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, Daniel
    05 - Forschungs- oder Arbeitsbericht
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    Publikation
    Windsichter mit Zyklon
    (Hochschule für Technik FHNW, 27.03.2016) Cvetkovic, Darko; Vogel, Frédéric
    Ausgangslage: 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 Arbeit
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    Publikation
    Equation of state and thermodynamic properties for mixtures of H2O,O2, N2, and CO2 from ambient up to 1000 K and 280 MPa
    (Elsevier, 05.03.2019) Mangold, Fabienne; Pilz, Stephan; Bjelic, Sasa; Vogel, Frédéric
    Supercritical water oxidation (SCWO) is an effective technique to treat wet organic wastes. Its modeling requires an accurate calculation of thermodynamic properties. In this work an equation of state (EOS) is proposed which accurately predicts the thermodynamic state of mixtures of water, oxygen, nitrogen, and carbon dioxide for a wide range of compositions, temperatures, and pressures including supercritical conditions. The EOS includes a volume translation, an evolved alpha-function and non-quadratic mixing rules. The introduced parameters are regressed to experimental data. From the pressure-explicit EOS, enthalpy, specific heats at constant volume and constant pressure, and fugacity coefficients are derived and calculated. The binary mixtures H2O/O2, H2O/N2, H2O/CO2, N2/CO2 as well as the ternary mixture H2O/O2/N2 are well predicted by the proposed EOS with relative errors below 10% and 15%, respectively. The region of low temperature and high pressure is most difficult to predict with relative errors up to 20%.
    01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift
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    Publikation
    A prototype system for the hydrothermal oxidation of feces
    (Elsevier, 14.11.2022) Affolter, Joël; Brunner, Thomas; Hagger, Nicola; Vogel, Frédéric
    To 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 Zeitschrift
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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
    Hydrothermal oxidation of fecal sludge. Experimental investigations and kinetic modeling
    (American Chemical Society, 17.10.2016) Hübner, Tobias; Roth, Markus; Vogel, Frédéric
    Hydrothermal 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 Zeitschrift
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    Publikation
    Fremdstoffe in biogenen Abfällen
    (Hochschule für Technik FHNW, 24.06.2024) Moser, Lukas; Tschan, Robin; Temperli, Hansjörg; Leber, Michelle; Mandaliev, Petar; Annelies Uebersax, Biomasse Suisse
    Ziel 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 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
    Partitioning of reactive nitrogen (NOy) and dependence on meteorological conditions in the lower free troposphere
    (Copernicus, 19.06.2003) Zellweger, Christoph; Forrer, Jann; Hofer, Peter; Nyeki, Stephan; Schwarzenbach, Beat; Weingartner, Ernest; Ammann, Markus; Baltensperger, Urs
    Results of continuous nitrogen oxide (NO), nitrogen dioxide (NO2), peroxyacetyl nitrate (PAN) and total reactive nitrogen (NOy) measurements along with seasonal field campaigns of nitric acid (HNO3) and particulate nitrate (NO3-) measurements are presented for a two-year period at the high-alpine research station Jungfraujoch (JFJ), 3580 m asl. The NOy mixing ratio and partitioning is shown to strongly depend on meteorological conditions. Knowledge of these meteorological transport processes allows discrimination between undisturbed (i.e. clean) and disturbed (i.e. influenced by regional pollution sources) free tropospheric (FT) conditions at the JFJ. Median NOy concentrations during undisturbed FT periods ranged from 350 pptv (winter, December to February) to 581 pptv (spring, March to May). PAN was found to be the dominant NOy species during spring and summer, whereas NO2 was most abundant during autumn and winter. Particulate nitrate was found to contribute significantly to total NOy during thermally induced vertical transport. Föhn events, synoptical lifting (e.g. fronts) and thermally induced vertical transport resulted in mixing ratios up to 10 times higher at the JFJ compared to undisturbed FT conditions. Furthermore, this meteorological variability of the NOy concentration and partitioning often dominated the seasonal variability. As a consequence the use of filters at the JFJ (and other mountainous sites) is crucial for the interpretation of data from such measurement sites. This study presents a further development of meteorological filters for the high-alpine site Jungfraujoch, which also could be modified and adapted to other mountainous measurement sites.
    01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift
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    Publikation
    Saharan dust events at the Jungfraujoch. detection by wavelength dependence of the single scattering albedo and first climatology analysis
    (Copernicus, 08.12.2004) Collaud Coen, Martine; Weingartner, Ernest; Schaub, D.; Hueglin, Christoph; Corrigan, C.; Henning, Silvia; Schwikowski, Margit; Baltensperger, Urs
    Scattering and absorption coefficients have been measured continuously at several wave-lengths since March 2001 at the high altitude site Jungfraujoch (3580ma.s.l.). From these data, the wavelength dependences of the Ångström exponent and particularly of the single scattering albedo are determined. While the exponent of the single scattering albedo usually increases with wavelength, it decreases with wavelength during Saharan dust events (SDE) due to the greater size of the mineral aerosol particles and their different chemical composition. This change in the sign of the single scattering exponent turns out to be a sensitive means for detecting Saharan dust events. The occurrence of SDE detected by this new method was confirmed by visual in-spection of filter colors and by studying long-range back-trajectories. An examination of SDE over a 22-month period shows that SDE are more frequent during the March-June period as well as during October and November. The trajectory analysis indicated a mean traveling time of 96.5h, with the most important source countries situated in the northern and north-western part of the Saharan desert. Most of the SDE do not lead to a detectable increase of the 48-h total suspended particulate matter (TSP) concentration at the Jungfraujoch. During Saharan dust events, the average contribution of this dust to hourly TSP at the Jungfraujoch is 16µg/m³, which corresponds to an annual mean of 0.8µg/m³ or 24% of TSP.
    01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift