Vom Wirbel zur reversiblen Thermodynamik
von Lothar Rohling

[Kategorie "Fluidmotor"]   [Erster Teil]   [Zweiter Teil]   [Dritter Teil]   [Vierter Teil]   [Fünfter Teil]   [Sechster Teil]   [Literatur]

<| Zurück Vor |>

Dritter Teil

Elementare Rechnungen zeigen die Übereinstimmung mit der Theorie des Wirbelrohres, daß jeweils die dem Kaltluftanteil entzogene Wärmemenge dem Heißluftanteil zugeschlagen wird, so daß die Temperatur der zusammengeführten und gemischten Heiß- und Kaltluftanteile so groß wird wie die Kesseltemperatur, was auch dem grundlegenden "Joule-Kelvinschen" Überströmversuch [12] entspricht.

Das Wirbelrohr diente dem Verfasser sozusagen dazu, als Miniaturmodell eines MW, Messungen zu ermöglichen, um die physikalischen, d.h. die mechanischen, stofflichen hydro- und thermodynamischen Abläufe besser zu erkennen und dazu, die Richtigkeit seiner theoretischen Hypothesen im Experiment prüfen zu können und reproduzierbar zu beweisen.

Obwohl es sehr gewagt erscheint, Vorgänge in der Atmosphäre, die sich über Durchmesser von 5m bis 1x106 m erstrecken, mit einer Höhe von 1x102 m bis 1,5x104 m, in einem Gebilde mit einem Durchmesser von ca. 8x 10-3 m messen und erkennen zu wollen, spricht die Ähnlichkeitstheorie dafür, aus der hervorgeht, daß weniger die absolute Größe eines hydrodynamischen Modells eine Rolle spielt als die relativen Größen der charakteristischen Maße [13]. Dies gilt im übrigen auch für die Wärmeleitvorgänge [14].

Das Ergebnis des Versuches ist eine neue Erfahrung, die nicht mit dem "Erfahrungssatz", dem II. Hauptsatz der Thermodynamik zu vereinbaren ist.

Versuchsbeschreibung:

Technische Daten: Wirbelrohr Mod. I (Laborgröße)
Wirbeldurchmesser im Generator: 8,1 mm
Wirbelhöhe: 1,2 mm
Wirbelrohrdurchmesser: 5,5 mm
Einströmdüsendurchmesser: 0,83 mm x 6 (tangential)
Einströmmenge bei 7 bar Luft: 13 Nm3/h lt. Herstellerangabe
Kaltluftdüse (Blende): 2,45 mm Durchmesser

Es wurden einige Vorversuche gefahren, bei denen festgestellt wurde, daß der "Generator" mit 8 mm Wirbelrohrdurchmesser und dem größten Mengendurchsatz die besten Ergebnisse brachte. Zur Messung der Gasmengenströme sowie deren Feuchtigkeit fehlten die Hilfsmittel.

Für die Temperaturmessungen stand ein Sekundenthermometer der Fa. Altstädter mit einem ca. 140 mm langen Meßfühler, der einen Durchmesser von nur 1,5 mm besitzt, zur Verfügung. In dessen Spitze befindet sich ein Thermistor. Das Gerät besitzt eine Digitalanzeige und ist in Grad Celsius geeicht. Die Meßgenauigkeit wird mit 0,1 Grad angegeben.

Um reproduzierbare Werte zu erhalten, wurde die Drossel am Warmluftstromausgang wie folgt geeicht: Öffnen, bis der Luftstrom gerade hör- und fühlbar einsetzt. Dieser Punkt ist der Nullpunkt und wird markiert. Die weitere Drehung wird jeweils bei 90, 180, 270 und 360 Winkelgraden geeicht. Bei etwas über 360 Grad löst sich die Rändelschraube aus dem Gewinde.

Bei den Vorversuchen wurde gemessen, daß die Temperaturabsenkung im Zentrum des Wirbels erheblich größer ist als dies am Kaltluftausgang festgestellt werden kann. Natürlich ist durch den Meßfühler eine Meßbeeinflussung vorhanden, da die zusätzlichen Reibungskräfte in der Strömung diese abbremsen.

Außerdem konnte bestätigt werden, daß bei Benutzung des Edelgases Argon aus einer Gasflasche über ein 2-stufiges Reduzierventil die Abkühlungsrate im Wirbel wie vermutet merklich größer ist. Wir verweisen deshalb auch auf eine später recherchierte Untersuchung von Elser und Hoch [17], welche die Abkühlungsrate in einem Wirbelrohr bei verschiedenen Gasen untersuchten und zu dem gleichen Ergebnis kommen, wenn auch bei größerem Arbeitsdruck, obwohl die Gasreibung bei Edelgasen erheblich größer ist als bei Luft.

Im Unterschied zur klassischen Anwendung des Wirbelrohrs wurde

1. ein Edelgas benutzt,
2. die Trennung in zwei Gasströme (kalt+warm) aufgehoben, der kalte Ausgang wurde mit einem für den Temperaturfühler durchbohrten Gummistopfen dicht verschlossen,
3. die Temperaturmessung erfolgte im Gasstrom des Wirbels und nicht nur an der Außenwandung des Metallrohres,
4. die Drossel wurde nur sehr geringfügig geöffnet (90 Grad), so daß dort ein erheblicher Gegendruck über den atmosphärischen Gegendruck der Luft hinaus im Betrieb auftritt,
5. der Arbeitsdruck wurde mit 1,8 bar, gemessen am Reduzierventil der Argonflasche, sehr niedrig eingestellt,
6. das, was man für den praktischen Gebrauch des Wirbelrohres peinlich unter erheblichem Geräteaufwand vermeidet, nämlich die Feuchtigkeit, wurde bewußt heraufgesetzt.

Das Argongas durchlief einen hermetisch verschlossenen Wasserbehälter, bevor das Gas zum "Generator" geführt wurde. Die Verdunstungsgeschwindigkeit konnte dabei durch externe Heizung vergrößert werden, da der Aufbau eines fachgerechten Verdunsters für Raumtemperatur vorerst zu aufwendig gewesen wäre, ohne daß dadurch die Oberflächentemperatur des Wassers die Umgebungstemperatur übertraf (Verdunstungskälte).

Diagramm 3 zeigt die Versuchsergebnisse.

Der Temperatur-Verlauf I wurde mit trockenem Argon durchgeführt; der Wasserbehälter war noch nicht gefüllt. Die niedrigste Temperatur tritt im "Auge" des Wirbels auf und beträgt -8,3°C. Die Zulauftemperatur, bedingt durch die 2-stufige Entspannung, betrug 12°C an der Meßstelle (Mg). Der Anstieg der Austrittstemperatur an der Meßstelle Mw auf 40,45°C ist durch das Einströmen von Umgebungswärme im Bereich des Wirbelgehäuses, bedingt durch eine Temperaturdifferenz von 19,8°C zu -8,3°C, d.h. ΔT=- 28,1°C in Verbindung mit der kleinen Durchsatzmenge bei 0,8 bar Überdruck und großem Drosselwiderstand sowie der geringen Wärmekapazität des Edelgases im Vergleich zu Luft bei dem durch die Strömung verbesserten Wärmeaustausch zu erklären.

Der Temperatur-Verlauf II wurde mit nur leicht befeuchtetem Argon durchgeführt bei sonst ungeänderter Anordnung. Die Wasseroberfläche betrug lediglich 0,03 m2 und kühlte sich auf 13°C ab. Der Anstieg der Temperatur im Wirbelauge von -8,3°C auf -1,4°C läßt eine Abschätzung des Wasserdampfdruckes zu.

Bei der angenommenen Unterkühlung ergibt sich nach K. Scheffler, J. Straub und U. Grigull [18] ein H2O-Partialdruck von p"=54 mbar bei "=4,2 g/m3. Das Einströmen von Umgebungswärme wird durch diesen internen Heizungseffekt durch die Kondensationswärme gemindert. Auch läßt das Absinken der Gastemperatur von M10 beginnend bis M14 darauf schließen, daß dort der Kondensationsprozeß durch Verdunsten der kleinen H2O - Menge dem Gas die übertragene Kondensationswärme wieder entzieht, zumal dieser Temperaturbereich bei der trockenen Vergleichsmessung I nicht auftritt.

