WO2009103677A1 - Hausgerät zum trocknen eines feuchten gutes mit einer kühlanordnung und einer heizanordnung - Google Patents

Hausgerät zum trocknen eines feuchten gutes mit einer kühlanordnung und einer heizanordnung Download PDF

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WO2009103677A1
WO2009103677A1 PCT/EP2009/051779 EP2009051779W WO2009103677A1 WO 2009103677 A1 WO2009103677 A1 WO 2009103677A1 EP 2009051779 W EP2009051779 W EP 2009051779W WO 2009103677 A1 WO2009103677 A1 WO 2009103677A1
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WO
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process air
heat
heat exchanger
domestic appliance
heating
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Application number
PCT/EP2009/051779
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Detlef KÜHL
Andreas Stolze
Original Assignee
BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH
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Publication date
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Priority to AT09713021T priority patent/ATE513080T1/de
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06F—LAUNDERING, DRYING, IRONING, PRESSING OR FOLDING TEXTILE ARTICLES
    • D06F58/00—Domestic laundry dryers
    • D06F58/20—General details of domestic laundry dryers 
    • D06F58/206—Heat pump arrangements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/52—Heat recovery pumps, i.e. heat pump based systems or units able to transfer the thermal energy from one area of the premises or part of the facilities to a different one, improving the overall efficiency

Definitions

  • the invention relates to a domestic appliance for drying a moist material by means of a feasible in a process air duct process air flow, by means of which a treatment chamber with the estate, a cooling arrangement for cooling and condensing the process air stream after flowing through the treatment chamber, wherein the cooling arrangement comprises a first heat exchanger which heat from the process air stream can be supplied to a working fluid, and a heating arrangement for heating the process air stream before flowing through the treatment chamber, the heating arrangement having a second heat exchanger through which heat can be supplied to the process air stream from the working fluid.
  • the invention relates to a method for drying a moist material by means of a guided in a process air duct process air flow through which process air flow a treatment chamber with the good, adean- order for cooling the process air flow and condensation of moisture from the process air stream after flowing through the treatment chamber and a heating arrangement for the heating of the air stream are flowed through before flowing through the treatment chamber, wherein in the cooling arrangement, heat from the air stream is supplied to a working fluid and in the heating arrangement heat from the working fluid is supplied to the process air stream.
  • Heating arrangement is supplied again.
  • a compressor heat pump is used, in which a working fluid (carbon dioxide or chlorinated and / or fluorinated hydrocarbon) compressed in the gaseous state by a compressor, then liquefied in a first heat exchanger with the release of heat on it at the Passage is relaxed by a throttle and evaporated in a second heat exchanger with the absorption of heat. Finally, it returns to the compressor.
  • a heat pump is used, in which a first working fluid (ammonia) is periodically absorbed and desorbed by a second working fluid (water).
  • a heat pump is used, in which for the transport of heat thermoelectric elements, also referred to as Peltier elements and constructed with special semiconductor materials act.
  • An apparatus for drying laundry originating from an English short extract belonging to the patent abstract "Patent Abstracts of Japan" for document JP 08 057 194 A contains in its first duct system, in addition to a heater and a cooler, both of which belong to a thermoelectrically operable heat pump device , an additional heat exchanger upstream of the radiator for cooling the air flow discharged from the laundry and an additional heating device connected downstream of the heater for further heating of the air flow before the laundry is acted upon.
  • thermoelectric heat pump requires the use of unusual, expensive semiconductor components and poses specific problems with regard to thermal insulation and dry air guidance, since heat can only be pumped there over comparatively short spatial distances. This makes the construction of a corresponding household appliance difficult.
  • any known heat pump in a domestic appliance at its commissioning only relatively slowly reaches the optimum operating conditions. This results in an extended time required for a drying process, which must be considered by a user to be very disadvantageous, not least because home appliances are usually sold with heat pumps at very high prices and acquired with correspondingly high expectations.
  • Object of the present invention is to provide a way for drying a wet Guts in the household, which provide with an environmentally friendly, especially natural refrigerant, taking into account a compact design and sufficient dehumidification services.
  • the domestic appliance is set up for drying a moist material and comprises in particular tumble dryer, z. B. integrated as a single dryer or in a Vollwaschtrockner.
  • the domestic appliance has a process air duct in which a process air flow is feasible, in particular by means of a process air blower. From the process air flow is a treatment chamber, for. B. a laundry drum, with the good, z. B. a laundry, flowed through.
  • the domestic appliance also has a cooling arrangement through which the process air can flow for cooling and condensing out the process air stream after flowing through the treatment chamber, wherein the cooling arrangement has at least one first heat exchanger, eg. B.
  • the domestic appliance also has a heating arrangement for heating the process air flow before it flows through the treatment chamber, wherein the heating arrangement has at least one second heat exchanger, by means of which heat can be supplied to the process air flow from the working fluid.
  • the working fluid is conducted in a heat pump, which operates according to a basically regenerative gas circulation process and has at least two displacement pistons. Furthermore, at least one heat exchanger is arranged laterally with respect to at least one of the displacer pistons.
  • the regenerative gas cycle process comprises a vuilleumier gas cycle process.
  • the working fluid is then a gas, preferably helium.
  • the vuilleumier gas cycle process can be considered a pure vuilleumier
  • Vuilleumier- gas cycle process designed or as a combined Vuilleumier- gas cycle process, eg. A vuilleumier gas cycle process combined with a Stirling gas cycle process.
  • the guide through the heat exchanger is substantially rectilinear.
  • the heat exchangers are designed such that a flow loss of a process air flowing through them is less than 250 Pa.
  • working gas channels of at least one heat exchanger each have a length between 100 mm and 150 mm. This represents a particularly efficient compromise between a large surface area of the working gas channels for heat transfer and a pressure drop.
  • working gas channels of at least one heat exchanger each have a diameter between 1, 5 mm and 2.5 mm. This also represents a particularly efficient compromise between a surface of the working gas channels that is large enough for heat transfer and a pressure drop.
  • regenerators are arranged laterally of the heat exchanger, preferably on the opposite side with respect to the piston.
  • regenerators are arranged in a common floor group.
  • a dryer as a household appliance has z.
  • B a process air circuit, which is formed by the drum with laundry, the heat pump and a process air blower.
  • the Vuilleumier heat pump works on the principle of a thermally driven regenerative gas cycle process similar to the Stirling process. In its pure form, it has a constant gas volume which is subdivided by at least two mechanically coupled, linearly driven or freely oscillating displacement pistons into three periodically variable partial volumes with different temperature levels. The volumes are connected to each other via two regenerators. By heating the hot working volume (eg, electrically or with gas), two further temperature levels are created, which can be used to extract the heat of condensation from the drying process and to re-integrate it at the higher temperature level. These two working volumes are for this purpose via heat exchangers in contact with the process air.
  • 1 shows a sketch of a domestic appliance with a Vuilleumier heat pump according to a first embodiment
  • 2 shows a schematic diagram of three types of vuilleumier
  • FIG. 3 shows a sketch of a domestic appliance with a Vuilleumier heat pump according to a second embodiment
  • FIG 4 shows in plan view a Vuilleumier heat pump according to the embodiment shown in FIG 3 for a tumble dryer
  • FIG. 5 shows an oblique view of the Vuilleumier heat pump of FIG. 4
  • the laundry dryer 1 shows a domestic appliance 1 in the form of a tumble dryer 1 for drying a moist laundry item 2.
  • the laundry dryer 1 has a substantially closed process air channel 3, in which a process air stream is guided.
  • the process air flow is driven by a blower 4.
  • the laundry item 2 is arranged in a treatment chamber in the form of a rotatable laundry drum 5.
  • a first heat exchanger 6 which serves as a condenser 6.
  • the process air flow is cooled down so far that moisture which has absorbed the process air in the drum 5 from the laundry item 2 condenses out.
  • a moisture separator 7 downstream of the condenser 6 serves to separate out the moisture which has condensed out.
  • the first heat exchanger 6 and the second heat exchanger 8 are here components of a Vuilleumier heat pump V1 and 6, 8 to 19; Principles and embodiments of such Vuilleumier heat pumps (as well as other heat pumps with regenerative gas circulation processes) are in particular the letter of H. -D. Cool removed, which will be referred to again below.
  • the Vuilleumier heat pump V1 or 6, 8 to 19 will be described in detail below. It comprises a working gas channel 9 in which a suitable working gas, in this case helium, which is as close as possible to an ideal gas at the given temperatures is enclosed as refrigerant.
  • the working gas channel 9 flows through the first ('cold') heat exchanger or condenser 6, which acts as a heat sink at a low temperature level, and by taking heat from the process air stream in the process air duct 3 as described.
  • the second ('warm') heat exchanger 8 which acts as a heat source at a medium temperature level, and by supplying heat to the air flow in the process air duct 3 in the manner described.
  • a heater 10 which is electrically operated and heats the working gas reaching it to a high temperature level.
  • the heat thus entering the working gas is the energy which drives the regenerative Vuilleumier working gas circulating process in the working gas channel 9.
  • the working gas channel 9 has a first cylinder 11, in which a first piston 12 is movable.
  • a first regenerator 13 Connected in parallel with the first cylinder 11 is a first regenerator 13, which is a first heat storage device 13 which can be flowed through largely freely by the working gas.
  • the working gas is forced through the first regenerator 13 and can thus be transported from the first heat exchanger 6 to the second heat exchanger 8 or back. There is any excess heat at the first
  • the working volume 20 connected to the first heat exchanger (condenser) 6 is also referred to as a “cold” working volume; the working volume 21 connected to the second heat exchanger (heat source) 8 is correspondingly called “warm” working volume.
  • the working gas channel 9 Between the second heat exchanger 8 and the heater 10, the working gas channel 9, a second cylinder 14 with movable therein second piston 15 and, in turn connected in parallel to the second cylinder 14, a second regenerator 16.
  • the working volume 21 connected to the first heat exchanger (condenser) 6 is also referred to here as the "warm” working volume; the connected to the heater 10 working volume 21 is referred to as "hot" working volume.
  • a first linear drive 17 for the first piston 12 and a second linear drive 18 for the second piston 15 are provided, which are controlled by a control device 19 and move the pistons 12 and 15 without contact.
  • the operation of the heat pump V1 in a typical drying process is accomplished by repeatedly displacing the working gas within the working gas channel 9, the pistons 12 and 15 being cyclically and out of phase with a period of the order of one Tenth of a second to be moved.
  • a preferred ratio between the duration of the drying process and the duration of the period of the regenerative gas process is thus between 10,000 and 100,000, more preferably between 30,000 and 40,000.
  • the dimensioning of the heat pump V1 is designed with its piston frequency only to a stationary operation of the dryer with full load, the achievement of the stationary phase or the drying under load may be problematic. To avoid this, friction losses are compensated by means of a frequency adjustment of the (frequency-controlled) linear drive, so that an efficient adaptation of the operating point to the operating state of the dryer 1 is possible.
  • this domestic appliance 1 offers the possibility of using a working medium which is not critical under functional and safety aspects.
  • high heat pumping factors can be achieved at low temperature levels in the corresponding heat pump.
  • Vuilleumier heat pump a high coefficient of performance of the heat pump can be achieved with the highest possible temperature difference between the high and the low temperature levels and a comparatively small temperature difference between the middle and the low temperature levels. This makes it possible to create a domestic appliance in the form of a tumble dryer, which can be assigned an energy efficiency class A.
  • ß-type two pistons 12, 15 are connected in series in a common cylinder and are connected via an external coupling mechanism K2 in a fixed phase relationship of 90 ° to each other.
  • the two pistons 12, 15 are arranged at an angle to each other and run in their own cylinders.
  • FIG. 3 shows a sketch of another alternative embodiment of a Vuilleumier- heat pump V2 for a tumble dryer.
  • the tumble dryer 23 is designed to achieve a dehumidifying capacity of about 40 g of water per minute.
  • a process air volume flow of 180-230 m 3 / h is provided which realizes an inlet temperature into the drum 5 of less than 120 0 C and an outlet temperature of the drum 5 of about 75 ° C.
  • the first piston 12 and the second piston 15 are mechanically coupled to one another and run in succession in a common cylinder 24.
  • a coupling transmission is now used dispensed; Rather, the pistons 12, 15 are part of a free piston oscillating system. This embodiment has proven to be particularly advantageous for a laundry dryer, inter alia, since so
  • the first, 'cold' piston 12 is specially designed to have a mass between 4 kg and 5 kg, while the 'hot' piston second, a mass between 1 kg and 1, 5 kg.
  • the pistons 12, 15 are connected by means of a piston rod 26.
  • a coupling spring (helical compression spring) 27 is introduced, the spring constant here is between 6 N / mm and 7 N / mm.
  • the working gas volumes, together with the piston rods described in more detail below, form further, dynamic spring elements ('gas springs').
  • the second heat exchanger (process air heater) is now designed in the form of two TeN heat exchangers 8A and 8B.
  • the helium-side channels of the aluminum heat exchangers 6, 8A and 8B have a length between 100 mm and 150 mm for a single channel.
  • 500 to 1000 channels are provided for the cold heat exchanger 6 and the two warm heat exchangers 8A and 8B, depending on the diameter of a single channel between 1, 5 mm and 2.5 mm.
  • 500 to 1000 channels are provided.
  • the air-side fins of the heat exchangers 6, 8A and 8B are designed for the necessary transmission powers so that the flow losses due to the heat exchangers 6, 8A and 8B remain smaller than 250 Pa.
  • the regenerators 13, 16 are here designed so that a length of the cold regenerator 13 - at a diameter of 80 mm to 150 mm - 30 mm to 50 mm does not exceed (assuming a fiber diameter of 40 microns to 70 microns) and the warm regenerator 16 does not exceed a length of 80 mm to 120 mm (with a fiber diameter of 50 ⁇ m to 100 ⁇ m).
  • the hot volume 22 of the heat pump V2 is here at a temperature level of about 500 0 C.
  • the condenser 6 during normal operation process air inlet side wall temperatures of an aluminum partition between a process air range and a working gas range of 70 0 C, at the first sub-heater or Partial heat exchanger 8A corresponding wall temperatures of 110 ° C to 120 0 C and the second part-heater or partial heat exchanger 8B of 120 ° C to 130 ° C.
  • the drive 17,18,19 serves only to boot the system in its operating state and possibly compensate for friction losses. However, especially with sufficiently low friction losses, the drive can be dispensed with.
  • FIG. 4 shows a top view of a possible implementation of the heat pump V2 from FIG. 3.
  • the mechanical connection between the pistons 12, 15 is configured in such a way that the piston rod 26 fastened to the 'hot' piston 15 reaches into the cold piston 12 and there a plate seat or cover 28 ends.
  • On the plate seat 28 is designed as a helical compression spring coupling spring 27 which is seated on its opposite side on an end face of the cold piston 12 on the inside.
  • This embodiment of the free piston oscillating system in particular with high mass of the cold piston 12 (here: 4 kg to 5 kg) and lesser mass of the hot piston 15 (here: 1 kg to 1, 5 kg), gives the surprising effect that a Drying capacity advantageously particularly effective to a degree of drying and / or loading level is adaptable. Because the temperature difference between cold working volume 20 and warm working volume 21 increases with lower load and increasing degree of dryness. It is now achieved that the piston stroke is reduced, so that also reduces the drying capacity of the heat pump. This is in direct contradiction to the desired previous behavior of known Vuilleumier applications such. B. in heating, in which at higher temperature difference and a higher heat pump performance is sought.
  • Working cylinder 25 is fixedly mounted.
  • the working cylinder 25 dips, depending on the position of the cold displacer 12, more or less in the cold displacer 12 a.
  • the cold displacer 12 has a corresponding recess (without reference numeral), in which the working cylinder 25 is tightly guided (ie, without or with only slight or negligible gap leakage).
  • the working volume available for the Vuilleumier process changes accordingly. Consequently, (p, V) work is performed, which serves to prevent friction losses of the Vuilleumier heat pump. ssenen.
  • the heater which is present here in the form of a working rod arranged in the heating element 10, must be heated more than in a lossless Vuilleumier process.
  • the use of a heater 10 in Vuilleumier process initially seems due to the conversion losses of electricity into heat energy disadvantageous than a direct electric-mechanical drive, such as. B. is used for a Stirling engine.
  • the use of a heater 10 is much cheaper and more reliable than a drive motor with the gear required for it and also raises no heat loss.
  • the diameter of the working cylinder 25 is between 40 mm and 50 mm.
  • the piston rod 26 is guided by the working cylinder 25.
  • the working body 25 can also be understood volumetrically as a piston rod 25 of the cold displacer 12.
  • the heat exchangers 6, 8A, 8B are arranged one behind the other in a straight line for the process air (linear).
  • the heat exchangers 6, 8A, 8B are therefore arranged asymmetrically (one-sided) with respect to the displacers 12, 15.
  • the guidance of the process air is indicated by the arrows, whereby the moist, warm process air emerging from the drum is first used for
  • regenerators 13, 16 are collinear with each other further offset laterally.
  • the position of the cylinder 24, the heat exchanger 6, 8A, 8B and the regenerators is thus substantially coplanar.
  • a basically coplanar design is also in non-linear, z. B. axis-parallel or angled, arrangement of the piston 12, 15, the heat exchanger 6, 8A, 8B and / or the regenerators 13, 16 advantageous.
