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Experimental Investigation of the Air Exchange Effectiveness of Push-Pull Ventilation Devices
(2020)
The increasing installation numbers of ventilation units in residential buildings are driven by legal objectives to improve their energy efficiency. The dimensioning of a ventilation system for nearly zero energy buildings is usually based on the air flow rate desired by the clients or requested by technical regulations. However, this does not necessarily lead to a system actually able to renew the air volume of the living space effectively. In recent years decentralised systems with an alternating operation mode and fairly good energy efficiencies entered the market and following question was raised: “Does this operation mode allow an efficient air renewal?” This question can be answered experimentally by performing a tracer gas analysis. In the presented study, a total of 15 preliminary tests are carried out in a climatic chamber representing a single room equipped with two push-pull devices. The tests include summer, winter and isothermal supply air conditions since this parameter variation is missing till now for push-pull devices. Further investigations are dedicated to the effect of thermal convection due to human heat dissipation on the room air flow. In dependence on these boundary conditions, the determined air exchange efficiency varies, lagging behind the expected range 0.5 < εa < 1 in almost all cases, indicating insufficient air exchange including short-circuiting. Local air exchange values suggest inhomogeneous air renewal depending on the distance to the indoor apertures as well as the temperature gradients between in- and outdoor. The tested measurement set-up is applicable for field measurements.
Fast charging of lithium-ion batteries remains one of the most delicate challenges for the automotive industry, being seriously affected by the formation of lithium metal in the negative electrode. Here we present a physicochemical pseudo-3D model that explicitly includes the plating reaction as side reaction running in parallel to the main intercalation reaction. The thermodynamics of the plating reaction are modeled depending on temperature and ion concentration, which differs from the often-used assumption of a constant plating condition of 0 V anode potential. The reaction kinetics are described with an Arrhenius-type rate law parameterized from an extensive literature research. Re-intercalation of plated lithium was modeled to take place either via reverse plating (solution-mediated) or via an explicit interfacial reaction (surface-mediated). At low temperatures not only the main processes (intercalation and solid-state diffusion) become slow, but also the plating reaction itself becomes slower. Using this model, we are able to predict typical macroscopic experimental observables that are indicative of plating, that is, a voltage plateau during discharge and a voltage drop upon temperature increase. A spatiotemporal analysis of the internal cell states allows a quantitative insight into the competition between intercalation and plating. Finally, we calculate operation maps over a wide range of C-rates and temperatures that allow to assess plating propensity as function of operating condition.
PHOTOPUR hat die Entwicklung eines photokatalytischen Prozesses zur Beseitigung von Pflanzenschutzmitteln (PSM) aus dem Reinigungswasser von Spritzgeräten zum Ziel. Am INES wurde eine Energieversorgung für die photokatalytische Reinigung in zwei Bachelorarbeiten entwickelt und als Demosystem aufgebaut. Das Gesamtsystem ist nun als mobile Einheit verfügbar und wurde zuletzt um das Reaktormodul für den photokatalytischen Prozeß erweitert und den Partnern für intensive Tests übergeben.
The PHOTOPUR project aims to develop a photocatalytic process as a type of AOPs (Advanced Oxidation Processes) for the elimination of plant protection products (PPP) of the cleaning water used to wash sprayers. At INES a PV based energy supply for the photocatalytic cleaning system was developed within the framework of two bachelor theses and assembled as a demonstration unit. Then the system was step by step extended with further process automation features and pushed to a remote operating device. The final system is now available as a mobile unit mounted on a lab table. The latest step was the photocatalytic reactor module which completed the first PHOTOPUR prototype. The system is actually undergoing an intensive testing phase with performance checks at the consortium partners. First results give an overview about the successful operation.
Die Physik des Fahrrades
(2020)
Jeder kann Fahrradfahren, keiner weiß,warum es klappt: Anders als beim Reiten, Laufen oder Skifahren muss man sich mit dem Fahrrad immer vorwärtsbewegen, um nicht umzufallen. Prof. Giel von der Hochschule Offenburg erklärt dieses und andere Geheimnisse des Radfahrens. Zum Beispiel, ob man mit der Fahrradpumpe auch Autoreifen aufpumpen kann, warum normale Fahrradfahrer die Marathon-Distanz schneller als die weltbesten Läufer zurücklegen und welche legalen Tuning-Methoden das eigene Fahrrad noch schneller machen.
Vulnerabilitätsanalyse "Hitzestress und menschliche Gesundheit" am Beispiel der Stadt Reutlingen
(2020)
In diesem Modellprojekt wird das Schutzgut "Menschliche Gesundheit" insbesondere unter dem Gesichtspunkt der im Rahmen des globalen Klimawandels zu erwartenden Überhitzung der Städte ("städtische Hitzeinseln") betrachtet.
In der Großstadt Reutlingen ("Tor zur Schwäbischen Alb/112.500 EW) mit ihrer Pfortenlage am Rande der Schwäbischen Alb und der Höhenlage (400-800 m) sowie der Bebauungsdichte werden bis 2050 bzw. 2100 (Strategie zur Anpassung an den Klimawandel Baden-Württemberg - Vulnerabilitäten und Klimaanpassungsmaßnahmen, 2015) die massivsten Auswirkungen bezüglich Aufenthaltsbehaglichkeit und Gesundheitsfolgen in Reutlingen erwartet.
Der Untersuchungsschwerpunkt liegt im Wirkungsbereich Mensch-Siedlung, d.h. in der Betrachtung von empfindlichen Bevölkerungspopulationen (z.B. ältere Menschen) und hitzeempfindlichen Nutzungsstrukturen (z.B. verdichteten städtischen Siedlungsflächen). Insbesondere die bereits in der abgeschlossenen Gesamtstädtischen Klimaanalyse ermittelten überwärmten Areale ("hot spots") und die im Rahmen des Klimawandels für 2020-2050 zukünftig zu erwartende Hitzestressbelastung bei empfindlichen Bevölkerungsgruppen in Stadtquartieren und Funktionsbauten, stehen im Zenit der Untersuchung.
Dabei wird über das Kriterium Empfindlichkeit (Basis sind z.B. quartierbezogene Datenstrukturen von Älteren, Einrichtungen wie Krankenhäuser, Kinderpflegeeinrichtungen, Alten- Behinderten- und Pflegeheime) die zukünftige Hitzestress-Belastung für Reutlingen erarbeitet. Weiteres wichtiges Kriterium ist die Betroffenheit nach Standortsituation (Höhenlage, Durchlüftungsverhältnisse, Bioklima/PMV = Maß für die bioklimatische Behaglichkeit) und die Anzahl hitzestressgeplagter Menschen (Kinder, Kranke, Ältere). Insbesondere für das Szenarium 2020 bis 2050 (s. Strategie zur Anpassung an den Klimawandel Baden-Württemberg - Vulnerabilitäten und Klimaanpassungsmaßnahmen, 2015) werden objekt- bzw. einrichtungsbezogen (z.B. Altenpflegeeinrichtungen) sowie quartiersspezifisch (Stadtstrukturtypen) die Auswirkungen bzw. Verwundbarkeiten erarbeitet. Dieser objektspezifische (bauklimatische) Ansatz, die innovative Indikatorenbildung zur situativen kommunalen Anwendbarkeit auch über Reutlingen hinaus sowie der partizipative Ansatz mit Nichtregierungsorganisationen (NGO´s) begründet den Modellcharakter ("Reutlinger Modell") dieser Untersuchung. Das Modellprojekt bildet das zweite Modul in einem dreiteiligen Klimaanpassungskonzept für die Stadt Reutlingen.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Methanisierung von Kohlenstoffdioxid mittels methanogener Mikroorganismen durch Umsetzung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid die Folgendes aufweist: (a) einen Reaktor; (b) ein in dem Reaktor bereitgestelltes Medium mit methanogenen Mikroorganismen; (c) eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines H2-enthaltenden Gases in das Medium; wobei (d) die Zuführeinrichtung eine Mehrzahl an Gasführungseinheiten umfasst, wobei jede der Gasführungseinheiten eine Mehrzahl an Begasungseinheiten aufweist, die jeweils eine Vielzahl an Auslassöffnungen zum Zuführen des H2-enthaltenden Gases in das Medium aufweist, wobei die Zuführeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass das Zuführen des H2-enthaltenden Gases durch sukzessive Beaufschlagung der Gasführungseinheiten erfolgen kann. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von Kohlenstoffdioxid in einer Reaktorvorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen als Teil eines in einem Reaktor bereitgestellten Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass ein H2-enthaltendes Gas über eine Mehrzahl an Gasführungseinheiten dem Medium zugeführt wird, wobei jede der Gasführungseinheiten eine Mehrzahl an Begasungseinheiten aufweist, die jeweils eine Vielzahl an Auslassöffnungen aufweisen, wobei das Zuführen des H2-enthaltenden Gases durch sukzessive Beaufschlagung der Gasführungseinheiten erfolgt. Dem H2-enthaltenden Medium kann nach Bedarf Kohlenstoffdioxid beigemischt werden.
In dieser Bachelorarbeit wird mit Hilfe der Software RecurDyn ein generisches Simulationsmodell eines Trikes mit Neigemechanismus entwickelt. Dabei wird besonderes Augenmerk auf die Vorderachse des Trikes gelegt, diese wird zunächst in einem zweidimensionalen Modell erstellt und anschließend ins Dreidimensionale Modell übertragen. Die Parametrisierung erfolgt nach aktuellen Standards der Fahrzeugtechnik.
Zur Simulation sind Funktionen für den einstellbaren Neigewinkel, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und für den Lenkwinkel hinterlegt.
Außerdem werden Konzepte entwickelt, um bei Parameterstudien die Auslenkung des Federsystems in der Vorderachse, sowie den erreichbaren Lenkwinkel zu quantifizieren.
Das Projekt „Tilty“ befässt sich mit der Konstruktion eines Speed- Pedelecs. Dieses verfügt über eine Vorderachse mit 2 Rädern und Neigemechanismus. Hinten besitzt es ein Rad. Der Sitz dieses Fahrzeuges sollte ein Fahren in aufrechter Sitzhaltung ermöglichen. Dabei ist der Sitz auf derselben Höhe wie bei einem Auto, um im Straßenverkehr besser wahrgenommen werden zu können als bei einem Liegefahrrad. Ein Ziel dieser Arbeit war es, einen Sitz unter Berücksichtigung der Physiologie eines Menschen zu konstruieren. Die Position der Kurbel war ebenso ein zentrales Thema dieser Arbeit. Dabei spielte der sogenannte runde Tritt eine wichtige Rolle. Beide Komponenten mussten ebenfalls gemeinsam betrachtet werden um eine Aussage treffen zu können. Die Lenkung und damit die Position der Arme sind auch von Bedeutung. Die Konstruktion dieser Lenkung übernimmt eine Masterstudentin, daher ist die Lenkung nur ein Randthema. Eine Aussage über die Position der Arme konnte ebenfalls aufgrund der physiologischen Parameter getroffen werden.
In dem durchgeführten Verbundvorhaben arbeiteten zum einen die Fachgebiete Geologie/Geothermie sowie Anlagen- und Systemtechnik von geothermischer Kältegewinnung und Kältenutzung der Projektpartner interdisziplinär zusammen, um den aktuellen Wissensstand der Kühlung mittels oberflächennaher Geothermie fachübergreifend zu erfassen, zu bewerten und Schnittstellenprobleme zu bearbeiten. Aus dieser interdisziplinären Betrachtungsweise wurden ganzheitliche Hinweise zur Optimierung des geothermischen Kühlpotenzials sowie Anstöße für technische und planerische Innovationen für die Praxis entwickelt und in diese transferiert.
Zu folgenden Zielen wurden Beiträge erarbeitet:
- Steigerung der Energieeffizienz der Kühlung und Kältebereitstellung
- Nutzung regenerativer Energien zur Kühlung und Kältebereitstellung
- Begrenzung der thermischen Belastung des Untergrunds und des Grundwassers
- Minimierung der Schäden und Risiken durch den Eingriff in den Untergrund
Um die Geräuschanregung von Schneckengetrieben im Automobil möglichst gering zu halten, gilt es die dafür ausschlaggebenden Parameter der Schnecke zu untersuchen. Die primären Einflussfaktoren bilden die Schiefstellung sowie die Exzentrizität der Achse des Mittenzylinders der Schnecke. Diese beiden Werte werden aktuell im Rundlauf Fr zusammengefasst, welcher auf einer 3D-Koordinatenmessmaschine, durch vermessen der Schnecke bestimmt wird. Aufgrund des hohen Zeitaufwands von 20 Minuten pro Schnecke befindet sich zudem ein optischer Rundlaufprüfstand in der Entwicklung. Mit jenem ist es möglich die Schiefstellung und Exzentrizität in einem Bruchteil der Zeit zu bestimmen.
In dieser Arbeit wird in einer Problemanalyse zunächst untersucht, ob die alleinige Ausgabe des Rundlaufs den Anforderungen an die Vorhersage der Geräuschanregung genügt. Aus den daraus gewonnen Erkenntnissen wird mittels der Software MATLAB® ein Algorithmus entwickelt, welcher aus den Daten der 3D-Koordinatenmessmaschine die Schiefstellung und Exzentrizität auf unterschiedliche Weise berechnet. In mehreren Versuchsreihen werden FPS-Schnecken aus der Fertigung auf beiden Versuchsständen vermessen und die daraus gewonnenen Messwerte ausgewertet. Bei dieser Auswertung werden beide Versuchsstände miteinander, aber auch die Werte der Auswerteverfahren innerhalb der Algorithmen verglichen.
Bei diesem Vergleich stellt sich heraus, dass die Ergebnisse ähnliche Tendenzen aufzeigen. Die Abweichung der beiden Vergleichsprozesse ist vor allem beim Vergleich mit den Ergebnissen am Zahnkopf des optischen Rundlaufprüfstands meist gering. Große Abweichungen zwischen den Vergleichsprozessen lassen sich auch innerhalb der Auswertung des optischen Rundlaufprüfstandes erkennen, da hier die Differenz zwischen Zahnflanke und Zahnkopf ebenfalls bis zu 100 % betragen kann.
Interaction and capturing information from the surrounding is dominated by vision and hearing. Haptics on the other side, widens the bandwidth and could also replace senses (sense switching) for impaired. Haptic technologies are often limited to point-wise actuation. Here, we show that actuation in two-dimensional matrices instead creates a richer input. We describe the construction of a full-body garment for haptic communication with a distributed actuating network. The garment is divided into attachable-detachable panels or add-ons that each can carry a two dimensional matrix of actuating haptic elements. Each panel adds to an enhanced sensoric capability of the human- garment system so that together a 720° system is formed. The spatial separation of the panels on different body locations supports semantic and theme-wise separation of conversations conveyed by haptics. It also achieves directional faithfulness, which is maintaining any directional information about a distal stimulus in the haptic input.
In the modern knowledge-based and digital economy, the value of knowledge is growing relative to other assets and new intellectual property is being created at an ever-increasing rate. Therefore, the ability to find non-trivial solutions, systematically generate new concepts, and create intellectual property rapidly become crucial to achieving competitive advantage and leveraging the intellectual potential of organizations.
Cross-industry innovation is commonly understood as identification of analogies and interdisciplinary transfer or copying of technologies, processes, technical solutions, working principles or models between industrial sectors. In general, creative thinking in analogies belongs to the efficient ideation techniques. However, engineering graduates and specialists frequently lack the skills to think across the industry boundaries systematically. To overcome this drawback an easy-to-use method based on five analogies has been evaluated through its applications by students and engineers in numerous experiments and industrial case studies. The proposed analogies help to identify and resolve engineering contradictions and apply approaches of the Theory of Inventive Problem Solving TRIZ and biomimetics. The paper analyses the outcomes of the systematized analogies-based ideation and outlines that its performance continuously grows with the engineering experience. It defines metrics for ideation efficiency and ideation performance function.
Environmentally-friendly implementation of new technologies and eco-innovative solutions often faces additional secondary ecological problems. On the other hand, existing biological systems show a lesser environmental impact as compared to the human-made products or technologies. The paper defines a research agenda for identification of underlying eco-inventive principles used in the natural systems created through evolution. Finally, the paper proposes a comprehensive method for capturing eco-innovation principles in biological systems in addition and complementary to the existing biomimetic methods and TRIZ methodology and illustrates it with an example.
Sustainable design of equipment for process intensification requires a comprehensive and correct identification of relevant stakeholder requirements, design problems and tasks crucial for innovation success. Combining the principles of the Quality Function Deployment with the Importance-Satisfaction Analysis and Contradiction Analysis of requirements gives an opportunity to define a proper process innovation strategy more reliably and to develop an optimal process intensification technology with less secondary engineering and ecological problems.
In this paper, we describe the PALM model system 6.0. PALM (formerly an abbreviation for Parallelized Large-eddy Simulation Model and now an independent name) is a Fortran-based code and has been applied for studying a variety of atmospheric and oceanic boundary layers for about 20 years. The model is optimized for use on massively parallel computer architectures. This is a follow-up paper to the PALM 4.0 model description in Maronga et al. (2015). During the last years, PALM has been significantly improved and now offers a variety of new components. In particular, much effort was made to enhance the model with components needed for applications in urban environments, like fully interactive land surface and radiation schemes, chemistry, and an indoor model. This paper serves as an overview paper of the PALM 6.0 model system and we describe its current model core. The individual components for urban applications, case studies, validation runs, and issues with suitable input data are presented and discussed in a series of companion papers in this special issue.