Untersuchungen über das maschinelle Wäschetrocknen im Warmlufttrockner (Tumbler)

34 Pages·1972·0.914 MB·German

by  Dipl.-Ing. Herbert Schmidt (auth.)

FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 2264
Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn
vom Minister für Wissenschaft und Forschung J ohannes Rau
Dipl. -Ing. Herbert Schmidt
Wäschereiforschung Krefeld e. V.
Leiter: Dr. -Ing. Oswald Viertel
Untersuchungen
über das maschinelle Wäschetrocknen
im Warmlufttrockner (Tumbler)
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1972
ISBN 978-3-531-02264-2 ISBN 978-3-663-19778-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-19778-2
© 1972 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen 1972
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
Inhalt
1. Allgemeine Betrachtungen über das Wäschetrocknen im
Haushalt ............................... . 5
2. Theoretische Zusammenhänge des Feuchtigkeitsübergangs
von Wäsche an Luft ..... 5
3. Regelung der Trockenzeit 6
3. 1 Zeitliche Regelung ..... 6
3.2 Automatische Regelung .. 7
3. 2. 1 Faktoren, die den Regelvorgang beeinflussen 7
3.2.1.1 Wäschefeuchtigkeit . 7
3.2.1.2 Wäschefüllung . 7
3. 2. 1. 3 Heizleistung . . .. . 7
3.2.1.4 Wäscheart ..... . 7
3.2.1.5 Verstopfte Luftwege 8
3.2.1.6 Schaltschema eines Trockenzeitreglers 8
4. Feuchtigkeits- und Wärmebeseitigung bei Lufttrocknern 8
4.1 Frischluft aus dem Aufstellungsraum, Abluft in den Auf- 9
stellungsraum • . • . • • . . ................... . 9
4.2 Frischluft aus dem Aufstellungsraum, Abluft ins Freie 9
4.3 Frischluft aus dem Freien ....... . 10
4.4 Frischluft aus dem Aufstellungsraum. 10
4.4.1 Versuchsanordnung . . . . . . . . . . . . . 11
4.4.2 Versuchsergebnis ............ . 12
4.5 Geschlossener Luftkreislauf über Gebläse, Heizung,
Trockner und Kondensator. 13
4. 5. 1 Versuchsanordnung ... . 13
4.5.2 Versuchsergebnisse .... . 13
4.6 Regelung der Trockenzeit . 14
4.7 Sicherheitsvorrichtungen .. 15
4.8 Untersuchungen an einem Turnbier mit Ringkondensator
verschiedener Kühlflächen ..................•. 15
4. 8.1 Versuchsanordnung •....................... 15
4. 8. 2 Versuchsergebnisse ....................... . 15
4.9 Untersuchungen der Kondensation mit direkter Kühlung . , 16
4. 9. 1 Sprühkondensation · · · · · · 16
4. 9. 2 Versuchsergebnis. 16
5 Zusammenfassung 17
5. 1 Regelung der Trockenzeit eines Turnbiers mit Hilfe der
Ablufttemperatur .................•... 17
5.2 Feuchtigkeits- und Wärmebeseitigung bei Lufttrocknern 18
Danksagung · · · · · · · · · 2o
Literaturverzeichnis 2o
.........................
21
Abbildungen · · · · · ·
3
1. Allgemeine Betrachtungen über das Wäschetrocknen im Haushalt
Das Trocknen von Wäsche im Haushalt wurde und wird auch bisher im
erster Linie durch Aufhängen an der Luft durchgeführt. Der Arbeits- und
Platzaufwand beim Aufhängen und Abnehmen der Wäsche, die Abhängig
keit der Trocknung von der Witterung (lange Trockenzeiten), sowie die
zunehmende Luftverschmutzung zwingen immer mehr dazu, die Wäsche
trocknung maschinell durchzuführen. Das Problem der maschinellen
Trocknung besteht darin, den Vorgang auf möglichst kleinem Raum durch
zuführen.
Man unterscheidet Trockenkabinen und Trommeltrockner, die eine künst
liche Heißluftzufuhr erhalten. Der Raumbedarf liegt wesentlich niedriger
als bei der Freilufttrocknung. Bei Kabinentrockner rechnet man mit einem
Raumbedarf von 100 Liter je kg Wäsche, bei Trommeltrocknern sogar nur
3o 1 /kg. Damit ergeben sich Gerätegrößen, die sich auch innerhalb der
Wohnung {Küche, Bad) aufstellen lassen. Legt man eine Grundfläche von
60 x 60 cm zugrunde, so lassen sich Kabinen- und Trommeltrockner für ein
Füllgewicht von 2 bis 3 kg unterbringen. Das entspricht 1/2 Waschmaschi
nenfüllung. Damit kann eine Waschmaschinenfüllung in zwei Trockengängen
getrocknet werden. Wenn man üblicherweise eine Heizleistung von 0, 8 kW
je kg Trockenwäsche rechnet, sowohl jeweils für den Trockner als auch
für die Waschmaschine, so muß bei gleichzeitigem Betrieb beider Geräte
ein Anschluß von 6, 4 kW zur Verfügung sein. Viele Haushalte haben aller
dings nur einen solchen von 3, 3 kW. In diesem Fall können beide Geräte
nur nacheinander betrieben werden. Die Geräte werden meist nebeneinan
de.r gestellt. Es gibt allerdings auch schon Ausführungen mit übereinander
gestellten Maschinen. Hierdurch wird nur eine Grundfläche für Waschma
schine und Trockner benötigt. Neben dem Problem des Raumbedarfs stel
len sich weitere, die den Betrieb des Trockners betreffen. Hierzu sollen
insbesondere die Trockenzeitregelung und die Wärme- und Feuchtigkeits
beseitigung ins Auge gefaßt werden.
2. Theoretische Zusammenhänge des Feuchtigkeitsübergangs v:on Wäsche
an Luft
2. 1. Der Trocknungsvorgang von Wäsche beruht darauf, den Wassergehalt
der feuchten Wäsche soweit zu senken, daß Feuchtegleichgewicht zwischen
Luft und Wäschefeuchte besteht. Das Verfahren der Freilufttrocknung be
ruht auf einen verhältnismäßig langsamen Ausgleichsvorgang und hängt von
der relativen Feuchte der Umgebungsluft ab, die 3o bis 90 o/o je nach
Witterung betragen kann. Im Faser- und Fadenverband der zu trocknenden
feuchten Gewebe herrscht eine solche von 100 o/o. Die nicht gesättigte Um
gebungsluft nimmt nun laufend Feuchtigkeit auf, bis die Luft im Gewebe
den gleichen Feuchtigkeitsgehalt hat, wie die umgebende Luft und damit
5
das Gewebe lufttrocken ist. Dieser Vorgang läuft, wie schon gesagt, ver
hältnismäßig langsam ab. Man muß je nach Restfeuchtigkeit der Wäsche
und relativer Luftfeuchte mit 2 bis 6 Stunden rechnen. Die langen Zeiten
gelten für schlechtes Wetter und wenig belüftete Trockenräume. Die zum
Verdampfen der Feuchtigkeit notwendige Wärme wird dabei der Umgebungs
luft entnommen.
2. 2 Führt man der feuchten Wäsche Wärme zu, z. B. in Form von Heiß
luft, so kann die Trocknung wesentlich gesteigert werden. Jetzt besteht
allerdings die Gefahr, daß man der Wäsche mehr Feuchtigkeit entzieht,
als zum Luft-Wäsche-Feuchtegleichgewicht notwendig ist, z. B. enthält
Baumwolle, bezogen auf das absolute Trockengewicht, noch ca. 8 o/o Rest
feuchtigkeit. Unterschreitet man diesen Wert längere Zeit, so kann Faser
schädigung eintreten, besonders wenn die Temperatur der Trockenluft zu
hoch ist. Je höher diese Temperatur ist, desto schneller trocknet man,
aber auch desto größer ist die Gefahr für die Wäsche. Nun ist es aller
dings nicht etwa so, daß die höhere Heißlufttemperatur der feuchten Wä
sehe grundsätzlich schadet. Solange die Wäsche Feuchtigkeit enthält,
stellt sich im Faser- und Fadenverband die sogenannte Verdampfungstem
peratur ein, die um so weiter unter der Temperatur der Heißluft liegt, je
weniger Feuchtigkeit diese enthält. Die Verdampfungstemperatur bleibt
solange konstant, solange Feuchtigkeit verdampft wird. Abb. 1 zeigt 3
Phasen des Temperatur-Zeitverlaufs im Gewebe. Die erste ist gekenn
zeichnet durch den raschen Anstieg auf den Wert der Verdampfungstem
peratur. Die zweite Phase ist ein Abschnitt konstanter Temperatur (Ver
dampfungstemperatur), deren Länge von der zu verdampfenden Wasser
menge abhängt. Die dritte Phase ist gekennzeichnet durch einen steilen
Anstieg, bis schließlich die Temperatur der Heißluft erreicht wird. Diese
Phase zeigt an, daß der Verdampfungsvorgang beendet ist und die Wärme~
zufuhr unterbrochen werden muß. Die Verdampfungstemperatur ist prak
tisch konstant, solange Feuchtigkeit verdampft wird. Ihre Höhe richtet
sich nach der Temperaturhöhe und Feuchtigkeit der Trockenluft, s. Abb.
2. Sehr trockene Luft z. B. 10 o/o und 100° C ergibt eine sehr niedrige
Verdampfungstemperatur von ca. 50° C und liegt damit weit unterhalb der
trockenen Heißluft und stellt deshalb keine Gefahr für die Wäsche dar.
Selbst Heißlufttemperaturen von über 100° C sind noch ungefährlich, wenn
ihr Feuchtigkeitsgehalt gering ist. Erhitzt man z. B. die trockene Heiß
luft bei gleichem Feuchtigkeitsgehalt auf 200° C, so steigt die Verdamp
fungstemperatur erst auf ca. 60° C , weil der Verdampfungsvorgang die
mehr zugeführte Wärme verbraucht und deshalb die Verdampfungstempe
raturen nur wenig anhebt, und deshalb praktisch keine Gefahr für die
Wäsche darstellt. Eine Gefahr besteht erst dann, wenn die Wäschefeuch
tigkeit verdampft ist und dann die Wäschetemperatur ansteigen kann.
Dieser Anstieg muß durch Regeleinrichtungen verhindert werden.
3. Regelung der Trockenzeit
3. 1 Zeitliche Regelung
Ein regelbarer Zeitschalter sorgt für das Abschalten des Trockners, wo
bei Wäsche:aenge, Feuchtigkeit, Heizleistung des Turnbiers und Wäsche
art als Einflußgrößen für die Zeiteinstellung berücksichtigt werden müssen.
6
Dazu gehört einige Erfahrung, die trotzdem nicht ausreicht, die erforder
liche Sicherheit der Trocknung gegen Übertrocknen zu erreichen.
3. 2 Automatische Regelung
Nun bietet der oben beschriebene Temperaturverlauf der Trocknerabluft
eine Möglichkeit, das Gerät im nahezu richtigen Moment des Trockenvor
ganges abzuschalten. In der dritten Phase des Temperaturverlaufes steigt
die Temperatur an und das ist gerade der Zeitpunkt, an dem die Wäsche
praktisch trocken ist. Die Erfassung dieser Temperatur mit Hilfe eines
Thermostaten ergibt nun die Möglichkeit, die Heizung abzuschalten. Um
ein Abkühlen der Wäsche zu erreichen, kann gleichzeitig ein Zeitschalter
gestartet werden, der nach einer gewissen Laufzeit, wobei ungeheizte
Frischluft eingeblasen wird, den Trockner stillsetzt.
3. 2. 1 Faktoren, die den Regelvorgang beeinflussen
3. 2. 1. 1 Wäschefeuchtigkeit
Der Einfluß der Wäschefeuchtigkeit macht sich zwar auf die Trockenzeit
bemerkbar, der Temperaturverlauf der Phase drei wird nicht beeinflußt,
Abb. 3. Die Abschalttemperatur wird je nach der zu verdampfenden Feuch
tigkeit später oder früher erreicht.
3. 2. 1. 2 Wäschefüllung
Bei der Wäschefüllung besteht ein gewisser Einfluß auf die Abschalttempe
ratur. Unterladene Trockner haben geringere Wärmeabnahme aus der
Heißluft. Infolgedessen steigt die Temperatur der Phase III steiler an, so
daß ein vorzeitiges Abschalten eintritt. Um die geringe Wäschemenge
trocken zu bekommen, muß man die Abschalttemperatur etwas erhöhen.
Natürlich funktioniert die Regelung nicht mehr, wenn man einzelne Wäsche
stücke trocknen will, da die Abluft die Heißlufttemperatur sehr schnell er
reicht, ohne daß das einzelne Stück trocken wird. Wie Abb. 4 zeigt, lassen
sich Füllverhältnisse von 1 : 100 bis 1 : 20 recht gut erfassen.
3. 2. 1. 3 Heizleistung
Eine Erhöhung der Heizleistung erhöht wohl die Verdampfungstemperatur,
verändert jedoch die Charakteristik der Temperaturkurve nicht. Die Ab
schalttemperatur muß entsprechend erhöht werden, um ein vorzeitiges
Abschalten zu verhindern. Die Heizleistungsänderung an einem bestimmten
Gerät ist außerdem wenig sinnvoll, da die Abschaltautomatik sowieso ein
Überhitzen verhindert. Die optimale Heizleistung eines Lufttrockners liegt
bei ca. 1 kW je 30 Liter Trommelinhalt und je 100 m3/h Luftmenge.
3. 2.1. 4 Wäscheart
Der Einfluß der Wäscheart, Abb. 5, erstreckt sich im wesentlichen auf
die Trockenzeit. Die Abschalttemperatur wird dadurch nicht beeinflußt.
Natürlich werden Wäschestücke verschiedenen m2 - Gewichts unterschied-
7
lieh lange Trockenzeiten benötigen. Der Zeitpunkt der Abschaltung wird
eine Mischzeit sein, d. h., leichte Wäschestücke sind übertrocknet, schwere
nicht ganz trocken Es ist in jedem Fall ratsam, Wäschestücke stark un
terschiedlichen m2 - Gewichts nicht in einer Füllung zu trocknen. Unter
schiedliche Stückgröße wirkt sich ebenso negativ aus.
3. 2. 1. 5 Verstopfte Luftwege
Ein Einfluß durch Flusen verstopfter Luftwege auf den Regelvorgang ist
praktisch nicht vorhanden. Da die Luftmenge reduziert wird, ist die Wär
meaufnahme aus dem Heizregister geringer. Die Folge ist ein Ansprechen
des Sicherheitsthermostaten. Damit wird die effektive Heizleistung kleiner
und somit die Trockenzeit größer.
Das Ansprechen des Regelthermostates erfolgt entsprechend später, wenn
die Wäsche trocken ist. Nicht gesäuberte Flusensiebe machen sich also
durch längere Trockenzeiten bemerkbar. Eine Überhitzung der Wäsche
wird durch den Sicherheitsthermostat sicher vermieden.
3. 2. 1. 6 Schaltschema eines Trockenzeitreglers
Abb. 6 zeigt das Schaltschema eines Trockenzeitreglers. Mit Hilfe des
Regelthermostaten wird die für den Trockner günstigste Abschalt-Tempe
ratur eingestellt. Anschließend erfolgt das lnbetriebnehmen des Trockners
durch Einstellen des Zeitschalters auf die vorgewählte Abkühlzeit. Der
Zeitschalter bleibt auf der vorgewählten Zeit stehen. Der Trockner läuft
~un mit eingeschalteter Heizung. Nach Erreichen der am Regelthermo
staten vorgewählten Ablufttemperatur schaltet die Heizung ab, während
Gebläse und Antrieb weiterläuft. Gleichzeitig wird die Zeitschaltsperre
gelöst, so daß die vorgewählte Abkühlzeit abläuft. Antrieb und Gebläse
laufen während dieser Zeit weiter. Mit dem Ende der Abkühlzeit stellen
sich beide ab und der Trockengang ist beendet.
