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Die Erfindung befasst sich mit der Optimierung der Energiebilanz von Haushaltsgeräten, die zur Ausführung ihrer Arbeitsgänge oder Arbeitszyklen zumindest phasenweise für den jeweiligen Arbeitsprozess notwendiges erwärmtes Wasser – nachfolgend auch als Prozesswasser bezeichnet – benötigen, und betrifft eine Wärmegewinnungseinrichtung und ein Verfahren zur Wärmegewinnung für Prozesswasser eines Haushaltsgeräts.
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In Haushalten haben vor allem Waschmaschinen, Waschtrockner und Geschirrspüler einen erheblichen Energiebedarf. Bei diesen Geräten entfällt ein erheblicher Anteil des Energiebedarfs auf die Erwärmung des Prozesswassers, während die sonstigen Komponenten dieser Geräte, wie beispielsweise Antriebsmotoren und Anzeigen vom Energiebedarf her eine untergeordnete Rolle spielen.
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Vor diesem Hintergrund sind bereits verschiedene Ansätze bekannt geworden, um die Energiebilanz derartiger Haushaltsgeräte dadurch zu verbessern, dass Abwärme der Geräte bzw. die Wärme insbesondere des Prozesswassers für nachfolgende Arbeitsprozesse des Haushaltsgerätes zuvor zurück gewonnen oder wieder gewonnen wird. Daneben sind Ansätze bekannt, mittels Wärmepumpen aus der Umgebung der Haushaltsgeräte Wärme zu gewinnen.
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So beschreibt die
DE 100 45 074 A1 ein Haushaltsgerätesystem mit einem oder mehreren Haushaltsgeräten und einem Latentwärmespeicher, in dem gespeicherte Wärmeenergie über Wärmetauscher als Nutzenergie einem oder mehreren Haushaltsgeräten zugeführt wird. Der Wärmespeicher kann dabei mit Energie aus einer Solaranlage, einer Erdwärmeanlage und ebenso mit Wärmeenergie beladen werden, die aus dem Nutzwasser bzw. Prozesswasser beispielsweise einer Geschirrspülvorrichtung wieder gewonnen ist.
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Aus der
DE 39 05 222 A1 ist ein Verfahren zur Nutzung der Umgebungswärme einer wasserverbrauchenden Maschine, insbesondere einer Waschmaschine, bekannt, bei dem die Umgebungswärme einem Prozess dieser Maschine zugeführt wird.
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Auch die
DE 10 2004 023 126 A offenbart eine Waschmaschine mit Wärmerückgewinnung, die mit Hilfe wenigstens eines zusätzlichen Laugenbehälters und eines Wärmetauschers Abwärme der Waschlauge eines Waschprogramms bzw. Waschganges für folgende Waschgänge wieder verwendet. Hierbei wird Frischwasser in dem zusätzlichen Laugenbehälter durch Wärmeaufnahme aus der Abwasserlauge vorgewärmt, wobei eine besonders positive Energiebilanz durch Einsatz einer Wärmepumpe erreicht werden kann, durch die eine höhere Temperatur des Frischwassers erzielt wird.
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Aus der
DE 10 2008 022 890 A1 ist eine Haushaltsmaschine wie eine Waschmaschine oder ein Geschirrspüler bekannt, bei der eine Wiederverwendung von Prozesswärme durch einen Strömungswärmetauscher zur Energieeinsparung vorgesehen ist.
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Aus dem
DE 94 18 656 U1 ist ein Wärmeenergiespeicher für Brauchwasser bekannt, der einen Langzeit-Latentwärmespeicher umfasst. Dieser enthält Speicherelemente, die mit einem Salzhydrat als Speichermedium gefüllt sind. Aufgrund der bei eine bestimmten Temperatur eintretenden Phasenänderung des Speichermediums kann die Temperatur des Latentwärmespeichers bei großer Wärmekapazität über lange Zeit stabil gehalten werden.
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Aus der
DE 695 25 350 T2 ist ein Verfahren zur Energieeinsparung in einem Haushaltsgerät, in dem ein Fluidstrom verwendet wird, bekannt, bei dem das Fluid in Wärmetauschbeziehung zu mindestens einem Teil eines geschlossenen Systems gebracht wird, bei dem eine feste Stoffverbindung und eine flüchtige Stoffverbindung vorhanden sind, wobei die feste Stoffverbindung imstande ist, die flüchtige Stoffverbindung auszuziehen oder auszutreiben und während dieses Ausziehens bzw. Austreibens der flüchtigen Stoffverbindung Wärme zu erzeugen.
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Die
DE 44 03 737 A1 beschreibt schließlich eine Wasch- oder Geschirrspülmaschine mit einem Wärmetauscher mit einem Hohlraum, in dem sich ein Medium zum latenten Speichern von Wärmeenergie befindet. Der Wärmetauscher steht mit den Primär- und Sekundärkreisen derart in Wärmekontakt, dass ohne Vermischung aller teilnehmenden Medien ein maximal möglicher Wärmeenergie-Austausch stattfinden kann.
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Vor diesem Hintergrund ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmegewinnungseinrichtung mit mindestens einem Wärmeenergiespeicher und ein Verfahren zur Wärmegewinnung für Prozesswasser eines Haushaltsgeräts anzugeben, die bzw. das bei vergleichsweise geringem Aufwand eine langfristige Energiespeicherung ermöglicht und bei Bedarf kurzfristig eine große Wärmeenergiemenge für das Prozesswasser bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wärmegewinnungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
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Demgemäß umfasst die Wärmegewinnungseinrichtung ein Fluid, das über eine steuerbare – d. h. beispielsweise mittels eines Ventils zu öffnende bzw. zu schließende – Verbindungsleitung zu einem Wärmespeicher gelangt. In dem Wärmespeicher befindet sich ein wärmespeicherndes Medium, dass bei Sorption des Fluids gespeicherte Wärme abgibt. Von dem Begriff der Sorption ist sowohl eine Adsorption, die eine Aufnahme des Fluids insbesondere auf inneren Oberflächen eines Mediums bezeichnet, als auch eine Absorption umfasst, von der üblicherweise im Zusammenhang mit der Anlagerung des Fluids auf äußeren Oberflächen eines Mediums gesprochen wird.
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Die von dem wärmespeichernden Medium abgegebene Wärme wird erfindungsgemäß zum Aufheizen des Prozesswassers genutzt. Dazu ist der Wärmespeicher thermisch über einen Wärmeübertragungsmechanismus – beispielsweise durch direkten wärmeleitenden Kontakt, einen mittelbaren Wärmeleiter oder eine sogenannte „Heatpipe” – mit dem Zielmedium, also dem Prozesswasser (beispielsweise einer Waschlauge), der Wärmelieferung verbunden.
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Um eine mehrmalige Nutzung dieser Wärmegewinnungseinrichtung in vergleichsweise kurzen Zeitabständen sicherzustellen, ist eine Reversionseinrichtung vorgesehen, die dem wärmespeichernden Medium z. B. unter Wärmezuführung oder Evakuierung das aufgenommene Fluid zumindest teilweise wieder entzieht.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht damit darin, dass auf ein Wärmeenergiereservoir in der Umgebung oder innerhalb des jeweiligen Haushaltsgeräts zurückgegriffen werden kann. Damit entfällt ein in der praktischen Realisierung außerordentlich aufwändiger Anschluss des Haushaltsgeräts an bei beispielsweise Hauswärmepumpen übliche Reservoirs, wie Erdreich oder Gewässer.
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Der Wärmebereitstellungsvorgang kann beliebig durch Unterbinden der Fluidzufuhr zum Wärmespeicher, also z. B. durch Schließen der Verbindungsleitung, unterbrochen oder beendet werden.
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Damit besteht ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung darin, dass bis zur thermischen Erschöpfung eines der beiden Reservoirs Wärmeenergie auch mit zeitweisen Unterbrechungen abgerufen bzw. zur Verfügung gestellt werden kann.
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Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und der Zeichnung bzw. deren jeweiliger Beschreibung.
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Als wärmespeichernde Medien sind grundsätzlich verschiedene Stoffe geeignet, die bei Aufnahme eines Fluids Wärme abgeben, wie beispielsweise auch Aktivkohlen oder poröse Oxyde oder Silicagele.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das wärmespeichernde Medium Zeolithe umfasst. Bei Zeolithen ist eine besonders hohe Aufnahmefähigkeit von flüssigem bzw. dampfförmigen Wasser deshalb gegeben, weil die innere Oberfläche der Zeolithe mit 100 bis zu 1.000 m2/g besonders groß ist. Zeolithe verfügen im Gegensatz zu beispielsweise porösen Oxyden über kristallografisch definierte Poren und sind so für die genannten Zwecke besonders geeignet.
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Nach einer bevorzugten Fortbildung der Erfindung ist das Fluid Wasser, das das wärmespeichernde Medium in dampfförmigem Zustand beaufschlagt. Das Wasser kann dabei unter Wärmeaufnahme in den dampfförmigen Zustand übergehen, so dass sich dieses auf der Kaltseite befindliche Wasserreservoir abkühlt und so einen Teil der zu gewinnenden Wärmeenergie bereitstellt.
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Besonders bevorzugt kann das Wasser Prozesswasser des Haushaltsgeräts sein.
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Sofern als Fluid Prozesswasser des Haushaltsgeräts verwendet wird, lässt sich die erfindungsgemäße Wärmegewinnungseinrichtung besonders einfach mit im Prinzip nur einem definierten Wärmereservoir auf der Warmseite realisieren. Das Fluid kann beispielsweise von der Restfeuchte der Wasche bei einer Waschmaschine oder dem Restwasser auf Oberflächen von Geschirr bei einer Geschirrspülmaschine bereitgestellt sein.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Vorratsbehälter für das Fluid und der Wärmespeicher Elemente eines nach außen gasdicht geschlossenen Systems sind. Bei dieser Ausgestaltung sind also zwei Wärmereservoirs vorgesehen, nämlich auf der Kaltseite bevorzugt ein Wasservorrat (Fluid), der durch Abkühlen bzw. Gefrieren einen ersten Wärmelieferungsbeitrag leistet. Auf der Warmseite ist ein zweites Wärmereservoir vorgesehen, nämlich bevorzugt ein mit einer Zeolith-Schüttung versehener Wärmespeicher, in dem wie zuvor beschrieben besonders bevorzugt durch Adsorption von Wasser eine Wärmeabgabe erfolgt. Die beiden Wärmereservoirs können über die genannte steuerbare Verbindungsleitung und ein darin befindliches Ventil bedarfsweise miteinander verbunden, ansonsten gasdicht voneinander getrennt sein. Zum Zeitpunkt der gewünschten Wärmebereitstellung sind die beiden Reservoirs miteinander verbunden, so dass ein Zutritt von dampfförmigem Wasser (Fluid) zu den Zeolithen ermöglicht und durch Adsorption des Wasserdampfes die gewünschte Wärmeabgabe initiiert ist. Die dabei freiwerdende Adsorptionswärme kann über direkten Kontakt oder einen Wärmeleiter an den Zielort übertragen werden. Beispielsweise kann das Prozesswasser durch eine den Wärmespeicher durchziehende Wärmetauschereinrichtung oder eine Rohrschlange gefördert sein.
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Sofern ein erstes, beispielsweise Wasser enthaltendes Wärmereservoir vorgesehen ist, regeneriert sich dieses Reservoir in der praktischen Anwendung üblicherweise aus Abwärme der Umgebung des Haushaltsgeräts. Dies kann bedarfsweise durch zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise eine Zusatzheizung oder zusätzliche Wärmetauscher unterstützt werden.
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Bei der Verwendung von Zeolithen als Speichermedium muss dieses allerdings aktiv regeneriert werden. Das Regenerieren erfolgt mit der Reversionseinrichtung, die vorteilhafterweise eine Pumpe umfasst, die saugseitig mit dem Wärmespeicher verbunden ist. So wird aus dem Wärmespeicher zur Regenerierung des wärmespeichernden Mediums das Fluid (z. B. in Form von Wasserdampf) wieder abgesaugt.
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Der Regenerationsvorgang kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch beschleunigt und unterstützt werden, dass die Reversionseinrichtung eine in dem Wärmespeicher angeordnete und damit auf das wärmespeichernde Medium einwirkende Heizeinrichtung umfasst. Bevorzugt kann der erwärmte und abgesaugte Wasserdampf im ersten Wärmereservoir (Wasserreservoir auf der Kaltseite) kondensieren und damit zumindest einen Teil der vorher von diesem Reservoir abgegebenen Wärme an dieses zurückgeben. Alternativ oder zusätzlich kann das dem wärmespeichernden Medium wieder entzogene Fluid auch an die Umgebung abgegeben werden.
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Vorteilhafterweise kann die in dem Wärmespeicher angeordnete Heizeinrichtung bedarfsweise auch zu einer ergänzenden Erwärmung des Prozesswassers dienen, beispielsweise wenn die Wärmespeicherkapazität bei einer sehr hohen Nutzungsrate des Haushaltsgeräts nicht ausreichen sollte.
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Prinzipiell arbeitet die Wärmegewinnungseinrichtung somit als Wärmepumpe, die bevorzugt im Gegensatz zu üblichen Wärmepumpen so dimensioniert ist, dass ein Wärmepumpenzyklus und damit ein Speicherzyklus in seiner Dauer wenigstens einem Arbeitszyklus des Haushaltsgeräts entspricht.
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Die Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zur Wärmegewinnung für Prozesswasser eines Haushaltsgeräts, bei dem ein Fluid bedarfsweise einem wärmespeichernden Medium zugeführt wird, bei dem durch Sorption des Fluids von dem wärmespeichernden Medium gespeicherte Wärme abgegeben wird, bei dem die abgegebene Wärme dem Prozesswasser zugeführt wird und bei dem dem wärmespeichernde Medium das aufgenommene Fluid zumindest teilweise wieder entzogen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines figürlich dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert.
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In dem Ausführungsbeispiel ist eine erfindungsgemäße Wärmegewinnungseinrichtung – ohne Beschränkung des Schutzbereichs darauf – in einem Haushaltsgerät, nämlich in einer Waschmaschine dargestellt, wobei nur die zum Verständnis erforderlichen, wesentlichen Bestandteile der Waschmaschine gezeigt sind.
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Von der Waschmaschine 1 ist dargestellt ein Laugenbehälter 2 mit darin befindlicher Wäsche 3. Waschlauge 4 in dem Behälter ist im anmeldungsgemäßen Sinne Prozesswasser 5, das mit Hilfe der Wärmegewinnungseinrichtung erwärmt wird.
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Dazu umfasst die Wärmegewinnungseinrichtung ein Fluid, nämlich in einem Behälter 8 enthaltenes Wasser 9. Der Behälter 8 bildet insoweit einen Wasserspeicher oder ein erstes Wärmereservoir 10 auf der so genannten Kaltseite. In dem Behälter 8 kann ein Flies 12 angeordnet sein, das vom Wasser 9 getränkt ist und das Verdampfen des Wassers fördert.
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Der Behälter 8 ist über eine steuerbare Verbindungsleitung 14 mit einem Wärmespeicher 16 in Fließverbindung, der ein zweites Wärmereservoir 17 (auf der so genannten Warmseite) bildet. Diese Verbindung ist gesteuert – d. h. geöffnet bzw. verbunden – durch ein elektrisch betätigtes Ventil 18.
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Der Wärmespeicher 16 umfasst einen Speicherbehälter 20, der mit einer Zeolith-Schüttung 21 gefüllt ist. Diese bildet in diesem Ausführungsbeispiel ein wärmespeicherndes Medium 22. Aus dem Behälter 20 tritt eine beispielsweise durch ein Verbindungsrohr gebildete Verbindung 24 zu dem saugseitigen Anschluss 25 einer Pumpe 26 aus. Druckseitig führt eine Verbindung 28 von der Pumpe 26 zurück zum Inneren des Behälters B.
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Der Wärmespeicher 16 ist von einem Wärmetauscher 30 durchdrungen, der beispielsweise als Rohrschlange ausgeführt sein kann. Der Wärmetauscher 30 wird eingangsseitig von einer weiteren Pumpe 33 beaufschlagt, die Prozesswasser 5 aus dem Laugenbehälter 2 abpumpt, zur Erwärmung durch den Wärmetauscher 30 pumpt und schließlich über eine Verbindungsleitung 35 in den Laugenbehälter 2 zurückfördert. Außerdem ist in dem Wärmespeicher 16 eine elektrische Heizeinrichtung 40 vorgesehen.
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Somit sind die beiden Behälter 8, 20 miteinander verbunden bzw. durch Steuerung des Ventils 18 verbindbar, im Übrigen aber gegenüber der Außenumgebung gasdicht abgeschlossen und so Elemente eines geschlossenen Systems 42.
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Zur Wärmegewinnung öffnet eine im Einzelnen nicht dargestellte Steuerung das Ventil 18. Dadurch tritt Wasser 9 als über das Flies 12 verdampfendes Wasser über die Leitung 14 in den Behälter 20 des Wärmespeichers 16 ein. Die bis dahin dort trocken gehaltenen Zeolithe adsorbierten diesen Wasserdampf und geben dabei eine vergleichsweise große Menge Adsorptionswärme ab. Die Pumpe 33 fördert derweil das Prozesswasser 5 über den Wärmetauscher 30, so dass die freigewordene Wärme das Prozesswasser 5 auf die gewünschte Temperatur bringt, das durch den Druck der Pumpe 33 über die Leitung 35 wieder in den Laugenbehälter 2 gelangt.
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Dabei kühlt sich das erste Wärmereservoir 10 ab und liefert damit einen Teil der abzugebenden Wärmeenergie. Wenn die gewünschte Wärmeenergiemenge bereitgestellt worden ist bzw. das Prozesswasser 5 auf die gewünschte Temperatur erwärmt worden ist, schließt das Ventil 18. Vorteilhafterweise kann das Ventil 18 bedarfsweise wieder geöffnet und damit die Wärmegewinnung mittels der erfindungsgemäßen Wärmegewinnungseinrichtung fortgesetzt werden, bis schließlich eines der beiden Wärmereservoirs erschöpft ist.
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Das Wärmereservoir 10 kann sich über Abwärme aus der Umgebung der Wärmegewinnungseinrichtung thermisch regenerieren. Um nach Wärmeabgabe das wärmespeichernde Medium 22, nämlich hier die Zeolith-Schüttung 21, zu regenerieren, wird bei geschlossenem Ventil 18 die Pumpe 26 in Betrieb genommen und saugt so Wasserdampf aus dem Behälter 20 ab. Durch Kompression wird dieses unter Abgabe von Wärme wieder dem Behälter 8 und damit dem ersten Wärmereservoir 10 zugeführt. Unterstützend wird die elektrische Heizung 40 aktiviert, so dass sich das wärmespeichernde Medium unter Aufnahme von Wärme regeneriert und dabei das aufgenommene Fluid (Wasserdampf) zumindest teilweise wieder abgibt. Die Pumpe 26 und die Heizeinrichtung 40 sind mögliche Elemente einer Regenerationseinrichtung 41, die die Zeolith-Schüttung 21 aktiv regenerieren.
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Zusätzlich kann die Heizung 40 beim Erwärmen des Prozesswassers 5 auch noch zu dessen Erwärmung beitragen, falls die von dem Wärmespeicher 16 zur Verfügung gestellte Wärmeenergie nicht ausreichen sollte.
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In einer alternativen, zeichnerisch nicht dargestellten, aufgrund ihres noch einfacheren Aufbaus günstigen Variante der Wärmegewinnungseinrichtung kann anstelle des Behälters 8 bzw. des darin befindlichen Wassers 9 auch unmittelbar auf Prozesswasser zugegriffen werden, beispielsweise indem aus einem vorhergehenden Waschgang noch verbleibendes Restwasser in der zuvor beschriebenen Art wie das Wasser 9 genutzt wird.
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Mit der Erfindung ist eine quasi als Wärmepumpe arbeitende Einrichtung angegeben, die bei vergleichsweise geringem Aufwand und geringem erforderlichen Bauraum bedarfsweise eine große Wärmemenge innerhalb kurzer Zeit zur Verfügung stellen kann. Der Einsatz von Zeolithen ermöglicht ein besonders langfristiges Speichern der Wärmeenergie mit vergleichsweise geringem prozesstechnischem Aufwand, weil hier nur im Wesentlichen der Druck und die Feuchte konstant zu halten sind.
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Zudem ermöglicht die Erfindung wie beschrieben auch das Entnehmen von Teilmengen der gespeicherten Wärmeenergie. Damit kann die erfindungsgemäße Wärmegewinnungseinrichtung weitgehend unabhängig von der aktuellen Energieversorgung zur Optimierung des Betriebs des Haushaltsgeräts beitragen, beispielsweise indem prozesskritische Heizzeiten erheblich verkürzt werden können, ohne dass etwa der elektrische Anschlusswert erhöht werden muss. Zudem ermöglicht der Wärmespeicher 16 eine optimierte Wahl des Aufladezeitpunkts z. B. mittels preiswerter, aber zeitpunktabhängiger Energieformen wie z. B. Nachtstrom oder Solarstrom.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Waschmaschine
- 2
- Laugenbehälter
- 3
- Wäsche
- 4
- Waschlauge
- 5
- Prozesswasser
- 8
- Behälter
- 9
- Fluid
- 10
- erstes Wärmereservoir
- 12
- Flies
- 14
- Verbindungsleitung
- 16
- Wärmespeicher
- 17
- zweites Wärmereservoir
- 18
- Ventil
- 20
- Speicherbehälter
- 21
- Zeolith-Schüttung
- 22
- Wärmespeicherndes Medium
- 24
- Verbindung
- 25
- Anschluss
- 26
- Pumpe
- 28
- Verbindung
- 30
- Wärmetauscher
- 33
- Pumpe
- 35
- Verbindungsleitung
- 40
- Heizeinrichtung
- 41
- Regenerationseinrichtung
- 42
- System
