Hochschule für Technik und Umwelt FHNW
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Publikation High order dynamic mode decomposition for mechanical vibrations and modal analysis(HAL, 2023) Tuor, Andreas; Canzani, Nico; Rüggeberg, Tobias; Gorenflo, Stefan; Simons, Gerd; Bättig, Bruno; Iseli, Daniel05 - Forschungs- oder ArbeitsberichtPublikation A prototype system for the hydrothermal oxidation of feces(Elsevier, 14.11.2022) Affolter, Joël; Brunner, Thomas; Hagger, Nicola; Vogel, FrédéricTo ensure access to safe sanitation facilities in rural communities, cheap off-grid technologies need to be developed to substitute pit latrines and open defecation. In this study, we present a prototype system based on hydrothermal oxidation, which, under optimal conditions, converts a fecal sludge simulant almost completely to CO2 and water, leaving behind only a carbon-poor aqueous phase with the minerals. The prototype has been designed to process the feces from two households. This technology does not only enable a fast and complete conversion, but is potentially also very energy efficient, as the feed does not require any pre-treatment or drying. The system was found to effectively remove 97–99% of the total organic carbon within a reaction time of 600 s under an external energy demand of roughly 4 kWh per kilogram of wet feces by using the oxygen in air as an oxidant. A total of ten experiments with varying injection pressure, total solids content of the feed, and residence time in the reactor were performed to find experimental settings with high conversion. Only when the residence time was decreased from 600 to 300 s did the conversion fall significantly below 97%. To reach a target value of 99.9% TOC conversion, the reactor temperature and/or the residence time must be increased further. To achieve a system applicable in regions with no connection to the energy grid, the thermal loss of the reactor insulation needs to be lowered further to achieve an overall thermally self-sustaining operation.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Hydrothermale Karbonisierung von Klärschlamm und Gülle im Labormassstab(Hochschule für Technik FHNW, 18.08.2023) Egolf, Tim; Vogel, FrédéricIn der Schweiz entspricht das gesamte jährliche, energetische Potential, welches chemisch in Klärschlamm gebunden ist rund 5 PJ. Bei Gülle und Mist sind es knapp 49 PJ. Da Klärschlamm verbrannt werden muss, wird dieser vorab mechanisch entwässert und teilweise noch thermisch getrocknet. Besonders der zweite Schritt der Trocknung benötigt dabei viel Energie, weshalb alternative Möglichkeiten gesucht werden, den Klärschlamm für die Verbrennung aufzubereiten. Auch für überschüssige Gülle, welche nicht zum Düngen auf landwirtschaftlichen Feldern genutzt werden kann, würde sich eine solche Aufbereitung und anschliessende Nutzung als Brennstoff anbieten. Dies wäre besonders auch interessant, wenn in Zukunft durch vermehrtes Nährstoffrecycling einem Teil der Gülle die Funktion als Düngemittel verloren gehen würde. Ein alternatives Verfahren zur Entwässerung nasser Biomasse stellt die hydrothermale Karbonisierung (HTC) dar. In einem Reaktor wird das Substrat typischerweise bei 200 °C und 20 bar Druck innert weniger Stunden in einen braunkohleartigen Festbrennstoff umgewandelt. Dies gelingt, indem hauptsächlich durch Hydrolyse- und Dehydratisierungsreaktionen chemisch gebundenes Wasser und CO2 von der Biomasse abgeschieden werden. Dabei verringert sich die Molekülgrösse, der Kohlenstoffanteil steigt und damit auch der Brennwert. In einer Reihe von HTC-Batchversuchen mit Klärschlamm und Gülle im Labor wurde die Aufkonzentrierung des Trockensubstanzgehalts der Biomasse sowie deren Ansäuerung mit verdünnter Schwefelsäure untersucht. Dafür wurde ein Labordruckreaktor des Modells «kiloclave» von der Firma Büchi AG verwendet. Im Vordergrund der Untersuchungen stand die energetische Nutzung der erhaltenen Karbonisate. Die Ergebnisse wurden wo möglich jeweils mit Resultaten einer kontinuierlich arbeitenden Pilotanlage der Firma Mehli in Chur verglichen. Dabei musste berücksichtigt werden, dass gewisse Parameter wie zum Beispiel der Trockensubstanzgehalt der Ausgangssubstrate, nicht immer bei beiden Systemen identisch waren. Die Ergebnisse zeigten, dass durch die Trockensubstanz-Aufkonzentrierung mehr Energie von der Ausgangs-Biomasse in das Karbonisat überführt werden konnte, da sich besonders auch mehr Feststoffmasse vom Klärschlamm, beziehungsweise der Gülle im Karbonisat wiederfand. Durch eine Ansäuerung der Biomasse liess sich die Massenausbeute hingegen kaum verbessern. Die Brennwerte der Karbonisate waren über alle Versuche hinweg höher als jene der entsprechenden Ausgangssubstrate. Durch die Aufkonzentrierung und die Ansäuerung konnten jedoch nur kleine Steigerungen erreicht werden. Maximal wurde durch die Ansäuerung auf pH 2.0 eine Steigerung von 1.1 MJ/kg für Karbonisat aus Klärschlamm und 0.3 MJ/kg für Karbonisat aus Gülle erzielt. Daraus wurde abgeleitet, dass sich die Trockensubstanz-Aufkonzentrierung zur energetischen Optimierung des HTC-Karbonisats besser eignet als die Ansäuerung. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass sich dadurch auch mehr Organik im Prozesswasser löst und dieses dadurch stärker belastet ist. Es dürfte also auch schwieriger werden, dieses Nebenprodukt für die Einleitung in eine Abwasserreinigungsanlage aufzubereiten. Der Einsatz von Schwefelsäure schien sich zwar für die energetische Optimierung der HTC-Karbonisate nicht zu eignen, jedoch wären hierzu weitere Untersuchungen in Bezug auf die stoffliche Verwertung der Karbonisate interessant. So wurde in einer anderen Studie zum Beispiel eine bessere Löslichkeit von Phosphor in Zusammenhang mit einer Säurezugabe zur Biomasse beobachtet. IV Bei den Verbrennungsversuchen in einem Einzelpelletofen wurde festgestellt, dass der Grenzwert für Stickoxid-Emissionen von Holzfeuerungen mit allen HTC-Karbonisaten deutlich überschritten werden. Der Kohlenstoffmonoxid-Grenzwert wird zwar eingehalten, ist bei den Gülle-Karbonisaten aber um ein Vielfaches höher als bei Holz oder Klärschlamm-Karbonisat. Aus diesen Erkenntnissen lässt sich sagen, dass die untersuchten HTC-Karbonisate nicht für eine herkömmliche Holzfeuerung geeignet sind. Für die Verbrennung sind stickoxidreduzierende Massnahmen nötig wie beispielsweise das Einspritzen von Ammoniak zur Reduktion von NOx zu elementarem Stickstoff. Um die hohen CO-Emissionen bei den Karbonisaten aus Gülle zu senken, könnte zum Beispiel noch eine Abgasrückführung umgesetzt werden, um Kohlenstoffmonoxid in einem zweiten Schritt vollständig zu CO2 zu oxidieren.11 - Studentische ArbeitPublikation Holzvergasung von PU-verleimtem Restholz(Hochschule für Technik FHNW, 24.06.2024) Oester, Marc; Batu, Shevin; Baumann, Mario; Kamber, Sebastian; Wacker, Gian; Mandaliev, Petar; Dr. Horst MatzkeDie Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Verwertung von PU verleimtem Restholz aus der Verarbeitung von Holzprodukten in einem lokalen Holzheizkraftwerk wie der LiPRO Anlage der Flück AG eine vielversprechende und ökologisch sowie ökonomisch sinnvolle Verwertungsmöglichkeit darstellen kann. Das anfallende Restholz unterscheidet sich hinsichtlich der Holzart (hauptsächlich Tanne und Fichte) nicht von naturbelassenen Waldholzhackschnitzeln. Ein Teil des Restholzes enthält Polyurethanleim aus der Verleimung der Holzkomponenten. Bei einer angenommenen Leimfugendicke von durchschnittlich 0.1 mm ergeben sich für die gängigsten Restholzstücke aus dem Abbundbetrieb der Flück AG durchschnittliche Mengen von < 0.6 bis < 11.9 Liter PU-Leim pro Kubikmeter Holz. Eine Vorbehandlung des Holzes bei diesen geringen Mengen PU-Leim zur Entfernung der Leimschicht ist nach heutigem Stand der Technik weder ökologisch noch ökonomisch sinnvoll. Die Auswertung der externen Messungen hat gezeigt, dass bei der Verbrennung und Vergasung von naturbelassenen Holzschnitzeln im Holzheizkraftwerk der Firma Flück AG Emissionswerte resultieren, welche die Vorgaben der LRV deutlich unterschreiten. Für die überwiegende Zahl der Parameter existieren jedoch keine LRV-Grenzwerte für den gemessenen Anlagentyp (siehe Bericht NoxaQuant, Anhang F). Es ist denkbar, dass auch für PU-verleimtes Restholz die Emissionswerte im gesetzlich gegebenen Rahmen bleiben. Dies sollte allerdings für verschiedene Kombinationen von Holzresten überprüft werden.11 - Studentische ArbeitPublikation Fremdstoffe in biogenen Abfällen(Hochschule für Technik FHNW, 24.06.2024) Moser, Lukas; Tschan, Robin; Temperli, Hansjörg; Leber, Michelle; Mandaliev, Petar; Annelies Uebersax, Biomasse SuisseZiel dieser Projektarbeit ist die Hypothese zu prüfen, ob die Verwendung von Compobags einen signifikanten Einfluss auf die Menge und Art der Fremdstoffe hat, sowie eine Aussage zur Qualität des gesammelten Grünguts zu treffen. Der Vergleich zwischen Gemeinden, die Compobags erlauben, und solchen, die sie verbieten, zeigt keine signifikanten Unterschiede. Die erhobenen Daten dieser Projektarbeit weisen keinen Zusammenhang zwischen der Verwendung von Compobags und der Menge von artfremdem