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The use of renewable energy sources for heating and cooling in buildings today offers the best opportunities to avoid the use of fossil fuels and the associated climate-damaging emissions. However, unlike fossil fuels, renewable energy sources such as solar radiation are not available at the push of a button, but occur uncontrollably depending on weather conditions, the location of the building and the time of year. Their use is free of charge. However, complex converters and systems usually have to be installed in order to use them. These must be carefully planned and operated in order to avoid unnecessary costs and to generate the maximum possible yield. The regenerative energy systems are usually integrated into existing conventional systems. When designing the control and regulation equipment, it is crucial to design the automation of the systems in such a way that primarily renewable energy sources are used and the share of fossil energy sources is minimized.
Systemtechnik
(2010)
Solartechnik
(2022)
Die Erde ist ein Empfänger für kosmische Strahlungen. Sie empfängt nur einen winzigen Bruchteil der von der Sonne ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung. Dieser Bruchteil ist im Wesentlichen bestimmt durch den Abstand zwischen Sonne und Erde und durch das Verhältnis der Durchmesser von Erde und Sonne. Außerhalb der Erdatmosphäre, also extraterrestrisch, werden vom World Radiation Center WRC je Quadratmeter horizontaler Empfängerfläche 1,367 kW/m2 ± 1 % konstant über das gesamte Jahr gemessen.
Energiemanagement im Betrieb
(2021)
Automation devices or automation stations (AS) take on the task of controlling, regulating, monitoring and, if necessary, optimising building systems and their system components (e.g. pumps, compressors, fans) based on recorded process variables. For this purpose, a wide range of control and regulation methods are used, starting with simple on/off controllers, through classic PID controllers, to higher-order controllers such as adaptive, model-predictive, knowledge-based or adaptive controllers.
Starting with a brief introduction to automation technology (Sect. 7.1), the chapter goes into the structure and functionality of the usual compact controllers using the application examples of solar thermal systems and heat pump systems (Sect. 7.2). Finally, the integration of system automation into a higher-level building automation system and into the building management system is described using specific application examples (Sect. 7.3).
This central book chapter now details the implementation of automation of solar domestic hot water systems, solar assisted building heating, rooms, solar cooling systems, heat pump heating systems, geothermal systems and thermally activated building component systems. Hydraulic and automation diagrams are used to explain how the automation of these systems works. A detailed insight into the engineering and technical interrelationships involved in the use of these systems, as well as the use of simulation tools, enables effective control and regulation. System characteristic curves and systematic procedures support the automation engineer in his tasks.
Solartechnik
(2007)
Renewable energy sources such as solar radiation, geothermal heat and ambient heat are available for energy conversion. With the help of special converters, these resources can be put to use. These include solar collectors, geothermal probes and chillers. They collect the energy and convert it to a temperature level high enough to be suitable for heat purposes. In the case of refrigeration machines, a distinction is made between electrically and thermally driven machines.
Stähle im Bauwesen
(2012)
Process engineering (PE) focuses on the design, operation, control and optimization of chemical, physical and biological processes and has applications in many industries. Process intensification (PI) is the key development approach in the modern process engineering. The theory of inventive problem solving (TRIZ) is today considered as the most comprehensive and systematically organized invention knowledge and creative thinking methodology. This paper analyses the opportunities of TRIZ application in PE and especially in combination with PI. In this context the paper outlines the major challenges for TRIZ application in PE, conceptualizes a possible TRIZ-based approach for process intensification and problem solving in PE, and defines the corresponding research agenda. It also presents the results of the original empirical innovation research in the field of solid handling in the ceramic industry, demonstrates a method for identification and prediction of contradictions and introduces the concept of the probability of contradiction occurrence. Additionally, it describes a technique of process mapping that is based on the function and multi-screen analysis of the processes. This technique is illustrated by a case study dealing with granulation process. The research work presented in this paper is a part of the European project “Intensified by Design® platform for the intensification of processes involving solids handling”.
Konzeption und Evaluierung eines Trainings-Windkanals für den spezifischen Einsatz im Skisprung
(2022)
Das Wort Geothermie kommt aus dem Griechischen und setzt sich aus „Geo“ = Erde und „Thermie“ = Wärme zusammen. Bei der Geothermie wird die Wärme des warmen Untergrunds genutzt. Geothermie ist eine regenerative (CO2 freie), stetig verfügbar, von Witterungseinflüssen, Tages- und Jahreszeiten unabhängige Energiequelle, was sie von anderen regenerativ/erneuerbaren Energien wie z. B. Wind und Photovoltaik unterscheidet. Tiefengeothermische Kraftwerke sind grundlastfähig und können andere CO2 intensive Grundlastkraftwerke wie Steinkohlekraftwerke ersetzen. Es wird die oberflächennahe (0–400 m) und die tiefe Geothermie (> 400 m) unterschieden. Oberflächennahe Geothermie wird zur Wärmeversorgung von Gebäuden eingesetzt. Tiefe Geothermie kommt zur Strom- und Wärmeerzeugung zum Einsatz.
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.
Große Solaranlagen
(2008)
Während solare Kleinanlagen (bis 30m² Kollektorfläche) zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung weitgehend standardisiert und weit verbreitet sind, besteht bei Großanlagen, speziell bei den nicht ausschließlich zur Trinkwassererwärmung genutzten Anlagen, noch Entwicklungsbedarf. Eine Standardisierung der Anlagen ist in diesem Bereich auch nur bedingt möglich, da die Voraussetzungen für die Einbindung solcher Anlagen, insbesondere in bestehende Heizungsanlagen, sehr unterschiedlich und dementsprechend individuelle Anpassungen notwendig sind.
Trotzdem finden solare Großanlagen in vielen Fällen Anwendung. Neben der bereits erwähnten Nutzung zur Warmwasserbereitung werden sie heute auch als Kombianlagen zur zusätzlichen Heizungsunterstüzung, in Wärmenetzen, zur Kälteerzeugung mittels thermischer Kältemaschinen und zur Bereitstellung von Prozesswärme eingesetzt.
Die Anlagentypen unterscheiden sich zum einen in der hydraulischen Verschaltung und in den Bedingungen, unter denen die Solaranlage betrieben wird. Bei Trinkwasseranlagen sind zudem hygienische Vorkehrungen zu treffen, um ein Legionellenwachstum zu vermeiden. Ein bedeutender Unterschied ist außerdem das Temperaturniveau, bei dem die Solaranlagen betrieben werden müssen. Bei allen Anlagentypen sind zum Ausgleich des zeitlichen Versatzes von Solarertrag und Wärmeverbrauch Solarspeicher notwendig. Diese können bei Anlagen zur solaren Raumklimatisierung (Kühlung) kleiner ausfallen, da der größte Leistungsbedarf zeitlich nahezu mit der größten solaren Leistung zusammenfällt.
Große Solaranlagen
(2011)
Kolbenmotoren finden in der Energieversorgung vielfältig Verwendung als Notstromaggregate, als Antrieb für Pumpen in Großkraftwerken und in dezentralen Blockheizkraftwerken (BHKW). Motoren für Notstromaggregate und zum Antrieb von Arbeitsmaschinen werden meist mit Diesel-Kraftstoff betrieben. In BHKW dominieren Gasmotoren, wobei Erdgas, Bio-, Deponie- oder Klärgas bevorzugt sind. Die wesentliche Thermodynamik der Otto-, Diesel- und Stirling-Motoren wird in Kürze behandelt, während die Gasmotoren tiefere Behandlung finden. Die Motoren für die Energieversorgung stammen i. Allg. von mobilen Anwendungen ab und werden an die energietechnischen Anwendungen angepasst. Technische Details der Motoren sind in der Fachliteratur zu finden, z. B. [1]. Die Website [2] gibt einen umfassenden Überblick über Hersteller und deren Kolbenmotoren.
Rehabilitationsmaßnahmen nach Unfällen oder Krankheiten sind oft langwierig und häufig mit Schmerzen sowie Frustration verbunden – und Ähnliches gilt für Präventionstraining. Die spielerische Anreicherung des Trainings (im Folgenden: Gamification) kann dieser Entwicklung durch die Steigerung des Spaßfaktors entgegenwirken. Im Gegensatz zu regulären Spielen kann es durch die höhere Motivation und Immersion im Training allerdings zu einer verminderten Schmerzwahrnehmung und damit einer Verschlechterung des Gesundheitszustands bis hin zu einer erneuten Verletzung kommen. Daher war es bislang erforderlich, solche Ansätze kontinuierlich therapeutisch zu begleiten. Für eine autonome Intervention, zur Entlastung von Therapeuten, aber auch im Heimbereich ist eine automatisierte Anpassung des Schwierigkeitsgrads des Bewegungstrainings und eine individualisierte Zielsetzung und -kontrolle von zentraler Bedeutung. Diese Herausforderung ist in bestehenden Ansätzen zu wenig adressiert bzw. beschrieben worden. Der Einsatz künstlicher Intelligenz kann hier einen entscheidenden Beitrag zu leisten – insbesondere hybride Ansätze, die expertenbasierte Entscheidungsbäume mit Verfahren des maschinellen Lernens kombinieren, könnten in der Zukunft einen wichtigen Beitrag zu einer erfolgreichen Rehabilitation und Prävention liefern.
The modern TRIZ is today considered as the most organized and comprehensive methodology for knowledge-driven invention and innovation. When applying TRIZ for inventive problem solving, the quality of obtained solutions strongly depends on the level of completeness of the problem analysis and the abilities of designers to identify the main technical and physical contradictions in the inventive situation. These tasks are more complex and hence more time consuming in the case of interdisciplinary systems. Considering a mechatronic product as a system resulting from the integration of different technologies, the problem definition reveals two kinds of contradictions: 1) the mono-disciplinary contradictions within a homogenous sub-system, e.g., only mechanical or only electrical; 2) the interdisciplinary contradictions resulting from the interaction of the mechatronic sub-systems (mechanics, electrics, control and software). This paper presents a TRIZ-based approach for a fast and systematic problem definition and contradiction identification, which could be useful both for engineers and students facing mechatronic problems. It also proposes some useful problem formulation tech-niques such as the System Circle Diagram, the enhancement of System Operator with the Evolution Patterns, the extension of MATChEM-IB operator with Infor-mation field and Human Interactions, as well as the Cause-Effect-Matrix.
The research work analyses the relationship of 155 Process Intensification (PI) technologies to the components of the Theory of Inventive Problem Solving (TRIZ). It outlines TRIZ inventive principles frequently used in PI, and identifies opportunities for enhancing systematic innovation in process engineering by applying complementary TRIZ and PI. The study also proposes 70 additional inventive TRIZ sub-principles for the problems frequently encountered in process engineering, resulting in the advanced set of 160 inventive operators, assigned to the 40 TRIZ inventive principles. Finally, we analyse and discuss inventive principles used in 150 patent documents published in the last decade in the field of solid handling in the ceramic and pharmaceutical industries.
In recent years, the application of TRIZ methodology in the process engineering has been found promising to develop comprehensive inventive solution concepts for process intensification (PI). However, the effectiveness of TRIZ for PI is not measured or estimated. The paper describes an approach to evaluate the efficiency of TRIZ application in process intensification by comparing six case studies in the field of chemical, pharmaceutical, ceramic, and mineral industries. In each case study, TRIZ workshops with the teams of researchers and engineers has been performed to analyze initial complex problem situation, to identify problems, to generate new ideas, and to create solution concepts. The analysis of the workshop outcomes estimates fulfilment of the PI-goals, impact of secondary problems, variety and efficiency of ideas and solution concepts. In addition to the observed positive effect of TRIZ application, the most effective inventive principles for process engineering have been identified.
Identification of Secondary Problems of New Technologies in Process Engineering by Patent Analysis
(2018)
The implementation of new technologies in production plants often causes negative side effects and drawbacks. In this context, the prediction of the secondary problems and risks can be used advantageously for selecting best solutions for intensification of the processes. The proposed method puts primary emphasis on systematic and fast anticipation of secondary problems using patent documents, and on extraction and prediction of possible engineering contradictions within novel technical systems. The approach comprises three ways to find secondary problems: (a) direct knowledge-based identification of secondary problems in new technologies or equipment; (b) identification of secondary problems of prototypes mentioned in patent citation trees; and (c) prediction of negative side effects using the correlation matrix for invention goals and secondary problems in a specific engineering domain.
In this work, time-independent and time-dependent plasticity models are presented that are well suited for the calculation of stresses and strains with the finite-element method to assess the low-cycle and thermomechanical fatigue life of engineering components. The focus are plasticity models that are available in finite-element programs nowadays as standard material models and describe isotropic and kinematic hardening, strain-rate dependency as well as static recovery of hardening. For the presented models, aspects relevant for the application of the models are addressed as the determination of the material properties and the numerical implementation. Nevertheless, the plasticity models are also embedded in the thermodynamic framework used for the derivation of thermodynamically consistent plasticity models. Only uniaxial formulations are used to achieve a good readability and preventing the use of tensors.
Weg- und Winkelsensoren
(2014)
Weg- und Winkelaufnehmer werden überall dort benötigt wo veränderliche Positionen, (Abstände, Längen oder Winkel) erfasst werden müssen, um entweder als reiner Messwert ausgegeben zu werden oder in einem Regelkreis zumeist die Regelgröße als Messwert zur Verfügung zu stellen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen berührenden (tastenden) und berührungslosen Aufnehmern. Zu den berührenden Sensoren zählen dabei alle Aufnehmer, die ein spezielles Messobjekt als Weg- oder Winkelvermittler benötigen, das während der Messung fest mit dem eigentlichen Messobjekt verbunden ist. Diese Bezeichnung gilt auch dann, wenn die eigentliche Messung gegen das vermittelnde Objekt im Endeffekt berührungslos erfolgt. Berührungslose Weg- und Winkelaufnehmer können ohne einen solchen Vermittler direkt gegen das zu vermessende Objekt messen.
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.
The main focus of this chapter is the theoretical and instrumental processes that underpin densitometric methods widely used in thin-layer chromatography (TLC). Densitometric methods include UV–vis, luminescence, and fluorescence optical measurements as well as infrared and Raman spectroscopic measurements. The chapter is divided in two general parts: a theoretical part and a practical part. The systems for direct radioactivity measurements and the combination of TLC with mass spectrometry are also discussed. All these systems allow measuring an intensity distribution directly on a TLC plate. We call this “in situ detection” because no analyte is removed from the plate.
The main focus of this chapter is the theoretical and instrumental processes that underpin densitometric methods widely used in thin-layer chromatography (TLC). Densitometric methods include UV–vis, luminescence and fluorescence optical measurements as well as infrared and Raman spectroscopic measurements. The chapter is divided in two general parts: a theoretical part and a practical part. The systems for direct radioactivity measurements and the combination of TLC with mass spectrometry are also discussed. All these systems allow measuring an intensity distribution directly on a TLC plate. We call this “in situ detection” because no analyte is removed from the plate.
Im Beitrag werden nach einer kurzen Einführung zu hochfesten Stählen und dem Schweißen von hochfesten Stählen die gültigen und zukünftigen Bemessungsregeln von Schweißverbindungen mit hochfesten Stählen behandelt und an Beispielen erläutert. Es werden die für den Schweißprozess wichtigen Material‐ und Gefügeeingeschaften und Herstellungsverfahren von höherfesten Stählen beschrieben und die sich daraus einstellenden Anforderungen während des Schweißvorgangs dargelegt. Anhand von Beispielen werden die derzeit gültigen Bemessungsregeln für Schweißverbindungen mit höherfesten Stählen erläutert und ein neues durch Versuche abgesichertes Bemessungsmodell für Kehlnähte vorgestellt, das es erlaubt, gezielt den wichtigen Einfluss des Schweißzusatzwerkstoffs zu erfassen. Abschließend werden die aus numerischen Schweißsimulationen gewonnenen Erkentnisse hinsichtlich Temperatur, Gefüge, Eigenspannungszustand und auch Tragverhalten einer Schweißnaht beschrieben und durch Beispiele veranschaulicht.