WICHTIG: D 82 überprüfen !!!

WICHTIG: D 82 überprüfen !!!
Berichte aus der Elektrotechnik
Jan Vrba
Study on the Separation of Water and Oil Emulsions
Induced by High-Power EM Field Exposure
in the ISM Frequency Bands
Shaker Verlag
Aachen 2013
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Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2013)
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Printed in Germany.
ISBN 978-3-8440-2151-6
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Study on the Separation of Water and Oil Emulsions Induced by High-Power EM
Field Exposure in the ISM Frequency Bands
(Untersuchung der Spaltung von Wasser-und-Öl-Emulsionen durch Einwirkung
von
Hochleistungs-EM-Feldern in den ISMFrequenzbereichen)
Jan Vrba
ÖI-in-Wasser(Ö/W)-Emulsionen werden heutzutage meistens mittels Zugabe von umwelt- und
gesundheitsgefährdenden Chemikalien gespalten. In der vorliegenden Dissertation werden ausgewählte Aspekte
einer alternativen umweltschonenden Methode untersucht, die für die Wasser-und-Öl-(W-Ö)Emulsionen-Spaltung
elektromagnetische (EM) Felder in den sogenannten ISM-Frequenzbereichen verwendet.
In der Fachliteratur und in Patenten werden nur wenige mögliche physikalische Mechanismen der
Mikrowellen(MW)-basierten Spaltung beschrieben. Eine weitere Emulsionsspaltmethode, Elektrokoaleszenz,
verwendet zur Spaltung der Wasser-in-Öl(W/Ö)-Emulsionen niederfrequente (bis zu 2 kHz) elektrische Felder mit
hohen Amplituden (um 1 kV/cm). Diese Methode basiert auf den durch die elektrische Feldstärke induzierten
dielektrophoretischen Kräften zwischen anliegenden Wassertropfen.
Die vorgelegte Arbeit richtet sich auf die systematische Untersuchung der Phänomene, die auftreten bei einer
Einwirkung von EM Feldern in den ISM-Frequenzbändern. Dazu gehören resistive und dielektrische Erwärmung
sowie Induktion von dielektrophoretischen Kräften. Diese Studien erlauben die Überprüfung von möglichen
Verbindungen zwischen der beobachteten effizienteren MW-Spaltung und der Elektrokoaleszenz. Eine solche
Verbindung wird, soweit dies dem Autor bekannt ist, nicht in der Fachliteratur erwähnt.
Die Untersuchungen gehen von der Kenntnis der temperaturabhängigen nicht-elektrischen MaterialEigenschaften und der frequenz- und temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften der beiden
Hauptkomponenten der W-Ö- Emulsionen, Wasser und Öl, aus. Die frequenz- und temperaturabhängigen
dielektrischen Eigenschaften von Öl wurden gemessen und es wurden numerische Modelle aufgestellt.
Weiterhin werden auch „effektive“ dielektrische Eigenschaften von W-Ö-Emulsionen untersucht. Diese sind für
den Entwurf von Applikatoren und für die Modellierung der resistiven und dielektrischen Erwärmung wichtig. Die
effektiven dielektrischen Eigenschaften der W-Ö-Emulsionen werden mittels sogenannter Mixing Formulas und auch
mittels eines adaptierten numerischen Konzepts berechnet. Das aus der Literatur schon bekannte 2D-Konzept für
die numerische Bestimmung der effektiven dielektrischen Eigenschaften des Gemisches (z.B. Emulsion) wird auf
eine 3D-Version erweitert. Im Konzept wird mittels eines MATLAB ® Skripts eine zufällige räumliche Anordnung der
Tropfen im Rechengebiet generiert und es werden alle Randbedingungen automatisch bestimmt. Weiterhin wird mit
dem MATLAB® Skript eine numerische Simulation in COMSOL Multiphysics® gestartet und es werden aus der
Verteilung der E-Felder die effektiven dielektrischen Eigenschaften der Emulsion evaluiert. Durch die Erweiterung
dieses Konzepts wird erstmals der direkte Vergleich der berechneten effektiven dielektrischen Eigenschaften von
W-Ö-Emulsionen mit den gemessenen Daten ermöglicht. Der Vergleich wird für berechnete, gemessene und mit
Hilfe von zwei populären Modellen
sogenannter Mixing Formulas abgeschätzte effektive dielektrische
Eigenschaften von Emulsionen durchgeführt. Die Übereinstimmung der berechneten und gemessenen Daten ist
sehr gut.
Die Untersuchung der resistiven und dielektrischen Emulsionenerwärmung erfolgte zuerst mittels Durchführung
gekoppelter numerischer Simulationen, die gleichzeitig die Verteilung der elektrischen Felder, die resistiven und
dielektrischen Verluste und die entsprechende Wärmeerzeugung und Wärmeleitung berechnen. Die Ergebnisse der
numerischen Simulationen zeigen, dass für die untersuchte Parametermenge die Erwärmung in der betrachteten
Emulsionsprobe gleichmäßig im ganzen Volumen verläuft. Die Wärmeleitung kann also vernachlässigt und damit die
Analyse des Problems wesentlich vereinfacht werden. Als Ergebnis erhalt man ein rein analytisches Modell, das die
Beziehung zwischen der gesamten Temperaturerhöhung im Laufe des Prozesses, der Expositionsdauer und der
Amplitude angewandter elektrischer Feldstärke beschreibt.
Die Erkenntnisse über die realistische Amplitude der angewandten elektrischen Feldstärke werden
nachfolgend bei der Analyse der durch die elektrische Feldstärke induzierten Kräfte zwischen zwei benachbarten
Tropfen verwendet. Es wird ein geeignetes Verfahren (aus dem Elektrokoaleszenz-Bereich) für die Abschätzung der
Zeit verwendet, die für die Annäherung zweier benachbarter Tropfen von der Ausgangsposition bis zum
gegenseitigen Kontakt benötigt wird. Diese Zeit wird schließlich mit den Parametern bereits existierender MWProzesse verglichen. Es wird gezeigt, dass die Elektrokoaleszenz eine wichtige Rolle auch im ISM-Frequenzbereich
spielt.
In der vorgelegten Dissertation wird zum ersten Mal die Verbindung zwischen der beobachteten effizienteren
MW Spaltung und der Elektrokoaleszenz identifiziert und durch die systematische Analyse des untersuchten
Problems bestätigt. Die hier vorgestellte Methodik und die hier vorgestellten Modelle ermöglichen zukünftig eine
Optimierung der MW-Spaltung von W-Ö-Emulsionen.