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Trockengerät mit Wärmepumpe
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Die Erfindung betrifft ein Trockengerät der im Oberbegriff des Patentanspruchs
4 angegebenen Art und findet insbesondere vorteilhafte Verwendung als Haushalts-Wäschetrockner.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zum besseren Verständnis sind noch zwei Kurven konstanter relativer
Feuchte eingetragen, wobei die Kurve mit 100 % relativer Feuchte auch als Taukurve
bekannt ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weiter ergibt der Einsatz der zusätzlichen Nachheizung die Möglichkeit,
die Heizleistung bequem zu verändern und z. B. nach einem vorgegebenen Programm
zu steuern.
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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.
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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.
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Als besonders günstig erweist es sich, wenn die Wärmeleistung der
Wärmepumpe gleich groß bis doppelt so groß ist wie die Wärmeleistung der Nachheizung.
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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.
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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.