Grundlagen – Wärmeübertragung

1. Kontakt

Beide Körper stehen in direktem, berührenden Kontakt.

Hierbei ist das Kälteempfinden von der Wärmeleitfähigkeit des Stoffes abhängig (sh. nachfolgende Tabelle). Entsprechend des Nullten Hauptsatzes der Thermodynamik wird zwischen zwei im Wärmekontakt stehenden Körpern solange Energie vom wärmeren (Hand, 37 °C) zum kälteren Körper (z.B. Eisen / Holz, 21 °C) übertragen, bis beide die gleiche Temperatur aufweisen. Die Kälterezeptoren in der Haut signalisieren diese Energieabgabe der Hand an den Gegenstand. Daher werden insbesondere Stoffe mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit (z.B. Metall) als kalt empfunden, obwohl sie die gleiche Oberflächentemperatur aufweisen, wie ein Gegenstand mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit (z.B. Holz).

Die Wärmeübertragung durch Kontakt wird für das Konzept Wärmen zur Wärme- oder Kälteerzeugung an ausgewählten Stellen des Körpers genutzt, sh. z.B. Sony REON Pocket, in Japan üblich.

2. Konvektion

Luft- oder Wassermoleküle werden erwärmt. Der Transport der Wärme erfolgt über Teilchenströme. Konvektion existiert nur in Flüssigkeiten oder Gasen.

In einem Raum überträgt der Heizkörper seine Wärme an die Luftmoleküle. Warme Luft steigt auf zur Decke und verteilt sich in dem Raum, bis die abgekühlte Luft wieder absinkt und am Boden zurück zum Heizkörper strömt.

Heizen:

Das Beheizen von Räumen funktioniert nach dem Prinzip der Konvektion, d.h. die Luftmoleküle in einem Raum werden erwärmt.

• Vorgelagerte Prozesse:
  Extrem energie- und kostenintensive Kriege um Öl und Gas, der Bau und Betrieb tausender Kilometer Verteilnetze, LNG Häfen in Naturschutzgebieten, Heizkessel und Heizkreisläufe im Gebäude. Das gesamte Luftvolumen einer Halle oder eines Raumes wird erwärmt, d.h. alle Luftmoleküle werden zum Schwingen gebracht. Unter der Hallendecke in 13m Höhe ist es wärmer als am Fußboden, da warme Luft eine geringere Rohdichte hat als kalte Luft und somit nach oben aufsteigt.
• Eigentlicher Prozess der Wärmeübertragung:
  Nur die in unmittelbarer Körpernähe schwingenden Luftmoleküle bringen über Reibung an der Haut die Wassermoleküle der Haut zum Schwingen, so dass hier Körperwärme entsteht. Die Wärme unter dem Hallendach oder am anderen Ende der Halle hat keinen Nutzen für die Wassermoleküle in der Haut. Wirkungsgrad < 1 %.
• Nachgelagerte Prozesse:
  In diesen Gesamtprozess mit einzurechnen sind die Folgeaufwände des Klimawandels aufgrund des weltweit zu hohen CO2- Gehalts, der i.W. auch durch Öl- und Gasheizungen entstanden ist. Ein zukünftig weiter steigender CO2-Preis für Öl und Gas soll die Kosten hierfür abdecken, z.B. 25 Mrd. € alleine für das Nachrüsten von Klimaanlagen in Krankenhäusern, Umbau zu Hitze resistenten Städten, tiefere Fahrrinnen für ausgetrocknete Flüsse, damit diese wieder schiffbar sind, Autobahnen und Gleise für Temperaturen über 40 Grad umrüsten,… . Nicht zu vergessen die Waldbrände und deren Folgen, CO2 Endlager in der Nord- und Ostsee, besonders traurig die stetig steigende Anzahl an Hitzetoten. Mit diesen extrem kosten- und energieintensiven Folgeaufwänden ist eine weitere Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades verbunden. Es stellt sich die kritische Frage, welche Folgeschäden bei 3 Grad Erderwärmung zu erwarten sind ?

Wärmen:

Die Wärmeübertragung durch Konvektion wird auch für das Konzept Wärmen genutzt, sh. z.B. Sony REON Pocket.

3. Infrarotstrahlung

Da die Infrarotstrahlung ein sehr wesentlicher Baustein für das Konzept Wärmen darstellt, wird sie an dieser Stelle etwas ausführlicher beschrieben.

Bei der Infrarotstrahlung, die auch als Wärmestrahlung bezeichnet wird, handelt es sich um eine elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von ca. 0,1 μm < λ < 1.000 μm.

Auf Grund der biologischen Wirkung auf den Menschen werden nach DIN 5031 die folgenden Spektralbereiche unterschieden:

• IR-A von 780 nm bis 1,4 µm
• IR-B von 1,4 µm bis 3,0 µm
• IR-C von 3,0 µm bis 1 mm

Die Eindringtiefe der Infrarotstrahlung in die menschliche Haut in Abhängigkeit von der Wellenlänge zeigt die nachfolgende Darstellung. Infrarot A (IR-A) wird überwiegend bis in etwa 1 mm Tiefe in der Haut absorbiert, Infrarot B und C (IR-A und IR-B) bereits in der Oberhaut (Epidermis). Die meisten Krause-Körperchen (Kälterezeptoren) liegen ca. 0,2 mm unter der Hautoberfläche.

Die Erwärmungseffekte in der Haut durch die Infrarotstrahlung werden in der DIN 5031 Teil 10 beschrieben:

„Die Absorption der Infrarotstrahlung führt zu einer Erwärmung der Haut. Die Wellenlängenabhängigkeit wird im Wesentlichen durch die Absorption des Wassers bestimmt, da die Haut zu 59 % bis 72 % aus Wasser besteht“ .

Bei einer Wellenlänge von 2,9 μm (ca. 103 THz – Infrarot B/C) hat das Wasser gemäß DIN 5031-10, Bild 18, seine höchste Absorbtionsfähigkeit und beginnt zu schwingen, mit minimalsten Energieaufwand. Die Schwingungen der Wassermoleküle erzeugen über Reibung Körperwärme. Diese Wärme wird von den Thermorezeptoren erfasst und über Nervenfasern an den Hypothalamus weitergeleitet. Hier erfolgt ein SOLL-IST Abgleich und die Meldung, dass sich die Ist-Temperatur des Körpers im gewünschten Bereich befindet.

Aufgabe an alle Techniker und Interessierte:

Entwickle einen Infrarot- Frequenzgenerator, der mit 103 THz mit minimalen Energieaufwand die Wassermoleküle des Körpers zum Schwingen bringt, damit über Reibung Körperwärme entsteht.

Und bitte informiere das Institut für Wärmen statt Heizen – Verein für Wärmewende und Effizienz e.V., damit wir es auf unserer Internetseite mit anderen Interessierten teilen können. 🙂

Die Infrarotstrahlung des Menschen:

Nicht nur die Sonne, sondern auch der Mensch erzeugt Infrarotstrahlung im Bereich von 2 bis ca. 100 μm. Ca. 60 % der Wärmeübergabe des Menschen an die Umwelt erfolgt durch Infrarotstrahlung.

Aufgabe an alle Techniker und Interessierte:

Entwickle Textilien, die durch eine spezielle Struktur die Infrarotstrahlung des menschlichen Körpers reflektieren, um damit die Körperwärme zu speichern.

Und bitte informiere das Institut für Wärmen statt Heizen – Verein für Wärmewende und Effizienz e.V., damit wir es auf unserer Internetseite mit anderen Interessierten teilen können. 🙂