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 Windsichter mit Zyklon(Hochschule für Technik FHNW, 27.03.2016) Cvetkovic, Darko; Vogel, FrédéricAusgangslage: Die Themen dieser Bachelor Thesis sind Windsichter und Zyklone. Die Arbeit ist eine Fortsetzung des Projekts P5 „Auslegung eines Zyklons zur Auftrennung von Holzstaub“. Der Auftraggeber dieser Projektarbeit ist Prof. Dr. Frédéric Vogel vom Institut für Biomasse und Ressourceneffizienz der Fachhochschule Nordwestschweiz. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Anlage bestehend aus einem Windsichter und einem Zyklon als Vorzeigeobjekt für den Unterricht zu bauen. Die Anlage soll als Vorzeigeobjekt im Modul Verfahrenstechnik dienen, welches von Prof. Dr. Frédéric Vogel im Bachelor-Studiengang Energie- und Umwelttechnik unterrichtet wird. Vorgehen: Zu Beginn der Arbeit wurde die Auftragsklärung durchgeführt. Es galt herauszufinden wie eine Klassierung von mehreren hundert Kilogramm Holzstaub in wenigen Stunden zu bewerkstelligen und ob dies im Rahmen der Projektarbeit realisierbar ist. Dies wurde aufgrund der resultierenden Anlagegrösse und möglicher Kosten verworfen und der Fokus wurde auf eine Anlage gelegt, welche als Vorzeigeobjekt im Unterricht genutzt werden kann. Nach der Auftragsklärung wurde das Basic Engineering gestartet. Für die Anlage wurde nach passenden Komponenten gesucht. Diese wurden in die Auslegungsberechnungen eingesetzt und mit Hilfe eines 3D-CAD Models wurde die Anlage entwickelt. Daraufhin wurden Offerten eingeholt und eine Budgetabschätzung erstellt, um die Finanzierung des Projektes zu klären. Im Detail Engineering wurde das Model optimiert, Fertigungszeichnungen erstellt und Komponenten bestellt. Nach dieser Phase folgten die Montage, Inbetriebnahme und ein erster Funktionstest. Hauptergebnisse: Die Anlage wurde im Rahmen der Projektarbeit ausgelegt, gebaut, in Betrieb genommen und getestet. Sie steht als Vorzeigeobjekt für den Unterricht zur Verfügung. Der Windsichter, die Rohrleitungen, der Behälter für das Aufgabegut, die Kübel und der Zyklon wurden aus durchsichtigem Kunststoff hergestellt. Dies erlaubt einen Einblick in die einzelnen Trennprozesse der Anlage sowie die Transportprozesse in den Rohrleitungen. Der Ventilator, der Frequenzumrichter und das Manometer sind in der Anlage fest installiert. Über den Frequenzumrichter lassen sich die Drehzahl des Ventilators und so der Luft-Volumenstrom in der Anlage steuern. Für das Aufgabegut im Unterricht wurde Kunststoffgranulat aus Polypropylen gewählt. Ein kleiner Teil des Aufgabeguts wurde geschreddert, um eine Partikelgrössenverteilung im Aufgabegut zu erreichen. Das Aufgabegut ist weich genug, um die Apparate und Rohre nicht zu verkratzen. Der Zyklon kann Partikel mit einem Durchmesser von 5 bis 25 μm abscheiden. Dies in Abhängigkeit der Beladung und des Volumenstroms. Um kleinere Partikel aus dem Luftstrom abzuscheiden, ist ein HEPA-Filter am Luftaustritt des Zyklons installiert worden. Die Luftgeschwindigkeit im Windsichter kann über den Luft-Volumenstrom berechnet werden. Den Luft-Volumenstrom kann man mithilfe der Irisblende bestimmen. Die Anlage ist in einem Gestell aus Aluminium-Profilen aufgebaut und das Gestell steht auf Rollen. Die Anlage ist so konzipiert, dass sie einfach transportiert werden kann und sie passt durch Türen und in einen Warenlift. Ausblick: Als Einsatzzweck für die Anlage sind Laborversuche für die Studierenden denkbar. Die Studierenden könnten Auslegungsrechnungen zu der gegebenen Anlage durchführen, diese mit einem Versuch auf die Probe stellen und die Resultate diskutieren. Es sind auch weitere Projekte möglich, um die Anlage zu verbessern oder zu erweitern. Die Dosiervorrichtung sollte überarbeitet werden. Zudem könnten weitere Messpunkte installiert wer-den. Es gibt Pläne, die Anlage für das Klassieren von kleinen Holzstaubchargen zu benutzen. Basierend darauf, ob sich der Windsichter für diese Aufgabe gut eignet, kann eine grössere Anlage gebaut werden, welche den gewünschten Durchsatz ermöglicht.11 - Studentische ArbeitPublikation 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 Hydrothermal oxidation of fecal sludge. Experimental investigations and kinetic modeling(American Chemical Society, 17.10.2016) Hübner, Tobias; Roth, Markus; Vogel, FrédéricHydrothermal oxidation (HTO) provides an efficient technique to completely destroy wet organic wastes. In this study, HTO was applied to treat fecal sludge at well-defined experimental conditions. Four different kinetic models were adjusted to the obtained data. Among others, a distributed activation energy model (DAEM) was applied. A total of 33 experiments were carried out in an unstirred batch reactor with pressurized air as the oxidant at temperatures of <470 °C, oxygen-to-fuel equivalence ratios between 0 and 1.9, feed concentrations between 3.9 and 9.8 molTOC L−1 (TOC = total organic carbon), and reaction times between 86 and 1572 s. Decomposition of the fecal sludge was monitored by means of the conversion of TOC to CO2 and CO. In the presence of oxygen, ignition of the reaction was observed around 300 °C, followed by further rapid decomposition of the organic material. The TOC was completely decomposed to CO2 within 25 min at 470 °C and an oxygen-to-fuel equivalence ratio of 1.2. CO was formed as an intermediate product, and no other combustible products were found in the gas. At certain reaction conditions, the formation of unwanted coke and tarlike products occurred. The reaction temperature and oxygen-to-fuel equivalence ratio showed a significant influence on TOC conversion, while the initial TOC concentration did not. Conversion of TOC to CO2 could be well described with a first-order rate law and an activation energy of 39 kJ mol−1.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation 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 Highly accurate pose estimation as a reference for autonomous vehicles in near-range scenarios(MDPI, 2021) Kälin, Ursula; Staffa, Louis; Grimm, David; Wendt, AxelTo validate the accuracy and reliability of onboard sensors for object detection and localization for driver assistance, as well as autonomous driving applications under realistic conditions (indoors and outdoors), a novel tracking system is presented. This tracking system is developed to determine the position and orientation of a slow-moving vehicle during test maneuvers within a reference environment (e.g., car during parking maneuvers), independent of the onboard sensors. One requirement is a 6 degree of freedom (DoF) pose with position uncertainty below 5 mm (3σ), orientation uncertainty below 0.3° (3σ), at a frequency higher than 20 Hz, and with a latency smaller than 500 ms. To compare the results from the reference system with the vehicle’s onboard system, synchronization via a Precision Time Protocol (PTP) and system interoperability to a robot operating system (ROS) are achieved. The developed system combines motion capture cameras mounted in a 360° panorama view setup on the vehicle, measuring retroreflective markers distributed over the test site with known coordinates, while robotic total stations measure a prism on the vehicle. A point cloud of the test site serves as a digital twin of the environment, in which the movement of the vehicle is visualized. The results have shown that the fused measurements of these sensors complement each other, so that the accuracy requirements for the 6 DoF pose can be met while allowing a flexible installation in different environments.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation The white-light humidified optical particle spectrometer (WHOPS) - a novel airborne system to characterize aerosol hygroscopicity(Copernicus, 2015) Rosati, Bernadette; Wehrle, Günther; Gysel, Martin; Zieger, Paul; Baltensperger, Urs; Weingartner, ErnestAerosol particles experience hygroscopic growth at enhanced relative humidity (RH), which leads to changes in their optical properties. We developed the white-light humidified optical particle spectrometer (WHOPS), a new instrument to investigate the particles' hygroscopic growth. Here we present a detailed technical description and characterization of the WHOPS in laboratory and field experiments. The WHOPS consists of a differential mobility analyzer, a humidifier/bypass and a white-light aerosol spectrometer (WELAS) connected in series to provide fast measurements of particle hygroscopicity at subsaturated RH and optical properties on airborne platforms. The WELAS employs a white-light source to minimize ambiguities in the optical particle sizing. In contrast to other hygroscopicity instruments, the WHOPS retrieves information of relatively large particles (i.e., diameter D > 280 nm), therefore investigating the more optically relevant size ranges. The effective index of refraction of the dry particles is retrieved from the optical diameter measured for size-selected aerosol samples with a well-defined dry mobility diameter. The data analysis approach for the optical sizing and retrieval of the index of refraction was extensively tested in laboratory experiments with polystyrene latex size standards and ammonium sulfate particles of different diameters. The hygroscopic growth factor (GF) distribution and aerosol mixing state is inferred from the optical size distribution measured for the size-selected and humidified aerosol sample. Laboratory experiments with pure ammonium sulfate particles revealed good agreement with Köhler theory (mean bias of ~3% and maximal deviation of 8% for GFs at RH = 95%). During first airborne measurements in the Netherlands, GFs (mean value of the GF distribution) at RH = 95% between 1.79 and 2.43 with a median of 2.02 were observed for particles with a dry diameter of 500 nm. This corresponds to hygroscopicity parameters (κ) between 0.25 and 0.75 with a median of 0.38. The GF distributions indicate externally mixed particles covering the whole range of GFs between ~1.0 and 3.0. On average, ~74% of the 500 nm particles had GFs > 1.5, ~15% had GF < 1.1 and the remaining ~1% showed values of 1.1 < GF < 1.5. The more hygroscopic mode sometimes peaked at GF > 2, indicating influence of sea-salt particles, consistent with previous ground-based particle hygroscopicity measurements in this area. The mean dry effective index of refraction for 500 nm particles was found to be rather constant with a value of 1.42 ± 0.04 (mean ± 1SD).01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Studying the vertical aerosol extinction coefficient by comparing in situ airborne data and elastic backscatter lidar(Copernicus, 2016) Rosati, Bernadette; Herrmann, Erik; Bucci, Silvia; Fierli, Federico; Cairo, Francesco; Gysel, Martin; Tillmann, Ralf; Größ, Johannes; Gobbi, Gian Paolo; Di Liberto, Luca; Di Donfrancesco, Guido; Wiedensohler, Alfred; Weingartner, Ernest; Virtanen, Annele; Mentel, Thomas F.; Baltensperger, UrsVertical profiles of aerosol particle optical properties were explored in a case study near the San Pietro Capofiume (SPC) ground station during the PEGASOS Po Valley campaign in the summer of 2012. A Zeppelin NT airship was employed to investigate the effect of the dynamics of the planetary boundary layer at altitudes between ∼ 50 and 800 m above ground. Determined properties included the aerosol particle size distribution, the hygroscopic growth factor, the effective index of refraction and the light absorption coefficient. The first three parameters were used to retrieve the light scattering coefficient. Simultaneously, direct measurements of both the scattering and absorption coefficient were carried out at the SPC ground station. Additionally, a single wavelength polarization diversity elastic lidar system provided estimates of aerosol extinction coefficients using the Klett method to accomplish the inversion of the signal, for a vertically resolved comparison between in situ and remote-sensing results. Note, however, that the comparison was for the most part done in the altitude range where the overlap function is incomplete and accordingly uncertainties are larger. First, the airborne results at low altitudes were validated with the ground measurements. Agreement within approximately ±25 and ±20 % was found for the dry scattering and absorption coefficient, respectively. The single scattering albedo, ranged between 0.83 and 0.95, indicating the importance of the absorbing particles in the Po Valley region. A clear layering of the atmosphere was observed during the beginning of the flight (until ∼ 10:00 LT – local time) before the mixing layer (ML) was fully developed. Highest extinction coefficients were found at low altitudes, in the new ML, while values in the residual layer, which could be probed at the beginning of the flight at elevated altitudes, were lower. At the end of the flight (after ∼ 12:00 LT) the ML was fully developed, resulting in constant extinction coefficients at all altitudes measured on the Zeppelin NT. Lidar estimates captured these dynamic features well and good agreement was found for the extinction coefficients compared to the in situ results, using fixed lidar ratios (LR) between 30 and 70 sr for the altitudes probed with the Zeppelin. These LR are consistent with values for continental aerosol particles that can be expected in this region.01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift