Prototyp eines Vakuum-Wäschetrockners Phase 2: Verdichterentwicklung

Transkript

1 Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE Jahresbericht 25. November 2011 Prototyp eines Vakuum-Wäschetrockners Phase 2: Verdichterentwicklung

2 Auftraggeber: Bundesamt für Energie BFE Forschungsprogramm Elektrizitätstechnologien & -anwendungen CH-3003 Bern Auftragnehmer: innostarter AG Leutschenbachstrasse 48 CH-8050 Zürich Autoren: Jochen Ganz, awtec AG, Stefan Stahl, awtec AG, BFE-Bereichsleiter: BFE-Programmleiter: BFE-Vertragsnummer: Dr. Michael Moser Roland Brüniger SI/ Für den Inhalt und die Schlussfolgerungen sind ausschliesslich die Autoren dieses Berichts verantwortlich. 2/10

3 Zusammenfassung Wäschetrockner verbrauchen in der Schweiz etwa 550 GWh pro Jahr und gehören damit zu den grössten Energieverbrauchern bei Haushaltgeräten. Das Projekt "Prototyp eines Vakuum-Wäschetrockners" hat zum Ziel, einen Wäschetrockner zu entwickeln, der nur die Hälfte der Energie eines Trockners der Energieeffizienzklasse A braucht und somit mindestens so gut wie ein heutiger Wärmepumpen-Wäschetrockner ist. Zudem soll er gleich schnell trocknen wie ein herkömmlicher Kondensationstrockner und die Wäsche weniger mechanisch und thermisch schädigen. Damit leistet das Projekt einen signifikanten Beitrag an die Umwelt. Das Kernstück des Vakuum-Wäschetrockners ist der Verdichter. Abklärungen von innostarter haben ergeben, dass auf dem Markt kein geeigneter Verdichter verfügbar ist. Eine kommerzielle Umsetzung des energiesparenden Wäschetrockners bedingt demzufolge die Entwicklung eines passenden Verdichters. Dies ist der Inhalt der aktuell laufenden Projektphase. Anschliessend soll ein seriennaher Prototyp eines Wäschetrockners gebaut und ein Exit an einen Hersteller von weisser Ware realisiert werden. Es wurde ein 2-stufiger Turboverdichter ausgelegt. Die für Celeroton machbare Drehzahl (ca U/min) und die Forderung nach einem möglichst grossen Druckverhältnis beim gegebenen Volumenstrom führt zu einem sehr kleinen Flow-Coefficient. Diese Randbedingungen und die Forderung nach tiefen Herstellkosten führen zu einem Laufrad mit einer 2-D.Beschauflung. Die beiden Verdichterstufen wurden gebaut und wurden zuerst mit Luft ausgemessen. Die Messwerte stimmen gut mit den berechneten Kennfeldern überein. Zurzeit werden beide Stufen in Serie mit Wasserdampf getestet. Resultate werden in den nächsten Wochen erwartet. 3/10

4 Projektziele Wäschetrockner verbrauchen in der Schweiz etwa 550 GWh pro Jahr und gehören damit zu den grössten Energieverbrauchern bei Haushaltgeräten. Das Projekt "Prototyp eines Vakuum-Wäschetrockners" hat zum Ziel, einen Wäschetrockner zu entwickeln, der nur die Hälfte der Energie eines Trockners der Energieeffizienzklasse A braucht und somit mindestens so gut wie ein heutiger Wärmepumpen-Wäschetrockner ist. Zudem soll er gleich schnell trocknen wie ein herkömmlicher Kondensationstrockner und die Wäsche weniger mechanisch und thermisch schädigen. Damit leistet das Projekt einen signifikanten Beitrag an die Umwelt. Das Kernstück des Vakuum-Wäschetrockners ist der Verdichter. Abklärungen von innostarter haben ergeben, dass auf dem Markt kein geeigneter Verdichter verfügbar ist. Eine kommerzielle Umsetzung des energiesparenden Wäschetrockners bedingt demzufolge die Entwicklung eines passenden Verdichters. Danach soll ein seriennaher Prototyp gebaut und ein Exit an einen Hersteller von weisser Ware realisiert werden. Ausgangslage Das Bundesamt für Energie hat sich bereits in der Phase 1 an der Entwicklung eines Funktionsmusters eines neuartigen Vakuum-Wäschetrockners finanziell beteiligt. In dieser Phase wurde anhand einer thermodynamischen Analyse ein Konzept erarbeitet, welches mit Unterdruck (Vakuum) arbeitet sowie ein Funktionsmuster gebaut, welches eine Trocknungsleistung von 2 kg Wasser pro Stunde aufweist und die Energieeffizienzklasse A bereits übertrifft. Diese Arbeiten wurden bei awtec AG durchgeführt, welche auch die weitere technische Entwicklung im Auftrag von innostarter realisieren wird. Der geringere Energieverbrauch wird durch einen neuen innovativen Ansatz erreicht und nicht durch Verbesserung der heute eingesetzten Technologien. Ausgenutzt wird der physikalische Effekt, dass eine Flüssigkeit bei tieferem Druck schon bei tieferer Temperatur verdampft. Der Vakuum-Wäschetrockner arbeitet bei einem Druck von lediglich 200 mbar. Bei diesem Druck verdampft Wasser bei etwa 60 C anstatt bei 100 C wie unter Normalbedingungen Das Prinzip des Vakuum-Wäschetrockners ist aus nachfolgender Fig 1 ersichtlich: Um den Prozess zu starten, wird die Wäsche auf 60 C 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. Das Patent für diese Technologie liegt bei innostarter. 4/10

