-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des
Energieverbrauchs einer Maschine zum Trocknen von Wäsche, die
in einer Trommel angeordnet ist, durch Luftzug.
-
Maschinen
wie etwa Trockner und Waschtrocknermaschinen verbrauchen viel Energie,
um das Trocknen der Wäsche
zu gewährleisten.
Der Grund dafür
besteht darin, dass zur Reduzierung der Trocknungsdauer die Trocknungsleistung
gesteigert werden muss, um die Temperatur der Trocknungsluft zu
erhöhen,
wodurch die Verdampfungsgeschwindigkeit des in der Wäsche enthaltenen
Wassers erhöht wird,
jedoch den Nebeneffekt hat, die Wärmeverluste zu erhöhen.
-
Neben
diesem Nachteil des hohen Energieverbrauchs haben diese Maschinen
hohe Betriebstemperaturen. Folglich sind die Wäsche und Bauteile der Maschinen
Temperaturen ausgesetzt, die nahe der tolerierbaren Grenzen sind,
was eine Beschädigungsgefahr
für die
Wäsche
und eine Verbrennungsgefahr für
den Benutzer darstellt und die Verwendung von wärmebeständigen Materialien zur Herstellung dieser
Maschinen erfordert und somit zu einem hohen Selbstkostenpreis führt.
-
Aus
den Dokumenten US-A-4 112 589, DE-A-2 537 821, US-A-3 508 340, DE-A-3
820 815 und EP-A-O 428 846 sind beispielsweise Trockner bekannt,
bei denen empfohlen wird, die Heizleistung am Ende des Zyklus zu
reduzieren, keines dieser Dokumente schlägt jedoch eine Lösung zur
Beschränkung
der Dauer des Trocknungsvorgangs bei gleichzeitiger, vollständiger oder
nahezu vollständiger
Austrocknung der Wäsche
vor, da die Reduzierung der Heizleistung zu einer, möglicherweise
nicht erlaubten, Verlängerung
der Trocknungsdauer führt.
-
Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Trocknen von Wäsche in
einer Rotationstrommel, wobei das Verfahren energiesparend sein
soll, ohne dabei die Dauer des Trocknungsvorgangs in für den Benutzer
inakzeptabler Weise zu verlängern,
und weder für
seine Produkte oder Materialien noch für den Benutzer Gefahren aufweist.
-
Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist auch eine Maschine, die ein derartiges
Verfahren anwendet und deren Herstellungskosten nicht höher liegen
als bei den bekannten Maschinen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist ein Verfahren zum Trocknen einer Wäscheladung in einem Trockner
oder einer Waschtrocknermaschine mit einer Rotationstrommel, wobei
dieses Verfahren eine erste Phase (P1) der Erhöhung der Temperatur und der
Stabilisierung bei einer gegebenen Temperatur aufweist, während der
die Baugruppe mit den Strukturen der Maschine, der zu trocknenden
Wäsche
und der Trocknungsluft erwärmt
wird, eine zweite Phase (P2) des Trocknungsvorgangs, in der die der
Trocknungsluft zugeführte
Wärme vorrangig dazu
dient, das in der Wäsche
enthaltene Wasser verdampfen zu lassen, und eine dritte Phase (P3) des
Trocknungsendes für
die Verdampfung des im „Zentrum" der Wäschefasern
verbleibenden Wassers, wenn das am Rand dieser Fasern enthaltene Wasser
verdampft wurde, wobei die Rotation der Trommel in eine Richtung
einen Durchsatz der Trocknungsluft bewirkt, der größer ist
als der Luftdurchsatz, der erreicht wird, wenn die Trommel in die
entgegengesetzte Richtung dreht, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Optimierung des Energieverbrauchs die Trommel in den drei Trocknungsphasen abwechselnd
in eine Rotationsrichtung, dann in die andere Richtung angetrieben
wird, und dass in der dritten Phase (P3) der Durchsatz der Trocknungsluft sinkt,
wobei diese Senkung dadurch erreicht wird, dass das Verhältnis der
Rotationsdauern der Trommel in jede Rotationsrichtung geändert wird.
