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Die
Erfindung betrifft einen Kondensationstrockner mit einer Trocknungskammer
für die
zu trocknenden Gegenstände,
einem Prozessluftkreis, in dem die Prozessluft mittels eines Gebläses über die
zu trocknenden Gegenstände
geführt
werden kann, und einem Wärmepumpenkreis
zum abwechselnden Erwärmen
und Abkühlen
der Prozessluft.
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Wäschetrockner,
deren Funktionsweise auf der Kondensation der mittels warmer Prozessluft
verdampften Feuchte aus der Wäsche
beruht – sogenannte
Kondensationstrockner – sind
sehr beliebt, da sie keine mit Feuchte beladene Abluft erzeugen
und keinen Schlauch zum Ableiten dieser Abluft aus einem Gebäude, in
dem ein solcher Wäschetrockner aufgestellt
ist, benötigen.
Kondensationstrockner können
daher in innen liegenden Bädern
oder Waschküchen
von größeren Wohnkomplexen
verwendet werden.
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In
einem Kondensationstrockner wird Prozessluft durch ein Gebläse über eine
Heizeinrichtung in die die feuchte Wäsche enthaltende Trommel als Trocknungskammer
geleitet. Die heiße
Luft nimmt Feuchtigkeit aus den zu trocknenden Wäschestücken auf. Nach Durchgang durch
die Trommel wird die nun feuchte Prozessluft in einen Wärmetauscher geleitet,
dem in der Regel ein Flusenfilter vorgeschaltet ist.
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Im
Wärmetauscher
(z.B. Luft-Luft-Wärmetauscher)
wird die feuchte Prozessluft abgekühlt, so dass das in der feuchten
Prozessluft enthaltene Wasser kondensiert. Das kondensierte Wasser
wird anschließend
in einem geeigneten Behälter
gesammelt. Die abgekühlte
und getrocknete Luft wird dann erneut der Heizeinrichtung und anschließend der
Trommel zugeführt.
Im Allgemeinen kann der Wärmeaustauscher
zur gelegentlichen Reinigung von angetrockneten Flusen (Mikrofasern
der Wäschestücke) leicht
entfernt werden.
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Dieser
Trocknungsvorgang ist sehr energieintensiv, da die zur Kühlung der
Prozessluft im Wärmetauscher
entzogene Wärme
dem Prozess energetisch verloren geht. Durch Einsatz einer Wärmepumpe,
welche diese entzogene Wärme
der Prozessluft jedenfalls teilweise wieder zuführt, lässt sich im Allgemeinen ca.
50 % der eingesetzten Energie einsparen. Bei einem bekannten, mit
einer Wärmepumpe
ausgestatteten Kondensationstrockner erfolgt die Kühlung der
warmen, mit Feuchtigkeit beladenen Prozessluft in einem Verdampfer
der Wärmepumpe. Ein
durch Übernahme
von Wärme
aus der Prozessluft verdampfendes Kältemittel der Wärmepumpe wird
in einem Kompressor komprimiert und einem Verflüssiger zugeführt, wo
es durch Kondensation Wärme
freisetzt, die wiederum zum Aufheizen der Prozessluft vor Eintritt
in die Wäschetrommel
verwendet wird. Hinter dem Verflüssiger
durchfließt
das Kältemittel
eine Drossel, wo sein Druck auf einen niedrigeren Wert herabgesetzt
wird, so dass es im Verdampfer, in welchen es anschließend wieder
gelangt, unter erneuter Aufnahme von Wärme verdampfen kann.
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In
der
DE 40 23 000 C2 ist
ein Wäschetrockner
mit einer Wärmepumpe
beschrieben, bei dem im Prozessluftkanal zwischen dem Verflüssiger und dem
Verdampfer eine Zuluftöffnung
angeordnet ist, die mit einer steuerbaren Verschlusseinrichtung
verschließbar
ist.
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In
der
DE 197 38 735
C2 ist ein Kondensationstrockner mit einem geschlossenen
Prozessluftkreis beschrieben, der mit einer Wärmepumpe ausgerüstet ist.
Die Wärmepumpe
ist als nach dem Absorberprinzip arbeitende Einrichtung ausgebildet,
deren Absorber einen dritten Wärmetauscher
bildet, dessen Primärkreis
vom Kühlmittel
durchströmt
ist und über
dessen Sekundärkreis
die vom zweiten Wärmetauscher
abströmende
Prozessluft wieder dem Sekundärkreis
des ersten Wärmetauschers
zugeführt
ist.
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Bei
den bislang bekannten Kondensationstrocknern erfolgt der Wärmeaustausch
zwischen Wärmepumpe
und Prozessluft direkt.
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Problematisch
ist bei der Verwendung einer Wärmepumpe
die Verschmutzung der beiden Wärmetauscher
in der Wärmepumpe
(Verdampfer, Verflüssiger),
vor allem des Verdampfers durch mitgerissene Flusen. Leider können die
in der Prozessluft enthaltenen Flusen nicht vollständig im
Flusenfilter abgeschieden werden, da eine Verbesserung der Filterleistung
des Flusenfilters mit einer Erhöhung
seines Strömungswiderstandes
einhergeht. Die Flusen lagern sich als Film beispielsweise auf den
Kühlrippen
des Wärmetauschers
ab und erhöhen
so den Wärmedurchgangswiderstand,
wodurch die Effizienz des Wärmetauschers
herabgesetzt wird.
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Da
Verdampfer und Verflüssiger
einer Wärmepumpe
im Allgemeinen fest installiert und durch druckdichte Rohrleitungen
mit dem Kompressor verbunden sind, können sie zur Reinigung nicht
entfernt werden.
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Ein
weiteres Problem liegt in den Rohrleitungen zwischen Wärmetauschern
und Kompressor. Moderne Wärmepumpen
benutzen als Kältemittel häufig Kohlendioxid.
Dieses sehr umweltfreundliche Kältemittel
arbeitet nur bei extrem hohem Druck (bis 145 bar). Es werden daher
sehr hohe Anforderungen an die Dichtheit des Kältemittelkreislaufs gestellt.
Außerdem
können
die Wärmetauscher
nicht optimal im Prozessluftstrom platziert werden, da sonst die
Kältemittelleitungen
zu lang würden.
Zudem ist die industrielle Fertigung des Systems Kompressor, Verdampfer,
Kondensator mit den sie verbindenden Hochdruckleitungen sehr schwierig
kostengünstig
zu realisieren. Ähnliche
Probleme treten bei anderen in Wärmepumpen
verwendeten Kältemitteln
auf.
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Diese
Nachteile der bekannten Kondensationstrockner mit Wärmepumpen
führen
zu einer Herabsetzung der Lebensdauer sowie aufgrund der schlechten
Reinigungsmöglichkeiten
der Wärmetauscher
zu einer verschlechterten Energiebilanz.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Kondensationstrockners
mit einer Wärmepumpe,
der eine erhöhte
Lebensdauer aufweist und die Möglichkeit
zu einer erleichterten Reinigung bietet.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe wird nach dieser Erfindung erreicht durch einen Kondensationstrockner
mit den Merkmalen von Anspruch 1.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Kondensationstrockners
sind in den Unteransprüchen
2 bis 8 aufgeführt.
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Gegenstand
der Erfindung ist somit ein Kondensationstrockner mit einer Trocknungskammer
für die
zu trocknenden Gegenstände,
einem Prozessluftkreis, in dem die Prozessluft mittels eines Gebläses über die
zu trocknenden Gegenstände
geführt
werden kann, und einem Wärmepumpenkreis
zum abwechselnden Erwärmen
und Abkühlen
der Prozessluft, bei welchem Kondensationstrockner sich zwischen
dem Prozessluftkreis und dem Wärmepumpenkreis
mindestens ein Sekundärfluidkreis
befindet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kondensationstrockners
wird ein sekundäres
Kältemittel
in einem Sekundärfluidkreis
verwendet, das eine bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssige Substanz
ist. Vorzugsweise ist hierbei das sekundäre Kältemittel in einem Sekundärfluidkreis
mindestens eine Substanz aus der Gruppe bestehend aus Wasser, einfachen
oder mehrfachen Alkoholen und Glykolethern. Geeignete mehrfache
Alkohole sind z.B. Ethylenglykol und Propylenglykol. Geeignete Glykolether
sind beispielsweise Ethylenglykoldimethylether und Propylenglykoldimethylether
oder die entsprechenden Monoether. Ganz bevorzugt wird als sekundäres Kältemittel in
einem Sekundärfluidkreis
Wasser verwendet.
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Außerdem wird
vorzugsweise ein primäres Kältemittel
im Wärmepumpenkreis
verwendet, das ausgewählt
ist aus der Gruppe, die aus einer Butan/Isopropan-Mischung, Kohlendioxid
und einer Fluorkohlenwasserstoffverbindung besteht. Dabei weist weiterhin
bevorzugt die Wärmepumpe
einen Verdampfer, einen Verflüssiger,
einen Kompressor und eine Drossel auf. Der Kompressor befindet sich
im Allgemeinen in Fließrichtung
des primären
Kältemittels
zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator. Im Allgemeinen befindet
sich zudem in der Wärmepumpe
in Fließrichtung
des primären
Kältemittels zwischen
dem Kondensator und dem Verdampfer ein Entspannungsventil, auch
als Drossel bezeichnet. Das in der Wärmepumpe eingesetzte primäre Kältemittel
zirkuliert im Wärmepumpenkreis
vorzugsweise mit einer turbulenten Strömung. Eine turbulente Strömung kann
durch eine geeignete Ausgestaltung eines Strömungskanals und/oder durch
geeignete Antriebsmittel (z.B. Kompressor) eingestellt werden.
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Der
erfindungsgemäße Kondensationstrockner
enthält
zwischen der Wärmepumpe
und dem Prozessluftkreis mindestens einen Sekundärfluidkreis. D.h., dass sich
mindestens zwischen dem Prozessluftkreis und dem Wärme aufnehmenden
Wärmetauscher
(insbesondere Verdampfer) der Wärmepumpe oder
zwischen dem Prozessluftkreis und dem Wärme abgebenden Wärmetauscher
(insbesondere Verflüssiger)
der Wärmepumpe
ein erster bzw. zweiter Sekundärfluidkreis
befindet. Vorzugsweise befinden sich zwischen der Wärmepumpe
und dem Prozessluftkreis ein oder zwei Sekundärfluidkreise. Ganz besonders
bevorzugt weist der erfindungsgemäße Kondensationstrockner einen
ersten Sekundärfluidkreis und
einen zweiten Sekundärfluidkreis
auf.
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In
jedem Sekundärfluidkreis
zirkuliert ein sich im Allgemeinen vom primären Kältemittel unterscheidendes
sekundäres
Kältemittel.
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Im
erfindungsgemäßen Kondensationstrockner
gibt somit die Wärmepumpe
ihre Kühlleistung oder
Heizleistung über
ein sekundäres
Kältemittel (auch „Sekundärfluid" genannt) in mindestens
einem Sekundärfluidkreis
an den Prozessluftkreis des Kondensationstrockners ab. Damit wird
die Kälte-
bzw. Heizleistung zentral in einer Wärmepumpe erzeugt, die beim
erfindungsgemäßen Kondensationstrockner sehr
kompakt sein kann.
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Wenn
sich bei einer Ausführungsform
der Erfindung ein Sekundärfluidkreis
zwischen dem Prozessluftkreis und dem Verdampfer der Wärmepumpe befindet,
wird die warme, mit Feuchtigkeit beladene Prozessluft in einem ersten
Wärmetauscher,
in dem sich der Prozessluftkreis und der erste Sekundärfluidkreis
möglichst über eine
gut wärmeleitfähige Wand kontaktieren,
abgekühlt.
Die in der Prozessluft enthaltene Feuchtigkeit kondensiert und wird
im Allgemeinen in einem geeigneten Auffanggefäß, z.B. einer Schale, aufgefangen,
von wo aus sie entsorgt wird.
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Wenn
sich bei einer Ausführungsform
der Erfindung ein Sekundärfluidkreis
zwischen dem Prozessluftkreis und dem Wärme abgebenden Wärmetauscher
der Wärmepumpe
befindet, wird die getrocknete, abgekühlte Prozessluft in einem zweiten Wärmetauscher,
in dem sich der Prozessluftkreis und der zweite Sekundärfluidkreis über eine
möglichst gut
wärmeleitfähige Wand
kontaktieren, erhitzt. Die erhitzte Prozessluft wird dann wiederum
der Wäschetrommel
als Trocknungskammer zugeführt.
Vor dem zweiten Wärmetauscher
oder vorzugsweise zwischen dem zweiten Wärmeaustauscher und der Wäschetrommel
kann die Prozessluft zusätzlich durch
eine elektrische Heizung erhitzt werden.
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Das
sekundäre
Kältemittel
(„Sekundärfluid") ist ganz besonders
bevorzugt Wasser. Da hierbei fast drucklos relativ zum Umgebungsdruck
gearbeitet werden kann, können
die von der Prozessluft durchströmten
Wärmetauscher
zwischen der Wärmepumpe
und dem Prozessluftkreis beispielsweise über Schnellverschlüsse (wie
sie ähnlich
als Artikel für
die Gartenbewässerung
verwendet werden) mit der Wärmepumpe
verbunden werden.
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Das
im Sekundärfluidkreis
eingesetzte sekundäre
Kältemittel,
vorzugsweise Wasser, wird im Allgemeinen über einen externen Zulauf (Wasserzulauf)
zugeführt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform,
bei der als sekundäres
Kältemittel
Wasser verwendet wird, wird das beim Trocknungsvorgang anfallende Kondensationswasser
zumindest zu einem Teil als sekundäres Kältemittel verwendet.
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Die
Temperatur des sekundären
Kältemittels sowie
die Temperatur des primären
Kältemittels
werden im Allgemeinen über
die Steuerung der Wärmepumpe
im zulässigen
Bereich gehalten. Wenn sich beim erfindungsgemäßen Kondensationstrockner im Prozessluftkreis
vor dem Eintritt in die Trocknungskammer vorzugsgemäß eine Heizung
befindet, erfolgt im Allgemeinen die Steuerung der Wärmepumpe
in Abstimmung mit der Steuerung der Heizung.
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Es
ist bevorzugt, wenn der erfindungsgemäße Kondensationstrockner über einen
ersten Sekundärfluidkreis
und einen zweiten Sekundärfluidkreis verfügt, so dass
beide Wärmetauscher
der Wärmepumpe
jeweils über
einen Sekundärfluidkreis
mit dem Prozessluftkreis verbunden sind.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der erfindungsgemäße Kondensationstrockner mindestens einen
abnehmbaren Wärmetauscher
aufweist. Der abnehmbare Wärmetauscher
kann der erste und/oder der zweite Wärmetauscher sein. Erfindungsgemäß ist vorzugsweise
der erste Wärmetauscher
abnehmbar, da dieser stärker
zu einer Verunreinigung mit Flusen neigt.
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Der
Wärmeaustausch
zwischen dem Wärmepumpenkreis
und dem ersten und oder zweiten Sekundärfluidkreis erfolgt besonders
effizient, wenn sich das Kältemittel
in turbulenter Strömung
bewegt. Vorzugsweise bewegt sich das primäre Kältemittel im Wärmepumpenkreis
turbulent. Allerdings kann durch geeignete konstruktive Maßnahmen
(Führung
des Kältemittels
im Kreis) oder durch geeignete prozessuale Maßnahmen (geeignete Fördermittel)
auch im Sekundärfluidkreis
und/oder im Prozessluftkreis statt einer laminaren eine turbulente
Strömung
eingestellt werden.
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Im
Allgemeinen sind die Sekundärfluidleitungen,
außer
den im jeweiligen Wärmetauscher
liegenden Leitungsteilen, thermisch isoliert.
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Erfindungsgemäß ist es
bevorzugt, wenn Prozessluft und primäres bzw. sekundäres Kältemittel
in einem Kreuz- bzw. Gegenstromverfahren durch die Wärmetauscher
geführt
werden.
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Da
mit fortschreitendem Trocknungsgrad der im Kondensationstrockner
zu trocknenden Gegenstände
die notwendige Energie für
das Trocknen abnimmt, ist es zweckmäßig, die Heizung entsprechend zu
regeln, d.h. mit fortschreitendem Trocknungsgrad deren Heizleistung
zu vermindern, um ein Gleichgewicht zwischen der zugeführten und
der notwendigen Trocknungsenergie aufrecht zu erhalten.
