraste heterogéneo y similitud
de los elementos dispersos, lo cual impide discriminar los
objetos de interés de la imagen.
Metodología
En un primer acercamiento para la medición de las burbujas
en el medio, se utilizó el seguimiento de partículas por
imágenes.
Para lo cual se utilizó una cámara HDV Sony 3CMOS Carl
Zeiss Vario-Sonnar SONY HDV 1080i modelo HVR-V1N,
tripié, lámpara fluorescente de 40 W, difusor de luz (papel
celofán). Estas herramientas permitieron la captura de
imágenes y su vinculación a través del programa Adobe
Premiere Pro CS4®. Los archivos generados fueron
resguardados en un Disco duro externo (LaCie) de 2TB con
entrada FireWire y SATA, para mejorar la velocidad de
resguardo, el video capturado se encuentra bajo la norma
NTSC (por su acrónimo en anglosajón National Television
System Committee).
Las imágenes obtenidas por medio de PIV y
estereomicroscopia son en primer plano, siempre y cuando se
utilice una sola cámara por lo que se supone la distribución
similar en la profundidad del modelo.
El análisis de las imágenes se debe realizar con un programa
específico para la cámara en uso o en su defecto con
programas como Visilog® e Image J®.
La medición de burbujas por fibra óptica es perfecta para
mediciones en superficies libres o saltos hidráulicos. Al
tratarse de un método intrusivo, la sonda debe introducirse en
el canal de ascenso de las burbujas lo cual puede ocasionar
disturbio en el proceso si este se introduce desde la parte
superior del modelo.
La sonda puede colocarse realizando perforaciones en la placa
de acrílico, para lo que se requerirían de al menos 12
perforaciones para contar con las mediciones adecuadas,
ocasionando reducción de resistencia del acrílico.
Figura 5. Cámara HDV 3 CMOS.
Las imágenes capturadas tienen una resolución de 720 x 480
pixeles siendo estos el número de pixeles por lado que tendrá
la imagen, la cámara realiza 30 cps que corresponde al número
de imágenes capturadas por segundo y trabaja para una
proporción de 3 x 4, es decir la relación ancho-alto de las
imágenes capturadas.
Cada de uno de los videos tuvo una duración de 10 a 20
minutos de acuerdo al caso de estudio, considerando un rango
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de 20 a 40 minutos por evaluación. A partir de los videos
capturados se lleva a la descomposición y análisis de las
imágenes de cada cuadro.
Las filmaciones se realizaron en tres zonas diferentes del
reactor, siendo una en la parte inferior, una en la central y
la última en la parte superior.
Análisis de imágenes
La descomposición del video en cuadros se realizó por
medio del programa Acrobat Premiere Pro CS4 y los
cálculos de las velocidades y filtros de imágenes por medio
de ImageJ® y PIVlab 1.32®.
El programa ImageJ® se compone de diversos
componentes de los cuales se seleccionó el análisis de
partículas, el cual se compone de una serie de algoritmos
que aplican diferentes tipos de filtros a la imagen original
modificando su composición en pixeles, segmentándola y
aplicando modificaciones a la intensidad de la imagen para
el conteo de las partículas.
Por su parte PIVlab ®, se compone de diferentes funciones
que permiten realizar el análisis del movimiento de
partículas, mediante el cambio de valores de pixel en el
conjunto de imágenes estudiadas. Con lo cual se puede
conocer la velocidad de movimiento de las partículas en
diferentes puntos de la trayectoria así como la frecuencia
de aparición de dichas velocidades.
Figura 7. Vectores de velocidad de flujo.
El mismo algoritmo permite analizar las líneas de flujo
presentes en el modelo, así como aproximar las zonas de
turbulencia existentes, como es posible observar en la
Figura 8.
Las velocidades máximas calculadas con el algoritmo
oscilan entre 0.3 m/s y 0.6 m/s, mismas que concuerdan
con los valores calculados teóricamente en el diseño de
experimentos.
La Figura 6, presenta en la imagen a) la zona inferior del
reactor, mientras que la b) muestra una toma de la zona
central, en ellas es posible observar la presencia de los
flocs y burbujas, encerrados en el círculo rojo, sin embargo
el tamaño de estas no se puede discernir con el enfoque de
la cámara.
Figura 8. Líneas de flujo y zonas de turbulencia.
Resultados
a)
Zona inferior
b)
Zona media
Figura 6. Imágenes del canal de ascenso a) zona inferior y b) zona
media.
En la Figura 7, se puede observar los vectores de flujo
calculados por el algoritmo PIVlab®, los cuales muestran
un comportamiento desordenado, esto se debe
principalmente a que los canales de ascenso no se
encuentran delimitados entre sí, de manera que se permite
el paso de las fases entre canales, la falta de delimitación
se debe a que de acuerdo al caso de estudio el módulo de
las placas se cambia, por lo cual es un elemento que no se
encuentra fijado a las paredes.
El proceso de electrocoagulación genera una concentración
de gas y sólidos que aumentan a lo largo de la trayectoria
en los canales de ascenso, lo cual ocasionó que la turbiedad
del flujo redujera la capacidad de visualización.
Debido a la turbiedad del flujo, solo fue posible observar
en los diversos programas aquellas burbujas que se
adhieren a las placas y que por efecto del choque entre
ellas aumentan su tamaño, sin embargo la distribución del
gas generado y el diámetro medio no fue posible obtenerlo.
En la Figura 9 a y b, se pueden observar las burbujas
coalescentes adheridas al electrodo (círculo rojo), y se
observa una capa oscura (elipse amarilla) la cual
corresponde al conjunto de burbujas generadas en la
electrólisis.
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microscópica de parámetros críticos en la producción
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Biotecnología, X(1), pp.75-93.
Dias, S.G., Franca, F.A. & S., R.E., 1997. A generalized
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Termodynamics., pp.957-70.
Galindo, E., 2007. Dispersión Multifásica en fermentadores:
Entendiendo fenómenos que ocurren en tres dimensiones y a
alta velocidad.
a) Inicio de la prueba
b)Finalización de la prueba
t=0 min
t=20 min
Figura 9. Inicio y final de la prueba en la sección inferior con 20A.
El programa ImageJ® tuvo las mismas dificultades para en el
reconocimiento de las burbujas en las imágenes adquiridas, la
reducción de la iluminación por efectos de las fases
compromete el manejo de los pixeles de la imagen impidiendo
la correcta aplicación de los filtros. Sin embargo se logró
obtener de las imágenes valores relacionados con el espesor de
la capa de gas que se generó en dos secciones de análisis.
Conclusiones
Las imágenes obtenidas solo dan una idea del espesor de la
capa de gas generada y su desarrollo en las zonas de estudio
del reactor. Pese a que las imágenes se pueden manipular en
los distintos programas, son insuficientes para otorgar
información fehaciente de las características de las burbujas
generadas.
Aun con la dificultad que implica para la medición de las
burbujas, el análisis de PIVlab® permitió obtener una
velocidad aproximada del agua misma la cual se podrá
comparar con las simulaciones numéricas a realizar.
Gerber, U., 1974. Velocity measurement and detrainment.
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Le Corre, J.M., Hervieu, E., Ishii, M. & Delhaye, J.M., 2003.
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tamaño de burbujas vía análisis de imágenes: análisis y
alternativas. Santiago de Chile.
La concentración de coagulante y burbujas a lo largo de la
trayectoria del flujo impide la visualización al hacer turbia el
agua en tratamiento.
Taboada, B. et al., 2003. Image acquisition of multiphase
dispersions in fermentation processes. Journal of Applied
Research and Technology, 1(1), pp.78-84.
Con los resultados obtenidos se propone el uso de una cámara
de alta velocidad (150 cuadros por segundo) y definición, así
como el cambio de la fuente de luz por una lámpara
estroboscópica con incorporación de lentes para maximizar la
imagen capturada. De igual manera anexar cortinas que
simulen un cuarto oscuro para impedir el paso de la luz natural
y mejorar el efecto del estrobo.
Volkart, P., 1978. Hydraulische Bemessung steiler
Kanalisationsleithgen unter Berucksichtigung Luftaufnahme.
Versuchsanstalt fur Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie.
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Corkidi, G., Serrano-Carreón, L. & Galindo, E., 2008.
Análisis digital de imágenes para la caracterízación
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