Konzeptstudie Industrie-Wäschetrockner. Evaluation von Technologien für höhere Energieeffizienz

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1 Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE Schlussbericht 15. November 2011 Konzeptstudie Industrie-Wäschetrockner Evaluation von Technologien für höhere Energieeffizienz

2 Auftraggeber: Bundesamt für Energie BFE Forschungsprogramm Elektrizitätstechnologien & -anwendungen CH-3003 Bern Auftragnehmer: awtec AG für Technologie und Innovation Leutschenbachstrasse 48 CH-8050 Zürich Autoren: Stefan Stahl, awtec AG für Technologie und Innovation, Andreas Kaiser, awtec AG für Technologie und Innovation, Dr. Jochen Ganz, awtec AG für Technologie und Innovation, BFE-Bereichsleiter: Dr. Michael Moser BFE-Programmleiter: Roland Brüniger BFE-Vertragsnummer: SI/ Für den Inhalt und die Schlussfolgerungen ist ausschliesslich der Autor dieses Berichts verantwortlich. 2/23

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... 3 Zusammenfassung... 4 Resumé... 4 Abstract... 5 Ausgangslage... 6 Ziel der Arbeit... 7 Trocknerkonzepte... 8 Ablufttrockner... 8 Kondensationstrockner... 8 Wärmepumpen-Trockner... 8 Vakuumtrockner Vergleich der Konzepte Modell zum Trocknungsprozess Wärmepumpen-Trockner für industrielle Wäschetrocknung Lufttemperaturen für schnellen Trocknungsprozess Vergleich von Kältemitteln Flusenhandling Schlussfolgerungen Referenzen Anhang Modell Wäschetrocknung /23

4 Zusammenfassung Aktuelle Haushalts-Wäschetrockner erreichen Effizienzwerte zwischen 0.2 und 0.25 kwh/kg Trockenwäsche. Sie basieren in der Regel auf dem Prinzip der Wärmepumpe (Kondensations-Trockner). Bei den Industriegeräten werden diese sehr guten Werte nicht erreicht. Übliche Produkte liegen bei einer Energieaufnahme über 0.5 kwh/kg. Der Grund dafür liegt zu einem grossen Teil bei der Technologie. So sind die Industriegeräte in aller Regel Abluft-Geräte mit Gas-, Strom- oder Dampfbeheizung. Gerade aber bei diesen grossen Geräten, welche dazu sehr gut ausgelastet sein müssen, sind die potentiellen Energieeinsparungen beträchtlich. Im Rahmen eines breiten Konzeptvergleiches wurde ersichtlich, dass ein Wärmepumpen- Trocknerkonzept mit einem alternativen Kältemittel ein grosses Potential hat, mit beschränktem Entwicklungsaufwand und -risiko zu einem effizienten und schnellen Industrie- Wäschetrockner umgesetzt zu werden. Ein Vergleich von unterschiedlichen Kältemitteln hat Alternativen zum heute verwendeten R134a wie CO 2 oder R245fa aufgezeigt, die wesentliche Effizienzsteigerungen in dieser Anwendung bewirken könnten. Weiter wurde ein einfaches thermodynamisches Modell aufgestellt, um die notwendigen Temperaturen für eine Verkürzung der Trocknungszeit abzuschätzen. Daraus wird ersichtlich, dass mit einer Zuluft-Temperaturerhöhung von 70 C auf 95 C eine Halbierung der Zeit erreicht werden kann. Die Wärmepumpentechnologie ist vorhanden und erprobt, das Entwicklungsrisiko damit klein und das Energieeinsparungspotential beträchtlich. Unter diesen Voraussetzungen sollte es möglich sein, einen Hersteller finden zu können, um dieses Konzept umzusetzen und in den Markt zu bringen. Resumé Les séchoirs à linge ménagers actuels atteindrent une efficacité de 0,2-0,25 kwh/kg de linge sec. Ils sont généralement basés sur le principe de la pompe à chaleur. Dans les blanchisseries industrielles, ces très bonnes valeurs ne sont pas atteintes. Les produits disponibles comportent une consommation d'énergie au moins de 0,5 kwh/kg. C est dû en grande partie à la technologie. Avec ces gros appareils avec grand volume de travail les économies d'énergie potentielles sont considérables. Une comparaison des concepts differents a montré que le concept d un séchoir à linge avec une pompe à chaleur et un agent frigorifique alternatif offre un potentiel considérable de devenir un produit rapide et efficace sans grands efforts et risques en cours de développement. Des agents frigorifiques alternatifs comme le CO 2 ou R245fa pourraient entraîner des améliorations d'efficacité significatives à cette application. Avec un simple modèle thermodynamique, on a prouvé qu une augmentation de la température de l'air de 70 C à 95 C réduit le temps de séchage de 50%. La technologie des pompes de chaleur est disponible et éprouvée, les risques dans le développement sont petites et le potentiel des économies d'énergie est considerable. Par conséquent, il devrait être possible de trouver un fabricant pour mettre en œuvre et commercialiser ce concept. 4/23

5 Abstract Current household dryers reach efficiency values between 0.2 and 0.25 kwh / kg of dry laundry. They are usually based on the heat pump principle. In industrial devices, these very high values are not reached. Available products exhibit an energy consumption of 0.5 kwh / kg. This is mainly due to the technology. But these large devices with high working load have a considerable energy saving potential. A comparison of concepts has shown that a heat pump dryer concept with an alternative refrigerant has a great potential to be implemented with limited development effort and risk into an efficient and rapid industrial dryer. The usage of alternative refrigerants like CO 2 or R245fa could result in significant efficiency gains in this application. Further, a simple thermodynamic model was set up to estimate the temperatures necessary to shorten the drying time. This showed that a supply air temperature increase from 70 C to 95 C could halve the cycle time. The heat pump technology is available and tested, the development risk is small and the potential for significant energy savings is high. Under these conditions, it should be possible to find a manufacturer to implement this concept and bring to market. 5/23

6 Ausgangslage Auslöser für das Projekt ist neben einer steigenden Nachfrage nach energieeffizienten Lösungen von Seiten des Marktes das Potential des Einsatzes von CO 2 als Kältemittel in dieser Applikation. Die Energieetikette mit den Effizienzklassen von Wäschetrocknern für den Haushalt (EU- Richtlinie 95/13/EG vom 23. Mai 1995) schreibt Höchstwerte für den Energieverbrauch pro kg Trockenwäsche vor (gemäss Figur 1). Aktuelle neue Produkte im Bereich der Haushaltsgeräte erreichen Werte zwischen 0.2 und 0.25 kwh/kg Trockenwäsche. Sie basieren in der Regel auf dem Prinzip der Wärmepumpe (Kondensations-Trockner) und werden mit elektrischem Strom betrieben. Figur 1: Grenzwerte in kwh pro kg Wäsche, Effizienzklassen A bis G gemäss EU- Richtlinie 95/13/EG vom 23. Mai 1995 [1] Bei den Industriegeräten (>20 kg Wäsche pro Trockengang) werden diese sehr guten Werte nicht erreicht. Übliche Produkte liegen bei einer Energieaufnahme über 0.5 kwh/kg (Beispiele in [2]). Der Grund dafür liegt zu einem grossen Teil bei der Technologie. So sind die Industriegeräte in aller Regel Abluft-Geräte mit Gas-, Strom- oder Dampfbeheizung. Dagegen sind Wärmepumpentrockner Umluftsysteme, was neben der höheren Effizienz den zusätzlichen Vorteil bringt, dass kein Abluftkanal benötigt wird. Gerade aber bei diesen grossen Geräten, welche dazu auch noch sehr gut ausgelastet sein müssen, sind die potentiellen Energieeinsparungen beträchtlich. awtec sieht unterschiedliche Ansätze für technologische Verbesserungen im Bereich der Industrie-Trockner. Nicht nur die Wärmepumpe als Basistechnologie, sondern weitere Konzepte wie z.b. Vakuum-Trocknung sind denkbar. Zudem ist innerhalb der Wärmepumpentechnologie die Wahl des Arbeitsmediums entscheidend für hohe Effizienzen. Wir möchten dabei CO 2 hervorheben, welches für den Wärmeaustauschprozess im Trockner optimale spezifische Eigenschaften aufweist. Gemäss den Schätzungen eines Branchenkenners 1 werden in der Schweiz täglich zwischen 1500 und 2500 Tonnen Wäsche industriell gewaschen. Dazu wird eine Energiemenge von GWh/a, meist in Form von elektrischem Strom, benötigt. Falls ein technologischer Wechsel ähnliche Effizienz-Verbesserungen wie bei den Haushaltsgeräten mit sich bringt, müsste der Energieverbrauch pro kg Trockenwäsche bei den Industrietrocknern im Minimum auf die Hälfte reduziert werden können. Bei der Industrie-Anwendung ist aber eine kurze Zykluszeit aufgrund der Wirtschaftlichkeit als Anforderung höher zu gewichten als bei Haushaltsgeräten. 1 Peter Walter, Leiter Waschtechnik bei der Ferrum AG 6/23

7 Ziel der Arbeit Das Projekt hat zum Ziel, die potentialreichste Technologie für energieeffiziente (Industrie-) Wäschetrockner zu evaluieren und anschliessend einen Industriepartner für deren Realisierung im Rahmen eines umfassenden Entwicklungsprojekts zu gewinnen. Es sollen alle greifbaren Konzepte und Ideen verglichen werden mit den heutigen, herkömmlichen Technologien. Auch soll das Konzept der Vakuum-Trocknung mitevaluiert werden (ein Projekt von awtec im Auftrage unserer Tochter innostarter AG, gefördert vom BFE). Das Hauptaugenmerk soll bei grossen Trocknern (Ladung um 40 kg Wäsche) liegen. Eine anspruchsvolle Aufgabe ist dabei das Flusenhandling, das bis heute selbst in den energieeffizienten Haushaltsgeräten nicht befriedigend gelöst ist. Hier kann awtec auch seine Erfahrungen aus der Textillufttechnik mit einbringen. Folgende Technologien werden verglichen: Herkömmlicher Ablufttrockner (elektrisch oder gasbefeuert, mit und ohne Rekuperation) Wärmepumpentrockner mit üblichen (synthetischen) Kältemitteln Wärmepumpentrockner mit CO 2 als Kältemittel Vakuumtrockner Weitere Ideen Die unterschiedlichen technologischen Ansätze werden bezüglich unterschiedlichster Merkmale/Anforderungen untersucht (die Liste ist nicht abschliessend, die Kriterien sollten die zukünftigen (!) Marktanforderungen möglichst gut repräsentieren): Energieeffizienz Zykluszeit Betriebskosten / Investitionskosten -> Amortisation Entwicklungsaufwand Flusenproblematik Es soll demnach aufgrund dieser Analyse ersichtlich werden, welche der Technologien oder Konzepte für die zukünftige Entwicklung neuer Produkte am meisten Erfolg verspricht. 7/23

8 Trocknerkonzepte Die folgenden Konzepte für die Trocknung von Wäsche wurden betrachtet: Ablufttrockner Der Ablufttrockner ist der bei Industriegeräten vorherrschende Trocknertyp. Dabei wird Aussenluft angesaugt, elektrisch oder mit Gas erhitzt und in die Wäsche gebracht. Dort gibt sie Wärme an die Wäsche ab, nimmt Feuchtigkeit auf und wird nach aussen geblasen. Dieser Prozess ist sehr energieintensiv, da die gesamte Heizwärme in der Abluft an die Umgebung abgegeben wird und nicht mehr nutzbar ist. Es besteht die Möglichkeit, mit einem Wärmetauscher zwischen Zu- und Abluft einen Teil der Wärme zurückgewinnen. Die rekuperierbare Wärme ist aber durch den Taupunkt der Abluft begrenzt. Heutige Ablufttrockner im Haushaltsbereich erreichen eine Effizienz von 0.47 kwh/kg. Kondensationstrockner Im Gegensatz zum Ablufttrockner besitzt der Kondensationstrockner einen geschlossenen Prozessluftkreislauf: Die feuchte Luft wird in einem Wärmetauscher mit Aussenluft abgekühlt, wobei das aus der Wäsche aufgenommene Wasser auskondensiert. Anschliessend wird die getrocknete Luft wieder aufgeheizt und erneut in die Wäsche geblasen. Das Kondensat wird mit einer Pumpe in den Kondensatbehälter oder, falls vorhanden, in eine Abwasserleitung gefördert. Figur 2: Funktionsweise Kondensationswäschetrockner [3] Die besten Haushalts-Kondensationstrockner erreichen eine Effizienz von 0.5 kwh/kg. Wärmepumpen-Trockner Eine Sonderform des Kondensationstrockners ist der Wärmepumpentrockner. Hier kondensiert das Wasser am Verdampfer, die Wärme wird von der Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau gehoben und heizt die entfeuchtete Luft im Verflüssiger wieder auf. Da die Wärme der Prozessluft zurückgewonnen wird, sind sehr effiziente Geräte möglich. Aktuelle Haushalts-Wärmepumpentrockner erreichen Effizienzwerte zwischen 0.19 und 0.25 kwh/kg Trockenwäsche, was weniger als der Hälfte des Grenzwertes der Effizienzklasse A entspricht. Wärmepumpentrockner sind aber komplexer und damit teurer als herkömmliche Kondensationstrockner; weiter ist durch die notwendigen grossen Wärmetauscherflächen die Gefahr der Verschmutzung durch Flusen hoch und bisher nicht zufriedenstellend gelöst. 8/23

9 Figur 3: Funktionsweise Wärmepumpenwäschetrockner [3] Wärmepumpen sind effizienter, je kleiner der Temperaturhub ist; dazu ist das in aktuellen Wärmepumpentrocknern verwendete Kältemittel R134a für grosse Temperaturhübe nicht optimal. Deshalb ist die maximale Lufttemperatur und damit auch die Geschwindigkeit stark beschränkt. Ein Kältemittelwechsel z.b. zu CO 2 besitzt hier Optimierungspotential. WP-Trockner mit Prozessluft als Kältemittel Thermodynamisch interessant ist die Möglichkeit, wie in [4] beschrieben, direkt die Prozessluft als Kältemittel in einem Wärmepumpenprozess zu verwenden. Dabei nimmt die Luft wie beim herkömmlichen Wäschetrockner das Wasser aus der Wäsche auf (1) und expandiert anschliessend in der Düse (2). Aufgrund tieferen Druckes und Temperatur kondensiert das Wasser. Das Luft-Wasser-Gemisch wird nun in einem Diffusor verzögert (3) und anschliessend in den Wasserabscheider geleitet, wo das Wasser abgeführt wird. Die verbleibende Luft (4) strömt weiter in den Wärmetauscher, wo sie Wärme an die Umgebung abgibt. Anschliessend wird die Luft in einem Verdichter auf einen höheren Druck und Temperatur gebracht (6). Figur 4: Funktionsweise Wärmepumpentrockner mit Luft als Kältemittel [4] Rechnerisch lassen sich mit diesem Prozess bessere Effizienzen erzielen als mit einem herkömmlichen Wärmepumpen-Trocknungsprozess [4]. Bei der technischen Umsetzung sind aber grosse Probleme zu erwarten: Die Flusenproblematik wird durch die zusätzlichen Bauteile wesentlich verschärft, insbesondere die Funktion der Düse und des Kompressors wird bereits bei wenig Fluseneintrag stark beeinträchtigt werden. 9/23

10 Vakuumtrockner Der Vakuum-Wäschetrockner ist ein Konzept, das bisher noch nicht im Markt vorhanden ist. Das Patent für diese Technologie liegt bei innostarter. Bei awtec wurde ein Funktionsmuster eines Haushalts-Wäschetrockners gebaut, welcher die Wäsche bei Unterdruck trocknet. Die bisherigen Versuche ergaben viel versprechende Resultate. Das Prinzip des Vakuum-Wäschetrockners ist aus nachfolgender Figur 5 ersichtlich: Um den Prozess zu starten, wird die Wäsche aufgeheizt. Anschliessend wird der Druck abgesenkt und die Feuchtigkeit in der Wäsche beginnt zu verdampfen. Der in der Trommel anfallende Wasserdampf wird kontinuierlich mit dem Verdichter abgepumpt und auf die Aussenseite der Trommel geführt, wo die Kondensation stattfindet. Diese Kondensationswärme wird in die Wäsche durch die Trommelwand zurückgeführt und unterstützt so die weitere Verdampfung der Feuchte in der Wäsche. Der Prozess stellt eigentlich einen offenen Wärmepumpenprozess dar, bei dem das Arbeitsmedium das der Wäsche zu entziehende Wasser ist. Trommel Verdichter Isolation Heizung Kondenswasser Figur 5: Prinzip Vakuum-Wäschetrockner Die Vorteile der Technologie sind: Durch den Unterdruck resultiert eine tiefe Verdampfungstemperatur, was die Wäsche schont Da keine Luft durch die Wäsche geblasen wird, werden keine Flusen abgelöst und es wird kein Schmutz in die Wäsche geblasen Thermodynamische Berechnungen und die Versuche am Funktionsmuster bei awtec haben gezeigt, dass Trocknungsleistungen eines Haushalts-Kondensationstrockners beim Energieverbrauch eines Wärmepumpentrockners erreichbar sind. Beim Einsatz in Haushaltsgeräten ist eine Effizienz von ca. 0.3 kwh/kg bei einer Trocknungszeit von 60 min und ca. 0.2 kwh/kg bei 75 min erreichbar (0.5 resp. 0.35xEffizienzklasse A). Für die Umsetzung in einen Industriewäschetrockner ist die Technologie allerdings nur bedingt geeignet, da mit zunehmender Trommelgrösse das Verhältnis von Trommelvolumen zu -oberfläche grösser wird. Damit wird der Wärmeübergang auf die Wäsche schlechter und zur Erreichung des Unterdrucks am Anfang des Prozesses muss mehr Luft aus der Trommel gesaugt werden. Auch die Konstruktion der Trommel wird wesentlich aufwendiger: grosse Abmasse ergeben grosse Kräfte durch den Unterdruck, auch die Dichtheit wird schwieriger zu erreichen. Der Verdichter hingegen wird durch den grösseren Volumenstrom generell effizienter. Auch ist die Verfügbarkeit von wasserdampfbeständigen Verdichtern, die bei Haushaltsgeräten eine zentrale Problematik darstellt, wesentlich besser. 10/23

11 Vergleich der Konzepte Figur 6 zeigt die geschätzte Trocknungsdauer und Effizienz der als sinnvoll eingeschätzten Konzepte anhand der Daten von aktuellen Haushalts-Wäschetrocknern (Best practice). Figur 6: Vergleich der geschätzten Trocknungsdauer und Effizienz der Konzepte anhand Daten von Haushalts-Wäschetrocknern Der Vergleich der Technologien anhand der Daten von Haushaltswäschetrocknern ist auf Industrie-Trommeltrockner beschränkt. Im Gegensatz zu kontinuierlichen Wasch- und Trockenstrassen sind diese den Haushaltstrocknern hinreichend ähnlich. In Tabelle 1 werden die Trocknerkonzepte nach marktrelevanten Kriterien bewertet und verglichen: Bewertungskriterien Ablufttrockner (Referenz) Kondensationstrockner Wärmepumpen- Trockner WP mit Prozessluft Vakuumtrockner Effizienz Tief Tief Hoch Hoch Hoch Zykluszeit Sehr kurz Kurz Lang, kürzer möglich mit altern. Kältemittel Lang Kurz Flusenproblematik Kein Problem Akzeptabel Entwicklung notwendig Sehr problematisch Kein Problem Betriebskosten Hoch Hoch Tief Tief Tief Investitionskosten Tief Tief Mittel Hoch Mittel Entwicklungsaufwand - - Klein Sehr gross Mittel Entwicklungsrisiko - - Klein Sehr gross Mittel Tabelle 1: Vergleich der Trocknerkonzepte Aus diesem Vergleich geht hervor, dass das Wärmepumpen-Trocknerkonzept mit einem alternativen Kältemittel das grösste Potential hat, mit beschränktem Entwicklungsaufwand und -risiko zu einem effizienten und schnellen Industrie-Wäschetrockner umgesetzt zu werden. In den folgenden Kapiteln sollen die offenen Fragen zu den notwendigen Temperaturen zum Erreichen einer kurzen Zykluszeit, der daraus folgenden Kältemittelauswahl und zur Lösung der Flusenproblematik nach Möglichkeit beantwortet werden. 11/23

12 Modell zum Trocknungsprozess Um insbesondere für den Wärmepumpentrockner die Abhängigkeit der Trocknungsdauer von der Lufttemperatur einschätzen zu können, wurde eine einfache Abschätzung durchgeführt: Verschiedene Trocknertypen wurden betrachtet, durchschnittliche Lufttemperaturen und -feuchtigkeiten angenommen und miteinander verglichen. Die Details zu den Schätzungen sind im Anhang zu finden. Für die Modellierung wurde angenommen, dass der Trocknungsvorgang mit den folgenden Variablen vereinfacht beschrieben werden kann: Die der Wäsche zu entziehende Wassermenge Die Wärmeleistung, die aus der Luft ins Wasser übergeht Die Temperaturdifferenz zwischen Luft und Wäscheoberfläche, hier dargestellt durch die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz zwischen Luftein- und austrittstemperatur und deren Taupunkttemperatur Die absolute Temperatur der Wäsche, hier dargestellt als gemittelte Taupunkttemperatur Daraus wurde folgende Proportionalität für die Trocknungsleistung abgeleitet: resp. (1) Die Bewegung der Wäsche in der Trommel und der Luftvolumenstrom beeinflussen direkt die Luftverhältnisse zwischen Ein- und Austritt, sind somit bereits in der Temperaturdifferenz zur Taupunkttemperatur enthalten und müssen deshalb nicht separat eingerechnet werden. Luft ein Luft aus Figur 7: Geschätzte Temperaturverteilungen: Lufttemperatur (oben) und Taupunkttemperatur (unten) Ein Teil des zu verdampfenden Wassers ist in den Wäschefasern gebunden. Das Entziehen des gebundenen Wassers benötigt zusätzlich Energie (temperaturabhängig) und verlangsamt so den Trocknungsprozess. Um diesen Anteil abzubilden, wurde die absolute Wäschetemperatur als Faktor integriert. Wenn die ermittelten Trocknertypen in die in (1) aufgestellte Proportionalität integriert werden, kann die Gleichung als lineare Näherung mit einer maximalen Abweichung von < 20% eingesetzt werden (siehe Figur 8). 12/23

13 Figur 8: Trocknungsleistungs-Variablen (rechts) der unterschiedlichen Trocknertypen Mit dieser linearen Näherung ist nun eine Abhängigkeit zwischen Lufttemperatur und Trocknungszeit gegeben, die es ermöglicht, die notwendigen Temperaturen für einen schnellen Trockner abzuschätzen. Diese Näherung basiert auf wenigen, grob geschätzten Werten und soll lediglich einen Anhaltspunkt geben. Für eine genauere Analyse wären umfangreiche Messungen notwendig, die den Rahmen dieser Konzeptstudie sprengen würden. 13/23

14 Wärmepumpen-Trockner für industrielle Wäschetrocknung Lufttemperaturen für schnellen Trocknungsprozess Wenn die im letzten Kapitel erwähnte Proportionalität auf die Daten zum Haushalts-Wärmepumpentrockner angewendet wird, ist ersichtlich, dass mit einer Zuluft-Temperaturerhöhung von 70 C auf 95 C eine Halbierung der Trocknungszeit bei vergleichbarer Luftmenge erreicht werden kann (siehe Berechnung im Anhang). Vergleich von Kältemitteln Kältekreise von Haushalts-Wärmepumpentrocknern werden hauptsächlich mit dem in der Klima- und Kältetechnik weit verbreiteten Kältemittel R134a (Tetrafluorethan) betrieben. Für hohe Temperaturen ist dieses aber nur bedingt geeignet; deshalb sollen in diesem Kapitel alternative Kältemittel geprüft werden. Methodik Ein Kältemittelkreislauf zum Aufheizen von Luft wurde für verschiedene gängige Kältemittel aus der Refprop -Datenbank 2 als einfaches thermodynamisches Modell programmiert. Dabei wurde ein System betrachtet, welches Luft (trocken) von 20 C auf 90 C erhitzt. Als Wärmequelle wird Luft mit 20 C angenommen. Es handelt sich dabei um eine idealisierte Betrachtung, da die Wärmetauschprozesse nicht im Detail modelliert, sondern nur über ihre Enthalpie-Ströme bilanziert werden. Grösse Wert Einheit Eingangstemperatur Luft 20 C Ausgangstemperatur Luft 90 C Min. Temperaturdifferenz Wärmeabgabe an Luft 10 C Min. Temperaturdifferenz Warmeaufnahme 10 C Luftdruck 1.0 Bar Luftfeuchtigkeit (idealisiert) 0.0 % Verdichter-Effizienz (isentroper Wirkungsgrad) 0.7 [ ] Überhitzung 5 C Tabelle 2: Systembedingungen für die Simulation des Kältekreises zur Erwärmung der Luft. Berechnet wurden die Zustände des Kältemittels (Druck, Temperatur, Enthalpie, Entropie) an den charakteristischen Punkten auf dem Kältekreis und zusätzlich der Kältemittelmassenstrom resp. -volumenstrom (am Verdichter-Eintritt) und die Effizienz als COP des Wärmepumpen-Zyklus. Auch wurden die Kreisläufe zur optischen Plausibilitäts-Überprüfung graphisch dargestellt (siehe Figur 9). Im Diagramm wird die Entropie der Luft nicht massstabgetreu abgebildet (die Kurve wäre ansonsten sehr weit links ausserhalb des Kältemittelbildes), sondern mit den Werten vom Kältemittel verlinkt, damit effektiv ein realistisches und interpretierbares Bild entsteht. Das Programm berechnet sowohl unter- wie auch transkritische Kreisläufe. 2 Refprop: 14/23

15 Figur 9: Graphische Darstellung des Kältemittel-Kreislaufs zur Erwärmung der Luft im Trockner in Form eines Entropie-Temperatur-Diagramms. Das Beispiel zeigt CO 2 als Kältemittel. In Schwarz dargestellt ist das 2-Phasen-Gebiet; Rot der Kältemittel-Zyklus und Grün die Luft. Um vergleichbare, realitätsnahe Daten zu erhalten, wurde die maximale Verflüssigungstemperatur resp. der max. Kondensationsdruck als Einsatzgrenze definiert. Es war schwierig, sinnvolle Daten zu finden, da diese nicht nur vom Kältemittel direkt abhängt, sondern auch von der Konstruktion von verfügbaren Verdichtern und hochdruckseitigen Anlagekomponenten, Schmierölbeständigkeit, etc.; in dieser Studie wurden Angaben aus [5] und [6] verwendet. Im Modell nicht berücksichtigt ist die Druckabhängigkeit der Verdichterverluste, es wurde für alle Kältemittel mit einem festen isentropen Wirkungsgrad von 0.7 gerechnet. Vergleich der Kältemitteleigenschaften Folgende Kältemittel wurden berücksichtigt: R134a, R410a, R245fa, R744 (CO 2 ). Diese Kältemittel wurden aufgrund des breiten Einsatzes und/oder des Potentials für hohe Temperaturen (ausser R410a) ausgewählt. Da die Brennbarkeit bei grösseren Anlagen und somit auch bei Industrie-Wäschetrocknern ein Killerkriterium ist, wurden thermodynamisch interessante Kältemittel wie z.b. R717 (NH 3 ), R290 (Propan) und R600a (Isobutan) nicht betrachtet. Effizienz: Im spezifizierten Kältekreis erreichen die Kältemittel die folgenden Effizienzen: Figur 10: Vergleich der Kältemittel hinsichtlich der thermodynamischen Effizienz/Nutzungsziffer (COP) eines Systems zur Erhitzung von Luft von 20 auf 90 C. 15/23

16 Druck und spezifisches Volumen: Das absolute Druckniveau des Hochdrucks bestimmt den Bau des Kältekreises. Dieser muss massiver gebaut werden, je höher der Druck ist. Andererseits sind sehr tiefe Drücke (unterhalb Atmosphärendruck) nicht vorteilhaft, da das spezifische Volumen der Medien ansteigt, so dass sehr viel Verdichter-Arbeit für die Transferierung einer entsprechenden Wärmeleistung benötig wird. Eine bescheidene Effizienz ist die Folge. Hinsichtlich des Druckniveaus wären also Kältemittel mit Drücken im mittleren Bereich (1 40 bar) vorteilhaft. Massenstromverhältnis: Das Massenstromverhältnis zwischen dem Kältemedium und der zu erwärmenden Luft gibt ebenfalls Aufschluss darüber, wie viel Kältemittel für die Erwärmung einer bestimmten Menge von Luft verdichtet (bzw. gefördert) werden muss. Zusammen mit dem Vergleich der spezifischen Volumina beeinflusst das Massenstromverhältnis somit entscheidend die Effizienz des Kältesatzes. Weitere Eigenschaften: Da die Kältemittel des angestellten Vergleichs sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzungen/Eigenschaften aufweisen, ist es wichtig bei der Auswahl weitere Beurteilungskriterien wie z.b. die Toxizität oder auch die Löslichkeitseigenschaften für organische Öle einzubeziehen. Nicht-toxische resp. natürliche Kältemittel mit guter Öllöslichkeit sind wenn möglich zu bevorzugen. Figur 11: Vergleiche zwischen den Kältemitteln: Druckniveaus (links); Massenstromverhältnisse (m_luft/m_km) und spezifisches Volumen (m 3 _KM/kg_KM) des Kältemittels vor dem Kompressor. 16/23

