Universität Stuttgart
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Item Open Access Fusionsforschung : eine Einführung(2020) Köhn-Seemann, AlfIn diesem Vortrag wird ein Überblick und eine Einleitung in das Gebiet der Fusionsforschung gegeben.Item Open Access Simulation of Electron Bernstein Waves in FLiPS with various numerical methods(2021) Rumiantsev, Kirill; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)The plasma generation and heating by microwaves is an important research topic in the field of controlled nuclear fusion. All modern fusion plasma devices such as Wendelstein 7-X use microwave heating. The microwave plasma-heating primarily occurs at the resonances, where the microwaves are efficiently absorbed. The heating scenario must be designed such that the microwaves can reach the resonance. When the plasma exceeds the cutoff density, the microwaves will be reflected, and the resonance becomes inaccessible. However, it is possible to perform heating by Electron Bernstein Waves (EBWs), since these electrostatic waves propagate even in overdense plasmas, unlike the electromagnetic plasma waves. EBWs cannot propagate in the vacuum and must be created through a coupling process. Both O- and X-mode can couple to EBWs. The thesis investigates the coupling of the O- and X-mode to EBWs as well as the EBW propagation with various numerical methods. The application of only one numerical method is not sufficient as the coupling involves very different wavelength scales. The optimal coupling scheme for the expected plasma parameters was determined using a Finite-Difference Time-Domain (FDTD) code. Since EBWs are not included in the code, a Boundary-Value Problem (BVP) code was developed. Using the BVP code, the effect of the collisions on EBWs was studied. The field amplification at the upper-hybrid resonance (UHR), where EBWs couple to the electromagnetic waves, and the effect of the magnetic field on EBWs could be directly visualized. The propagation of the EBW was investigated using the novel ray-tracing code RiP. The ray-tracing simulations provided a clear picture of the essential features of the wave propagation. For the O- and X-mode coupling, the importance of the axial plasma inhomogeneity was shown. For the first time, the method of the Wigner function was applied to calculate the intensity distribution of EBWs. Both, ray-tracing and the Wigner function simulations showed that the inhomogeneous magnetic can cause focusing of EBWs. The focusing effect can have practical applications e.g. for controlled local heating of the plasma. Additionally, the focusing effect can cause a parametric decay due to the field enhancement in the focal regions. In this thesis, the simulations were focused on excitation and propagation of EBWs in the geometry of the linear plasma device FLiPS located at the University of Stuttgart. Measurements were carried out to study the predicted focusing of the EBWs in the FLiPS plasma with monopole antennas. The measurements provided the density profile used in the simulations. The expected amplification of the signal at the UHR was not detected, indicating either the complete collisional absorption of the X-mode at the upper-hybrid resonance, or the turbulent plasma density oscillations that reduce the coupling efficiency to EBWs. These effects can be studied further using the developed tools since they provide a complete toolbox to study the full coupling process to EBWs in an actual experimental geometry.Item Open Access Electron cyclotron emission investigations at the stellarator TJ-K(2020) Sichardt, Gabriel; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Microwave diagnostics are widely used in fusion-oriented plasma research. Especially, electron cyclotron emission (ECE) measurements are routinely employed for reliable investigations of radial temperature profiles. Furthermore, an ECE diagnostic can be used to measure electron densities or detect superthermal electrons. Due to its non-invasive character, it is well suited for application to extreme conditions like in fusion plasmas since neither the plasma is perturbed nor the diagnostic harmed. Despite decades of development, ECE diagnostics are still subject of current research and development. Especially the correct interpretation of measurements at plasmas with low densities and temperatures, which are in contrast to fusion plasmas optically thin, is challenging. The stellarator experiment TJ-K in Stuttgart is operated with such thin plasmas allowing for the use of Langmuir probes for temperature measurements and thus as a benchmark for a new ECE diagnostic system. This work is about the development, optimization, construction and application of an ECE diagnostic for TJ-K. Modeling, simulation and experiment are combined to understand the processes at the specific experiment and to adapt the setup to these conditions. The first part of this thesis describes the development and test of the diagnostic. To this end, the transport and propagation of electron cyclotron radiation is simulated in the three-dimensionally modeled plasma of TJ-K. From the results, an optimization approach is derived: with a suitably positioned and optimally curved mirror for defined reflections, a tunable resonator system is built that improves the localization of the measurements significantly. After identification of the measurement signals as ECE opposed to thermal bremsstrahlung, the measurement system is calibrated with the hot-cold method. Although only about 0.2 % of the black body intensity is emitted from the optically thin plasma the temperatures obtained from the ECE diagnostic could be verified by Langmuir probe measurements. In the second part, numerical investigations of electron trajectories in the 3D magnetic field of TJ-K are employed to study their dependence on the kinetic particle energy. The trajectories form drift orbits which depend on the speed and orientation of the electron compared to the magnetic field. To what extent electrons on larger drift orbits collide with the vessel wall and thus contribute to toroidal net currents is investigated using simulations with different velocity distributions. It becomes apparent that especially electron populations additional to the thermal distribution at higher energies like for instance 1 keV, superthermal electrons, can result in large toroidal net currents. Already thermal electrons with typical energies of 10 eV provide numerically toroidal net currents that are comparable to the experimentally observed currents. The installed ECE diagnostic allows for temporally resolved measurements of local radiation temperatures for correlation with toroidal net currents.Item Open Access The influence of flow shear on drift-wave interactions in the stellarator TJ-K(2021) Ullmann, Til; Tovar, Günter (Prof. Dr.)The investigation of the interaction between shear flows and turbulence in magnetically confined fusion plasmas is motivated by the fact that shear flows can lead to a reduction or even suppression of the turbulent transport to the vessel wall. Thus they can significantly improve the performance of future nuclear fusion power plants. Therefore, in this thesis the influence of stationary background shear and time-dependent zonal flows on the wave interactions was investigated. The turbulence-generated zonal flows not only have the character of a shear flow, but in turn extract energy from the turbulence, while they themselves do not contribute to the transport of particles to the outside. Due to this special property, the dependence of this energy transfer on the background shearing rate was investigated experimentally. Because of its low-temperature plasmas, the stellarator experiment TJ-K offers the possibility of measuring the dynamics even within the confinement area by invasive diagnostics, such as Langmuir probes. This way, the tilting of turbulent eddy structures could be related to the background shear. The Reynolds stress, as a measure for the tilting, is linearly dependent on the shearing rate. Since the energy transfer between zonal flows and turbulence is composed of the product of the Reynolds stress and the background shear, a quadratic dependence of the energy transfer on the shearing rate was expected and here experimentally confirmed. In addition, the energy transfer between turbulence and zonal flows also led to a redistribution of the spectral power in favor of the zonal flows from ≈ 5% up to ≈ 40% of the total power for increasing shearing rate. In the picture of drift-wave turbulence, the non-linearity of the dynamics is reflected in three-wave interaction. The drift waves follow resonance conditions in the wavenumber and frequency space, which in turn are linked by the dispersion relation so that not all couplings are allowed. This