TY - THES A1 - Gehrmann, Hans-Joachim T1 - Mathematische Modellierung und experimentelle Untersuchungen zur Pyrolyse von Abfällen in Drehrohrsystemen T1 - Mathematical Modeling and Experimental Investigation of the Pyrolysis of Waste in Rotary Kilns N2 - Für die Optimierung eines bereits bestehenden Prozesses, z.B. im Hinblick auf den maximal möglichen Durchsatz bei gleich bleibender Qualität der Pyrolyseprodukte oder für die Einstellung der Betriebsparameter bei einem unbekannten Einsatzstoff, kann ein mathematisches Modell eine erste Abschätzung für die Einstellung betrieblicher Parameter, wie z.B. Temperaturprofile im Gas und Feststoff, geben. Darüber hinaus kann man mit einem Modell für neu zu konzipierende Anlagen konstruktive Parameter ermitteln oder überprüfen. In dem hier dargestellten vereinfachten Modellansatz werden u. a. die Umsatzvorgänge für ein Partikelkollektiv mit Hilfe von Summenparametern aus Untersuchungen an einer Thermowaage und ergänzend im Drehrohr ermittelt. Das Prozessmodell basiert auf einem Reaktormodell, das das Verweilzeitverhalten des Einsatzstoffes im Reaktor beschreibt und einem Basismodell, bestehend aus Massen- und Energiebilanzen für Solid und Gas sowie Ansätzen zur Trocknung und zum Umsatz. Im Hinblick auf die Verfügbarkeit von stoffspezifischen Daten von Abfällen sind insbesondere zur Berechnung des Verweilzeitverhaltens und des Umsatzes im Heißbetrieb vereinfachende Ansätze durch die Bildung von Summenparametern hilfreich. Das Prozessmodell wurde schrittweise validiert: Zunächst wurde in Kaltversuchen ein Summenparameter, der u.a. die unbekannten Reibungsverhältnisse im Drehrohr berücksichtigt, durch Vergleich von Experiment und Rechnung für Sand ermittelt. Für heterogene Abfallgemische kann dieser Materialfaktor zwar für Kaltversuche bestimmt werden (soweit dies für Abfälle möglich ist), im Heißbetrieb ändern sich jedoch alle wesentlichen Stoffparameter wie Partikeldurchmesser, Schüttdichte und Schüttwinkel sowie die Reibungsverhältnisse. Für diesen Fall wird der Materialfaktor zu Eins gesetzt und die wesentlichen Stoffgrößen umsatzabhängig modelliert. Dazu ist die Kenntnis der Schüttdichten, statischen Schüttwinkel und mittleren Partikeldurchmesser vom Abfall und Koks aus dem Abfall notwendig. Die mit diesen Stoffdaten berechnete Verweilzeit wurde in einem Heißversuch bei der Pyrolyse von Brennstoff aus Müll- (BRAM) Pellets mit einem Fehler von ca. 20 % erreicht. Das Basismodell wurde zunächst ohne Umsatz an Messergebnisse mit Sand im Drehrohr unter Variation von Temperaturen und Massenstrom angepasst bevor mit diesem Modell die Pyrolyse von einem homogenen Einsatzstoff (Polyethylen mit Sand) im Drehrohr berechnet wurde. Hier konnte bereits gezeigt werden, dass mit diesem vereinfachten Modellansatz gute Ergebnisse beim Vergleich von Modell und Experiment erzielt werden können. Im nächsten Schritt wurde der Sand angefeuchtet, um die Teilmodelle der Trocknung unterhalb und bei Siedetemperatur zu validieren. Die Mess- und Modellierungsergebnisse stimmen gut miteinander überein. Für ein Abfallgemisch aus BRAM-Pellets konnte der Verlauf der Solidtemperaturen unter der Berücksichtigung variabler Stoffwerte des Solids und eines Verschmutzungsfaktors, der den Belag des Drehrohres mit anklebendem Pellets bis zur Verkokung berücksichtigt, gut wiedergegeben werden. Die Gastemperaturen können in erster Näherung ausreichend genau durch das mathematische Modell beschrieben werden. Mit diesem vereinfachten mathematischen Modellansatz steht nun ein Hilfsmittel zur Auslegung und Optimierung von indirekt beheizten Drehrohren zur Verfügung, um bei einem neuen Einsatzstoff mit Daten aus experimentellen Basisuntersuchungen, die Temperaturverläufe im Feststoff und Gas sowie die Gaszusammensetzung in Abhängigkeit der wesentlichen Einflussgrößen abzuschätzen. N2 - Pyrolysis processes are used in the field of the thermal treatment of waste e.g. as a process unit in combination with a gasification or combustion unit realized in the RT21 process in Japan from Mitsui. Furthermore, pyrolysis processes are used for specially prepared waste fractions as a thermal pre-treatment unit, e.g. before a power station in the Con-Therm process in Germany or in the steel and cement industry. In principle there is also the possibility to use pyrolysis for the direct recycling of materials such as Plexiglass or plastics reinforced with carbon fibres. Rotary kilns are often used in the field of pyrolysis. The lumpy starting material is mixed due to the rotation of the rotary kiln. The energy for the pyrolysis can be given to the starting material indirectly, e.g. through radiant tubes from an external heater, to the rotary kiln wall or directly through a hot gas flow. The starting material is converted through the steps of drying, release and conversion of volatile components to a pyrolysis coke and pyrolysis gas. To optimize existing plants or to design new ones, mathematical models are important tools to minimize the experimental effort. In order to be able to describe the pyrolysis process in a rotary kiln using a mathematical model, the transport of the solid and the specific conversion processes dependent upon the construction parameters such as diameter and length of the rotary kiln as well as operating parameters such as angle of inclination, rotational frequency, throughput and course of the temperature over the length in the rotary kiln must be described. For process models which describe such processes in a reactor, it can usually be distinguished between a reactor model and a so-called basic model. The behavior of the solid in the reactor (residence time behavior) is described using the reactor model and the material and heat transfer as well as the conversion process with the help of the basic model. The mathematical model was evaluated for homogeneous materials (sand and polyethylene) as well as for mixed wastes. For both a good accordance between the experimental and mathematically determined data could be reached. With this simplified mathematical model and experimental data it is possible to show the dependency of the temperature profiles of the solid and gas phase and the gas species distribution of the main influencing parameters in for the practice suitable way for homogenous and heterogenous materials. To design a new rotary kiln for pyrolysis processes in industrial scale for a special input material, in general several investigations in a pilot scale plant are necessary. Based on these material and operational information (e.g. static bottoming angle and bulk density of the input material and its char, the pyrolytic gas composition etc.) a scale-up to the industrial plant and optimizing calculations could be done with the help of the mathematical model to estimate e.g. the maximum feed, a potential staging of the wall temperatures and the average residence time. KW - Pyrolyse KW - Recycling KW - Drehrohr KW - Mathematisches Modell KW - Abfälle KW - Ersatzbrennstoffe KW - Scale-Up KW - Waste KW - RDF KW - substitute fuel KW - Scale-Up Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20060806-8119 ER - TY - CHAP A1 - Daniunas, A. A1 - Komka, A. A1 - Werner, F. T1 - ANALYSIS AND DETERMINATION OF STRENGTH IN PLASTIC STAGE OF FREE FORM STEEL SHAPES N2 - The steel structure design codes require to check up the member strength when evaluating plastic deformations. The model of perfectly plastic material is accepted. The strength criteria for simple cross-sections (I section, etc.) of steel members are given in design codes. The analytical strength criteria for steel cross-sections and numerical approaches based on stepwise procedure are investigated in many articles. Another way for checking the carrying capacity of cross-sections is the use of methods that are applied for defining strain-deformed state of elastic perfectly plastic systems. In this paper non-iterative methods are suggested for checking strength of cross-sections. Carrying capacity of cross section is verified according to extremum principle of plastic fail under monotonically loading and the strain-deformed state of cross-section is defined according to extremum energy principals of elastic potential of residual stresses and complementary work of residual displacements. The mathematical expressions of these principals for discrete cross-section are formulated as problems of convex mathematical programming. The cross-section of steel member using finite element method is divided into free form plane elements. The constant distribution of stresses along the finite element is accepted. The relationships of finite elements for static formulation of the problem are formed so, that kinematics formulation relationships could be obtained in a formal way using the theory of duality. Numerical examples of determination of cross-section strength, composition of interactive curves and composition of moment-curvature curves for different axial force levels are presented. KW - Stahlkonstruktion KW - Plastische Deformation KW - Mathematisches Modell KW - Finite-Elemente-Methode Y1 - 2000 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20111215-5803 ER - TY - CHAP A1 - Burghardt, Michael A1 - Meißner, Udo F. T1 - Dreidimensionale Finite-Element-Baugrundmodelle für Ingeniuerprobleme N2 - Bei komplexen Gründungskonstruktionen sind Planungsfehler durch eine konsistente Modellierung vermeidbar. Manuelle Berechnungsmethoden ermöglichen im allgemeinen ein dreidimensionales Vorgehen nicht. Numerische Berechnungsmethoden, wie z.B. die Finite-Element-Methode, sind ein optimales Werkzeug zur ganzheitlichen Simulation des Problems. Die für die Finite-Element-Analyse notwendige Diskretisierung komplexer Bau- grundstrukturen ist manuell nicht zu bewältigen. Der vorliegende Beitrag zeigt wie ein Finite-Element-Modell automatisch aus einem geotechnischen Modell unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen der Baugrund-Tragwerk-Struktur und des Bauablaufes erzeugt werden kann. Hierbei wird die Berücksichtigung der geometrischen und der mechanischen Besonderheiten bei der Netzgenerierung dargestellt. KW - Baugrund KW - Mathematisches Modell KW - Dreidimensionales Modell KW - Finite-Elemente-Methode Y1 - 2000 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20111215-5750 ER - TY - JOUR A1 - Misztal, S. A1 - Misztal, G. T1 - Anwendung von Delta-Dirac-Funktion und Heviside-Funktion zur Berechnung der inneren Kräfte und Verschiebungen in gebogenen Balken N2 - Die d - Dirac - Funktion d(x-xi) und Heviside - Funktion wurden vor allem zur Beschreibung diskontinuierlicher Belastungsfunktionen von gebogenen Balken angewendet. Im Referat werden die mathematischen Operationen auf den erwähnten Funktionen dargestellt. Darüber hinaus wird die Möglichkeit eindeutiger Aufschreibung von belibigen Belestungsfunktionen vorgeschlagen, die fast alle Fälle der in der Ingenieurpraxis auftretenden Belastungen umfassen. Die vorgeschlagenen Lösungen geben die Möglichkeit leichter Aufschreibung im Form eines Algorithmus, das die Ausnutzung von Komputertechnik in statischen Berechnungen ermöglicht. Am Ende des Referates werden die Zahlebeispiele dargestellt, die die Möglichkeiten praktischer Anwendungen der besprochenen Funktionen darstellen. KW - Balken KW - Belastung KW - Mathematisches Modell KW - Computerunterstütztes Verfahren Y1 - 1997 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20111215-5308 ER - TY - JOUR A1 - Vaarmann, Otu T1 - A class of rapidly convergent interative Methods for Problems in mathematical Modelling N2 - Methods with the convergence order p 2 (Newton`s, tangent hyperbolas, tangent parabolas etc.) and their approximate variants are studied. Conditions are presented under which the approximate variants preserve their convergence rate intrinsic to these methods and some computational aspects (possibilities to organize parallel computation, globalization of a method, the solution of the linear equations versus the matrix inversion at every iteration etc.) are discussed. Polyalgorithmic computational schemes (hybrid methods) combining the best features of various methods are developed and possibilities of their application to numerical solution of two-point boundary-value problem in ordinary differential equations and decomposition-coordination problem in convex programming are analyzed. KW - Mathematisches Modell KW - Dialogsystem Y1 - 1997 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20111215-5223 ER - TY - CHAP A1 - Konrad, Martin A1 - Chudoba, Rostislav A1 - Butenweg, Christoph T1 - Textile Reinforced Concrete Part II: Multi-Level Modeling Concept N2 - The development of a consistent material model for textile reinforced concrete requires the formulation and calibration of several sub-models on different resolution scales. Each of these models represents the material structure at the corresponding scale. While the models at the micro-level are able to capture the fundamental failure and damage mechanisms of the material components (e.g. filament rupture and debonding from the matrix) their computational costs limit their application to the small size representative unit cells of the material structure. On the other hand, the macro-level models provide a sufficient performance at the expense of limited range of applicability. Due to the complex structuring of the textile reinforced concrete at several levels (filament - yarn - textile - matrix) it is a non-trivial task to develop a multiscale model from scratch. It is rather more effective to develop a set of conceptually related sub-models for each structural level covering the selected phenomena of the material behavior. The homogenized effective material properties obtained at the lower level may be verified and validated using experiments and models at the higher level(s). In this paper the development of a consistent material model for textile reinforced concrete is presented. Load carrying and failure mechanisms at the micro, meso and macro scales are described and models with the focus on the specified scales are introduced. The models currently being developed in the framework of the collaborative research center are classified and evaluated with respect to the failure mechanisms being captured. The micromechanical modeling of the yarn and bonding behavior is discussed in detail and the correspondence with the experiments focused on the selected failure and interaction mechanisms is shown. The example of modeling the bond layer demonstrates the application of the presented strategy. KW - Beton KW - Bewehrung KW - Textilfaser KW - Mathematisches Modell Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20111215-3230 ER - TY - CHAP A1 - Kohler, Niklaus A1 - Bodin, Olivier T1 - Dealing with sensitivity and uncertainty analysis in integrated buildung LCA model : Dealing with Uncertainty in Life Cyle Analysis of Building Model by Using Experiment Design Methods N2 - Building design, realization, operation and refurbishment have to take into account the environmental impacts as well as the resulting costs over a long period of time. LCA methods had to be developed for buildings because of their complexity, their long life duration and through a large number of actors who are involved. This was realized by integrating life cycle analysis, life cycle costing and building product models in integrated LCA models. However the use of such models leads to difficulties. The principal ones are the uncertainty treatment in LCA models and the lack of experience of practitioners who are not LCA specialists. Answers to these problems are the management of uncertainty and the development of simplified models for building design, construction and operation. This can be achieved with the mean of experimental plans or Monte Carlo simulation. The paper will focus on how these techniques can be used, what are their possibilities and disadvantages, particularly concerning the development of simplified models. KW - Bauwerk KW - Mathematisches Modell KW - Lebensdauer KW - Unsicherheit KW - Monte-Carlo-Simulation Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20111215-3220 ER - TY - CHAP A1 - Brackx, Fred A1 - De Schepper, Hennie A1 - Lagae, Johan T1 - Mathematical model of the laminated frame for a dome N2 - On the basis of the little material available (an architecture plan and some photographs) a computer model is developed for a bullet shaped dome, part of the Belgian Congo pavilion, created by the architect Henry Lacoste for the International Colonial Exhibition of 1931 in Paris. The ingenious and elegant wooden skeleton of the dome is approximated in two stages. The first approximation focusses on the curves traced on the dome by the wooden laminae, which appear to be loxodromes, cutting the meridians by a constant angle. In a second approximation the very specific joints of the laminae are taken into consideration. The resulting computer image shows an astonishing resemblance with the photographs. Finally, the shapes and dimensions of all laminae are calculated, enabling a possible reconstruction of the dome. KW - Kuppel KW - Sandwichbauweise KW - Mathematisches Modell Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20111215-2803 ER - TY - THES A1 - Pastohr, Henry T1 - Thermodynamische Modellierung eines Aufwindkraftwerkes T1 - Thermodynamical modelling of an upwind power plant N2 - Die Energieversorgung auf der Erde wird zukünftig zu einem Problem. Bedingt ist dies durch eine fortschreitende Verknappung der natürlichen Ressourcen, wie Kohle, Gas und Öl sowie einer Zunahme der CO2-Konzentration und anderer Schadstoffe in der Atmosphäre. Regenerative Energiequellen müssen genutzt werden, um den steigenden Energiebedarf zu sichern. Eine interessante Möglichkeit zur Nutzung der Solarenergie stellt das Aufwindkraftwerk dar. Das Aufwindkraftwerk besteht aus einem Kamin, um den ein Glasdachkollektor auf dem Erdboden angeordnet ist. Am Fuße des Kamins befinden sich Turbinen und Generatoren. Die einfallende Solarenergie wird hauptsächlich über die Wechselwirkung mit dem Erdreich in thermische Energie, in kinetische Energie, in Rotationsenergie und in elektrische Energie umgewandelt. Das Ziel der Arbeit bestand in der physikalisch-mathematischen Modellierung, der genaueren Erkennung des Wirkprinzips und der Diskussion der Anlagenparameter Leistung und Wirkungsgrad. Im Rahmen dieser Aufgabe wurden dazu stationäre und instationäre Computational Fluid Dynamic (CFD) Modelle und stationäre und instationäre vereinfachte Modelle entwickelt, diskutiert und miteinander verglichen. Grundlegend neue Erkenntnisse wurden bei den Verläufen der Temperaturen im Kollektor, insbesondere der Erdoberflächentemperatur erreicht. Parameteranpassungen im Wärmeübergangsmodell und Widerstandsmodell führten für vier ausgewählte, stationäre Sonnenenergien auf eine gute Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen (Temperaturhub, Druckentnahme, Leistung und Wirkungsgrad) des stationären, hybriden Modells und des stationären CFD-Modells. Weiterhin stimmen die lokalen Größen Wärmeübergangskoeffizient, Erdoberflächentemperatur, Lufttemperatur und Glasdachtemperatur gut zwischen den Modellen überein. Mit dem CFD Modell wurden der Prototyp und 3 Großkraftwerke berechnet. Mit dem entwickelten instationären FDM-Modell wurden erstmalig numerische Langzeitsimulationen (1 Jahr) durchgeführt. Zur Überprüfung des Modells wurden die Ergebnisse mit Messwerten aus Manzanares verglichen, wobei eine gute Übereinstimmung erreicht werden konnte. Das Verständnis für die stattfindenden thermodynamischen und strömungsmechanischen Prozesse in einem Aufwindkraftwerk konnte durch die Arbeit maßgeblich verbessert werden. N2 - The energy supply on our earth will become a problem in future. This is conditional by a shortage of the natural source, like coal, gas and oil, as well as an increase in the concentration of gasous CO2 in the atmosphere. Regenerative energy sources must be used more increasingly to saveguard the increasing energy consumption. Upwind power plants represent an interesting possibility for the use of solar energy. The upwind power plant consist of an collector, an chimney and one ore several turbines. The collector heats the air by the interaction with the ground. The glass reflects the infrared radiation of the ground. The Chimney provides a large density difference between the collector exit and the atmosphere. The goal of this work was the mathematical und physical modelling of the thermodynamics in and around an upwind power plant. Steady and unsteady CFD models and steady and unsteady simplified models were developed and compared. Basically new knowledge was reached at the courses of the temperatures in the collector. A very good agreement between the results of the steady hybrid model and the steady CFD model (temperature difference of the collector, pressure at the turbine, power and degree of effectiveness) could be found for four solar energies. Furthermore, the local values of heat-transfer coefficient, soil temperature, temperature of the fluid and the temperature of the glass roof compare very well beetwen the models. The prototyp manzanares and three large power plants were solved with the developed CFD model. Numeric long time simulations (1 year) were carried out for the first time with the developed unsteady Finite-Difference-Model. The model was compared with results of the project Manzanares. A good agreement was found. The knowledge of the thermodynamical und fluid dynamical processes in an upwind power plant were improved substantial by this work. KW - Aufwindkraftwerk KW - Numerische Strömungsmechanik KW - Mathematisches Modell KW - Thermodynamik KW - Sonnenenergie KW - Sonnenkollektor KW - upwind power plant KW - CFD KW - mathematical modelling KW - thermodynamics KW - solar energy Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20040803-867 ER - TY - THES A1 - Thürmer, Konrad T1 - Ausbreitungsmechanismen von Suspensionen zur Restaurierung stehender Gewässer am Beispiel des Schmalen Luzin KW - Stehendes Gewässer KW - Suspension KW - Ausbreitung KW - Mathematisches Modell KW - Gewässersanierung KW - Seerestaurierung KW - Schmale Luzin KW - Ausbreitungsvorgänge KW - Freistrahlen KW - Wirbelringe Y1 - 2000 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20040311-778 ER -