Electrohidrodinámica con carga eléctrica en volumen: conceptos y aplicaciones

Tamaño: px

Comenzar la demostración a partir de la página:

Download "Electrohidrodinámica con carga eléctrica en volumen: conceptos y aplicaciones"

Agustín Montoya Hidalgo
hace 7 años
Vistas:

1 Electrohidrodinámica con carga eléctrica en volumen: conceptos y aplicaciones Avances en Física Aplicada a la Ingeniería Pedro A. Vázquez González Dpto. Física Aplicada III Universidad de Sevilla

2 Índice 1. Conceptos básicos de EHD 2. EHD en gases Aplicaciones 3. EHD en líquidos Aplicaciones 2

3 Qué es la EHD? La electrohidrodinámica (EHD) estudia fluidos sometidos a la acción de campos eléctricos Es una materia interdisciplinar hidrodinámica: movimiento del fluido electricidad: campo y corrientes eléctricas Las distribuciones de campo eléctrico y de velocidad están acopladas en general 3

4 Elementos básicos Hidrodinámica del fluido (líquido o gas) Electricidad Densidad de carga en las interfases en el volumen Corriente eléctrica Fuerza eléctrica sobre el fluido interfases volumen 4

5 Hidrodinámica Ecuación Ecuación de de Navier-Stokes Navier-Stokes Variación temporal de la velocidad Términos convectivos : no lineales, difíciles Gradiente de presión Viscosidad del fluido Fuerza por unidad de volumen: Acoplamiento 5

6 Hidrodinámica (II) f f Explosión nuclear Fumarola de un volcán 6

7 Hidrodinámica (III) Turbulencia Número Número de de Reynolds Reynolds Re f Laminar Mide la importancia de la viscosidad 7

8 Electricidad Ecuación Ecuación de de Poisson Poisson q : densidad de carga por unidad de volumen : potencial eléctrico E: campo eléctrico Campo Campo eléctrico eléctrico : permitividad eléctrica 8

9 Fuerza en el volumen Fuerza de Coulomb Fuerza del campo eléctrico sobre las cargas Principal responsable del movimiento Fuerza diélectrica Relevante cuando hay gradiente de temperatura Electrostricción No tiene efectos mecánicos 9

10 Corriente eléctrica Ley Ley de de conservación conservación de de la la carga carga J ds La carga eléctrica en un volumen dado sólo puede cambiar por el flujo en la superficie Q : Carga total en el volumen : Densidad de corriente 10

11 Conducción de carga Arrastre Convección u E FR Difusión FE Jc Jd Densidad de corriente 11

12 Ecuaciones EHD Campo Campo eléctrico eléctrico Corriente Corriente eléctrica eléctrica Movimiento Movimiento del del fluido fluido Acoplamiento 12

13 Origen de la carga Disociación Disociación iónica iónica AB A+ Impurezas o las propias moléculas del medio líquido o gaseoso se ionizan kd - B AB A B k r La tasa de reacción puede depender del campo eléctrico 13

14 Origen de la carga (II) Inyección Inyección de de carga carga E q Se inyecta carga eléctrica desde los electrodos La carga es de la misma polaridad que el electrodo La densidad de carga inyectada depende del valor del campo eléctrico 14

15 Resumen Aparece carga eléctrica en el volumen por ionización o disociación La fuerza eléctrica empuja las cargas y éstas, a su vez, ponen el fluido en movimiento La corriente tiene tres componentes: arrastre, convección y difusión 15

16 Índice 1. Conceptos básicos de EHD 2. EHD en gases Aplicaciones 3. EHD en líquidos Aplicaciones 16

17 Inyección en gases: corona Arrastre - E - - Ionización - E + e- El campo es mucho más intenso cerca del electrodo de radio más pequeño E~ V/m Avalanchas electrónicas e ionización en el volumen : non-thermal plasma Diferencias de potencial elevadas V0~1 100 kv La corriente es transportada por iones con la polaridad de la punta 17

18 EHD en gases q u E Los iones empujan al gas f = qe El gas se pone en movimiento: viento iónico Los iones siguen las líneas del campo eléctrico u<< E La distribución de carga no depende de la distribución de velocidades del gas 18

19 Efecto corona (ejemplos) cilindro streamer punta - plano rayo 19

20 Efecto corona ( ejemplos) Fuego de San Telmo 20

21 Índice 1. Conceptos básicos de EHD 2. EHD en gases Aplicaciones 3. EHD en líquidos Aplicaciones 21

22 Aplicaciones de la corona Precipitadores Precipitadores electrostáticos electrostáticos + Partículas cargadas penetra en el precipitador Entrada de gas Partículas descargadas El gas lleno de partículas La partículas se cargan con los iones y electrones E producidos por la corona Salida de gas El campo eléctrico arrastra las partículas hacia las placas Electrodos inyectores Las partículas se acumulan como polvo en las placas 22

23 Aplicaciones de la corona Precipitadores Precipitadores electrostáticos electrostáticos Tamaño de las partículas en un gran rango 0.1 m < r p< 1000 m Hasta el 99% de efectividad, dependiendo del tamaño de la partícula La capa de polvo se retira por medios mecánicos Diferentes tipos : DC, pulsados, humedecidos, etc 23

24 Aplicaciones de la corona Precipitadores Precipitadores electrostáticos electrostáticos 24

25 Aplicaciones de la corona Usos Usos químicos químicos de de plasmas plasmas en en no no equilibrio equilibrio - E e La ionización produce plasma (NTP), con especies químicas excitadas que facilitan las reacciones químicas Usos: generación de ozono eliminación de óxidos nitrosos, compuestos sulfurosos (SO2), etc fijación del nitrógeno síntesis de metanol esterilización etc 25

Aplicaciones de la corona Impresoras Impresoras láser láser El proceso de impresión es el de xerografía ( escritura seca ) La imagen del documento que se quiere imprimir se guarda como un bitmap en

26 Aplicaciones de la corona Impresoras Impresoras láser láser El proceso de impresión es el de xerografía ( escritura seca ) La imagen del documento que se quiere imprimir se guarda como un bitmap en la memoria del RIP (Raster Image Processor) Gran rapidez de impresión (hasta 200 páginas por minuto en blanco y negro) En los modelos en color se hacen varias pasadas, una por cada color básico (hasta 100 páginas por minuto) El proceso es similar al de las fotocopiadoras 26

Aplicaciones de la corona Impresoras Impresoras láser láser El tambor está recubierto por selenio, material fotoconductor El hilo carga el exterior del tambor negativamente por efecto corona El láser

27 Aplicaciones de la corona Impresoras Impresoras láser láser El tambor está recubierto por selenio, material fotoconductor El hilo carga el exterior del tambor negativamente por efecto corona El láser dibuja una imagen descargada sobre el tambor El toner, cargado positivamente, se pega al tambor El papel se carga negativamente con otra corona El toner pasa al papel, que luego se descarga con otra corona El papel se calienta para que el toner se funda con él 27

28 Aplicaciones de la corona Secado Secado de de superficies superficies con con viento viento iónico iónico + E u E El flujo de aire contribuye a secar las superficies La potencia utilizada es muy pequeña La temperatura y la presión son las ambientales Fácil de poner en marcha y de parar Superficies húmedas + 28

29 Aplicaciones de la corona Thrusters Thrusters Campo eléctrico Hilo inyector Fuerza sustentadora Flujo de aire El viento iónico produce un flujo descendente Por la tercera ley de Newton se produce una fuerza que sustenta el aparato No se obtienen sustentaciones muy grandes pero es muy eficiente y robusto Variantes con plasma tienen aplicaciones en propulsión de naves en el espacio (MHD) 29

