TY - THES A1 - Medina Mendez, Juan Ali T1 - Application of the One-Dimensional Turbulence model to electrohydrodynamically enhanced internally forced convective flows T1 - Anwendung des One-Dimensional-Turbulence-Modells auf elektrohydrodynamisch beeinflusste Strömungen in erzwungener Konvektion N2 - This thesis is an attempt to assess some of the effects that electroquasistatic body forces exert on turbulent internally forced convective flows. In order to do that, a stochastic turbulence model is employed, namely, the One-Dimensional Turbulence (ODT) model. The reduced dimensionality of ODT demands a reduction of the Navier-Stokes equations (and in this case, also the Maxwell equations), into a 1-D system. This is done by performing an asymptotic analysis in terms of the nondimensional numbers of the flow. Also, a validation step due to the relative novel character of the cylindrical ODT formulation is done for an incompressible and constant properties flow regime and a variable density flow regime. The validation is presented for both the temporal (T-ODT) and a novel spatial (S-ODT) formulation in both planar and cylindrical geometries. Results in the constant property case show that wall normal (and radial) profiles, in both the T-ODT and S-ODT formulations, show good agreement with each other and to the data of Direct Numerical Simulations (DNSs). For the evaluated variable density heated pipe flow, gradients at the wall can be better reproduced with S-ODT. After validating the model, ODT is applied first into a planar configuration which emulates the flow in a wire-plate Electrostatic Precipitator (ESP). For this flow, the additional input energy due to the electroquasistatic body force has an effect on the modification of the bulk velocity, and subsequently, the skin friction coefficient. Some qualitative DNS trends are confirmed with ODT, such as the localized increase of the Reynolds stress, as a consequence of increased eddy activity close to the discharge electrodes. Next, the results of ODT simulations in a cylindrical wire-tube ESP are presented. Here, ODT results are compared to experimental results. ODT results for global integral quantities such as the streamwise pressure gradient and the Nusselt number enhancement ratio are able to match in a reasonable way the experimental results. The competing relevance between the EHD contribution to turbulence by momentum, and by affecting the temperature and density due to the Joule heating effect is also analyzed, showing the leading order relevance of the former one. Specifically for the Nusselt number results, the sensitivity of the EHD flow to transition effects is shown to be very significant. This thesis may open the door to a vast new field of phenomena which can not only serve for the further validation of the ODT model against DNSs or experiments, but also for the real use of ODT in applications which are so far inaccessible for traditional DNSs. N2 - Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung der Effekte von elektroquasistatischen Volumenkräften auf turbulente druckgetriebene Strömungen. Dazu wurde das stochastisch Eindimensionale Turbulenzmodell (ODT) angewendet. Als ein Modell niedriger Ordnung benötigt ODT eine Reduktion der Navier-Stokes-Gleichungen (sowie der Maxwell-Gleichungen hier) zu einem 1-D System. Diese Reduktion erfolgte mittels einer asymptotischen Analyse, welche die Strömung als Funktion von Leading-Order-Effekten entdimensionalisierter Kennzahlen beschreibt. Zusätzlich erfolgte in der Dissertation ein Validierungsschritt aufgrund der kürzlich veröffentlichten Zylinderformulierung für ODT. Zur Validierung wurden inkompressible Strömungen konstanter Fluideigenschaften, sowie Strömungen variabler Dichte betrachtet. Die Validierung stellt Ergebnisse von zeitlich (T-ODT) und räumlich (S-ODT) entiwckelnde ODT-Simulationen für planare und zylindrische Koordinatensysteme vor. Die Ergebnisse zeigen, dass wand-normale (oder radiale) Profile, sowohl in T-ODT und S-ODT, eine gute Übereinstimmung miteinander und mit Daten von Direkten Numerische Simulationen (DNS) aufzeigen. Im Fall der aufgeheizten Rohrströmungen variabler Dichte lassen sich die Gradienten an der Wand mittels S-ODT besser reproduzieren. Nach der Validierung des Modells wurde ODT erstmals auf eine planare Konfiguration, welche die Strömung einer Plattenelektroabscheider simuliert, angewendet. Der zusätzliche Energiebeitrag, der von der elektroquasistatischen Volumenkraft geliefert wird, hat einen Effekt auf die Bulk-Geschwindigkeit, sowie auf den Reibungsbeiwert. Einige Trends der DNS lassen sich mit ODT bestätigen, z.B. der lokalisierte Anstieg der Reynolds'schen Schubspannungen, der aufgrund der erhöhten Wahrscheinlichkeit der Erzeugung turbulenter Wirbel in der Nähe der Sprühelektrode verursacht wird. Im Anschluss werden ODT-Ergebnisse eines zylindrischen Rohrelektroabscheiders vorgestellt. Diese sind in Form von integralen Größen gegen experimentellen Messungen vergliechen, z.B., der Druckgradient in Strömungsrichtung, sowie das Erhöhungsverhältnis der Nusseltzahl. Die von ODT generierten integralen Größen stimmen gut mit experimentellen Messwerten überein. Die Wichtigkeit des EHD-Beitrags zur Turbulenz mittels Impulstransport, sowie dessen Einfluss auf die Temperatur und Dichte gemäß des ersten Jouleschen Gesetzes wurde ebenfalls mit ODT untersucht. Die Ergebnisse zeigen den Effekt führender Ordnung des EHD-Beitrags auf die Turbulenz. Eine große Sensitivität der Nusseltzahl-Ergebnisse bzgl. der Transitionseffekten in EHD-Strömungen konnte parallel nachgewiesen werden. Dank dieser Arbeit lassen sich neue Phänomene mittels numerischer Simulationen untersuchen. Dies dient zur weiteren Validierung des ODT-Modells anhand DNS und Experimenten. Außerdem erlaubt die Dissertation zukünftige Anwendungen von ODT auf Phänomene und Strömungen, die bisher unzugänglich für DNS sind. KW - EHD KW - ODT KW - Forced convection KW - Turbulente Strömung KW - Numerische Strömungssimulation KW - Elektrohydrodynamik KW - Abscheider KW - Turbulenzmodell Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-53388 ER - TY - THES A1 - Bacher, Christian T1 - On the influence of electrohydrodynamically induced turbulence on momentum, heat and mass transport in electrostatic precipitators T1 - Zum Einfluss elektrohydrodynamisch induzierter Turbulenz auf den Impuls-, Wärme- und Stofftransport im Elektroabscheider N2 - Electrostatic precipitators (ESPs) belong to the most efficient devices for control of particle emissions in the process industry and environmental technologies in general. The operating principle of ESPs, relying on particle precipitation by electrical charging, leads to an enhanced turbulent motion by electrohydrodynamic (EHD) effects within the gaseous working fluid passing through the ESP. This enhanced turbulence is generally considered detrimental to the separation efficiency, because the additional shear forces acting on the collection electrodes promote re-entrainment of already precipitated particles. Further, the enhanced turbulent cross mixing diminishes the transport of charged particles by electric forces directed towards the collection electrodes. In other industrial applications however, many process units that are based on heat or mass transport would benefit from enhanced turbulent mixing. These include heat exchangers for energy recuperation or evaporation and absorption units such as flue gas scrubbers. A combination of these with an ESP possibly allows for versatile new applications in the process industry. The motivation of this thesis is to study the effects of electrohydrodynamically generated motions onto the turbulent cross mixing within gaseous flows over a wide parameter space including variations in geometry and operating conditions. In order to do so, the influence of EHD effects on the three major transport properties, i.e. thermal energy, mass and momentum, were experimentally investigated. Based on analogies caused by similar transport mechanisms, the experimental results were compared despite different methods being used. In order to help with the comparison a simplified eddy viscosity model is applied. The study for each transport property was conducted with a different setup of a tube type ESP. These setups include axial and radial pressure drop measurements to quantify the momentum transport, a self-built local heat transfer sensor to determine heat transfer coefficients and a wetted wall-column to study the enhancement of mass transport phenomena. Experiments on momentum and heat transport include a large variation of different geometries and operating variables such as discharge electrode design, tube diameter, flow velocity, as well as magnitude and polarity of operating voltage. In addition, selected measurements with aerosol particles were conducted, to gain additional insights on the effects of EHD induced turbulence generation by particle bound space charge compared to ion bound space charge in clean gas flows. The results do not only provide transport coefficients for the hands-on application by plant designers, but also feature numerous experimental data that can be used as reference values for ongoing research in the numerical simulation of electrohydrodynamically enhanced flow and therefore significantly increase the available amount of data provided by current literature. N2 - Im Rahmen der Maßnahmen zur Eindämmung der Luftverschmutzung sind Elektroabscheider als eines der effektivsten Systeme zur Minderung von Feinstaubemissionen im industriellen Umfeld bekannt. Charakteristisch für den Betrieb von Elektroabscheidern ist das Auftreten elektrohydrodynamischer (EHD) Strömungen, welche die Turbulenz des gasförmigen Trägermediums der Partikeln weiter anfachen. Aus emissionstechnischer Sicht handelt es sich dabei um einen unerwünschten Nebeneffekt, da Scherkräfte, verursacht durch die zusätzliche Turbulenz in der Gasströmung, auf die bereits abgeschiedenen Partikeln auf der Niederschlagselektrode wirken und zu deren Wiedereintrag in die Gasströmung führen. Zudem wirkt die turbulente Quervermischung dem Partikeldrift der geladenen Teilchen in Richtung der Sammelelektrode entgegen. Andere Komponenten der Prozessindustrie hingegen würden von einer erhöhten Turbulenz in der Gasphase profitieren, insbesondere dann, wenn ihr Funktionsprinzip auf Wärme- und Stoffübertragung basiert. Dies beinhaltet neben Wärmeübertragern zur Energierückgewinnung oder Verdampfungszwecken auch Wäscher zur Schadgasabsorption. Damit steht ein großes Potential zur Anwendung des elektrohydrodynamisch verstärkten Wärme- und Stofftransports in der Prozessindustrie zur Verfügung. Das Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, die Auswirkungen von EHD-Effekten auf die turbulente Quervermischung in einem Rohr-Elektroabscheider, unter Variation verschiedener Geometrien und Betriebsparameter zu untersuchen. Dazu zählen unterschiedliche Rohrdurchmesser und Sprühelektrodenformen, sowie die Abdeckung eines großen Arbeitsbereichs von Betriebsspannungen beider Polaritäten bei drei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten. Bei ausgewählten Versuchen erfolgt außerdem noch die Zugabe eines stark beladenen Aerosols. Die Wahl der Rohr-Elektroabscheidergeometrie erlaubt es auf Basis der Rotationssymmetrie theoretische Betrachtungen gegebenenfalls zu vereinfachen, wenn experimentelle Untersuchungen durch diese gestützt werden sollen. Die turbulente Quervermischung wird anhand ihres Einfluss auf die drei Haupttransportgrößen, thermische Energie, Masse und Impuls, jeweils auf Basis unterschiedlicher Methoden, charakterisiert. Dies erlaubt einerseits die Validierung der Ergebnisse durch den Vergleich zwischen den Methoden, beispielsweise, wenn bestimmte Transportanalogien zutreffen, andererseits erlaubt es Rückschlüsse auf Besonderheiten der jeweiligen Transportgleichungen, falls Unterschiede zwischen den Transportgleichungen überwiegen. Zum Vergleich wird unter anderem das vereinfachte Modell der Eddy-Viskosität herangezogen. Die Ergebnisse beinhalten dabei neben den experimentell bestimmten Transportkoeffizienten und turbulenten Diffusionskoeffzienten, welche sich zur direkten Anwendung im Anlagenbau eignen, auch eine Vielzahl experimenteller Messdaten, welche als Referenzwerte für numerische Studien herangezogen werden. KW - Electrohydrodynamics KW - Electrostatic precipitation KW - Heat and mass transfer intensification KW - Elektrohydrodynamik KW - Elektroabscheider KW - Verbesserung des Wärme- und Stofftransports KW - Elektrofilter KW - Elektrohydrodynamik KW - Numerische Strömungssimulation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-59948 ER - TY - THES A1 - Morales Henríquez, Carlos Javier T1 - W/O Emulsions : formulation, characterization and destabilization T1 - W/O Emulsionen : Formulierung, Charakterisierung und Destabilisierung N2 - This work refers to water in oil emulsion formulation, characterization and destabilization. These topics were studied in order to generate knowledge that could be used as a base for the treatment of highly stable W/O emulsions. Two types of emulsions were studied: synthetics and naturals; the last ones come from the crude oil production process of different Venezuelan regions. In this book, chapters 1 and 2 give an introduction to the research area and the theoretical background related with it, respectively. In chapter 3, the effect of surfactant content, water content, HLB value, alcohol content, salinity, emulsion volume, and mixing properties on water in paraffin emulsion stability was studied. Emulsion stability was determined by the amount of water and oil separated after 30 days. After finishing the variables scans, the most appropriate formulation conditions were established, and a formulation protocol was defined. Emulsion density and apparent viscosity were measured, and viscosity was modeled by the Power Law considering both shear rate and water content. Chapter 4 deals with emulsion characterization. Although some particle sizing devices have gained a lot of popularity, none of them is able to distinguish between drops and solids, and few are able to handle viscous oily samples. In this chapter the use of optical microscopy, enhanced by the use of digital video capabilities and image analysis software, to characterize oil production wastes is discussed. Several thousands of particles were counted and their projected areas were measured. A discussion is given about the different corrections required in order to extract the most reliable information from the image, overcoming some of the drawbacks of this kind of measurements. A new technique the so-called cross-linked method was developed to offer unique features like the determination of the fraction of droplets that exist in the form of non-coalesced agglomerates. When cross-linked with the results obtained by standard ASTM procedures, it is calculated the amount of disperse phase that exists in the form of submicron droplets or large free water drops that are usually not sampled for microscope slides. Chapters 5 and 6 deal with emulsion destabilization. In chapter 5, a variety of materials were used to investigate their applicability as so-called collector materials, to improve the destabilization and separation of water in oil emulsions stabilized by a non-ionic surfactant. The emulsion destabilization degree was determined by the amount of water and oil separated after centrifugation. The recovery of both phases was strongly dependent on the nature of the material, material/emulsion ratio, particle size, and contact time. By varying conditions, it was possible to increase the water separation from 0 (without material) up to 95%. In chapter 6, the effect of a DC electric field on W/O emulsions was evaluated. Electric field magnitude, water content, cell size, electrode design, and electrode coating were considered. Emulsion destabilization was improved by combining electric field, collector material and centrifugation. A comparison is given about the emulsion characteristics in terms of microscopy between both, synthetic and crude oil emulsions. N2 - Diese Arbeit bezieht sich auf Formulierung, Charakterisierung und Destabilisierung von Wasser in Öl Emulsionen. Diese Themen wurden studiert, um zu erfahren, wie man Emulsionen mit Hochstabilität behandeln und weiter verwenden kann. Zwei Arten von Emulsionen wurden betrachtet: synthetische und natürliche Emulsionen; die letzteren kommen vom Rohölproduktionsprozessen aus verschiedenen Venezuelanischen Regionen. In diesem Buch geben Kapitel 1 und 2 eine Einleitung zum Forschungsbereich und zum theoretischen Hintergrund. In Kapitel 3, wurde der Effekt des Tensidgehalts, des Wassergehalts, des HLB Wertes, des Alkoholgehalts, der Salzigkeit, des Emulsionsvolumens und der mischenden Eigenschaften auf Wasser in der Paraffinemulsionsstabilität studiert. Emulsionsstabilität wurde durch die Menge des Wassers und des Öls festgestellt, die nach 30 Tagen getrennt wurden. Nach der Fertigung der Variablenscans, wurden die passendsten Formulierungszustände hergestellt, und ein Formulierungsprotokoll wurde definiert. Emulsionsdichte und scheinbare Viskosität wurden gemessen, und Viskosität wurde durch das Potenz-Gesetz modelliert, die Scherrate und der Wassergehalt wurden mit einbezogen. Kapitel 4 beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Emulsionen. Obwohl einige Techniken der Partikelcharakterisierung viel Popularität gewonnen haben, ist keine von ihnen in der Lage, zwischen Tropfen und Feststoffen zu unterscheiden, und nur wenige sind in der Lage, zähflüssige ölige Proben zu beurteilen. In diesem Kapitel werden Emulsionen von Erdölgewinnungsabfällen charakterisiert, mit Hilfe der optischen Mikroskopie, verbessert durch digitale Videotechnik und Bildanalyse-Software. Einige Tausende Partikel wurden gezählt und ihre projektierte Fläche wurde gemessen. Um die zuverlässigsten Informationen vom Bild zu extrahieren, ist es notwendig verschiedenen Korrekturen vorzunehmen. Eine neue Technik, die so genannte querverbundene Methode, wurde entwickelt. Damit ist es möglich die agglomerierte Tröpfchen zu beurteilen, die Menge der Zerstreuungsphase die in Form von Submikrontröpfchen existiert zu berechnen; oder große freie Wassertropfen, die normalerweise nicht bei der Mikroskopie sichtbar sind, zu berücksichtigen. Kapitel 5 und 6 beziehen sich auf die Destabilisierung von Emulsionen. In Kapitel 5, wurden verschiedenen Materialien verwendet, um ihre Anwendbarkeit als so genannte Kollektormaterialien zu erforschen, um die Destabilisierung und die Trennung des Wassers und des Öls in Ölemulsionen zu verbessern. Der Destabilisierungsgrad wurde durch die Menge des Wassers und des Öls bestimmt, die nach Zentrifugierung getrennt wurden. Die Wiederaufnahme beider Phasen war von der Art des Materials, des Verhältnisses des Materials/Emulsion, der Teilchengröße und der Kontaktzeit stark abhängig. Unter bestimmten Bedingungen, war es möglich, die Wassertrennung von 0% (ohne Material) bis auf 95% zu erhöhen. In Kapitel 6, wurde der Effekt eines DC-elektrischen Feldes an Emulsionen ausgewertet. Größe des elektrischen Feldes, Wassergehalt, Zellgröße, Elektrodendesign und Elektrodenbeschichtung wurden betrachtet. Emulsionsdestabilisierung wurde durch die Kombination des elektrischen Feldes, des Kollektormaterials und der Zentrifugierung verbessert. Mit Hilfe der Mikroskopie wurden die Emulsionseigenschaften von synthetischen und Rohöl Emulsionen verglichen. KW - Wasser-in-Öl-Emulsion KW - W/O Emulsionen KW - Emulsionsformulierung KW - Emulsionscharakterisierung KW - Emulsionsdestabilisierung KW - Kollektormaterial KW - W/O Emulsions KW - Emulsion formulation KW - Emulsion characterization KW - Emulsion destabilization KW - Collector material Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-6068 ER -