defined coupling space is also called the resonant manifold. Theoretical considerations by Gürcan assumed that shear flows cause the coupling space of the nonlinear three-wave interaction to contract. Experimentally, this behavior could now be demonstrated on the basis of the shear-character of time-dependent zonal flows using the method of time-resolved wavenumber-frequency bicoherence. Here, it was shown that the effective coupling space actually shrinks with the occurrence of the shear flow and expands again with the decay of the zonal flow. The results in this thesis show that E×B background shear flows, as they occur during the transition from low to highly confined fusion plasmas, can trigger turbulence-driven zonal flows, whose Reynolds stress drive was initiated by a mean tilt of the vortex structure. At the same time, shear flows can restrict the coupling space of drift waves and thus increase the importance of large-scale structures, in particular e.g. zonal flows that do not contribute to turbulent transport, as possible energy sinks. If the shear flows are zonal flows themselves, self-amplification can become effective.Item Open Access Investigations and technical development of adsorption thermal energy storage systems with simulation and different control strategies(2021) Abou Elfadil, Mazen; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Thermal energy storage (TES) has been receiving an increasing worldwide attention, especially with the growing concerns about environmental problems caused by an inefficient utilization of energy. A major part of the energy consumption is considered as low temperature thermal energy. Thus, a better management of this energy by using thermal energy storage could provide a significant contribution to improve the overall efficiency of energy utilization in industrial processes and economies. The thermal energy can be stored in different forms e.g. sensible heat, latent heat or thermo-chemical, allowing variety of choices depending on the application. While the sensible and latent heat storage technologies are standard products, the thermo-chemical energy storage is still under development. Based on the method used, thermo-chemical energy storage can be divided into absorptive and adsorptive thermal energy storage systems. The adsorptive thermal energy storage systems have a great potential in both daily (short term) and seasonal (long term) applications. However, their implementation is still limited due to their low degree of applicability caused by lack of scientific knowledge on the thermal analysis level, as well as the absence of knowledge on the level of system integration, which has prevented the heat storage systems from reaching their maximum potential and from being fully commercialized. Consequently, there is still a big necessity for research and development in this field [Salvatore Vasta, 2018]. The principle of the adsorption storage system is based on a gaseous working fluid (e.g. water resp. vapor) which gets adsorbed by a highly porous material (e.g. zeolite). This adsorption process is an exothermal one, thus heat is being released and can be transferred and used. In order to recharge the heat storage system, desorption of the working fluid is done by heating the porous material. The heat storage system consists mainly of a reactor (where the porous material is located), a condenser/evaporator and other auxiliary components (e.g. water tank, pumps, sensors…). Efforts of development of the adsorptive TES were concentrated mainly on developing the adsorptive material, as the performance of the storage material has been the priority so far [Salvatore Vasta, 2018]. Little focus was put on heat power analysis and temperature behavior in the different system components, which have an impact on the overall system efficiency. Thus, system approach is still needed in order to combine and integrate this technology into industrial applications and products [Hauer, Andreas 2020] [Michelangelo Di Palo 2020]. With the aim of improving the heat storage efficiency (recovered heat to stored heat ratio), both numerical (simulations) and experimental (technical modifications) approaches were applied, which have enabled the system to achieve an optimal operational status in terms of energy utilization and efficiency. These approaches were later on used to define a fully automated control system assisting