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Selbsttests in Lernmanagementsystemen (LMS) ermöglichen es Studierenden, den eigenen Lernfortschritt einzuschätzen. Im Gegensatz zur Einreichung und Korrektur vollständig ausformulierter Aufgabenlösungen nutzen LMS überwiegend die Eingabe der Lösung im Antwort-Auswahl-Verfahren (Single-Choice). Nach didaktischen Ansatz „Physik durch Informatik“ geben die Lernenden stattdessen ihre Aufgabenlösungen in einer Programmiersprache ins LMS ein, was eine automatisierte Rückmeldung erleichtert und das Erreichen einer höheren Kompetenzstufe fördert. Es wurden zehn LMS-Selbsttests erstellt, bei denen die Lösungen zu einer Lehrbuch-Aufgabenstellung jeweils durch Eingabe in einer Programmiersprache und von einer Kontrollgruppe im Antwort-Auswahl-Verfahren abgefragt wurden. Ergebnisse aus dem ersten Einsatz dieser Selbsttests für die Lehrveranstaltung Physik im Studiengang Biotechnologie werden vorgestellt.
Bei thermischen Konvektionsströmungen ist der Einfluß von Geometrie und Randbedingungen für die Strömungsform und den konvektiven Wärmetransport von wesentlicher Bedeutung. Mit Hilfe der optischen Strömungsmeßtechnik (Differentialinterferometrie) wurde die freie Konvektion in einem quaderförmigen Behälter mit seitlicher Beheizung untersucht. Der Aufbau und die Experimente werden beschrieben. Die quantitative Auswertung von Dichte- und Temperaturfeldern aus den Differentialinterferogrammen wird aufgezeigt und der Einfluß unterschiedlicher Randbedingungen wie feste und freie Oberfläche auf die Strömungsform und den Wärmetransport dargelegt. Die eingesetzte Differentialinterferometrie zeigt aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit an die jeweiligen Versuchsbedingungen und durch den einfachen Aufbau spezifische Vorteile gegenüber dem Mach-Zehnder Interferometer.
Bei einem neuen Kühldeckensystem wird die Luft im Deckenhohlraum oberhalb der abgehängten Decke durch Konvektoren gekühlt, wobei die Wärmeübertragung ausschließlich durch freie Konvektion und Strahlung erfolgt. Die abgehängte Decke nimmt durch Strahlung und freie Konvektion Wärme aus dem darunterliegenden Büroraum auf und gibt sie über freie Konvektion an die Luft im Deckenhohlraum sowie durch Strahlung an die Begrenzungsflächen des Deckenhohlraumes ab. Die vom Kühlwasser durchströmten Rippenrohre nehmen ihrerseits Wärme aus der Luft im Hohlraum auf, die infolge der freien Konvektion durch die Rippenrohre strömt. Zur Aufnahme des bei starker Belastung und Dauerbetrieb anfallenden Kondensats ist unterhalb des Konvektors eine Kondensatauffangwanne angebracht. Mit dem von Rutsch erstellten Rechenprogramm ist es möglich, für verschiedenste Randbedingungen die Rippenrohre auf maximale Kühlleistung zu optimieren. Voraussetzung für die direkte Anwendung dieses Berechnungsverfahrens sind jedoch ungestörte An- und Abströmbedingungen der Luft am Konvektor. Neben der Optimierung der Rippenrohre auf Kühlleistung ist für den Aufbau der eigentlichen Decke die Luftströmung im Deckenhohlraum und die Austrittstemperatur aus den Konvektoren von entscheidender Bedeutung. Die maximale Kühlleistung der Rippenrohre kann nur erreicht werden, wenn alle Einzelrippenrohre nahezu gleichmäßig durchströmt werden und günstige Abströmverhältnisse vorhanden sind. Die Strömungsverhältnisse im Deckenhohlraum und innerhalb der Konvektoren wurden durch Rauch sichtbar gemacht und auf Video aufgezeichnet. Entscheidenden Einfluß auf die Temperaturverteilung an der Kühldecke haben die Breite des Konvektors, die Konstruktion der Kondensatauffangwanne, der Abstand der Konvektoren voneinander und der Konvektortyp. Direkt unterhalb der Kondensatauffangwanne beträgt die Temperaturdifferenz ca. 3 K. Der Temperaturgradient im Abströmbereich liegt bei ca. 0,2 bis 0,3 K/m.
Massiv- Heiz-/Kühldecken bestehen im wesentlichen aus in der tragenden Deckenkonstruktion eingegossenen Kunststoffrohren, die je nach Jahreszeit von Heiz- bzw. Kühlwasser durchströmt verden. Das instationäre Verhalten wurde mit dem Anlagen und Simulationsprogramm TRNSYS untersucht. Anhand ausgesuchter Ergebnisse können die Anforderungen an die notwendigen Regelkonzepte abgeleitet werden. Es eignen sich für derartige Systeme, insbesondere wegen ihrer großen Speicherfähigkeit und damit Trägheit, modifizierende selbstadaptierende Regler. Aufgrund der großen Trägheit der Massivdecke ist eine direkte außentemperaturgeführte Vorlauftemperaturregelung des Wasserstromes nicht sinnvoll. Es sollte ein selbstadaptierendes Regelsystem verwendet werden, das anhand der vorangegangenen Lastverläufe die Gebäudekonstante und damit das Speicherverhalten der Räume ermittelt. Damit der Regelaufwand reduziert werden kann, sollen mehrere Räume als Gruppe zusammengefaßt werden. Als weitere Größe für das Regelkonzept ist die Speichertemperatur am Ende der Ladezeit zu messen und in das Programm mit einzubinden.
Die Untersuchungen wurden im Raumlufttechnischen Labor der Fachhochschule Offenburg zur Beurteilung der Effizienz der Schadstoffabfuhr unter Einhaltung der thermischen Behaglichkeit beim Einsatz verschiedener Luftführungssysteme- Quellauslaß, Deckendrallauslaß und Fußbodenauslaß- in Verbindung mit einer Kühldecke durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, daß keine signifikanten Vorteile für ein bestimmtes RLT-Konzept bestehen. Je nach Wahl der Randbedingungen der Untersuchungen liegen die erreichbaren Kühlleistungen innerhalb einer Systemkombination weiter auseinander als im Verhältnis zu den Vergleichssystemen. Insgesamt ist hinsichtlich der von beiden Systemen zusammen abgebbaren, maximalen Kühlleistung die Kombination Kühldecke mit Deckendralluftauslaß vorteilhaft.
Durch den verstärkten Einsatz von EDV-Geräten an den Arbeitsplätzen in Büroräumen stiegen die flächenbezogenen inneren Kühllasten deutlich an. Für die Arbeitsplätze in Fensternähe müssen EDV-gerechte Lichtverhältnisse vorhanden sein. Es werden Versuchsergebnisse eines neu entwickelten Kühlkonvektors im Fensterbereich im Zusammenhang mit Innenjalousien vorgestellt. Dieser Kühlkonvektor eignet sich auch für den kombinierten Einsatz mit Kühldecken und raumlufttechnischen (RLT)-Anlagen, wie weitere Versuche bestätigen. Der Kühlkonvektor kann auch beim Ersatz von Induktionsgeräten angewandt werden, die z.B. nach dem 4-Leiter-Prinzip angeschlossen sind. Die Untersuchungen haben gezeigt, daß mit der Kombination von Kühldecke, Kühlkonvektor und RLT-Anlage große flächenbezogene Kühllasten abgeführt werden können, ohne daß dadurch die thermische Behaglichkeit negativ beeinflußt wird. Der Luftstrom läßt sich auf das hygienisch bzw. auf das zur Entfeuchtung notwendige Maß reduzieren, wodurch sich die Betriebskosten senken. Der Anteil der drei Komponenten an der gesamten Kühllast beträgt im Mittel: 15 % RLT-Anlage, 15 % Kühlkonvektor und 70 % Kühldecke.
Moderne strombetriebene Wärmepumpenanlagen sind im Hinblick auf die Umweltbilanz und die Jahresenergiekosten selbst gegenüber den effizientesten gasbefeuerten und ölbefeuerten Heizanlagen deutlich im Vorteil. Um diesen Vorteil auch in der Praxis zu erreichen, muss der Auswahl und Dimensionierung der Wärmepumpe einschliesslich der Wärmequelle besondere Beachtung geschenkt werden. Hinsichtlich des Temperaturniveaus bietet sich als Wärmequelle besonders das Erdreich an, beispielsweise durch Erdsonden erschlossen. Abhängig von den hydrogeologischen Rahmenbedingungen ist insbesondere auf die längenbezogene Wärmeentzugsleistung der Erdsonden zu achten. Hierfür hat das Ministerium für Umwelt und Verkehr des Landes Baden-Württemberg einheitliche Grundlagen für die Beurteilung und Bearbeitung geschaffen. Ausgehend von einer Wärmepumpenheizanlage, von der bereits Messungen vorliegen, wurde diese Anlage mit dem Simulationsprogramm TRNSYS nachgebildet und die wesentlichen Temperaturverhältnisse in verschiedenen Erdreichtiefen und Erdsondenabständen ermittelt. Mit diesen Erdreichtemperaturen werden mit Hilfe eines vereinfachten Energiebilanzverfahrens die Jahresarbeitszahlen ermittelt. Dabei zeigt sich, dass neben der Hydraulik der Heizanlage der Art der Trinkwassererwärmung besondere Bedeutung zukommt, da dies sich entscheidend auf die Jahresarbeitszahl und damit auch auf die mögliche Reduzierung des CO2-Ausstosses auswirkt.
Der Bericht beschreibt die Vorgehensweise für die Entwicklung von Hochleistungszweitaktmotoren beim Institut für Transportwesen und Motorentechnik (ITM). Die gezielte Auswertung von motorischen Daten bietet die Möglichkeit, Motorenentwicklungsprozesse in wichtigen Fragestellung zu unterstützen. Für die Auslegung von Bauteilen und Prozessen werden Simulationsprogramme eingesetzt. Diese Entwicklungswerkzeuge können effizienter angewandt werden, wenn die Berechnungsergebnisse einer Qualitätskontrolle unterliegen. Wichtig hierfür sind Bewertungskriterien, die aus der Erfahrung einer Vielzahl von Versuchen bestehen. Da in Produktion gegangene Motoren üblicherweise schon einen Evolutionsprozeß durchlaufen haben, kann vermutet werden, daß solche Kriterien von erfolgreichen und weniger erfolgreichen Produkten in der Weise abgeleitet werden können, wie dies hier vorgestellt wurde. Die Angabe von Trendfunktionen für konstruktive Merkmale und Betriebsparameter ist notwendig um eine bedarfsorientierte Vorauslegung von Antrieben durchführen zu können. Alle hier vorgestellten Ergebnisse sind natürlich von der Datenmenge abhängig, die zu den jeweiligen Fragestellungen ausgewertet werden kann. Dazu müssen alle durchgeführten Versuchsreihen in die Datenbank eingeführt und mit Ergebnissen der Simulationsrechnungen in Beziehung gesetzt werden.
In jüngster Zeit werden vermehrt größere thermische Solaranlagen zur Warmwassererzeugung und zur Heizungsunterstützung in größeren Mehrfamilienhäusern und Neubausiedlungen mit Einfamilien- bzw. Doppelhäusern eingesetzt. Während die hydraulische Einbindung der Solarenergie zur Heizungsunterstützung meist problemlos realisiert wird, entstehen bei der Warmwasserbereitung immer wieder Probleme hinsichtlich der Legionellenproblematik. Die Anforderungen im DVGW Arbeitsblatt W551, den gesamten Wasserinhalt der Vorwärmstufen einmal am Tag auf 60 Grad C zu erwärmen und damit zur Verminderung des Legionellenwachstums beizutragen, führen immer wieder dazu, daß durch fehlerhafte Konzepte, insbesondere im Bereich der hydraulischen Schaltungen in Verbindung mit den Regelkonzepten, der solare Deckungsgrad bei der Trinkwassererwärmung sehr gering bleibt. Anhand ausgewählter Ausführungsbeispiele wird die Problematik ausführlich behandelt und Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt. Abschließend werden funktionsgerechte Anlagentechniken verschiedener Ausführungsvarianten besprochen.
Having 22 GW of nominal power installed Germany is the leading nation in wind energy conversion. While the number of suitable installation sites ashore is limited, and the average windspeed and thus the utilization level offshore is significantly higher, more and more offshore wind farms are planned. In order to reduce the cost of building the foundations and of connecting the wind turbines to the power grid, the single plant is designed as powerful as possible and therefore the components become huge and weighty. For instance: In order to lift the nacelle with around 500 tons of weight up on the tower - which can be up to 120 m above the water level - at the time special ships and cranes are designed and built. But those firstly will be very expensive and secondly will be available only on a limited scale. Hence the installation cost of those huge wind turbines significantly influence the rentability of a wind farm. Against this background a joint research project supported by the German Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety (BMU) was started comprising the project partners Ed. Züblin AG, Berg-idl GmbH (an engineering company and a maker of special purpose machines in Altlußheim, Germany), the IPEK (institute for product development) at the university of Karlsruhe and the Hochschule Offenburg, university of applied science. Project target is the conceptual design of a heavy-duty elevator, which can be used to install the tower segments and the nacelle of a wind turbine offshore without a crane. The most relevant challenges in this context result of holding up extreme loads by means of comparatively filigree carrying structures. The paper shows some examples of structural analysis and optimization work accomplished during the project. For the structural analysis of the heavy loaded components ANSYS workbench was used. The development process was also supported by optimization tools like TOSCA and OPTIMUS. The linking of the FE solver and the optimizer provides important hints concerning improvement of the topology and the dimensions of the components. Examples of designs illustrate the development process and the methods applied.
Für langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) wird ein repräsentatives Volumenelement (RVE) für FEM-Simulationen generiert. Dies geschieht unter Berücksichtigung von mikrostrukturellen Kenngrößen wie Faserorientierungsverteilung, -volumengehalt und -längenverteilung, die für einen charakteristischen Werkstoffzustand experimentell ermittelt wurden. Mittels Mikrostruktursimulationen wird das Kriechverhalten von LFT untersucht. Das viskoelastische Verhalten der Matrix wird experimentell an Substanzproben aus Polypropylen ermittelt und in die RVE-Simulationen mit einem modifizierten Burgers-Modell implementiert. Schließlich werden die Rechnungen mit verschiedenen, fiktiven sowie experimentell ermittelten Faserlängenverteilungen mit Kriechversuchen am LFT verglichen. Es zeigt sich eine starke Abhängigkeit des Kriechverhaltens von der Faserlänge und eine hohe Prognosegüte der Simulationen, die die experimentell ermittelte Längenverteilung berücksichtigen.
Moderne, intelligente Schraubmontagesysteme sind heutzutage in der Lage, streckgrenzengesteuerte Anziehverfahren für die prozesssichere Verschraubung zur Verfügung zu stellen. Insbesondere im Hochmomentenbereich bis 200.000 Nm ist diese Technologie erst seit kurzem etabliert. Entwicklungsbedarf besteht jedoch, sobald Bauteile im Kraftfluss liegen, die im Lastbereich ein nichtlineares Materialverhalten zeigen, wie zum Beispiel Korrosionsschutz-Lackschichten. Im Bereich der Schraubmontage gibt es nahezu unzählige Einflussfaktoren auf das Erreichen der angestrebten Montagevorspannkraft. Diese sind nicht mit vertretbarem Aufwand vollständig in einem entsprechenden Berechnungs- oder Simulations-Modell zur Auslegung von Schraubenverbindungen abbildbar. Ausserdem hat jede Applikation ihre spezifischen individuellen Eigenheiten. Modelle und Simulationen von Schraubenverbindungen sind daher nur mit eingeschränktem Maße für andere Applikationen wiederverwendbar. Zur Reduzierung von Entwicklungszeiten und Einhaltung der normativen Forderungen sollte zukünftig ein schneller Abgleich der Modelle mit den Daten der gesamten Schraubenverbindung aus realitätsnahen Versuchen angestrebt werden. Normative Forderungen wie beispielsweise die VDI/VDE 2645, welche eine Maschinenfähigkeitsuntersuchung der verwendeten Schraubtechnik zum Schraubfall vom Anwender fordert, zeigen unter anderem die Notwendigkeit auf. Idealerweise finden entsprechende Messungen unter realen Bedingungen statt. Die ermittelten Daten beinhalten nicht nur die Eigenschaftsdaten der Schrauben und die der Plattenbauteile, sondern die des ganzen Systems inkl. aller individuellen Einflussfaktoren bis hin zum Werkzeug selbst. Moderne, intelligente Schraubmontagesysteme können diese Aufgabe erfüllen. Rechtzeitig eingesetzt liefern sie die Daten zur Optimierung von Berechnung, Auslegung sowie Simulation von Schraubenverbindungen und sichern somit den Berechnungsprozess ab. Damit ist es zum einem möglich, bis an die Grenzen des technisch maximal Möglichen zu gehen, zum anderen im Echt-Test Schwachstellen der Auslegung oder Materialfehler bereits vor der Serieneinführung zu erkennen. Dieser Beitrag soll Ihnen vermitteln, dass Sie mit Hilfe intelligenter Schraubmontagesysteme die Berechnung, Auslegung und Simulation von Schraubenverbindungen mit dem Produktions- und Montageprozess abgleichen können, und dies nicht nur über den Anziehfaktor αa - dem sog. "Montage-Unsicherheitsbeiwert". Der konkrete Nutzen liegt in der Erweiterung der bisherigen Auslegung von Schraubenverbindungen mit Lackierungen im Hochmomentenbereich, die von einem breiten Anwenderkreis verwendet werden wird. Damit gelingt es, bereits in der frühen Entwicklungsphase vor Serienfreigabe übermäßige Vorspannkraftverluste zu vermeiden, was für zukünftige optimierte Berechnungen und Konstruktionen sehr wichtig ist.