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 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 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 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 ZeitschriftPublikation Investigation of flow fields emanating from two parallel inlet valves using LES, PIV, and POD(MDPI, 2023) Hoffmann, Jana; Vera Tudela, Walter; Mirsch, Niklas; Wüthrich, Dario; Schneider, Bruno; Günther, Marco; Pischinger, Stefan; Weiss, Daniel; Herrmann, KaiUnderstanding cycle-to-cycle variations (CCV) is of practical importance for the combustion of fossil and renewable fuels, as increasingly stringent emission regulations require reductions in the negative effects of such variations. The subject of this study is the flow around inlet valves, since oscillations of such inlet flows affect the flow structure in the cylinder and are thus one of the causes of CCV. To this end, a parametric analysis of the influences of the mass flow rate and valve lift of two parallel engine intake valves on the flow structures is performed. This follows on from an earlier similar study where the flow around a single intake valve was investigated. To analyse the flow behaviour and, in particular, the interactions of the flow leaving these two valves, an optical test rig for 2D particle image velocimetry (PIV) and a large eddy simulation (LES) are used. Proper orthogonal decomposition (POD), together with a quadruple decomposition and the Reynolds stress transport equations, are used to study the turbulence phenomena. The PIV and LES results are in good agreement with each other. The detailed LES analysis of the flow structures shows that, for small valve lifts, the flow separates along the whole perimeter of the intake valve, and for larger valve lifts, the flow escapes only to one side. This is, for combustion engines with the tumble concept, the stage at which the tumble movement develops. Moreover, the flow structures are strongly influenced by the valve lift, while they are unaffected by the variation in the mass flow. The turbulent kinetic energy in the flow field increases quadratically with a decreasing valve lift and increasing mass flow. The large, high-energetic flow structures are particularly dominant near the jet, and the small, low-energetic structures are homogeneously distributed within the flow field. The specific Reynolds stress transport equation shows the limitations of two-dimensionality and large timesteps in the PIV results and the limitations of the LES model.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Tätigkeitsbericht 2023(Institut für Automation, Hochschule für Technik FHNW, 04.04.2024) Isler, Rolf; Gabrys, JadwigaTätigkeitsberichte über aktuelle Forschungsprojekte, die im Institut im Jahr 2023 bearbeitet wurden.05 - Forschungs- oder ArbeitsberichtPublikation A novel measurement system for unattended, in situ characterization of carbonaceous aerosols(Copernicus, 22.12.2023) Keller, Alejandro; Specht, Patrick; Steigmeier, Peter; Weingartner, ErnestCarbonaceous aerosol is a relevant constituent of the atmosphere in terms of climate and health impacts. Nevertheless, measuring this component poses many challenges. There is currently no simple and sensitive commercial technique that can reliably capture its totality in an unattended manner, with minimal user intervention, for extended periods of time. To address this issue we have developed the fast thermal carbon totalizator (FATCAT). Our system captures an aerosol sample on a rigid metallic filter and subsequently analyses it by rapidly heating the filter directly, through induction, to a temperature around 800°C. The carbon in the filter is oxidized and quantified as CO2 in order to establish the total carbon (TC) content of the sample. The metallic filter is robust, which solves filter displacement or leakage problems, and does not require a frequent replacement like other measurement techniques. The limit of detection of our system using the 3σ criterion is TC =0.19 µg-C (micrograms of carbon). This translates to an average ambient concentration of TC =0.32 µg-C m^−3 and TC =0.16 µg-C m^−3 for sampling interval of 1 or 2 h respectively using a sampling flow rate of 10 L min^−1. We present a series of measurements using a controlled, well-defined propane flame aerosol as well as wood-burning emissions using two different wood-burning stoves. Furthermore, we complement these measurements by coating the particles with secondary organic matter by means of an oxidation flow reactor. Our device shows a good correlation (correlation coefficient, R^2>0.99) with well-established techniques, like mass measurements by means of a tapered element oscillating microbalance and TC measurements by means of thermal–optical transmittance analysis. Furthermore, the homogeneous fast-heating of the filter produces fast thermograms. This is a new feature that, to our knowledge, is exclusive of our system. The fast thermograms contain information regarding the volatility and refractoriness of the sample without imposing an artificial fraction separation like other measurement methods. Different aerosol components, like wood-burning emissions, soot from the propane flame and secondary organic matter, create diverse identifiable patterns.01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift