Studies on electrohydrodynamical pumping of dielectric fluids

Abstract

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.

Electrohydrodynamic (EHD) pumping is a promising technology for fluid transport in space applications such as refrigeration and heat transfer, offering advantages such as the absence of moving parts and scalability. However, its performance critically depends on the electrical properties of the working fluid, the electrode configuration, and the applied voltage. Ammonia (R717), a widely used refrigerant, presents unique challenges due to its toxicity and relatively high electrical conductivity, which may hinder the development of sufficient pressure gradients and flow rates in EHD pumping systems. The present thesis investigates the feasibility of using ammonia as a working liquid in EHD conduction pumps and analyses the key parameters that govern its performance. The standard EHD conduction pumping model is used which describes charge generation, transport, and the resulting fluid motion. It also incorporates the Onsager–Wien effect, which accounts for enhanced ionic dissociation under strong electric fields. Key dimensionless groups — including the electrical Reynolds and conduction number — are derived and examined by varying reference parameters for ammonia and 1,1,1,2-tetrafluoroethane (R134a). The nondimensional form of the governing equations is solved numerically for a parallel plate configuration to investigate the formation of heterocharge layers (HCLs) and their role in generating Coulomb forces and pressure gradients. The method of matched asymptotic expansions is then employed to examine the system’s behaviour at high conduction numbers. Further numerical analysis is performed using the Chebyshev collocation method for a planar channel geometry with flush electrodes to assess the influence of key dimensionless parameters. The study shows that the high electrical conductivity and relative permittivity of ammonia challenge the simplifying assumptions of the standard EHD conduction model. As a result, the conduction number can be up to four orders of magnitude higher than that of common refrigerants such as R134a. This drastic level eliminates the heterocharge layers, which are crucial for the conduction pumping mechanism and make effective pumping infeasible. High voltages (which risk ion injection and electrical breakdown) or an impractically small electrode spacing would be required to overcome this.