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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.
Die angestrebten Klimaschutzziele erfordern, dass Erneuerbare Energien längerfristig zur Hauptenergiequelle der Energieversorgung werden. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, ist es angebracht konventionelle und erneuerbare Energie oder noch besser nachhaltige Einzelprozesse intelligent miteinander zu verknüpfen.
Das Projekt EBIPREP wird von einer interdisziplinären Forschergruppe bestehend aus Chemikern, Prozessingenieuren und Bioprozessingenieuren sowie Physikern, die auf Sensoren und Prozesssteuerung spezialisiert sind durchgeführt. Das Ziel ist es, neue Lösungen für die Nutzungswege von Holzhackschnitzeln und den bei der mechanischen Trocknung anfallenden Holzpresssaft zu entwickeln. Neben der Hackschnitzelvergasung und der katalytischen Reinigung des Holzgases steht die Nutzung des Holzpresssafts in Biogasanlagen und bei der biotechnologischen Wertstofferzeugung, z.B. bei der Enzymherstellung, im Vordergrund.
Was wir tun?
Das EBIPREP-Projekt wird von einer interdisziplinären Forschungsgruppe durchgeführt, die sich aus Chemikern, Prozessingenieuren, Bioprozessingenieuren und Physikern zusammensetzt. Ziel ist es, neue Lösungen für den Einsatz von Hackschnitzeln und Holzpresssaft zu entwickeln, die durch ein innovatives mechanisches Trocknungsverfahren gewonnen werden. Neben der Holzvergasung und katalytischen Reinigung des Holzgases ist der Einsatz von Holzpresssaft in Biogasanlagen und in biotechnologischen Produktionsprozessen von Wertstoffen vorgesehen. Holzhackschnitzel werden thermisch vergast. Es werden Online-Sensoren entwickelt, um die relevanten Parameter der stabilisierten und optimierten Einzelprozesse auszuwerten. Die Verknüpfung von thermischen und biotechnologischer Konversionsprozessen könnte dazu beitragen, die Dimension von Biogasreaktoren erheblich zu reduzieren. Diese Tatsache wird folglich zu einer spürbaren Kostensenkung führen.
Ziele des EBIPREP-Projekts
• die Vorteile der thermischen und biologischen Umwandlung von Biomasse zu kombinieren;
• Entwicklung eines Verfahrens zur Reduzierung von Schadstoffemissionen mit innovativen Sensoren und katalytische Behandlung von Synthesegasen;
• nachhaltige Produktion biotechnologischer wertvoller Produkte
• wirtschaftliche und ökologische Analyse des Gesamtprozesses im Vergleich zu den Einzelprozessen
• Einsatz von Prozessabwässern zur Erzeugung regenerativer Energie oder biotechnologischer Wertstoffe
• Erwerb neuer Kenntnisse auf dem Gebiet der Rückgewinnungstechnik von Rückständen
• und Energieerzeugung;
• Erweiterung neuer Anwendungsfelder für innovative Sensoren und Keramik
• Schäume für Katalysatoren;
• Senkung der Kosten für die Biogasproduktion
Im geplanten Übersichtsvortrag werden die vernetzten Strukturen des Projekts EBIPREP und deren zentralen Ergebnisse vorgestellt.
Do you know that for each banana bunch the complete plant must be cut as well? Only in Brazil 440 million trees are planted annually. With an average weight of 30 kg per banana plant you can estimate about 13,5 million tons of banana residues per year. Although there exist some projects to use these residues for the production of valuable products (e.g fibers for textile and paper production) most of this organic waste material is unused and left for composting on the farmland.
The basic idea of this project is to evaluate this organic waste material for converting it to a renewable and CO2 neutral fuel. Therefore, the different parts of the banana plant (heart, leaves and pseudo stem) were analyzed regarding their biogas potential (specific biogas yield and biogas production kinetics). In further studies the effect of mechanical and enzymatic pretreatments of the different parts of the plants was investigated. This examination could then be the basis for an energetic usage of this organic residue.
The biogas batch experiments were performed according to the german guideline VDI 4630 in 2-L-Batch reactors at 37°C. As biogas substrates, the heart, the leaves and the pseudo stem of the banana plant residue with and without enzymatic/mechanical pretreatment were used.
The different parts of the banana plants result in a specific biogas production yield in the range of 260-470 norm liters per kg organic dry mass.
To determine the influence of the mechanical pretreatment (particle size 1-15 mm) on the biogas production kinetics, the kinetic constants were defined and calculated. The reduction of the particle size leads to an improved biogas production kinetics. Therefore experiments will demonstrate, if the results from the batch experiments can be converted in the continuous fed biogas reactor. The experiments of the enzymatic pretreatment are still under investigation.
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.
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.
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.
This book constitutes the refereed proceedings of the 20th International TRIZ Future Conference, TFC 2020, held online at the University Cluj-Napoca, Romania, in October 2020 and sponsored by the International Federation for Information Processing.
34 chapters were carefully peer reviewed and selected from 91 conference submissions. They are organized in the following thematic sections: computing TRIZ; education and pedagogy; sustainable development; tools and techniques of TRIZ for enhancing design; TRIZ and system engineering; TRIZ and complexity; and cross-fertilization of TRIZ for innovation management.
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.
Gasdynamik
(2020)
Für kompressible Strömungen werden die Erhaltungssätze für Masse, Impuls und Energie hergeleitet. Die Eigenschaften der Stoßgleichungen wie Rankine-Hugoniot-Relation und Rayleigh-Gerade werden betrachtet. Zur Berechnung der Kräfte auf umströmte Körper werden die Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte ermittelt. Auf der Basis der Stromfadentheorie wird die Auslegung von Lavaldüsen behandelt. Das physikalische Verhalten linearer Unter- und Überschallströmungen und transsonischer Profilumströmungen wird analysiert.
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.
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.
Additive manufacturing is a rapidly growing manufacturing process for which many new processes and materials are currently being developed. The biggest advantage is that almost any shape can be produced, while conventional manufacturing methods reach their limits. Furthermore, a lot of material is saved because the part is created in layers and only as much material is used as necessary. In contrast, in the case of machining processes, it is not uncommon for more than half of the material to be removed and disposed of. Recently, new additive manufacturing processes have been on the market that enables the manufacturing of components using the FDM process with fiber reinforcement. This opens up new possibilities for optimizing components in terms of their strength and at the same time increasing sustainability by reducing materials consumption and waste. Within the scope of this work, different types of test specimens are to be designed, manufactured and examined. The test specimens are tensile specimens, which are used both for standardized tensile tests and for examining a practical component from automotive engineering used in student project. This project is a vehicle designed to compete in the Shell Eco-marathon, one of the world’s largest energy efficiency competitions. The aim is to design a vehicle that covers a certain distance with as little fuel as possible. Accordingly, it is desirable to manufacture the components with the lowest possible weight, while still ensuring the required rigidity. To achieve this, the use of fiber-reinforced 3D-printed parts is particularly suitable due to the high rigidity. In particular, the joining technology for connecting conventionally and additively manufactured components is developed. As a result, the economic efficiency was assessed, and guidelines for the design of components and joining elements were created. In addition, it could be shown that the additive manufacturing of the component could be implemented faster and more sustainably than the previous conventional manufacturing.
Ecological concerns on the climatic effects of the emissions from electricity production stipulate the remuneration of electricity grids to accept growing amounts of intermittent regenerative electricity feed-in from wind and solar power. Germany’s eager political target to double regenerative electricity production by 2030 puts pressure on grid operators to adapt and restructure their transmission and distribution grids. The ability of local distribution grids to operate autonomous of transmission grid supply is essential to stabilize electricity supply at the level of German federal states. Although congestion management and collaboration at the distribution system operator (DSO) level are promising approaches, relatively few studies address this issue. This study presents a methodology to assess the electric energy balance for the low-voltage grids in the German federal state of Baden-Württemberg, assuming the typical load curves and the interchange potential among local distribution grids by means of linear programming of the supply function and for typical seasonal electricity demands. The model can make a statement about the performance and development requirements for grid architecture for scenarios in 2035 and 2050 when regenerative energies will—according to present legislation—account for more than half of Germany’s electricity supply. The study details the amendment to Baden-Württemberg’s electricity grid required to fit the system to the requirements of regenerative electricity production. The suggested model for grid analysis can be used in further German regions and internationally to systematically remunerate electricity grids for the acceptance of larger amounts of regenerative electricity inflows. This empirical study closes the research gap of assessing the interchange potential among DSO and considers usual power loads and simultaneously usual electricity inflows.
Short-term load forecasting (STLF) has been playing a key role in the electricity sector for several decades, due to the need for aligning energy generation with the demand and the financial risk connected with forecasting errors. Following the top-down approach, forecasts are calculated for aggregated load profiles, meaning the sum of singular loads from consumers belonging to a balancing group. Due to the emerging flexible loads, there is an increasing relevance for STLF of individual factories. These load profiles are typically more stochastic compared to aggregated ones, which imposes new requirements to forecasting methods and tools with a bottom-up approach. The increasing digitalization in industry with enhanced data availability as well as smart metering are enablers for improved load forecasts. There is a need for STLF tools processing live data with a high temporal resolution in the minute range. Furthermore, behin-the-meter (BTM) data from various sources like submetering and production planning data should be integrated in the models. In this case, STLF is becoming a big data problem so that machine learning (ML) methods are required. The research project “GaIN” investigates the improvement of the STLF quality of an energy utility using BTM data and innovative ML models. This paper describes the project scope, proposes a detailed definition for a benchmark and evaluates the readiness of existing STLF methods to fulfil the described requirements as a reviewing paper.
The review highlights that recent STLF investigations focus on ML methods. Especially hybrid models gain more and more importance. ML can outperform classical methods in terms of automation degree and forecasting accuracy. Nevertheless, the potential for improving forecasting accuracy by the use of ML models depends on the underlying data and the types of input variables. The described methods in the analyzed publications only partially fulfil the tool requirements for STLF on company level. There is still a need to develop suitable ML methods to integrate the expanded data base in order to improve load forecasts on company level.
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.
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.
Konstrukteure im Maschinenbau stehen häufig vor der Problemstellung, hochfest vorgespannte Schraubenverbindungen und einen durchgehenden Korrosionsschutz zu vereinen. Die Normen und Richtlinien bieten hierzu Stand heute keine ausreichenden Antworten. Die Hochschule Offenburg befasst sich im Rahmen einer industriellen Gemeinschaftsforschung mit der Fragestellung, welchen Einfluss organische Beschichtungen auf die Vorspannkraft insbesondere bei erhöhten Umgebungstemperaturen haben. In dieser Arbeit werden die ersten Ergebnisse zum Einfluss der Einzelschichtstärke des Beschichtungssystems präsentiert.
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.
Power systems are increasingly built from distributed generation units and smart consumers that are able to react to grid conditions. Managing this large number of decentralized electricity sources and flexible loads represent a very huge optimization problem. Both from the regulatory and the computational perspective, no one central coordinator can optimize this overall system. Decentralized control mechanisms can, however, distribute the optimization task through price signals or market-based mechanisms. This chapter presents the concepts that enable a decentralized control of demand and supply while enhancing overall efficiency of the electricity system. It highlights both technological and business challenges that result from the realization of these concepts, and presents the state-of-the-art in the respective domains.
Ziel und Tempo der Energiewende sind gesetzt. Der Ausstieg aus der Stromproduktion in Kernkraftwerken soll bis 2022 geschafft sein. Eine Elektrizitätserzeugung, die auf erneuerbaren Energien beruht, soll die bisherige Erzeugung auf der Grundlage von Kohle, Kernbrennstoffen und Erdgas bis 2050 stufenweise weitgehend ablösen und damit maßgeblich zu den Klimaschutzzielen der Bundesregierung beitragen. Der Weg zu diesen Zielen ist für die Beteiligten hingegen noch nicht deutlich einsehbar. Viele offene Fragestellungen technischer, ökonomischer, legislativer und gesellschaftlicher Natur verstellen den Blick auf eine klare Strategie zur Erreichung der energiepolitischen Ziele. Vielschichtige Aufgaben und immense Herausforderungen kommen mit der Mammutaufgabe „Energiewende“ auf Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und Bevölkerung zu. Ein wichtiger Enabler für die erfolgreiche Integration von Wind- und Sonnenenergie sowie für neue Prozesse, Marktrollen und Technologien ist die Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT). An diesem Punkt setzt die hier vorliegende Studie an.
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.
Optimisation based economic despatch of real-world complex energy systems demands reduced order and continuously differentiable component models that can represent their part-load behaviour and dynamic responses. A literature study of existing modelling methods and the necessary characteristics the models should meet for their successful application in model predictive control of a polygeneration system are presented. Deriving from that, a rational modelling procedure using engineering principles and assumptions to develop simplified component models is applied. The models are quantitatively and qualitatively evaluated against experimental data and their efficacy for application in a building automation and control architecture is established.
Cooling towers or recoolers are one of the major consumers of electricity in a HVAC plant. The implementation and analysis of advanced control methods in a practical application and its comparison with conventional controllers is necessary to establish a framework for their feasibility especially in the field of decentralised energy systems. A standard industrial controller, a PID and a model based controller were developed and tested in an experimental set-up using market-ready components. The characteristics of these controllers such as settling time, control difference, and frequency of control actions are compared based on the monitoring data. Modern controllers demonstrated clear advantages in terms of energy savings and higher accuracy and a model based controller was easier to set-up than a PID.
Passive hybridization refers to a parallel connection of photovoltaic and battery cells on the direct current level without any active controllers or inverters. We present the first study of a lithium-ion battery cell connected in parallel to a string of four or five serially-connected photovoltaic cells. Experimental investigations were performed using a modified commercial photovoltaic module and a lithium titanate battery pouch cell, representing an overall 41.7 W-peak (photovoltaic)/36.8 W-hour (battery) passive hybrid system. Systematic and detailed monitoring of this system over periods of several days with different load scenarios was carried out. A scaled dynamic synthetic load representing a typical profile of a single-family house was successfully supplied with 100 % self-sufficiency over a period of two days. The system shows dynamic, fully passive self-regulation without maximum power point tracking and without battery management system. The feasibility of a photovoltaic/lithium-ion battery passive hybrid system could therefore be demonstrated.
Skispringen ist aus biomechanischer sowie sportlicher Sicht eine hoch komplexe Sportart, bei der Koordination und Timing exakt abgestimmt sein müssen. Der Skisprung setzt sich dabei aus verschiedenen Phasen zusammen, die häufig getrennt voneinander trainiert werden. Grund hierfür ist vor allem der organisatorische Aufwand sowie das hohe Verletzungsrisiko bei einem echten Schanzensprung. Dass dies zwar als Basis für das Training ausreicht, aber einen ganzheitlichen Sprung nicht ersetzten kann, ist offensichtlich. Darum soll eine Möglichkeit gefunden werden, die Realsituation nachempfinden zu können und den ganzen Ablauf, dabei vor allem den Flug, trainieren zu können. Eine mögliche Lösung stellen sogenannte Windanlagen dar. Solche Systeme werden bereits eingesetzt, um sich auf Wettkämpfe vorzubereiten. Die meisten werden dabei allerdings nur als Trainingskanal umfunktioniert und haben eigentlich eine andere Bestimmung. Kaum eine der auf dem Markt befindlichen Anlagen bietet die Möglichkeit die Flugphase so nachzubilden, dass zum einen die Körperposition der realen entspricht, aber auch die Windbedingungen, denen auf der Schanze nahekommen. In Kooperation mit dem Olympiastützpunkt Freiburg soll im Rahmen dieser Arbeit erörtert werden, welche Voraussetzungen notwendig sind und wie die entsprechende Umsetzung aussehen kann, um einen für Skisprungzwecke geeigneten Trainingskanal zu konzipieren. Der Fokus dieser Arbeit liegt hierbei auf der Positionierung des Springers/der Springerin und der Gestaltung der dafür notwendigen Umgebung. Die technischen Gegebenheiten wie das Strömungsprofil werden hier nahezu ganz ausgelassen und anderweitig erarbeitet. Durch eine Analyse der umzusetzenden Situation sowie der gegebenen Bedingungen wird ein ganzheitliches Konzept zur Umsetzung entwickelt. Dabei soll eine Verbindung zwischen Athleten/in und Aufhängungsprofil geschaffen werden, die vor allem realitätsnah, sicher und flexibel ist. Unterteilen lässt sich die Fragestellung in Gurt, Aufhängungssystem und Rahmenprofil, was getrennt voneinander konzipiert wird. Zusätzlich werden Messtechniken, die dem Training sowie der Forschung dienen, erörtert.
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.
Diese Arbeit befasst sich mit der Betriebsanalyse einer Trinkwarmwasseranlage und der Erweiterung der Abwärmenutzung einer Wärme- und Kälteerzeugungsanlage. Der Trinkwarmwasserbetrieb wird mit einem Gaskessel und einem Wärmepumpenboiler energetisch analysiert und verglichen. Die Wärme- und Kälteerzeugung soll durch eine Umschaltung von einer Kältemaschine optimiert werden. Die bisherige Abwärmenutzung im Kühlbetrieb soll auch in Teilen für Verbraucher im Heizbetrieb gewährleistet werden und somit den Energieverbrauch des Gaskessels senken.
In der Hüftendoprothetik ist der Einsatz von modularen Schäften für künstliche Hüftgelenke Standard. Obwohl sehr korrosionsresistente Materialien verwendet werden, kann an den modularen Schnittstellen Korrosion auftreten, die wiederum klinische Probleme zur Folge haben kann. Da Korrosionstests in physiologischen Salzlösungen nicht zu den in der klinischen Anwendung gesehenen Schadensbildern führen, ist es Ziel dieser Bachelor-Arbeit verschiedene Fluide auf ihren korrosiven Einfluss auf Titan-6Aluminium-4Vanadium und Cobalt-28Chrom-6Molybdän, zwei gängige Metalllegierungen in der Hüftendoprothetik, zu untersuchen.
Dazu wird für beide Legierungen sowohl ohne als auch mit angelegter Spannung in den sechs verschiedenen Fluiden der Materialabtrag gravimetrisch betrachtet. Als Basisfluid wurde Ringer Lösung verwendet, die mit 0,19 g/l und 10 g/l FeCl3, 30 mM H2O2 und 0,19 g/l FeCl3 + 30 mM H2O2 modifiziert wurde. Zusätzlich wurden die Legierungen in Kälberserum mit Hyaluronsäure (0,5 g/l Natriumhyaluronat) getestet. Mit Hilfe eines Potentiostaten wurden die Proben polarisiert und Stromdichte-Potential-Kurven (SPK) zur Charakterisierung der Metall-Fluid-Systeme erstellt.
In den Versuchen ohne angelegte Spannung ließ sich bei keiner der Proben, trotz beobachteter Oberflächenveränderungen, eine Gewichtsveränderung feststellen. In den Ergebnissen der Messungen mit dem Potentiostaten wurde ein ausgeprägter Einfluss von H2O2 auf die Ausbildung des Passivstromplateaus, insbesondere für die Kobalt-Chrom-Legierung deutlich. Sowohl für die Titan- als auch für die Kobalt-Chrom-Legierung bewirkt FeCl3 eine konzentrationsabhängige Erhöhung der Passivstromdichte. Die Kombination von FeCl3 und H2O2 zeigt eine Zusammenführung der in den einzelnen Fluiden gesehenen Variationen der Stromdichte-Potential-Kurven. Für Serum + HA konnte, über die kurze Testdauer von einigen Stunden, keine erhöhte Korrosivität im Vergleich zu Ringer festgestellt werden. Einen gesteigerten korrosiven Einfluss von Serum + HA auf die Legierungen über längere Zeiträume von Monaten bis Jahre ist aber nicht auszuschließen.
Ohne einen zusätzlichen Faktor, der die Passivschicht der Legierungen stört, zeigt sich kein gravimetrisch messbarer Einfluss der Fluide. Zukünftige Versuche, sollten deshalb eine mechanische Komponente beinhalten, die Mikrobewegungen an den Schnittstellen des Implantates induziert und so die Passivschicht realistischer stört als es in den Polarisationsversuchen der Fall ist.
Mass transfer phenomena in membrane fuel cells are complex and diversified because of the presence of complex transport pathways including porous media of very different pore sizes and possible formation of liquid water. Electrochemical impedance spectroscopy, although allowing valuable information on ohmic phenomena, charge transfer and mass transfer phenomena, may nevertheless appear insufficient below 1 Hz. Use of another variable, that is, back pressure, as an excitation variable for electrochemical pressure impedance spectroscopy is shown here a promising tool for investigations and diagnosis of fuel cells.
Silicon (Si) has turned out to be a promising active material for next‐generation lithium‐ion battery anodes. Nevertheless, the issues known from Si as electrode material (pulverization effects, volume change etc.) are impeding the development of Si anodes to reach market maturity. In this study, we are investigating a possible application of Si anodes in low‐power printed electronic applications. Tailored Si inks are produced and the impact of carbon coating on the printability and their electrochemical behavior as printed Si anodes is investigated. The printed Si anodes contain active material loadings that are practical for powering printed electronic devices, like electrolyte gated transistors, and are able to show high capacity retentions. A capacity of 1754 mAh/gSi is achieved for a printed Si anode after 100 cycles. Additionally, the direct applicability of the printed Si anodes is shown by successfully powering an ink‐jet printed transistor.
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.
Eine funktionelle Beschreibung des tibialis anterior in Abhängigkeit der unteren Sprunggelenksachse
(2019)
Das Ziel in dieser Bachelorarbeit war es, die Achse des unteren Sprunggelenks mit zwei Methoden zu ermitteln und mit Angaben der Literatur zu vergleichen. Des Weiteren sollte der Musculus tibialis anterior stimuliert und die Ergebnisse in Abhängigkeit der Methoden gestellt werden.
Zur Ermittlung der Achse wurde, aus Gründen der Ökonomie, eine modifizierte Methode nach Kirby und eine Methode mit Sensoren angewandt, bei Letzteren handelt es sich um sogenannte IMUs. Bei der modifizierten Kirby-Methode wurde gegen eine Plexiglasplatte gedrückt, die an der Fußsohle angebracht war, um Punkte zu finden, an denen der Fuß nicht rotiert. Anschließend wurden diese Punkte digitalisiert und ausgewertet. Bei der IMU-Methode wurden zwei IMUs an der Plexiglasplatte und der Tibia-Kante angebracht. Beim Bewegen des Fußes, in maximaler Dorsalflexion, in Richtung Pro- und Supination wurden die Daten der Sensoren aufgezeichnet und anschließend ausgewertet. Dabei stieg die Stimulationsstärke bis zum Erreichen von neunzig Prozent des max. Dorsalflexionswinkels, der zuvor willkürlich erreicht wurde. Die Stimulationen wurden aufgezeichnet und in Pronation und Dorsalflexion kategorisiert.
Es wurden 44 Sprunggelenke mit der modifizierten Kirby-Methode und 18 Sprunggelenke mit der IMU-Methode gemessen und stimuliert. Wie auch in der Literatur bestätigt wird, konnte mit keiner der beiden Methoden ein Zusammenhang zwischen rechter und linker Achse gemessen werden. Es zeigte sich bei der modifizierten Kirby-Methode keine Abhängigkeit zur Stimulation. Jedoch konnte mit der IMU-Methode eine untere Sprunggelenksachse ermittelt werden, unter der es bei der Stimulation zur Supination kam bzw. über der eine Pronation auftrat. Der Bland-Altman-Plot hat gezeigt, dass die modifizierte Kirby-Methode im Vergleich zur IMU-Methode unterbestimmt und es mit steigender Achse zu höheren Differenzen der beiden Methoden kommt. Die Stimulation des Musculus tibialis anterior hat gezeigt, dass bei den Probanden sowohl Pronation als auch reine Dorsalflexion festgestellt wurde.
Die Ergebnisse der Modifizierten Kirby-Methode sind aus vielerlei Hinsicht nicht plausibel und stimmen nicht mit den gemessenen Achsen in der Literatur überein. Die Ergebnisse der IMU-Methode haben in Abhängigkeit zur Stimulation gezeigt, dass eine Ausrichtung der USG-Achse einen Einfluss auf die Bewegung des Musculus tibialis anterior hat. Dieser Sachverhalt und auch die unterschiedlichen Funktionen des Musculus tibialis anterior wurden in der Literatur bisher nicht beschrieben.
Die vorliegende Bachelor-Thesis wurde im Rahmen des Bachelorstudiengangs an der Hochschule Offenburg in der Sparte S der Fertigungsplanung der Hugo Kern und Liebers GmbH und Co. KG verfasst. Ziel dieser Abschlussarbeit ist es, die Lagerung der vorderen Kettenumlenkung weiter zu optimieren, um die Standzeit zu verbessern. Der Fokus der Arbeit liegt dabei in der Optimierung des Seriengleitlagers, bzw. der Entwicklung und Herstellung eines speziell gekapselten Gleitlagers.
Als Optimierungen im seriennahen Bereich, das heißt möglichst ohne große Änderungen am Fertigungs- bzw. Montageablauf, findet vor allem das Borieren der Reibpartner besondere Beachtung. Durch erste Feldversuche zeigte sich, dass das Borieren des Umlenksterns positive Auswirkungen auf die Reibung hat und den Widerstand gegen abrasiven Verschleiß durch Erhöhung der Randschichthärte deutlich verbessert. Zusätzlich zum Einsatz eines borierten Umlenksterns wird untersucht, ob das zusätzliche Borieren des HM-Rings weitere Vorteile bringt, vor allem hinsichtlich der entstehenden zusätzlichen Notlaufeigenschaften durch die Boridschicht.
Als weitere Variante wird der eingesetzte Hartmetallring, welcher aktuell lediglich eine einzige Schmiernut enthält, mit optimierten Schmiernuten hergestellt. Als Vorbild hierfür wird die Gestaltungsrichtlinie von Schmiernuten von hydrodynamischen Gleitlagern verwendet.
Der größte Block und damit auch der, welcher am vielversprechendsten ist, ist die Neuentwicklung und Herstellung einer gekapselten Gleitlagervariante. Diese soll es ermöglichen, dass die Reibpartner komplett von Öl umschlossen sind und so eine Verbesserte und dauerhafte Schmierung erreicht werden soll. Außerdem soll die gekapselte Gleitlagerung so gestaltet werden, dass eine Nachförderung von Öl aus einem in den Bolzen angebrachten Schmiermittelreservoir ermöglicht wird und so eine Lebensdauerschmierung erreicht werden kann.
Um die unterschiedlichen Mustervariationen bewerten zu können, werden jeweils Prüfstandversuche durchgeführt, bei dem die entstehenden Drehmomente und die Temperatur gemessen werden. Als Vergleich dient jeweils der Serienstand mit seinen festgelegten Grenzen.
Außerdem wird für jede Variante ein Sägeversuch durchgeführt, bei welchem die Bau-gruppen bei den beiden kritischen Sägerichtungen Rückwärts und Einstechen überprüft wird. Auch hier erfolgt die Beurteilung über etwaige Verbesserungen mit den Ergebnissen der Sägesysteme aus dem aktuellen Serienzustand.
Bei der Prüfung der Musterbaugruppen zeigt sich, dass vor allem das Borieren der Reibpartner Vorteile gegenüber der Serie bringt und durchaus die Möglichkeit der Umsetzung in der Serienbaugruppe besteht. Die Tests verliefen äußerst positiv, vor allem im Bereich höherer Belastungen zeigt sich, dass das Borieren des Umlenksterns deutliches Verbesserungspotenzial im Vergleich zum aktuellen Serienstand zeigt.
An ein Umsetzen der Baugruppen mit gekapselter Gleitlagervariante ist aktuell nicht zu denken. Die geprüften Baugruppen zeigen deutliche Schwächen bei den Prüfstandsversuchen. Die Ergebnisse der Sägeversuche stellen sich jedoch noch deutlich schlechter dar. Unabhängig vom verwendeten Schmieröl, bzw. den darin enthaltenen Festschmierstoffpartikeln, besteht keine einzige Baugruppe auch nur annähernd die festgelegten Mindestanforderungen.
Um die gekapselte Gleitlagervariante auf einen Stand zu bringen, bei welchem an ein Umsetzen in die Serienbaugruppe gedacht werden kann, bedarf es noch weiterem Entwicklungsaufwand. Das Aufbiegen des Schwertes während des Sägens muss verhindert werden. Außerdem muss die Materialpaarung, die Härte und die Oberflächenqualität von Umlenkstern und Bolzen angepasst werden, um die Ausbildung von Kaltverschweißungen zu vermeiden. Die Kaltverschweißungen zwischen Umlenkstern und Bolzen bewirken, dass der Bolzen nicht mehr drehbar ist was unmittelbar zum Ausfall der Baugruppen führt.
Die Schaltvorgänge in einem Doppelkupplungsgetriebe werden neben den Hardwarekomponenten hauptsächlich von den Parametern beeinflusst, welche in der Software des Steuergerätes festgelegt sind. Darin werden unter anderem Schaltpunkte, Steuerzeiten und Kupplungsraten festgelegt. Diese Parameter tragen maßgeblich zur Schaltdynamik bei und beeinflussen sowohl den Kraftstoffverbrauch als auch den Fahrkomfort während der Schaltung. Da die Motivation Kraftstoff zu sparen bzw. den Schadstoffausstoß zu reduzieren aufgrund der aktuellen Situation in der Automobilindustrie immer mehr steigt, nimmt auch die Wichtigkeit der Schaltungsoptimierung zu. Aufgrund der beim Schaltvorgang auftretenden Verlustleistung, welche durch Reibung hervorgerufen wird, bietet die Optimierung dieser Vorgänge großes Potential um Kraftstoff einzusparen und damit die Emissionen zu reduzieren.
Aufgabe ist es, die Parameter der Getriebesoftware dahingehend zu optimieren, dass die Reibleistung beim Schaltvorgang minimiert wird. Dies wird durch die Verkürzung der Phasen erreicht, aus welchen eine Schaltung besteht. Die Dauer des Schaltvorgangs ist allerdings mit dem Fahrkomfort verknüpft. Eine zu starke Verkürzung kann daher zu großen Änderungen in der Beschleunigung führen, was für den Kunden als ruckartige Bewegung des Fahrzeugs spürbar ist und dadurch die Akzeptanz der Optimierung nicht mehr gegeben ist. Aus diesem Grund darf die Dauer des Schaltvorgangs nur so stark verkürzt werden, dass sie den Grenzwert, der für diese Beschleunigungsänderung vorgegeben ist, nicht überschreitet. Zusammengefasst müssen folgende Punkte bearbeitet werden:
- Optimierung des Schaltvorgangs hinsichtlich des Verbrauchs
- Überprüfung der optimierten Einstellung auf Konformität mit dem Grenzwerten des Fahrkomforts
Durch diese Optimierungen ist es möglich, die im Schaltvorgang durch Dissipation auftretenden Verluste deutlich zu reduzieren, ohne dabei den Fahrkomfort und somit die Akzeptanz des Kunden zu beeinträchtigen.
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 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.
Die Kombination von Reibung und Kompressibilität wird bei der Rohrströmung, der Kugelumströmung und der laminaren und turbulenten Plattengrenzschicht untersucht. Das Auftreten von Verdichtungsstößen führt zur Stoß-Grenzschicht-Interferenz und auf den Tsien-Parameter. Die Mach-Reynoldszahl Ähnlichkeit in der Gasdynamik führt zur Abgrenzung der verschiedenen Strömungsbereiche. Resultate von Windkanaluntersuchungen sowie analytischen und numerischen Berechnungen werden für das Rhombusprofil und das NACA 0012 Profil analysiert.
Ausgehend von eindimensionalen reibungsfreien Strömungen wird die Bernoulli-Gleichung und die Energiebilanz hergeleitet. Mit der Eulerschen Betrachtungsweise wird der Unterschied zwischen stationären und zeitabhängigen Strömungen verdeutlicht und an zahlreichen Beispielen angewandt. Die zweidimensionalen reibungsfreien und inkompressiblen Strömungen werden mit der Potenzialtheorie behandelt. Die Lösungseigenschaften werden am Beispiel der Zylinderumströmung ohne und mit Zirkulation aufgezeigt.
Die Navier-Stokes Gleichungen bilden mit der Energiegleichung die Basis zur Beschreibung reibungsbehafteter Strömungen. Kennzahlen bilden die Grundlage der Ähnlichkeitsbetrachtungen und Modellgesetze. Lösungen werden für laminare und turbulente Strömungen ermittelt. Der Impulssatz dient zur Berechnung von Kraftwirkungen. Druckverluste bei Durchströmungen und Strömungswiderstände bei Umströmungen werden an Beispielen ermittelt. Die Grenzschichttheorie findet bei hohen Reynoldszahlen Anwendung.
Die Eigenschaften von Fluiden sind zur Beschreibung von Strömungsvorgängen mit den Erhaltungssätzen für Masse, Impuls und Energie notwendig. Für inkompressible Fluide wird die Grenze der Dichteänderung in Abhängigkeit der Machzahl angegeben. Die Rheologie behandelt die Fließeigenschaften der Fluide bei Deformationen in Strömungen. Die Viskosität tritt beim newtonschen Schubspannungsansatz auf. Das Verhalten von Druck und Dichte in der Hydro- und Aerostatik wird beschrieben.
Gasdynamik
(2004)
Energietechnik
(2019)
Kurz und prägant werden die Energieumwandlungsprozesse dargestellt. Die Schwerpunkte reichen von der kompletten Beschreibung der nachhaltigen, erneuerbaren Energietechniken, über Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke sowie Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen bis hin zur Energieverteilung und zum Kyoto-Protokoll. Zu allen Kapiteln gibt es Aufgaben mit vollständigen Lösungen im Anhang. In der aktuellen Auflage sind die Grundlagen der Energiewandlung deutlich um verfügbare Energiequellen, Energieträger und den globalen Energiebedarf erweitert. Das Kapitel 19 wurde von seinem neuen Autor grundlegend neu gefasst und heißt nun „Marktliberalisierung und Energiewende“. Alle Kapitel wurden aktualisiert und die Inhalte didaktisch noch verständlicher dargestellt.
Energietechnik
(2015)
Kurz und prägant werden die Energieumwandlungsprozesse dargestellt. Die Schwerpunkte reichen von der kompletten Beschreibung der nachhaltigen, erneuerbaren Energietechniken, über Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke sowie Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen bis hin zur Energieverteilung und zum Kyoto-Protokoll. Zu allen Kapiteln gibt es Aufgaben mit vollständigen Lösungen im Anhang. In der aktuellen Auflage wurden in den Kapiteln 3 und 15 die Zahlenwerte aktualisiert. Kapitel 9 wurde entsprechend der neuen Anbieterstruktur überarbeitet und Kapitel 10 um die Adsorptionstechniken ergänzt. Die Kapitel 17-20 wurden vollständig überarbeitet und stellen den aktuellen Stand der globalen politischen Aspekte dar.