Informationen zu Projekten

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Adsorption, Physikalische Verfahrenstechnik

Die Motivation zur Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Adsorption erklären uns Markus Buschauer und der Doktorand M.Eng. Daniel Fickinger wie folgt: “Wenn Sie im Winter bei z. B. bei -9°C im freien Wandern, dann legen Sie sich einen dicken Wollschal vor den Mund und atmen durch diesen hindurch. Wenn Sie ausatmen nimmt der Wollschal die Energie Wärme und den Stoff Wasserdampf auf. Atmen Sie ein, dann haben Sie den Vorteil, dass gespeichertes Wasser und Wärme in den kalten trockenen Luftstrom zurückdosiert wird. Der Wollschal wirkt als ein adsorbierender Kurzzeitspeicher, ein Adsorber für Stoff und Energie. Zur Adsorption nimmt man natürlich kein dünnes Drahtgeflecht, diese Material nützt nichts, sondern eben einen dicken Wollschal. Dieser wirkt vor allem wegen seiner vielen dünnsten Fasern und der dadurch gegebenen großen inneren Oberfläche!“ Deshalb erforscht das IPP-HTW die Eigenschaften von Adsorptionsmaterialien, wie z. B Aktivkohlefaser-Gewebe, siehe Abbildung, für Wasser und Lösemittel. Durch theoretische Arbeiten und Modellbildung werden die Messergebnisse, sogenannte Adsorptions-Isothermen-Felder, als mehrdimensionale Funktionen beschrieben und dienen zur Auslegung und Optimierung technischer Apparate und Geräte.

 Aktivkohle GroßaufnahmeAktivkohle  Nahaufnahme

Detailaufnahme einer Aktivkohlegewebeprobe mit einem Elektronenrastermikroskop

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Mikroalgen, Kreislaufführung von Fluiden

Wirtschaftlichkeit, keine zusätzliche Umweltbelastung und ein minimaler Austausch mit der Umwelt ist das Ziel beim Betrieb von industriellen Fluidkreisläufen. Dazu berichtet uns PD Dr. Anneliese Ernst: „Bei der Produktion maritimer Organismen, Fische und Meeresfrüchte, für den menschlichen Verzehr unter kontrollierten Bedingungen werden natürlich auch Neben- und Abfallprodukte von diesen Lebewesen ausgeschieden. Es sind Partikel und gelöste Stoffe, wie Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor. Sie kennen das aus der Schweine- und Rindermast. Dort gibt es ja auch den Gülletank und den Misthaufen sowie die Ausbringung der Abfälle auf Feldern und Äckern, um die darin enthaltenen Nährstoffe wieder in den Stoffkreislauf zurück zu führen. In Fluidkreisläufen können wir die Felder und Äcker durch durchsichtige Rohrsysteme ersetzen, in welchen Mikroalgen wachsen. Durch ihr großes Oberflächen/Volumen-Verhältnis eignen sich diese mikroskopisch kleinen Pflanzen besonders gut für eine effektive Aufnahme eben dieser von den Fische und Meeresfrüchten ausgeschiedenen Stoffe. Beim angestrebten Nebenprodukt-Recycling sind dann die Abfallstoffe aus dem ersten Kreislaufsystem die Nährstoffe für das zweite Kreislaufsystem. Da nicht jede Mikroalge Nährstoffe aus Fluidkreisläufen nutzen kann, müssen geeignete Algensorten gefunden werden. Wenn diese in den durchsichtigen Rohrsystemen genügend gewachsen sind, werden sie genauso wie Mais oder andere Energiepflanzen geerntet. Die in den Algen gespeichert Sonnenenergie kann anschließend zur Gewinnung von Biotreibstoffen eingesetzt werden. So ergibt sich aus dem Nebenprodukt-Recycling auch noch eine Energie-Gewinnung.“ Am IPP-HTW wird modernste Mess- und Regelungstechnik entwickelt und eingesetzt, mit dem Ziel gleichzeitig die Abfallstoffe aus der Aquakultur zu minimieren und die Produktion der Algenbiomasse zu maximieren.

 AlgenuntersuchungAlgenphotoreaktor

Wachstumsuntersuchungen (Screening) mit Mikroplatten-Experimenten und Foto-Bio-Reaktoren

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Öl-Wasser-Trennung, Physikalische Verfahrenstechnik

Zum Thema Öl-Wasser-Trennung mit Zentrifugalseparatoren, erklären uns der Laborleiter des IPP-HTW Dipl.-Ing. (FH) Gerhard Braun und der Doktorand Dipl.-Ing. (FH) Karsten Schwinn: „Sie kennen alle den Effekt, dass sich auf einer Wasserpfütze wegen eines Öltropfens eine dünne schillernde Schicht bildet und an der Oberfläche aufschwimmt. So geschehen auch beim Ölplattform-Unglück am 21.4.2010, Deepwater Horizon, nur dass dort die Ölmengen und Schichtdicken weitaus größer waren. Öl-Wassertrennung ist folglich stets eine wichtige Aufgabe unserer industriellen Gesellschaft. In Ölabscheidern, z. B. an Tankstellen wird Öl mittels der Schwerkraft abgeschieden. Öl ist leichter als Wasser, schwimmt also auf, was aber langsam geht und deshalb große Behälter erfordert, weil die Fluide eben zur Trennung Zeit benötigen. Erzeugt man künstlich ein Zentrifugalfeld, d.h. eine Fliehkraft, ähnlich der eines Kettenkarussells, so werden schwerere Teile nach außen getrieben. Da Wasser schwerer ist als Öl, sammelt es sich außen und das leichtere Öl wandert nach innen. So kann das Öl innen abgezogen werden. Es gibt ja auch Staubsauger, welche ebenfalls nach diesem Prinzip der Zentrifuge arbeiten, indem sie die schwereren Staubteilchen außen sammeln und die leichte Luft innen abgezogen wird. Die Funktion solcher Apparate wird durch ihre Form und die damit verbundenen Betriebszustände bestimmt.“ Am IPP-HTW werden die Formen und Betriebszustände von Zentrifugalseparatoren vermessen, analysiert und optimiert. Darüber hinaus erfolgen die Modellbildung und die numerische Simulation mittels der Finite-Punkte-Methode.

 Zyklon realZyklon simuliert

Vergleich realer Versuch mit Simulation: links sichtbare Öl-Trombe im Experiment, entsprechende rechts Ergebnisse der FPM-Simulation der Trombe

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Feuerleistungsregelung

Der Kamin, der Ofen oder der Herd, er stinkt und qualmt heute, was soll man nur tun? Die Mitarbeiter des Energielabors M.Eng. Ping He, M.Sc. Uwe Schneider und B.Eng. Sebastian Georg könnten helfen: „Zuerst einmal muss die Luftzuführung auf den Brennstoff selbst und dessen Menge abgestimmt werden. Wählt man zu viel Luft, verbrennt der Brennstoff zu schnell, zu wenig Luft führt zu Qualm und Ruß. Dies gilt auch für Großfeuerungsanlagen, wie Elektrizitätswerke und Müllverbrennungsanlagen. Nur gelingt dort die Regelung nicht mehr ganz so einfach wie am heimischen Herd. Um den Verlauf des Verbrennungsvorgangs vorherzusagen, ist der Einsatz von computergestützten Berechnungsmethoden und künstlicher Intelligenz nötig. Zusätzlich sind der Zustand und die Temperatur des Brennstoffes von Interesse. Wo und wie intensiv brennt es? Die Beantwortung dieser Frage wird durch Begleiterscheinungen der Verbrennung, wie Flammen und Rauchbildung erschwert. Diese Phänomene machen eine Beobachtung des Prozesses mit herkömmlichen Methoden unmöglich. Abhilfe schafft eine Kombination aus Video- und Infrarotkamera, die durch die Flammen und den Rauch hindurch schauen kann. Sie liefert wertvolle Informationen über den gesamten Verbrennungsprozess, wie Brennstoffeignung und Temperaturen. Das ist für Großfeuerungsanlagen eine Messtechnik auf höchstem Niveau. Die Studierenden üben bei uns an Kleinfeuerungsanlagen wie Bullerofen und ‚hightech‘ Küchenherd.“ Am IPP-HTW erforscht man deshalb die Kombinationsmöglichkeiten moderner Mess- und Regelungstechnik zu Optimierung von Verbrennungsprozessen, um den Energiegewinn zu maximieren und die Emissionen zu minimieren. Durch die Hochleistungsoptik ist man in der Lage auf das Feuer, in das Feuer und durch das Feuer hindurch zu schauen. Mit den dadurch gewonnenen Informationen lassen sich Feuerlage, Feuerlänge und Feuerintensität feinfühlig steuern und die Nutzung des Brennstoffes optimieren. Die Synergie der Verfahrens- und Regelungstechnik und deren Modellierung ist der Schlüssel zu mehr Umweltschutz.