17 Kältemittel R245fa ist ein relativ neues synthetisches Kältemittel ohne Ozonabbaupotential, das heute hauptsächlich in ORC-Prozessen verwendet wird, aber in Zukunft auch in der Kälte- und Klimatechnik eingesetzt werden soll. Die hohe kritische Temperatur von 154 C ermöglicht effiziente Hochtemperatur-Kältekreise bei einer tiefen Drucklage, es ergibt sich aber ein hohes Druckverhältnis von >11 im berechneten Kreislauf. Wie auch für ähnliche neue Kältemittel wie 245ca sind noch kaum geeignete Verdichter und Komponenten im Markt erhältlich. Figur 12: Kreislaufdarstellung von R245fa bei Luftbedingungen 20/90 C. CO 2 (R744), das in üblichen Kältetechnikanwendungen aufgrund des transkritischen Prozesses (siehe Figur 13) gegenüber unterkritischen Kältemitteln (Figur 14 und Figur 15) eine geringere Effizienz aufweist, ist hier effizienter als R134a und R410a. Dies kommt daher, dass die maximale Kondensationstemperatur von R134a und insbesondere von R410a unter der zu erreichenden Lufttemperatur liegt, was zur Folge hat, dass für die Lufterwärmung zu einem wesentlichen Teil die Heissgastemperatur genützt werden muss. Dies bedingt einen grossen Kältemittelmassenstrom, so dass der Kältekreis nicht voll ausgenützt werden kann. Figur 13: Kreislaufdarstellung von CO 2 bei Luftbedingungen 20/90 C. 17/23

18 In der Realität hat CO 2 wohl noch ein grösseres Potential, da die Wärmeübergangswerte von CO 2 gegenüber anderen Kältemitteln wesentlich höher sind und damit die Temperaturdifferenzen in Verdampfer und Gaskühler potentiell kleiner werden. Auch lässt sich bei einem transkritischen System durch den Temperaturverlauf auf der Hochdruckseite eine sehr niedrige Gasaustrittstemperatur erreichen, was zu einer hohen Effizienz führt [6]. CO 2 hat kein Ozonabbaupotenzial, ein Treibhauspotenzial von 1, ist nicht brennbar, nicht toxisch, kostengünstig und muss nicht entsorgt werden. Ausserdem ist die volumetrische Kälteleistung sehr hoch. Allerdings ist die Drucklage von CO 2 sehr hoch und die Schmierung problematisch, was hohe Anforderungen an die Komponenten, insbesondere den Kompressor stellt. Es sind aber Komponenten sowohl für kleine (Brauchwasser-EFH- Wärmepumpen) und grosse Leistungen (gewerbliche Kälte) im Markt erhältlich [6]. R134a wird in der Kälte- und Klimatechnik breit eingesetzt, Komponenten und Schmierstoffe sind vorhanden. Im Vergleich zu anderen in Wärmepumpen verwendeten Kältemitteln erreicht R134a eine höhere Kondensationstemperatur und wird deshalb auch für Brauchwarmwasser-EFH-Wärmepumpen eingesetzt. In unserer Anwendung, wo die angestrebte Lufttemperatur noch höher liegt, sinkt die Effizienz durch die Beschränkung in der Kondensationstemperatur aber stark. Figur 14: Kreislaufdarstellung von R134a bei Luftbedingungen 20/90 C. 18/23

19 Herkömmliche Wärmepumpen-Kältemittel wie R410a, R407c, R404a etc. sind für diese Anwendung aufgrund des zu tiefen kritischen Punktes nicht geeignet. Durch die beschränkte Kondensationstemperatur muss, wie in Figur 15 ersichtlich, ein grosser Teil der Wärme im Heissgasbereich übertragen werden, was die Effizienz stark beeinträchtigt. Figur 15: Kreislaufdarstellung von R410a bei Luftbedingungen 20/90 C. Fazit Aus dem Kältemittelvergleich ist ersichtlich, dass herkömmliche Wärmepumpen-Kältemittel bei den erhöhten Temperaturanforderungen dieser Anwendung an ihre Einsatzgrenze kommen, aber alternative Kältemittel wie R245fa oder CO 2 das Potential besitzen, auch bei höheren Lufttemperaturen eine ansprechende Effizienz zu liefern. Da für neue Kältemittel wie R245fa nach dem Kenntnisstand der Verfasser noch kaum Erfahrungen und Komponenten erhältlich sind, wird für einen nächsten Entwicklungsschritt CO 2 als Kältemittel vorgeschlagen. Es ist aber zu prüfen, ob zumindest für kleinere Leistungen brennbare Kältemittel mit vernünftigem Sicherheitsaufwand eingesetzt werden könnten dann würden sich weitere interessante Möglichkeiten (z.b. NH 3, R600a) ergeben. 19/23