Abfall im Grüngut auf. Grundlage dieser Erkenntnisse sind, die von Hand durchsuchten, biogenen Abfälle. Auffällig war, dass in den gesamten 40.4 Tonnen biogenen Abfalls nur zwei Compobags gefunden wurden, die artfremden Abfall enthielten. Dies deutet darauf hin, dass Compobags nicht zur Entsorgung von artfremdem Abfall missbraucht werden. Umgekehrt kann auch nicht festgestellt werden, dass nicht abbaubare Plastiksäcke verwendet werden, um Grüngutabfall zu entsorgen. Ob die verwendeten Plastiksäcke absichtlich, versehentlich oder aus Unwissenheit verwendet wurden, kann dabei nicht gesagt werden. Die biogenen Abfälle wurden auch fotografiert. Ein direkter Vergleich zwischen der Handsortierung und den Fotos kann nicht erstellt werden, weil die Fotos nur eine unbekannte Teilmenge der Handsortierung abbilden. Dennoch ermöglichen die Fotos Rückschlüsse auf die Herkunft des artfremden Abfalls. Es zeigte sich, dass nur wenige, aber stark verschmutzte, Container den Grossteil des artfremden Abfalls und die daraus resultierende Kontaminationsrate ausmachten. Somit hängt ein Grossteil der Verschmutzung nicht mit der Verwendung von Compobags zusammen, sondern ist auf andere Einflussfaktoren zurückzuführen. Die Fotos bestätigten auch die zuvor erstellten Prognosekarten. In Quartieren, für die ein erhöhtes Risiko für artfremden Abfall prognostiziert wurde, wurde tatsächlich ein höherer Anteil an artfremdem Abfall gefunden.11 - Studentische ArbeitPublikation Fast and efficient estimation of resonant modes. A case study of mechanical drivelines(Institut für Elektrische Energietechnik, Hochschule für Technik FHNW, 28.08.2024) Rezaeizadeh, Amin; Mastellone, SilviaThis work presents the development of an online parameter estimation algorithm for the identification of resonating modes in a linear system of arbitrary order. The method employs a short-time Fourier transform of the input and output signals and uses a recursive least square (RLS) algorithm to detect resonant frequencies and damping factors of the resonant modes.05 - Forschungs- oder ArbeitsberichtPublikation Development of a waveguide-based interferometer for the measurement of trace substances(Zenodo, 07.11.2023) Weingartner, Ernest; Bilal, Jonas; Steigmeier, Peter; Jundt, Gregor; Häusler, Samuel; Lenner, Miklós; Flöry, Nikolaus; Bittner, Matthias; Betschon, FelixPhotonic integration on a chip has the potential to develop new low-cost, high-performance sensing devices. A proof of concept of the sensing capabilities of a waveguide-based photothermal interferometer for the measurement of traces of light-absorbing substances (soot particles, gases) has been achieved. The measurement principle can also be extended to a wide range of other applications such as refractive index measurements, or vibration/distance sensors. A unique feature is that the waveguide technology allows for a passive operation of the interferometer, i.e., no quadrature point control is required.04B - Beitrag KonferenzschriftPublikation Air cleaners and respiratory infections in schools. A modeling study using epidemiological, environmental, and molecular data(Oxford University Press, 30.12.2023) Banholzer, Nicolas; Jent, Philipp; Bittel, Pascal; Zürcher, Kathrin; Furrer, Lavinia; Bertschinger, Simon; Weingartner, Ernest; Ramette, Alban; Egger, Matthias; Hascher, Tina; Fenner, LukasAbstractBackgroundUsing a multiple-measurement approach, we examined the real-world effectiveness of portable HEPA-air filtration devices (air cleaners) in a school setting.MethodsWe collected environmental (CO2, particle concentrations), epidemiological (absences related to respiratory infections), audio (coughing), and molecular data (bioaerosol and saliva samples) over seven weeks during winter 2022/2023 in two Swiss secondary school classes. Using a cross-over study design, we compared particle concentrations, coughing, and the risk of infection with vs without air cleaners.ResultsAll 38 students (age 13−15 years) participated. With air cleaners, mean particle con-centration decreased by 77% (95% credible interval 63%−86%). There were no differences in CO2levels. Absences related to respiratory infections were 22 without vs 13 with air cleaners. Bayesian modeling suggested a reduced risk of infection, with a posterior probability of 91% and a relative risk of 0.73 (95% credible interval 0.44−1.18). Coughing also tended to be less frequent (posterior probability 93%). Molecular analysis detected mainly non-SARS-CoV-2 viruses in saliva (50/448 positive), but not in bioaerosols (2/105 positive) or HEPA-filters (4/160). The detection rate was similar with vs without air cleaners. Spatiotemporal analysis of positive saliva samples identified several likely transmissions.ConclusionsAir cleaners improved air quality, showed a potential benefit in reducing respiratory infections, and were associated with less coughing. Airborne detection of non-SARS-CoV-2 viruses was rare, suggesting that these viruses may be more difficult to detect in the air. Future studies should examine the importance of close contact and long-range transmission, and the cost-effectiveness of using air cleaners.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Do MCH prisms change asthenopic complaints when reading?(DOZ-Verlag, 28.06.2024) Joss, Joëlle; Jainta, StephaniePurpose. Asthenopic symptoms mostly occur during demanding near-sighted tasks and are related to binocular symptoms (e.g. heterophoria), among others. Correction of symptomatic heterophoria with prismatic glasses is one way to treat the symptoms. This study investigates the effect of wearing a horizontal prismatic correction for 6 months. Material and Methods. A total of 87 subjects were assigned to a heterophoric prism group (N=32), a heterophoric control group (N= 31) or an orthophoric control group (N= 24) according to their MCH heterophoria. In the heterophoric prism group, the subjects were prescribed glasses with a prismatic correction for 6 months according to their distance correction; in contrast, the subjects in the heterophoric control group had to wear glasses without prismatic correction for the same period. The effect of the prisms on complaints due to asthenopic symptoms was investigated by comparing the total sum obtained in the CISS questionnaire at the beginning of the study and after 6 months (before and after wearing glasses) for the 3 groups. Results. A (long-term) prism effect was not apparent in the CISS total score. In both the heterophoric prism group and in the heterophoric control group, the CISS total score increased slightly and non-significantly after 6 months. When considering the heterophoric subjects with an increased CISS score at baseline, a nevertheless slight but non-significant decrease of symptoms was observed. All changes were observed in both the heterophoric prism group and the heterophoric control group. An additional analysis using binocular profiles showed a reduction in symptoms by numbers and specifically for subjects with reduced vergence facility. Conclusion. Wearing an individual, horizontal prismatic correction had no effect on the overall CISS-score for our test subjects. Further methods that allow a systematic recording of symptoms and optometric parameters are probably necessary to observe an effect. These could be binocular profiles that classify individuals according to their binocular parameters.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Flow field investigation of a single engine valve using PIV, POD, and LES(MDPI, 2023) Hoffmann, Jana; Mirsch, Niklas; Vera Tudela, Walter; Wüthrich, Dario; Rosenberg, Jorim; Günther, Marco; Pischinger, Stefan; Weiss, Daniel; Herrmann, KaiDue to stringent emission regulations, it is of practical significance to understand cycle-to-cycle variations in the combustion of fossil or renewable fuels to reach future emission regulations. The present study aims to conduct a parametric investigation to analyse the influence of the valve lift and different mass flows of an inlet valve of the test engine “Flex-OeCoS” on the flow structures. To gain a deeper understanding of the flow behaviour, an optical test bench for 2D Particle Image Velocimetry (PIV) and a Large Eddy Simulation (LES) are used. Turbulence phenomena are investigated using Proper Orthogonal Decomposition (POD) with a quadruple decomposition and the Reynolds stress transport equation. The results show good agreement between the PIV and LES. Moreover, the main flow structures are primarily affected by valve lift while being unaffected by mass flow variation. The turbulent kinetic energy within the flow field increases quadratically to the mass flow and to the decreasing valve lift, where large high-energetic flow structures are observed in the vicinity of the jet and small low-energetic structures are homogeneously distributed within the flow field. Furthermore, the convective flux, the turbulent diffusive flux, the rate of change, and the production of specific Reynolds stress are the dominant terms within the specific Reynolds stress transport equation.01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift