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Die Erfindung betrifft einen Wärmepumpen-Trockner für Wäsche nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Neue Ansätze und Innovationen sind notwendig, um Trocknungssysteme oder Wärmepumpen in einer Weise zu verbessern, dass diese Innovationen Energieverbraucher mit höherem Verbrauch für die Energiewende und für die Gesellschaft ersetzen.
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Über Trockner mit höherem Verbrauch für Wäsche vom Typ „Power Trocknung” mit direkter Beheizung (Gas) und straken Ventilatoren für große Luftmengen ist bekannt, dass eine hohe Energiezufuhr an die Wäsche besteht und mit dem Einbau von Abluftwärmetauschern eine weitere Überhitzung der Trockner möglich ist. Nachteil dieser „intensiv Trockner” besteht in den thermodynamischen Funktionen, dem Prinzip der Erhaltung von Energie, (1. Hauptsatz der Wärmelehre), der adiabaten Kühlung der Luft durch Verdampfen und insbesondere in dem Newtonsche-Wärmeableitungsgesetz (QW = α × FWäsche × Δt;). Es ist nämlich so, dass die Wärmeübertragung und Nutzung der Energie im Wäschetrockner nach Newton wesentlich von der Wäsche-(Oberfläche) FWäsche bestimmt ist. Nachteil ist: Überhitzung und hohe Wärmeverluste – nach Newton – bei Trocknern vom Typ „Power Trocknung”, weil die wirksame Fläche FWäsche in größerer, heißerer und „vorgewärmter” Trocknungsluft gleich bleibt.
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Über eine Einsparung in der Höhe von 30% in Wäschereien ist von der Pressemitteilung Nr. 76/2012 der DBU (Deutsche Bundesstiftung Umwelt) in Verbindung mit einem Abschlussbericht DBU AZ 28612 bekannt geworden, dass bei Wäsche-Trocknern hohe Einsparungen über eine Softwareentwicklung zu einem Abluftwärmeaustauscher ausgewiesen werden. Nachteil ist, dass softwaremäßig die online Verbrauchswerte, Brennerlaufzeit, Gasmengen usw. nicht erfasst sind.
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Wesentlicher Nachteil ist, dass von der Leistung des Wärmetauscher von 40 kWtherm über die Brennerlaufzeit von < 12 Minuten nur 1/5 oder 8 kWh nutzbar sind. Nachteil der Klimawende nach der PM Nr. 76/2012 ist, dass falsche, um das 5 fache überhöhte Einsparungen, verbreitet werden.
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Ausgehend von dieser Problemlage befasst sich die Erfindung mit einer adiabaten Trocknung nach dem Newtonschen-Wärmeableitungsgesetz, Messverfahren und Software für adiabate Zustandsänderungen, der Verwendung von Dampf oder elektrischer Energie als Heizwärme, damit nach dem Prinzip der Erhaltung von Energie, Energie gespart wird und zukünftig mit alternativer Energie und Strom getrocknet werden kann.
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Ein Wäschetrockner mit Wärmepumpe ist von der Druckschrift
EP 2476 796 B1 bekannt geworden, nach welchem eine Kühleinrichtung zur Abführung der überschüssigen Wärme an Wasser ausgebildet ist. Nachteil ist, dass überschüssige Wärme nicht genutzt wird; weiterer Nachteil: die Unterkühlung des Luftkreislaufes durch die Kompressionskälte.
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Von der Druckschrift
DE 10 2005 062 939 ist ein Wärmepumpentrockner mit einem dritten Wärmetauscher bekannt, nach welchem überschüssige Wärme des Kältemittelkreislaufes an die Umgebung abgeleitet wird. Nachteile sind eine schlechte Energienutzung und eine schlechte Energiezufuhr in die Trocknung.
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Ein Verfahren zur Trocknung eines feuchten Granulates (Abwasserschlamm) ist von der
DE 2943 528 C2 bekannt, nach welchem die Trocknung in einem indirekt beheizten Fließbett vorgenommen wird und beim Trocknen ausschließlich das entstehende Gas (H
2O) zur Fluidisierung verwendet wird. Zum Trocknen wird ein molares Gas (H
2O-Dampf) genutzt. Die Heizstufe und Verdampfung des Wassers sind in einem Apparat angeordnet. Im vorliegenden Fall bei adiabater Trocknung entsteht neuer Dampf und das Temperaturniveau und der Wärmeinhalt des Abdampfes bleiben gleich. Vorteil ist die Wärmenutzung im Faulturm der Kläranlage.
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Ein Verfahren zum Trocknen von Wäschestücken in einer drehend angetriebenen Trommel mit Luft ist vor der Druckschrift
DE 10 2012 008 193 A1 bekannt geworden, nach welchem eine erhitzte Luft von einem Brenner und feuchte Umluft ungemischt genutzt werden. Nachteil ist, dass aus mehreren Trocknungsparametern ein errechneter Faktor gebildet wird, um den Trocknungsvorgang zu steuern und zu beenden. Wesentlicher Nachteil: die Unterschlagung von Messdaten und keine Wiederholbarkeit.
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Es ist nämlich so, dass durch die Heat of Formation (Bildungswärmen) und die Verbrennung von Gas die Aufheizung der Rauchgase von 20°C auf 180°C einem Sauerstoffumsatz O2 von 1,04 vol.-% in der Luft gleichgesetzt ist. Demgemäß ist ein falsches Rechenergebnis über die Höhe der zugeführten Heißluft mittels einer Diagnose des O2-Gehaltes im Abgas des Trockners – online – nachweisbar durch handelsübliche Messgeräte.
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Ausgehend von dem aufgezeigten Stand der Technik, bei Software-Entwicklungen, der Wärmeausnutzung bei Wärmepumpen sowie der Präzision bei der Angabe und Messung der Betriebsdaten für die Trocknung von Wäsche, besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Trockner mit einem geringen Energie Verbrauch vorzuschlagen, in welchem mit adiabater Trocknung das Prinzip der Erhaltung von Energie genutzt wird und die Eckdaten einer Trocknung verfügbar sind und die Temperaturen an der Wäsche in gewerblichen Trocknern und im Haushalt reproduzierbar einzustellen sind, damit die Einstellwerte von Wäschetrockner im Haushalt und Gewerbe laufend optimiert werden und die Energiewende vorankommt.
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Diese Aufgabe wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind durch die in den Ansprüchen 2 bis 8 aufgeführten Merkmale beschrieben.
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Dementsprechend zeichnet sich ein Wärmepumpen-Trockner für Wäsche mit einem Luft-Kreislauf über einen Ventilator dadurch aus, dass mit einer Heizstufe und unter Ausbildung eines Direktverdampfers über der wasserhaltigen Wäsche eine Wärmepumpe vorgesehen ist und insbesondere die Wärmepumpe mit einem Speicher von verdampften Kältemittel, H2O als offener Prozess ABC im i, x-Diagramm vorgesehen ist
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Vorteil ist die einfache drucklose Bauweise mit den Kältemitteln Luft und Wasser. Wesentlicher Vorteil ist, das Prinzip der Erhaltung von Energie bei der adiabaten Kühlung der Luft in einem Luft-Kreislauf mit der anschließenden Erhöhung des Wärmeinhaltes der Luft.
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Vorteil ist: die Ausbildung der Wärmepumpe mittels Trockner-Bauteilen. Vorteil ist eine Wärmepumpe für Chargen (Batches). (batch-type heat pump). Vorteil ist: die ”Serienschaltung” von Heizstufe und Direkt-Verdampfung.
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Es ist nämlich so, dass das Wasser, H2O bei der Zufuhr von Wärme von den Kältemitteln – Luft und H2O – ausdampft. Dabei steigt die Enthalpie der Luft nach der Grundgleichung (1) des i, x-Diagramm. Gleichung (1) lautet: (i) = 0,24 × t + x(598 + 0,46 × t); kcal/kg. Gl. (1)
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Mit x als dem Wassergehalt pro kg Luft und der Energieeinheit (kcal) nach E. Schmidt, Technische Thermodynamik sowie der Stoffdaten-Sammlung nach E. Schmidt. Weiter erfolgt die Verdampfung nach dem Prinzip der Erhaltung von Energie und der adiabten Kühlung von Luft auf der Linie konstanter Enthalpie (i) mit der Luft des Trockner-Kreislaufs. Dies wird solange fortgesetzt bis eine Soll-Beladung mit Wasser-(Dampf) x im Trockner-Kreislauf zur Entnahme der Feuchte erreicht ist. Entsprechend wird Energie in Form von Wasserdampf gespeichert, bis dieses Niveau durch eine Luftzufuhr und Kühlung gehalten wird.
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Dementsprechend zeichnet sich die Erfindung der Wärmepumpe dadurch aus, dass Energie in dem Luft-Kreislauf gespeichert ist.
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Vorteil ist, dass die Sättigungstemperatur bei der Verdampfung zunimmt; Vorteil: eine „batch-type” Wärmepumpe.
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Wesentlicher Vorteil, dass Abwärme im Luft-Kreislauf gespeichert ist. Weiterer Vorteil: die erhöhte Temperatur von Abwärmen und eine bessere Nutzung. Vorteil ist, dass die Nutzungstemperatur mit der Menge an Abwärme steigt.
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Vorteil ist, dass diese Temperaturen, auch die adiabate Sättigungs-Temperatur messbar sind. Wesentlicher Vorteil, die Wiederholbarkeit und die Wiederholpräzision der Trocknereinstellung. Es reicht nämlich aus abzuwarten, bis die gewünschte Abwärme in dem Luft-Kreislauf bei dem Wassergehalt x pro kgLUFT vorhanden ist.
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Ein Vorteil für die Allgemeinheit und die Klimawende besteht darin, dass die Funktionen durch Temperaturen bestimmt sind und mit den Temperatur-Werten und Gleichung (1) berechenbar sind.
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Wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Luftwärmepumpe, die in einem Luft-Kreislauf mit einem Ventilator, einer Heizstufe für Dampf oder Elektro und einem Direktverdampfer über der wasserhaltigen Wäsche vorgesehen ist. Vorteil ist, dass „das verdampfte Kältemittel in der Luft als Energie gespeichert ist”.
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Vorteile sind: die Erhaltung der Energie aus der Verdampfung und eine adiabate Wärmeableitung nach dem Newtonschen Wärmeableitungsgesetz. Vorteil ist, dass der Partialdruck des Wasser steigt und das Kältemittel, H2O bei höheren Temperaturen kondensiert.
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist mit einem Wärmepumpentrockner mit einem Kreislauf mit einem Ventilator in der Weise gegeben, dass der Wärmepumpen Kreislauf drucklos – atmosphärisch – erfolgt und die Verdichtungsarbeit (v × Δp) des Ventilators als Erwärmung der Luft (1°C–2°C) erhalten bleibt; mit dem Ansatz von 1°C pro 100 mmWS-Druckerhöhung.
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Wichtiges Merkmal der Erfindung ist, dass für das Kältemittel Luft eine indirekte Heizstufe und ein adiabater Direktverdampfer von Wasser vorgesehen sind. Vorteil: die serielle Anordnung.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass die Wärmepumpe mit einem Speicher von verdampften Kältemittel als offener Prozess ABC im i, x-Diagramm vorgesehen ist. Vorteil ist, die komplementäre Dokumentation des Prozesses; Weiterer Vorteil die Plausibilität. Es ist nämlich so, dass seit Mollier 1906 die thermischen Prozesse in dem gleichnamigen Diagramm aufgezeigt werden.
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Eine vorteilhafte Entwicklung ist dadurch gegeben, dass Rohrleitungsmittel für eine Aufgabe von Luft in den Kreislauf vorgesehen sind. Vorteil ist, dass eine Begrenzung der Dampfaufnahme im Luft-Kreislauf mittels des Kältemittels Luft vorgesehen ist. Vorteil ist die Einfachheit der Kühlung durch Mischen und Volumenaustausch; Weiterer Vorteil: die Mischung entlang einer Geraden (Misch-Geraden) im i, x-Diagramm sowie die Wiederholpräzision entlang der Misch-Geraden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass eine Rohrleitung für Abluft vorgesehen ist. Vorteil ist, dass diese Rohrleitung als Bestand vorhanden ist; weiterer Vorteil: eine einfache Nachrüstung sowie die Ableitung von überschüssigen Volumen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, dass ein Kondensator in der Rohrleitung für Abluft mit einer Rückführung in den Luft-Kreislauf vorgesehen ist. Vorteil ist, dass der Wärmeüberschuss im Kondensator gewonnen wird. Vorteil ist die Verwendung zum Heizen bei Haushaltstrocknern und die Aufstellung der Wärmepumpentrockner in geschlossenen Räumen.
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Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass Luft oder Wasser als Kältemittel zur Erwärmung im Kondensator vorgesehen sind. Vorteil ist die Verfügbarkeit und die Umweltverträglichkeit.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass ein Quench-Kühler zur Erwärmung von Wasser vorgesehen ist. Vorteil ist die Bauweise mit mehreren Trennstufen, die hohen Austauschraten in einem Wasserfließbett, und ein geringer Materialbedarf durch hohe Leistungszahlen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist mit einer Wärmepumpe für Abwärme in der Weise gegeben, dass die Abwärme in einem Speicher auf einem höheren Niveau verfügbar ist.
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Eine vorteilhafte Wärmepumpe ist nach der Erfindung mit einer „Batch-Type” Wärmepumpe in der Weise gegeben, dass eine chargenweise anfallende Abwärme von einem Trockner in einem Speicher auf höherem Niveau verfügbar ist.
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Neben den aufgezeigten Vorteilen für gewerbliche Trockner und für Haushaltsgeräte sind weitere Vorteile im Klimaschutz gegeben.
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Diese Vorteile werden im Zusammenhang mit der Darstellung von 1 erläutert. Es zeigen:
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1 Arbeitsprozess einer Wärmepumpe im Dreieck ABC.
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In 1 ist der Arbeitsprozess einer Wärmepumpe mit feuchter Luft als Arbeitsdiagramm ABC und drei Eckpunkten in einem i, x-Diagramm für feuchte Luft in einem schiefwinkligem Achsenkreuz dargestellt, das im vorliegenden Fall aus Geraden 1, 2, 3, für konstante Enthalpie, einer Sättigungslinie 4 für feuchte Luft, einem Schnittpunkt 5 der Geraden 1 mit der Sättigungslinie 4 für feuchte Luft, einer Abszissenachse 6 für den Wassergehalt x, in g-H2O pro kg (trockene) Luft, einer senkrechten Achse 7 mit dem Enthalpiewert (i) für Luft in kcal (kJ) pro kg Luft und einem Arbeitsdreieck ABC mit der Aufheizung der Luft entlang der Geraden AB in der zum Trockner gehörenden Heizstufe und der adiabaten Sättigung der Luft entlang der Geraden BC auf einen messbaren Temperaturwert der Abluft in der Weise besteht, dass ab einer gespeicherten Dampfmenge pro kgLUFT, dem Erreichen der Ablufttemperatur 8 und einer bestimmten Sättigungstemperatur 9 im Schnittpunkt 5, die Entnahme von Wärme durch eine Zufuhr von Luft vorgesehen ist.
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Vorteil ist, dass die Eckdaten ABC als Temperaturen für die Entnahme von Wärme verfügbar sind. Weiterer Vorteil ist „Repeatability”. Hierzu ist in 1 die Verschiebung des Arbeitsdreieck ABC von der Geraden 3 über die Gerade 2 auf die Gerade 1 im Betriebspunkt C dargestellt.
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Weiter ist in 1 der Kühlkreislauf einer (Batch-Typ) Chargen-Wärmepumpe in einem i, x-Diagramm für feuchte Luft dargestellt, in welchem der Beginn im Betriebspunkt C, in einer Rohrleitung für Abluft, z. B. bei 200 g-H2O pro kg Luft, eine Quenchkühlung der Luft entlang der Geraden 1 auf den Punkt D auf der Sättigungslinie 4, eine Kondensation in mehreren Trennstufen des Quenchkühlers, z. B. als Wasserfließbett, entlang der Sättigungslinie auf den Betriebspunkt E als Mittel-Wert aus mehreren Trennstufen der gekühlten Luft, eine Weiterleitung der Luft mittels eines Ventilators (ohne die Angabe der Temperaturerhöhung ca. 1,5°C) in den Luft-Kreislauf, nachgeschaltet der Heizstufe im Zustand B' unter Ausbildung der Mischgeraden EB' mit dem Schnittpunkt M auf der Geraden 1 für konstante Enthalpie und eine Mischung in der Weise vorgesehen ist, dass
- • die Eckpunkte des Kühlkreislaufes C, D, E, M, B' über die Temperaturwerte vorgegeben sind,
- • die Aufgabe von Kälte (H2O) in einem Quench-Kühler temperaturabhängig vorgegeben ist,
- • eine Energie-Ableitung an Wasser als Kältemittel mit dem Erreichen des Betriebspunktes C im Quench-Kühler vorgesehen ist, und
- • eine Schließen der Wasserzuleitung gegen Ende der Verdampfung und ein Abschalten des Ventilator im Kühlkreislauf vorgesehen sind.
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Wesentlicher Vorteil: Nutzung von Abwärme zur Erzeugung von Brauchwasser; Weiterer Vorteil: das Zu- und Abschalten des Kühlkreislaufes und eine geregelte, temperaturabhängige Aufgabe des Kühlmediums Wasser oder von Luft sowie konstante Temperaturen der gewonnen Energie im H2O.
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Weiter ist die Wiederholbarkeit im Eckpunkt E bei einer mittleren Kühlung auf 48°C und den Stoffdaten von gesättigter Luft von 0,0799 g-H2O/kgLUFT, 61 kcal/kgLUFT soweit gegeben, dass gegenüber dem Zustand in C (200 g-H2O/kgLUFT) eine Kondensation von 120 g-H2O/kgLUFT besteht. Das Verhältnis der Mischmengen ist auf der Mischgeraden EB' nämlich MB' im Kühl-Kreislauf zu EM im Luft-Kreislauf ablesbar.
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Die komplementäre Berechnung erweist sich als weiterer Vorteil, dass der Wassergehalt x im Taupunkt von C gleichgesetzt ist nach Gleichung (1), dem Temperaturwert in C und der Enthalpie der Geraden 1 bei Sättigung in D.
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Weiter ist in 1 eine Entnahme von Wärme von einer Chargen-Wärmepumpe in einem i, x-Diagramm durch eine Aufgabe von Luft dargestellt, bei welcher vor der Aufgabe in einen Lufterhitzer ein Betriebspunkt F für frische Luft, eine Erwärmung in der Heizstufe entlang der Geraden FG und unter Ausbildung einer Mischgeraden GB' eine Aufgabe der Luft in den Luft-Kreislauf in der Weise vorgesehen ist, dass
- • in dem Punkt B auf der Geraden GBB' die Luftmengen im Verhältnis der Geraden B'B für die Frischluft und GB für die Luft im Kreislauf aufgeteilt sind,
- • durch Mischen von Luftmengen die Kühlung vorgesehen ist, und
- • ein überschüssiges Volumen über die Abluftleitung entweichen kann.
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Vorteil sind kleine Luftmengen; im Zustand C mit 200 g-H2O/kgLUFT: ein spezifischer Luftbedarf von 5 kg pro kg verdampftes Wasser.
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Neben der beschriebenen Aufgabe von Luft zur Entnahme von Wärme sind weitere Rohrleitungsanschlüsse möglich, die im Einzelnen nicht aufgeführt sind und in dem i, x-Diagramm für feuchte Luft nicht dargestellt sind. Wichtig ist, dass in dem Prozesskreislauf ABC beim Erreichen einer Solltemperatur eine Zuleitung von Luft und eine Wärmeentnahme durch Mischen vorgesehen sind, damit die Vorteile der Wärme-Pumpe in einem Wäschetrockner erreicht werden. Wesentlicher Vorteil ist: die Dampfspeicherung bis auf den Wärmeinhalt (i) über der Geraden 1; Weiterer Vorteil: die Batch-Type Wärmepumpe im Prozessdreieck ABC.
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Weitere Vorteile ergeben der sich aus dem Zahlenbespiel mit den spezifischen technischen Daten pro kg H
2O-Verdampfung:
Wärmeüberschuss pro kg verdampftes Wasser: | | 0,883 kWhtherm. |
Wärmeüberschüsse im Trockner: | | |
aus elektrischer Antriebsleistung Ventilator | 3% | |
erhöhte Verdampfung bei 62°C | 2% | |
Gesamt | 5% | |
Wärmebedarf im Prozess ABC: 0,95 × 0,883 | | 0,839 kWhtherm |
Brutto Wärmbedarf der Wäscherei mit Dampf: | |
Wirkungsgrad – Dampferzeuger | 62% |
Spez. Wärmebedarf: 0,839/0,62 | 1,35 kWh/kg H2O |
Spez. Wärmebedarf pro kg Wäsche (42% H2O) | 0,57 kWh/kg Wäsche |
Stand der Technik: „Intensiv Trockner” | Gas beheizter Trockner |
Der Wärmebedarf im Trockner | 1,1 kWh pro kg Wäsche |
Der Wärmebedarf beim Waschen ca. | 0,3 kWh pro kg Wäsche |
Gesamt | 1,4 kWh pro kg Wäsche |
Spez. Wärmebedarf mit Wärmepumpen (–) | 0,57 kWh pro kg Wäsche |
Mögliche Einsparung & Vorteil | 0,83 kWh pro kg Wäsche |
Klima-Nutzen bei 1 Mio. Tonnen Wäsche in Deutschland: |
1000000 × 0,83 | 830000 MWh pro Jahr |
Potential der Einsparung 0,83/1,4 × 100 | 59,2% |
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Wesentlicher Vorteil:
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- • Amortisation durch Einsparungen in 12 bis 24 Monaten,
- • geringer Materialverbrauch der „Batch-Type” Wärmepumpe.
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Bezugszeichenliste
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Eckpunkte im i, x-Diagramm mit den Arbeitsmitteln: Luft, Wasser
- A
- Heizstufe Eintritt
- B
- Direktverdampfer Eintritt, vor Verdampfung
- C
- nach adiabater Verdampfung/Kühlung (Abluft)
- D
- gesättigte Luft, adiabat ...
- E
- Luft nach Kondensator/Quench-Kühler
- F
- Zustand der Frischluft
- G
- Frischluft nach Heizstufe
- M
- Mischpunkt von Luft- und Kühl-Kreislauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2476796 B1 [0007]
- DE 102005062939 [0008]
- DE 2943528 C2 [0009]
- DE 102012008193 A1 [0010]