Ein in der Nähe des Heizkörpers angebrachter Sicherheitsthermostat be
grenzt die Temperatur der Heißluft (z. B. bei verstopften Luftwegen, Flu
sensieb).
4. Feuchtigkeits- und WärmebeseitigunS bei Haushalt-Wäschetrocknern
D maschinelle Wäschetrocknen im Haushalt wirft neben dem Problem der
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Wärmeversorgung, des Platzbedarfes und der Troc enze1 rege ung em. .
weiteres auf, nämlich das der Beseitigung der zum Verdampfen der Wasche-
feuchtigkeit notwendigen Wärme und der Feuchtigkeit selbst. Die Aufstel
lungsräume (Küche, Bad usw.) sind zu klein, um die beim Tro<:.knen abge
gebene Wärme und Feuchtigkeit aufzunehmen, ohne das Raumkll~a unzu
mutbar zu verschlechtern. Deshalb ist es die Aufgabe der Maschmenher
steller dieses Problem zu lösen. Die vorliegende Untersuchung dient dem
Zweck.' einen Überblick aufzuzeigen, wie Wärme und Feuchtigkeit teilweise
oder auch ganz ohne Belastung des Raumklimas beseitigt werden können.
Die Fragen, der feuchten Wäsche Wärme ( z. B. durch Heißluft, Str~hlung,
Kontakt) zuzuführen, die Wasser schnell und rationell verdampft, smd
weitgehend beantwortet.
8
Übliche Trockengeräte (Trockenkammern, Trommeltrockner usw.) erzeu
gen bei 1 kW Leistungsaufnahme eine Wärmemenge von 14,3 Kcal/min und
verdampfen damit je nach Wirkungsgrad 1o bis 15 g/min Wasser. Diese
Wärme und Feuchtigkeit muß möglichst ohne Beeinflussung der Trockner
umgebung beseitigt werden. Verschiedene Methoden werden diskutiert und
durchleuchtet.
4. 1. Frischluft aus dem Aufstellungsraum, Abluft in den Aufstellungsraum
(Abb. 7)
Obwohl es von vornherein klar ist, daß ein Wohnraum (z. B. Küche) Wärme
und Feuchtigkeit nur bis zu einem gewissen Maß verkraften kann, wenn ein
noch erträgliches Klima erhalten bleiben soll, mag dies an einigen Zahlen
erhärtet werden.
Heizleistung des Trockners 1 kW
Luftdurchsatz 9om3 /h
Rauminhalt des Aufstellungsraums 3om3,
natürlicher, stündlicher Luftwechsel 4-fach.
Sommer Übergang Winter
°
Außenlufttemperatur C 20 10 -10
Außenluftfeuchte % 80 60 40
Raumtemperatur o C 33 22 18 x)
Raumfeuchte % 65 80 70
°
Taupunkttemperatur C 24 17 13
x Zusatzheizung
Es steht fest, Trockner mit einer Heizleistung über 1, 0 kW können bei
Dauerbetrieb für Wohnungen kaum noch mit freiem Wärme- und Feuchtig
keitsaustritt verwendet werden. Bei unterbrochenem Betrieb könnte die
Heizleistung eventuell auf 1, 5 kW gesteigert werden. Hierbei müssen die
örtlichen Verhältnisse aber sorgfältig geprüft werden.
4. 2 Frischluft aus dem Aufstellungsraum, Abluft ins Freie (Abb. 8)
Wenn es die Baulichkeiten der Wohnung zulassen, kann die Abluft des
Trockners ins Freie abgeführt werden. Dadurch entfällt die Wärme- und
Feuchtigkeitsbelastung des Aufstellungs-raumes. Da die Frischluft jedoch
dem Aufstellungsraum entnommen wird, muß zwangsläufig Außenluft d_f.rch
Fenster und Türen einströmen; erfahrungsgemäß sind das etwa 100m /h 3
je 1 kW Heizleistung. Für obiges Beispiel mit einer Raumgröße von 3o m
ergibt sich dadurch für einen 3-kW-Trockner ein 10-facher Luftwechsel je
Stunde, Wenn man einen 4-fachen Luftwechsel als normal ansieht, so können
sich hier schon unangenehme Zugerscheinungen bemerkbar machen. Bei
knapp bemessener Raumheizung ist im Winter außerdem eine deutliche Tem
peraturabsenkung im Aufstellungsraum nicht zu vermeiden, wenn über einen
längeren Zeitraum getrocknet wird,
9
4. 3 Frischluft aus dem Freien, Abluft ins Freie (Abb. 9)
Um Luft- und Wärmeabzug aus dem Aufstellraum zu vermeiden, muß auch
die Frischluft aus dem Freien geholt werden. Das erfordert jedoch noch
größeren baulichen Aufwand und wird sich in der Praxis selten verwirk
lichen lassen. Allerdings könnte man Frisch- und Abluft konzentrisch im
Gegenstrom führen und sogar einen Teil der Abluftwärme zurückgewinnen.
Fraglich ist jedoch, ob sich der Aufwand lohnt. Die Abluftführung ins Freie
enthält noch das Problem der Kondenswasserbeseitigung, wenn lange Lei
tungen erforderlich sind und diese sich leicht abkühlen. Im extremen Fäl
len muß für eine Abführung des Kondeswassers an der tiefsten Stelle der
Leitung gesorgt werden, die möglichst 0, 5 m vor der Hauswand liegen soll.
Zumindest sollte die Leitung jedoch wasserdicht sein, um häßliche Tropf
stellen zu vermeiden.
4. 4 Frischluft aus dem Aufstellungsraum, Abluft über einen Kondensator
in den Aufstellungsraum (Abb. 1 0)
Um bauliche Veränderungen in der Wohnung zu vermeiden, liegt der Ge
danke nahe, die Abluft des Trockners durch einen Kühler zu schicken, ihr
dort die vom Trockner aufgenommene Wärme und Feuchtigkeit zu entzie
hen und im Kühlmittel abzuführen.
Hierzu einige grundsätzliche Überlegungen: Das Gebläse des Trockners
saugt Luft aus dem Raum mit einer bestimmten Temperatur, relativen
Feuchte und einem bestimmten Wärmeinhalt. Im Heizregister wird Wärme
zugeführt, dadurch erhöht sich der Wärmeinhalt und die Temperatur, wäh
rend sich die relative Feuchtigkeit verringert. Beim Durchgang der Luft
durch die Wäschefüllung wird ein Teil der Wärme dazu benutzt, um Wasser
zu verdampfen. Dadurch erhöht sich die relative Feuchte der Luft und die
Temperatur sinkt ab, während der Wärmeinhalt des Dampf-Luft-Gemisches
konstant bleibt. Um nun aus der Abluft Feuchtigkeit auszuscheiden, muß
das Gasgemisch soweit abgekühlt werden, daß die relative Luftfeuchtigkeit
auf 100 o/o ansteigt.
Treffen also feuchte Luftteilchen auf die Kühlflächen des Kondensators,
und falls sie genügend Wärme entziehen, so entsteht dort Kondensation,
d. h. aber nicht, daß alle Feuchtigkeit sofort kondensiert. Das ist erst
gewährleistet, wenn die Kühlleistung gleich der Heizleistung ist und die
Luft am Kondensatorausgang denselben Zustand hat wie die Raumluft.
Bei nicht ausreichender Kühlleistung wird noch sowohl Feuchtigkeit als auch
Wärme an den Raum abgegeben.
Die Kühlleistung eines Kondensators hängt ab von der Wärmedurchgangszahl
k, Kühlfläche F (die einerseits von Trocknerluft und andererseits von Kühl
mittel (Wasser) bespült wird) und von dem mittleren Temperaturgefälle
a tm zwischen Luft und Kühlmittel.
Q=k.F.~t
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10