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Haushaltsgerät wie beispielsweise eine Spülmaschine mit einem Wärmetauscher sowie Verfahren zur Erwärmung der Frischwasserzufuhr einer Spülmaschine mit Wärmetauscher.
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Die Erfindung betrifft ein Haushaltsgerät wie beispielsweise eine Spülmaschine, umfassend einen in einem Gehäuse angeordneten Spülbehälter zur Aufnahme und zur Reinigung von Geschirr, der mit einer Frischwasserzuleitung verbunden ist, wobei zwischen dem Spülbehälter und der Frischwasserzuleitung ein Wärmetauscher vorgesehen ist, über den das warme Abwasser zur Erwärmung des zugeführten Frischwassers abgeführt wird.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass bei Spülern, wenn man die Wärme des verworfenen Abwassers auf das neue Wasser überträgt, sich Energie einsparen lässt. So ist es aus dem Stand der Technik bekannt, eine Rohrschlange in einem Speichertank unterzubringen, über den das Abwasser in den Speichertank geleitet und dort gespeichert wird, um auf diese Weise die nachfolgende Wassereinlaufmenge durch die Wärmetauscherschlange im warmen Abwasser zu erwärmen. Ein solcher Gleichstromtauscher kann nur einen Teil der vorhandenen Energie tauschen. Die Verwendung eines Gleichstromtauschers verbessert sicherlich die Energieeffizienz, diese ist jedoch noch steigerbar.
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Der Erfindung stellt sich somit das Problem, ein Haushaltsgerät, hier insbesondere eine Spülmaschine derart weiter zu bilden, dass die Energieeffizienz hinsichtlich der Frischwasserzuleitung über einen Wärmetauscher wesentlich verbessert wird.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen darin, dass mittels eines Gegenstromwärmetauschers auf der einen Seite von der Laugenpumpe bewegtes, warmes, schmutziges Wasser und auf der anderen Seite vom Wasserhahn kommendes sauberes und kühles Trinkwasser durchflossen wird.
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Das Abpumpen und der Wassereinlauf des nachfolgenden Spülgangs findet gleichzeitig über den Gegenstromwärmetauscher statt. Damit sich Ab- und Frischwasser dabei nicht vermischen, wird das Frischwasser in einem Tank zwischengespeichert. Erst nach Abschluss des Abpumpvorganges wird der Tankinhalt durch ein Ventil oder eine Pumpe in den Geschirrspüler entlassen. Der in dieser Anordnung vorgesehene Gegenstromwärmetauscher hat gegenüber den üblichen Wärmetauschern den Vorteil, dass ein höherer Wirkungsgrad von nahezu 100% möglich ist. Zudem wird beim Gegenstromwärmetauscher die Tauscherfläche von beiden Seiten turbulent umströmt, was zu einem wirksamen Wärmetransport führt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass beim Gegenstromwärmetauscher die beiden Volumenströme exakt gleichzeitig beginnen und enden. Jede Abweichung würde den Wirkungsgrad verschlechtern. Während der gleichzeitige Start beider Vorgänge technisch kein Problem ist, setzt das gleichzeitige Beenden eine exakte Steuerung beider Volumenströme voraus. Dies wird auf der Frischwasserseite dadurch realisiert, dass die Geschirrspülmaschine neben einem Flügelradzähler auch eine Reglerscheibe aufweist. Hat man z. B. eine Reglerscheibe mit vier Liter / Minute und benötigt nur 3,6 Liter Frischwasser, so dauert der Wassereinlauf 54 Sekunden. Vorzugsweise setzt man einen drehzahlgeregelten Motor für die Laugenpumpe ein; dabei lässt sich anhand der Steuersignale die tatsächliche Abpumpzeit bei der gegebenen Einbausituation ermitteln. Mit einer hinterlegten Tabelle kann die erforderliche Drehzahl der Laugenpumpe abgeschätzt werden, damit der Abpumpvorgang genauso lange dauert wie der Wassereinlauf.
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Dem Gegenstromwärmetauscher kann ein zusätzliches Ventil oder eine Pumpe zugeordnet sein. Dies kann man gemäß einer Alternative einsparen, wenn man einen Saugheber benutzt. Der Saugheber könnte im obigen Beispiel etwa auf 3,5 Liter eingestellt sein. Beim Wärmetauschervorgang würde man lediglich 3,4 Liter Frischwasser einfüllen. Erst nach Abschluss des Abpumpvorganges würden weitere 0,2 Liter in den Tank gelassen, die den Saugheber dann auslösen.
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Der Gegenstromwärmetauscher kann außerhalb der Spülmaschine angeordnet sein. Er kann selbstverständlich auch in die Maschine eingebaut werden. Hierbei macht sich allerdings der Bauraum für den Tank und für den Gegenstromwärmetauscher negativ bemerkbar.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Einsatz von PCM-Materialien (Phase-Change-Materials) vorgeschlagen. Diese Materialien speichern lediglich die im Wasser enthaltene Wärmeenergie. Hierbei geht der Hauptvorteil eines Gegenstromwärmetauschers, nämlich sein hoher Wirkungsgrad, verloren, da das PCM-Material mit einer festen Umwandlungstemperatur genau zwischen der Frisch- und der Abwassertemperatur arbeitet. So ist der maximale theoretische Wirkungsgrad mit 50% nur halb so hoch wie bei einem herkömmlichen Gegenstromwärmetauscher. Berücksichtigt man übliche Wärmetauscherverluste, ist er noch niedriger. Bei drei verschiedenen PCM-Materialien lässt sich im obigen Beispiel der Wirkungsgrad auf 60% steigern.
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Innerhalb eines Programmablaufs benötigen Wärmetauscher und Speichertank keine besondere Wärmeisolation, da die Speicherzeit nur eine bzw. nur einige Minuten beträgt. Soll hingegen die Wärmeenergie des letzten Abwassers des Vorprogramms für den ersten Spülgang des nächsten Programmablaufs genutzt werden, ist eine aufwendige Isolation notwendig. Vakuumpaneele, wie sie für Gebäudeisolation verwendet werden, haben nicht nur eine vier mal bessere Wärmedämmung, sondern auch einen für die Hausgeräte interessantes Preis-Leistungs-Verhältnis. Damit lässt sich die notwendige Isolationsstärke auf 10 bis 15 mm reduzieren.
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Gemäß der Erfindung wird somit vorgeschlagen, dass der Wärmetauscher aus einem Gegenstromwärmetauscher besteht, mit dem das zugeführte Frischwasser erwärmt wird. Dabei ist der Gegenstromwärmetauscher über den Abführstutzen für das erwärmte Frischwasser mit einem Speichertank zur Zwischenspeicherung der Spülflüssigkeit des erwärmten Frischwassers verbunden. Aufgrund dieser Ausbildung wird erreicht, dass es zu keiner Vermischung mit dem aus dem Spülbehälter abgeführten Spülwasser, also Abwasser und mit dem erwärmten zugeführten Frischwasser kommt. Dabei sind in dem Wärmetauscher die Volumenströme von abgeführter Spülcharge sowie Frischwasser zeitlich aufeinander abgestimmt, wobei der Volumenstrom der Spülcharge mittels eines drehzahlgeregten Motors für die Laugenpumpe einstellbar und gesteuert wird, so das der Zu- und der Ablaufvorgang gleichzeitig erfolgt und die gleiche Länge aufweist.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung verfügt der Speichertank über eine Pumpe oder ein Ventil, das mit dem Spülbehälter zur Entleerung in Verbindung steht. Um insbesondere hierbei eine Pumpe oder ein Ventil einsparen zu können, besteht auch die Möglichkeit, dass der Speichertank mit einem Saugheber zur Entleerung zusammenwirkt.