30 Índice 1. Conceptos básicos de EHD 2. EHD en gases Aplicaciones 3. EHD en líquidos Aplicaciones 30

31 Inyección en líquidos Capa compacta Capa difusa Iones inyectados La La capa capa doble doble Metal En la frontera metal líquido se crea una estructura de doble capa Cerca del electrodo hay iones adsorbidos Algo más lejos se crea una capa difusa de iones Las anchuras de las capas dependen de la conductividad del líquido Líquido 31

32 Bombeo por inyección q u E En líquidos muy aislantes se inyecta una carga eléctrica en el volumen, de la misma polaridad que el electrodo La fuerza sobre los iones inyectados empuja al líquido La velocidad del líquido domina u>> E La distribución de carga sí depende de la distribución de velocidades del líquido Las velocidades son mayores que con el gas, pues la densidad de carga es mayor (u~ 1 m/s) Válido en líquidos muy aislantes 32

33 Placas planas E Los iones se inyectan en el electrodo inferior La fuerza en el volumen pone el líquido en movimiento Si V0 es lo bastante grande se establece un rollo estacionario La carga en el volumen es controlada por la velocidad del líquido V0 33

34 Placas planas Distribución de carga Distribución de velocidad 34

35 Penachos Colector Simulación numérica Penacho La inyección se produce en la cuchilla o punta La carga queda confinada en el interior del penacho Inyector (cuchilla o punta) 35

36 Bombeo por conducción Electrodo de anillo Electrodo perforado Zonas de heterocarga La fuerza se ejerce sobre las zonas cargadas que aparecen cerca de los electrodos La ruptura de simetría hace aparecer una fuerza neta que pone el líquido en movimiento Válido en líquidos de baja conductividad 36

37 Bombeo por inducción Líquido 0o 90o 180o 270o 0o 90o 180o 270o Se impone un gradiente de temperatura para conseguir un gradiente de permitividad Se aplica un voltaje oscilante con un desfase entre electrodos, lo cual produce una fuerza neta sobre el líquido El líquido debe ser conductor 37

38 Índice 1. Conceptos básicos de EHD 2. EHD en gases Aplicaciones 3. EHD en líquidos Aplicaciones 38

39 Transferencia de calor La convección aumenta la transferencia de calor q u entre los electrodos Puede aumentarse hasta en un factor 10 E Se instalan varios inyectores para aumentar el efecto 39

40 MEMS Bombeo de líquidos en microsistemas (microfluídica) Lab-on-a-chip: integración de varias funciones de análisis en dispositivos de algunos mm2 o cm2 40

41 Otras aplicaciones Prevención de rupturas dieléctricas 41

42 Resumen La EHD es la conjunción de la Hidrodinámica y la Electrostática La fuerza sobre la carga inyectada en el volumen pone el fluido en movimiento En gases las cargas siguen el campo eléctrico, en líquidos siguen la velocidad del fluido Aplicaciones industriales en control de contaminantes en el aire, bombeo, intercambiadores de calor, etc 42

43 Trabajos propuestos 1. Aplicaciones químicas y de control de contaminación de plasmas (Non Thermal Plasmas) 2. Mecanismos de bombeo EHD en microfluídica 43

Documentos relacionados

ESTO NO ES UN EXAMEN, ES UNA HOJA DEL CUADERNILLO DE EJERCICIOS. Heroica Escuela Naval

ESTO NO ES UN EXAMEN, ES UNA HOJA DEL CUADERNILLO DE EJERCICIOS. Heroica Escuela Naval CUADERNILLO DE FÍSICA. TERCER GRADO. I.- SUBRAYE LA RESPUESTA CORRECTA EN LOS SIGUIENTES ENUNCIADOS. 1.- CUANDO DOS CUERPOS CON DIFERENTE TEMPERATURA SE PONEN EN CONTACTO, HAY TRANSMISIÓN DE: A) FUERZA.