DE3238567A1

DE3238567A1 - Erzeugung von temperaturdifferenzen

Info

Publication number: DE3238567A1
Application number: DE19823238567
Authority: DE
Inventors: Oskar Dipl.-Ing. Dr.rer.nat. 8000 München Bschorr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-10-18
Filing date: 1982-10-18
Publication date: 1984-04-19

Description

3 2 3 S

ERZEUGUNG VON TEMPERATURDIFFERENZEN

0. Bschorr

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Temperaturdifferenzen, insbesondere zur Heizung und Kühlung.

Während ein kräftefreies Gas im Gleichgewichtszustand eine isotherme Temperaturverteilung annimmt, bildet sich in einem Gas unter einem äußeren Kräftefeid ein stationärer Temperaturgradient aus. Im kräftefreien Fall besitzt ein Gasmolekül lediglich thermische Energie. B*ι u Freiheitsgraden beträgt diese E^. = S- KT. Bei einatomigem Gas rni-t den 3 translatorisehen Freiheitsgraden ist η = 3, bei zweiatomigem Gas kommen noch 2 rotatorische Freiheitsgrade hinzu, so daß η = 5 ist. Der Faktor K stellt die Boltzmann-Konstante dar und T bedeutet die absolute Temperatur. Bei Einwirkung einer äußeren Kraft, z.B. der Erdanziehung g (= 9.8 m/s ) hat das Gasmolekül der Masse μ, zusätzlich eine potentielle Energie E ,. Mit der Höhenkoordinate ζ beträgt diese E . = g m. z. Ein Molekül der Temperatur T und in der Höhenlage ζ hat deswegen die Gesamtenergie E

E = E _+E = ^ KT + g w z. ;

therm pot '

Stationärer, im Gleichgewicht befindlicher Zustand herrscht, wenn über das Gasvolumen gleiche Gesamtenergie E besteht, d.h. wenn

dE = τ} K dT + g i* dz = 0 .

2 benachbarte Gasschichten, die sich um die differentielle Höhenkoordinat^· dz unterscheiden und über Molekülstöße in Wechselwirkung stehen, differien in ihrer Ortstemperatur um dT

_dT = - UU±- _d2 .
- nK

**» «VW V » ■<!

Im stationären Gleichgewicht stellt sich deswegen über der Höhe der Gassäule die Temperaturdifferenz Δ.Τ ein

Geht man auf die für technische Zwecke gewohnte Schreibweise mit den makroskopischen Gaswerten M = Molekulargewicht, H.= Adiabatenexponent und R = allgemeine Gaskonstante über, so wird

AT₀-. - *JÜJL^> _4z.

Für das folgendö soll diese stationäre Temperaturdifferenz Δ.Τ als thermomotorische Kraft bezeichnet werden, da eine gewisse Analogie zur elektromotorischen Kraft besteht.

Für technische Gase und bei einer Erdbeschleunigung g = 9,8 m/s ist der thermomotorische Effekt relativ gering. Bei Luft mit M = 29,3 kg/Mol bildet sich lediglich ein Temperaturgradient von dT/dz = - 0,0137 k/m aus, was einer Temperaturabnahme von 13,7 k pro Höhenkilometer entspricht. Eine direkte, technische Nutzung ist deshalb nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist, den thermomotorisehen Effekt soweit zu vergrößern, daß er auch mit kleinen Abmessungen brauchbare Temperaturdifferenzen und Wärmeumsätze liefert. Dazu werden Gassorten mit hohem Molekulargewicht, einschließlich Brown'scher Kolloidteilchen eingesetzt. Anstelle von Gasen können auch Plasmen, Flüssigkeiten und auch dos Elektronengas in Metallen zugrunde gelegt werden. Bei letzterem ist zwar der Effekt wegen der geringen Elektronenmasse herabgesetzt, andererseits ist aufgrund der Fermi-Verteilung auch die spezifische Wärme kleiner. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden effektivere Kraftfelder, insbesondere Zentrifugalbeschleunigungen und/oder elektrische Felder auf Dipölmoleküle und/oder Adhäsionskräfte an Oberflächen verwendet.

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Anhand verschiedener Beispiele sind bevorzugte Ausführun^sformen ne'n-v beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 : Zentrifugenausführung zur Erzeugung von Kalt/Warm-Wasser,

Fig. 2 : Zentrifugenausführung zur Erzeugung von Kalt/Warm-Luft,

Fig. 3 : Anordnung zur Vergrößerung des Temperatureffektes,

Fig. 4 : Plattenausführung mit inhomogenen, elektrostatischen Feldern,

Fig. 5 : Plattenausführung mit inhomogenen, elektromagnetischen Feldern,

Fig. 6 : Plattenausführung mit Adhäsionskräften,

In Fig. 1 dreht sich ein Zentrifugenläufer 1 um die Mittelachse 2. In einem geschlossenen, ringförmigen Raum 3 befindet sich ein Gas mit hohem Molekulargewichte und hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. Xenon. Durch den Zentrifugenläufer 1 führen 2 Wasserkanäle 4 und 5 mit einem gemeinsamen Zulauf 6. Der Kanal 4 führt an der Innenseite und der Kanal 5 an der Außenseite des Raumes 3 vorbei, Unter dem Einfluß der Zentrifugalbeschleunigung b bildet sich zwischen Innen- und Außenseite des Gasraumes 3 eine thermomotorische Temperaturdifferenz AJ₀ aus. Bei einer Höhe A ζ des Raumes 3 ist diese

⁰ R

Bei einer Eintrittstemperatur T des Wassers und gleichen Teilströmen in beiden Kanälen erfährt der Wasserstrom in Kanal 4 im Maximum eine Temperatur T - 1/2 A T_Q und der im Kanal 5 T + 1/2 AT_Q.

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Um maximale Wärmeleistung zu gewinnen, ist es jedoch zweckmäßig, nur auf den Temperaturniveaus T - 1/4 A T und T + 1/4 ^T zu fahren und dafür den Wasserdurchsatz zu erhöhen. - Anstelle des Gases in dem Raum 3 können auch andere Substanzen mit thermomotorisehen Effekt, wie Flüssigkeiten und Metalle, enthalten sein.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 dreht wieder ein Zentrifugen läufer 11 um seine Mittelachse 12. Über einen gemeinsamen Ansaugstutzen 13 wird Luft in einen ringförmigen Kanal 14 geleitet und strömt in axialer Richtung. Unter dem Einfluß der Zentrifugalbeschleunigung kommt es an der Außenseite des Ringkanals 14 zu einer Temperaturerhöhung und an der Innenseite zu einer Erniedrigung. Beide Bereiche werden durch getrennte Kanäle 15 und 16 abgeführt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 besteht aus einem Zentrifugen läufer 21, der im Innern einen kegelmantelartigen Gasraum 22 hat. Dieser ist von einem Gas mit hohem Molekulargewicht und guter Wärmeleitfähigkeit erfüllt. Unter dem Einfluß der Zentrifugalbeschleunigung bildet sich eine thermomotorische Temperaturdifferenz in radialer Richtung aus. Infolge der schrägen, axialen Anstellung kommt es im Gasraum 22 zu einer Zirkulation, wobei eine Gegenströmung, vergleichbar in einem sogenannten Trennrohr, stattfindet. Dadurch kommt es zu einer Summation des thermomotorisehen Temperatureffekts. An der Stirnfläche 23 bildet sich das Temperaturmaximum und an der Stirnfläche 24 das Temperaturminimum aus.

In Fig. 4 ist ein Querschnitt durch eine aus vielen mikroskopischen Schichten 32 bestehenden Platte 31. Eine Schicht 32 ist Material mit hoher Dielektrizitätskonstante und weist halbkugelförmige Räume 33 auf, in deren Zentren Spitzen 34 sind. In den Räumen 33 befindet sich ein Gas oder eine Flüssigkeit mit möglichst hohem, elektrischen Dipolmoment D , z.B. Kohlendioxid. Senkrecht zu den Schichtebenen wird ein elektrisches Feld E angelegt. Infolge der Spitzen 34 und ihrer gegenseitigen Versetzung bildet sich in den Räumen 33 ein sehr inhomogenes, elektrisches Feld E aus. Dadurch kommt es zu einer Anziehungskraft P der Moleküle

P = D grad E

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Mit dieser Kraft P und der Molekülmasse /u. läßt sich nach b = P//* eine Beschleunigung b bilden und bewirkt eine thermomotorische Temperaturdifferenz zwischen Spitzen 34 und den Begrenzungen der Räume 33. Durch die vielschichtige Anordnung addiert sich der Temperatureffekt und es kommt zu einer Temperaturdifferenz zwischen Ober- und Unterseite der Platte 31, die zur Heizung und Kühlung ausgenutzt werden kann.

Die Platte 41 nach Fig. 5 weist den analogen Aufbau wie Fig. 4 auf. Sie besteht aus mehreren Schichten 42 aus Material mit hohem Permeabilitätskoeffizienten, z.B.- aus Eisen und weist Räume 43 und Spitzen 44 auf. In den Räumen 43 befindet sich ein Gas oder Flüssigkeit mit hohem, magnetischen Dipolmoment D^ , das bei Anlegen eines magnetischen Feldes H wieder von den Spitzen 44 angezogen wird. Dadurch entsteht wieder eine thermomotorische Temperaturdifferenz, die sich über die einzelnen Schichten summiert. - Sowohl die elektromagnetische als auch die elektrostatische Anziehung ist dann am größten, je inhomogener das Feld, d.h. je kleiner und schärfer die Spitzen sind.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 besteht wieder eine Platte 51 aus mehreren Schichten 52. Eine Schicht 52 setzt sich dabei aus 3 Lagen zusammen. Die Lage 53 ist ein Flüssigkeitsfilm, z.B. Öl, bestehend aus Fadenmolekülen mit unterschiedlicher Endpolarität. Die Lage 54 besteht aus einem filmabweisenden und die Lage 55 aus einem filmanziehenden Material. Diese unterschiedlichen Adhäsionskräfte zwischen Flüssigkeitsfilm 53 und den Lagen 54 und 55 bewirken ein Potentialfeld und damit eine thermomotorische Temperaturdifferenz im Flüssigkeitsfilm 53. Die Hintereinanderschaltung vieler mikroskopischer Schichten 52 ergibt eine Temperaturaddition, so daß eine technisch brauchbare Temperaturdifferenz zwischen den beiden Plattenseiten besteht.

Leersei.te

Claims

Schutzansprüche

Erzeugung von Temperaturdifferenzen, dadurch gekennzeichnet, daß an ein Medium ein äußeres Kraftfeld angelegt wird, so daß ein Medienmolekül zur thermischen Energie eine ortsabhängige, potentielle Energie besitzt und sich im thermischen Energiegleichgewicht ein thermomotorischer Temperaturgradient ausbildet.

Erzeugung von Temperaturdifferenzen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas, eine Flüssigkeit und/oder ein Metall in einer Zentrifuge einer Zentrifugalbeschleunigung ausgesetzt ist und die in radialer Richtung entstehende Temperaturdifferenz mittels eines Durchlauferwärmers und eines Durchlaufkühlers abgenommen wird.

Erzeugung von Temperaturdifferenzen nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß ein Medienstrom, z.B. Luft, durch eine Zentrifuge geführt und nach Ausbildung einer thermomotorisehen Temperatur- ^: differenz in den wärmeren und den kälteren Teil strom aufgeteilt und abgeführt wird.

Erzeugung von Temperaturdifferenzen, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß mikroskopische Elemente, bestehend aus halbkugelförmigem bzw. halbzylinderförmigem Raum mit einem Medium mit hohem, molekularem, elektrischen Dipolmoment erfüllt sind, in deren Zentrum eine Spitze bzw. eine Schneide sich befindet und ein äußeres, elektrisches Feld angelegt ist, das dank der Spitzenanordnung eine hohe Inhomogenität und deswegen hohe Kräfte auf die Dipolmoleküle ausübt und daß die dabei entstehende, thermomotorisehe Temperaturdifferenz durch Hintereinander- und Parallelschaltung der Elemente mit hoher Packungsdichte den Einzeleffekt aufsummiert. - ■

BAD ORIGINAL

5. Erzeugung von Temperaturdifferenzen, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß mikroskopische Elemente, bestehend aus halbkugelförmigem, bzw. halbzylinderförmigem Raum, mit einem Medium mit hohem, molekularem magnetischen Dipolmoment erfüllt sind, in deren Zentrum eine Spitze, bzw. eine Schneide sich befindet und ein äußeres, magnetisches Feld angelegt ist, das dank der Spitzenanordnung eine hohe Inhomogenität und deswegen hohe Kräfte auf die Dipolmoleküle ausübt und daß durch die dabei entstehende, thermomotorische Temperaturdifferenz durch Hintereinander- und Parallelschaltung der Elemente mit hoher Packungsdichte der Einzeleffekt aufsummiert wird.

6. Erzeugung von Temperaturdifferenzen, dadurch gekennzeichnet, daß mikroskopisch dünne Schichten, bestehend aus einem Flüssigkeitsfilm, beidseitig von 2 unterschiedlichen Belägen umgeben sind, wobei die eine Flüssigkeits-/Belag-Kombination hohe, anziehende und die andere abstoßende Adhäsionskräfte aufweist und deswegen eine thermomotorische Temperaturdifferenz ergibt, zur Summation des Einzeleffektes zu einer Platte übereinander geschichtet sind.

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