[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe für einen Wäschetrockner, dessen Prozessluftkreis
mit einem Kältemittelkreis gekoppelt ist, in dem ein Motorverdichter ein Kältemittel
über einen Verdampfer und über einen Verflüssiger fördert, der über eine Drossel mit
dem Verdampfer verbunden ist. Unter Motorverdichter wird hier ein motorisch angetriebener
Verdichter in halbhermetischer oder hermetischer Bauart verstanden.
[0002] Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 40 23 000 A1 ist ein Wäschetrockner mit
angekoppeltem Wärmepumpenkreis bekannt. Die durch einen Wäschetrokkenraum (Wäschetrommel)
strömende Prozessluft wird im Wärmetausch mit einem Kältemittel geführt, das in einem
geschlossenen Kältemittel- oder Wärmepumpenkreis einen Verdampfer und einen Verdichter
sowie einen Verflüssiger oder Kondensator und eine Drossel durchströmt. Der Wärmepumpenkreis
dient dabei zum Ausfällen der in der Prozessluft aus dem Wäschetrockenraum mitgeführten
Feuchtigkeit und zur anschließenden Aufheizung der Prozessluft. Dazu nimmt das primärseitige
Kältemittel im Verdampfer Wärme aus der sekundärseitigen Prozessluft auf und überträgt
über die Wärmetauscherfläche des Verflüssigers Wärme aus dem Wärmepumpenkreis an die
bei der Verdampfung abgekühlte Prozessluft.
[0003] Bei diesem Prinzip der Wärmeübertragung zwischen der Prozessluft des Wäschetrockners
und dem Kältemittel der Wärmepumpe ist jedoch die Anpassung der beiden Kreisläufe
im Hinblick auf die Energieübertragung problematisch, da die Heizleistung des Wärmepumpenkreises
im Bereich des Verflüssigers um die Verdichterleistung höher ist als die Verdampferleistung.
Aufgrund der nur begrenzten Wärmeaufnahmekapazität der Prozessluft würde daher deren
Temperatur kontinuierlich ansteigen. Zur Einstellung der Temperatur sind daher bei
dem bekannten Wärmepumpen-Wäschetrockner im Prozessluftkreis eine einstellbare Abluftöffnung
und eine Zuluftöffnung vorgesehen, um die überschüssige Wärmemenge aus dem Prozessluftkreis
abzuführen.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit einem Prozessluftkreis eines Wäschetrockners
gekoppelte Wärmepumpe anzugeben, mit der bei gleichzeitig zuverlässigem Betrieb eine
einfache Anpassung der beiden Kreisläufe mit vergleichsweise geringem technischen
Aufwand erreicht wird.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Dazu
wird einerseits ein Kältemittel vergleichsweise niedriger Kälteleistung und andererseits
ein Motorverdichter für die Wärmepumpe verwendet, der leistungsmäßig für ein anderes
Kältemittel mit im Vergleich zum eingesetzten Kältemittel höherer Kälteleistung ausgelegt
ist.
[0006] Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine bezüglich der Verdichterleistung
für ein bestimmtes Druckverhältnis zwischen Verflüssigungsdruck und Verdampfungsdruck
bzw. für ein entsprechendes Temperaturverhältnis ausgelegte Wärmepumpe auch bei einem
höheren Temperaturniveau des Kältemittels sowohl im Bereich des Verdampfers als auch
im Bereich des Verflüssigers zuverlässig betrieben werden kann, wenn lediglich die
motorische Verdichterleistung, nicht aber die Kälteleistung erhöht wird.
[0007] Die Erfindung nutzt dabei die Kenntnis, dass bei der üblichen Dimensionierung des
Elektromotors eines Hermetik- oder Halbhermetik-Verdichters nicht nur das Druck- bzw.
