620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Alkaline methanol oxidation is an important electrochemical process in the design of efficient fuel cells. Typically, a system of ordinary differential equations is used to model the kinetics of this process. The fitting of the parameters of the underlying mathematical model is performed on the basis of different types of experiments, characterizing the fuel cell. In this paper, we describe generic methods for creation of a mathematical model of electrochemical kinetics from a given reaction network, as well as for identification of parameters of this model. We also describe methods for model reduction, based on a combination of steady-state and dynamical descriptions of the process. The methods are tested on a range of experiments, including different concentrations of the reagents and different voltage range.
The general method of topological reduction for the network problems is presented on example of gas transport networks. The method is based on a contraction of series, parallel and tree-like subgraphs for the element equations of quadratic, power law and general monotone dependencies. The method allows to reduce significantly the complexity of the graph and to accelerate the solution procedure for stationary network problems. The method has been tested on a large set of realistic network scenarios. Possible extensions of the method have been described, including triangulated element equations, continuation of the equations at infinity, providing uniqueness of solution, a choice of Newtonian stabilizer for nearly degenerated systems. The method is applicable for various sectors in the field of energetics, including gas networks, water networks, electric networks, as well as for coupling of different sectors.
Fundamental hydrogen storage properties of TiFe-alloy with partial substitution of Fe by Ti and Mn
(2020)
TiFe intermetallic compound has been extensively studied, owing to its low cost, good volumetric hydrogen density, and easy tailoring of hydrogenation thermodynamics by elemental substitution. All these positive aspects make this material promising for large-scale applications of solid-state hydrogen storage. On the other hand, activation and kinetic issues should be amended and the role of elemental substitution should be further understood. This work investigates the thermodynamic changes induced by the variation of Ti content along the homogeneity range of the TiFe phase (Ti:Fe ratio from 1:1 to 1:0.9) and of the substitution of Mn for Fe between 0 and 5 at.%. In all considered alloys, the major phase is TiFe-type together with minor amounts of TiFe2 or \b{eta}-Ti-type and Ti4Fe2O-type at the Ti-poor and rich side of the TiFe phase domain, respectively. Thermodynamic data agree with the available literature but offer here a comprehensive picture of hydrogenation properties over an extended Ti and Mn compositional range. Moreover, it is demonstrated that Ti-rich alloys display enhanced storage capacities, as long as a limited amount of \b{eta}-Ti is formed. Both Mn and Ti substitutions increase the cell parameter by possibly substituting Fe, lowering the plateau pressures and decreasing the hysteresis of the isotherms. A full picture of the dependence of hydrogen storage properties as a function of the composition will be discussed, together with some observed correlations.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Resorcinol-Formaldehyd-Aerogele zur Anwendung in Kreislaufwärmerohren (LHP) als Dochtmaterial entwickelt. Aerogele als Dochtmaterial bilden aufgrund der hohen Porosität und der effektiven Kapillarwirkung eine gute Grundvoraussetzung für Stoff- und Wärmetransport. Diese Eigenschaften können zu einer Verbesserung der Kühlleistung einer Wärmepumpe beitragen. Dazu wurden Aerogele in Dochtform synthetisiert und anschließend erfolgte die Bestimmung der skelettalen Dichte, umhüllenden Dichte, Porosität und Gaspermeabilität. Zusätzlich wurde ein Test zum Schwellverhalten entwickelt. Außerdem wurden die Proben zur Fa. Allatherm gesendet, um die Anforderungen an die entwickelten RFAerogele in Dochtform zu prüfen. Die mechanische Bearbeitbarkeit der Aerogele konnte verbessert werden. Die Porosität und die Gaspermeabilität der untersuchten Aerogele lagen in einem optimalen Bereich. Nur die Durchgangsporengröße der Aerogele, die mittels Gasblasendruck-Analyse bestimmt wurde, benötigt weitere Rezeptentwicklungen und Messungen, um die größte Durchgangspore in Richtung 1 µm einzugrenzen.
The simultaneous operation of multiple different semiconducting metal oxide (MOX) gas sensors is demanding for the readout circuitry. The challenge results from the strongly varying signal intensities of the various sensor types to the target gas. While some sensors change their resistance only slightly, other types can react with a resistive change over a range of several decades. Therefore, a suitable readout circuit has to be able to capture all these resistive variations, requiring it to have a very large dynamic range. This work presents a compact embedded system that provides a full, high range input interface (readout and heater management) for MOX sensor operation. The system is modular and consists of a central mainboard that holds up to eight sensor-modules, each capable of supporting up to two MOX sensors, therefore supporting a total maximum of 16 different sensors. Its wide input range is archived using the resistance-to-time measurement method. The system is solely built with commercial off-the-shelf components and tested over a range spanning from 100Ω to 5 GΩ (9.7 decades) with an average measurement error of 0.27% and a maximum error of 2.11%. The heater management uses a well-tested power-circuit and supports multiple modes of operation, hence enabling the system to be used in highly automated measurement applications. The experimental part of this work presents the results of an exemplary screening of 16 sensors, which was performed to evaluate the system’s performance.
Die Matrix ist eine der entscheidenden Hauptkomponenten oxidkeramischer Faserverbundwerkstoffe (Ox-CMCs). Im Herstellungsprozess stellen typischerweise keramische Schlicker die Ausgangsbasis für die spätere Ausbildung der Matrix im CMC dar. Die Aufbereitungsart und -dauer keramischer Schlicker haben dabei wesentlichen Einfluss auf die Verarbeitungseigenschaften des Schlicker und die Eigenschaften der späteren Matrix. In dieser Arbeit wird der Einfluss verschiedener Aufbereitungsparameter auf die Schlickereigenschaften und das Sinterverhalten untersucht. Dazu werden zwei Aufbereitungsverfahren, Planeten- und Ringspaltkugelmühle, eingesetzt sowie Mahlkörpermaterialien (Al2O3 und ZrO2), Additive (Glycerin) und Aufbereitungsdauer gezielt verändert. Es wurden Partikelgrößenverteilung, Rheologie und Feststoffgehalt ermittelt, sowie die Mikrostruktur und Schwindung analysiert. Im Vergleich zur Ringspaltkugelmühle konnte eine definierte Partikelgrößenverteilung mit der Planetenkugelmühle bereits nach einem Drittel der Zeit erreicht werden. Zusätzlich wird mit zunehmender Mahldauer auch die Neigung zur Thixotropie beobachtet. Bei zu langer Aufbereitungsdauer, aber fast identischer Partikelgrößenverteilung führt dieser Effekt zu Problemen bei der Herstellung von Ox-CMCs über das Wickelverfahren. Insgesamt ist dieses Verhalten stärker ausgeprägt bei Schlickern mit wenig Glyceringehalt. Gleichzeitig werden bei Schlickern mit gleichen Feststoffanteilen, aber höherem Glycerinanteil niedrigere Viskositäten gemessen. Mit zunehmendem Glyceringehalt steigt der Gewichtsverlust, jedoch nimmt die Sinterschwindung der Proben ab. Die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse können für die Optimierung des Wicklungsprozesses zur CMC-Herstellung genutzt werden.
Abschlussbericht zum BMBF-Fördervorhaben Enabling Infrastructure for HPC-Applications (EI-HPC)
(2020)
Failure prognostic builds up on constant data acquisition and processing and fault diagnosis and is an essential part of predictive maintenance of smart manufacturing systems enabling condition based maintenance, optimised use of plant equipment, improved uptime and yield and to prevent safety problems. Given known control inputs into a plant and real sensor outputs or simulated measurements, the model-based part of the proposed hybrid method provides numerical values of unknown parameter degradation functions at sampling time points by the evaluation of equations that have been derived offline from a bicausal diagnostic bond graph. These numerical values are computed concurrently to the constant monitoring of a system and are stored in a buffer of fixed length. The data-driven part of the method provides a sequence of remaining useful life estimates by repeated projection of the parameter degradation into the future based on the use of values in a sliding time window. Existing software can be used to determine the best fitting function and can account for its random parameters. The continuous parameter estimation and their projection into the future can be performed in parallel for multiple isolated simultaneous parametric faults on a multicore, multiprocessor computer.
The proposed hybrid bond graph model-based, data-driven method is verified by an offline simulation case study of a typical power electronic circuit. It can be used to implement embedded systems that enable cooperating machines in smart manufacturing to perform prognostic themselves.
AErOmAt Abschlussbericht
(2020)
Das Projekt AErOmAt hatte zum Ziel, neue Methoden zu entwickeln, um einen erheblichen Teil aerodynamischer Simulationen bei rechenaufwändigen Optimierungsdomänen einzusparen. Die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (H-BRS) hat auf diesem Weg einen gesellschaftlich relevanten und gleichzeitig wirtschaftlich verwertbaren Beitrag zur Energieeffizienzforschung geleistet. Das Projekt führte außerdem zu einer schnelleren Integration der neuberufenen Antragsteller in die vorhandenen Forschungsstrukturen.