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Nach der Erfindung können der Gegenstromwärmetauscher und / oder der Speichertank im Gerätegehäuse oder außerhalb des Gerätegehäuses angeordnet sein.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann zur Einsparung des Speichertanks auch vorgesehen sein, dass der Gegenstromwärmetauscher ein wärmespeicherndes Material, vorzugweise PCM-Material, umfasst. Diese Materialien, z.B. Salzhydrate oder Paraffine, haben bei bestimmten Temperaturen einen Phasenübergang von fest nach flüssig und nehmen dabei große Mengen an Wärmeenergie auf, die sie beim entgegengesetzten Übergang von flüssig nach fest wieder abgeben können. Dabei wird nicht die Wassermenge eines Spülganges zwischengespeichert, sondern lediglich die im Wasser enthaltene Wärmemenge. Das PCM-Material ist dabei zwischen den beiden in entgegengesetzter Richtung durch den Gegenstromwärmetauscher hindurchgeleiteten Volumenströmen, d.h. das Frischwasser und das Abwasser, angeordnet. Es steht somit mit beiden Volumenströmen unmittelbar in wärmeleitendem Kontakt und stellt eine Begrenzungsfläche zwischen beiden Strömen, also zwischen Frischwasserseite und Abwasserseite des Gegenstromwärmetauschers dar.
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Dabei ist der Gegenstromwärmetauscher vorzugsweise mit mehreren, voneinander unterschiedliche Phasenumwandlungstemperaturen aufweisende PCM-Materialen bestückt. Vorzugsweise weist der Gegenstromwärmetauscher in einem in Einspeisungsrichtung des Frischwassers in den Gegenstromwärmetauscher ersten Abschnitt des Gegenstromwärmetauschers ein PCM-Material mit einer ersten Phasenumwandlungstemperatur und in einem in Einspeisungsrichtung des Frischwassers dem ersten Abschnitt nachfolgenden zweiten Abschnitt ein PCM-Material mit einer gegenüber der ersten Phasenumwandlungstemperatur höheren zweiten Phasenumwandlungstemperatur auf. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung vom Abwasser auf das Frischwasser weiter gesteigert werden. Eine weitere Verbesserung wird mit einer Aufteilung in noch mehr Abschnitte mit unterschiedlichen Phasenumwandlungstemperatur erzielt. So sind etwa nach einer vorteilhaften Ausgestaltung in dem Gegenstromwärmetauscher zumindest drei Abschnitte mit hinsichtlich ihrer Phasenumwandlungstemperaturen unterschiedlichem PCM-Material vorgesehen. Dabei wird in einem in Einspeisungsrichtung des Frischwassers ersten Abschnitt des Gegenstromwärmetauschers ein PCM-Material mit einer Phasenumwandlungstemperatur T1 verwendet, in mindestens einem mittleren Abschnitt ein PCM-Material mit einer Phasenumwandlungstemperatur T2, und in einem in Einspeisungsrichtung des Frischwassers letzten Abschnitt ein PCM-Material mit einer Phasenumwandlungstemperatur T3 vorgesehen. Dabei ist T1 < T2 < T3 oder allgemeiner T1 < ... < Ti < Ti+1 < ... < Tn. Anders ausgedrückt weist jeder dem in Einspeisungsrichtung des Frischwassers ersten Abschnitt nachfolgende Abschnitt eine höhere Phasenumwandlungstemperatur auf als der unmittelbar vorangehende Abschnitt. Bei einem praktikablen Beispiel mit drei Abschnitten liegt T1 zwischen 21°C und 27°C, insbesondere bei etwa 24°C, T2 zwischen 27°C und 33°C, insbesondere bei etwa 30°C, und T3 zwischen 33°C und 39°C, insbesondere bei etwa 36°C.
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Um insbesondere auch die Wärmekapazität in den Behältnissen wie dem Speichertank vorhalten zu können wird auch vorgeschlagen, dass der Gegenstromwärmetauscher sowie der Speichertank wärmeisoliert ausgeführt sind.
