Thermodynamische Analyse eines thermoelektrischen Wäschetrockners

Somdalen, Ragnar

Haushaltswäschetrockner werden überwiegend mit geschlossenem Prozessluftkreislauf genutzt, in dem die Luft erhitzt, durch die Wäsche befeuchtet und die Feuchtigkeit durch Abkühlung auskondensiert wird. Zur Erhitzung wird entweder eine Widerstandsheizer oder eine Wärmepumpe verwendet. Die für den Nutzer relevanten Größen sind der Energieverbrauch und die Trockendauer. Neben der Weiterentwicklung bestehender Wäschetrocknersysteme haben alternative Systeme das Potential, diese Größen zu reduzieren. In dieser Arbeit wird ein neuartiges thermoelektrisches Wäschetrocknerkonzept theoretisch und experimentell untersucht, welches bisher lediglich in Patentschriften beschrieben wurde. Nach der Vorstellung einer Methodik zur Eingrenzung des zu erwartenden Betriebsbereich der thermoelektrischen Module wird der Prüfstand eines prototypischen thermoelektrischen Wäschetrockners beschrieben. Als Grundlage für eine Analyse wird ein auf physikalischen Gleichungen basierendes Modell des thermoelektrischen Wäschetrockners entwickelt und anschließend am Prüfstand validiert. In einer weiterführenden Untersuchung werden wichtige Einflussgrößen auf das Systemverhalten und die Potentiale des Systems hinsichtlich Zeit und Effizienz aufgezeigt. Anhand von Parameterstudien kann ein maßgeblicher Einfluss der Stromstärke der thermoelektrischen Module auf das Trocknungsverhalten festgestellt werden. Es kann jeweils eine Einstellung der Stromstärke identifiziert werden, welche die Trockendauer minimiert, und eine weitere, die den Energieverbrauch auf ein Minimum senkt. Mit dieser Erkenntnis werden für die weiteren Untersuchungen zwei Betriebsweisen definiert. Mit Hilfe eines mathematischen Optimierungsprogramms werden für diese Betriebsweisen zeitliche Verläufe der Modulstromstärke und der Gebläsedrehzahlen vorgeschlagen. In einem abschließenden Vergleich werden Trockendauer und Energieverbrauch der optimierten Betriebsweisen des thermoelektrischen Wäschetrockners mit den Werten der Referenzsysteme gegenübergestellt. Als Referenzsysteme dienen in dieser Arbeit ein Kondensationstrockner und ein Wärmepumpentrockner. Mit der Betriebsstrategie, die auf einen minimalen Energieverbrauch abzielt, liegt der Energieverbrauch zwischen dem eines handelsüblichen Wärmepumpentrockners und dem eines Kondensationstrockners. Die zeitliche optimierte Betriebsweise erreicht Trockendauern, die stets geringer sind als die der Referenzsysteme.

Household tumble dryers are mainly operated as a closed-loop system where the air is heated, humidified by the laundry and subsequently humidity condensed by cooling it. For heating either an electric heater or a heat pump is utilized. The relevant values for the user are energy consumption and drying time. In addition to advances in the development of existing laundry dryers, alternative dryer systems may lead to a reduction of these values. Within this work a novel thermoelectric laundry dryer concept is investigated both theoretically and experimentally. So far, its structure is only described in patents. After presenting a methodology to narrow down the operating range of the thermoelectric modules' current, the test rig of a prototypical thermoelectric laundry dryer is described. As a basis for a system analysis, a simulation model of the thermoelectric dryer based on physical equations is developed and validated on the test rig. In a subsequent study important influencing factors on system behavior are identified and the system potential regarding time and efficiency is revealed. With the help of parameter studies a relevant influence of the electric current of the thermoelectric modules on drying behavior is found. There is one current level minimizing drying time and another one leading to a minimum of energy consumption. Applying these criteria two operating modes are defined for the further investigation. A mathematical optimization program is used to recommend time dependent courses of the electric current of the modules and of the rotation speed of the fans for these two operating modes. In a concluding comparison drying time and energy consumption of the optimized operating modes are put up together with those of the reference systems. Within this work a condensation dryer and a heat pump dryer including self-produced measurement data serve as reference systems. The energy consumption running the thermoelectric dryer in the energy optimized operating mode lies between that of a condensation dryer and that of a heat pump dryer. The operating mode optimized regarding drying time achieves results being at all times faster than the reference systems.

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Somdalen, Ragnar: Thermodynamische Analyse eines thermoelektrischen Wäschetrockners. 2018.

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