WO2009043333A2 - Elektrostatisch-thermischer wandler (etw) - Google Patents

Elektrostatisch-thermischer wandler (etw) Download PDF

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Definitions

  • EW Electrostatic-Thermal Converter
  • the object of the invention is to improve the state of the art.
  • the object is achieved by a thermal converter (or correspondingly by an electrostatic thermal converter (ETW)), in particular for heat exchange with liquid-gas mixtures, wherein the thermal transducer ionizing agent or a corresponding ionizer, in particular a metallic tip and / or cutting edge, and a heat exchanger, wherein the ionizing means and the heat exchanger, a high voltage potential with an electric field can be impressed, which imprints on the ionizing agent forms a plasma with gas molecules, these charged gas molecules are accelerated to the heat exchanger, so that a suction with Thus, an ionic vapor Ström is formed, which acted molecules from the liquid mixture in engagement with the thermal converter, the heat exchanger in particular on a heat exchange plate, wherein the thermal converter, a heat exchange fluid or a heat transfer fluid in particular K Liquids comprises, which is or which are in heat exchanging contact with the heat exchanger or correspondingly.
  • EW electro
  • Liquid gas mixtures of the type mentioned here may in particular comprise gases which comprise liquid molecules.
  • gases which comprise liquid molecules.
  • an air-water mixture, nitrogen-water mixture, air-ethanol mixture, nitrogen-ethanol mixture, CO 2 nitrogen and water-air mixture and further liquid gas mixtures come into question.
  • the liquid molecules are generally formed in the gas as an aerosol.
  • the ionizing agent (or corresponding to the ionizer) can be designed in particular as a metallic tip and / or as a metallic cutting edge, as a result of which an increase in the electric field due to the peak effect can occur.
  • Voltage potentials which cause ionization of the gas can in particular be considered as high-voltage potential.
  • cooling liquids with high heat capacity such as water glycol mixtures can be used.
  • the heat exchanger can be designed so that the heat exchange fluid flows through the heat exchanger.
  • a further heat transfer liquid in particular a cooling liquid can be supplied.
  • an existing in liquid-gas mixture inherent heat exchanger can be realized.
  • the thermal converter may comprise a nebulization device, which converts the temperature control liquid into an aerosol.
  • the nebulizer may comprise all aerosol formers.
  • an aerosol can be supplied to the liquid-gas mixture.
  • the nebulization device may comprise a container with a piezoelectric vibrator and / or spray nozzles, which spray the aerosol.
  • the nebulizer device can advantageously be adapted to different designs.
  • the bath liquid can be configured as a coolant and the nebulizer be mounted so that the gravity realizes a mixture of the aerosol with the liquid-gas mixture.
  • the nebulizer be mounted so that the gravity realizes a mixture of the aerosol with the liquid-gas mixture.
  • dry gases can be mixed with a liquid aerosol.
  • the tempering liquid can be designed as a heating means and the nebulization device can be so arranged that the thermals realize a mixture of the aerosol with the liquid gas mixture. Again, a mixture can be realized without additional effort.
  • the thermal converter may comprise accelerating means, which lead to a higher back pressure of the molecules on the heat exchanger. As a result, the effectiveness of the thermal converter can advantageously be increased.
  • the size of the heat exchanger can be designed such that an ion temperature control vapor stream has the smallest possible cross section.
  • the high-voltage potential can be designed to be adjustable.
  • the acceleration of the molecules onto the heat exchanger can advantageously be influenced.
  • the acceleration means can be designed as a magnetic lens.
  • the accelerator can be adapted for different applications.
  • the heat exchange plate can be designed so that a mechanical vibration, wel- caused by the impact on the heat exchanger wall, lead to a decrease in the ⁇ value of the heat exchange fluid.
  • a mechanical vibration, wel- caused by the impact on the heat exchanger wall lead to a decrease in the ⁇ value of the heat exchange fluid.
  • the object can be achieved by a space envelope, in particular a greenhouse, wherein the space envelope comprises a thermal converter according to one of the preceding claims, wherein the thermal converter in particular recondenses water vapor and in particular a humidified air flow back to the space envelope, wherein the space envelope a separation unit which separates a utility space from a space for the thermal converter, the separation unit having openings which allow an exchange of gases between the work space and the space for the thermal converter.
  • the space envelope can be designed in particular as a living space, vehicle, car, train carriage, office space, tent, closed industrial plants, clean room and / or greenhouse.
  • the enclosure may comprise all substantially closed entities that are used by humans and are substantially closed.
  • Separation unit may in particular comprise a wall and / or a container for the thermal converter.
  • the separation unit may be configured substantially insulating. As a result, advantageously, the use of the thermal converter can be made more effective.
  • the heat exchange plate may be designed substantially obliquely, so that due to gravity drops a water film on the heat exchange plate.
  • condensed water can advantageously be separated from the thermal converter without additional effort.
  • the space envelope may have an internal and / or external CO 2 sequence.
  • gas cylinders or antipropogenic sources such as, in particular, exhaust gases from power plants and / or engines can be used as internal and / or external CO 2 source.
  • the object is achieved by a heat exchanger, which is used in particular for the removal of heat from a gas stream, the heat exchanger a hollow body with an absorbent capillary structure and a gas flow device, which forms a thermally conductive contact with the hollow body, a liquid speed, which is absorbable by the capillary structure, and an inventive thermal transducer described herein.
  • the absorbent capillary structure is designed so that it realizes a capillary action for the liquid constituent. As a result, advantageously, an electrostatically reinforced heat pipe can be realized.
  • the heat exchanger can be designed to be thermally insulated from the outside. As a result, the efficiency of the heat exchanger can advantageously be increased.
  • the heat exchanger may be configured such that a condensed liquid film on the heat exchange plate is in exchanging contact with the capillary structure.
  • condensed liquid can advantageously be returned to the system through the capillary structure.
  • a permanent cycle can be realized.
  • a solar collector which comprises a radiation absorber with liquid-absorbing / evaporating capillary structure, a gas space, a transparent input disk and a rear-side thermal insulation of the radiation absorber, a liquid and an inventive inventive thermal transducer.
  • a radiation absorber with liquid-absorbing / evaporating capillary structure, a gas space, a transparent input disk and a rear-side thermal insulation of the radiation absorber, a liquid and an inventive inventive thermal transducer.
  • materials which are readily heatable by the sun can be used as the radiation absorber.
  • the rear thermal insulation can be realized by the solar collector itself or by the support for the solar collector.
  • liquids water, ethanol or other liquids with a high heat capacity can be used.
  • the solar collector may comprise a secondary liquid circuit in which the heat of the thermal converter can be coupled.
  • a secondary liquid circuit in which the heat of the thermal converter can be coupled.
  • the thermal insulation may be configured at least partially transparent and the capillary structure be recessed at the transparent locations, whereby light windows can be realized. As a result, a natural lighting of the structure can be realized below the solar panel.
  • the capillary structure may comprise wicks which distribute condensed liquid over the capillary structure.
  • the radiation absorber can be designed such that it functions simultaneously as a capillary structure and as a wick structure.
  • the object is achieved by a device for recovering water from atmospheric moisture, the device comprising thermal transducers and a circulating hose connecting the thermal transducers, at least two or more thermal transducers being vertically located.
  • a certain area can be freed from the mist.
  • the vertical positioning especially higher layers can be freed from the fog, so that, for example, a motor vehicle driver or a pilot get a clear view.
  • the device may comprise a water collecting basin, wherein the circulating hose is located in particular below the water collecting basin.
  • the temperature of the heat exchanger can advantageously be kept constant below the dew point temperature of the surrounding air.
  • the circulating hose can be located protected from solar radiation. This also allows a low temperature of the heat exchanger can be realized.
  • the device can be used for demisting places, especially roads, airports, tunnels or other places.
  • the object is achieved by a vortex power plant for generating rotating water vapor, wherein the vortex power plant has a storage lake, in particular a solar storage lake, with a hotter and cooler water layer, which has a free evaporation surface, a substantially spiral arrangement of thermal converters, wherein the thermal transducers are positioned one below the other such that the ascending vapor-air mixture is set in rotation about a central axis.
  • the hotter and cooler water layer can result in particular from the natural distribution of the temperature. Due to the evaporation surface, the water vapor to be rotated can come into contact with the thermal transducers.
  • the essentially spiral-shaped arrangement comprises circular and / or eccentric and / or oval arrangements, which are designed such that a rotating water vapor can form.
  • the vortex power plant can be included to the evaporation surface and substantially centrally aligned to the central axis generator with traffic cone from the vortex power plant.
  • electrical energy can be generated by the vortex power plant.
  • the rotated water vapor causes the generator to rotate so that electrical energy is generated by the generator.
  • a channel for collecting condensed water include.
  • condensed water can be selectively removed.
  • the turbulence plant can be used as a desalination plant, the liquid in the storage lake comprising salt and / or seawater and the condensed water in the gutter comprising desalinated water.
  • FIG. 1 shows the mode of action of the thermal converter
  • FIG. 2 shows a modification of the mode of action of the thermal converter
  • FIG. 3 shows the aerosol former in cooperation with the thermal converter
  • FIGS. 4, 5, 6 show the mode of action of the aerosol as coolant
  • FIG. 7 shows a greenhouse with plant irrigation
  • FIG. 8 shows a heat exchanger
  • FIG. 10 shows a solar collector with thermal converter
  • Figure 11 Apparatus for recovering water from humidity for defogging
  • Figure 12 is a vortex power plant
  • ETW Electrostatic-Thermal Converter
  • An ionization needle (1) located at a positive or negative high voltage forms a plasma at its tip in a spherical space (2).
  • the generated positive or negative air ions are along the field lines (4) on the heat exchanger (5) to accelerate, since it is connected to the counter-potential (- +) or ground and bounce under pressure build-up on the surface.
  • the resulting "ion wind” creates an injector suction (6), which sucks the neutral air molecules (8) and water vapor molecules (7) located behind the ionization needle out of a large spatial area into the ion wind tunnel and also transports them to the heat exchanger plate (5)
  • the area of the heat exchanger is considerably smaller in area than the capture cross-section of the air-water vapor mixture, which leads to a spatial concentration of the mixture and thus, according to the Beroulli law, to a higher velocity of the individual ions, air molecules and water vapor molecules ,
  • FIGS. 3, 4 and 5 A further embodiment of the ETW is shown in FIGS. 3, 4 and 5.
  • FIG. 3 in the space in front of the ionizers (1), an arrangement is shown in which typically the water in an open, flat container is nebulised by a piezoelectric oscillator (12).
  • the resulting cold aerosol droplets (13) fall under the action of gravity in the underlying space (14), where they mix with the air molecules located there (8) and water vapor molecules (7) and then, as described, from the Injektorsog (6) towards the heat exchanger (5) or, in part, as the water vapor molecules land on the ionization needle.
  • the piezo oscillator (12) is only an example of all known types of water misting and can for example be replaced equivalently by spray nozzles.
  • the aerosol droplets in their entirety constitute, with respect to the surrounding gas and water vapor molecules, a heat exchanger of extremely high surface area and very high heat capacity.
  • the temperature of the aerosol droplets is below the temperature the surrounding molecules, as symbolized by the arrows (15), there is a positive heat energy and mass transfer to the aerosol droplets out.
  • the heat transported in the gas molecules is transferred extremely effectively to the aerosol droplets and, on the other hand, as shown in FIG 5, the water vapor molecules (7) condense on the cooler surface of the aerosol droplet (13) and thus enlarge this volume in volume (13a) and at the same time deliver their latent heat to the aerosol droplet.
  • FIG. 7 shows an ETW arrangement which, in the interior of a greenhouse (17), recondenses the water vapor (19a) generated by the plants (19) by transpiration and at the same time returns the dehumidified air flow (19c) back into the plant space ,
  • the air heat and the latent heat of the condensing on the surface of the cooler aerosol vapor molecule submit to this.
  • the aerosol - air ion - air molecule mixture subsequently gets into the ion wind suction region of the arrangement (1), (5).
  • the heat and latent heat contained in the ionic wind are delivered particularly effectively to the fluid flowing into the heat exchanger in (5c) and to fluid exiting (5d).
  • the heat thus extracted from the greenhouse not only favors the temperature-dependent photosynthesis, but can also be temporarily stored in a heat storage in order to heat the plant space to optimum temperatures on cold nights by means of suitable large-area heat exchangers.
  • the described ETW arrangement is of particular importance for greenhouses in arid areas, as it allows the water to be regenerated (and thus requires only small amounts for installation in the plant body) and at the same time leads to climate control of the greenhouse.
  • the greenhouse is hermetically sealed. This requires a periodic addition of CO 2 , which can consist either of gas cylinders, better from anthropogenic sources (exhaust gases from power plants, engines) or directly filtered from the ambient air CO 2 .
  • the greenhouse ETW principle illustrated in FIG. 7 can be applied to all types of closed space envelopes, such as living spaces.
  • FIG. 8 shows a heat exchanger in which the heat is extracted in a particularly effective and space-saving manner from a hot-air (-gas) stream by consistent application of the ETW principle.
  • (1), (5) represent the ionizer - heat exchanger assembly, which is located inside an example cylindrical hollow body (21), whose inner walls are provided with an absorbent capillary structure (21a). Around the hollow body runs around an annular gap (22) through which the hot air to be cooled flows with heat release to the capillary structure (21 a). The entire assembly is well insulated from the outside (22a).
  • FIG. 9 is shown schematically how the heat exchanger shown in Figure 8 is extended to a heat pump / cooling machine.
  • the surface of the hollow body (cylindrical, plate-shaped, other geometries) flows directly around the warm, to be cooled air (24), which evaporates the heat contained in the capillary structure refrigerant.
  • the steam passes, analogous to the heat exchanger of Figure 8 in the Injektorsog the ionic current (6).
  • the coolant vapor entrained in this way in the ion current between the ionization tip (1) and the heat exchanger (5) is accelerated to particularly high speed by means of 3 additional measures:
  • the size of the heat exchanger is selected so that the ion-refrigerant vapor stream has the smallest possible cross-section and thus the ions and cold-vapor molecules are given the highest possible speed.
  • a magnetic lens (23) is attached cylindrically around the refrigerant ion stream.
  • the rotationally symmetric magnetic fields (typically generated by a current-carrying coil) act on charged particles in the vicinity of the field axis focusing. This, too, leads to an increase of the. According to the Bernoulli law
  • FIG. 1 Another typical application of the ETW is shown in FIG.
  • (25) represents a solar collector whose matte black Radiation absorber (25a), which simultaneously represents a liquid-absorbing / evaporating capillary structure, is heated by the solar radiation (26) passing through the transparent input disk (25d).
  • the well-insulated (25c) radiation absorber on its rear side evaporates the fluid absorbed by it (water, ethanol or the fluid adapted to the desired temperature level) and, through the already described "electrostatic lens" (1), (5), supplies a compact liquid heat exchanger The heat contained in the gas space in a secondary fluid circuit (water, thermal oil, similar - depending on the selected temperature level of the solar collector) coupled.
  • a secondary fluid circuit water, thermal oil, similar - depending on the selected temperature level of the solar collector
  • the same principle can be implemented particularly advantageously as a large solar collector, which can typically cover entire building façades.
  • the heat insulation (25c) can be perceived particularly advantageously by a transparent thermal insulation, which also leads to the simultaneous realization of light windows with corresponding recesses of the capillary structure which in this case is mounted on a glass plate.
  • the rest of the surface is opaque to radiation by printing or applying a film.
  • FIG. 11 shows an arrangement of the ETW for the recovery of atmospheric moisture as water.
  • the already described ionizer (1) - heat exchangers (5) units vertically in the air space above the ground reaching, similar to a high double fence arranged.
  • the heat exchanger (5) are, as drawn only in the lowest arrangement, connected to a circulating hose (5e), which extends partially below the water catchment (5f) or a non-sunlight terrain piece. In this way, the temperature of the heat exchanger can be constantly below the dew point temperature of the surrounding air.
  • the described ETW arrangement for the dehumidification of outdoor air with active recovery of water can also be used advantageously for defogging of roads, airfields and other places where free vision plays an important role.
  • the small water droplets of the mist are also conveyed via the injector action of the ion wind to either the heat exchanger or the ionizing needles, where they drip off as working water.
  • water vapor which only condenses back to water when the temperature of the condenser falls below the dew point defined by temperature and density, the values defined by the E-field catch water aerosol droplets even at higher temperatures to a dripping in the wake of the heat exchanger, water film.
  • the ETW can advantageously be used in one or the other variant described or in the combination of its effects in virtually all systems in which the efficient heat exchange, the condensation and the precipitation of liquid vapors or aerosols, the compression of vapors and gases Play a role and in which, for economic and technical reasons, small building masses are of importance.
  • the ETW principle offers the technically skilled good opportunities for improving and optimizing existing systems.
  • a particularly spectacular ETW application is the generation of a small-scale stationary tornado for the production of electrical energy and / or simultaneous seawater desalination.
  • Natural tropical eddy currents (tornadoes) derive their energy from seawater heated to over 26 ° C by the sun.
  • FIG 12 schematically shows a solar storage lake (27) with free evaporation surface, hot upper (27a) and cool lower water layer (27b).
  • ionizers (1) and heat exchanger plates (5) At a defined distance above this water surface there is at least one spiral arrangement of ionizers (1) and heat exchanger plates (5).
  • the ionizing needles and their associated heat exchangers are inclined upwards with respect to the plane of the water and are positioned one below the other in such a way that they cause the ascending vapor (7) - air (8) mixture to rotate about the central axis (M).
  • the water vapor co-accelerated from (1) to (5) with the ionized air condenses on the heat exchanger (5), which is traversed by the cool water of the solar storage pond (27b).
  • the condensed water is collected in the gutter (28) and discharged as desalinated water (when the solar storage lake (27) is filled with salt water) Utilization supplied.
  • the turbo generator Centrally at a defined distance above the water surface is the turbo generator with subsequent traffic cone (29).