5 Trommel Verdichter Isolation Fig. 1: Prinzip Vakuum-Wäschetrockner Heizung Kondenswasser In der ersten, bereits erfolgten Projektphase wurde ein Funktionsmuster eines Wäschetrockners gebaut, welcher die Wäsche bei Unterdruck trocknet (Fig. 2). Das Funktionsmuster wurde umfangreich instrumentiert, so dass alle prozessrelevanten Daten erfasst werden können. Die bisherigen Versuche ergaben viel versprechende Resultate. Das vorgeschlagene Trocknungsprinzip eines Vakuum-Wäschetrockners mit Wärmerückgewinnung funktioniert und die Wäsche kann schonend getrocknet werden. Fig. 2: Funktionsmuster Vakuum-Wäschetrockner Zum Erzeugen des Unterdrucks in der Trommel wurde im Funktionsmuster ein Klauenverdichter der Marke Zephir eingesetzt (Fig. 3). Dieser ist etwa doppelt so leistungsfähig wie notwendig, ist aber der kleinste erhältliche Verdichter dieser Art. Der Klauenverdichter war als Verdichtertyp für diese Anwendung der geeignetste, der am Markt verfügbar war, da er ein grosses Verhältnis von Volumenstrom zu Baugrösse aufweist. Der Verdichter erwies sich zwar als robust, jedoch ineffizient (auch weil zu gross) und sehr laut (~100 db). 5/10

6 Fig. 3: Klauenverdichter mit geöffneter Verdichtereinheit. Gut sichtbar sind die beiden Klauen und im Deckel die Ansaug- und Ausblasöffnung (Quelle: Firma Zephir). Durchgeführte Arbeiten und erreichte Ergebnisse Das Ziel der Phase 2 ist die Entwicklung eines geeigneten Vakuum-Verdichters. Neben den rein prozessbedingten Anforderungen (Volumenstrom, Druckdifferenz und Wirkungsgrad) sind für diese Anwendung tiefe Herstellkosten in einer grossen Serie wichtig. Deshalb soll der Verdichter maximal 2 Stufen aufweisen, so dass er einfach mit nur einem Motor zu realisieren ist. Die Umsetzung mit mehr als 2 Stufen wird rotordynamisch sehr anspruchsvoll. Verdichter-Auslegung und Fertigung Entsprechend wurde von der Firma Celeroton ein 2-stufiger Turboverdichter ausgelegt. Die für Celeroton machbare Drehzahl (ca U/min) und die Forderung nach einem möglichst grossen Druckverhältnis beim gegebenen Volumenstrom führt zu einem sehr kleinen Flow-Coefficient (Fig. 4). Diese Randbedingungen und die Forderung nach tiefen Herstellkosten führen zu einem Laufrad mit einer 2-D.Beschauflung. Das erwartete Kennfeld ist in Fig. 5 dargestellt. Fig. 4 Axiale Verdichtertypen in Funktion des Flow Coefficient (Quelle: Celeroton AG) 6/10

7 Fig. 5 Erwartetes Kennfeld des Verdichters (Quelle: Celeroton AG) Fig. 6 Eine von zwei Verdichterstufen (Foto: awtec AG) 7/10

8 Fig. 7 Grössenvergleich: Eine Turboverdichterstufe auf Klauenverdichter des ersten Tumbler-Funktionsmusters (Foto: awtec AG). Die beiden Verdichterstufen wurden gebaut (Fig. 6 und 7) und wurden zuerst mit Luft ausgemessen. Die Messwerte stimmen gut mit den berechneten Kennfeldern überein (Fig. 8). Fig. 8 Gemessene und gerechnete Druckkennfelder für die beiden Stufen (Messung: Celeroton). Zurzeit werden beide Stufen in Serie mit Wasserdampf getestet (Fig. 9). Resultate davon liegen noch keine vor. 8/10

9 Fig. 9 Versuchsaufbau für den Test in Wasserdampf Nationale Zusammenarbeit Die Firma awtec AG, Zürich ist verantwortlich für die Projektleitung und die Systemintegration. Celeroton AG, Zürich ist Lieferantin der Verdichter. Bewertung 2011 und Ausblick Q 2. Q 3. Q 4. Q 1. Q 2. Q 3. Q 4. Q 1. Q 2. Q 3. Q 4. Q 2. Phase: Verdichter Entwicklung M2 3. Phase: Seriennaher Prototyp M3 M4 M5 4. Phase: Exit an Produzent M6 Tab. 1: Ursprünglicher Terminplan Startpunkt (M1): Proof of Concept, vorhandenes Funktionsmuster In den kommenden Phasen sind folgende Meilensteine zu erreichen: M2: Verdichter liegt vor, der sich für den Einsatz im Vakuum-Wäschetrockner eignet M3: Gesamtkonzept für den seriennahen Prototypen liegt vor M4: Design Freeze M5: Fertigstellung des seriennahen Prototypen M6: Exitpartner gefunden 9/10

10 Gegenüber dem ursprünglichen Terminplan besteht eine Verzögerung von 2-3 Monaten. Diese ist entstanden aufgrund des um einen Monat späteren Projektstartes und aufgrund von langen Lieferzeiten von Unterlieferanten von Celeroton. Die bisherigen Ergebnisse entsprechen den Erwartungen und stimmen für den weiteren Projektverlauf zuversichtlich. Wir hoffen, noch 2011 die Versuchsreihen mit den Verdichtern erfolgreich abzuschliessen, um dann im Januar 2012 mit der Erarbeitung des Gesamtkonzeptes für einen seriennahen Prototyp des Vakuumwäschetrockners zu starten. 10/10