  • the design shown differs significantly from known types, eg. B. from the heating industry, in which liquid liquid / liquid heat exchangers usually around the working volumes around, and thus surrounding, laid.
  • An adjustment of a phase shift of the pistons 12, 15 of approximately 90 ° can be achieved by means of, inter alia, a dimensioning of spring constants of the system (Mechanical spring 27 or gas spring) and the cross sections of the piston rods 25,26 can be achieved. Losses can be taken into account.
  • FIG. 5 shows a bottom group 29 for a tumble dryer according to the Vuilleumier structure shown in FIG. 3 and FIG.
  • the floor assembly 29 shows the condenser 6, the two partial heat exchangers 8A and 8B, a part of the working gas channel 9, the first regenerator 13 and the second regenerator 16 and the cylinder 14.
  • the shown heat pump with free piston oscillating system is minimized and not room greater than 450 x 450 mm.
  • a heat output between approx. 2000 W to 2500 W can be achieved for the desired dehumidification.
  • a drying process of energy efficiency class A is achieved; however, an additional heat exchanger (not shown) is used to meet the condensation rate.
  • the cooling capacity of the additional heat exchanger is less than 800 W, it can be very small and be arranged, for example, additionally in the floor group or in the door area.
  • additional heat exchangers any known suitable designs of heat exchangers can be used.
  • the additional heat exchanger can be arranged, for example, between the cold heat exchanger and the warm heat exchanger. But it can also be arranged in the process air duct after the drum and in front of the heat pump and then act, for example, as a lint trap.
  • helium in the heat pump dryer described z. B. helium can be used as a natural, environmentally neutral, non-flammable and non-toxic working gas. It achieves the same dehumidification performance as a well-known condensation dryer while complying with energy efficiency class A.
  • a linkage possible for. B. according to the ⁇ -, ß- or ⁇ -basic shapes shown in Figure 2 with a common coupling gear K1, K2 and K3.
  • the coupling gear can be arranged externally to the piston cylinders or in the working gas volume.
  • an angled arrangement of the piston, in particular 90 ° arrangement can be displayed, for. B. with central coupling gear.
  • the sizing of the heat pump is designed with its piston frequency for a stationary operation of the dryer with full load, the achievement of the stationary phase or the drying under sub-loading can be problematic. To avoid this, friction losses are compensated by means of a speed-controlled drive of the linkage and the piston frequency adapted to transient and part-load operation.
  • the heat pump thus operates in different operating states at an optimum operating point.
  • another spring eg, a mechanical or gas spring
  • a mechanical or gas spring may be used to position the pistons in the piston housing.
  • process air blower can be arranged elsewhere in the process air duct, z. B. directly before entering the process air into the drum or in front of a process air heater.
  • the home appliance can z. B. be executed as a single dryer or Vollwaschtrockner, but also z. B. be present as a dishwasher.

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Abstract

Das Hausgerät ist eingerichtet zum Trocknen eines feuchten Gutes (2) mittels eines in einem Prozessluftkanal (3) führbaren Prozessluftstroms, durch welchen durchströmbar sind: eine Behandlungskammer (5) mit dem Gut (2), eine Kühlanordnung (6, 7) zum Abkühlen und Auskondensieren des Prozessluftstroms nach Durchströmen der Behandlungskammer (5), wobei die Kühlanordnung (6, 7) einen ersten Wärmetauscher (6) aufweist, durch welchen Wärme aus dem Prozessluftstrom einem Arbeitsfluid zuführbar ist, und nachgeschaltet eine Heizanordnung (8, 8A, 8B) zum Erwärmen des Prozessluftstroms vor Durchströmen der Behandlungskammer (5), wobei die Heizanordnung einen zweiten Wärmetauscher (8) aufweist, durch welchen dem Prozessluftström aus dem Arbeitsfluid Wärme zuführbar ist. Das Arbeitsfluid in einer Wärmepumpe (V1, V2 ) geführt wird, die nach einem regenerativen Gaskreisprozess, arbeitet und mindestens zwei Verdrängerkolben (12, 15) aufweist und mindestens ein Wärmetauscher (6, 8A, 8B) seitlich bezüglich mindestens eines der Verdrängerkolben (12, 15) angeordnet ist.

Description

Hausgerät zum Trocknen eines feuchten Gutes mit einer Kühlanordnung und einer Heizanordnung
Die Erfindung betrifft ein Hausgerät zum Trocknen eines feuchten Gutes mittels eines in einem Prozessluftkanal führbaren Prozessluftstroms, mittels dessen eine Behandlungskammer mit dem Gut, eine Kühlanordnung zum Abkühlen und Auskondensieren des Prozessluftstroms nach Durchströmen der Behandlungskam- mer, wobei die Kühlanordnung einen ersten Wärmetauscher aufweist, durch welchen Wärme aus dem Prozessluftstrom einem Arbeitsfluid zuführbar ist, und eine Heizanordnung zum Erwärmen des Prozessluftstroms vor Durchströmen der Behandlungskammer, wobei die Heizanordnung einen zweiten Wärmetauscher aufweist, durch welchen dem Prozessluftstrom aus dem Arbeitsfluid Wärme zuführbar ist, durchströmbar sind.
Gleichermaßen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Trocknen eines feuchten Gutes mittels eines in einem Prozessluftkanal geführten Prozessluftstroms, durch welchen Prozessluftstrom eine Behandlungskammer mit dem Gut, eine Kühlan- Ordnung zum Abkühlen des Prozessluftstroms und Auskondensieren von Feuchtigkeit aus dem Prozessluftstrom nach Durchströmen der Behandlungskammer und eine Heizanordnung zum Erwärmen des Luftstroms vor Durchströmen der Behandlungskammer durchströmt werden, wobei in der Kühlanordnung Wärme aus dem Luftstrom einem Arbeitsfluid zugeführt wird und in der Heizanordnung Wärme aus dem Arbeitsfluid dem Prozessluftstrom zugeführt wird.
In DE 40 23 000 C2, der DE 197 38 735 C2 oder der WO 2006/029953 A1 ist jeweils ein Hausgerät beschrieben, bei dem die Kühlanordnung und die Heizanordnung zu einer Wärmepumpe gehören, in welcher jedenfalls ein Teil der Wärme, die dem Luftstrom in der Kühlanordnung entzogen wird, dem Luftstrom in der
Heizanordnung wieder zugeführt wird.
Gemäß DE 40 23 000 C2 kommt eine Kompressor-Wärmepumpe zum Einsatz, in welcher ein Arbeitsmittel (Kohlendioxid oder chlorierter und/oder fluorierter Koh- lenwasserstoff) in gasförmigem Zustand von einem Kompressor komprimiert, dann in einem ersten Wärmetauscher unter Abgabe von Wärme verflüssigt, darauf beim Durchtritt durch eine Drossel entspannt und in einem zweiten Wärmetauscher unter Aufnahme von Wärme verdampft wird. Schließlich gelangt es zum Kompressor zurück. Gemäß DE 197 38 735 C2 kommt eine Wärmepumpe zum Einsatz, bei der ein erstes Arbeitsmittel (Ammoniak) von einem zweiten Arbeitsmittel (Wasser) periodisch absorbiert und desorbiert wird. Gemäß WO 2006/029953 A1 kommt eine Wärmepumpe zum Einsatz, in welcher zum Transport der Wärme thermo- elektrische Elemente, auch als Peltier-Elemente bezeichnet und aufgebaut mit speziellen Halbleiterwerkstoffen, fungieren.
Aus der DE 1 410 206 A ist eine Waschmaschine bekannt, in welcher Waschgut nicht nur gewaschen, sondern auch getrocknet werden kann. Für die dazu erforderlichen zusätzlichen Einrichtungen zeigt die Schrift mehrere Alternativen. Es können eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen eines zur Trocknung von Waschgut eingesetzten Luftstroms und ein einfacher Wärmetauscher zum Abküh- len des erwärmten Luftstroms nach dem Beaufschlagen des Waschguts vorgesehen sein, wobei der Heizer und der Kühler aber auch zu einer Wärmepumpeneinrichtung gehören können. Die Wärmepumpeneinrichtung kann auch derartig ausgestaltet sein, dass sie mit Peltier-Elementen zur Nutzung des thermoelektrischen Effekts arbeitet.
Eine aus einem in der Datensammlung "Patent Abstracts of Japan" zum Dokument JP 08 057 194 A gehörigen englischen Kurzauszug hervorgehende Vorrichtung zum Trocknen von Waschgut enthält in ihrem ersten Kanalsystem neben einem Heizer und einem Kühler, welche beide zu einer thermoelektrisch betreibba- ren Wärmepumpeneinrichtung gehören, einen dem Kühler vorgeschalteten zusätzlichen Wärmetauscher zur Abkühlung des von dem Waschgut abgeführten Luftstroms und eine dem Heizer nachgeschaltete zusätzliche Heizeinrichtung zum weiteren Erwärmen des Luftstroms vor dem Beaufschlagen des Waschguts.
Aus der Schrift "Wärmetransformationsprozesse ohne Phasenumwandlung" von
Dr. Hans-Detlev Kühl, seit dem 26.11.2006 im Internet unter der Adresse http://hdl.handle.net/2003/2798 verfügbar, siehe insbesondere Seiten 1 bis 29, sind ein Stirling-Prozess und ein Vuilleumier-Prozess als Beispiele für einen regenerativen Gaskreisprozess bekannt. Jeder dieser Prozesse ist geeignet zum Ein- satz in einer Wärmepumpe oder einem Kältegerät, wobei Anwendungen in der Energietechnik (z. B. bei der Gebäudeheizung) oder zur Stofftrennung (insbesondere Luftverflüssigung und - Zerlegung) erwogen werden.
Zum Vuilleumier-Prozess wird auch auf US 1 ,275,507 des Erfinders Rudolph VuN- leumier verwiesen.
In allen gattungsgemäßen Hausgeräten mit Wärmepumpen, welche nicht den thermoelektrischen Effekt nutzen, erfolgen das Aufnehmen und das Freisetzen von Wärme bei Phasenübergängen im Arbeitsmittel. Es müssen spezifische Be- dingungen hinsichtlich Druck und Temperatur eingehalten werden, damit die erforderlichen Phasenübergänge erreicht werden und effektiv genutzt werden können. Dies macht die Anpassung der Wärmepumpen an die in einem Hausgerät zu fordernden Temperaturniveaus unter Umständen schwierig. Die thermoelektrische Wärmepumpe erfordert den Einsatz ungewöhnlicher, teurer Halbleiterkomponen- ten und stellt spezifische Probleme hinsichtlich Wärmeisolierung und Trockenluftführung, da Wärme dort nur über vergleichsweise kurze räumliche Distanzen gepumpt werden kann. Dies macht die Konstruktion eines entsprechenden Hausgeräts schwierig. Zudem erreicht jede bekannte Wärmepumpe in einem Hausgerät bei ihrer Inbetriebsetzung nur relativ langsam die optimalen Betriebsbedingungen. Dadurch ergibt sich ein erweiterter Zeitbedarf für einen Trocknungsprozess, was von einem Benutzer als sehr nachteilig empfunden werden muss, nicht zuletzt deshalb, weil Hausgeräte mit Wärmepumpen üblicherweise zu sehr hohen Preisen verkauft und mit entsprechend hohen Erwartungen erworben werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit zur Trocknung eines feuchten Guts im Haushalt bereitzustellen, welche mit einem umweltfreundlichen, insbesondere natürlichen Kältemittel, unter Beachtung einer kompakten Bauweise und ausreichenden Entfeuchtungsleistungen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mittels eines Hausgeräts nach Anspruch 1 und mittels eines
Verfahrens nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Das Hausgerät ist zum Trocknen eines feuchten Gutes eingerichtet und umfasst insbesondere Wäschetrockner, z. B. als Einzeltrockner oder in einen Vollwaschtrockner integriert. Dazu weist das Hausgerät einen Prozessluftkanal auf, in dem ein Prozessluftstrom führbar ist, insbesondere mittels eines Prozessluftgebläses. Von dem Prozessluftstrom ist eine Behandlungskammer, z. B. eine Wäschetrommel, mit dem Gut, z. B. einem Wäscheposten, durchströmbar. Das Hausgerät weist zudem eine von der Prozessluft durchströmbare Kühlanordnung zum Abküh- len und Auskondensieren des Prozessluftstroms nach Durchströmen der Behandlungskammer auf, wobei die Kühlanordnung mindestens einen ersten Wärmetauscher, z. B. einen Kondensator, aufweist, durch welchen Wärme aus dem Prozessluftstrom einem Arbeitsfluid, z. B. einem Gas oder einer Flüssigkeit, zuführbar ist. Das Hausgerät weist außerdem eine Heizanordnung zum Erwärmen des Pro- zessluftstroms vor Durchströmen der Behandlungskammer auf, wobei die Heizanordnung mindestens einen zweiten Wärmetauscher aufweist, durch welchen dem Prozessluftstrom aus dem Arbeitsfluid Wärme zuführbar ist.
Das Arbeitsfluid wird in einer Wärmepumpe geführt wird, die nach einem grund- sätzlich regenerativen Gaskreisprozess arbeitet und mindestens zwei Verdrängerkolben aufweist. Ferner ist mindestens ein Wärmetauscher seitlich bezüglich mindestens eines der Verdrängerkolben angeordnet.
Durch die zu einer Seite hin verlegte Anordnung des Wärmetauschers wird eine besonders strömungsgünstige und baulich kompakte Ausgestaltung der Wärmepumpe ermöglicht.
Es wird bevorzugt, wenn der regenerative Gaskreisprozess einen Vuilleumier- Gaskreisprozess umfasst. Das Arbeitsfluid ist dann ein Gas, bevorzugt Helium. Dabei kann der Vuilleumier-Gaskreisprozess als ein reiner Vuilleumier-
Gaskreisprozess ausgelegt sein oder als ein kombinierter Vuilleumier- Gaskreisprozess, z. B. ein Vuilleumier-Gaskreisprozess, der mit einem Stirling- Gaskreisprozess kombiniert ist.
Es wird zur Erlangung einer besonders strömungsgünstigen Prozessluftführung bevorzugt, wenn sämtliche Wärmetauscher seitlich bezüglich der Verdrängerkolben angeordnet sind.
Es ist zur bauraumoptimierten Unterbringung der Wärmepumpe im Hausgerät vor- teilhaft, wenn die Wärmetauscher und die Kolben im wesentlichen koplanar zueinander angeordnet sind. Es wird bevorzugt, dass die Wärmetauscher hintereinander angeordnet sind, da sich so besonders geringe Strömungsverluste ergeben.
Es wird bevorzugt, dass die Führung durch die Wärmetauscher im Wesentlichen geradlinig verläuft.
Es wird ferner bevorzugt, dass die Wärmetauscher so ausgelegt sind, dass ein Strömungsverlust einer sie durchströmenden Prozessluft weniger als 250 Pa be- trägt.
Es wird außerdem bevorzugt, dass Arbeitsgaskanäle mindestens eines Wärmetauschers jeweils eine Länge zwischen 100 mm und 150 mm aufweisen. Dies stellt einen besonders effizienten Kompromiss zwischen einer für eine Wärme- Übertragung großen Oberfläche der Arbeitsgaskanäle und einem Druckverlust dar.
Es wird auch bevorzugt, dass Arbeitsgaskanäle mindestens eines Wärmetauschers jeweils einen Durchmesser zwischen 1 ,5 mm und 2,5 mm aufweisen. Auch dies stellt einen besonders effizienten Kompromiss zwischen einer für eine Wär- meübertragung großen Oberfläche der Arbeitsgaskanäle und einem Druckverlust dar.
Es wird zur Erlangung einer vorteilhaften Unterbringung im Hausgerät bevorzugt, wenn auch die Regeneratoren seitlich der Wärmetauscher angeordnet sind, be- vorzugt auf der bezüglich der Kolben gegenüberliegenden Seite.
Es wird zur baulich vorteilhaften Unterbringung im Hausgerät besonders bevorzugt, wenn die Regeneratoren, die Wärmetauscher und die Verdrängerkolben im wesentlichen koplanar angeordnet sind.
Es wird insbesondere bevorzugt, wenn die Regeneratoren, die Wärmetauscher und die Kolben in einer gemeinsamen Bodengruppe angeordnet sind.
Das Verfahren zum Trocknen eines feuchten Gutes mittels eines in einem Prozessluftkanal geführten Prozessluftstroms, durch welchen Prozessluftstrom eine Behandlungskammer mit dem Gut, eine Kühlanordnung zum Abkühlen des Prozessluftstroms und Auskondensieren von Feuchtigkeit aus dem Prozessluftstrom nach Durchströmen der Behandlungskammer und eine Heizanordnung zum Erwärmen des Prozessluftstroms vor Durchströmen der Behandlungskammer durchströmt werden, wobei in der Kühlanordnung Wärme aus dem Luftstrom einem Arbeitsfluid zugeführt wird, und in der Heizanordnung Wärme aus dem Ar- beitsfluid dem Prozessluftstrom zugeführt wird, umfasst, dass das Arbeitsfluid in einem regenerativen Gaskreisprozess geführt wird, welcher mindestens zwei Verdrängerkolben antreibt, und dass die Prozessluft zu ihrem Abkühlen und / oder Erwärmen im Wesentlich asymmetrisch seitlich bezüglich mindestens einem der Verdrängerkolben geführt wird.
Die für das Hausgerät aufgeführten bevorzugten Ausführungsformen sind analog auch für das Verfahren bevorzugt.
Ein Trockner als Hausgerät weist z. B. einen Prozessluftkreislauf auf, der gebildet wird durch die Trommel mit Wäsche, der Wärmepumpe und einem Prozessluft- Gebläse. Die Vuilleumier-Wärmepumpe arbeitet nach dem Prinzip eines thermisch angetriebenen regenerativen Gas-Kreisprozesses ähnlich dem Stirling-Prozess. Sie weist in ihrer Reinform ein konstantes Gasvolumen auf, welches durch mindestens zwei mechanisch gekoppelte, linear angetriebene oder freischwingende Verdrängerkolben in drei periodisch veränderliche Teilvolumina mit unterschiedlichen Temperaturniveaus unterteilt wird. Die Volumina sind über zwei Regeneratoren miteinander verbunden. Durch die Beheizung des heißen Arbeitsvolumens (z. B. elektrisch oder mit Gas) entstehen so zwei weitere Temperaturniveaus, die zur Auskopplung der Kondensationswärme aus dem Trocknungsprozess und zur Wiedereinkopplung auf dem höheren Temperaturniveau genutzt werden können. Diese beiden Arbeitsvolumina stehen zu diesem Zweck über Wärmetauscher mit der Prozessluft im Kontakt.
In den folgenden Figuren wird die Erfindung schematisch genauer erläutert. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen worden.
FIG 1 zeigt eine Skizze eines Hausgeräts mit einer Vuilleumier-Wärmepumpe gemäß einer ersten Ausführungsform; FIG 2 zeigt eine Prinzipskizze von drei Bauformen einer Vuilleumier-
Wärmepumpe mit über ein Koppelgetriebe mechanisch gekoppelten Kolben nach H.-D. Kühl;
FIG 3 zeigt eine Skizze eines Hausgeräts mit einer Vuilleumier-Wärmepumpe gemäß einer zweiten Ausführungsform;
FIG 4 zeigt in Aufsicht eine Vuilleumier-Wärmepumpe nach der in FIG 3 ge- zeigten Ausführungsform für einen Wäschetrockner;
FIG 5 zeigt in Schrägansicht die Vuilleumier-Wärmepumpe aus FIG 4.
FIG 1 zeigt ein Hausgerät 1 in Form eines Wäschetrockners 1 zum Trocknen ei- nes feuchten Wäschepostens 2. Der Wäschetrockner 1 weist einen im Wesentlichen geschlossenen Prozessluftkanal 3 auf, in welchem ein Prozessluftstrom geführt wird. Dazu wird der Prozessluftstrom von einem Gebläse 4 angetrieben. Der Wäscheposten 2 ist in einer Behandlungskammer in Form einer drehbaren Wäschetrommel 5 angeordnet. Nachdem der Prozessluftstrom die Trommel 5 durch- setzt hat, gelangt er im Prozessluftkanal 3 zu einem ersten Wärmetauscher 6, welcher als Kondensator 6 dient. Darin wird der Prozessluftstrom soweit abgekühlt, dass Feuchtigkeit, welche die Prozessluft in der Trommel 5 vom Wäscheposten 2 aufgenommen hat, auskondensiert. Ein dem Kondensator 6 nachgeord- neter Feuchtigkeitsabscheider 7 dient zum Abscheiden der auskondensierten Feuchtigkeit. Abgeschiedene Feuchtigkeit wird gesammelt und entsorgt. Es entspricht herkömmlicher Praxis, den Kondensator 6 und den Feuchtigkeitsabscheider 7 in einem Bauteil zusammenzufassen; in den vorliegenden Figuren sind diese Komponenten vor allem der Klarheit halber separat gezeichnet. Hinter dem Kondensator 6 und dem Feuchtigkeitsabscheider 7 befindet sich im Prozessluftkanal 3 das Gebläse 4, auf welches im Prozessluftkanal 3 ein zweiter Wärmetauscher 8 folgt, welcher als Heizer 8 für den Prozessluftstrom ausgebildet ist. Nachdem der Prozessluftstrom den zweiten Wärmetauscher 8 durchlaufen hat und dabei erwärmt wurde, gelangt er zurück in die Trommel 5, wo er aus der feuchten Wäsche 2 erneut Feuchtigkeit aufnehmen kann. Der erste Wärmetauscher 6 und der zweite Wärmetauscher 8 sind hier Bestandteile einer Vuilleumier-Wärmepumpe V1 bzw. 6, 8 bis 19; Grundsätze und Ausführungsbeispiele solcher Vuilleumier-Wärmepumpen (wie auch anderer Wärmepumpen mit regenerativen Gaskreisprozessen) sind insbesondere der Schrift von H. -D. Kühl entnehmbar, auf die weiter unten erneut Bezug genommen wird.
Die Vuilleumier-Wärmepumpe V1 bzw. 6, 8 bis 19 wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Sie umfasst einen Arbeitsgaskanal 9, in welchem ein geeignetes und bei den gegebenen Temperaturen möglichst weitgehend einem idealen Gas ent- sprechendes Arbeitsgas, hier: Helium, als Kältemittel eingeschlossen ist. Der Arbeitsgaskanal 9 durchströmt den ersten ('kalten') Wärmetauscher bzw. Kondensator 6, welcher auf einem niedrigen Temperaturniveau als Wärmesenke fungiert, wobei und indem er aus dem Prozessluftstrom im Prozessluftkanal 3 Wärme wie beschrieben aufnimmt. Im Inneren des Arbeitsgaskanals 9 befindet sich der zweite ('warme') Wärmetauscher 8, welcher auf einem mittleren Temperaturniveau als Wärmequelle fungiert, wobei und indem er in beschriebener Weise dem Luftstrom im Prozessluftkanal 3 Wärme zuführt. An einem zweiten Ende des Arbeitsgaskanals 9 befindet sich ein Heizer 10, welcher elektrisch betrieben wird und das zu ihm gelangte Arbeitsgas auf ein hohes Temperaturniveau aufheizt. Die derart in das Arbeitsgas hinein gelangende Wärme ist diejenige Energie, welche den regenerativen Vuilleumier-Arbeitsgaskreisprozess in dem Arbeitsgaskanal 9 antreibt.
Zwischen dem ersten Wärmetauscher 6 und dem zweiten Wärmetauscher 8 weist der Arbeitsgaskanal 9 einen ersten Zylinder 11 auf, in welchem ein erster Kolben 12 beweglich ist. Parallel geschaltet zu dem ersten Zylinder 11 ist ein erster Regenerator 13, welcher ein von dem Arbeitsgas weitgehend frei durchströmbarer erster Wärmespeicher 13 ist. Indem der erste Kolben 12 bewegt wird, wird das Arbeitsgas durch den ersten Regenerator 13 hindurchgedrückt und kann so von dem ersten Wärmetauscher 6 zum zweiten Wärmetauscher 8 oder zurück trans- portiert werden. Dabei gibt es eventuelle überschüssige Wärme an den ersten
Regenerator 13 ab oder nimmt eventuell fehlende Wärme aus diesem auf, und zwar je nachdem, in welcher Richtung es den ersten Regenerator 13 durchströmt. Das an den ersten Wärmetauscher (Kondensator) 6 angeschlossene Arbeitsvolumen 20 wird auch als "kaltes" Arbeitsvolumen bezeichnet; das an den zweiten Wärmetauscher (Wärmequelle) 8 angeschlossene Arbeitsvolumen 21 wird entsprechend als "warmes" Arbeitsvolumen bezeichnet. Zwischen dem zweiten Wärmetauscher 8 und dem Heizer 10 weist der Arbeitsgaskanal 9 einen zweiten Zylinder 14 mit darin beweglichem zweitem Kolben 15 sowie, wiederum parallel geschaltet zu dem zweiten Zylinder 14, einen zweiten Regenerator 16 auf. Durch Verschieben des zweiten Kolbens 15 wird Arbeitsgas durch den Regenerator 16 vom dem zweiten Wärmetauscher 8 zum Heizer 10 oder zurück transportiert, wobei es wiederum überschüssige Wärme abgibt oder fehlende Wärme aufnimmt. Das an den ersten Wärmetauscher (Kondensator) 6 angeschlossene Arbeitsvolumen 21 wird auch hier als "warmes" Arbeitsvolumen bezeichnet; das an den Heizer 10 angeschlossene Arbeitsvolumen 21 wird als "heißes" Arbeitsvolumen bezeichnet.
Zum Betreiben des Vuilleumier-Prozesses mit dem Arbeitsgas werden periodische, aufeinander abgestimmte und in wohlbestimmter Phasenbeziehung zuein- ander stehende Bewegungen des ersten Kolbens 12 und des zweiten Kolbens 15 verwendet. Zu diesem Zweck sind ein erster Linearantrieb 17 für den ersten Kolben 12 und ein zweiter Linearantrieb 18 für den zweiten Kolben 15 vorgesehen, welche durch eine Steuereinrichtung 19 gesteuert werden und die Kolben 12 und 15 berührungslos verschieben. Dies ist insbesondere deshalb in günstiger Weise möglich, weil der Vuilleumier-Prozess ausschließlich mit der vom Heizer 10 gelieferten Wärmeenergie betrieben wird und das Einbringen mechanischer Energie über die Kolben 12 und 15 nur insoweit erforderlich ist, als das Arbeitsgas zwischen dem ersten Wärmetauscher 6, dem zweiten Wärmetauscher 8 und dem Heizer 10 hin und her befördert werden muss. Dabei müssen mehr oder weniger nur Trägheits- und Reibungskräfte des strömenden Arbeitsgases sowie der sich bewegenden Kolben 12 und 15 überwunden werden. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass die Linearantriebe 17 und 18 die Kolben 12 und 15 einander berühren; vielmehr ist es tatsächlich möglich, die Kolben 12 und 15 berührungsfrei durch die Linearantriebe 17 und 18 zu führen. Entsprechend ist es nicht erforder- lieh, bewegte Komponenten in gedichteter Weise aus dem Arbeitsgaskanal 9 herauszuführen; der Arbeitsgaskanal 9 bildet vielmehr eine in sich vollkommen geschlossene und insoweit starre Einheit, die dementsprechend einfach, zuverlässig und dauerhaft gedichtet werden kann - auch dann, wenn das Arbeitsgas unter einem Druck bis zu mehreren 100 bar steht. Für die Betriebssicherheit und auch die Langlebigkeit des Hausgerätes 1 ist dies von hoher Bedeutung. Der Betrieb der Wärmepumpe V1 bei einem typischen Trocknungsprozess, für welchen eine Zeit in der Größenordnung einer Stunde anzusetzen wäre, erfolgt durch wiederholtes Verschieben des Arbeitsgases innerhalb des Arbeitsgaskanals 9, wobei die Kolben 12 und 15 zyklisch und zueinander phasenverschoben mit einer Periode in der Größenordnung einer Zehntelsekunde bewegt werden. Ein bevorzugtes Verhältnis zwischen der Dauer des Trocknungsprozesses und der Dauer der Periode des regenerativen Gasprozesses liegt damit zwischen 10.000 und 100.000, besonders bevorzugt zwischen 30.000 und 40.000.
Falls die Dimensionierung der Wärmepumpe V1 mit ihrer Kolbenfrequenz nur auf einen stationären Betrieb des Trockners mit voller Beladung ausgelegt ist, kann das Erreichen der stationären Phase oder die Trocknung bei Unterbeladung problematisch sein. Um dies zu vermeiden, werden hier Reibungsverluste mittels einer Frequenzanpassung des (frequenzgeregelten) Linearantriebs ausgeglichen, so dass eine effiziente Anpassung des Arbeitspunktes an den Betriebszustand des Trockners 1 möglich ist.
Dieses Hausgerät 1 bietet mit dem Einsatz eines regenerativen Gaskreisprozesses die Möglichkeit der Verwendung eines unter Funktions- und Sicherheitsaspek- ten unkritischen Arbeitsmittels. Außerdem können in der entsprechenden Wärmepumpe hohe Wärmepumpfaktoren bei niedrigen Temperaturniveaus erreicht werden. Mit der Vuilleumier-Wärmepumpe kann bei einer möglichst hohen Temperaturdifferenz zwischen dem hohen und dem niedrigen Temperaturniveaus sowie einer vergleichsweise geringen Temperaturdifferenz zwischen den mittleren und dem niedrigen Temperaturniveaus eine hohe Leistungszahl der Wärmepumpe erreicht werden. Damit besteht die Möglichkeit, ein Hausgerät in Form eines Wäschetrockners zu schaffen, welchem eine Energieeffizienzklasse A zugeordnet werden kann.
Entsprechende Kriterien können berücksichtigt werden durch die Wahl des Arbeitsgases und des Drucks, mit welchem dieses in der Wärmepumpe vorliegen muss. Auch die Gestaltung der Wärmespeicher in der Wärmepumpe kann deren betriebliche Eigenschaften günstig beeinflussen. FIG 2 zeigt eine Prinzipskizze von drei Bauformen einer Vuilleumier-Wärmepumpe nach H. -D. Kühl, Seite 23. Dabei sind die Kolben über ein gemeinsames Koppelgetriebe mechanisch miteinander verbunden.
Bei der in der Praxis nicht um Vordergrund stehenden α-Bauform sind drei Kolben sternförmig über ein Koppelgetriebe K1 mechanisch miteinander verbunden, welches eine Koppelstange je Kolben an einer drehbaren Scheibe zusammenführt. Durch das Koppelgetriebe K wird eine Phasenbeziehung der Kolben untereinander festgelegt.
Bei der ß-Bauform sind zwei Kolben 12, 15 in einem gemeinsamen Zylinder hintereinander geschaltet und stehen über ein externes Koppelgetriebe K2 in einer festen Phasenbeziehung von 90° zueinander.
Bei der γ-Bauform sind die zwei Kolben 12, 15 zueinander angewinkelt angeordnet und laufen in eigenen Zylindern.
FIG 3 zeigt als Skizze eine weitere alternative Ausführungsform einer Vuilleumier- Wärmepumpe V2 für einen Wäschetrockner. Der Wäschetrockner 23 ist zur Errei- chung einer Entfeuchtungsleistung von etwa 40 g Wasser pro Minute ausgelegt. Dazu ist ein Prozessluft-Volumenstrom von 180-230 m3/h vorgesehen, der eine Eintrittstemperatur in die Trommel 5 von weniger als 1200C und eine Austrittstemperatur aus der Trommel 5 von ca. 75°C realisiert.
In diesem sind, ähnlich zur ß-Bauform aus FIG 2, nun der erste Kolben 12 und der zweite Kolben 15 mechanisch miteinander gekoppelt und laufen hintereinander in einem gemeinsamen Zylinder 24. Im Gegensatz zur ß-Bauform aus FIG 2 wird jedoch nun auf ein Koppelgetriebe verzichtet; vielmehr sind die Kolben 12, 15 Teil eines Freikolben-Schwingsystems. Diese Ausführungsform hat sich für einen Wä- schetrockner als besonderes vorteilhaft herausgestellt, unter anderem, da so der
Bauraum minimiert wird Der erste, 'kalte' Kolben 12 ist speziell so ausgestaltet, dass er eine Masse zwischen 4 kg und 5 kg aufweist, während der 'heiße' Kolben zweite, eine Masse zwischen 1 kg und 1 ,5 kg aufweist. Die Kolben 12, 15 sind mittels einer Kolbenstange 26 verbunden. In den Lastpfad zwischen den Kolben 12, 15 ist eine Koppelfeder (Schraubendruckfeder) 27 eingebracht, deren Federkonstante hier zwischen 6 N/mm und 7 N/mm beträgt. Bei einer dynamischen Be- trachtung der Vuilleumier-Wärmepumpe bilden beispielsweise die Arbeitsgasvolumina zusammen mit den weiter unten genauer beschriebenen Kolbenstangen weitere, dynamische Federelemente ('Gasfedern') aus.
Die in FIG 1 noch getrennten warmen Arbeitsvolumina sind nun in einem einzigen warmen Arbeitsvolumen 21 zusammengeführt. Bei einem Kolbendurchmesser der Kolben 12, 15 zwischen 100 mm und 150 mm, einem Hub der Kolben 12, 15 zwischen 30 mm und 50 mm und einem Mitteldruck von ca. 30 bar bis 50 bar ergeben sich Kolbenfrequenzen der Kolben 12,15 von ca. 10 Hz bis 15 Hz. Diese Frequen- zen sind für den Betriebsbereich des Wäschetrockners im wesentlichen konstant, jedoch kann sich der Kolbenhub erheblich ändern, wie weiter unten für FIG 4 genauer ausgeführt wird.
Ferner ist der zweite Wärmetauscher (Prozessluftheizer) nun in Form zweier TeN- Wärmetauscher 8A und 8B ausgeführt. Die heliumseitigen Kanäle der Aluminium- Wärmetauscher 6, 8A und 8B weisen eine Länge zwischen 100 mm und 150 mm für einen einzelnen Kanal auf. Für den kalten Wärmetauscher 6 und die beiden warmen Wärmetauscher 8A und 8B sind dann, abhängig vom Durchmesser eines einzelnen Kanals zwischen hier 1 ,5 mm und 2,5 mm, je 500 bis 1000 Kanäle vor- gesehen. Die luftseitigen Lamellen der Wärmetauscher 6, 8A bzw. 8B sind für die notwendigen Übertragungsleistungen so ausgelegt, dass die Strömungsverluste aufgrund der Wärmetauscher 6, 8A bzw. 8B kleiner als 250 Pa bleiben.
Die Regeneratoren 13, 16 sind hier so ausgelegt, dass eine Länge des kalte Re- generators 13 - bei einem Durchmesser von 80 mm bis 150 mm - 30 mm bis 50 mm nicht überschreitet (unter Annahme eines Faserdurchmessers von 40 μm bis 70 μm) und der warme Regenerator 16 eine Länge von 80 mm bis 120 mm (bei einem Faserdurchmesser von 50 μm bis 100 μm) nicht übersteigt.
Das heiße Volumen 22 der Wärmepumpe V2 liegt hier auf einem Temperaturniveau von über 5000C. Am Kondensator 6 liegen beim normalen Betrieb prozess- lufteinlassseitig Wandtemperaturen einer Aluminiumtrennwand zwischen einem Prozessluftbereich und einem Arbeitsgasbereich von 700C an, am ersten Teil- Heizer bzw. Teil-Wärmetauscher 8A entsprechende Wandtemperaturen von 110°C bis 1200C und am zweiten Teil-Heizer bzw. Teil-Wärmetauscher 8B von 120°C bis 130°C. Der Antrieb 17,18,19 dient nur dazu, das System in seinen Betriebszustand hochzufahren und ggf. Reibungsverluste auszugleichen. Jedoch kann, insbesondere bei ausreichend geringen Reibungsverlusten, auch auf den Antrieb verzichtet werden.
FIG 4 zeigt in Aufsicht eine mögliche Implementierung der Wärmepumpe V2 aus FIG 3. Die mechanische Verbindung zwischen den Kolben 12, 15 ist im einzelnen so ausgestaltet, dass die am 'heißen' Kolben 15 befestigte Kolbenstange 26 in den kalten Kolben 12 reicht und dort in einem Tellersitz bzw. Deckel 28 endet. Auf dem Tellersitz 28 sitzt die als Schraubendruckfeder ausgestaltete Koppelfeder 27, welche an ihrer gegenüberliegenden Seite an einer Stirnseite des kalten Kolbens 12 innenliegend aufsitzt.
Diese Ausgestaltung des Freikolben-Schwingsystems, insbesondere mit hoher Masse des kalten Kolbens 12 (hier: 4 kg bis 5 kg) und geringerer Masse des heißen Kolbens 15 (hier: 1 kg bis 1 ,5 kg), ergibt den überraschenden Effekt, dass eine Trockenleistung vorteilhafterweise besonders wirksam an einen Trocknungsgrad und / oder Beladungsgrad anpassbar ist. Denn die Temperaturdifferenz zwischen kaltem Arbeitsvolumen 20 und warmen Arbeitsvolumen 21 vergrößert sich mit niedrigerer Beladung und steigendem Trocknungsgrad. Es wird nun erreicht, dass der Kolbenhub sich verkleinert, so dass sich auch die Trocknungsleistung der Wärmepumpe verringert. Dies steht im direkten Widerspruch zum gewünschten bisherigen Verhalten bekannter Vuilleumier-Anwendungen, wie z. B. im Heizungsbau, bei denen bei höherer Temperaturdifferenz auch eine höhere Wärme- pumpenleistung angestrebt wird.
An einer Wand des Zylinders 24 im Bereich des warmen Arbeitsvolumens 21 ist ein Volumenelement in Form eines sog. Arbeitszylinders 25 stationär befestigt. Der Arbeitszylinder 25 taucht, je nach Lage des kalten Verdrängerkolbens 12, mehr oder weniger in den kalten Verdrängerkolben 12 ein. Dazu weist der kalte Verdrängerkolben 12 eine entsprechende Ausnehmung auf (ohne Bezugszeichen), in welcher der Arbeitszylinder 25 dicht (d. h., ohne oder mit nur geringer bzw. vernachlässigbarer Spaltleckage) geführt wird. Bei einer Hubbewegung des kalten Verdrängerkolbens 12 ändert sich dadurch das für den Vuilleumier-Prozess zur Verfügung stehende Arbeitsvolumen entsprechend. Folglich wird (p,V)-Arbeit geleistet, welche dazu dient, Reibungsverluste der Vuilleumier-Wärmepumpe aus- zugleichen. Zum Erhalt der Gesamtenergiebilanz muss der Heizer, der hier in Form eines im Arbeitsgaskanal angeordneten Heizstabs 10 vorliegt, stärker geheizt werden als bei einem verlustfreien Vuilleumier-Prozess. Die Verwendung eines Heizers 10 beim Vuilleumier-Prozess erscheint zunächst aufgrund der Um- Wandlungsverluste von Strom in Wärmeenergie nachteiliger als ein direkter elektrisch-mechanischer Antrieb, wie er z. B. für einen Stirlingmotor verwendet wird. Jedoch ist die Verwendung eines Heizstabs 10 weitaus preiswerter und verlässlicher als ein Antriebsmotor mit dem dazu benötigten Getriebe und wirft auch keine Wärmeverluste auf.
Der Durchmesser des Arbeitszylinders 25 liegt zwischen 40 mm und 50 mm. Die Kolbenstange 26 wird durch den Arbeitszylinder 25 geführt. Der Arbeitskörper 25 kann im volumetrischen Sinne auch als Kolbenstange 25 des kalten Verdrängerkolbens 12 verstanden werden.
Seitlich zum Zylinder 24 versetzt sind die Wärmetauscher 6, 8A, 8B in einer für die Prozessluft geraden Linie (linear) hintereinander angeordnet. Die Wärmetauscher 6, 8A, 8B sind also bezüglich der Verdrängerkolben 12, 15 asymmetrisch (einseitig) angeordnet. Die Führung der Prozessluft ist durch die Pfeile angedeutet, wo- bei die aus der Trommel austretende feuchtwarme Prozessluft zunächst zur
Auskondensation durch den Kondensator 6 und danach zur Erwärmung durch die beiden Teil-Wärmetauscher 8A und 8B geführt wird. Die Regeneratoren 13, 16 liegen kollinear zueinander noch weiter seitlich versetzt. Die Lage des Zylinders 24, der Wärmetauscher 6, 8A, 8B und der Regeneratoren ist somit im Wesentli- chen koplanar. Durch diese Prozessluftführung lässt sich ein luftwiderstandsreduziertes und bauraumoptimiertes Strömungsverhalten erreichen. Eine grundsätzlich koplanare Bauweise ist auch bei nicht-linearer, z. B. achsenparalleler oder angewinkelter, Anordnung der Kolben 12, 15, der Wärmetauscher 6, 8A, 8B und / oder der Regeneratoren 13, 16 vorteilhaft. Die gezeigte Bauform unterscheidet sich erheblich von bekannten Bauformen, z. B. aus dem Heizungsbau, bei denen Flüs- sigkeits/Flüssigkeits-Wärmetauscher üblicherweise um die Arbeitsvolumina herum, und diese somit umgebend, gelegt werden.
Eine Einstellung einer Phasenverschiebung der Kolben 12, 15 von ca. 90° kann mittels, unter anderem, einer Dimensionierung von Federkonstanten des Systems (mechanische Feder 27 oder Gasfeder) und der Querschnitte der Kolbenstangen 25,26 erreicht werden. Dabei können Verluste mitberücksichtigt werden.
FIG 5 zeigt eine Bodengruppe 29 für einen Wäschetrockner nach dem in FIG 3 und FIG 4 dargestellten Vuilleumier-Aufbau. Die Bodengruppe 29 zeigt den Kondensator 6, die beiden Teil-Wärmetauscher 8A und 8B, einen Teil des Arbeitsgaskanals 9, den ersten Regenerator 13 und den zweiten Regenerator 16 und den Zylinder 14. Die gezeigte Wärmepumpe mit Freikolben-Schwingsystem ist bau- raumminimiert und nicht größer als 450 x 450 mm.
Bei dieser bauraumgerechten Dimensionierung der Wärmepumpe ist mit ca. 800 W bis 1000 W Wärmerückgewinnung eine Heizleistung zwischen ca. 2000 W bis 2500 W für die angestrebte Entfeuchtung realisierbar. Mit dieser Kondensationsleistung wird ein Trocknungsprozess der Energieeffizienzklasse A erreicht; jedoch wird für die Erfüllung der Kondensationsrate ein (nicht dargestellter) Zusatzwärmetauscher verwendet. Da die Kühlleistung des Zusatzwärmetauschers kleiner als 800 W ist, kann er sehr klein sein und beispielsweise zusätzlich in der Bodengruppe oder auch im Türbereich angeordnet sein. Als Zusatzwärmetauscher sind jegliche bekannte geeignete Bauformen von Wärmetauschern einsetzbar. Der Zu- satzwärmetauscher kann beispielsweise zwischen dem kalten Wärmetauscher und dem warmen Wärmetauscher angeordnet sein. Er kann aber auch im Prozessluftkanal nach der Trommel und vor der Wärmepumpe angeordnet sein und dann beispielsweise auch als Flusenfalle wirken.
