DE3113471A1

DE3113471A1 - Trockengeraet mit waermepumpe

Info

Publication number: DE3113471A1
Application number: DE19813113471
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr.rer.nat. 7900 Ulm Ricker
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1981-04-03
Filing date: 1981-04-03
Publication date: 1982-10-21

Description

Trockengerät mit Wärmepumpe
Die Erfindung betrifft ein Trockengerät der im Oberbegriff des Patentanspruchs 4 angegebenen Art und findet insbesondere vorteilhafte Verwendung als Haushalts-Wäschetrockner.
Die vom Aufbau her am e#infachsten gestalteten Trockengeräte dieser Art sind bekannt als Ablufttrockner. Sie verwenden zur Trocknung des Trockenguts Luft aus der Umgebung des Geräts, die iiber eine Widerstandsheizung erhitzt und über das Trockengut geblasen wird. Dabei wird das Trockengut, also z. B. die feuchte Wäsche, durch Feuchtigkeitsabgabe an die erhitzte Luft getrocknet. Die feuchte Luft wird aus dem Gerät in die Umgebung abgeblasen. Durch die Abgabe feuchter Luft an die Umgebung können sol Geräte nur in Verbindung mit einer Abluftleitung ins Freie betrieben werden.
Dieser Aufwand wird vermieden bei den Kondensationstrocknern. Hier wird die Trockenluft in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt, wobei wiederum zum Trocknen die umgewälzte Luft über eine Widerstandsheizung erhitzt wird. Die feuchte Luft nach dem Durchgang durch das Trockengut wird jedoch nicht in die Umgebung geblasen, sondern über einen luft- oder wassergekühlten Kondensator gekiihlt, entfeuchtet und über die Widerstandsheizung erneut dem Trockengut zugeführt. Der beim Ablufttrockner erforderliche Aufwand des Lufttransports ins Freie ist beim Kondensationstrockner ersetzt durch die flexibler zu gestaltende Anordnung des Kondensators.
Die dem Trockengut entzogene Feuchtigkeit kann auf einfache Weise als Kondenswasser in einem Behälter aufgefangen werden. Dem Ablufttrockner und dem Kondensationstrockner gemeinsam ist der gravierende Nachteil des hohen Energieverbrauchs. Beim Ablufttrockner wird die feucht-warme Luft ins Freie geleitet, beim Kondensationstrockner wird die für den Trockenvorgang aufzuwendende Energie über den Kondensator an das Kühlmittel Luft oder Wasser abgegeben und geht damit gleichfalls verloren. Der Aspekt des okonomischen Einsatzes elektrischer Energie wird jedoch kiinftig in immer stärkerem Maße bei der Auswahl eines Geräts an Bedeutung gewinnen.
Es existieren auch bereits Vorschläge zur effektiveren Nutzung der eingesetzten elektrischen Energie durch Verwendung von Wärmepumpen anstelle der Widerstandsheizung und der von außen gekühlten Kondensatoren (Elektrizität 11/73, Seiten 329-333). Die nach dem Trocknungsvorgang feuchte und warme Luft wird am Kondensator der Wärmepumpe abgekühlt und entfeuchtet. Die dabei durch die Temperatursenkung und die Kondensation des Wassers abgegebene Wärmeenergie wird genutzt, um den Heizkörper der W irllleI mFBe zu erhitzen. Die Bezeichnungen Kondensator und Heizkörper der Wärmepumpe beziehen sich dabei und im folgenden auf die Funktionsweise dieser Vorrichtungen aus der Sicht der umgewälzten Luft. Der Heizkörper der Wärmepume ist also der Wärmetauscher des Hochdruckteils der Wirmepumpe, in welchem das Arbeitsmittel der Wirmepllmpc verdichtet bzw. verflüssigt wird. Der Kondensator der Wärmepumpe ist der Wärmetauscher im Niederdruckteil der Wärmepumpe, in welchem das Arbeitsmittel der Wärmepumpe entspannt bzw. verdampft wird. Die dem Trockengut zuzuführende Luft wird über den Heizkörper der Wärmepumpe geleitet und dabei erwärmt. Sowohl Ausführungen mit einem gegen die Umgebung abgeschlossenen Luftkreislauf als auch solche mit offener Luftumwälzung sind bekannt. Von außen zugeführt werden muß nur noch die elektrische Energie für den Kompressor der Wärmepumpe. Aus Kosten- und Platzgründen kommt in der Uberzahl der Einsatzfälle nur die Verwendung von kleinen Wärmepumpen in Betracht. Der elektrische Anschlußwert fjr eint# dernrt j #e Wiirmepulupe beträgt nur noch ca. 10-20 9' der für einen Abluft- oder Kondensationstrockner üblicherweise anzusetzenden Heizleistung. Nachteilig an einem derartigen Trockner mit Wärmepumpe ist jedoch die gegenüber Abluft- oder Kondensationstrockner lange Trocknungszeit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Trockengerät der eingangs genannten Art anzugeben, welches bei geringem Leistungsverbrauch Trocknungszeiten ermöglicht, welche denen der Abluft- oder Kondensationstrockner vergleichbar sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Trockengerät mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Anordnung der zusätzlichen Widerstandsheizung läuft der mit dem Einsatz der Wärmepumpe verfolgten Richtung geringeren Leistungsverbrauchs scheinbar entgegen und ist von daher vom Stand der Technik ausgehend nicht naheliegend. Sie bringt jedoch bereits bei geringer Leistung der Widerstandsnachheizung weuentliche unerwartete Vorteile, welche den scheinbaren Nachteil des höheren Anschlußwertes mehr als ausgleichen.
Die Erfindung und die sich aus ihr ergebenden Vorteile sind im folgenden anhand der Abbildungen noch veranschaulicht. FIG. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Trommel-Wäschetrockners (Tumbl er) mit geschlossenem Umluftkreislauf. In FIG. 2 ist in einem Zustandsdiagramm mit der absoluten Feuchte der umgewälzten Luft als Abszissengröße und der Temperatur auf der Ordinate schematisch der Zyklus eingezeichnet, den die umgewälzte Luft im Kreislauf durchläuft. Der eingezeiclmete Zyklus wird dabei im Uhrzeigersinn durchlaufen.
Zum besseren Verständnis sind noch zwei Kurven konstanter relativer Feuchte eingetragen, wobei die Kurve mit 100 % relativer Feuchte auch als Taukurve bekannt ist.
Die Ausführung des Trockengeräts mit geschlossenem Kreislauf hat gegenüber einer Ausführung mit offener Luftumwälzung den Vorteil, daß die Umgebung des Gerätes nicht der Abluft ausgesetzt ist, und für den Fall, daß die Luft nach der Kiihltrocknung noch deutlich üoer der Zimmert:mperaÜtr liegt; den Vorteil, daß tlie in dieser Abluft n@ch enthaltene Wärmeenergie nicht verlorengeht. Beim Passieren des Raums T, in dem sich die zu trocknende Wische befindet, die beispielsweise durch die rotierende Wäschetrommel mitgenommen wird und dabei immer wieder durch den trocknenden Luftstrom fällt, durchläuft im stationären Zustand das Luft-Wasserdampf-Gemisch eine Kurve konstanter Enthalpie (genauer: konstanter Kühlgrenztemperatur) und erreicht im Zustandsdiagramm den Punkt b. Die relative Feuchte der Luft zu diesem Zeitpunkt beträgt, wie aus gemessenen Werten zu entnehmen ist, durchschnittlich ungefähr 50 %. Im weiteren Verlauf des Kreislaufs gelangt die feuchte Luft zum Kondensator K der Wärmepumpe und wird dort abgekühlt. Im ersten Schritt der Abkühlung bleibt die absolute Feuchte der Luft erhalten, da noch keine Sättigung erreicht wird.
Die relative Feuchte der Luft nimmt in diesem Verlauf zu bis - zumindest für Teile der Luftmenge - der Taupunkt, d. h. 100 % relative Feuchte erreicht sind. Dies entspricht im Zustandsdiagramm dem Punkt c. Im weiteren Verlauf der Abkühlung ist die Temperatur und absolute Feuchte der Luft durch die Taukurve im Zustandsdiagramm vorgegeben. Hierbei kondensiert aus der feuchten Luft Wasser am Kondensator der Wärmepumpe aus und gibt dabei die Kondensationswärme an den Kondensator bzw. das darin enthaltene Arbeitsmittel der Wärmepumpe ab. Das kondensierte Wasser kann in eine Auffangwanne W abfließen.
Die aus dem Kondensator austretende Luft befindet sich im Zustandsdiagramm am Punkt b. Auf dem weiteren Weg im Kreislauf bis zum Trockengut bleibt die absolute Feuchte der Luft unverändert und wird lediglich an verschiedenen Punkten des Kreislaufs erwärmt, wodurch sich die relative Feuchte stark verringert. Das im Kondensator K erwärmte Arbeitsmittel der Wärmepumpe wird unter Temperaturzunahme durch den Kompressor M in den Heizkörper H der Wärmepumpe verdichtet und im allgemeinen dabei verflüssigt.
Der Heizkörper der Wärmepumpe hat daher für das Arbeitsmittel die Funktion eines Verfliissigers, bzw. Kondensators, was jedoch nicht zum verwechseln ist mit dem Kondensator im Sinne der vorliegenden Beschreibung, an welchem Wasser aus der feuchten Luft kondensiert und der für das Arbeitsmedium der Wärmepumpe als Verdampfer wirkt.
Das komprimierte und dabei erhitzte Arbeitsmittel gibt über den Heizkörper H Wärme an die durchströmende Luft ab, wodurch diese ihren Zustand im Diagramm von d nach a verlagert.
Da der Kompressor nicht ideal arbeitet, sondern Leistung verbraucht, die nicht der Wärmeübertragung vom Kondensator zum Heizkörper zu Nutze gemacht werden kann, sieht eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung vor, den Kompressor M vor dem Heizkörper so anzuordnen, daß die umgewälzte Luft auch zur Kühlung des Kompressors dient.
Hierdurch wird auch die Verlustleistung des Kompressors zur ersten Erwärmung der Luft ausgenutzt. Der Ventilator V, der im dargestellten Beispiel hinter dem Heizkörper angeordnet ist, sorgt für die Umwälzung der Luft. Die soweit beschriebene Anordnung entspricht größtenteils bereits bekannten Anordnungen von Wäschetrocknern mit Wärmepumpe. Die erwärmte Luft durchströmt erneut den Raum T mit der feuchten Wäsche, nimmt dabei unter Abkühlung Feuchtigkeit auf und kehrt zum Ausgangspunkt b des Kreislaufs zurück.
Die erfindungsgemäße Neuerung sieht nun eine nach dem Heizkörper H der Wärmepumpe angeordnete, zusätzliche Nachheizung in Form einer Widerstandsheizung vor. Eine günstige Ausführungsform weist dabei eine Widerstandsheizung Rt im Luftstrom zwischen dem Heizkörper der Wärmepumpe und dem Trockengut auf. Durch diese Maßnahme wird bei sonst gleichem Aufbau gegenüber einem Gerät ohne Widerstgldsheiæung die Mittentemperatur des im Diagramm dargestellten Zyklus zu höheren Temperaturen verschoben. Es zeigt sich, daß hierdurch zum einen pro Umwälzzyklus bedeutend mehr Wasser aus der Wäsche aufgenommen und an den Kondensator der Wärmepumpe abgegeben wird. Hierdurch wird die Trockenzeit eines erfindungsgemäßen Trockengerätes gegenüber bekannten Geraten mit Wärmepumpe deutlich verringert. Die Aufteilung der Erhitzung der Luft durch den Heizkörper der Wärmepumpe zum einen und die nachfolgende Widerstandshei#ung zum andern ist im Diagramm durch den Zwischenzustand a' dargestellt.
Der Arbeitszyklus eines Trockengeräts mit Wärmepumpe ohne zusätzliche Nachheizung liegt also im Diagramm der FIG. 2 gegenüber dem Arbeitszyklus eines vergleichbaren erfindungsgemäi#en Gerätes weiter links bei tieferen Temperaturen und geringerer absoluter Feuchte.
Thermodynamische Betrachtungen unter Einbeziehung der Krümmung der Taukurve führen darüber hinaus zu dem Ergebnis, daß die Wärmepumpe durch die zusätzliche Nachheizung und die damit verbundene Verlagerung des Arbeitszyklus deutlich wirkungsvoller arbeiten kann. Durch effektivere Ausnutzung der der Wärmepumpe von außen zugeführten Leistung wird zum einen die Trockenzeit verringert und kann zum andern eine Wärmepumpe mit geringerer ~leistungsaufnahme eingesetzt werden. Da während der Trockenzeit nicht nur die Wärmepumpe, sondern auch der Trommelantrieb und der Ventilator Leistung aufnehmen, ergibt sich durch Verkürzung der Trockenzeit auch eine Verringerung der hierfür verbrauchten Energie, welche den höheren Anschlußwert für die Nachheizung wenn nicht aufhebt, so doch zumindest weitgehend ausgleicht.
Weiter ergibt der Einsatz der zusätzlichen Nachheizung die Möglichkeit, die Heizleistung bequem zu verändern und z. B. nach einem vorgegebenen Programm zu steuern.
Für verschiedene Fälle kann vorteilhafterweise eine Auswahlmöglichkeit unter mehreren Programmen, die auch ein Sparprogramm für ein nur teilweise gefülltes Gerät umfassen, getroffen werden. Weiter bietet sich die vorteilhafte Möglichkeit, die Heizleistung in Abhängigkeit von der Situation im Gerät, beispielsweise des Trockenzustandes der Wäsche, zu regeln. Dies kann z. B. durch Bestimmung der Feuchte und Temperatur der Luft vor dem Kondensator der Wärmepumpe mittels entsprechender Sensoren erfolgen. Die Heizleistung der Wärmepumpe ist nicht regulierbar, wodurch die bekannten Geräte gegenüber dem erfindungsgemäßen Trockengerät wesentlich unflexibler sind. So kann z. B. gegen Ende der Trockenzeit die Heizleistung der Nachheizung ganz abgeschaltet und die Wäsche mit der nur noch durch die Wärmepumpe erwärmten und dadurch deutlich kühleren Luft durchgeblasen werden. Dies bringt wieder Einsparung von Energie dadurch, daß beim Ende des Trocknungsgangs die Wäsche eine geringere Temperatur aufweist und somit weniger Energie bei der Entleerung des Geräts an die Umgebung abgegeben wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, die zusätzliche Nachheizung ganz oder zumindest teilweise so anzuordnen, daß durch diese Heizung nicht die Luft vor dem Trockengut1 sondern das Trockengut selbst erwärmt wird. Hierdurch wird die maximal auftretende Temperatur herabgesetzt, ohne daß die Wasseraufnahme vom Trockengut in den Luftstrom verschlechtert wird. Die Wärmeenergie, die ohne die direkte Heizung des Trockenguts von dem heißen Luftstrom aufgebracht werden mu, um das Wasser zu erhitzen und zu verdampfen, wird bei dieser vorteilhaften Ausführungsform dem Wasser im Gewebe direkt zugeführt. Vorteilhaft ist diese Maßnahme vor allem bei empfindlichen Geweben wie Wolle oder Synthetiks. Im Zustandsdiagramm der FIG. 2 verlauft der Kreislauf der umgewälzten Luft bei der Aufheizung dann nur noch bis zum Punkt a' und von dort ohne weitere Aufheizung direkt zum Punkt b (unterbrochene Linie). Bei gleicher Wasseraufnahme, d. h. Zunahme der absoluten Feuchte, ist der Temperaturabfall, der bei der Verdampfung des Wassers durch Wärmeentzug aus dem Luftstrom auftritt, geringer als bei der Anordnung ohne Heizung des Trockenguts. Bei einem Wäschetrockner mit rotierender Trommel ist hierzu die Heizung der Trommelwand vorgesehen. Dies kann durch Anordnen der Heizelemente auf der Aul3enwand der Trommel geschehen oder aber auch durch Anordnen der Heizelemente an dem der TrommelwandvE gegenüberliegenden Gehäuseteil und Übertragung der Wärme durch Strahlung.
Als besonders günstig erweist es sich, wenn die Wärmeleistung der Wärmepumpe gleich groß bis doppelt so groß ist wie die Wärmeleistung der Nachheizung.
Das folgende Zahlenbeispiel vergleicht noch grob die bei einem erfindungsgemäßen Trockengerät zu erwartenden Werte für Energieverbrauch und Trockenzeit mit den Werten für bekannte Anordnungen: Bei 4 kg Trockenwäsche sind erfahrungsgemäß rund 2 Liter Wasser bei der Trocknung zu verdampfen, wofür eine Wärmemenge von rund 1080 kcal = 1,255 kWh aufzuwenden ist. Trockner ohne Wärmepumpe mit einem Heizungsanschlußwert von 2,4 kW benötigen hierzu knapp eine Stunde Trockenzeit, so daß von einem Wärmeverlust von rund 1,2 kWh nach außen ausgegangen werden kann. Die Wärmeabgabe nach außen erfolgt dabei in erster Linie über das Kühlmittel Luft bzw. Wasser. Ein erfindungsgemäßes Trockengerät habe eine Leistungsaufnahme von 300 W für die Wärmepumpe und 500 W für die Nachheizung. Da der Kompressor der Wärmepumpe nicht ideal sein mann, sei von einem Wirkungsgrad für den Verdichter von ca. 0,5 ausgegangen, was bedeutet, daß für den Betrieb der Wärmepumpe effektiv nur 150 W wirksam werden und die weiteren 150 W der aufgenommenen Leistung als Verlustleistung des Motors direkt zur Kühlung des Luftstroms genutzt werden. Bei einer oberen Betriebstemperatur der Wärmepumpe TH = 360 K und einer unteren Temperatur von Etc = 310 E ergibt sich für die Leistungsziffer L der Wärmepumpe nach der bekannten Beziehung L = TH / (TH-~) eine Wärmeziffer von L = 7,2. Bei einer effektiven zugeführten Arbeitsleistung von 150 W kann mit der Wärmepumpe damit eine Wärmeleistung von rund 1 kW aufgebracht werden. Zusammen mit der Verlustleistung des Motors und der Leistung der Nachheizung ergibt sich damit eine verfügbare Heizleistung von 1,65 kW bei einem Anschlußwert von 800 W. Dies bedeutet eine Energieeinsparung von rund 50 96 gegenüber einer reinen Widerstandsheizung. Da die Wärmeverluste nach außen wesentlich geringer sind und im wesentlichen nur noch durch Wärmeübertragung durch die Gehäusewandungen erfolgen, verbessert sich dieses Verhältnis noch mehr zugunsten des erfindungsgemäßen Gerätes.
Der Einsatz einer Wärmepumpe ohne Nachheizung bringt in der Energiebilanz keine wesentliche Verbesserung, da die Trockenzeiten bedeutend höher sind (rund doppelt so hoch) und dadurch die Ersparnis der zusätzlichen Nachheizung sich negativ durch längeren Betrieb mit Leistungsverbrauch durch Trommelantrieb und Luftumwälzung (ca. 300 W) auswirkt. Die eventuelle geringfügige Energieeinsparung rechtfertigt hier nicht die wesentlich längere Trocknungszeit oder die höheren Kosten einer größeren Wärmepumpe.

Claims

Patentansprüche 1. Trockengerät, insbesondere Kondensations-Wäschetrockner, mit einer Wärmepumpe, bei-welchem der Luftstrom am Heizkörper (H) (Wärmetauscher im ochdruckteil der Wärmepumpe) erwärmt und dem Trockengut zugeleitet wird, dabei dem Trockengut Feuchtigkeit entzieht und am Kondensator (K) (Wärmetauscher des Verdampfers bzw.

Niederdruckteils der Wärmepumpe) abgekühlt und entfeuchtet wird, gekennzeichnet durch eine zusätzliche, nach dem Heizkörper (H) der Wärmepumpe angeordnete Widerstandsheizung (Rt, rot).
2. Trockengerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird.
3. Trockengerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizung (RL) im Luftstrom zwischen der Wärmepumpe und dem Trockengut ang#onint)t; ist.
4. Trockengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsheizung (rot) zumindest teilweise so angeordnet ist, daß sie unabhängig vom Luftstrom eine Erwärmung des Trockenguts bewirkt.
5. Trockengerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Wäschetrockner mit rotierender Trommel die Trommelwandung heizbar ist.
6. Trockengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (M) der Wärmepumpe im Luftstrom vor dem Heizkörper (H) angeordnet ist und seine Abwärme genutzt wird.
7. Trockengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung der Widerstandsheizung veränderbar ist.
8. Trockeri#erät; nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, clalS eine Programmsteuerung der W1.derstandsheizung vorgesehen ist.
9. Trockengerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Programme zur Auswahl vorgesehen sind.
10. Trockengerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch eine Kontroll- und Regeleinrichtung, die die Heizleistung der Widerstandsheizung in Abhängigkeit der Situation im Gerät, beisplelsweise nach Maßgabe der Temperatur und Feuchte der Umluft, regelt.
11. Trockengerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeicinet, daß das Verhältnis von Wärmeleistung der Wärmepumpe und Leistung der Widerstandsheizung Werte zwischen 1:1 und 3:1 aufweist.