  • the turbo generator Centrally at a defined distance above the water surface is the turbo generator with subsequent traffic cone (29).
  • the injector suction (6) of the ionizers In the case of the ETW tornado, the height required for classic updraft constructions to create the suction and limit the ascending column of air is replaced by the injector suction (6) of the ionizers and the rotational moment produced by them. This allows smaller, lower, more compact plants.
  • the heat of the recondensed water is returned via the heat exchanger (30) in the corresponding layer (27c) of the heat accumulator.

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Abstract

Ein Elektrostatisch-Thermischen-Wandler (ETW), bei dem die Tauschflächen erheblich kleiner gestaltet werden können, die Transportenergien inhärent durch das elektrische Feld bereitgestellt werden und zusätzliche, ebenfalls durch das elektrische Feld induzierte Kräfte, lokale Dichtekonzentrationen der Flüssigkeitsdämpfe (Wärmepumpeneffekt) bewirken. Der Elektrostatisch-Thermische Wandler lenkt ein ionisiertes Gas in einem elektrostatischen Feld auf einen Wärmetauscher (5), sodass der hierdurch entstehende Ionenwind als Injektor auf ein sich im gleichen Raum befindliches Aerosol und/oder eine sich in der Dampfphase befindliche Flüssigkeit wirkt und diese mit sich zum Wärmetauscher (5) reißt.

Description

Elektrostatisch-Thermischer Wandler (ETW)
[01] Die in Gasen und/oder Flüssigkeitsdämpfen enthaltenen latenten und fühlbaren Wärmen können beträchtliche Werte annehmen, sind jedoch aufgrund der Natur der Gase mit relativ geringen Energiedichten auf große Volumina verteilt. Die Rückgewinnung der Wärmen und Flüssigkeiten erfordert beim gegenwärtigen Stand der Technik grosse Wärmetauscher beziehungsweise Kondensatoren. Dieses wiederum macht relativ große Bauvolumina der jeweiligen Wärmetausch- und/oder Flüssigkeitskondensati- onseinheiten nötig, was im Verbund mit den großen benötigten Tauschflächen auch zu hohen Anlagekosten führt. Zusätzlich sind zum Transport der Gasvolumina zum Wärmetauscher in der Regel Gebläse erforderlich, die beträchtliche Zusatzenergien benötigen. Die im Folgenden beschriebene Erfindung beschreibt einen Elektrostatisch-Thermischen- Wandler (ETW) bei dem die Tauschflächen erheblich kleiner gestaltet werden können, die Transportenergien inhärent durch das elektrische Feld bereitgestellt werden und zusätzliche, ebenfalls durch das elektrische Feld induzierte Kräfte, lokale Dichtekonzentrationen der Flüssigkeitsdämpfe (Wärmepumpenef- fekt) bewirken.
[02] Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern. [03] Gelöst wird die Aufgabe durch einen thermischen Wandler (oder entsprechend durch einen elektrostatischen thermischen Wandler (ETW)), insbesondere zum Wärmetauschen mit Flüssigkeits-Gasgemischen, wobei der thermische Wandler ein Ionisationsmittel oder entsprechend, einen Io- nisator, insbesondere eine metallische Spitze und/oder Schneide, und einen Wärmetauscher umfasst, wobei dem Ionisationsmittel und dem Wärmetauscher ein Hochspannungspotential mit einem elektrischen Feld aufprägbar ist, welches aufgeprägt an dem Ionisationsmittel ein Plasma mit Gasmolekülen ausbildet, wobei diese geladene Gasmoleküle zum Wärmetauscher beschleunigt werden, so dass ein Sog mit somit ein Ionen-Dampf ström entsteht, welcher Moleküle aus mit dem thermischen Wandler im Eingriff stehende Flüssigkeitsgemisch dem Wärmetauscher insbesondere auf eine Wärmetauschplatte beaufschlagt, wobei der thermische Wandler ein Wär- meaustauschfluid oder entsprechend ein Wärmeträgerfluid insbesondere Kühlflüssigkeiten umfasst, welches oder entsprechend welche mit dem Wärmetauscher im wärmetauschenden Kontakt steht oder entsprechend stehen.
[04] Dadurch können die Tauschflächen erheblich kleiner ausgestaltet werden. Weiterhin können dadurch die Transportenergien inhärent durch das elektrische Feld bereitgestellt werden. Weiterhin können vorteilhafter Weise dichte Konzentration der Flüssigkeitsdämpfe (Wärmepumpeneffekt) bewirkt werden. [05] Flüssigkeitsgasgemische der hier genannten Art können insbesondere Gase umfassen, welche Flüssigkeitsmoleküle umfassen. Dabei kommt insbesondere ein Luft- Was sergemisch, Stickstoff-Wassergemisch, Luft- Ethanolgemisch, Stickstoff-Ethanolgemisch, CO2-Stickstoff- Wasserluftgemisch und weitere Flüssigkeitsgasgemische in Frage. Dabei sind im Allgemeinen im Gas die Flüssigkeitsmoleküle als Aerosol ausgebildet.
[06] Das Ionisationsmittel (oder entsprechend der Ionisator) kann insbesondere als metallische Spitze und/oder als metallische Schneide ausgestal- tet sein, wodurch eine Erhöhung des elektrischen Feldes aufgrund des Spitzeneffektes eintreten kann.
[07] Als Hochspannungspotential können insbesondere Spannungspotentiale in Frage kommen, welche ein Ionisierung des Gases bewirken.
[08] Als Wärmeaustauschfluid oder entsprechend Wärmeträgerfluid im Weitern auch Fluid genannt, können insbesondere Kühlflüssigkeiten mit hoher Wärmekapazität wie beispielsweise Wasserglykolgemische eingesetzt werden.
[09] In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Wärmetauscher so ausgestaltet sein, dass das Wärmeaustauschfluid den Wärmetauscher durchfließt. Dadurch können vorteilhafter Weise kleine kompakte Bauformen realisiert werden. [10] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann dem Flüssigkeits-Gasgemisch eine weitere Temperierflüssigkeit, insbesondere eine Kühlflüssigkeit zugeführt werden. Somit kann ein im Flüssigkeits- Gasgemisch vorliegender inhärenter Wärmetauscher realisiert werden.
[11] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der thermische Wandler eine Vernebelungsvorrichtung umfassen, welche die Temperierflüssigkeit in ein Aerosol überführt. Die Vernebelungsvorrichtung kann sämtliche Aerosolbildner umfassen. Somit kann dem Flüssigkeits- Gasgemisch ein Aerosol zugeführt werden.
[12] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Vernebelungsvorrichtung einen Behälter mit einem Piezoschwinger und/oder Sprühdüsen, welche das Aerosol versprühen, umfassen. Dadurch kann vorteilhafter Weise die Vernebelungsvorrichtung auf unterschiedliche Bauformen adaptiert werden.
[13] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Temperierflüssigkeit als Kühlmittel ausgestaltet sein und die Vernebelungsvorrichtung so angebracht sein, dass die Gravitation eine Mischung des Aerosols mit dem Flüssigkeits-Gasgemisch realisiert. Dadurch kann vorteilhafter Weise eine Mischung von Kühlmittel mit dem Flüssigkeits-Gasgemisch ohne zusätzlichen Aufwand realisiert werden. Weiterhin können mit dieser Ausgestaltung der Erfindung trockene Gase mit einem Flüssigkeitsaerosol versetzt werden. [14] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Temperier- flüssigkeit als Heizmittel ausgestaltet sein und die Vernebelungsvorrich- tung so angebracht sein, dass die Thermik eine Mischung des Aerosols mit dem Flüssigkeitsgasgemisch realisiert. Auch hier kann eine Mischung oh- ne zusätzlichen Aufwand realisiert werden.
[15] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der thermische Wandler Beschleunigungsmittel umfassen, welche zu einem höheren Staudruck der Moleküle an dem Wärmetauscher führen. Dadurch kann vorteilhafter Weise die Effektivität des thermischen Wandlers gesteigert werden.
[16] In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung kann der Wärmetauscher in seiner Größe so ausgestaltet sein, dass ein Ionentemperier- mitteldampfstrom einen kleinstmöglichen Querschnitt aufweist. Somit können vorteilhafter Weise kleinste Bauformen realisiert werden.
[17] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Hochspan- nungspotential einstellbar ausgestaltet sein. Dadurch kann vorteilhafter Weise die Beschleunigung der Moleküle auf den Wärmetauscher beein- flusst werden.
[18] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Beschleunigungsmittel als Magnetlinse ausgestaltet sein. Somit kann das Be- schleunigungsmittel für unterschiedliche Anwendungen adaptiert werden.
[19] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Wärmeaustauschplatte so ausgestaltet sein, dass eine mechanische Schwingung, wel- che durch die Beaufschlagung auf die Wärmetauscherwand entstehen, zu einer Abnahme des α- Wertes des Wärmeaustauschfluids führen. Dadurch kann vorteilhafter Weise ein effektiver Wärmeübergang zum Wär- meaustauschfluid realisiert werden.
[20] Weiterhin kann die Aufgabe gelöst werden durch eine Raumhülle, insbesondere ein Gewächshaus, wobei die Raumhülle einen thermischen Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche umfasst, wobei der thermische Wandler insbesondere Wasserdampf rückkondensiert und insbesondere einen befeuchtete Luftstrom wieder der Raumhülle zuführt, wobei die Raumhülle eine Trenneinheit umfasst, welche einen Nutzraum von einem Raum für den thermischen Wandler separiert, wobei die Trenneinheit Öffnungen aufweist, welche einen Austausch von Gasen zwischen Nutzraum und dem Raum für den thermischen Wandler ermöglicht.
[21] Die Raumhülle kann insbesondere als Wohnraum, Fahrzeug, Auto, Zugwagon, Büroraum, Zelt, geschlossene Industrieanlagen, Reinraum und/oder Gewächshaus ausgestaltet sein. Raumhülle kann sämtliche im Wesentlichen geschlossenen Entitäten, welche von Menschen genutzt werden, und im Wesentlichen geschlossen ausgestaltet sind umfassen. Trenneinheit kann insbesondere eine Wand und/oder einen Behälter für den thermischen Wandler umfassen.
[22] Durch die erfinderische Raumhülle können vorteilhafter Weise Entfeuchtungen der jeweiligen Raumluft und/oder des entsprechenden Füllgases erfolgen. [23] In einer erfinderischen Ausgestaltung der Raumhülle kann die Trenneinheit im Wesentlichen isolierend ausgestaltet sein. Dadurch kann vorteilhafter Weise die Verwendung des thermischen Wandlers effektiviert werden.
[24] In einer weiteren Ausgestaltung der erfinderischen Raumhülle kann die Wärmeaustauschplatte im Wesentlich schräg ausgestaltet sein, so dass aufgrund der Gravitation ein Wasserfilm auf der Wärmeaustauschplatte abtropft. Dadurch kann vorteilhafter Weise kondensiertes Wasser ohne zusätzlichen Aufwand vom thermischen Wandler separiert werden.
[25] In einer weiteren Ausgestaltung der Raumhülle kann die Raumhülle eine interne und/oder externe CO2-QUeIIe aufweisen. Dabei können als interne und/oder externe CO2-Quelle insbesondere Gasflaschen oder antro- pogene Quellen, wie insbesondere Abgase aus Kraftwerken und/oder Motoren verwendet werden.
[26] Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch einen Wärmeaustauscher, welcher insbesondere zur Entziehung von Wärme aus einem Gasstrom eingesetzt wird, wobei der Wärmeaustauscher einen Hohlkörper mit einer saugfähigen Kapillarstruktur und einer Gasstromvorrichtung, welche einen thermisch leitenden Kontakt mit dem Hohlkörper ausbildet, eine Flüssig- keit, welche durch die Kapillarstruktur aufsaugbar ist, und einen hier beschriebenen erfinderischen thermischen Wandler umfasst. [27] Die saugfähige Kapillarstruktur ist dabei so ausgestaltet, dass sie für den Flüssigkeitsbestandteil eine Kapillarwirkung realisiert. Dadurch kann vorteilhafter Weise ein elektrostatisch verstärktes Wärmerohr realisiert werden.
[28] In einer Ausgestaltungsform des erfinderischen Wärmetauschers kann der Wärmeaustauscher nach außen wärmeisoliert ausgestaltet sein. Dadurch kann vorteilhafter Weise die Effizienz des Wärmeaustauschers erhöht werden.
[29] In einer weiteren Ausgestaltungsform des Wärmeaustauschers kann der Wärmeaustauscher so ausgestaltet sein, dass ein kondensierter Flüssigkeitsfilm auf der Wärmeaustauschplatte im austauschenden Kontakt mit der Kapillarstruktur steht. Dadurch kann vorteilhafter Weise kondensierte Flüssigkeit durch die Kapillarstruktur dem System wieder zugeführt werden. Somit kann ein permanenter Kreislauf realisiert werden.
[30] Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch einen Sonnenkollektor, welcher einen Strahlungsabsorber mit flüssigkeitsabsorbieren- der/verdampfender Kapillarstruktur, einen Gasraum, eine transparente Eingangsscheibe und einer rückseitigen Wärmedämmung des Strahlungsabsorbers, eine Flüssigkeit und einen hier beschriebenen erfinderischen ther- mischen Wandler umfasst. Dadurch können vorteilhafter Weise effiziente und kleinräumige Wärmeaustausche zur Fluidseite realisiert werden. [31] Als Strahlungsabsorber können insbesondere Materialien verwendet werden, welche durch die Sonne gut aufheizbar sind. Die rückseitige Wärmedämmung kann durch den Sonnenkollektor selbst oder durch die Auflage für den Sonnenkollektor realisiert werden. Weiterhin können als Flüssigkeiten Wasser, Ethanol oder sonstige Flüssigkeiten mit einem hoher Wärmekapazität eingesetzt werden.
[32] In einer Ausgestaltungsform des erfinderischen Sonnenkollektors kann der Sonnenkollektor einen sekundären Flüssigkeitskreislauf umfassen, in welchem die Wärmen des thermischen Wandlers einkoppelbar sind. Somit kann vorteilhafter Weise ein effektiver Sonnenkollektor realisiert werden.
[33] In einer weiteren Ausgestaltung des erfinderischen Sonnenkollektors kann die Wärmedämmung zumindest teilweise transparent ausgestaltet sein und an den transparenten Stellen die Kapillarstruktur ausgespart sein, wodurch Lichtfenster realisierbar sind. Dadurch kann eine natürliche Beleuchtung der Struktur unterhalb des Sonnenkollektors realisiert werden.
[34] In einer weiteren Ausgestaltung des erfinderischen Sonnenkollektors kann die Kapillarstruktur Dochte umfassen, welche kondensierte Flüssigkeit über die Kapillarstruktur verteilt. Dadurch kann vorteilhafter Weise eine homogene Verteilung der Flüssigkeit realisiert werden. Insbesondere kann der Strahlungsabsorber so ausgestaltet sein, dass er gleichzeitig als Kapillarstruktur und als Dochtstruktur funktioniert. [35] Zusätzlich wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wasser aus Luftfeuchtigkeit, wobei die Vorrichtung thermische Wandler und einen umlaufenden Schlauch, welcher die thermischen Wandler verbindet, umfasst, wobei wenigstens zwei oder weitere thermische Wandler vertikal verortet sind. Dadurch kann vorteilhafter Weise ein bestimmter Bereich vom Nebel befreit werden. Durch die vertikale Verortung können insbesondere auch höhere Schichten vom Nebel befreit werden, so dass beispielsweise ein Kraftfahrzeugfahrer oder ein Pilot eine freie Sicht erhalten.
[36] In einer weiteren Ausgestaltung der erfinderischen Vorrichtung kann die Vorrichtung ein Wasserauffangbecken umfassen, wobei der umlaufender Schlauch insbesondere unterhalb des Wasserauffangbeckens verortet ist. Dadurch kann vorteilhafter Weise die Temperatur des Wärmetauschers konstant unter der Taupunkttemperatur der umliegenden Luft gehalten werden.
[37] In einer weiteren erfinderischen Ausgestaltung der Vorrichtung kann der umlaufender Schlauch vor Sonneneinstrahlung geschützt verortet sein. Auch hierdurch kann eine niedrige Temperatur des Wärmetauschers realisiert werden.
[38] Zudem kann die Vorrichtung zum Entnebeln von Orten, insbesondere Straßen, Flughäfen, Tunnel oder sonstigen Orten eingesetzt werden. [39] Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Wirbelkraftwerk zum Erzeugen von rotierendem Wasserdampf, wobei das Wirbelkraftwerk einen Speichersee, insbesondere einen Solarspeichersee, mit heißerer und kühlerer Wasserschicht, welche eine freie Verdunstungsoberfläche aufweist, ei- ne im Wesentlichen spiralförmige Anordnung von thermischen Wandlern, wobei die thermische Wandler so untereinander positioniert sind, dass das aufsteigende Dampf-Luftgemisch in eine Rotation um eine Mittelachse versetzt wird.
[40] Die heißere und kühlere Wasserschicht kann sich insbesondere durch die natürliche Verteilung der Temperatur ergeben. Durch die Verdunstungsoberfläche kann der in Rotation zu versetzende Wasserdampf mit den thermischen Wandlern in Kontakt treten. Die im wesentlichen spiralförmige Anordnung umfasst kreisförmige und/oder exzentrische und/oder ovale Anordnungen, welche so ausgestaltet sind, dass ein rotie- render Wasserdampf entstehen kann.
[41] In einer Ausgestaltung des Wirbelkraftwerkes kann ein zur Verdunstungsoberfläche und im wesentlichen zentral zur Mittelachse ausgerichteter Generator mit Leitkegel vom Wirbelkraftwerk umfasst sein. Dadurch kann insbesondere elektrische Energie durch das Wirbelkraftwerk erzeugt werden. Dabei versetzt der rotierte Wasserdampf den Generator in Rotation, so dass durch den Generator elektrische Energie erzeugt wird.
