Wärme optimal nutzen: Der Pang Ya Ka-Effekt der Kombination von Kälte und Wärme

„Wärme optimal nutzen“ – wie der Name schon sagt, geht es dabei um die Erforschung praktikabler Methoden zur Verbesserung der Gesamtnutzungseffizienz thermischer Energie.

Kürzlich entdeckte der Autor, dass der Ponzi-Schema-Effekt in plastischen Kristallmaterialien als neuer Typ von Kühlmaterial genutzt werden kann. Mit diesem Material ist nicht nur eine CO2-freie Kühlung möglich und die Beseitigung von Umweltgefahren im Kühlbereich ist möglich, sondern auch die Sammlung und Wiederverwendung von Abwärme, wodurch die CO2-Emissionen verringert und die Energienutzung verbessert wird.

Teil 1

Was ist Wärme?

Wärme ist eine Energieform, die durch die Temperatur charakterisiert werden kann. Je höher die Temperatur, desto mehr Wärmeenergie ist darin enthalten.

Wärme kann man sehen und spüren. Wenn wir als Beispiel die Aufnahmen vom Raketenstart der Langer Marsch 5 betrachten, können wir davon ausgehen, dass die Temperatur der Flamme am hinteren Ende der Rakete sehr hoch ist. Da die Wärmestrahlung sehr hoch ist, können wir die Temperatur anhand der Farbe erkennen. Gleichzeitig ist Wärme spürbar. Wenn Sie mit der Hand etwas Heißes berühren, werden Sie spüren, dass es heiß ist.

Raketenstart Langer Marsch 5

(Fotoquelle: People's Daily Online)

Aus mikroskopischer Sicht spiegelt thermische Energie die Intensität der mikroskopischen Bewegung der Atome oder Moleküle wider, aus denen eine Substanz besteht. Je stärker die Intensität der Bewegung ist, desto mehr Wärmeenergie steckt im Material und desto höher ist seine Temperatur.

Wärme hat eine Eigenschaft: Wie Wasser fließt sie immer zu tiefer gelegenen Stellen. Dies wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik bestimmt. Clausius, der Begründer der Thermodynamik und Schöpfer des Konzepts der „Entropie“, wies einmal darauf hin, dass Wärme spontan von Objekten mit hoher Temperatur auf Objekte mit niedriger Temperatur übertragen wird und dass sie schließlich bei der Zwischentemperatur ein Gleichgewicht erreichen.

Wärme spielt in unserem Leben eine unverzichtbare Rolle. Wenn unsere Zieltemperatur niedriger ist als die Umgebungstemperatur, handelt es sich um Kühlung. Wenn unsere Zieltemperatur höher ist als die Umgebungstemperatur, handelt es sich um Heizen.

Teil 2

Vergangenheit und Gegenwart der Kältetechnik

Wie Sie sich vorstellen können, müssen wir, wenn wir etwas einfrieren möchten, dem Inhalt Wärme entziehen, um eine Kühlung zu erreichen.

Während der Zeit der Streitenden Reiche wurde in meinem Land ein Bronzegegenstand namens „Eisspiegel“ erfunden. Dieses Bronzegeschirr hat innen eine Schicht, die speziell zum Halten von Eis dient. Es handelt sich um den primitivsten „Kühlschrank“, der bisher entdeckt wurde. Streng genommen handelt es sich dabei aber nicht um einen Kühlschrank, da man für die Nutzung zunächst Eis benötigt und es sich nicht um eine aktive Kühlung handelt.

Aktive Kühlung im eigentlichen Sinne kam nach der ersten industriellen Revolution auf, als die Dampfmaschine erfunden wurde und die Menschen erstmals über Macht verfügten. Mithilfe der Dampfmaschinenkraft wird ein Vakuum erzeugt, wodurch der Verflüchtigungsprozess flüchtiger Substanzen wie Ether beschleunigt wird. Der Zweck der Kühlung wird durch Ausnutzung des Prinzips der Wärmeabsorption während der Verflüchtigung erreicht.

Dies war das erste Mal, dass der Mensch in der Lage war, aktiv für Kühlung zu sorgen. Kühlschränke in unserem modernen Sinne wurden allerdings erst 1927 erfunden!

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Teil 3

Heizung – ein Zeuge der menschlichen Entwicklungsgeschichte

Im Vergleich zur Kühlung kann die Heizung die Entwicklungsgeschichte unserer gesamten Menschheit besser widerspiegeln. Von der Antike, als unsere Vorfahren Holz bohrten, um Feuer zu machen, über die extensive Nutzung von Kohle vor und nach der ersten industriellen Revolution, wo die Dampfkraft den menschlichen Fortschritt enorm gefördert hat, bis hin zur extensiven Nutzung von Öl und Erdgas in jüngerer Zeit, ist der Einfluss der „Heizung“ auf das moderne Leben enorm.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Im derzeitigen Grundmuster der thermischen Energienutzung werden etwa 31 % unserer Primärenergie zur Erzeugung von Wärme verwendet, während gleichzeitig 28 % der Energie in Form von Wärme in anderen Industriesektoren verloren gehen. Die Erzeugung thermischer Energie ist für etwa 30 % der gesamten Kohlendioxidemissionen der Gesellschaft verantwortlich.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Dies wirft ein sehr interessantes Problem auf, das sogenannte Wärmeenergieparadoxon: Wenn die im Energienutzungsprozess verlorene Wärmeenergie genutzt wird, um die Wärmeenergieerzeugung zu ersetzen, spart dies nicht nur Energie, sondern reduziert auch die Kohlenstoffemissionen, die im Wärmeenergieerzeugungsprozess entstehen.

Gibt es also eine Möglichkeit, diese fantastische Idee umzusetzen?

Teil 4

Was ist der Ponzi-Effekt?

Der Autor entdeckte eine neue Materialeigenschaft, den Ponyakka-Effekt. Wenn wir über den Ponyakka-Effekt sprechen, müssen wir zunächst erklären, was plastische Kristallmaterialien sind. Dabei handelt es sich um ein ganz besonderes festes Material, das aus schnell rotierenden, ungeordneten organischen Molekülen besteht.

Dieses Material ist sehr weich und es muss nur ein geringer Druck ausgeübt werden, um den Hochenergiezustand dieser organischen Moleküle zu unterdrücken, wodurch das Material in einen Niedrigenergiezustand versetzt wird und dabei eine große Menge Wärme freigesetzt wird. Li Bing nannte dieses Phänomen des durch geringen Druck hervorgerufenen signifikanten Phasenwechsel-Kühleffekts den Ponzyka-Effekt. **Unter Verwendung des Panga-Zhaka-Effekts leitete der Autor das Team bei der Entwicklung des ersten Panga-Zhaka-Kühlprototyps.

Im Vergleich zur herkömmlichen Gaskompressionskältetechnik verwendet die Pangyaka-Kältetechnik während des gesamten Kühlprozesses ein festes Material. Bei diesem Vorgang kommt kein Gas zum Einsatz, daher entstehen offensichtlich keine Kohlenstoffemissionen und keine Probleme hinsichtlich der Ozonschichtzerstörung, die uns Sorgen bereiten.

Während der Erforschung der Kältetechnik dachte der Autor auch darüber nach, wie die erzeugte Wärmeenergie effizient recycelt und genutzt werden könnte, um die oben genannten fantastischen Ideen umzusetzen.

Durch Experimente fand der Autor heraus, dass eine Art plastisches Kristallmaterial bei etwa 80 Grad Celsius beginnt, Wärme zu speichern und in einen plastischen Kristallzustand überzugehen. In einer Umgebung mit Raumtemperatur kann durch die Anwendung eines geringen Drucks von etwa 6 MPa (entspricht der Kraft, die wir aufwenden, um einen Gegenstand mit unseren Händen zu greifen) die Umwandlung des plastischen Kristallzustands in einen konventionellen Kristallzustand bewirkt werden. Dabei kann in kürzester Zeit eine große Menge gespeicherter Wärme freigesetzt werden und die Temperatur innerhalb von 20 Sekunden um 48 Grad Celsius ansteigen.

Dies ist ein vollständiger Prozess der Wärmeaufnahme und -abgabe von Kunststoffkristallmaterialien – Erhitzen zur Wärmeaufnahme, Abkühlen zur Wärmespeicherung und Druckbeaufschlagung zur Wärmeabgabe.

Wie wir alle wissen, verbrauchen verschiedene Industrieprozesse und große Rechenzentren viel Energie. Gleichzeitig muss die erzeugte Wärme abgeführt oder gekühlt werden, was an sich schon eine enorme Energieverschwendung darstellt und zudem zu hohen Kohlenstoffemissionen führt.

Wenn es uns gelingt, auf der Grundlage dieser Technologie thermische Energie wie Abwärme aus industriellen Prozessen, Abwärme aus großen Rechenzentren, geothermische Ressourcen und Solarenergie aufzunehmen, zu speichern und wiederzuverwenden und dann eine geordnete Regulierung der thermischen Energie zu erreichen, wird dies für die CO2-Neutralität und sogar für den Umweltschutz der Erde von großer Bedeutung sein.

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Li Bing (Institut für Metallforschung, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Herausgeber: Sun Chenyu

Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

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