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 - 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 - TY - THES A1 - Diener, Jörg T1 - Beitrag zur physikalisch und geometrisch nichtlinearen Berechnung langzeitbelasteter Bauteile aus Stahlbeton und Spannbeton unter besonderer Berücksichtigung des nichtlinearen Kriechens und der Rißbildung T1 - Physically and geometrically nonlinear analysis of reinforced and prestressed concrete members under sustained loads under consideration of nonlinear creep and cracking of concrete N2 - Der Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung eines Berechnungskonzeptes, mit dem die Auswirkungen des zeitabhängigen Materialverhaltens des Betons und der Spannbewehrung auf das Tragverhalten von Stahlbeton und Spannbetonbauteilen wirklichkeitsnah abgeschätzt werden können. Dabei wird auf die Berücksichtigung des nichtlinearen Kriechens und der Rißbildung besonderer Wert gelegt. Das Konzept basiert auf der sukzessiven Ermittlung der Schnittgrößenanteile und der Deformationen zu festgelegten Zeitpunkten, wobei die Ergebnisse der vorausgehenden Zeitschritte berücksichtigt werden können. Ausgehend von der Formulierung des mechanischen Problems als Extremalaufgabe wird die Berechnung innerhalb eines Zeitschritts auf die Lösung einer quadratischen Optimierungsaufgabe zurückgeführt, wobei die Rißbildung des Betons und geometrisch nichtlineare Einflüsse berücksichtigt werden können. Die Einbeziehung des nichtlinearen Kriechens erfolgt durch Beschleunigung der linearen Kriechgeschwindigkeit mit einem, von der aktuellen Betonspannung abhängigen Kriechzahlerhöhungsfaktor. Das Berechnungsmodell wird anhand von Langzeitversuchen an hochbelasteten Betonprismen und Stahlbetonstützen verifiziert. In umfangreichen numerischen Untersuchungen wird der Einfluß des nichtlinearen Kriechens auf das Tragverhalten von vorgespannten Querschnitten und Stahlbetonstützen analysiert. N2 - A strategy for the analysis of reinforced and prestressed concrete members under long-term loading is developed. The method allows the consideration of nonlinear creep and cracking of concrete. The concept based on the successive determination of internal forces and deformations to fixed time points. By this the results of the formrer time steps are considered. Starting from the formulation of the mechanical problem by an extremum principle the computation of a single time step is reduced to the solution of a quadratic optimization problem allowing for cracking of concrete and geometrically nonlinear effects. The nonlinear creep of concrete is taken into account by accelleration of the linear creep rate by a function depending on actual concrete stress. It will be shown that the model agrees satisfactory with long-term test data. By extensive numerical calculations the influence of nonlinear creep on the bearing resistance of reinforced concrete columns is investigated. KW - Stahlbetonbauteil KW - Kriechen KW - Rissbildung KW - Tragverhalten KW - Mathematisches Modell KW - Nichtlineare Mechanik KW - Optimierung KW - Schnittgrößenumlagerungen KW - nonlinear creep KW - cracking of concrete KW - physically and geometrically nonlinear computation KW - quadratical optimization Y1 - 1998 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20040220-446 ER -