[42] In einer weiteren Ausgestaltungsform des Wirbelkraftwerks kann das Wirbelkraftwerk eine Rinne zum Aufsammeln kondensierten Wassers umfassen. Damit kann vorteilhafter Weise kondensiertes Wasser gezielt abgeführt werden.
[43] Weiterhin kann das Wirbelkraftwerk als Entsalzungsanlage verwendet werden, wobei die Flüssigkeit im Speichersee Salz- und/oder Meers- wasser umfasst und das kondensierte Wasser in der Rinne entsalztes Wasser umfasst.
[44] Typischerweise können mit dem erfinderischen thermischen Wandler durch den Fachmann folgende Aufgabenstellungen vorteilhaft gelöst werden:
1. Rückgewinnung des Wassers und der Wärmen in wasserdampf gesättigten Luftvoluminas von Gewächshäusern oder Gebäuden aller Art.
2. Der Bedarf an großen Wärmetauschflächen im Mehrstufenverdampfern insbesondere für die Meer- und Brauchwasserentsalzung.
3. Kühler aller Art für Verkehrsmittel
4. Nebelkondensationen bei natürlichen Wetterlagen oder in Kühltürmen und ähnlichen Anlagen und/oder
5. Elektrostatisch angetriebene Kälte-Kompressoren/Wärmepumpen
[45] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführangsbeispielen erläutert. Dabei stellt
Figur 1 die Wirkweise des thermischen Wandlers, Figur 2 eine Modifikation der Wirkweise des thermischen Wandlers,
Figur 3 den Aerosolbildner im Zusammenwirken mit dem thermischen Wandler,
Figur 4,5,6 die Wirkweise des Aerosols als Kühlmittel,
Figur 7 ein Gewächshaus mit Pflanzenbewässerung,
Figur 8 einen Wärmeaustauscher,
Figur 9 einen Wärmeaustauscher, welcher zu einer Wärmepumpe/Kühlmaschine erweitert wird,
Figur 10 einen Sonnenkollektor mit thermischen Wandler,
Figur 11 Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wasser aus Luftfeuchtigkeit zur Entnebelung und
Figur 12 ein Wirbelkraftwerk
dar.
[46] Das Grundprinzip des thermischen Wandlers (im Weiteren ETW (E- lektrostatischer-Thermischer Wandler) bezeichnet) geht aus Figur 1 hervor:
[47] Eine an positiver oder negativer Hochspannung liegende Ionisationsnadel (1) bildet an ihrer Spitze in einem kugelförmigen Raumbereich (2) ein Plasma aus. Die erzeugten positiven oder negativen Luftionen wer- den längs der Feldlinien (4) auf den Wärmetauscher (5) zu beschleunigt, da dieser an das Gegenpotential (- +) oder Masse angeschlossen ist und prallen unter Staudruckbildung auf dessen Oberfläche auf. Der entstehende „Ionenwind" erzeugt einen Injektor-Sog (6), der die sich hinter der Ionisa- tionsnadel befindlichen neutralen Luftmoleküle (8) und Wasserdampfmoleküle (7) aus einem großen Raumbereich heraus in den Ionenwindkanal einsaugt und ebenfalls zur Wärmetauscherplatte (5) transportiert. Die Fläche des Wärmetauschers ist dabei flächenmäßig wesentlich kleiner als der Einfangquerschnitt des Luft-Wasserdampfgemisches, was zu einer räumli- chen Konzentration des Gemisches und damit, nach dem Gesetz von Ber- noulli, zu einer höheren Geschwindigkeit der einzelnen Ionen, Luftmoleküle und Wasserdampfmoleküle führt.
[48] Das auf der Eingangsebene des Wärmetauschers (5) auftreffende Gemisch aus Ionen, Wasserdampfmolekülen und Luftmolekülen bewirkt hier verschiedene Effekte:
1. Die lineare Grenzschicht wird aufgebrochen, was zu einem erheblich verbesserten Wärmetauschkoeffizienten α (W/m2 K) führt. Dadurch wird es möglich, die im Gemisch enthaltenen Wärmen über eine kleine Wärmetauscherfläche (5a) an ein Wärmeträgerfluid (6) ab- zugeben. Die beschriebene elektrostatische Konzentration von Gas-
Ionen- Was serdampfgemischen und ihrer gezielten Lenkung auf eine kleine Wärmetauscherfläche bei gleichzeitiger Aufbrechung der laminaren Grenzschicht, führt zu einem - gegenüber dem Stande der Technik erheblich reduzierter Bedarf an Wärmetauschfläche, und damit zu einer wesentlich günstigeren Ökonomie solcher Systeme, da kleinere Wärmetauscher nicht nur direkt das zu investierende Kapital reduzieren, sondern auch im Gesamtsystem kleinere Bauvolu- mina realisiert werden können. Dies wiederum stellt im Vergleich zum Stande der Technik - beispielsweise bei den verschiedenen Wärmetauschern in hochintegrierten Fahrzeuggeneratoren - einen großen Vorteil dar.
2. Durch Änderung der Spannung zwischen Ionisator und gegenpoliger Wärmetauschplatte kann deren Wärmeübertragungskapazität in weiten Bereichen stufenlos geändert werden. Dies erlaubt erfindungsgemäß die Leistungsregelung von Aggregaten, insbesondere von Wärmekraftmaschinen mit externer Wärmezufuhr, ohne die Zwischenschaltung mechanischer Getriebe.
3. Durch den Aufprall der im elektrischen Felde beschleunigten Gas- Ionen, Gas-Moleküle und Flüssigkeitsmoleküle wird eine mechanische Schwingung durch die Wärmetauscherwand hindurch verursacht, die dazu führt, dass auch der α-Wert des Wärmeträgerfluids im Inneren des Wärmetauschers gegenüber der Innenwand vergrö- ßert wird. Dieser experimentell überraschende verifizierte Befund beruht auf der Zerstörung der inneren laminaren Grenzschicht durch Mikroschwingungen. 4. Wie aus Figur 2 hervorgeht, werden Wassermoleküle (7), nicht wie die Luftmoleküle (8) im elektrischen Feld ionisiert, sondern polarisiert. Dies fuhrt dazu, dass solche polarisierten Wassermoleküle, die sich im näheren Einzugsbereich der Spitze des Ionisators (1) befin- den, zu dieser hin beschleunigt werden (9), während solche, die aufgrund des Injektorsoges des Ionenwindes (6) weit genug von der Spitze entfernt sind (9a), im Ionenwind mitgerissen werden -und auf den Wärmetauscher auftreffen.
5. Da wie bereits erläutert aufgrund des Bernoulli - Effektes und der beschleunigenden Feldkräfte sowohl die Wassermoleküle des Typs
(9) als auch die des Typs (9a) mit vergrößerter Geschwindigkeit auf die Ionisationsnadel (1) oder den Wärmetauscher (5) prallen, erzeugen sie hier einen dynamischen Staudruck. Dieser wiederum führt zu einer lokalen Dichteerhöhung der Taupunkttemperatur im Vergleich zur Taupunkttemperatur des Wasserdampf -Luftgemisches im Volumen, das dem Ionisator vorgelagert ist. Dies bedeutet, dass sowohl an der Ionisationsnadel (1) als auch am Wärmetauscher (5) die Wasserdampfmoleküle zu Wasser (10) kondensieren. Der beschriebene erfindungsgemäße Effekt, der sich durch Variation der Feldstärke steuern lässt, wirkt als elektrostatische Wärmepumpe. Die in klassischen Wärmepumpen durch mechanische Kompressoren bewirkte Arbeit wird hier durch den Staudruck von feldbeschleunigten Wassermolekülen bewirkt. [49] Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit des ETW ist in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellt.
[50] In Figur 3 ist im Raum vor den Ionisatoren (1) eine Anordnung dargestellt, bei der typischerweise das Wasser in einem offenen flachen Be- hälter durch einen Piezo-Schwinger (12) vernebelt wird. Die entstehenden kalten Aerosoltröpfchen (13) fallen unter Einwirkung der Schwerkraft in den darunter liegenden Raum (14) , wo sie sich mit den dort befindlichen Luftmolekülen (8) und Wasserdampfmolekülen (7) durchmischen und anschließend, wie beschrieben, vom Injektorsog (6) mit hin zum Wärmetau- scher (5) gezogen werden oder teilweise, wie die Wasserdampfmoleküle, auf der Ionisationsnadel landen.
[51] Der Piezoschwinger (12) steht hier nur exemplarisch für alle bekannten Arten der Wasservernebelung und kann beispielsweise äquivalent durch Sprühdüsen ersetzt werden.