-
Die
vorliegende Erfindung wird beim Lesen der ausführlichen Beschreibung eines
beispielhaften Ausführungsbeispiels,
das nicht einschränkend
und in der beigefügten
Zeichnung dargestellt ist, besser verstanden. Darin zeigen:
-
1 ein
Steuerungsdiagramm der Temperatur einer Ladung feuchter Wäsche, die
einem Trocknungsvorgang ausgesetzt wird, und
-
2 ein
Steuerungsdiagramm des Betriebs der Trommel und der Heizleistung
der Trocknungsluft in einem erfindungsgemäßen Trocknungsvorgang.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf eine Maschine wie etwa
ein Trockner oder eine Waschtrocknermaschine beschrieben, es ist
jedoch selbstverständlich,
dass sie nicht auf diese Anwendung beschränkt ist und in zahlreichen
weiteren Trocknungsverfahren mit Warmluft angewendet werden kann.
-
Bei
den gegenwärtigen
Trockner wird Luft, die durch den Durchgang durch einen Hochleistungs-Heizwiderstand
(im Allgemeinen 2400 bis 2800 W) ausgetrocknet und auf eine „hohe" Temperatur (etwa
120°) erwärmt wird,
in die Trommel eingeleitet, in der die zu trocknende Wäsche angeordnet ist.
Durch Erhöhen
der Temperatur der Wäsche
ermöglicht
diese Warmluft die Verdampfung des in den Fasern dieser Wäsche enthaltenen
Wassers, und sie nimmt die verdampften Wassermoleküle auf.
Die Verdampfung des Wassers der Wäsche ist umso rascher als die
Temperatur der Wäsche
hoch ist. Andererseits ist die Fähigkeit
der Luft, die Wassermoleküle
aufzunehmen, umso besser als seine Temperatur hoch ist. Doch je
höher die
Temperatur der Trocknungsluft ist, desto höher sind die Wärmeverluste.
Darüber
hinaus wird bei Maschinen mit Abluft diese feuchte Luft mit einer
Temperatur von etwa 60°C
nach außerhalb
der Maschinen ausgestoßen,
was einen zusätzlichen
Energieverlust bedeutet.
-
Erfindungsgemäß erfolgt
das Trocknen derart, dass der Masse der zu trocknenden Wäsche gerade
das Minimum an Energie zugeführt
wird, das erforderlich ist, um das in der Wäsche enthaltene Wasser verdampfen
zu lassen, insbesondere indem die Energie zur Lufterwärmung in
Abhängigkeit
vom Zustand der Wäsche
und den Betriebsbedingungen der Maschine dosiert wird.
-
Folglich
erfolgt das Trocknen der Wäsche
bei „niedriger" Temperatur (diese
Temperatur ist äußerstenfalls
um einige Grad geringfügig
höher als
die Umgebungstemperatur). Um die auf die verminderte Fähigkeit
der Luft, Wasser aufzunehmen, zürückzuführende Senkung
der Verdampfungsgeschwindigkeit des in der Wäsche enthaltenen Wassers zu
kompensieren, wird innerhalb der vom Benutzer geduldeten Grenzen
die Dauer des Trocknungsvorgangs erhöht und die Bedingungen zur
Verwirbelung der Wäsche in
der Maschinentrommel optimiert.
-
Bei
den gegenwärtigen
Maschinen setzen die verschiedenen Trocknungsprogramme im Allgemeinen
fünf Parameter
ein:
- 1) Die Trocknungsdauer – Diese
wird entweder von einem vom Benutzer betätigten Zeitschalter gewählt oder
automatisch durch die Erfassung eines Zustands des „Trocknungsendes" gewählt. Dieser
Zustand kann entweder durch Messung des Widerstands der Wäsche mit
Hilfe von zwei Elektroden, die mit der Wäsche in Kontakt sind, oder
durch Messung der (absoluten oder relativen) Temperatur oder durch
direkte Messung der Feuchtigkeit erfasst werden.
- 2) Der Rotationstakt der Trommel, welche die Wäsche enthält. Diese
Rotation kann in eine einzige Richtung oder abwechselnd in beide
Richtungen gesteuert werden. Im letzten Fall ist das Verhältnis τ zwischen
den Rotationsdauern in jede der beiden Richtungen im Allgemeinen
von 1 verschieden. Es ist z.B. gleich 4/1 (d.h. 80% der Dauer T
einer Periode in eine Richtung und 20% in die andere Richtung).
- 3) Die Dauer T der Taktperiode des Antriebsmotors der Trommel
(d.h. der Zeitraum zwischen zwei Rotationsanläufen in eine gleiche Richtung). Gemäß einem
geläufigen
Beispiel, bei dem T = 4 Min. und wenn τ = 4/1, dauert die Rotation
in eine Richtung 192 s und die Rotation in die andere Richtung 48
s. Es ist jedoch anzumerken, dass Haltezeiten der Trommel (von beispielsweise etwa
4 s) am Ende der Rotation in jede Richtung vorgesehen sind, um die
Trägheit
der Trommel zu berücksichtigen
und die Rotationsrichtung ihres Antriebsmotors nicht plötzlich umzukehren.
- 4) Die Belüftungsdurchsätze. Es
gibt Belüftungsvorrichtungen
mit symmetrischen oder asymmetrischen Blättern. In den meisten Trockner
mit Abluft ist die Belüftungsturbine
fest mit dem Antriebsmotor der Trommel verbunden, um einen Motor einzusparen.
Wenn die Blätter
symmetrisch sind, ist der Luftdurch satz unabhängig von der Rotationsrichtung
der Trommel konstant. Bei asymmetrischen Blättern hängt der Luftdurchsatz von der Rotationsrichtung
der Turbine ab. Man hat beispielsweise einen Luftdurchsatz von 150
m3/h in eine Rotationsrichtung und von 40
m3/h in die andere Richtung.
- 5) Die Heizleistungen der Trocknungsluft. Sie können je
nach Luftdurchsatz verschieden sein: z.B. 2800 W für einem
Durchsatz von 150 m3/h und 1000 W für einen
Durchsatz von 40 m3/h. Bei anderen Maschinen
kann diese Leistung unabhängig
vom Luftdurchsatz konstant sein, beispielsweise 2000 W oder weniger.
-
Erfindungsgemäß ist die
Steuervorrichtung der Maschine eine Regulierungsvorrichtung, die
auf den Durchsatz der Trocknungsluft und auf die Heizleistung einwirkt,
wobei diese Regulierung insbesondere am Ende des Trocknungsvorgangs
(Periode P3 in 1) beispielsweise in Abhängigkeit
vom Austrocknungsgradient der Wäsche
erfolgt. Diese Parameter können
ein einziges Mal verändert
werden (zum Beispiel am Anfang der Periode P3) oder vorzugsweise
kontinuierlich eingestellt werden, um das Trocknen während der
gesamten Periode P3 (und sogar zumindest am Ende der Periode P2)
zu optimieren.
-
Um
die Erfindung besser zu verstehen, werden zunächst die verschiedenen Phänomene dargestellt,
die im Laufe eines Vorgangs zum Trocknen der Wäsche auftreten, wobei der Trocknungsvorgang
in drei Hauptphasen unterteilt werden kann:
- 1)
Phase des Anheizens und der Stabilisierung bei einer gegebenen Temperatur.
Die von der Heizvorrichtung der Maschine gelieferte Wärme dient
hauptsächlich
dazu, die Baugruppe mit den Strukturen der Maschine, der zu trocknenden
Wäsche
und der Trocknungsluft zu erwärmen.
- 2) Phase des Trocknungsvorgangs. Wenn die Baugruppe bis auf
eine Temperatur für
den normalen Betrieb erwärmt
wurde (Betrieb bei einer in etwa stabilen Temperatur), dient die
der Trocknungsluft zugeführte
Wärme vorrangig
dazu, das in der Wäsche
enthaltene Wasser und insbesondere das Wasser, das sich am Rand
der Wäschefasern
befindet, verdampfen zu lassen. Diese Phase dauert zum Beispiel
an, bis eine Trocknungsrate von etwa 20% erreicht worden ist (wobei
die Trocknungsrate als das Verhältnis
zwischen der Masse des in der Wäsche
enthaltenen Wassers und der Masse der trockenen Wäsche definiert
ist).
- 3) Phase des Trocknungsendes. Wenn das am Rand der Wäschefasern
enthaltene Wasser verdampft wurde, dient die von der Trocknungsluft transportierte
Wärme dazu,
das im „Zentrum" der Fasern verbleibende
Wasser zu verdampfen. Dieser Vorgang ist sehr viel langsamer als
der der Verdampfung des am Rand enthaltenen Wassers, da die Wassermoleküle schlecht
zum Rand der Fasern wandern. Es ist dann sehr schwierig, keine Wärme zu verschwenden.
-
Die
gegenwärtigen
Maschinen sind dazu vorgesehen, eine „normalisierte" Wäscheladung
(4,5 kg) in einer minimalen Zeit (im Allgemeinen 90 Min.) zu trocknen.
Dazu verbrauchen sie viel Energie (beispielsweise 800 Wh/kg Wäsche, also
3,6 kWh für
die normalisierte Wäscheladung).
Die Heizleistung ist maximal, um die Temperatur der Baugruppe (Strukturen
der Maschine, Wäsche
und Trocknungsluft) zu erhöhen
und so schnell wie möglich
das in der Wäsche
enthaltene Wasser zu verdampfen. Was die erste und einen Teil der
zweiten Trocknungsphase angeht, so kann ein derartiges Verfahren
als recht wirksam betrachtet werden, da der Großteil der Wärme der Trocknungsluft tatsächlich dazu
dient, die Baugruppe zu erwärmen,
was unvermeidlich ist, und anschließend das Wasser zu verdampfen,
das sich am Rand der Fasern befindet. Am Ende der zweiten Phase
und vor allem während
der dritten Phase findet jedoch ein starker Wärmeverlust statt, da die Wassermoleküle nur langsam
zum Rand der Fasern wandern (um die wenigen Wassermoleküle zu verdampfen,
die zum Rand gelangen, wäre
sehr wenig Wärme
erforderlich) und die Wärmezufuhr
zur Wäsche nicht
optimiert ist.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wirkt während
des gesamten Trocknungsvorgangs auf die beiden oben erwähnten Parameter,
um die Wärmeverluste
zu verringern, wodurch natürlich
die gesamte Trocknungszeit verlängert
wird, ohne dass jedoch die Trocknungszeit gemäß der Erfindung in dem Verhältnis zwischen
der von einer bekannten Maschine verbrauchten Energie und der von
der erfindungsgemäßen Maschine
verbrauchten Energie erhöht
wird.
-
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
zumindest während
des Endes des Trocknungsvorgangs die Heizleistung im Vergleich zum
Stand der Technik deutlich verringert (in einem Verhältnis zwischen
etwa 1/7 und 1/3). Diese Verringerung kann auf mehrere Arten erfolgen:
entweder durch eine Verringerung auf einen festen Wert (z.B. 400
W) während
der gesamten Trocknungsdauer, durch eine stufenweise Verringerung
während
des Trocknens (z.B. eine erste Verringerung am Ende der ersten Phase und
eine zweite Verringerung am Ende der zweiten Phase) oder durch eine
allmähliche
Verringerung während
des gesamten Vorgangs (z.B. in Abhängigkeit von der Trocknungsrate,
wie oben bezugnehmend auf 1 dargestellt
ist). Selbstverständlich kann
eine temporäre
Erhöhung
der Heizleistung vorgesehen sein (Erhöhung auf einen Wert, der kleiner oder
gleich der Leistung der Maschinen aus dem Stand der Technik ist),
wenn während
des Trocknens Wäsche
hinzugefügt
wird. In allen Fällen
kann die Heizleistung ganz zu Beginn des Heizvorgangs kleiner oder
gleich der Heizleistung der Maschinen aus dem Stand der Technik
sein.
-
In 1 ist
die Veränderung
der Temperatur der Wäsche
in Abhängigkeit
von der Zeit dargestellt, auf der Abszissenachse sind ebenfalls
drei Durchschnittswerte der Trocknungsrate dieser Wäsche eingetragen
worden und es sind dort die drei zuvor genannten Phasen des erfindungsgemäßen Trocknungsvorgangs
(P1 bis P3) angegeben worden, und dies für eine Heizleistung von 400
W.
-
Man
stellt fest, dass während
der ersten Phase (P1) die Temperatur der Wäsche, von der angenommen wird,
dass sie zu Beginn der Trocknungsvorgangs gleich der Umgebungstemperatur
(z.B. 20°C)
ist, rasch ansteigt bis auf einen Wert von etwa 30°C. Während der
nächsten
Phase (P2) steigt die Temperatur der Wäsche nur sehr wenig. Während der
dritten Phase (P3) erhöht
die von der Trocknungsluft transportierte Wärme die Temperatur der Wäsche, da
wenig zu verdampfendes Wasser verbleibt. Aufgrund der geringen Heizleistung
ist diese Erhöhung
begrenzt, und die Temperatur der Wäsche erreicht etwa 40°C und behält diese
Temperatur bei. Es sei angemerkt, dass bei einigen Verfahren aus dem
Stand der Technik diese Erhöhung
größer wäre und die
Wäsche
beschädigen könnte, wenn
das Trocknen über
90 Min. bei der ursprünglichen
hohen Leistung (z.B. 2800 W) fortgesetzt würde.
-
Am
Ende von P1 liegt die Trocknungsrate der Wäsche bei etwa 70%, in der Mitte
von P2 bei etwa 40% und am Ende von P2 bei etwa 20%.
-
Wenn
die Heizleistung in Abhängigkeit
von der Trocknungsrate reguliert wird, kann sie z.B. zwischen 1000
W zu Beginn des Vorgangs und 200 W am Ende des Trocknens variiert
werden. Diese Veränderung
kann dann eine Kurve ergeben, deren Verlauf im Wesentlichen umgekehrt
zum Verlauf der Kurve aus 1 ist.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht nicht nur vor, auf die Heizleistung zu wirken, sondern auch gleichzeitig
auf den anderen genannten Parameter. Die Trocknungsdauer ist wie
oben dargestellt natürlich
verlängert
und vorzugsweise automatisch in Abhängigkeit von der Trocknungsrate
der Wäsche
bestimmt. Im Übrigen
kann die Heizleistung vom Durchsatz der Trocknungsluft abhängig sein,
um die Verdampfungsenergie von dem Luftdurchsatz unabhängig zu
machen, da der Luftdurchsatz in Abhängigkeit von der Rotationsrichtung
der Turbine des Luftkreislaufs stark variieren kann. Erfindungsgemäß entspricht
darüber
hinaus eine der Rotationsrichtungen (Richtung "+")
der Trommel einem hohen Luftdurchsatz und einer relativ hohen Heizleistung,
während die
andere Rotationsrichtung (Richtung "–") einem geringeren
Luftdurchsatz und einer geringeren Heizleistung entspricht, ist
das Verhältnis
zwischen den jeweiligen Dauern dieser beiden Rotationsrichtungen variabel
und die Taktdauer der Trommel (das heißt der Zeitraum zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Rotationsanläufen in eine gleiche Richtung)
variiert. Gemäß dem Beispiel
aus 2 kann die Taktdauer 4 Min. betragen, bis die
Trocknungsrate 40% erreicht, dann 2 Min., bis die Trocknungsrate
20% erreicht, und 1 Min., bis zum Trocknungsende. Das Verhältnis der
Dauern Richtung "+"/Richtung "–" beträgt 5 bis zur Trocknungsrate
von 20% und ist dann umgekehrt (Dauer Richtung "+"/Dauer
Richtung "–" = 1/5). Die Heizleistung
beträgt
für eine
Trocknungsrate von mehr als 20% 400 W, dann wird sie auf 200 W verringert.
Selbstverständlich
können
diese Werte auch andere sein und allmählich während des gesamten Trocknungsvorgangs
variieren. Die Takt dauer der Trommel kann somit optimiert werden,
so dass die Wäsche
insbesondere am Ende der Phase P2 gleichmäßig in der Trommel verteilt
ist, das heißt
damit die Wäsche
nicht verwickelt oder verknotet ist. Auf diese Weise werden der
Austausch zwischen der warmen Luft und der Wäsche insbesondere während der
Phase P3 verbessert und somit die Verdampfung des Wassers begünstigt.
Während
der Phase P3 wird das Verhältnis
Heizleistung/Luftdurchsatz merklich verändert, so dass die optimale
Verdampfung des Wassers der Wäsche
mit einem minimalen Wärmeverlust
fortgesetzt wird. Diese Optimierung wird in dem Beispiel aus 2 dadurch
erreicht, dass die Heizleistung auf 200 W verringert wird, indem
das Verhältnis
der Dauern Richtung "+"/Richtung "–" umgekehrt wird. Darüber hinaus wird die Taktdauer
der Trommel verringert (im genannten Beispiel Verringerung auf 1
Min.), um das Entwirren der Wäsche
zu verbessern (damit sie so gleichmäßig wie möglich in dem Innenvolumen der
Trommel verteilt ist).
-
Statt
alle oder einen Teil der zuvor genannten Parameter stufenweise variieren
zu lassen, kann man sie allmählich
variieren lassen oder in Abhängigkeit
von der Trocknungsdynamik der Wäsche
einstellen. Diese Dynamik kann ausgehend von den momentanen Werten
oder den folgenden Gradienten bestimmt sein: die Trocknungsrate
der Wäsche und/oder
ihre Temperatur und/oder die Temperatur der Luft am Ausgang der
Trommel und/oder die relative und/oder absolute Feuchtigkeit der
Luft am Ausgang der Trommel und/oder die Differenz zwischen den
relativen Feuchtigkeiten der Luft für die beiden Rotationsrichtungen
der Trommel und/oder der Widerstand der Wäsche.
-
Somit
führt die
Erfindung zu zahlreichen Vorteilen: Geldersparnis für den Benutzer
(durch die Verringerung der Heizenergie), für den Hersteller aufgrund der
Möglichkeit,
weniger "edle" Materialien zu verwenden
(es ist nicht mehr erforderlich, Materialien zu verwenden, die gegenüber hohen
Temperaturen beständig
sind), und aufgrund der Verringerung der Heizleistung, wodurch eine
Vereinfachung der Sicherheitsvorrichtungen (Thermostat, Sicherungen) erreicht
wird. Darüber
hinaus besteht keine Gefahr mehr, dass die Wäsche aufgrund der hohen Temperaturen
beschädigt
wird, sie wird nur wenig oder nicht zerknittert und gleichmäßiger getrocknet,
was den Benutzer umso mehr beruhigt, als kein Risiko besteht, dass
er sich beim Kontakt mit den warmen Teilen der Maschine verbrennt,
und keine Gefahr besteht, dass die Maschine durch Überhitzung
beschädigt
wird und sie somit eine längere
Lebensdauer hat. Darüber
hinaus ist es nicht mehr erforderlich, die Wäsche zu sortieren, bevor sie
in die Maschine gelegt wird. Ferner besteht bei den Maschinen, bei
denen die Trocknungsdauer ausgewählt
werden kann, keine Gefahr mehr für
die Maschinen oder für
die Wäsche,
wenn der Benutzer eine zu lange Dauer wählt. Die erfindungsgemäßen Maschinen
haben den Vorteil, die Programme zu vereinfachen, da es nicht mehr
notwendig ist, den Textiltyp zu wählen, und sie mit verschiedenartigen
Vorrichtungen zur automatischen Erfassung des Trocknungsendes ausgestattet sein
können.
Schließlich
tragen diese Maschinen zum Schutz der Umwelt bei, da sie wenig Energie verbrauchen
und vom Typ mit Abluft mit begrenzten Rückständen sind.