the adsorption TES to instantly react with the continuously varying parameters in such a way to assure an optimal performance. Hence, in the first stage of this investigation, process-modeling and simulation of the whole heat storage system were carried out, so that the total performance of the heat storage system can be predicted and evaluated for any future applications, including the possibility of combining different reactors or heat storage units. In the second stage, different experiments and technical modifications of the system were conducted. This includes testing various possibilities of TES setups (e.g. storage cascades), where the different pressure and temperature behavior in the reactor were evaluated. With the help of experiments, a detailed numerical 3D-model of the packed bed was created, giving an insight into the heat and mass transfer in the reactor during both adsorption and desorption. As a result, a new heat exchanger design was developed, which has improved the temperature distribution and the heating/cooling power. Additionally, the simulation’s results suggested the separation between the evaporator and the condenser to achieve an enhanced water vapor transfer between the reactor and condenser. On a parallel stage of this investigation, comprehensive heat power analysis during both adsorption and desorption processes was carried out, which has showed that the sensible heat left in the reactor, contributes to ca. 50% of the total stored heat. Consequently, multiple reactor concept was introduced, in order to enable the sensible heat recovery. As a conclusion, process simulation enabled tests with different parameters to be performed within much shorter time than the real experimental time. Thus, it was possible to cover numerous application-scenarios and help improving the system overall efficiency. The experimental results have shown that the developed heat exchanger design has increased the maximum power of the heat exchanger about 74%. Moreover, by improving the fluid dynamics between the reactor and condenser, the efficiency of desorption ηd and overall efficiency ηo were increased by 32% and 9% respectively. Furthermore, about 36% of the sensible heat left in the reactor after desorption was recovered by using multiple reactors with sequential configuration, which has led to a reduction in the total invested heat by ca. 9%. For future work it’s recommended to investigate the possibility of controlling the amount of discharged heat from the system by regulating the water uptake during adsorption. In addition, trying a different approach to the reactor’s design (e.g. moving bed reactor) could bring significant improvements to the system.Item Open Access Simulation of microwave beams with PROFUSION(2022) Plaum, BurkhardItem Open Access Item Open Access Selektive Elektrodynamische Fragmentierung : Zerkleinerungsmechanismen und Einsatzmöglichkeiten zur Rückgewinnung von Wertstoffen(2020) Pestalozzi, Samuel Fadri; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Aufschluss und Sortierung sind zentrale Schritte moderner Recyclingtechnologien. Eine treibende Kraft für die Suche nach neuen Aufbereitungsverfahren ist die Zusammensetzung moderner Produkte, welche eine zunehmende Stoffvielfalt aufweisen, was für herkömmliche Recyclingtechnologien eine erhebliche Schwierigkeit darstellt. Parallel dazu steigen auch die Anforderungen an Aufbereitungsverfahren durch steigende Verwertungsquoten. Bei der im Feststoff-Recycling bisher weit verbreiteten mechanischen Zerkleinerung wird zwar die Korngröße des Aufgabegutes verringert, die einzelnen Körner bestehen dann aber teilweise noch immer aus einem Konglomerat verschiedener Stoffe. Als alternatives Verfahren zu mechanischen Zerkleinerungstechnologien wird in dieser Arbeit die Fragmentierung mittels Hochspannungsentladungen (HSE) in Wasser untersucht. Bei der elektrodynamischen Fragmentierung (EDF, SelFrag Lab S2.1) werden mittels hoher Spannungen (90-200 kV) bei kurzer Pulsanstiegszeit (150-200 ns) Feststoffdurchschläge ermöglicht. Im Gegensatz dazu erreichen die Entladungen bei der elektrohydraulischen Fragmentierung (EHF, ImpulsTec EHF-100) geringere Spannungswerte (30-50 kV) bei längerer Pulsanstiegszeit (500-2 000 ns), was zu Durchschlägen im Arbeitsmedium führt. Die thermische Expansion im Entladungskanal (bis 10^4 K) führt in beiden Fällen zu Druckschwankungen (bis 10^10 