Studies on electrohydrodynamical pumping of dielectric fluids

Elektrohydrodynamische (EHD) Pumpen stellen eine vielversprechende Technologie für den Fluidtransport in Weltraumanwendungen dar, beispielsweise in den Bereichen Kühlung und Wärmeübertragung. Ihre Vorteile liegen im Verzicht auf bewegliche Teile und in ihrer Skalierbarkeit. Die Leistungsfähigkeit dieser Pumpen hängt jedoch entscheidend von den elektrischen Eigenschaften des Arbeitsmediums, der Elektrodenkonfiguration und der angelegten Spannung ab. Ammoniak (R717), ein gängiges Kältemittel, birgt aufgrund seiner Toxizität und relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit besondere Herausforderungen. Letztere kann die Ausbildung ausreichender Druckgradienten und Volumenströme in EHD-Systemen erschweren. Die vorliegende Arbeit untersucht die Eignung von Ammoniak als Arbeitsmedium für EHD-Pumpen und analysiert die wesentlichen Einflussparameter. Hierfür wird das Standardmodell für EHD-Pumpen herangezogen, das die Ladungserzeugung, den Transport und die resultierende Fluidbewegung beschreibt. Das Modell berücksichtigt den Onsager–Wien-Effekt, der die verstärkte Ionendissoziation in starken elektrischen Feldern beschreibt. Wichtige dimensionslose Kennzahlen — darunter die elektrische Reynolds-Zahl und die Leitfähigkeitszahl — werden abgeleitet und durch die Variation von Referenzparametern für Ammoniak und 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a) verglichen. Die dimensionslose Form der zugrundeliegenden Gleichungen wird für eine Parallelplattenkonfiguration numerisch gelöst, um die Bildung von Hetero-Ladungsschichten (HCLs) und deren Rolle bei der Erzeugung von Coulomb-Kräften zu untersuchen. Ergänzend wird die Methode der angepassten asymptotischen Entwicklung angewendet, um das Systemverhalten bei hohen Leitfähigkeitszahlen zu analysieren. Eine weitere numerische Untersuchung mittels der Tschebyscheff-Kollokationsmethode für eine planare Kanalgeometrie mit bündigen Elektroden bewertet den Einfluss der wichtigsten dimensionslosen Parameter. Die Studie zeigt, dass die hohe elektrische Leitfähigkeit und relative Permittivität von Ammoniak die vereinfachenden Annahmen des Standard-EHD-Modells an ihre Grenzen bringen. Die Leitfähigkeitszahl für Ammoniak kann bis zu vier Größenordnungen höher sein als die von gängigen Kältemitteln wie R134a. Dieser hohe Wert bewirkt das Verschwinden der Hetero-Ladungsschichten, welche für den Pumpmechanismus entscheidend sind, und verhindert so ein effektives Pumpen. Um dennoch eine Förderwirkung zu erzielen, wären unrealistisch hohe Spannungen — die das Risiko von Ioneninjektion und elektrischem Durchschlag erhöhen — oder unpraktikabel kleine Elektrodenabstände erforderlich.