[52] Wie aus Figur 4 hervorgeht, stellen die Aerosoltröpfchen in ihrer Gesamtheit in Bezug auf die umliegenden Gas- und Wasserdampfmolekülen einen Wärmetauscher extrem großer Oberfläche und sehr großer Wärmekapazität dar. Liegt, wie in Figur 4 dargestellt, die Temperatur der Aerosoltröpfchen unterhalb der Temperatur der umliegenden Moleküle, so findet, wie durch die Pfeile (15) symbolisiert, ein positiver Wärmeenergie- und Stofftransport zu den Aerosoltröpfchen hin statt. Dies bedeutet, dass einerseits die in den Gasmolekülen transportierte Wärme äußerst effektiv auf die Aerosoltröpfchen übertragen wird und andererseits, wie aus Figur 5 hervorgeht, die Wasserdampfmoleküle (7) auf der kühleren Oberfläche des Aerosoltröpfchens (13) kondensieren und dieses hiermit im Volumen vergrößern (13a) und dabei auch ihre Latentwärme an das Aerosoltröpfchen abgeben.
[53] In Figur 6 ist dargestellt, dass für den Fall, dass die Aerosoltröpfchen eine höhere Temperatur als die umgebenden Luft- (8) und Wassermoleküle (7) haben, der durch (16) symbolisierte Wärmeenergie- und Stoffstrom von innen nach außen zeigt. Dies bedeutet, dass einerseits die Luft- und Wassermoleküle sehr effektiv erwärmt werden, andererseits der relati- ve Wassergehalt der Luft steigt, das das ursprüngliche Wasser- Aerosoltröpfchen durch Verdunstung vom Anfangvolumen (13) auf das kleinere Volumen (13b) schrumpft.
[54] Durch das beschriebene Einbringen von (Wasser-) Aerosolen in den Prozessraum des ETW können also erfindungsgemäß grosse Mengen von fühlbaren und latenten Wärmen sowie Flüssigkeiten effektiv getauscht werden. Da das entstehende Gemisch von Molekülen und Aerosolen durch die Wirkung des elektrostatischen Feldes und/oder des durch den Ionenwind erzeugten Injektorsoges entweder am Wärmetauscher (5) oder auf den Ionisationsnadeln (1) landet und hier in kompakter, steuerbarer Weise Wärme und kondensierende Flüssigkeit abgibt, stellt der ETW einen neuartigen Wandler dar, der vielfältige Aufgabenstellungen im Bereiche der Luft/Gas Wärmetauscher, der Flüssigkeitskondensatoren, der Wärmepumpen und kombinierter Effekte auf vorteilhafte Weise zu lösen imstande ist. [55] Im Folgenden sind einige typische Anwendungsmöglichkeiten des ETW beschrieben.
[56] In Figur 7 ist eine ETW - Anordnung dargestellt, die im Inneren eines Gewächshauses (17) den von den Pflanzen (19) durch Transpiration erzeugten Wasserdampf (19a) rückkondensiert und dabei gleichzeitig den entfeuchteten Luftstrom (19c) wieder in den Pflanzenraum rückführt.
[57] Der von der Sonnenstrahlung (18) induzierte Verdunstungsprozess führt dabei zuerst zu einer konvektiven Aufwindströmung (19b) der warmen, feuchtigkeitsgesättigten Luft. Diese strömt über die Kante einer wär- meisolierenden Trennplatte (20), wo sie in den Bereich des Injektorsogs der bereits beschriebenen Ionisator (1) - Wärmetauscher (5) Anordnung kommt. Hinter der Trennplatte (20), oberhalb der Ionisator - Wärmetauscheranordnung befindet sich der ebenfalls bereits beschriebene Aerosolbildner, der aus einer flachen Wasserschüssel (11) sowie einem Piezo - Schwinger (12) besteht und feine Wasser - Aerosol - Partikel (13) erzeugt, die im Schwerfeld nach unten fallen und sich mit der feuchten Luft des Aufwindstromes (19b) vermischen. Dabei wird, wie beschrieben, die Luftwärme und die Latentwärme der auf der Oberfläche des kühleren Aerosoles kondensierenden Dampfmoleküles an dieses abgeben. Wie ebenfalls beschrieben, gerät anschließend das Aerosol - Luftionen - Luftmolekül - Gemisch in den Ionenwind - Sogbereich der Anordnung (1), (5).
[58] Am Wärmetauscher (5) schlagen sich die Aerosoltröpfchen als feiner Wasserfilm nieder (5a), der anschließend unter Schwerkraftwirkung von der schräggestellten Wärmetauscherplatte (5) abtropft (5b) und durch einen Spalt in der Trennplatte (20) dem Pflanzenraum wieder zur Verfügung gestellt wird.
[59] Wie weiterhin bereits beschrieben, werden neben der Wasserab- Scheidung die im Ionenwind enthaltenen Wärmen und latenten Wärmen besonders effektiv an das in (5c) in den Wärmetauscher einströmende Fluid und bei (5d) austretende Fluid abgegeben. Die auf diese Weise dem Gewächshaus entzogene Wärme begünstigt nicht nur die temperaturabhängige Photosynthese, sondern kann in einem Wärmespeicher zwischenge- speichert werden, um - typisch - in kalten Nächten über geeignete großflächige Wärmetauscher den Pflanzenraum auf optimale Temperaturen zu heizen.
[60] Die beschriebene ETW - Anordnung ist für Gewächshäuser in ariden Gebieten von besonderer Bedeutung, da sie erlaubt, das Wasser zu regenerieren (und somit nur geringe Mengen zum Einbau in den Pflanzen- körper benötigt) und gleichzeitig zu einer Klimatisierung des Gewächshauses führt. Idealerweise ist hierbei das Gewächshaus hermetisch dicht. Dies macht eine periodische Zugabe von CO2 erforderlich, die entweder aus Gasflaschen, besser aus anthropogenen Quellen (Abgase aus Kraftwerken, Motoren) oder direkt aus der Umgebungsluft ausgefilterten CO2 bestehen kann. [61] Grundsätzlich kann das in Figur 7 dargestellte Gewächshaus ETW - Prinzip auf alle Arten von geschlossenen Raumhüllen wie beispielsweise Wohnräume, angewandt werden.
[62] In Figur 8 Ist ein Wärmeaustauscher dargestellt, bei dem einem Heißluft (- Gas-) -Strom durch konsequente Anwendung des ETW - Prinzips besonders effektiv und raumsparend die Wärme entzogen wird.
[63] Dabei stellen (1), (5) die Ionisator - Wärmetauscheranordnung dar, die sich im Inneren eines beispielsweise zylindrischen Hohlkörpers (21) befindet, dessen inneren Wände mit einer saugfähigen Kapillarstruktur (21a) versehen sind. Rund um den Hohlkörper herum verläuft ein Ringspalt (22) durch den die heiße abzukühlende Luft unter Wärmeabgabe an die Kapillarstruktur (21a) strömt. Die gesamte Anordnung ist nach Außen hin gut wärmegedämmt (22a).
[64] Die in der Kapillarstruktur (21a) gebundene Flüssigkeit verdampft, indem sie dem Heißluft - (Gas -) Strom Wärme entzieht. Der Dampf kommt im oberen Bereich der Anordnung in den Einflussbereich des vom Ionenwind erzeugten Injektorsoges (6) und trifft auf den Wärmetauscher (5) auf, auf dessen Oberfläche er seine fühlbare und latente Wärme wie bereits beschrieben besonders effizient an das Wärmetauschermedium ab- gibt und kondensiert. Das Kondensat (5b) gelangt auf die Kapillarstruktur (21a) aus der es wiederum verdampft wird. Das Hauptmerkmal dieses ETW - Wärmeaustauschers besteht wiederum in dem Effekt, die über einen großen Raumbereich „diffus" verteilte Wärme über eine „elektrostati- sehe Linse" auf einen kleinen Wärmetauscher zu konzentrieren, hier auf der Außen- und Innenseite die laminaren Grenzschichten aufzubrechen und das kondensierte Fluid wiederum dem Kreislauf zuzuführen. Insofern könnte nun diese Anordnung auch als „elektrostatisch verstärktes Wärme- röhr" bezeichnen. Die Wahl des Fluiden wird hier, analog zur bekannten Wärmerohrtechnik, in Funktion der Prozesstemperaturen gewählt.
[65] In Figur 9 ist schematisch dargestellt, wie der in Figur 8 dargestellte Wärmeaustauscher zu einer Wärmepumpe/Kühlmaschine erweitert wird. Bei der skizzierten Variante zur Raumkühlung wird die Oberfläche des Hohlkörpers (zylindrisch, plattenförmig, sonstige Geometrien) direkt von der warmen, zu kühlenden Luft (24) umströmt, die unter Wärmeabgabe das in der Kapillarstruktur enthaltene Kältemittel verdampft. Der Dampf gelangt, analog zum Wärmeaustauscher der Figur 8 in den Injektorsog des Ionenstroms (6). Der auf diese Weise im Ionenstrom zwischen Ionisations- spitze (1) und Wärmetauscher (5) mitgerissene Kühlmitteldampf wird durch 3 Zusatzmaßnahmen auf besonders grosse Geschwindigkeit beschleunigt:
1. Der Wärmeaustauscher wird in seiner Größe so gewählt, dass der Ionen- Kühlmittel - Dampfstrom einen kleinstmöglichen Quer- schnitt und damit die Ionen und Kältedampfmoleküle eine größtmögliche Geschwindigkeit erhalten.
2. Das Spannungspotential zwischen (1) und (5) größtmöglich gewählt wird, so dass auch dies zu einer Geschwindigkeitserhöhung beiträgt. 3. Zylindrisch um den Kältemittel - Ionenstrom eine Magnetlinse (23) angebracht wird. Die rotationssymmetrischen Magnetfelder (typischerweise durch eine stromdurchflossene Spule erzeugt) wirken auf geladene Teilchen in der Nähe der Feldachse fokussierend. Auch dies führt gemäss dem Bernoulli - Gesetz zu einer Erhöhung der
Geschwindigkeit der betroffenen Partikel.
[66] Die hohe Geschwindigkeit der Partikel wiederum führt zu einem großen dynamischen Druck (Staudruck) beim Aufprall auf den Wärmetauscher. Die Kompression der Moleküle durch diesen Staudruck entspricht prinzipiell der Wirkung klassischer mechanischer Kompressoren. Die bedeutet, dass im Staudruckbereich sich die Dampfdichte sowie Temperaturen erhöhen und der Dampf bei erhöhten Wärmetauschtemperaturen unter Produktion von Nutzwärme kondensiert.
[67] Die beschriebene Variante des ETW- Wärmeaustauschers - als Wär- mepumpe / Kältemaschine kann aus den geschilderten Gründen als „elektrostatische Wärmepumpe" bezeichnet werden.
[68] Der Vorteil gegenüber klassischen Wärmepumpen liegt hierbei in der prinzipiellen Verschleißfreiheit des „elektrostatischen Staudruckkompressors", seiner Regelbarkeit in weiten Bereichen sowie der inhärent ge- gebenen besseren Wärmetauschkapazität des Wärmeaustauschers.
[69] Eine weitere typische Anwendungsart des ETW ist in Figur 10 dargestellt. Dabei stellt (25) einen Sonnenkollektor dar, dessen mattschwarzer Strahlungsabsorber (25a), der gleichzeitig eine flüssigkeitsabsorbierende / verdampfende Kapillarstruktur darstellt, von der durch die transparente Eingangsscheibe (25d) tretenden Solarstrahlung (26) erhitzt wird. Der auf seiner Rückseite gut wärmegedämmte (25c) Strahlungsabsorber verdampft das von ihm absorbierte Fluid (Wasser, Ethanol o.a. dem gewünschten Temperaturniveau angepasstes Fluid) und führt durch die bereits geschilderte „elektrostatische Linse" (1), (5) einem kompakten Flüssigkeitswärmetauscher zu, der die im Gasraum enthaltenen Wärmen in einen sekundären Flüssigkeitskreislauf (Wasser, Thermoöl, ähnliches - je nach gewähl- tem Temperaturniveau des Sonnenkollektors) einkoppelt.
[70] Im Vergleich zu bekannten Warmluftkollektoren besteht der Vorteil dieser ETW - Variante vor allem im effizienten und kleinräumigen Wärmetausch zur Fluidseite hin.
[71] Dasselbe Prinzip lässt sich besonders vorteilhaft als Groß - Sonnen- kollektor, der typischerweise ganze Gebäudefassaden abdecken kann, realisieren. In diesem Falle kann die Wärmeisolation (25c) besonders vorteilhaft von einer Transparenten Wärmedämmung wahrgenommen werden, was bei entsprechenden Aussparungen der sich in diesem Falle auf einer Glasplatte angebrachten Kapillarstruktur auch zur gleichzeitigen Realisie- rung von Lichtfenstern führt. Der Rest der Oberfläche wird durch Bedrucken oder Auflegen einer Folie strahlungsundurchlässig.
[72] Um ein sofortiges Wiederverdampfen des auf (5) kondensierten Flüssigkeitsdampfes in den ersten, sich anschließenden Schichten der Ka- pillarstraktur zu verhindern, tropft das kondensierende Fluid auf spezielle, hinter der Kapillarstruktur angebrachte Dochte, die es gezielt über die ganze Kapillarstrecke verteilen.
[73] Die Figur 11 zeigt eine Anordnung des ETW zur Rückgewinnung von Luftfeuchtigkeit als Wasser. Dabei sind die bereits beschriebenen Ionisator (1) - Wärmetauscher (5) Einheiten vertikal in den Luftraum über den Boden reichend, ähnlich wie ein hoher Doppelzaun angeordnet. Die Wärmetauscher (5) sind dabei, wie nur in der untersten Anordnung gezeichnet, mit einem umlaufenden Schlauch (5e) verbunden, der teilweise unterhalb des Wasserauffangbeckens (5f) oder eines nicht im Sonnenlicht liegenden Geländestückes verläuft. Auf diese Weise kann die Temperatur der Wärmetauscher konstant unter der Taupunkttemperatur der umliegenden Luft liegen.
[74] Die beschriebene ETW - Anordnung zur Entfeuchtung von Außen- luft unter aktiver Rückgewinnung von Wasser kann ebenfalls vorteilhaft zur Entnebelung von Strassen, Flügplätzen und sonstigen Orten, bei denen freie Sicht eine wichtige Rolle spielt, eingesetzt werden. Wie bereits in Figur 3 dargestellt, werden auch die kleinen Wassertröpfchen des Nebels über die Injektorwirkung des Ionenwindes entweder hin zum Wärmetau- scher oder den Ionisationsnadeln befördert, wo sie als Nutzwasser abtropfen. Im Gegensatz zu Wasserdampf, der nur zu Wasser zurückkondensiert, wenn die Temperatur des Kondensators den durch Temperatur und Dichte definierten Taupunkt unterschreitet, werden die durch das E-FeId einge- fangenen Wasser-Aerosoltröpfchen auch bei höheren Temperaturen zu einem, in der Folge vom Wärmetauscher abtropfenden, Wasserfilm.
[75] Die beschriebenen, erfindungsgemäßen Varianten der ETW stellen lediglich eine typische Auswahl des Anwendungsspektrums dar.
[76] Das ETW kann in der einen oder anderen beschriebenen Variante oder in der Kombination seiner Wirkungen vorteilhaft in praktisch allen Systemen eingesetzt werden, bei denen der effiziente Wärmetausch, die Kondensation und der Niederschlag von Flüssigkeitsdämpfen oder Aerosolen, die Kompression von Dämpfen und Gasen eine Rolle spielen und bei denen aus ökonomischen und technischen Gründen kleine Baumasse von Bedeutung sind. Insofern bietet das ETW - Prinzip dem technisch Kundigen gute Möglichkeiten zur Verbesserung und Optimierung bestehender Systeme.
[77] Mit dem ETW - Prinzip können jedoch auch, wie schon in Figur 7 dargestellt, neue Systemvarianten (geschlossener Gewächshauskreislauf) realisiert werden, die mit konventionellen Mitteln kaum oder nur sehr umständlich realisierbar sind.
[78] Eine besonders spektakuläre ETW - Anwendung ist durch die Erzeugung eines kleinräumigen stationären Tornados zur Erzeugung elektri- scher Energie und/oder gleichzeitiger Meerwasserentsalzung gegeben. Natürliche tropische Wirbelströme (Tornados) beziehen ihre Energie aus dem von der Sonne auf über 26°C erwärmten Meerwasser. Die anschliessende komplexe Wechselwirkung zwischen den aufsteigenden warmen und was- serdampfgesättigten Luftmassen, ihrer Kondensation in großer Höhe, den resultierenden Konvektionsströmungen und der, ab einer kritischen Größe durch die Corioliskraft erzeugten Rotation des Gesamtsystems, erzeugen ein System gewaltiger, jedoch zerstörerischer Kräfte. David Daudrich beschreibt in seinem Buch „Der tropische Wirbelsturm und das Wirbelkraftwerk" (ISBN 978-932805-53-0), First Minute, Taschenbuchverlag, 2007, wie durch Kombination eines solaren Heißwasserspeichers und verschiedene technische Baumassnahmen, wie Leitschaufeln zur Rotationserzeu- gung und einen Aufwindkamin, ein stationärer Wirbelsturm mit integriertem Stromgenerator erzeugt werden kann.
[79] In Figur 12 stellt schematisch einen solaren Speichersee (27) mit freier Verdunstungsoberfläche, heißer oberer (27a) und kühlen unterer Wasserschicht dar (27b). Im definierten Abstand oberhalb dieser Wasser- fläche befindet sich mindestens eine spiralförmige Anordnung von Ionisatoren (1) und Wärmetauscherplatten (5). Die Ionisationsnadeln und ihre zugehörigen Wärmetauscher weisen gegenüber der Ebene des Wassers schräg nach oben und sind so untereinander positioniert, dass sie das aufsteigende Dampf (7) - Luft (8) - Gemisch in eine Rotation um die Mit- telachse (M) versetzen. Der von (1) nach (5) mit der ionisierten Luft mitbeschleunigte Wasserdampf kondensiert auf dem Wärmetauscher (5), der vom kühlen Wasser des Solarspeicherteiches (27b) durchflössen wird. Das kondensierte Wasser wird in der Rinne (28) gesammelt und als entsalztes Wasser (wenn der solare Speichersee (27) mit Salzwasser gefüllt ist) der Nutzung zugeführt. Zentral im definierten Abstand über der Wasseroberfläche befindet sich der Turbogenerator mit anschließendem Leitkegel (29). Die bei klassischen Aufwindkonstraktionen nötige Bauhöhe zur Erzeugung des Soges und als Begrenzung der aufsteigenden Luftsäule wird im Falle des ETW - Tornados durch den Injektorsog (6) der Ionisatoren sowie den durch diese erzeugtem Rotationsmoment ersetzt. Dies erlaubt kleinere, niedrigere, kompaktere Anlagen. Die Wärme des rückkondensierten Wassers wird über den Wärmetauscher (30) in die entsprechende Schicht (27c) des Wärmespeichers zurückgeleitet.

Claims

Patentansprüche :
1. Thermischer Wandler insbesondere zum Wärmeaustauschen mit Flüssigkeits-Gasgemischen, wobei der thermische Wandler ein Ionisationsmittel, insbesondere eine metallische Spitze, und einen Wär- metauscher umfasst, wobei dem Ionisationsmittel und dem Wärmetauscher ein Hochspannungspotential mit einem elektrischen Feld aufprägbar ist, welches aufgeprägt an dem Ionisationsmittel ein Plasma mit geladenen Gasmolekülen ausbildet, wobei diese geladenen Gasmoleküle zum Wärmetauscher beschleunigt werden, so dass ein Sog und somit ein Ionen- Dampfstrom entsteht, welcher Moleküle aus mit dem thermische Wandler im Eingriff stehendes Flüssigkeits-Gasgemisch dem Wärmetauscher insbesondere auf eine Wärmetauschplatte beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Wandler ein Wärmeaustauschfluid, insbesondere als Kühlflüssigkeit ausgestaltet, umfasst, welches mit dem Wärmetauscher im wärmeaustauschenden Kontakt steht.
2. Thermischer Wandler nach Ansprach 1, wobei der Wärmetauscher so ausgestaltet ist, dass das Wärmeaustauschfluid den Wärmetauscher durchfließt.
3. Thermischer Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei dem Flüssigkeits- Gasgemisch eine weitere Temperierflüssigkeit insbesondere eine Kühlflüssigkeit zugeführt wird.
4. Thermischer Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der thermische Wandler eine Vernebelungsvorrichtung umfasst, welche die TemperierfLüssigkeit in ein Aerosol überführt.
5. Thermischer Wandler nach Anspruch 4, wobei die Vernebelungsvor- richtung einen Behälter mit einem Piezoschwinger umfasst.
6. Thermischer Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Temperierflüssigkeit als Kühlmittel ausgestaltet ist und die Vernebelungsvorrichtung so angebracht ist, dass die Gravitation eine Mischung des Aerosols mit dem Flüssigkeits- Gasgemisch realisiert.
7. Thermischer Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Temperierflüssigkeit als Heizmittel ausgestaltet ist und die Vernebelungsvorrichtung so angebracht ist, dass die Thermik eine Mischung des Aerosols mit dem Flüssigkeits- Gasgemisch realisiert.
8. Thermischer Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der thermische Wandler Beschleunigungsmittel umfasst, welche zu einem höheren Staudruck der Moleküle an dem Wärmetauscher führen.
9. Thermischer Wandler nach Anspruch 8, wobei der Wärmetauscher in seiner Größe so ausgestaltet ist, dass ein Ionen- Temperiermittel- Dampfstrom einen kleinstmöglichen Querschnitt aufweist.
10. Thermischer Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Hochspannungspotential einstellbar ist.
11. Thermischer Wandler 1 nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der thermische Wandler eine Magnetlinse umfasst.
12. Thermischer Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Wärmeaustauschplatte so ausgestaltet ist, dass eine mechanische Schwingung, welche durch die Beaufschlagung auf die Wärmetauscherwand entstehen, zu einer Abnahme des α- Wertes des Wär- meaustauschfluids führt.
13. Raumhülle, insbesondere ein Gewächshaus (17), wobei die Raumhülle einen thermischen Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche umfasst, wobei der thermische Wandler insbesondere Wasserdampf (19a) rückkondensiert und insbesondere einen entfeuchteten Luftstrom wieder der Raumhülle zufuhrt, wobei die Raumhülle eine Trenneinheit (20) umfasst, welche einen Nutzraum von einem
Raum für den thermischen Wandler separiert, wobei die Trenneinheit (20) Öffnungen aufweist, welche einen Austausch von Gasen zwischen Nutzraum und dem Raum für den thermischen Wandler ermöglicht.
14. Raumhülle nach Ansprach 13, wobei die Trenneinheit im Wesentlichen isolierend ausgestaltet ist.
15. Raumhülle nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei die Wärmeaustauschplatte (5) im Wesentlichen schräg ausgestaltet ist, so dass aufgrund der Gravitation ein Wasserfilm auf der Wärmeaustauschplatte (5) abtropft.
16. Raumhülle nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Raumhülle eine interne und/oder externe CO2-Quelle aufweist.
17. Wärmeaustauscher, welcher insbesondere zur Entziehung von Wärme aus einem Gasstrom eingesetzt wird, wobei der Wärmeaustauscher einen Hohlkörper (21) mit einer saugfähigen Kapillarstruktur (21a) und einer Gasstromführvorrichtung (22, 24), welche einen thermisch leitenden Kontakt mit dem Hohlkörper ausbildet, eine Flüssigkeit, welche durch die Kapillarstruktur (21a) aufsaugbar ist, und einen thermischen Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12 umfasst.
18. Wärmeaustauscher nach Anspruch 17, wobei der Wärmeaustauscher nach Außen wärmeisoliert ausgestaltet ist.
19. Wärmeaustauscher nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Wärmeaustauscher so ausgestaltet ist, dass ein kondensierter Flüssigkeitsfilm auf der Wärmeaustauschplatte (5) im austauschenden Kontakt mit der Kapillarstruktur (21a) steht.
20. Sonnenkollektor (25), welcher einen Strahlungsabsorber (25a) mit flüssigkeitsabsorbierender/verdampfender Kapillarstruktur, einen Gasraum, eine transparente Eingangsscheibe (25d) und einer rückseitigen Wärmedämmung (25c) des Strahlungsabsorbers (25a), eine Flüssigkeit und einen thermischen Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12 umfasst.
21. Sonnenkollektor (25) nach Anspruch 20, wobei der Sonnenkollektor (25) einen sekundären Flüssigkeitskreislauf umfasst in welchem die Wärmen des thermischen Wandlers eingekoppelt werden.
22. Sonnenkollektor (25) nach einem der Ansprüche 20 oder 21, wobei die Wärmedämmung (25c) zumindest teilweise transparent ausges- taltet ist und an den transparenten Stellen die Kapillarstruktur ausgespart ist, wodurch Lichtfenster realisierbar sind.
23. Sonnenkollektor (25) nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Kapillarstruktur Dochte umfasst, welche kondensierte Flüssigkeit über die Kapillarstruktur verteilt,
24. Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wasser aus Luftfeuchtigkeit, wobei die Vorrichtung thermische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und einen umlaufenden Schlauch (5e), welcher die thermischen Wandler verbindet, umfasst, wobei wenigstens zwei oder weitere thermische Wandler vertikal verortet sind.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Vorrichtung ein Wasserauffangbecken (5f) umfasst, wobei der umlaufende Schlauch (5e) insbesondere unterhalb des Wasserauffangbeckens (5f) verortet ist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 oder 25, wobei der umlaufende Schlauch (5e) vor Sonneneinstrahlung geschützt verortet ist.
27. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26 zum Entnebeln von Orten, wobei insbesondere Straßen, Flughäfen,
Tunnel oder sonstige Orte umfasst sind.
28. Wirbelkraftwerk insbesondere zum Erzeugen von rotierendem Wasserdampf, wobei das Wirbelkraftwerk einen Speichersee (27) umfasst, insbesondere einen solar gespeisten Speichersee, mit heißerer (27a) und kühlerer (27b) Wasserschicht, welcher eine freie Verduns- tungsoberfläche umfasst, eine im Wesentlichen spiralförmige Anordnung von thermischen Wandlern nach einem der Ansprüche 1 bis 12 umfasst, wobei die thermischen Wandler so unter einander positioniert sind, dass das Aufsteigende Dampf- (7) Luftgemisch (8) in eine Rotation um eine Mittelachse (M) versetzt wird.
29. Wirbelkraftwerk nach Anspruch 28, wobei das Wirbelkraftwerk einen beabstandet zur Verdunstungsoberfläche und im Wesentlichen zentral zur Mittelachse (M) ausgerichteten Generator mit Leitkegel (29) umfasst, wodurch elektrische Energie erzeugbar ist.
30. Wirbelkraftwerk nach Anspruch 28 oder 29, wobei das Wirbelkraftwerk eine Rinne (28) zum Aufsammeln kondensieren Wassers umfasst.
31. Verwendung des Wirbelkraftwerks nach Anspruch 30 als Entsalzungsanlage, wobei die Flüssigkeit im Speichersee (27) SaIz- und/oder Meerwasser umfasst und das kondensierte Wasser in der Rinne 28 entsalztes Wasser umfasst.
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