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Mit
zunehmendem Trocknungsgrad der zu trocknenden Gegenstände, insbesondere
Wäsche, wird
somit eine geringere Heizleistung oder sogar eine zunehmende Kühlleistung
der Wärmepumpe
erforderlich. Insbesondere würde
nach einer abgeschlossenen Trocknungsphase die Temperatur im Prozessluftkreis
stark ansteigen. Im Allgemeinen werden daher die Wärmepumpe
und die Heizung im Kondensationstrockner so geregelt, dass in der Trocknungskammer
eine maximal zulässige
Temperatur nicht überschritten
wird.
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Die
Erfindung hat zahlreiche Vorteile. Die Langzeitstabilität von Kondensationswäschetrocknern
mit einer Wärmepumpe
wird aufgrund der Verwendung von Sekundärfluidkreisen verbessert. Eine Leistungszahl
des Wärmepumpenkreises
erhöht sich,
wobei eine geringfügige
Verringerung der Leistungszahl aufgrund des mindestens einen Sekundärkreises
(Zunahme der Zahl der Wärmeübergänge) durch
den Wegfall der Probleme mit verschmutzten Wärmetauschern mehr als ausgeglichen
wird.
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Bei
der Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kondensationstrockners,
bei der eine leicht lösbare
Verbindung der Sekundärfluidzuleitung
bzw. -ableitung vorgesehen ist, können die von der Prozessluft
durchströmten
Wärmetauscher
sehr einfach demontiert und gereinigt werden. Dadurch bleibt die Leistungsfähigkeit
der Wärmetauscher
erhalten.
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Im
erfindungsgemäßen Kondensationstrockner
kann die Wärmepumpeneinheit
sehr kompakt, insbesondere aus Kompressor, Verdampfer, Drossel und
Verflüssiger,
vorgefertigt werden. Nach dem Einbau müssen lediglich die Sekundärfluidleitungen
angeschlossen werden. Dadurch lässt
sich die Wärmepumpeneinheit
viel einfacher und automatisiert herstellen. Dies verbilligt den
Herstellungsprozess und ermöglicht
eine höhere,
leichter kontrollierbare Fertigungsqualität.
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Die
Platzierung der Wärmetauscher
für die Prozessluft
ist bei Verwendung von sehr niedrig siedenden Kältemitteln wie z.B. Kohlendioxid
nicht mehr an enge Grenzen durch die Hochdruckleitungen des Kältemittelkreislaufes
gebunden.
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In
Ausführungsformen
kann das Sekundärfluid
auch die Abwärme
des Kompressors der Wärmepumpe
an die Prozessluft des Wäschetrockners abführen. Dadurch
erhöht
sich die Gesamteffizienz des Wärmepumpenprozesses
und damit die Energiebilanz des gesamten Trocknungsverfahrens.
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Ein
nicht einschränkendes
Ausführungsbeispiel
für einen
Kondensationstrockner gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 1 gezeigt.
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Beim
Kondensationstrockner von 1 ist die
Wärmepumpe über zwei
Sekundärfluidkreise
mit dem Prozessluftkreis verbunden.
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1 zeigt
einen senkrecht geschnittenen Kondensationstrockner (im Folgenden
mit „Trockner" abgekürzt). Der
in 1 dargestellte Trockner 1 weist eine
um eine horizontale Achse drehbare Trommel 3 als Trocknungskammer 3 auf,
innerhalb welcher Mitnehmer 4 zur Bewegung von Wäsche während einer
Trommeldrehung befestigt sind. Eine Heizung 18, ein erster
Wärmetauscher 11, 12, 13,
eine Wärmepumpe 13, 14, 15, 23 ein
zweiter Wärmetauscher 16, 17 sowie
ein Gebläse 19 sind
vorgesehen, um einen von einem Luftkanal 2 geschlossenen
Prozessluftkreis 2 durch die Trommel 3 hindurch
zu erzeugen, dabei nach Durchgang durch die Trommel 3 abzukühlen und
nach Kondensation der in der Prozessluft enthaltenen Feuchtigkeit
wieder zu erwärmen.