Temperaturverhältnis im Wärmepumpenkreis, sondern auch das hinsichtlich der erforderlichen
Kälteleistung verwendete Kältemittel als Parameter herangezogen werden. Bei der üblichen
Dimensionierung oder Auslegung einer derartigen Wärmepumpe, wie diese auch zur Tiefkühlung,
Normalkühlung und im Klimabereich eingesetzt wird, ist die Motorleistung des Verdichter-Motors
auf eine Verdampfertemperatur und eine Verflüssigertemperatur abgestimmt, die sich
bei einem offenen Sekundärkreis mit praktisch unbegrenzter Wärmeaufnahmefähigkeit
einstellt.
[0008] In einer derart ausgelegten Wärmepumpe mit bezüglich der einzelnen Leistungen aufeinander
abgestimmten Komponenten stellt sich bei deren Ankopplung an einen geschlossenen Sekundärkreis
in Form des Prozessluftkreises infolge dessen nur begrenzter Wärmeaufnahmefähigkeit
ein vergleichsweise hohes Temperaturniveau ein. Die Verflüssigung des Kältemittels
erfordert bei höherem Temperaturniveau eine höhere Verdichterleistung, die vom Elektromotor
des Verdichters aufzubringen ist. Da dieser jedoch üblicherweise zur Vermeidung von
Überdimensionierungen und überhöhtem Materialaufwand bezüglich der Motorwicklungen
nur für ein auf das eingesetzte Kältemittel und damit auf das durch dieses festgelegte
volumetrische Antriebs- oder Kälteleistung abgestimmte Verdichterverhältnis eingestellt
ist, ergeben sich bei den durch die Kopplung der beiden Kreisläufe einstellenden erhöhten
Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen entsprechend höhere Ströme in der Motorwicklung.
Dies würde zu unzulässig hohen Wicklungstemperaturen führen, so dass der Thermoschutz
der Wicklung den Strom unterbricht und den Verdichter abschaltet.
[0009] So ist üblicherweise bei Einsatz des Kältemittels R134a die Motorleistung, d.h. bei
einem Motorverdichter in hermetischer oder halbhermetischer Ausführung die Klemmenleistung,
auf eine Verdampfertemperatur von ca. 15°C und eine Verflüssigertemperatur von ca.
55°C bis 65°C abgestimmt, während sich bei einer derart ausgelegten Wärmepumpe durch
deren Ankopplung an einen Prozessluftkreis eines Wäschetrockners Temperaturen von
etwa 25°C am Verdampfer und etwa 75°C am Verflüssiger einstellen. Der Verdichter würde
motorseitig bei diesen Temperaturen überlastet werden mit der Folge, dass der Thermoschalter
aufgrund der zu hohen Temperatur der Wicklung abschaltet.
[0010] Ebenso würde der Thermoschutz einer für das Kältemittel R404A oder R407C mit vergleichsweise
höherer Kälteleistung ausgelegten Wärmepumpe deren Verdichter abschalten, obwohl dieser
für eine vergleichsweise hohe Motorleistung ausgelegt ist. Grund hierfür ist, dass
auch bei diesem höher dimensionierten Verdichter-Motor dessen Leistung wiederum auf
die vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 15°C am Verdampfer und 55°C am Verflüssiger
ausgelegt ist. Dabei ist das Kältemittel R 404a ein Gemisch aus 44% R125 (CF
3-CHF
2) und 52% R143a (CH
3-CF
3) sowie 4% R 134a (CF
3-CH
2F), während das Kältemittel R407C ein Gemisch aus 25% R125 und 23% R32 (CH
2F
2) sowie 52% R134a ist.
[0011] Wird jedoch dieser höher dimensionierte, in vorteilhafter Ausgestaltung auf das Kältemittel
R404A oder R407C mit vergleichsweise hoher Kälteleistung ausgelegte Motorverdichter
in Kombination mit dem Kältemittel R134a (C
2H
2F
4) mit vergleichsweise niedriger Kälteleistung eingesetzt, so sind die sich bei der
Ankopplung der derart ausgelegten Wärmepumpe an den Prozessluftkreis des Wäschetrockners
einstellenden vergleichsweise hohen Temperaturen ohne Überlastung des Verdichter-Motors
beherrschbar. Dabei wird vorteilhafterweise die Prozessluft im Bereich des Verflüssigers
auf eine Temperatur von T ≥ 70°, zweckmäßigerweise T = 75° bis T = 80°, aufgeheizt.
Im Bereich des Verdampfers wird die Prozessluft auf eine Temperatur von T
0 ≥ 20°, vorzugsweise T
0 = 25°, abgekühlt.
[0012] Diese vergleichsweise hohen Temperaturen sind bei Verwendung von R134a und eines
für R404A oder R407C ausgelegtem Verdichter möglich, da der Verflüssigungsdruck bei
R134a nur ca. 24 bar beträgt, während bei R404A der kritische Punkt mit einer kritischen
Temperatur von 72,02°C und einem kritischen Druck von 37,22 bar überschritten wird.
Ein ebenso hoher Druck von etwa 37 bar, für den ein üblicherweise vorgesehener Motorverdichter
aufgrund einer Überschreitung der Einsatzgrenzen und einer Überlastung des Motors
nicht einsetzbar ist, tritt auch bei R407C auf. Demzufolge müßte bei dem üblichen
Motorverdichter mit vergleichsweise niedrigen Temperaturen getrocknet werden, was
mit dem Nachteil vergleichsweise langer Trockenzeiten verbunden ist.
[0013] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch
Verwendung eines Kältemittels niedriger Kälteleistung und eines für ein anderes Kältemittel
vergleichsweise hoher Kälteleistung ausgelegten Motorverdichters eine bezüglich der
Energieübertragung unproblematische Anpassung eines derart ausgelegten Wärmepumpenkreises
an einen Prozessluftkreis eines Wäschetrockners erreicht wird. Gleichzeitig wird eine
vergleichsweise hohe Trockentemperatur von etwa 75° bis 80° erreicht, so dass die
Trockenzeit entsprechend verkürzt ist. Da sich bei einem derart ausgelegten Wärmepumpenkreis
bei allen Betriebsbedingungen stets ein stabiler Betriebszustand einstellt, sind zusätzliche
Maßnahmen weder zur Einstellung oder Regelung der Prozesslufttemperatur noch zur Regelung
des Wärmepumpenkreises oder einzelner Komponenten der Wärmepumpe erforderlich.
[0014] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher
erläutert. Darin zeigt die Figur schematisch einen Wärmepumpen-Wäschetrockner mit
vollständig geschlossenem Prozessluftkreis.
[0015] Der Wäschetrockner umfasst als Wäschetrockenraum eine Wäschetrommel 1, die mit Prozessluft
L in Richtung der dargestellten Pfeile durchströmt wird. Die Prozessluft L ist in
einem geschlossenen Prozessluftstrom durch einen vorzugsweise abgeschlossenen, d.h.
ohne Zu- und Abluftöffnungen versehenen Prozessluftkanal geführt. Dieser weist einen
Kanalteil 2 für die trockene warme Luft und einen Kanalteil 3 für feuchte, vergleichsweise
kühle Luft sowie einen Kanalteil 4 für die kühle trockene Luft zwischen einem Verdampfer
5 und einem Verflüssiger 6 auf. Im Kanalteil 2 ist zwischen dem Verflüssiger 6 und
der Wäschetrommel 1 ein elektromotorisch angetriebenes Gebläse 7 geschaltet, die den
gezeigten Umluftstrom der Prozessluft L aufrechterhält.
[0016] Im Bereich des Prozessluftkanals sind der Verdampfer 5 und der Verflüssiger 6 eines
Wärmepumpenkreises 8 derart angeordnet, dass die Prozessluft L jeweils in intensiven
Kontakt mit den Wärmetauscherflächen des Verdampfers 5 und denen des Verflüssigers
6 gelangt. Der Wärmepumpenkreis 8 enthält als weitere Komponenten der Wärmepumpe zwischen
dem Verflüssiger 6 und dem Verdampfer 5 eine Drosseleinrichtung 9 sowie einen motorisch
angetriebenen Verdichter 10. Dieser ist zusammen mit dem Elektromotor 11 in einem
gemeinsamen Gehäuse 12 angeordnet. Der Motorverdichter 10,11 ist in hermetischer Bauart
mit verschweißtem Kapselgehäuse 12 oder in halbhermetischer Bauart mit verschraubtem
Gehäuse 12 ausgeführt. Unterhalb des Verdampfers 5 ist eine Auffangeinrichtung 13
für wässriges Kondensat K angeordnet, das sich aus der Prozessluft L an den kühlen
Wärmetauscherflächen des Verdampfers 5 niederschlägt. Die Wärmepumpe, d. h. der Verdichter
10, der Verdampfer 5, der Verflüssiger 6 und das Expansionsorgan 9, sind für eine
bestimmte Wäschemenge und eine bestimmte Wäschetrommel 1 ausgelegt.
[0017] Beim Betrieb des Wärmepumpen-Wäschetrockners wird durch den im Verdampfer 5 bei niedrigem
Druck p
0 und tiefer Temperatur T
0 aus der Prozessluft L aufgenommenen Wärmestrom Q
0 flüssiges Kältemittel KM verdampft, das in dem geschlossenen Kältemittel- oder Wärmepumpenkreis
8 geführt ist. Der dabei entstehende Kältemitteldampf wird vom Verdichter 10 angesaugt
und verdichtet, so dass im von der Prozessluft L gekühlten Verflüssiger 6 das Kältemittel
KM bei höherer Temperatur T wieder verflüssigt wird. Der Verflüssigungsdruck p ist
um so höher, je wärmer die Prozessluft L ist. Dabei beeinflusst das Druckverhältnis
p/p
0 zwischen Verflüssigungsdruck p und Verdampfungsdruck p
0 den Leistungsbedarf P des Verdichters 10, wobei die Heizleistung des Verflüssigers
6, d.h. der Verflüssiger-Wärmestrom Q um die Antriebsleistung P des Verdichters 10,
die der Klemmenleistung des Motors entspricht, höher ist als die Wärmeleistung bzw.
der Wärmestrom Q
0 des Verdampfers 5. Dabei entspricht der Verdampfer-Wärmestrom Q
0 der Gesamtkälteleistung.
[0018] Das verflüssigte und ggf. unterkühlte Kältemittel KM mit dem Verflüssigungsdruck
p wird durch die Drosseleinrichtung 9 auf den niedrigen Verdampferdruck p
0 entspannt und dem Verdampfer 5 wieder zugeführt. Bei diesem sich wiederholenden Vorgang
nimmt die Prozessluft L im Verflüssiger 6 die beim Verflüssigungsvorgang frei werdende
Wärmeenergie Q und zumindest einen Teil der Kompressorenergie P auf und trägt diese
in die Wäschetrommel 1. Dort dient die auf eine Temperatur von etwa 75° bis 80°C aufgewärmte
Prozessluft L zum Aufheizen der feuchten Wäsche und zum Verdunsten oder Verdampfen
der in der Wäsche vorhandenen Feuchtigkeit. Diese wird durch den Kanalteil 3 wiederum
zum Verdampfer 5 geführt und kondensiert dort mit gleichzeitiger Abkühlung der Prozessluft
L auf eine Temperatur von etwa 25°C.
[0019] Die endgültigen Temperaturen T, T
0 stellen sich bei dem geschlossenen Luftkreislauf in Abhängigkeit von Luftleckagen
einerseits und von der Wärmeabgabe der Wäschetrommel 1, der Kanalteile 2 bis 4 und
des Verdichters 10 andererseits ein. Ein weiterer Anstieg der Temperatur T von etwa
75° bis 80° am Verflüssiger 6 kann bedarfsweise durch Steigerung der Wärmeabgabe des
Verdichters 10 bzw. des Verdichtermotors 11, beispielsweise durch eine Zwangsbelüftung
und/oder eine Ölsumpfkühlung, verhindert werden.
