02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access On the computational modeling of micromechanical phenomena in solid materials(2013) Linder, Christian; Miehe, Christian (Prof. Dr.-Ing. habil.)This work aims to contribute to the research on the constitutive modeling of solid materials, by investigating three particular micromechanical phenomena on three different length scales. The first microscopic phenomenon to be considered on the macroscopic scale is the process of failure in solid materials. Its characteristic non-smoothness in the displacement field results in the need for sophisticated numerical techniques in case one aims to capture those failure zones in a discrete way. One of the few finite element based methods successfully applied to such challenging problems is the so called strong discontinuity approach, for which failure can be described within the individual finite elements. To avoid stress locking, a higher order approximation of the resulting strong discontinuities is developed in the first part of this work for both, purely mechanical as well as electromechanical coupled materials. A sophisticated crack propagation concept relying on a combination of the widely used global tracking algorithm and the computer graphics based marching cubes algorithm is employed to obtain realistic crack paths in three dimensional simulations. Secondly, materials with an inherent network microstructures such as elastomers, hydrogels, non-woven fabrics or biological tissues are considered. The development of advanced homogenization principles accounting for such microstructures is the main focus in the second part of this work to better understand the mechanical and time-dependent effects displayed by such soft materials. Finally, the incorporation of wave functions into finite element based electronic structure calculations at the microscopic scale aims to account for the fact that the properties of condensed matter as for example electric conductivity, magnetism as well as the mechanical response upon external excitations are determined by the electronic structure of a material.Item Open Access Rottweil - Untersuchungen zur Stadtbaugeschichte im Hochmittelalter(1970) Meckseper, Cord; Hanson, Harald (Prof.)Item Open Access Tackling coupled problems in porous media : development of numerical models and an open source simulator(2013) Flemisch, Bernd; Helmig, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)Flow and transport processes in porous media are the governing processes in a large variety of geological, technical and biological systems. For many interesting and important applications, these processes cannot be treated in an isolated manner or adequately described by means of a single-scale, single-physics mathematical model, and the coupling of two or more models is required. The development of coupled numerical models poses severe challenges on the conceptual, analytical and computational level. This habilitation thesis aims to describe a number of these challenges and solve some of the problems they pose. It is divided into three parts: Part A "Model Coupling" deals with uncoupled and coupled porous-media models in general and describes some of these models in detail. "Locally Conservative Discretization Methods," as treated in Part B, are a fundamental ingredient of reasonable numerical models for porous media flow and transport processes. A numerical model is realized by its implementation in the form of computer code. Part C "Open-Source Porous-Media Simulation" deals with the idea of developing such a computer code by means of open-source development techniques.Item Open Access State of the art of the co-incineration of waste-derived fuels and raw materials in clinker/cement plants(2021) Schönberger, Harald; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)The treatise is about the co-incineration of waste-derived fuels and raw materials in clinker/cement production plants and its impact on emissions to air. Depending on the incineration conditions, emissions to air can exceed existing requirements. This is demonstrated and explained by both conventional parameters such as dust, nitrogen oxides, sulphur dioxide, carbon monoxide, volatile organic carbon, mercury and other heavy metals, ammonia and hydrogen chloride and special organic pollutants such as benzene, polychlorinated dibenzo-p-dioxins and furans (PCCD/F), polychlorinated biphenyls (PCB), hexachlorobenzene (HCB) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH).Item Open Access Multiscale modeling and simulation of transport processes in porous media(2022) Bringedal, Carina; Helmig, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Herausforderungen in der biologischen und nicht-biologischen Abluftreinigung(2020) Dobslaw, Daniel; Engesser, Karl-Heinrich (Prof. Dr.)Jüngste Entwicklungsszenarien der International Energy Agency (IEA) sowie des Energiekonzerns British Petroleum (BP) zeigten, dass bis zum Jahr 2040 gegenüber dem heutigen Stand die Weltbevölkerung um 23 % wachsen und die Einkommen von insgesamt 2,5 Mrd. einkommensschwachen Menschen ansteigen werden. Das ‚bussiness-as-usual‘ - Szenario sagt aufgrund des Anstiegs in Weltbevölkerung und Wohlstand, trotz bestehender Bemühungen zur Steigerung der Energieeffizienz, eine Steigerung der weltweiten CO2-Emissionen um gut 30 % voraus. Berücksichtigt man dabei die jüngsten technischen und wissenschaftlichen Tendenzen wie beispielsweise ‚low-carb‘ - Kraftstoffe oder erneuerbare Energien, so wird weiterhin ein Anstieg der CO2-Emissionen um ca. 10 % vorausgesagt. Da die Weltgemeinschaft eine Restriktion der Erderwärmung auf deutlich unter 2 °C bis 2100 anstrebt, diese aber in den Industriestaaten eine Minderung der Emissionen an CO2-Äquivalenten von ca. 12 t CO2,eq·a-1·Bewohner-1 auf unter 1 t CO2,eq·a-1·Bewohner-1 bis zum Jahr 2050 erfordert, sind alle Möglichkeiten der Vermeidung und Minderung von treibhausrelevanten und umweltrelevanten Schadstoffen zu ergreifen. Die Minderung relevanter gasförmiger Emissionen kann durch geeignete Abluftreinigungsmaßnahmen wie Kondensation, Absorption, Membranverfahren, oxidative Verfahren, oxidative Katalyse, nicht-thermische Plasmen, UV-Oxidation, thermische Plasmen und Adsorption wie auch durch nicht-biologische Verfahren oder Verfahrenskombinationen aus nicht-biologischen und biologischen Verfahren umgesetzt werden. Speziell im gewerblichen und industriellen Umfeld wird der Stand der Technik durch thermisch oxidative Verfahren definiert. Da diese in der Regel nicht unter adiabaten Bedingungen betrieben werden können, ist der Zusatz von Primärenergieträgern erforderlich, der zu zusätzlichen Emissionen an treibhausrelevanten Gasen wie CO2, CH4 und N2O führt. Da in biologischen Abluftreinigungsverfahren die Schadstoffe durch biochemische Abbauprozesse mineralisiert werden, treten in der Regel keine sekundären Abfallströme oder zusätzlichen treibhausrelevanten Emissionen auf. Obwohl die biologischen Abluftreinigungsverfahren somit einen wichtigen Beitrag zum 1,5 °C - Ziel der Weltgemeinschaft leisten können, sind sie im Marktsegment der Umwelttechniken mit Ausnahme der landwirtschaftlichen Massentierhaltung bisher kaum vertreten und zumeist auf Nischenanwendungen restringiert. Für biologische Abluftreinigungsverfahren ist eine Reihe an vermeintlichen Einschränkungen bekannt, die sicherlich die geringe Marktdurchdringung mitverantworten. Für eine breite Akzeptanz dieser Verfahren ist es daher erforderlich diese vermeintlichen Einschränkungen kritisch zu hinterfragen und wenn möglich zu widerlegen. Gelingt diese Widerlegung nicht und scheiden biologische Abluftreinigungsverfahren bei ausgewählten Applikationen aus, so sind geeignete Alternativverfahren erforderlich - auch wenn verschiedene Abluftsituationen existieren, die auch nicht-biologische Verfahren an den Rand der Machbarkeit führen. Die vorliegende Arbeit thematisiert daher die bekannten Restriktionen für biologische Abluftreinigungsverfahren und verfolgt das Ziel die bestehenden Applikationsgrenzen zu erweitern und den sich hieraus ergebenden Herausforderungen unter der Prämisse der Etablierung eines Prozesses mit hoher technischer Stabilität, hoher Reinigungseffizienz und einer ökonomisch interessanten Kostenstruktur zu begegnen. Die identifizierten Restriktionen wurden an folgenden Applikationsbeispielen widerlegt bzw. alternative nicht-biologische Reinigungsverfahren vorgestellt: • Herausforderung Platzbedarf und Clogging: Der durch höhere Kontaktzeiten bedingte erhöhte Platzbedarf von biologischen Abluftreinigungsanlagen stellt ein signifikantes Vermarktungshindernis dar. Bestrebungen zur kompakteren Bauweise führen jedoch zu höheren spezifischen Schadstofffrachten und der erhöhten Gefahr von Biomasse bedingtem Clogging. Am Beispiel des biologisch leicht abbaubaren Schadstoffs 2 Butoxyethanol wurde die technische und ökonomische Machbarkeit eines mit Natronlauge und Druckluftinjektion als Anti-Clogging-Maßnahme ausgestatteten, rückspülbaren Biotricklingfilters sowohl im Labor- als auch Pilotmaßstab erfolgreich demonstriert. • Herausforderung Stoffgemischabbau und Xenobiotikaabbau: Durch genetische und enzymatische Regulationsmechanismen erweist sich der biologische Abbau von Schadstoffgemischen als zunehmend schwieriger je komplexer das Gemisch bzw. je xenobiotischer die Struktur der enthaltenen Schadstoffe ist. Auch erfordert der Abbau xenobiotischer Verbindungen häufig den Einsatz adaptierter Spezialbiozönosen, deren biotechnologische Bereitstellung mit erhöhten Kosten verbunden ist. Am Beispiel eines in der Kautschukverarbeitung zum Einsatz kommenden Lösemittelgemisches aus 70 Vol% tert. Butanol und 30 Vol% Aceton wurde der erfolgreiche Gemischabbau im Verfahrensvergleich zweier Biotricklingfilter und eines Biowäschers gezeigt und das Potential innovativer Kompostitträger, die keine zusätzliche Beimpfung mit Leistungsbiozönosen erfordern, dargelegt. • Herausforderung biologische Persistenz: Mit zunehmendem xenobiotischen Charakter von Schadstoffen sinkt deren biologische Abbaubarkeit, da häufig spezialisierte Enzyme oder innovative Abbauwege für deren Mineralisierung erforderlich sind und geeignete mikrobielle Isolate entweder nicht existent sind oder eine zu geringe Transformationskinetik für eine technische Applikation aufweisen. Der Einsatz biologischer Abluftreinigungsverfahren erscheint hier unter technischen und ökonomischen Aspekten zumeist nicht sinnvoll. Diese Einschätzung wurde am Beispiel des bakteriellen Abbaus des Xenobiotikums 2-Chlortoluol widerlegt, welches durch insgesamt vier neu gewonnene Isolate mineralisiert und deren Anwendbarkeit in Biotricklingfiltern zur Behandlung von 2-Chlortoluol haltiger Abluft erfolgreich gezeigt werden konnte. Die Stabilität des Inokulums in der sich etablierenden Biozönose konnte in einer Langzeitstudie über 985 Tage erfolgreich bestätigt werden, wodurch sich die initialen Kosten für die Beimpfung der Anlage relativierten. • Herausforderung begrenzte Transformationskinetik: Neben xenobiotischen Einflüssen führen insbesondere eine steigende Lipophilie sowie steigende Dampfdrücke von Abluftinhaltsstoffen zu einer stark restringierten Transformationskinetik, wodurch das Anlagenvolumen und somit die Kosten der biologischen Behandlung stark ansteigen. Der Ansatz einer Verfahrenskombination aus nicht-thermischem Plasma zur partiellen Oxidation und somit Hydrophilisierung der lipophilen Schadstoffe mit nachfolgender biologischer Mineralisierung erscheint unter technischen und ökonomischen Aspekten ein interessanter Ansatz zu sein. Die Verfahrenskombination weist dabei eine kompaktere und kleinere Baugröße sowie geringere Betriebskosten als ein alleinstehendes NTP-/BTF-Verfahren auf. Die Machbarkeit dieses Anlagenkonzepts konnte sowohl im Labor- als auch Pilotmaßstab an acht verschiedenen artifiziellen Abluftströmen sowie an drei Realabluftströmen erfolgreich gezeigt werden. • Herausforderung Temperatur: Abluftströme weisen häufig Temperaturen von 50 °C bis knapp 150 °C auf, insbesondere wenn sie aus thermisch betriebenen Produktionsprozessen entstammen. Nach erfolgter Vorkonditionierung liegen die Ablufttemperaturen zumeist bei 50 - 70 °C. Im Vergleich zu mesophil betriebenen biologischen Verfahren ist der Betrieb thermophil betriebener biologischer Abluftreinigungsanlagen deutlich anspruchsvoller. Neben verfahrenstechnischen Problemstellungen ist die Ursache hierfür vor allem in steigenden Dampfdrücken und somit geringeren Bioverfügbarkeiten sowie ggf. steigende Toxizitäten der Schadstoffe zu suchen. Am Beispiel der Abgase von drei Biogasanlagen nach dem Verbrennungsprozess, die sich durch hohe Konzentrationen an Methan, NOx, CO, aber auch dem kanzerogenen Formaldehyd auszeichnen, wurde die technische und ökonomische Machbarkeit einer Vefahrenskombination aus chemischem Wäscher und thermophil betriebenen Biofilter zur erfolgreichen Behandlung dieser Abgase untersucht. Im Kontext von Vorversuchen zur Behandlung von Methan und Formaldehyd im thermophilen Temperaturbereich trat erwartungsgemäß eine sehr geringe Reinigungseffizienz des Biofilters auf. Hingegen konnte durch gezieltes Sauerstoffmanagement und optionale H2O2-Dosierung die Leistungsfähigkeit des Basenwäschers insbesondere gegenüber Formaldehyd auf über 95 % gesteigert werden. • Herausforderung Biopersistenz und allgemein fehlende Reinigungseffizienz: Die Anwendbarkeit biologischer Abluftreinigungsverfahren ist hingegen gänzlich bei hoch-persistenten Abluftkomponenten wie polyhalogenierten Kohlenwasserstoffen überschritten, die trotz Restriktionen des Kyoto-Protokolls aufgrund fehlender Substituierbarkeit immer noch in der Halbleiterindustrie, bei der Verhüttung von Aluminium oder seltenen Erden, Luft- und Raumfahrtindustrie oder Entsorgungswirtschaft freigesetzt werden. Dabei erweist sich insbesondere die Behandlung des chemisch hochstabilen CF4 als erhebliche Herausforderung. Das Scheitern etablierter Abluftreinigungsverfahren und somit die Notwendigkeit der Implementierung hoch-innovativer Verfahrenskonzepte konnte an diesem exemplarischen Abluftschadstoff eindrucksvoll gezeigt werden. Das hierfür zum Einsatz kommende strahlungsgekühlte Wasserdampfplasma wies nach ersten Optimierungsschritten eine Reinigungseffizienz von 99,6 % bei einem SIE-Wert von 2222 kWh·1000 m3 auf, während eine konventionelle thermische Nachbehandlung gemäß Referenzanlagen nur einen Wirkungsgrad von ca. 18 % erreichte.Item Open Access Model reduction techniques for simulating complex flow processes(2020) Köppl, TobiasIn this habilitation thesis, model-reduction techniques are investigated that allow an efficient description of flow processes without a significant accuracy loss related to physical quantities. In order to demonstrate their efficiency, these techniques are applied to a variety of application areas from medical and environmental engineering.