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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.
Gasdynamik
(2004)
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.
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.
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.
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.
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.
Gasdynamik
(2022)
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.
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.
Die thermischen Wirkungsgrade von Kraftwerken zur Stromerzeugung sind relativ gering. Beispielsweise erreichen moderne Kohlekraftwerke heute bis etwa 45 %, Gasturbinen maximal 40 % sowie Diesel-und Gas-Motoren bis ca. 50 %. Kombinations-Kraftwerke, d. h. Gas- und Dampfturbinen-Prozesse, können über 60 % thermischen Wirkungsgrad bei der Umwandlung der zugeführten Wärme in mechanische bzw. elektrische Energie erzielen. Ein ähnlich hoher Wert wird in Zukunft von den Brennstoffzellen erwartet. Der nicht in Arbeit umgewandelte Anteil der zugeführten Wärme fällt als Abwärme an und geht ungenutzt in die Umgebung. Ein Teil dieser Abwärme lässt sich durch entsprechende Installationen bei allen Kraftwerksprozessen zur Wassererwärmung oder zur Dampferzeugung für industrielle Zwecke nutzen. Für Heiz- und Prozesswärme genügt eine Temperatur der Abwärme von 60 bis 80 °C, während die Erzeugung von Industriedampf deutlich höhere Temperaturen voraussetzt.
Energiespeicherung
(2022)
Der Endverbraucher erwartet die Energielieferung direkt an den Verbrauchsort. Er unterhält für die elektrische Energie und das Erdgas keine Vorratshaltung, weshalb diese bedarfsgleich geliefert werden müssen. Energiespeicher entkoppeln die Primärenergiegewinnung, z. B. im Bergbau, und die Energieumwandlung beim Versorger einerseits und den Energieverbrauch mit seinen zeitlichen Variationen andererseits.
Unter fossilen Energieträgern verstehen sich energie- und kohlenstoffhaltige Stoffe, die in mehreren Millionen Jahren aus Biomassen unter dafür günstigen Bedingungen (Sauerstoffausschluss) gebildet wurden. Das geologische Alter von Steinkohle beträgt über 250 Millionen Jahre, das von Braunkohle ca. 50 Millionen. Derzeit werden deutlich mehr fossile Energieträger verbraucht als nachgebildet. Während in Deutschland die Stilllegung von Dampfkraftwerken, die mit Steinkohle befeuert werden, begonnen hat, steigt global der Verbrauch dieser Brennstoffe weiterhin an. Die Steinkohleförderung erreichte im Jahr 2019 weltweit den Wert von 7,3 Milliarden Tonnen, mit einer Steigerung von immerhin fast 3 % gegenüber dem Vorjahr 2018 nach [1]. Dieser Anstieg erfolgte hauptsächlich in China und Indonesien – in Deutschland ging der Kohleverbrauch in diesem Zeitraum zurück.
In den letzten 100 Jahren hat sich die mittlere Temperatur der Erdoberfläche um etwa 0,6 bis 0,8 °C erhöht. Diese Temperatur korreliert mit der Zunahme der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre. CO2 sowie verschiedene andere Gase erzeugen eine Erwärmung der Atmosphäre, da diese das sichtbare Licht (kurzwellige elektromagnetische Wellen) in Wärme umwandeln (längerwellige elektromagnetische Wellen, Infrarot-Strahlung), die weniger gut in das Weltall abgestrahlt wird und somit die Atmosphäre langfristig erwärmt. Dieser Effekt wird für die solare Erwärmung der Gewächshäuser bzw. Treibhäuser (Greenhouses) genutzt.
Gasturbinen-Kraftwerke
(2022)
Das Wort Gasturbine rührt nicht vom Brennstoff her, der gasförmig, flüssig oder sogar fest sein kann, sondern vom gasförmigen Arbeitsmedium, das bei üblichen offenen Gasturbinen Luft und nach der inneren Verbrennung Luft-Rauchgas ist. Der Brennstoff wird dem angesaugten Arbeitsmedium Luft zugeführt, so dass eine innere Verbrennung stattfindet. Das Abgas wird bei den üblichen offenen Gasturbinen in die Atmosphäre abgegeben.
Kombinationskraftwerke
(2022)
Wasserkraftwerke
(2022)
Die Wasserkraft ist global die bedeutendste erneuerbare Energiequelle zur Stromerzeugung. Sie hat in Deutschland allerdings einen stagnierenden Anteil von nur ca. 3,5 % der gesamten Stromerzeugung. In Deutschland wurde die Wasserkraft bei der Stromerzeugung durch die Windkraft, Photovoltaik und sogar von der Biomassevergasung überholt. Die Wasserkraft ist allerdings eine gut berechenbare Energiequelle und unterliegt nicht den nur kurzfristig vorhersehbaren Schwankungen der Wind- und Solarenergien.
Energetische Müllverwertung
(2022)
In den 1970er-Jahren entstand in der Bundesrepublik Deutschland das Bewusstsein für die Problematik von Mülldeponien mit ihren Sickerwässern und entweichenden Gasen. Die lokalen Müllkippen wurden zugunsten weniger zentraler, überwachter Anlagen geschlossen (Faustregel: Eine Zentraldeponie pro Landkreis).
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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)