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Transferencia de materia por convección natural en interfases de reacción inclinadas

Oscar Francisco Mayo Ursula C. E. Böhm

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Resumen/Descripción – provisto por el repositorio digital
El objeto del presente trabajo es estudiar la influencia que, sobre la velocidad de transferencia de materia por convección natural en electrodos planos, tiene el ángulo de inclinación de estos últimos. Los antecedentes bibliográficos se refieren exclusivamente al estudio de la transferencia de materia en electrodos planos tanto horizontales como verticales, pero no hay estudios realizados para los distintos ángulos de inclinación, salvo una publicación sobre transferencia de calor que sirvio de base para el desarrollo teórico aquí efectuado. En el presente trabajo se estudian dos casos que están perfectamente diferenciados por la orientación, que en cada uno tiene el gradiente de densidad producido en las cercanías del electrodo inclinado, con respecto a la fuerza de gravedad. Caso A. El gradiente de densidad tiene el mismo sentido que la fuerza de gravedad, es decir que el líquido menos denso está por encima del más denso. Caso B. El gradiente de densidades tienen sentido contrario a la fuerza de gravedad, es decir que el líquido más denso está por encima de el menos denso. Para el caso (A) es posible plantear y resolver simultáneamente las ecuaciones de trasnferencia de materia y cantidad de movimiento, pues se trata de flujo laminar y bidimensional. Se optó por resolverlas con la técnica del análisis dimensional, con la cual se obtiene que el fenómeno estará representado por una correlación de la forma Nu= a (Sc Gr. cos β)^b similar a las ya conocidas para electrodos verticales. Para el caso (B) no pueden resolverse las ecuaciones características por tratarse de un flujo turbulento, pero sin embargo la experiencia indica que la forma de la correlación será la experiencia indica que la forma de la correlación será similar a la ya mencionada, difiriendo por supuesto en la constante y exponente. La velocidad de transferencia de materia se determinó como corrientemente se hace, por medición de la densidad de corriente límite en un circuito pseudopotenciostático, y registrando el valor de la misma en función del tiempo para constatar el estado estacionario. Se utilizaron soluciones de Ferro/Ferricianuro de Potasio con hidróxido de sodio como electrolito soporte y cátodos y ánodo de níquel electrolítico; soluciones de SO4Cu con SO4H2 como electrolito soporte y ánodo de Cu electrolítico y cátodos de níquel cobreado. Resultados: Transferencia de materia total. Caso (A) se observó que la densidad de corriente disminuye a medida que aumenta el ángulo de inclinación, siendo máxima en la posición vertical. Representando en gráficos logarítmico id= f(cosβ) se obtienen rectas de pendiente 1/4, que, para igual concentración del electrolito, están desplazadas según la altura del electrodo. Para el rango 10^6≤ (Sc Gr) cos β ≤ 10^10, el tratamiento por cuadrados mínimos nos conduce a la siguiente correlación Nu= 0,57 (Sc Gr cos β)^1/4 con una dispersión del 8% Caso (B) Para este caso la densidad de corriente límite es máxima para la posición horizontal (90°), y ésta disminuyendo a medida que el ángulo de inclinación se acerca a 0° (posición vertical). El estudio de la relación entre id y sen β nos muestra que: -Se obtienen rectas paralelas de pendiente 1/3, o sea, se encuentra la misma dependencia que existe entre Ne y Se Gr para flujo turbulento. -A partir de ciertos valores de sen β, que llamaremos "críticos", sen β) cr´ que dependen de la altura del electrodo y de la concentración del electrolito, (o sea de Sc Gr) la pendiente de la recta se modifica. Esto permite suponer que para valores menores que sen β)cr cambia el mecanismo de transferencia. -Para la zona de valores mayores que sen β)cr se observa una dependencia de id con h (aunque mucho menor que en el caso A) que no debería existir en régimen turbulento. -Para la zona de valores menores que sen β)cr´ la dependencia de id con la altura del electrodo se hace mucho más pronunciada. Para el rango 10^6 ≤ (Sc Gr sen β) ≤ 10^10 el tratamiento por cuadrados mínimos nos conduce a las siguiente correlación Nu = 0,35 (Sc Gr sen β)^0,3 con una dispersión del 9,2%. Correlacionando los valores de Nusselt, calculados con los datos experimentales correspondientes a sen β sen β)cr el flujo es predominantemente turbulento --senβ < sen β)cr el flujo es laminar, o predominantemente laminar, lo que explica la desviación en la fig. 5 así como la fuerte dependencia de la id con la altura del electrodo. Conclusiones. Además de los ensayos de medición de la transferencia de materia total, para obtener la correlación antes propuesta, se realizaron estudios del aspecto físico de los depósitos de cobre obtenidos, de la distribución de densidad de corriente y un estudio óptico del flujo hidrodinámico. Todos estos ensayos se realizaron a fin de acumular más información acerca del mecanismo de transferencia de materia, explicar el cambio de pendiente en los gráficos id = f (senβ); la pequeña dependencia de id con la altura que se observa en ese mismo gráfico; y el hecho de que en la correlación (II) el exponente sea 0,3 y no 1/3 como tiene que ser para flujo turbulento. Caso (A). En este caso todos los estudios arriba mencionados indican que las características del flujo laminar se mantienen para cualquier ángulo de inclinación y por consiguiente al inclinar el electrodo aumenta la fricción del líquido contra el mismo y disminuye la velocidad del líquido reduciéndose así la velocidad de transferencia de materia. Estos resultados confirman la consistencia de la correlación obtenida en la cual el exponente 1/4 es característico del flujo laminar y bidimensional. Caso (B). En este caso se observó que para los menores ángulos de inclinación y las soluciones más diluídas el flujo permanece prácticamente laminar y solamente se observa un aumento del espesor de la capa hidrodinámica en la zona del borde de salida del flujo y la aparición de un flujo inestable que provoca un aumento de la densidad de corriente en esta zona. Al aumentar el ángulo de inclinaión el espesor de la capa hidrodinámica va aumentando en la dirección del flujo y como producto de la interacción de las fuerzas viscosas con las fuerzas gravitacionales, éste se vuelve paulatinamente inestable. A una distancia del borde de incidencia que depende de Sc Gr, sen β y altura de electrodo se produce el desprendimiento de la capa hidrodinámica y la aparición de vórtices rotacionales. Estos vórtices rotacionales (producto de la interacción entre fuerzas no paralelas es decir gravitacionales y viscosas) se reflejan por la aparición de estrías en los depósitos de cobre y de un máximo en la curva de distribución de corriente. Más allá del punto de desprendimiento, el flujo es netamente turbulento, observándose sólo en el borde de salida corrientes de convección secundarias por efectos de borde, que producen un leve aumento en la curva de densidad de corriente y en los depósitos de cobre, marcas características en los bordes. Para los mayores ángulos de inclinación el flujo es netamente turbulento en toda la superficie del electrodo, notándose claramente la contribución de las corrientes de convección secundarias por los cuatro bordes del electrodo. Todo lo anteriormente indicado muestra que según el ángulo de inclinación y el Sc Gr puede predominar una transferencia de materia laminar o turbulenta (incluyendo los vórtices rotacionales), o coexistir ambas en los casos intermedios. Para aquellos ángulos correspondientes al sen β < (senβ)cr la transferencia de materia es fundamentalmente laminar y para el resto es turbulenta, pero existiendo en parte una componente laminar. La presencia de la componente laminar es la que produce la disminución del exponente en la ecuación (II) es decir 0,3 en lugar de 1/3. El hecho de predominar para los menores ángulos de inclinación el flujo laminar es el que produce el cambio de pendiente en la relación id=f(senβ). De este modo puede obtenerse un panorama completo del efecto de la inclinación del electrodo sobre la transferencia de materia por convencción natural que confirma los resultados y suposiciones hechas para el modelo propuesto y demuestra la complejidad del fenómeno estudiado.
Palabras clave – provistas por el repositorio digital

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Institución detectada Año de publicación Navegá Descargá Solicitá
No requiere 1967 Biblioteca Digital (FCEN-UBA) (SNRD) acceso abierto

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Tipo de recurso:

tesis

Idiomas de la publicación

  • español castellano

País de edición

Argentina

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https://creativecommons.org/licenses/by/2.5/ar/