Dabei wird von der Heizung 18 erwärmte Luft von hinten, d.h.
von der der Trocknertür 5 gegenüberliegenden
Seite der Trommel 3, durch deren gelochten Boden in die
Trommel 3 geleitet, kommt dort mit der zu trocknenden Wäsche in
Berührung
und strömt durch
die Befüllöffnung der
Trommel 3 zu einem Flusensieb 6 innerhalb einer
die Befüllöffnung verschließenden Trocknertür 5.
Anschließend
wird der Luftstrom in der Trocknertür 5 nach unten umgelenkt
und von dem Luftkanal 2 zu dem Wärmetauscher 11, 12 geleitet.
Dort kondensiert infolge Abkühlung
die von der Luft aus den Wäschestücken aufgenommene Feuchtigkeit
und wird in einem in 1 nicht gezeigten Kondensat-Behälter aufgefangen,
von dem aus sie entsorgt werden kann. Die Heizung 18 ist
optional; sie wird vor allem deshalb vorgesehen, um bei einer Inbetriebnahme
die Komponenten des Kondensationstrockners 1 sowie die
zu trocknenden Gegenstände
möglichst
schnell auf die zum Trocknen erforderlichen erhöhten Temperaturen bringen zu
können. Im
stationären
Betrieb des Kondensationstrockners 1 ist die Benutzung
der Heizung 18 unter Umständen nicht mehr erforderlich.
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Die Übertragung
der Kühlleistung
der Wärmepumpe 13, 14, 15, 23 erfolgt
hierbei über
das in einem ersten Sekundärfluidkreis 12, 20 zirkulierende sekundäre Kältemittel,
vorzugsweise Wasser. Nach dem Wärmetauscher 11, 12 wird
die Prozessluft von dem Gebläse 19 wiederum
zu der Heizung 18 geleitet. Zwischen dem Gebläse 19 und
der Heizung 18 befindet sich ein zweiter Wärmetauscher 16, 17,
der Wärmepumpe 13, 14, 15, 23,
in dem die Prozessluft mittels der von dieser erzeugten Wärme aufgeheizt wird.
Die Übertragung
der Wärme
erfolgt hierbei über einen
zweiten Sekundärfluidkreis 16, 21.
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Die
Trommel 3 wird in der in 1 gezeigten Ausführungsform
am hinteren Boden mittels eines Drehlagers und vorne mittels eines
Lagerschildes 7 gelagert, wobei die Trommel 3 mit
einer Krempe auf einem Gleitstreifen 8 am Lagerschild 7 aufliegt
und so am vorderen Ende gehalten wird.
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Die
Steuerung des Kondensationstrockners erfolgt über eine Steuereinrichtung 10,
die vom Benutzer über
eine Bedieneinheit 9 geregelt werden kann; die Steuereinrichtung
greift in geeigneter, hier nicht näher zu beschreibender Weise
auf alle steuerbaren Komponenten, umfassend insbesondere auch hier
nicht dargestellte, übliche
Sensoren, des Trockners 1 zu.
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Das
erwärmte
sekundäre
Kältemittel
des ersten Sekundärfluidkreislaufs 12, 20 wird
im Verdampfer 13 der Wärmepumpe 13, 14, 15, 23 abgekühlt. In
der Wärmepumpe 13, 14, 15, 23 wird
im Verdampfer 13 ein primäres Kältemittel verdampft, im Kompressor 14 komprimiert
und anschließend
im Verflüssiger 15 der
Wärmepumpe
kondensiert. Die dabei frei werdende Wärme wird dazu benutzt, über einen
zweiten Sekundärkreislauf 16, 21 die
durch den zweiten Wärmetauscher 16, 17 geführte Prozessluft
zu erhitzen. Vom Verflüssiger 15 gelangt
das Kältemittel
durch eine Drossel 23 zurück zum Verdampfer 14.
Zur Erhöhung
der Energieausbeute kann die Abwärme
des Wärmepumpenkreises 13, 14, 15,
insbesondere des Kompressors 14, der im Allgemeinen elektrisch
betrieben wird, der Prozessluft zugeführt werden (in 1 gestrichelt
gezeichnet).