 IR-Aufnahme Holzverbrennung

Infrarotaufnahmen erlauben das "ausblenden" von Flammen und damit eine ungehinderte Sicht auf den Brennstoff

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Automatisierung von Prozessen und Anlagen, Automatisierungstechnik

„Was geht heute noch ohne Computer?“ Auf diese Frage findet man so schnell keine Antwort. Längst haben wir uns in fast allen Bereichen des täglichen Lebens an diese Computer gewöhnt. In modernen Produktionsanlagen und Fertigungsprozessen kommt man schon lange nicht mehr ohne solche Systeme aus. So sagt Prof. Faupel: „Damit diese Systeme funktionieren, müssen Steuerungsprogramme entwickelt werden, die mit vielen Sensoren und Geräten sekundenschnell kommunizieren. Es müssen Daten erfasst und ausgewertet werden. Das A&O ist die Sicherstellung der Produktivität. Störungen müssen erkannt, angezeigt und schnellstmöglich behoben werden.“ Damit man diesem Anspruch gerecht wird, braucht man technisch versierte Ingenieure, die über die Programmierung hinaus die Prozesse und Abläufe verstehen. Mit dieser Problemstellung befassen sich die Mitarbeiter der Automatisierungstechnik im IPP-HTW. Eines der Projekte ist die Realisierung der Steuerungen für zwei neue Fluidkreisläufe in der Forschungshalle in Völklingen. So projektiert Benjamin Schmitt im Rahmen seines Masterstudiums die gesamte elektrotechnische Instrumentierung und entwickelt die Software auf modernsten Steuerungssystemen für diese Laborsysteme. Andere Projekte des IPP-HTW befassen sich mit der Realisierung von Regelungsprozessen. Ob in der Stoffanalyse, bei der Verbrennung oder in den biologischen Prozessen, ohne automatisierte Regelungen geht heute gar nichts mehr. Wenn man die Prozesse versteht, findet man Lösungen, wie diese automatisiert geregelt werden können, so das Motto der Arbeitsgruppe Automatisierungstechnik.

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Gaslöslichkeit im Wasser, Physikalische Verfahrenstechnik

Wollen Sie Sprudel herstellen, ist die Vorgehensweise folgende: zuerst Wasser im Kühlschrank abkühlen, dann besprudeln, d. h. mit Kohlendioxid versetzen. Aufgrund desselben Effektes existiert im kalten Nordpolarmeer wegen des hohen Sauerstoff-gehaltes viel Plankton. Die Temperatur bestimmt die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit, d. h. in kaltem Wasser löst sich mehr Gas, z. B. Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff. Dipl. Ing. Eike-Eric Ziegler erklärt uns: „Die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit wird in der Technik z. B. zur Entfernung von Kohlendioxid aus Biogas und bei der Begasung von Flüssigkeiten in Kläranlagen und Fischbecken genutzt. Die Frage ist nur, wie dies großtechnisch am wirtschaftlichsten realisiert wird? Aus der Autotechnik kennen Viele das Prinzip eines Vergasers. Dort wird der Luft Benzin zudosiert. Wir machen das umgekehrt; wir dosieren mit einem ähnlichen Apparat das Gas dem Wasser zu. Dabei ist für die Effizienz entscheidend, welche Geometrie der Apparat besitzt.“
Deshalb erforscht das IPP-HTW im Arbeitsfeld Zweiphasenströmung die Geometrie von Gas-Injektoren zur optimalen Gasblasenbildung. Die Geometrie wird getestet, optimiert und mittels Modellbildung und Simulation gerechnet. Gelingt es, die Gasblasen sehr klein zu gestalten, haften an ihnen auch Schmutzpartikel, die sich dann aus dem Wasser austragen lassen. So kann Wasserreinigung und Sauerstoffversorgung durch Begasung kombiniert werden.