20 Flusenhandling Die Flusenproblematik bei Wärmepumpentrocknern im Haushalt war in der Vergangenheit nicht zufriedenstellend gelöst; trotz mehrstufiger manuell zu reinigender Filtersysteme (Gitter, Matten) setzten sich Flusen auf den Wärmetauschern ab und beeinträchtigen die Effizienz. Auch ist die Reinigung der Filter aufgrund der engen Platzverhältnisse umständlich. Einige Hersteller verwenden ein automatisches Reinigungssystem, bei dem der Wärmetauscher mehrmals mit Kondenswasser gespült wird, z.b. [7]. Über die Wirksamkeit und das Langzeitverhalten im realen Einsatz sind bei den Autoren keine Informationen vorhanden. Im Profibereich wird die mühsame Reinigung aufgrund der grösseren Luftwege etwas entschärft; ausserdem geben die grösseren Geräte auch mehr Möglichkeiten zur Platzierung von Flusenfiltern. In der Textillufttechnik wird häufig mit einer Kombination von mehreren Filterstufen gearbeitet: Ein Vorfilter, der automatisch gereinigt wird, z.b. drehbare Scheibe mit Absaugung/Abstreifer, zylindrische Drehfilter mit Absaugdüsen oder Flächenfilter mit Reinigungsrobotern. Ein oder mehrere Feinfilter, die periodisch manuell gereinigt oder ausgetauscht werden, z.b. Paneelfilter (flach) oder Taschenfilter (mehr Oberfläche) mit unterschiedlichen Maschenweiten. Die automatisch gereinigten Konzepte sind zwar für einen Haushaltswäschetrockner sehr aufwändig, für einen Industrietumbler aber, vereinfacht umgesetzt, durchaus denkbar, z.b. eine drehbare Grobfilterscheibe mit Abstreifer oder eine Luftstromumkehr. 20/23

21 Schlussfolgerungen Der Konzeptvergleich und die vertieften Nachforschungen haben gezeigt, dass ein Wärmepumpentrockner im Profibereich mit einem geeigneten Kältemittel das Potential besitzt, mit gleicher Trocknungszeit wesentlich energieeffizienter zu sein als heutige Industrie-Wäschetrockner. Die Wärmepumpentechnologie ist vorhanden und erprobt, das Entwicklungsrisiko damit klein und das Energieeinsparungspotential beträchtlich. Unter diesen Voraussetzungen sollte es möglich sein, einen Hersteller finden zu können, um dieses Konzept umzusetzen und in den Markt bringen zu können. Erste Reaktionen aus der Branche sind positiv; im nächsten Jahr werden die grossen europäischen Hersteller angegangen werden, um ein Projekt zur Umsetzung zu starten. Auch bei Haushaltswäschetrocknern sind noch Entwicklungsmöglichkeiten ersichtlich: ein Wärmepumpen-Trockner mit alternativen Kältemitteln oder ein Vakuum-Wäschetrockner haben das Potential, einen wesentlich kürzeren Trocknungsprozess mit hoher Effizienz zu ermöglichen. 21/23

22 Referenzen [1] [2] [3] Mit Flauschfaktor, aus Test 2006, Heft 10, Seite 66 [4] P. Christiansen, S. Shelton: Analysis of a Nozzle Condensation Drying Cycle, Applied Thermal Engineering, für Publikation akzeptiert, [5] Bitzer Software 5.3.2, [6] Bitzer Kältemittel-Report 16, Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH, D-Sindelfingen [7] /23

23 Temperatur [ C] LMTD zu Taupunkttemperatur mittl. Taupunkttemp. [ C 2 ] Anhang Modell Wäschetrocknung Ablufttrockner Kondensationstrockner WP-Trockner Gew. WP-Trockner Ablufttrockner Bedingungen V-Zug Unimatic TSchulthess SpiritLavamac LS680 Schulthess Spirit TW 7240i Luft Eingang Temperatur C Druck Pa Relative Feuchte % Wassergehalt kg/kg Taupunkttemp C Dichte kg/m3 Enthalpie kj/kg Luft Eintritt in Trommel Temperatur C Druck Pa Relative Feuchte % Wassergehalt kg/kg Taupunkttemp C Enthalpie kj/kg Luft Austritt Temperatur C Druck Pa Relative Feuchte % Wassergehalt kg/kg Taupunkttemp C Enthalpie kj/kg Wasser Start Temperatur C Druck Pa Enthalpie kj/kg Wasser Austritt Temperatur C Enthalpie kj/kg Füllung Wäschemenge kg Wassergehalt 70% 70% 70% 70% 70% Wassermenge kg Programm Dauer min Luftmenge kg Heizleistung Luft Verdampfungsenergie kj Wärmestrom in Wasser kw Wärmestrom/kg Wäsche kw/kg Temperaturdifferenz Luft Ein-/Austritt C LMTD zu Taupunkttemp C T Luft Ein Aus T D Ein Aus LMTD*Mittl. Taupunkttemp C 2 Wärmestrom/Wassermenge W/kg Wärmestrom/(Wassermenge*LMTD*Mittl. T D ) W/kg* C Ablufttrockner Kondensations-trockner WP-Trockner Gew. Ablufttrockner y = x Wärmestrom/Wassermenge [W/kg] 23/23