[0020] Bei diesen Temperaturen von T
0=25°C im Verdampfer 5 und T=75°C im Verflüssiger 6 würde ein auf das Kältemittel R134a
(C
2H
2F
4) abgestimmter Motorverdichter 10,11 mit einer typischen Leistungsaufnahme von 600-700W
hinsichtlich des zur Verflüssigung des Kältemittels KM erforderlichen mechanischen
Momentes einen unzulässig hohen Strom I[A] in der Wicklung des Elektromotors 11 mit
der Folge erzeugen, dass der (nicht dargestellte) Thermoschalter zum Schutz der Motorwicklungen
auslöst. Analog würde bei einem für das Kältemittel R404A oder R407C ausgelegten Motorverdichter
10,11 mit höherer zulässiger Leistungsaufnahme von ca. 1000-1100W bei diesen Temperaturverhältnissen
wiederum der Thermoschutz auslösen, da aufgrund der höheren Kälteleistung dieses Kältemittels
R404A oder R407C im Vergleich zum Kältemittel R134a auch eine höhere volumetrische
Antriebsleistung P des Motorverdichters 10,11 erforderlich ist. Dies führt dazu, dass
sich bei einer derart ausgelegten Wärmepumpe wiederum eine Verdampfertemperatur T
0 von 15°C und eine Verflüssigertemperatur T von 55°C einstellen würde. Der Einsatz
eines Kältemittels KM mit höherer Kälteleistung und eines Motorverdichters 10,11 mit
höherer Antriebsleistung P würde daher wiederum zu einer Überlastung des Elektromotors
11 führen.
[0021] Zur Vermeidung einer Überlastung des Elektromotors 11 bei diesen erhöhten Temperaturverhältnissen
werden daher R134a als Kältemittel KM und der bei üblichen Wärmepumpen auf das Kältemittel
R404A oder R407C abgestimmte Motorverdichter 10,11 verwendet. Bei dem beschriebenen
Wäschetrockner mit angekoppelter Wärmepumpe wird durch den Einsatz des derart höher
dimensionierten Verdichters 10 und durch die Verwendung des Kältemittels R134a der
Betrieb auch bei hohen Umgebungstemperaturen und extremen Bedingungen durch Verflusung
beherrscht. Dabei bleibt die Wicklungstemperatur des Elektromotors 11 im zulässigen
Temperaturbereich, so dass keine Abschaltung des Thermoschutzes erfolgt.
Bezugszeichenliste
[0022]
- 1
- Wäschetrommel
- 2,3,4
- Kanalteil/Prozessluftkreis
- 5
- Verdampfer
- 6
- Verflüssiger
- 7
- Gebläse
- 8
- Kältemittelkreis
- 9
- Drosseleinrichtung
- 10
- Verdichter
- 11
- Elektromotor
- 12
- Gehäuse
- 13
- Auffangeinrichtung
- K
- Kondensat
- KM
- Kältemittel
- L
- Prozessluft
1. Wärmepumpe für einen Wäschetrockner, dessen Prozessluftkreis (2,3,4) mit einem Kältemittelkreis
(8) gekoppelt ist, in dem ein Motorverdichter ein Kältemittel (KM) über einen Verdampfer
(5) und einen Verflüssiger (6) fördert, der über eine Drossel (9) mit dem Verdampfer
(5) verbunden ist,
gekennzeichnet durch,
die Verwendung eines für ein anderes Kältemittel (KM) vergleichsweise hoher Kälteleistung
ausgelegten Motorverdichters (10,11).
2. Wärmepumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Kältemittel R134a und ein für das Kältemittel R404A oder R407C ausgelegter
Motorverdichter (10,11) vorgesehen sind.
3. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Prozessluft (L) im Bereich des Verflüssigers (6) eine Temperatur 80°≥ T ≥
70°, vorzugsweise T = 75°, aufweist.
4. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Prozessluft (L) im Bereich des Verdampfers (5) eine Temperatur T0 ≥ 20°, vorzugsweise T0 = 25°, aufweist.
5. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Zwangsbelüftung und/oder eine Ölsumpfkühlung des Verdichters (10) bzw. des
Verdichtermotors (11) vorgesehen ist.