Da die Austrittstemperatur bei Mw trotz höherer Eintrittstemperatur (16°C i. Vgl. zu 12°C) kleiner bleibt (ca. 2,5°C niedriger) als bei Temperaturverlauf I, läßt dies auf ein vermindertes Einströmen von Umweltwärme im Wirbelbereich schließen.

Der Temperatur-Verlauf III, Diagramm 3, zeigt bereits die relativ starke "Heizwirkung" der Kondensation des H2O-Dampfes im Wirbel. Rein äußerlich ließ sich unverkennbar ein hohles, röhrendes sowie unstetig schwankendes Geräusch vernehmen. Bei Mw traten Wassertröpfchen aus, begleitet von deutlich sichtbaren Wasserdampfschwaden. Das Geräusch ähnelte dem der MW, wie man sie von Dokumentarfilmen und Beschreibungen von Augen- bzw. Ohrenzeugen kennt, wobei es eher eine kleinere Tonhöhe besaß und "hohler" klang. Die Taupunkttemperatur im Wirbelbereich (M4) bei 15° läßt nach (18) auf einen Sattdampfpartialdruck von p"=17,1 mbar bei ρ"=12,9 g/m³ schließen.

Die relative Feuchte des eintretenden Gases lag dabei dann ungefähr bei pA"/pB"=12,9/19,2=67% unter Vernachlässigung der Druck- bzw. Volumendifferenz Außendurchmesser-Auge im Wirbel. Nimmt man diese isotherm (pV=const.) mit 1,8 zu 1,4 bar an, so ergibt sich die relative Feuchte im Zulauf mit 1,8/1,4x0,6=86 %.

Die Erscheinung, daß ein ideales Gas, welches durch Entzug molekularkinetischer Energie durch Strömungsgeschwindigkeit und/oder Potential einer Beschleunigung abkühlt und in diesem Zustand latente Umweltwärme aufnehmen kann (z.B. durch Wärmeleitung einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers), bzw. bei Überlagerung, Mischung geeigneter Sattdämpfe diese kondensieren kann, wobei sich die enorme Kondensationswärme auf dieses Gas überträgt, findet außer im MW auch im sogenannten Föhn-Effekt in der Meteorologie eine Parallele.

Durch Anheben befeuchteter Luft vor einem Hochgebirge regnet diese weitgehend ab und überträgt große Wärmemengen auf das Restgasgemisch. Die anschließenden Fallwinde auf der anderen Seite des Hochgebirges sind 5-10° wärmer und sehr trocken. Siehe dazu [19,20].

Ilya Prigogine/Isabelle Stengers schreiben in ihrem Buch "Dialog mit der Natur", Untertitel "Neue Wege naturwissenschaftlichen Denkens" [21]:

"Tatsächlich wissen wir heute nicht, ob der II. Hauptsatz mit all den bekannten Wechselwirkungen zwischen Teilchen, namentlich der gravitatischen Wechselwirkung vereinbar ist. Wir wissen deshalb nicht, ob die Entropie der Welt, wie Clausius glaubte, tatsächlich zunimmt oder ob diese Zunahme auf bestimmte gravitative Zustände beschränkt ist. Wir wissen mit anderen Worten nicht, ob die Gravitation in den Zweiten Hauptsatz einbezogen werden kann."

Diese Aussage läßt sich nun erweitern auf die spezielle Theorie der Gaswirbel.

<| Zurück Vor |>

[Kategorie "Fluidmotor"]   [Erster Teil]   [Zweiter Teil]   [Dritter Teil]   [Vierter Teil]   [Fünfter Teil]   [Sechster Teil]   [Literatur]


http://fluidmotor.com/motor/wirbel3.shtml , zuletzt geändert 01. 08. 2010

Valid XHTML 1.1 Valid CSS