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Analyse und Optimierung von Wärmepumpen-Wäschetrocknern

Alpögger, Thomas

Mit dem Ziel, die von Wäschetrocknern verursachten Umweltwirkungen zu reduzieren, wird ein Wärmepumpentrockner mit dem umweltfreundlichen Kältemittel CO2 untersucht. In einer allgemeinen Beschreibung des Systems und des dynamischen Prozesses werden verschiedene Wechselwirkungen erläutert und anhand von Messdaten belegt. Trocknungsgeschwindigkeit und Energieeffizienz werden als Bewertungsgrößen und zu maximierende Zielgrößen eingeführt und erläutert. Es wird gezeigt, dass diese Größen nicht unabhängig voneinander zu betrachten sind. Eine Pareto-Front kennzeichnet optimale Betriebsbedingungen. Der Verlauf der Pareto-Front wird von der Hardware, aber auch der Software -- d.h. Anzahl und Verlauf von Steuergrößen -- bestimmt.

Eine auf dimensionslose Kennzahlen beruhende Analyse des Trockners veranschaulicht das Zusammenwirken zwischen Wärmepumpen- und Trocknungsprozess und stellt das Spannungsfeld verschiedener Einflussgrößen auf die Trocknungseffizienz dar. Weitere Betrachtungen auf Basis des ersten und zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ergänzen die Systemanalyse. Darin wird u.a. herausgearbeitet, dass bei der untersuchten Anlage Effizienzpotenziale hauptsächlich im Kaltdampfprozess liegen und dass der notwendige Energie- bzw. Exergieeinsatz auch für ein ideales System wesentlich von den Trocknungsbedingungen abhängt.

Simulationsmodelle werden auf Basis der Modellbibliothek TIL erstellt und anhand geeigneter Messdaten kalibriert und validiert. Ein detailliertes physikalisches Systemmodell basiert auf Grundprinzipien wie Energie- und Massenerhaltung sowie physikalischen Transportprozessen. Bei dem strukturell reduzierten Systemmodell wird insbesondere auf die detaillierte Abbildung des Wärmepumpenprozesses verzichtet. Die Simulationsmodelle werden insbesondere für die Berechnung eines optimalen Prozessverlaufs bzw. einer optimierten Steuerung verwendet. Diese erstmals durchgeführte Optimierung der Betriebsstrategie für den Wärmepumpentrockner führt bei der untersuchten Anlage zu geringen Verbesserungen im Bereich von wenigen Prozentpunkten. An der Versuchsanlage kann letztlich eine Effizienzverbesserung von 1,5% messtechnisch nachgewiesen werden. Als weitere Maßnahme zur Systemoptimierung wird die Integration eines internen Wärmeübertragers im Kältemittelkreislauf untersucht. Die messtechnische Validierung bestätigt hier eine Effizienzverbesserung von ca. 7% im Vergleich zur Standardkonfiguration und bei einer Trocknungszeit von 120 Minuten.

The aim of this work is to reduce the environmental impact caused by tumble dryers. Therefore, a heat pump dryer with the environmentally friendly refrigerant CO2 is investigated. A general description of the dynamic process including various interdependencies is given. Drying speed and energy efficiency are identified as target values, which should be maximized. However, they cannot be considered independently. In fact, a pareto-optimum indicates ideal system operation. Drying speed and energy efficiency at the pareto-optimum are affected by both, hardware and software -- e.g. controlled variables -- of the system.

The first part of the system analysis based on dimensionless parameters illustrates major interactions between heat pump cycle, drying cycle and auxiliary consumers, i.e., all electrical power consumers except for the compressor. First and second law analysis complements the evaluation of the system. For the investigated system, the heat pump process is a reasonable starting point for improving drying efficiency. It is revealed, that necessary energy use depends essentially on drying conditions even for an ideal system. Properties of lossy components lead to numerous interactions in a complex way, which have to be examined through detailed simulation models. These models are implemented by using and extending the TIL model library. After calibration and validation of the models based on suitable measurement data, they are used for system optimization.

The first measure for optimization considers the integration of an internal heat exchanger in the refrigerant cycle. Measurements confirm an efficiency improvement of approx. 7% compared to the standard configuration with a drying time of 120 minutes. To estimate an ideal operating strategy and optimal control respectively, two different transient simulation models are considered. Besides a detailed physical model, a structurally reduced model is particularly suited for using at an early development stage. Finally, both system models are used to calculate an optimal system control strategy that leads to slight improvements of a few percentage points. Validation measurements confirm an improvement of 1.5% compared to conventional control with a drying time of 120 minutes.

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Alpögger, T., 2020. Analyse und Optimierung von Wärmepumpen-Wäschetrocknern. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-202002241200-0
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