Analyse und Optimierung von Wärmepumpen-Wäschetrocknern

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.