Hochschule für Technik und Umwelt FHNW

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Anfangsdatum: 2023Thema: search.filters.subject.620 - Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

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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, Daniel
    05 - Forschungs- oder Arbeitsbericht
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    Publikation
    Hydrothermale Karbonisierung von Klärschlamm und Gülle im Labormassstab
    (Hochschule für Technik FHNW, 18.08.2023) Egolf, Tim; Vogel, Frédéric
    In 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 Arbeit
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    Publikation
    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, Silvia
    This 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 Arbeitsbericht
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    Publikation
    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, Felix
    Photonic 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 Konferenzschrift
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    Publikation
    A novel measurement system for unattended, in situ characterization of carbonaceous aerosols
    (Copernicus, 22.12.2023) Keller, Alejandro; Specht, Patrick; Steigmeier, Peter; Weingartner, Ernest
    Carbonaceous 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
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    Publikation
    Waveguide based passively demodulated photothermal interferometer for light absorption measurements of trace substances
    (Optica Publishing Group, 2023) Visser, Bradley; Bilal, Jonas; Flöry, Nikolaus; Wipf, Manuela; Steigmeier, Peter; Rüggeberg, Tobias; Betschon, Felix; Weingartner, Ernest
    01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift
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    Publikation
    Quantum logical controlled-NOT gate in a lithium niobate-on-insulator photonic quantum walk
    (Institute of Physics Publishing, 17.11.2023) Chapman, Robert J; Häusler, Samuel; Finco, Giovanni; Kaufmann, Fabian; Grange, Rachel
    The two-qubit controlled-NOT gate is one of the central entangling operations in quantum information technology. The controlled-NOT gate for single photon qubits is normally realized as a network of five individual beamsplitters on six optical modes. Quantum walks (QWs) are an alternative photonic architecture involving arrays of coupled waveguides, which have been successful for investigating condensed matter physics, however, have not yet been applied to quantum logical operations. Here, we engineer the tight-binding Hamiltonian of an array of lithium niobate-on-insulator waveguides to experimentally demonstrate the two-qubit controlled-NOT gate in a QW. We measure the two-qubit transfer matrix with 0.938 ± 0.003 fidelity, and we use the gate to generate entangled qubits with 0.945 ± 0.002 fidelity by preparing the control photon in a superposition state. Our results highlight a new application for QWs that use a compact multi-mode interaction region to realize large multi-component quantum circuits.
    01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift