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Lithium-ion batteries show strongly nonlinear behaviour regarding the battery current and state of charge. Therefore, the modelling of lithium-ion batteries is complex. Combining physical and data-driven models in a grey-box model can simplify the modelling. Our focus is on using neural networks, especially neural ordinary differential equations, for grey-box modelling of lithium-ion batteries. A simple equivalent circuit model serves as a basis for the grey-box model. Unknown parameters and dependencies are then replaced by learnable parameters and neural networks. We use experimental full-cycle data and data from pulse tests of a lithium iron phosphate cell to train the model. Finally, we test the model against two dynamic load profiles: one consisting of half cycles and one dynamic load profile representing a home-storage system. The dynamic response of the battery is well captured by the model.
Druckluft ist verdichtete atmosphärische Luft und wird in der Industrie sowie im Handwerk als Energieträger genutzt. Den vielfältigen Vorteilen stehen aber auch einige Nachteile gegenüber, wobei der wichtigste der Preis ist. Druckluft gilt als eine der teuersten Energieformen und die Energiekosten stellen den größten Kostenfaktor bei der Produktion dar. In der vorliegenden Arbeit soll eine modellprädiktive Regelung eines Druckluftsystems entworfen und implementiert werden. Das ökonomische Regelziel besteht darin, die Energiekosten bei der Erzeugung von Druckluft zu senken. Die Implementierung umfasst unterschiedliche Varianten eines Druckluftsystems. Dazu zählen folgende Auslegungsvarianten:
• Ein Druckluftsystem mit frequenzgeregeltem Kompressor
o Mit einem Schraubenkompressor
o Mit zwei Schraubenkompressoren
• Ein Druckluftsystem mit binärgeregeltem Kompressor
o Schraubenkompressor
o Kolbenkompressor
Basierend auf den erstellten Modellen wird ein modellprädiktiver Regler entworfen und implementiert. Die modellprädiktive Regelung leistet einen entscheidenden Beitrag zur Prozessoptimierung. Der Optimierungsalgorithmus erhöht bei niedrigen Strompreisen das Druckniveau im Behälter und profitiert bei hohen Preisen vom gespeicherten Luftvolumen. Die Flexibilität des Systems ist begrenzt. Mit zunehmender Behältergröße konvergieren die Kosten der Drucklufterzeugung gegen einen parameterabhängigen Wert des Systems. Außerdem bestimmen die Systemparameter die Lösbarkeit des Optimierungsproblems. Im Vergleich zu den frequenzgeregelten Kompressoren sind die binärgeregelten Kompressoren nur unter modifizierten Annahmen einsetzbar, ansonsten kann das Optimierungsproblem nicht gelöst werden.
Lithium‐ion battery cells are multiscale and multiphysics systems. Design and material parameters influence the macroscopically observable cell performance in a complex and nonlinear way. Herein, the development and application of three methodologies for model‐based interpretation and visualization of these influences are presented: 1) deconvolution of overpotential contributions, including ohmic, concentration, and activation overpotentials of the various cell components; 2) partial electrochemical impedance spectroscopy, allowing a direct visualization of the origin of different impedance features; and 3) sensitivity analyses, allowing a systematic assessment of the influence of cell parameters on capacity, internal resistance, and impedance. The methods are applied to a previously developed and validated pseudo‐3D model of a high‐power lithium‐ion pouch cell. The cell features a blend cathode. The two blend components show strong coupling, which can be observed and interpreted using the results of overpotential deconvolution, partial impedance spectroscopy, and sensitivity analysis. The presented methods are useful tools for model‐supported lithium‐ion cell research and development.
Thin-layer chromatography (TLC) is a well-established and widely used separation technique. Most undergraduate students of chemistry or food science used TLC as a primitive separation tool, which does not need more than small pieces of TLC plates, a glass jar and some solvents. TLC has evolved from a simple separation method of the past into an instrumental technique that offers automation, reproducibility and accurate quantification for a wide variety of applications [1]. The use of modern 10*10 cm TLC plates with narrow particle size distribution is called high performance thin layer chromatography (HPTLC), to distinguish the method from the use of traditional 20 20 cm TLC plates.
We tested the MOF framework Cu-BTC for natural gas (NG) storage. Adsorption isotherms of C1–C4 alkanes were simulated applying the Grand Canonical ensemble and the Monte Carlo algorithm in a classical molecular mechanics approach. Experimental monocomponent isotherm of the alkanes was used to validate the force field. We performed multicomponent adsorptions calculations for three different quaternary mixtures of C1–C4 alkanes, matching typical NG streams composition, and predicted theoretical storage capacities, efficiency and accumulation of the NG within that composition. Despite being one of the frameworks with greatest storage capacity of methane, we found that Cu-BTC presented great sensitivity to the variation of the heavier alkanes in NG composition. When we increase the percentage of butane from 0.1% to 0.7% in the mixture, the mass of components retained in the discharge pressure (1 bar) increases from 35 to 60%. We also perform siting and interaction energy investigations and compare the NG storage performance of the Cu-BTC with that of activated carbons. To our knowledge, this is the first study regarding the efficiency of the NG storage in Cu-BTC.
Human interaction frequently includes decision-making processes during which interactants call on verbal and non-verbal resources to manage the flow of interaction. In 2017, Stevanovic et al. carried out pioneering work, analyzing the unfolding of moment-by-moment dynamics by investigating the behavioral matching during search and decision-making phases. By studying the similarities in the participant's body sway during a conversation task in Finnish, the authors showed higher behavioral matching during decision phases than during search phases. The purpose of this research was to investigate the whole-body sway and its coordination during joint search and decision-making phases as a replication of the study by Stevanovic et al. (2017) but based on a German population. Overall, 12 dyads participated in this study and were asked to decide on 8 adjectives, starting with a pre-defined letter, to describe a fictional character. During this joint-decision task (duration: 206.46 ± 116.08 s), body sway of both interactants was measured using a 3D motion capture system and center of mass (COM) accelerations were computed. Matching of body sway was calculated using a windowed cross correlation (WCC) of the COM accelerations. A total of 101 search and 101 decision phases were identified for the 12 dyads. Significant higher COM accelerations (5.4*10−3 vs. 3.7*10−3 mm/s2, p < 0.001) and WCC coefficients (0.47 vs. 0.45, p = 0.043) were found during decision-making phases than during search phases. The results suggest that body sway is one of the resources humans use to communicate the arrival at a joint decision. These findings contribute to a better understanding of interpersonal coordination from a human movement science perspective.
Muli-scale thermos-electrochemical modelling of aging mechanisms in an LFP/graphite lithium-ion cell
(2017)
Lithium-ion batteries show a complex thermo-electrochemical performance and aging behavior. This paper presents a modeling and simulation framework that is able to describe both multi-scale heat and mass transport and complex electrochemical reaction mechanisms. The transport model is based on a 1D + 1D + 1D (pseudo-3D or P3D) multi-scale approach for intra-particle lithium diffusion, electrode-pair mass and charge transport, and cell-level heat transport, coupled via boundary conditions and homogenization approaches. The electrochemistry model is based on the use of the open-source chemical kinetics code CANTERA, allowing flexible multi-phase electrochemistry to describe both main and side reactions such as SEI formation. A model of gas-phase pressure buildup inside the cell upon aging is added. We parameterize the model to reflect the performance and aging behavior of a lithium iron phosphate (LiFePO4, LFP)/graphite (LiC6) 26650 battery cell. Performance (0.1–10 C discharge/charge at 25, 40 and 60°C) and calendaric aging experimental data (500 days at 30°C and 45°C and different SOC) from literature can be successfully reproduced. The predicted internal cell states (concentrations, potential, temperature, pressure, internal resistances) are shown and discussed. The model is able to capture the nonlinear feedback between performance, aging, and temperature.
Phosphate-based inorganic–organic hybrid nanoparticles (IOH-NPs) with the general composition [M]2+[Rfunction(O)PO3]2– (M = ZrO, Mg2O; R = functional organic group) show multipurpose and multifunctional properties. If [Rfunction(O)PO3]2– is a fluorescent dye anion ([RdyeOPO3]2–), the IOH-NPs show blue, green, red, and near-infrared fluorescence. This is shown for [ZrO]2+[PUP]2–, [ZrO]2+[MFP]2–, [ZrO]2+[RRP]2–, and [ZrO]2+[DUT]2– (PUP = phenylumbelliferon phosphate, MFP = methylfluorescein phosphate, RRP = resorufin phosphate, DUT = Dyomics-647 uridine triphosphate). With pharmaceutical agents as functional anions ([RdrugOPO3]2–), drug transport and release of anti-inflammatory ([ZrO]2+[BMP]2–) and antitumor agents ([ZrO]2+[FdUMP]2–) with an up to 80% load of active drug is possible (BMP = betamethason phosphate, FdUMP = 5′-fluoro-2′-deoxyuridine 5′-monophosphate). A combination of fluorescent dye and drug anions is possible as well and shown for [ZrO]2+[BMP]2–0.996[DUT]2–0.004. Merging of functional anions, in general, results in [ZrO]2+([RdrugOPO3]1–x[RdyeOPO3]x)2– nanoparticles and is highly relevant for theranostics. Amine-based functional anions in [MgO]2+[RaminePO3]2– IOH-NPs, finally, show CO2 sorption (up to 180 mg g–1) and can be used for CO2/N2 separation (selectivity up to α = 23). This includes aminomethyl phosphonate [AMP]2–, 1-aminoethyl phosphonate [1AEP]2–, 2-aminoethyl phosphonate [2AEP]2–, aminopropyl phosphonate [APP]2–, and aminobutyl phosphonate [ABP]2–. All [M]2+[Rfunction(O)PO3]2– IOH-NPs are prepared via noncomplex synthesis in water, which facilitates practical handling and which is optimal for biomedical application. In sum, all IOH-NPs have very similar chemical compositions but can address a variety of different functions, including fluorescence, drug delivery, and CO2 sorption.
The energy system of the future will transform from the current centralised fossil based to a decentralised, clean, highly efficient, and intelligent network. This transformation will require innovative technologies and ideas like trigeneration and the crowd energy concept to pave the way ahead. Even though trigeneration systems are extremely energy efficient and can play a vital role in the energy system, turning around their deployment is hindered by various barriers. These barriers are theoretically analysed in a multiperspective approach and the role decentralised trigeneration systems can play in the crowd energy concept is highlighted. It is derived from an initial literature research that a multiperspective (technological, energy-economic, and user) analysis is necessary for realising the potential of trigeneration systems in a decentralised grid. And to experimentally quantify these issues we are setting up a microscale trigeneration lab at our institute and the motivation for this lab is also briefly introduced.
This paper will introduce the open-source model MyPyPSA-Ger, a myopic optimization model developed to represent the German energy system with a detailed mapping of the electricity sector, on a highly disaggregated level, spatially and temporally, with regional differences and investment limitations. Furthermore, this paper will give new outlooks on the German federal government 2050 emissions goals of the electricity sector to become greenhouse gas neutral by proposing new CO2 allowance strategies. Moreover, the regional differences in Germany will be discussed, their role and impact on the energy transition, and which regions and states will drive the renewable energy utilization forward.
Following a scenario-based analysis, the results point out the major keystones of the energy transition path from 2020 to 2050. Solar, onshore wind, and gas-fired power plants will play a fundamental role in the future electricity systems. Biomass, run of river, and offshore wind technologies will be utilized in the system as base-load generation technologies. Solar and onshore wind will be installed almost everywhere in Germany. However, due to the nature of Germany’s weather and geographical features, the southern and northern regions will play a more important role in the energy transition.
Higher CO2 allowance costs will help achieve the 1.5-degree-target of the electricity system and will allow for a rapid transition. Moreover, the more expensive, and the earlier the CO2 tax is applied to the system, the less it will cost for the energy transition, and the more emissions will be saved throughout the transition period. An earlier phase-out of coal power plants is not necessary with high CO2 taxes, due to the change in power plant’s unit commitment, as they prioritize gas before coal power plants. Having moderate to low CO2 allowance cost or no clear transition policy will be more expensive and the CO2 budget will be exceeded. Nonetheless, even with no policy, renewables still dominate the energy mix of the future.
However, maintaining the maximum historical installation rates of both national and regional levels, with the current emissions reduction strategy, will not be enough to reach the level of climate-neutral electricity system. Therefore, national and regional installation requirements to achieve the federal government emission reduction goals are determined. Energy strategies and decision makers will have to resolve great challenges in order to stay in line with the 1.5-degree-target.
As PV enters the terawatt era, reliability, sustainability and low carbon footprint of solar modules are key requirements. The N.I.C.E.TM technology from Apollon Solar is a good candidate for significant improvements in these areas. As the second-generation pilot line is now functional with IEC certification underway, we present a holistic assessment of N.I.C.E.TM technology compared with conventional module technology with encapsulant. This includes electrical performance and cost/consumables, reliability, and degradation mechanisms as well as sustainability aspects. In addition, the new generation of N.I.C.E.-wire modules are presented that use thin round Cu wires instead of flat ribbons for interconnection. This candidate technology for an alternative to the Smart Wire Connection Technology (SWCT) is investigated experimentally as well as via numerical simulations.
Non-esterified plant oils gain ecological and economical importance, particularly in the EU where it is intended to increase the share of renewable energies. Plant oils do not require any chemical treatment so do not cause secondary pollution. The importance of plant oil will increase in Germany for mobile and stationary applications. The generation co-generation of heat and power is subsidized by the German “Erneuerbares Energiegesetz” and the “Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz” when renewable fuels are used such as plant oils..
Plant oils have a much higher viscosity than conventional gas oil. It is mandatory to decrease the oil viscosity by heating prior to injection to assure proper injection and to avoid engine damage due to coke formation in the combustion chamber and at the injection nozzle. The German quality standard of Weihenstephan (RK-Qualitätsstandard 05/2000) for rape seed oil should be followed for use as diesel fuel. The chemical composition of plant oils is appreciably different in comparison to diesel fuels derived from mineral oils suggesting also different emission behavior.
Nasschemische Behandlungsanlage zum elektrochemischen Beschichten von flachen Substraten (1) mit Beschichtungsmaterial, mit einem Becken zur Aufnahme eines Elektrolyten, und mit Transportmitteln, mit welchen die flachen Substrate (1) horizontal durch den Elektrolyten transportierbar sind, sowie mit mindestens einem Kontaktelement (2), welches eine Welle (4) mit Drehachse (5) und eine zum Abrollen auf dem Substrat (1) geeignete zylindrische Umfangsfläche aufweist, wobei die Umfangsfläche mindestens ein elektrisch isoliertes Segment (3B) und mindestens ein elektrisch leitendes Segment (3A) umfasst, das mit einer Stromquelle (6) umpolbar verbindbar ist, wobei die Drehachse (5) des Kontaktelements (2) oberhalb der Oberfläche des Elektrolyten positioniert ist, und wobei das Kontaktelement (2) als Verbrauchselektrode ausgestaltet ist.
In vielen Schulgebäuden der Region südlicher Oberrhein - besonders bei solchen, die energetisch saniert wurden und wo der Schulbetrieb auf Ganztagsunterricht umgestellt wurde - zeigt sich seit Beginn dieses Jahrhunderts eine verstärkte Über-hitzungstendenz im Sommer. Im Rahmen der Initiative Forschungskooperation Hochschule/Stadt für mehr Energieeffizienz beim Betrieb öffentlicher Gebäude und Liegenschaften beauftragte die Stadt Offenburg die Forschungsgruppe nachhaltige Energietechnik (Forschungsgruppe net) der Hochschule Offenburg mit der Ausarbeitung eines Konzeptes für die natürliche Gebäudeklimatisierung in Klassenzimmern. Besonderes Augenmerk galt dabei neben bautechnischen Maßnahmen der Ge-bäudeautomation. Da ein vollautomatisierter Betrieb technisch und finanziell für viele kommunalen Betreiber unrealistisch ist, ist zudem die Einbindung der Nutzer und Mitarbeiter vor Ort unerlässlich. Die Ergebnisse aus dem Projekt stehen einer breiten Öffentlichkeit in Form eines Leitfadens zur Verfügung.
In vielen Schulgebäuden der Region südlicher Oberrhein zeigte sich seit Beginn dieses Jahrhunderts eine verstärkte Überhitzungstendenz. Besonders bei energetisch sanierten Schulen und durch die Umstellung des Schulbetriebs auf den Ganztagsunterricht zeigt sich eine stärkere Wärmebelastung durch die sommerlichen Temperaturen. Die Stadt Offenburg sah hier einen wichtigen Handlungsbedarf, um Klassenräume ohne den Einsatz energieintensiver Kältemaschinen thermisch zu entlasten. Durch einen deutlichen Anstieg beim Energieeinsatz für Kühlmaßnahmen würden die starken Einspareffekte bei den Heizkosten im Sommer neutralisiert. Interessant waren deshalb nachhaltige Lösungen die bei niedrigem Primärenergieeinsatz ein hohes Reduktionspotenzial bei der Kühllast bewirken. Verfahren der natürlichen Gebäudeklimatisierung führten in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe nachhaltige Energietechnik der Hochschule Offenburg zu unterschiedlichen Nachtlüftungsstrategien zusammen mit ergänzenden Wärmeschutzmaßnahmen.
Der vorliegende Leitfaden „Natürliche Gebäudeklimatisierung in Klassenzimmern“ greift einen nachhaltigen Ansatz zur deutlichen Reduzierung der sommerlichen Wärmebelastung in Klassenzimmern auf. Insbesondere die ersten sechs Jahre des 21. Jahrhunderts zeigten verstärkt Überhitzungstendenzen in sehr vielen Schulgebäuden der Region südlicher Oberrhein. In Verbindung mit der Umstellung des Schulbetriebs auf die Ganztagsschule und der deutlichen Verstärkung der Überhitzungstendenz in sanierten Gebäuden, die mit einem modernisierten Wärmeschutz versehen sind, zeigte sich für die Stadt Offenburg ein wichtiger Handlungsbedarf auf.
Aus der Kooperation der Stadt Offenburg mit der Hochschule Offenburg entwickelten sich mehrere Maßnahmenpakete bestehend aus einer Kombination bekannter physikalischer Sachverhalte und Verfahren, die mit den Möglichkeiten einer Gebäudeautomation gekoppelt werden und durch Einbindung der Nutzer in das Betriebskonzept zu einem thermisch verbesserten Arbeits- und Lernklima führen.
Eine Besonderheit des Ende Januar 2008 abgeschlossenen Langzeitmonitoring des Solar Info Center Freiburg (Förderkennzeichen BMWi 0335007U) ist die Erweiterung des Lüftungsbetriebs mit dem gelungenen Einsatz des an der Hochschule entwickelten Konzepts einer intelligenten dynamischen Betriebsführung (idB) unter Nutzung von Expertenwissen, Simulationsrechnungen und Prognosen. Im ersten Testbetrieb im Sommer 2006 konnte in einem Teilbereich des Solar-Info-Center-Gebäudes der Energiebedarf für die Dachventilatoren um 38 % gesenkt werden. Nach Auswertungen des Testbetriebs wurde das System im Jahr 2007 für den Betrieb im gesamten Gebäude angepasst. Die Mehrkosten des Betreibers für die Nutzung dieser Optimierung belaufen sich hauptsächlich auf den Bezug von Wetterdaten eines Wetterdienstes.
Due to higher combustion chamber temperatures and pressures in efficient combustion engines, both the high-cycle and thermomechanical fatigue loads on service life-critical components, such as the cylinder head, are increasing. Material comparisons and analysis of damage behavior are very expensive and time-consuming using component tests. This study therefore develops a test method for cylinder head materials that takes into account the combined loading conditions from the above-mentioned loads and allows realistic temperature transients and gradients on near-component samples. The near-component cylinder head sample represents the failure-critical exhaust valve crosspiece and is tested in a test rig specially designed with the aid of conjugate heat transfer simulations. In the test rig, the sample is subjected to thermal stress by a hot gas burner and to mechanical stress by a high-frequency pulsator. Optical crack detection allows permanent observation of fatigue crack growth and crack closure during the test. Fractographic and metallo-graphic examinations of the fracture areas as well as analyses of the damage patterns show that loads close to engine operation can be set in this way and their influences on the damage can be monitored.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist das netzdienliche Betreiben einer Wärmepumpe. Um diese Netzdienlichkeit zu erreichen, wird ein modellprädiktiver Regler entwickelt und implementiert, dessen Ziel es ist die Stromkosten einer Wärmepumpe zu senken. Dazu werden die Variablen Stromkosten und ein simulierter Heizbetrieb betrachtet.
Die Entwicklung eines modellprädiktiven Reglers setzt zunächst eine Modellierung der Komponenten des Heizsystems voraus. Ebenfalls muss eine Kostenfunktion formuliert werden, die es zu minimieren gilt. In einem Optimierungsproblem werden die Modelle als Randbedingungen und die Kostenfunktion als Zielfunktion der Optimierung formuliert. Dazu müssen gewisse Vereinfachungen getroffen werden, um das Optimierungsproblem zuverlässig und ohne enormen Rechenaufwand in einer Regelungsschleife lösen zu können.
Nun wird das Optimierungsproblem mit externen Modulen verknüpft, die eine Kommunikation mit der realen Wärmepumpen, Strompreisprognosen und Wettervorhersagen ermöglichen. Der dabei entwickelte Algorithmus wird auf einem Raspberry Pi Einplatinencomputer gespeichert und dort in einem regelmäßigen Zeitintervall von 15 Minuten ausgeführt, um den Betrieb der Wärmepumpe zu regeln.
Schließlich wird der modellprädiktive Regler in Betrieb genommen. Anschließend kann der modellprädiktive Betrieb mit dem konventionellen Betrieb verglichen werden. Aus dem Vergleich wird deutlich, dass eine modellprädiktive Regelung tatsächlich die Netzdienlichkeit einer Wärmepumpe verbessern kann. Andererseits werden auch die Entwicklungspotentiale identifiziert.
In diesem Artikel wird die Entwicklung eines didaktischen Konzepts zur Verbesserung der Präsentationskompetenz und Teamfähigkeit beschrieben. Dabei wird über erste Erfahrungen aus der Umsetzung beispielhaft auf dem Gebiet CAD/CAE berichtet. Das Konzept lässt sich auf beliebige Ausbildungsformen übertragen und kann sowohl in Schulen, Berufsakademien als auch an Hochschulen eingesetzt werden. Die Lernenden erarbeiten in nach der Rundlitzenseilmethode strukturierten Gruppen technische Lösungen zum Entwickeln, Konstruieren und Berechnen einer technischen Aufgabe. Lösungsvorschläge werden in Form von 100-Sekunden-Vorträgen dargestellt. Die Bewertung der Leistungen erfolgt nach ausgewählten Kriterien. Eine Evaluation dieses didaktikschen Konzepts ist Ziel weiterführender Untersuchungen.
Lithium-ion batteries exhibit a dynamic voltage behaviour depending nonlinearly on current and state of charge. The modelling of lithium-ion batteries is therefore complicated and model parametrisation is often time demanding. Grey-box models combine physical and data-driven modelling to benefit from their respective advantages. Neural ordinary differential equations (NODEs) offer new possibilities for grey-box modelling. Differential equations given by physical laws and NODEs can be combined in a single modelling framework. Here we demonstrate the use of NODEs for grey-box modelling of lithium-ion batteries. A simple equivalent circuit model serves as a basis and represents the physical part of the model. The voltage drop over the resistor–capacitor circuit, including its dependency on current and state of charge, is implemented as a NODE. After training, the grey-box model shows good agreement with experimental full-cycle data and pulse tests on a lithium iron phosphate cell. We test the model against two dynamic load profiles: one consisting of half cycles and one dynamic load profile representing a home-storage system. The dynamic response of the battery is well captured by the model.
The design of control systems in large-scale CPV power plants will be more challenging in the future. Reasons are the increasing size of power plants, the requirements of grid operators, new functions, and new technological trends in industrial automation or communication technology. Concepts and products from fixed-mounted PV can only partly be adopted since control systems for sun-tracking installations are considerable more complex due to the higher quantity of controllable entities. The objective of this paper is to deliver design considerations for next generation control systems. Therefore, the work identifies new applications of future control systems categorized into operation, monitoring and maintenance domains. The key-requirements of the technical system and the application layer are identified. In the resulting section, new strategies such as a more decentralized architecture are proposed and design criteria are derived. The contribution of this paper should allow manufacturers and research institutes to consider the design criteria in current development and to place further research on new functions and control strategies precisely.
The use of a TLC scanner can be regarded as a key step in high performance thin layer chromatography (HPTLC). Densitometric measurements transform the substance distribution on a TLC plate into digital computer data. Systems that allow quantitative measurements have been available for many years for either fluorescence or ultraviolet absorption measurements, while lately the reflection analysis mode for both types is the most common application. New scanning approaches are designed to aid the analyst who has common demands for TLC-densitometry without using special data, such as scanned images. Two examples that have been developed lately in the laboratories of the authors are described in this paper. These approaches were developed on the basis of current needs for analysts who employ TLC as a tool in research, as well as in routine analysis. One approach is aimed to support analysts in economically disadvantaged areas, where cost intensive apparatus is unsuitable but trace analysis by simple means is required. The other system, allows the spectral determination of chromatographic spots on TLC plates covering the ultraviolet and visible range, thus, revealing highly desired information for the analyst.
In thin-layer chromatography, fiber-bundle arrays have been introduced for spectral absorption measurements in the UV-region. Using all-silica fiber bundles, the exciting light will be detected after re-emission on the plate with a fiberoptic spectrometer. In addition, fluorescence light can be detected which will be masked by the re-emitted light. Therefore, it is helpful to separate the absorption and fluorescence on the TLC-plate. A modified three-array assembly has been developed: using one array for detection, the two others are used for excitation with broadband band deuterium-light and with UV-LEDs adjusted to the substances under test. As an example, the quantification of glucosamine in nutritional supplements or spinach leaf extract will be described. Using simply heating of the amino-plate for derivation, the reaction product of Glucosamine can be detected sensitively either by light absorption or by fluorescence, using the new fiber-optic assembly. In addition, the properties of the new 3-row fiber-optic array and the commercially available UV-LEDs will be shown, in the interesting wavelength region for excitation of fluorescence, from 260 nm to 360 nm. The squint angle having an influence on coupling efficiency and spatial resolution will be measured with the inverse farfield method. Some properties of UV-LEDs for analytical applications will be described and discussed, too.
In-situ densitometry for qualitative or quantitative purposes is a key step in thin-layer chromatography (TLC). It is a simple means of quantification by measurement of the optical density of the separated spots directly on the plate. A new scanner has been developed which is capable of measuring TLC or HPTLC (high-performance thin-layer chromatography) plates simultaneously at different wavelengths without damaging the plate surface. Fiber optics and special fiber interfaces are used in combination with a diode-array detector. With this new scanner sophisticated plate evaluation is now possible, which enables use of chemometric methods in HPTLC. Different regression models have been introduced which enable appropriate evaluation of all analytical questions. Fluorescent measurements are possible without filters or special lamps and signal-to-noise ratios can be improved by wavelength bundling. Because of the richly structured spectra obtained from PAH, diode-array HPTLC enables quantification of all 16 EPA PAH on one track. Although the separation is incomplete all 16 compounds can be quantified by use of suitable wavelengths. All these aspects are enable substantial improvement of in-situ quantitative densitometric analysis.
A diode array HPTLC method for dequalinium chloride in pharmaceutical preparations is presented. For separation a Nano TLC silica gel plate (Merck) is used with the mobile phase methanol-7.8% aqueous NH(4)(+)CH(3)COO(-) (17:3, v/v) over a distance of 6 cm. Dequalinium chloride shows an R(F) value of 0.58. Pure dequalinium chloride is measured in the wavelength range from 200 to 500 nm and shows several by-products, contour plot visualized in absorption, fluorescence and using the Kubelka-Munk transformation. Scanning of a single track in absorption and fluorescence measuring 600 spectra in the range from 200 to 1100 nm takes 30s. As a sample pre-treatment of an ointment it is simply dissolved in methanol and can be quantified in absorption from 315 to 340 nm. The same separation can also be quantified using fluorescence spectrometry in the range from 355 to 370 nm. A new staining method for dequalinium chloride, using sodium tetraphenyl borate/HCl in water allows a fluorescence quantification in the range from 445 to 485 nm. The linearity range of absorption and fluorescence measurements is from 10 to 2000 ng. Sugar-containing preparations like liquids or lozenges with a reduced sample pre-treatment can be reliably quantified only in fluorescence. The total for the quantification of an ointment sample (measuring four standards and five samples), including all sample pre-treatment steps takes less than 45 min!
Colored glass products with various printing technologies are becoming more important in industry. The aim is to achieve individual solution in a very short delivery time. Conventional thermal treatment of burning glasses in oven for tempered color printing has predominant issues with high time consumption, energy consumption and manufacturing cost. It requires alternative process development.
This paper proposes laser process to overcome issues in conventional treatment with the latest results of tempering colored glass. Samples have been analyzed with the scanning electron microscope (SEM). Two different laser systems have been applied and the glass has been printed with black paste.
Two solvent mixtures for high-performance thin-layer chromatographic (HPTLC) separation of some compounds showing estrogenic activity in the yeast estrogen screen (YES) assay are presented. The new method, planar yeast estrogen screen (pYES) combines the YES assay and a chromatographic separation on silica gel HPTLC plates with the performance of the YES assay. For separation, the analytes were applied bandwise to HPTLC plates (10 × 20 cm) with fluorescent dye (Merck, Germany). The plates were developed in a vertical developing chamber after 30 min of chamber saturation over a separation distance of 70 mm, using cyclohexane‒methyl-ethyl ketone (2:1, V/V) or cyclohexane‒CPME (3:2, V/V) as solvents. Both solvents allow separation of estriol, daidzein, genistein, 17β-estradiol, 17α-ethinyl estradiol, estrone, 4-nonylphenol and bis(2-ethylhexyl) phthalate.
Der prozentuale Energieaufwand für die Warmwasserbereitung ist umso höher, je geringer der Bedarf an Raumwärme – erreicht durch besser gedämmte Gebäudehüllen – ist. Gleichzeitig kann dieser Aufwand für Warmwasser aufgrund der normativ geforderten Systemtemperaturen von 60/55 °C bei zentraler Warmwasserbereitung über Wärmepumpen nur vergleichsweise energieaufwendig abgedeckt werden. Eine Studie des Fraunhofer ISE zeigt, wie groß dieser Temperatur-Effekt im Vergleich unterschiedlicher Trinkwasser-Erwärmungssysteme ist.
Plant oils may be used as a sustainable, nearly CO2neutral fuel for diesel engines. This work investigates experimentally the particulate and gaseous emissions of diesel engines fuelled with different non-esterified, pure plant oils. The data are collected from three engines: a) Common rail 1.7 liter passenger car engine from Opel AG b) 12.8 liter truck engine from VOLVO c) Truck engine from MAN AG.
The emissions of the MAN engine have been used to perform AMES tests to analyze possible health impacts of plant oil operation. Finally, all emission results with plant oils have been compared to traditional gas oils.
Non-Esterified Plant Oils as Fuel -Engine Characteristics, Emissions and Mutagenic effects of PM-
(2009)
Plant oils may be used as a sustainable, nearly CO2 neutral fuel for diesel engines. This work investigates experimentally the particulate and gaseous emissions of diesel engines fuelled with non-esterified, pure plant oils with the quality standard of DIN V 51605 (Weihen-stephan RK-Qualitätsstandard 05/2000). The data are collected from three engines:
Common rail passenger car engine from OPEL AG
Truck engine from VOLVO
Truck engine from MAN AG
All engines have been correctly adjusted to plant oil operation.
The OPEL and VOLVO engines served for the basic investigations. The emissions of the MAN engine have been used to perform AMES tests to analyze possible health impacts of plant oil operation.
The experimental data show a reduction of particulate matter compared to traditional gasoil which may yield up to 50 % for. The particulate matter shows same primary particle sizes but the agglomerates as collected on TEM grids are different - the plant oil soot particles tend to form larger aggregates [4]. The gaseous emissions of CO and hydrocarbons HC are generally lower compared to the operation with gasoil. However, the NOX emissions are slightly higher. This may be contributed to the measured higher combustion chamber pressures and temperatures when fuelled by plant oils.
Emission samples have been extracted from ESC cycles of 13 step tests to perform the AMES test which give indication on carcinogen substances. The AMES test results gave no indication of mutagenic effects exceeding the detection limits. No significant differences could be found comparing the emissions of plant oil and gasoil operation. Thus, it can be stated that the emission from plant oil operation does not have a health impact different to traditional gas oil. This is in contrast to some other publications — a deeper insight shows that these investigations did not properly modify the engine for plant oils. It is mandatory to make the engine modification to pre-warm the plant oils to approx. 90°C prior to injection. The engine's warm-up phase needs special care to avoid any coking at the injection system and combustion chamber surfaces. The publications where a higher health risk was claimed to be found in the exhaust of plant oil fuels, did not pre-warm the plant oils — cold plant oils have been injected in the combustion chamber instead. This results in incomplete atomization and incomplete combustion with a lot of hazardous emission species (see also [4,11]. Such an operation will damage the engine after relatively short times and is, therefore, not realistic.
The investigated fuels had some influence on the engine characteristics. Higher temperatures and pressures in the cylinder have been detected for some plant oils compared to gasoil. This increase is explained by the higher oxygen content within the plant oils.
Pflanzenöle können einen gewissen Beitrag für eine erneuerbare, nahezu CO2-neutrale Kraftstoffversorgung leisten. Die nicht-veresterten Pflanzenöle haben im Gegensatz zu veresterten Ölen eine günstige Energie- und CO2-Bilanz. Deshalb werden hier die naturbelassenen, aber raffinierten Pflanzenöle auf ihre Eignung als Kraftstoff in Dieselmotoren und deren Emissionen detailliert untersucht. Versuche wurden mit drei verschiedenen Dieselmotoren durchgeführt.
Variable refrigerant flow (VRF) and variable air volume (VAV) systems are considered among the best heating, ventilation, and air conditioning systems (HVAC) thanks to their ability to provide cooling and heating in different thermal zones of the same building. As well as their ability to recover the heat rejected from spaces requiring cooling and reuse it to heat another space. Nevertheless, at the same time, these systems are considered one of the most energy-consuming systems in the building. So, it is crucial to well size the system according to the building’s cooling and heating needs and the indoor temperature fluctuations. This study aims to compare these two energy systems by conducting an energy model simulation of a real building under a semi-arid climate for cooling and heating periods. The developed building energy model (BEM) was validated and calibrated using measured and simulated indoor air temperature and energy consumption data. The study aims to evaluate the effect of these HVAC systems on energy consumption and the indoor thermal comfort of the building. The numerical model was based on the Energy Plus simulation engine. The approach used in this paper has allowed us to reach significant quantitative energy saving along with a high level of indoor thermal comfort by using the VRF system compared to the VAV system. The findings prove that the VRF system provides 46.18% of the annual total heating energy savings and 6.14% of the annual cooling and ventilation energy savings compared to the VAV system.
This study focuses on the experimental and numerical investigations on a commercial Ranque-Hilsch vortex tube. Ranque-Hilsch vortex tubes have many applications in industry and production as they can generate a very cold flow just from pressurized air .e.g. machine tool cooling. Main objective of this study is the energy separation in the flow field which results in a temperature drop on the cold exit of the tube. This was investigated experimentally by measuring the outlet temperature on the cold exit and the pressure drop on the flow restrictor valve on the hot exit. At a pressure drop of 0.5 bar the vortex tube showed the best performance by reaching a cold exit temperature of –16.7 °C. The Inlet flow was pressurised air at 20 °C and 6 bar.<br /> The numerical analysis was carried out by full 3D steady state CFD-simulation using the commercial software ANSYS CFX 11.0. The three dimensional model represented a 120° sector of the tube using periodic boundary conditions. A comparison between different turbulence models (k – å, RNG k – å, k – ù, SST) was carried out. The classic k – å two layer turbulence model showed the best results compared to the experiment. The energy separation and the drop in cold exit temperature are highest when the viscous work term is included into the energy equation. These effects of including the viscous work term into the energy separation have also been investigated.
Numerische Physik
(2019)
Dieses Lehrbuch stellt die Numerische Physik anhand einer Vielzahl von Beispielen aus den Bereichen Mechanik, Elektrodynamik, Optik, Statistischer Physik und Quantenmechanik dar. Der Leser lernt hier nicht nur die wichtigsten numerischen Techniken in der Programmiersprache C++ kennen, sondern erhält auch neue Einblicke in die Physik, die konventionelle Zugänge nicht bieten. Das Werk schließt damit eine Lücke zwischen den Standardlehrbüchern der Theoretischen Physik und denen der reinen Programmierung.
Zu jedem der physikalischen Themen gibt es eine kurze Wiederholung des theoretischen Hintergrunds und anschließend werden ausgewählte Beispiele im Detail ausgearbeitet. Übungen am Ende des Kapitels bieten weitere Gelegenheit die Anwendungen des Gelernten zu vertiefen.
Das Buch richtet sich vornehmlich an Physikstudierende höherer Semester, die bereits über eine Basis in Theoretischer Physik verfügen und auch Grundkenntnisse in der Programmierung in C++ mitbringen.
Auf der Produktseite zum Buch auf springer.com finden sich alle Quelltexte zu den Programmen im Buchtext zum Download. Im Anhang erhalten Sie eine Zusammenstellung und Erläuterung frei verfügbarer Software, die sowohl dem Windows-Anwender als auch dem Linux-Freund alle Werkzeuge an die Hand gibt, die er zur Bearbeitung anspruchsvoller physikalischer Fragestellungen benötigt - von Compilern über numerische Bibliotheken bis hin zu Visualisierungstools.
Der allgegenwärtige Einsatz von numerischen Strömungssimulationen, wie sie in der Industrie oder der Luft- und Raumfahrt vorkommen, führt zu einem deutlichen Anstieg der benötigten Möglichkeiten und erhöhten Ansprüche an die Programme. Dadurch können mittlerweile auch komplexe Szenarien zuverlässig simuliert werden, was durch die stetige Steigerung der Rechenleistung weiter an Bedeutung gewinnt. Da auch das Verhalten von nicht newtonschen Fluiden immer präziser über speziell erstellte rheologische Modelle vorhergesagt werden kann, gilt es nun zu prüfen, ob und wie gut diese Modelle in einer Simulation umgesetzt werden können.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Simulation anhand eines konkreten Anwendungsfalles erstellt. Dabei wird das Viskositätsverhalten von drei scherverdünnenden Fluiden in einer Rohrleitung mit Querschnittreduzierung untersucht und dabei die Vorgehensweise geschildert. So wird unter anderem gezeigt, wie die Geometrie und deren Vernetzung durchzuführen ist und erklärt, welche Einstellungen für das gewünschte Strömungsverhalten erforderlich sind. Für die Beschreibung der Fluide werden dabei sowohl programmeigene Modelle als auch erweiterte Modelle verwendet, die in der Software implementiert werden müssen.
Bei dem Vergleich der Ergebnisse werden letztlich die Druckverluste, die in der Geometrie entstehen und verschiedene Schubspannungsverläufe mit den Messwerten aus der Literatur verglichen.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Durchführung einer Stadtklimasimulation vom Campus Offenburg. Um die Simulation auf Plausibilität überprüfen zu können, werden zudem Mikroklimamessungen vom Offenburger Campus durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulation sollten im Anschluss mit den Messergebnissen verglichen werden.
Für die Durchführung der Stadtklimasimulation sowie der Mikroklimamessung werden zunächst verschiedene Vorbereitungen getroffen. Für die Stadtklimasimulation müssen im wesentlichen zwei Dateien vorbereitet werden. Eine Datei enthält Informationen zur Topologie, während die andere Datei Informationen zur Initialisierung der Simulation beinhaltet. Um den Rechenaufwand der Simulation gering halten zu können, müssen verschiedene Vereinfachungen getroffen werden. Für die Mikroklimamessung muss ein Messsystem entwickelt werden, welches sich aus stationären sowie mobilen Temperaturmessungen zusammensetzt. Für die stationäre Temperaturmessung werden Sensoren, verteilt über den ganzen Campus, platziert. Bei der mobilen Messung kommt eine Messvorrichtung mit GPS System, welches auf einem Fahrrad aufgebaut wird, zum Einsatz. Für Innenraum-temperaturen stehen fest installierte Sensoren zur Verfügung.
Der Vergleich zwischen Simulation und Messung zeigt auf, dass die Außentemperaturen der Simulation zu hoch sind. Die simulierten Temperaturdifferenzen können unter Berücksichtigung der getroffenen Vereinfachungen plausibilisiert werden. Die simulierten Innenraumtemperaturen weisen große Unterschiede im Vergleich zu den Messungen auf. Dies kann auf die getroffenen Vereinfachungen bei der Simulation zurückgeführt werden. Der Vergleich der Ergebnisse zeigt, dass Anpassungen in der Simulation erforderlich sind.
In dieser Arbeit wird eine numerische Strömungssimulation an einem Doppeldiffusor des Formula Student Rennwagens der Hochschule Offenburg durchgeführt. Das primäre Ziel der Arbeit ist die Ermittlung des Abtriebswertes des Doppeldiffusors. Weitere Aufgaben sind die Darstellung der Luftströmung und die Ermittlung der Einflussfaktoren auf den Doppeldiffusor.
Die Hohlprobentechnik soll als Alternative zur Autoklavtechnik eingesetzt werden,
um Werkstoffe unter Druckwasserstoffeinfluss charakterisieren zu können. Daher
wird in dieser Arbeit die Hohlprobengeometrie unter LCF-Belastung mit Hilfe
der Finite-Elemente-Methode untersucht. Dabei wird besonders auf den Einfluss
des Innendrucks, der Belastung und der Temperatur eingegangen. Die Ergebnisse
werden mit der Vollprobengeometrie verglichen, um die Eignung der Hohlprobe als
Alternative zur Vollprobe zu untersuchen. Ohne Innendruck ist kein Unterschied
im Verformungsverhalten zwischen Voll- und Hohlprobe zu erkennen. Bei hohen
Innendrücken kann die Hohlprobe ihre Formstabilität verlieren. Daher können in
Experimenten nicht alle Kombinationen aus Temperatur und Innendruck untersucht
werden.
Im zweiten Teil der Arbeit wird die belastungsabhängige Wasserstoffdiffusion an einer
angerissenen Hohlprobe numerisch untersucht. Durch die Spannungsgradienten an der
Rissspitze wird die Wasserstoffkonzentration beeinflusst. Um einen Zusammenhang
zwischen der Plastizität und der Diffusion zu untersuchen, wird eine plastische und
eine Diffusionszone ausgewertet. Hier zeigt sich, dass die Diffusionszone hauptsächlich
von der Risslänge und weniger von der Belastung abhängt.