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Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Erwärmung der Frischwasserzufuhr einer Spülmaschine, welche in einem Gehäuse einen Spülbehälter zur Aufnahme und zur Reinigung von Geschirr umfasst, und zwischen dem Spülbehälter und der Frischwasserzuleitung ein Wärmetauscher vorgesehen ist, über den das warme Abwasser zur Erwärmung des zugeführten Frischwasser genutzt wird. Dabei wird das Abwasser über einen Gegenstromwärmetauscher geleitet, wobei das abgepumpte Abwasser und das zu erwärmende zugeführte Frischwasser gleichzeitig abgeführt und zugeführt wird, wobei das erwärmte Frischwasser einer Spülcharge in einem Speichertank zwischengespeichert wird, bevor es in den Spülbehälter geleitet wird. Die Entnahme des erwärmten Frischwassers wird aus dem Speichertank über eine Pumpe oder ein Ventil entnommen. Alternativ kann auch das erwärmte Frischwasser aus dem Speichertank mittels eines Saughebers extrahiert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:
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1 eine Skizze einer Spülmaschine mit dem Gegenstromwärmetauscher sowie der Einbindung eines Speichertanks;
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2 eine Prinzipskizze des Gegenstromwärmetauschers mit der Einbindung von PCM-Material; sowie
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3 eine weitere Prinzipskizze des Gegenstromwärmetauschers mit PCM-Materialien unterschiedlicher Ausgestaltung.
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Die 1 zeigt in der Prinzipskizze ein Haushaltsgerät 1 wie beispielsweise eine Spülmaschine. Die Spülmaschine 1 umfasst hierbei einen in einem Gehäuse angeordneten Spülbehälter 2 zur Aufnahme und zur Reinigung von Geschirr. Der Spülbehälter 2 steht hierbei in Wirkverbindung mit einem Wärmetauscher 3 der mit einer Frischwasserzuleitung 4 verbunden ist, wobei zwischen dem Spülbehälter 2 und der Frischwasserzuleitung 4 der Wärmetauscher vorgesehen ist, über den das warme Abwasser zur Erwärmung des zugeführten Frischwasser abgeführt wird. Der Wärmetauscher 3 besteht aus einem Gegenstromwärmetauscher, mit dem eine Spülcharge des zugeführten Frischwassers erwärmt wird.
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Der Gegenstromwärmetauscher 3 ist über einen Abführstutzen 5 für das erwärmte Frischwasser mit einem Speichertank 6 zur Zwischenspeicherung der Spülcharge des erwärmten Frischwassers verbunden. Hierbei steht der Speichertank 6 über eine Pumpe oder ein Ventil 7 mit dem Spülbehälter 2 zur Entleerung in Wirkverbindung. Der Speichertank 6 kann hierbei auch mit einem nicht näher dargestellten Saugheber zur Entleerung zusammenwirken. Wie in der 1 dargestellt, sind der Gegenstromwärmetauscher 3 und der Speichertank 6 außerhalb des Gerätegehäuses angeordnet. Eine Integrierung beider Teil in das Gerätegehäuse ist ebenfalls denkbar.
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Was insbesondere eine Weiterbildung des Gegenstromwärmetauschers 3 betrifft, dargestellt in der 2 und 3, weist der Gegenstromwärmetauscher 3 hierbei wärmespeichernde Materialien, vorzugsweise PCM-Materialien, auf. Bei den PCM-Materialien kann es sich beispielsweise um Salzhydrate oder Paraffine handeln.
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Eine weitere, den Wirkungsgrad verbessernde Variante des Gegenstromwärmetauschers 3 ist hierbei in der 3 dargestellt, wobei bei der Ausgestaltung des Gegenstromwärmetauschers 3 gemäß der 3 mit unterschiedlichen PCM-Materialien in dem Gegenstromwärmetauscher 3 gearbeitet wird, wobei diese Materialien entsprechend der Wärmeübertragung von 24 auf 30 bis 36 Grad gesteigert werden. Auch können dann dabei der Gegenstromwärmetauscher 3 sowie der Speichertank 6 wärmeisoliert ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Haushaltsgerät
- 02
- Spülbehälter
- 03
- Gegenstromwärmetauschers
- 04
- Frischwasserzuleitung
- 05
- Abführstutzen
- 06
- Speichertank
- 07
- Pumpe / Ventil
