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The present study gives an overview of recent investigations dealing with the fatigue behaviour of the tempered martensitic steel 50CrMo4 (Fe-0.5wt%C-1wt%Cr) in the HCF and VHCF regime by taking into account a variation in material strength, by modifying the heat treatment parameters. The parameters for the tempering treatment were adapted to receive two material conditions with 37HRC and 57HRC, respectively. Subsequently, fatigue specimens were machined from the heat-treated bars for fatigue tests in an ultrasonic (f=20000Hz) and a resonance (f=95Hz) fatigue testing machine under fully reversed loading (R=-1) at laboratory air atmosphere. It was found that the dominant fatigue and fracture mechanisms change with increasing material strength. For 37HRC moderate-strength specimens crack initiation was shown to occur on the specimen surface within Cr depleted bands (segregation bands) as the dominant fatigue damage mechanism. Contrary to that, only internal crack initiation at non-metallic inclusions was observed for the high strength 57HRC condition. Furthermore, the completely different crack initiation mechanisms of the two heat treatment conditions were assessed by applying the Murakami approach relating the fatigue limit with the size of non-metallic inclusions.
Aufgrund der zunehmenden Überdüngung landwirtschaftlicher Flächen durch Wirtschaftsdünger und Gärreste aus Biogasanlagen wird eine ökonomische und ökologische Vollaufbereitungstechnik zur Separation der Nährstoffe und zur Gewinnung von Prozesswasser aus Gärresten und Güllen benötigt. Das Vollaufbereitungsverfahren zur Düngemittelrückgewinnung durch mehrstufige Fest-/ Flüssigtrennung und Membrantechnik könnte diese Anforderungen durch eine intensive Optimierung der Ultrafiltrationsstufe erfüllen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Reduktion des Energiebedarfes der Ultrafiltrationsstufe um 50 %, da diese Prozessstufe ca. 50 – 70 % des Gesamtenergiebedarfes ausmacht. Damit wäre ein wirtschaftliches Vollaufbereitungsverfahren flächendeckend einsetzbar.
Für die Optimierung der Ultrafiltrationsstufe wurden Gärreste aus 19 Biogasanlagen in einem Stichprobenumfang von 42 Proben auf ihre physikalisch/chemischen Parameter und insbesondere das separierte Zentrat auf dessen Filtrierbarkeit in einer UF-Rührzelle untersucht. Im Allgemeinen zeigte sich eine hohe Schwankungsbreite der erzielbaren Permeatflüsse. Funktionelle Zusammenhänge wurden zwischen den organischen Inhaltsstoffen, der scheinbaren Viskosität der Zentrate und dem Ultrafiltrationsfluss gefunden. Gärrestzentrate weisen ein Nicht-Newtonsches rheologisches Fließverhalten auf. Hauptsächlich Biopolymere, darunter Polysaccharide und Proteine, sind sowohl für die erzielbare Flussleistung, als auch für das rheologische Verhalten relevant. Modifikation und Verringerung dieser kritischen Biopolymerfraktion bieten damit einen möglichen Optimierungsansatz, der in der Arbeit durch Ozonierung und Komplexbildung durch pH-Wert-Verschiebung realisiert wurde. Die Optimierung der Ultrafiltration wurde in drei verschiedenen Maßstäben untersucht: Labor-, Technikums- und Pilotmaßstab. Die Ozonierung zeigte dabei positive Eigenschaften in Bezug auf Flussverbesserungen und Abbau der Strukturviskosität. Durch die Modifikation und Verkleinerung der Biopolymere wurde in allen drei Maßstäben eine Flussverbesserung um den Faktor 1,4 – 2,3 erzielt.
Durch die Ansäuerung der Zentrate zu pH-Werten unterhalb der isoelektrischen Punkte der Proteine wurde eine Komplexbildung der Biopolymere erreicht, die bisher nur für Modellsysteme in der Literatur dargestellt wurde. Durch die Vergrößerung der Partikel um den Faktor 7 – 17 bei der Komplexierung wurde in allen drei Versuchsmaßstäben eine Verbesserung der Flussleistung um ca. Faktor 2 erzielt.
Die Temperaturerhöhung wurde in Rohrmodulen im Technikums- und Pilotmaßstab untersucht. Dabei zeigte sich bei einer Temperaturerhöhung von 40 – 45 °C auf 60 – 75 °C eine Verbesserung der Flussleistung um den Faktor 1,4, die auf die sinkende Permeatviskosität und eine verbesserte Deckschichtkontrolle zurückgeführt wurde. Die Kombination aus Ozonierung und hoher Prozesstemperatur zeigte synergetische Ergebnisse, da sowohl durch die hohe Prozesstemperatur, als auch durch die Ozonierung die Zentratviskosität herabgesetzt wurde. Dadurch wurde die Reynoldszahl im Rohrmodul erhöht, was einen positiven Einfluss auf die Filtrierbarkeit zeigte. Durch die erhöhte Reynoldszahl bestand die Möglichkeit, die Strömungsgeschwindigkeit im Ultrafiltrationsloop zu verringern, was einen wesentlichen Einfluss auf den Energiebedarf der Ultrafiltrationsstufe hat. Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine sehr gute Übertragbarkeit zwischen den Ergebnissen der verschiedenen Maßstäbe festgestellt. Die Ergebnisse des Labormaßstabes erlauben eine Vorhersage der Membranflüsse auf großtechnische Ultrafiltrationsanlagen. Trotz der hohen Diversität der beprobten Anlagen ermöglichten die Ergebnisse aufgrund des hohen Stichprobenumfanges mathematische Zusammenhänge zwischen den Biopolymeren und der temperaturabhängigen scheinbaren und temperaturabhängigen Viskosität von Gärrestzentraten.
Bei der energetischen Bilanzierung der Ultrafiltrationsanlage wurden an beiden Standorten in Summe sechs Verfahrensmodifikationen gefunden, die eine Reduktion des Energiebedarfes um ≥ 50 % ermöglichen. Diese Projektzielstellung wurde durch eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit, Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und durch die Ansäuerung erreicht. Der niedrigste Energiebedarf wurde durch die Ozonierung bei gleichzeitig hoher Prozesstemperatur und reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit erreicht. Der Energiebedarf wurde bei dieser Verfahrensmodifikation um 54 – 59 % reduziert.
In einer abschließenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer 50000 t∙a-1 Anlage an einem deutschen Standort wurde durch die KWK geförderte Wärmenutzung der wirtschaftlichste Fall für eine hohe Prozesstemperatur bei gleichzeitig reduzierter Überströmungsgeschwindigkeit festgestellt. Die spezifischen Gesamtkosten des volltechnischen Verfahrens wurden von 8 – 8,50 € pro Kubikmeter aufbereitetem Gärrest auf 5 – 5,50 € um 33,5 – 37,8 % reduziert. Nach Angaben der kooperierenden Firma ist damit ein wirtschaftlicher Anlagenbetrieb möglich.
Biogas plants produce nutrient rich digestates as side products, which are usually used as local fertilisers. Yet the large amount and regional gradients of biogas plants in Germany necessitate management, conditioning, and transportation of digestates, in order to follow good fertilising procedure and prohibit local over-fertilisation. With a membrane-based treatment chain, i.e. centrifugation, ultrafiltration, and reverse osmosis, digestates can be separated into a solid N,P-fertiliser, a liquid N,K-fertiliser, and dischargeable water. Up to now, the high energy demand of the process chain, in particular the ultrafiltration step, limits the economical market launch of the treatment chain. A reduction of the energy demand is challenging, as digestates exhibit a high fouling potential and ultrafiltration fluxes differ considerably for digestates from different biogas plants. In a systematic screening of 28 digestate samples from agricultural biogas plants and 6 samples from bio-waste biogas plants, ultrafiltration performance could be successfully linked to the rheological properties of the digestate’s liquid phase and to its macromolecular biopolymer concentration. By modification of the fluid characteristics through enzymatic treatment, ultrafiltration performance was considerably increased by factor 2.8 on average, which equals energy savings in the ultrafiltration step of approximately 45%. Consequently, the energy demand of the total treatment chain decreases, which offers potential for further rollout of the membrane-based digestate treatment.
Knowledge of the small-scale nutrient status of arable land is an important basis for optimizing fertilizer use in crop production. A mobile field laboratory opens up the possibility of carrying out soil sampling and nutrient analysis directly on the field. In addition to the benefits of fast data availability and the avoidance of soil material transport to the laboratory, it provides a future foundation for advanced application options, e.g. a high sampling density, sampling of small sub-fields or dynamic adaptation of the sampling line during field sampling. An innovative key component is the NUTRI-STAT ISFET sensor module. It measures values for the ions "NO3- ”, “H2PO4- " and "K+ " as well as the pH. The ISFET sensor module was specially developed for soil nutrient analysis. The phosphorus measurement was further developed for the project "soil2data". First results from the ISFET sensor module show a measurement signal settling time of significantly less than 100 seconds and a further consistent stable measurement signal. The measurement signal dynamics of approx. 58 mV per factor 10 of concentration change is given for the measured variables pH and K+. For the measured quantities of NO3- and H2PO4- , the measurement signal dynamics are lower.
Optimised Nutrient Recovery from Biogas Digestate by Solid/Liquid Separation and Membrane Treatment
(2019)
Anaerobic digestion products of agricultural biogas plants are characterised by high nitrogen, phosphorus, and potassium content. In three scale-up steps, a membrane based digestate treatment process of solid-liquid-separation, ultrafiltration, and reverse osmosis for nutrient recovery was investigated. Lab-scale trials delivered a very good understanding of fluid properties and subsequent ultrafiltration performance, which is the limiting process step in terms of energy demand and operation costs. In semi-technical experiments, optimisation, and design parameters were developed, which were subsequently applied to pilot-scale tests at two full-scale biogas plants. The process optimisation resulted in 50 % energy reduction of the ultrafiltration step. About 36 % of the sludge volume was recovered as dischargeable water, 20 % as solid N/P-fertiliser, and 44 % as liquid N/K-fertiliser.
The usage of high-level synthesis (HLS) tools for FPGAs has increased significantly over the last years since they matured and allow software programmers to take advantage of reconfigurable hardware technology.
Most HLS tools employ methods to optimize for loops, e. g. by unrolling or pipelining them. But there is hardly any work on the optimization of while loops. This comes at no surprise since most while loops have loop-carried dependences involving the loop condition which result in large recurrence cycles in the dataflow graphs. Therefore typical while loops cannot be parallelized or pipelined.
We propose a novel transformation which allows to optimize while loops nested within a for loop. By interchanging the two loops, it is possible to pipeline (and thereby parallelize) the inner loop, resulting in a reduced execution time. We present two case studies on different hardware platforms and show the speedup factors - compared to a host processor and to an unoptimized hardware implementation - achieved by our while loop optimization method.
A recently published study of high temperature nitridation of iron chromium aluminum alloys (FeCrAl) at 900°C in N2–H2 has redundantly shown the formation of locally confined corrosion pockets reaching several microns into the alloy. These nitrided pockets form underneath chromia islands laterally surrounded by the otherwise protective alumina scale. Chromia renders a nitrogen‐permeable defect under the given conditions and the presence of aluminum in the alloy. In light of these findings on FeCrAl, a focused ion beam–scanning electron microscope tomography study has been undertaken on an equally nitrided FeNiCrAl sample to characterize its nitridation corrosion features chemically and morphologically. The alloy is strengthened by a high number of chromium carbide precipitates, which are also preferential chromia formation sites. Besides the confirmation of the complete encapsulation of the corrosion pocket from the alloy by a closed and dense aluminum nitride rim, very large voids have been found in the said pockets. Furthermore, metallic particles comprising nickel and iron are deposited on top of the outer oxide scale above such void regions.
Der Beitrag beschreibt die Entwicklung eines Inverted Classroom Konzeptes für ein Informatik-Grundlagenfach an einer Hochschule. Basierend auf Vorlesungsaufzeichnungen und Vorlesungsskript wurde hierbei besonderes Augenmerk auf die Gestaltung der gemeinsamen Präsenzzeit zwischen Studierenden und Lehrenden gelegt. Durch zahlreiche aktivierende Elemente sind die Studierenden hierbei gefordert, ihren Lernprozess selbst zu gestalten, um somit über die fachlichen Kompetenzen des Faches hinaus auch überfachliche Kompetenzen, wie beispielsweise Kommunikations- und Kooperationskompetenz, Selbstlernkompetenz und Eigenverantwortung zu trainieren.
Der Einsatz paralleler Hardware-Architekturen betrifft alle Software-Entwickler und -Entwicklerinnen: vom Supercomputer bis zum eingebetteten System werden Multi- und Manycore-Systeme inzwischen eingesetzt. Die Herausforderungen an das Software Engineering sind vielfältig. Zum einen ist (wieder) ein stärkeres Verständnis für die Hardware notwendig. Ohne eine skalierbare Partitionierung der Software und parallele Algorithmen bleibt die Rechenleistung ungenutzt. Zum anderen stehen neue Programmiersprachen im Vordergrund, die die Ausführung von parallelen Anweisungen ermöglichen.
Dieses Buch betrachtet unterschiedliche Aspekte bei der Entwicklung paralleler Systeme und berücksichtigt dabei auch eingebettete Systeme. Es verbindet Theorie und praktische Anwendung und ist somit für Studierende und Anwender in der Praxis gleichermaßen geeignet. Durch die programmiersprachenunabhängige Darstellung der Algorithmen können sie leicht für die eigene Anwendung angepasst werden. Viele praktische Projekte erleichtern das Selbststudium und vertiefen das Gelernte.