Bei dem beschriebenen Wärmepumpentrockner ist z. B. Helium als natürliches, umweltneutrales, nicht brennbares und nicht toxisches Arbeitsgas einsetzbar. Er erreicht die gleiche Entfeuchtungsleistung wie ein bekannter Kondensationstrockner unter Einhaltung der Energieeffizienzklasse A.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt.
So ist statt eines Freikolben-Schwingsystems eine Verwendung eines Koppelgetriebes möglich, z. B. nach den in FIG 2 gezeigten α-, ß- oder γ-Grundformen mit einem gemeinsamen Koppelgetriebe K1 , K2 bzw. K3. Die Koppelgetriebe können dabei extern zu den Kolbenzylindern angeordnet sein oder im Arbeitsgasvolumen. So ist eine angewinkelte Anordnung der Kolben, insbesondere 90°-Anordnung darstellbar, z. B. mit mittigem Koppelgetriebe.
Eine angewinkelte Anordnung der Kolben macht einerseits die Luftführung mit der Platzierung der Wärmetauscher und Regeneratoren komplizierter, lässt aber den Zusatzwärmetauscher leichter in der Bodengruppe unterbringen.
Falls die Dimensionierung der Wärmepumpe mit ihrer Kolbenfrequenz auf einen stationären Betrieb des Trockners mit voller Beladung ausgelegt ist, kann das Er- reichen der stationären Phase oder die Trocknung bei Unterbeladung problematisch sein. Um dies zu vermeiden, werden Reibungsverluste mittels eines drehzahlgeregelten Antriebs des Koppelgetriebes ausgeglichen und die Kolbenfrequenz an instationären und Teillastbetrieb angepasst. Die Wärmepumpe arbeitet so in unterschiedlichen Betriebszuständen in einem optimalen Arbeitspunkt.
Ferner kann beispielsweise eine weitere Feder (z. B. eine mechanische oder Gasfeder) zur Positionsfestlegung der Kolben im Kolbengehäuse verwendet werden.
Auch kann das Prozessluftgebläse an anderer Stelle im Prozessluftkanal ange- ordnet sein, z. B. direkt vor Eintritt der Prozessluft in die Trommel oder vor einem Prozessluftheizer.
Auch kann als umweltfreundliches Arbeitsgas statt Helium z. B. Wasserstoff eingesetzt werden.
Das Hausgerät kann z. B. als Einzeltrockner oder Vollwaschtrockner ausgeführt sein, aber auch z. B. als Geschirrspüler vorliegen.
Bezugszeichenliste
1 Hausgerät
2 Wäscheposten 3 Prozessluftkanal
4 Gebläse
5 Wäschetrommel
6 Erster Wärmetauscher, Kondensator
7 Feuchtigkeitsabscheider 8 Zweiter Wärmetauscher, Heizer
8A Erster Teil-Heizer
8B Zweiter Teil-Heizer
9 Arbeitsgaskanal
10 Heizer für Arbeitsgas 11 Erster Zylinder
12 Erster Kolben
13 Erster Wärmespeicher, erster Regenerator
14 Zweiter Zylinder
15 Zweiter Kolben 16 Zweiter Wärmespeicher oder zweiter Regenerator
17 Erster Linearantrieb
18 Zweiter Linearantrieb
19 Steuereinrichtung
20 Kaltes Arbeitsvolumen 21 Warmes Arbeitsvolumen
22 Heißes Arbeitsvolumen
23 Wäschetrockner
24 Zylinder
25 Arbeitszylinder 26 Verbindungsstange
27 Federelement
28 Tellersitz
29 Bodengruppe
V1 Vuilleumier-Wärmepumpe V2 Vuilleumier-Wärmepumpe

Claims

Patentansprüche
1. Hausgerät (1 ;23) zum Trocknen eines feuchten Gutes (2) mittels eines in einem Prozessluftkanal (3) führbaren Prozessluftstroms, durch welchen durchströmbar sind: eine Behandlungskammer (5) mit dem Gut (2), eine Kühlanordnung (6,7) zum Abkühlen und Auskondensieren des Prozessluftstroms (3) nach Durchströmen der Behandlungskammer (5), wobei die Kühlanordnung (6,7) einen ersten Wärmetauscher (6) aufweist, durch welchen
Wärme aus dem Prozessluftstrom einem Arbeitsfluid zuführbar ist, und nachgeschaltet eine Heizanordnung (8;8A,8B) zum Erwärmen des Prozessluftstroms vor Durchströmen der Behandlungskammer (5), wobei die Heizanordnung (8) ei- nen zweiten Wärmetauscher (8) aufweist, durch welchen dem Prozessluftstrom aus dem Arbeitsfluid Wärme zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid in einer Wärmepumpe (V1 ;V2) geführt wird, die nach einem regenerativen Gaskreisprozess, arbeitet und mindestens zwei Verdrängerkol- ben (12,15) aufweist und mindestens ein Wärmetauscher (6,8A,8B) seitlich bezüglich mindestens eines der Verdrängerkolben (12,15) angeordnet ist.
2. Hausgerät (1 ;23) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der regene- rative Gaskreisprozess einen Vuilleumier-Gaskreisprozess umfasst.
3. Hausgerät (1 ;23) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, die Wärmetauscher (6,8A,8B) seitlich bezüglich der Kolben (12,15) angeordnet sind.
4. Hausgerät (1 ;23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (6,8A,8B) und die Kolben (12,15) im wesentlichen koplanar zueinander angeordnet sind.
5. Hausgerät (1 ;23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Wärmetauscher (6,8A,8B) hintereinander angeordnet sind.
6. Hausgerät (1 ;23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung der Prozessluft durch die Wärmetauscher (6,8A,8B) im wesentlichen geradlinig verläuft.
7. Hausgerät (1 ;23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (6,8A,8B) so ausgelegt sind, dass sie einen Strömungsverlust einer sie durchströmenden Prozessluft im Arbeitspunkt von weniger als 250 Pa bewirken.
8. Hausgerät (1 ;23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsgaskanäle mindestens eines Wärmetauschers (6,8A,8B) jeweils eine Länge zwischen 100 mm und 150 mm aufweisen.
9. Hausgerät (1 ;23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsgaskanäle mindestens eines Wärmetauschers (6,8A,8B) jeweils einen Durchmesser zwischen 1 ,5 mm und 2,5 mm aufweisen.
10. Hausgerät (1 ;23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Regeneratoren (13,16) seitlich der Wärmetauscher
(6,8A,8B) auf der bezüglich der Kolben (12,15) gegenüberliegenden Seite angeordnet sind.
11. Hausgerät (1 ;23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Regeneratoren (13,16), die Wärmetauscher (6,8A,8B) und die Verdrängerkolben (12,15) im wesentlichen koplanar angeordnet sind.
12. Hausgerät (1 ;23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Regeneratoren (13,16), die Wärmetauscher (6,8A,8B) und die Kolben (12,15) in einer Bodengruppe (29) angeordnet sind.
13. Verfahren zum Trocknen eines feuchten Gutes (2) mittels eines in einem Pro zessluftkanal geführten Prozessluftstroms, durch welchen Prozessluftstrom eine Behandlungskammer (5) mit dem Gut (2), eine Kühlanordnung (6,7) zum Abküh- len des Prozessluftstroms (3) und Auskondensieren von Feuchtigkeit aus dem
Prozessluftstrom nach Durchströmen der Behandlungskammer (5) und eine Heiz- anordnung (8) zum Erwärmen des Prozessluftstroms vor Durchströmen der Behandlungskammer (5) durchströmt werden, wobei in der Kühlanordnung (6,7) Wärme aus dem Luftstrom einem Arbeitsfluid zugeführt wird, und in der Heizanordnung (8,9) Wärme aus dem Arbeitsfluid dem Prozessluftstrom zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid in einem regenerativen Gaskreisprozess geführt wird, welcher mindestens zwei Verdrängerkolben (12,15) antreibt, und die Prozessluft zu ihrem Abkühlen und / oder Erwärmen im Wesentlich asymmetrisch seitlich bezüglich mindestens einem der Verdrängerkolben (12,15) geführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der regenerative Gaskreisprozess einen Vuilleumier-Gaskreisprozess umfasst.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessluft zu ihrem Abkühlen und / oder Erwärmen im Wesentlichen geradlinig geführt wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, dadurch ge- kennzeichnet, dass ein Strömungsverlust der Prozessluft im Arbeitspunkt geringer als 250 Pa ist.
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