Pa), welche die erwünschte Fragmentierung verursachen. Bei Feststoffdurchschlägen werden die Druckschwankungen innerhalb des Materials ausgelöst (Zugkräfte). Bei Entladungen im Arbeitsmedium propagieren die Druckschwankungen durch das Medium und treffen von außen auf die Probenoberfläche (Druckkräfte). Elektropulsverfahren werden für die Auftrennung von Mineralien zwar seit Jahren eingesetzt, ihre Anwendung im Recyclingbereich ist jedoch bisher wenig wissenschaftlich untersucht worden. Ein wesentlicher Vorteil beim Einsatz von HSE gegenüber mechanischer Zerkleinerung ist die verbesserte Selektivität beim Feststoff-Aufschluss. Dies birgt somit das Potential, den nachgeschalteten Trennprozess effizienter zu gestalten. Ziel dieser Arbeit ist ein grundlegendes Prozessverständnis der Fragmentierung von Verbundmaterialien mittels HSE. Die Erforschung von Zerkleinerungsmechanismen bildet dabei den ersten Schritt in der Entwicklung eines Verfahrens zur Kreislaufführung von Verbundmaterialien durch HSE. Als Forschungs- und Entwicklungslücke hinsichtlich ausgewählter sekundärer Stoffströme wurde die Anwendung zur Aufbereitung von Dünnschicht-Photovoltaik-Modulen identifiziert und durch die vorliegende Arbeit geschlossen. Die Beiträge zum theoretischen Prozessverständnis umfassten Grundlagenuntersuchungen zur Festlegung und Bestimmung von Kennwerten zum Aufbereitungserfolg, systematische Aufbereitungsuntersuchungen sowie Übertragbarkeitsuntersuchungen mit weiteren Werkstoffen. Dabei wurden drei Haupt-Kennwerte verwendet. Der Zerkleinerungsgrad (Z) beschreibt das Verhältnis der medianen Korngröße vor und nach einem Zerkleinerungsvorgang. Der Funkenwirkungsgrad (ηPF) beschreibt das Verhältnis von in der Anlage eingesetzter Pulsenergie zu im Prozessgefäß umgesetzter Funkenenergie. Der Liberationsgrad (L) quantifiziert den Aufbereitungserfolg durch einen Vergleich zwischen der Masse eines freigelegten Zielwerkstoffes und dessen gesamter Masse im Werkstoffverbund. Das Prozessverständnis wurde durch Versuche mit kugelförmigen Modell-Probenkörpern aus der Verfahrenstechnik (Bruchkugeln mit Durchmesser 16 mm) erweitert. Als Modellmaterialien wurden Kalk-Natron-Glas (Glas) und Aluminiumoxid (Keramik) verwendet. Zur Quantifizierung einzelner Zerkleinerungsmechanismen wurden neben Bruchkugeln aus Glas oder Keramik auch bruchfeste Kugeln aus Naturkautschuk verwendet. Auf Basis dieser Versuche wurde die Zerkleinerungswirkung des elektrodynamischen Effektes quantitativ mit einer Überlagerung aus elektrohydraulischem Effekt und autogenem Mahleffekt verglichen. Als Modellparameter wurde hierzu der jeweils erreichte Zerkleinerungsgrad (Z) der massenspezifisch umgesetzten Zerkleinerungsenergie (EZ) gegenübergestellt (dZ/dEZ). Zur getrennten Betrachtung des elektrodynamischen Zerkleinerungsmechanismus einerseits und einer Überlagerung aus Elektrohydraulik und autogener Mahlung andererseits wurde eine Positionierhilfe aus ABS verwendet. Für Versuche mit Glaskugeln stieg der elektrodynamische Anteil am Zerkleinerungserfolg von 53 % mit Positionierhilfe auf 67 % ohne Positionierhilfe an. Bei der Fragmentierung von Keramikkugeln wurde eine rein elektrodynamische Fragmentierung ohne messbaren Beitrag des elektrohydraulischen Effektes und des autogenen Mahleffektes nachgewiesen. Dieses Ergebnis wurde auch durch die Tatsache gestützt, dass nach Entnahme der Positionierhilfe der Wert für dZ/dEZ bei Glas um den Faktor 5,7 anstieg, wohingegen der Anstieg bei Keramik mit einem Faktor von 1,4 deutlich geringer ausfiel. Im Gegensatz zu einer mechanischen Zekleinerung mittels Prallmühlen wurden im Verlauf einer Fragmentierung mittels HSE zunächst sinkende Werte für dEZ/dD50 gemessen. Im weiteren Zerkleinerungsverlauf stiegen die dEZ/dD50-Werte bei HSE dann ähnlich wie bei einer mechanischen Zekleinerung fortlaufend an. Als mögliche Gründe für diesen atypischen Zerkleinerungsverlauf wurden neben der in der Literatur beschriebenen Vorschwächung aufgrund hoher induzierter Dehnraten die bei der EDF wirkenden Zugkräfte identifiziert. Ein Übergang von sinkenden zu steigenden dEZ/dD50-Werten könnte somit ein Hinweis auf eine vermehrte elektrohydraulische Fragmentierung sein, da diese wie bei mechanischer Aufbereitung auf Druckkräften beruht. Eine Hypothese aus der Literatur besagt, dass sich Werkstoffverbunde mit größerer interner Permittivitätsdifferenz mittels EDF besser auftrennen lassen als homogener aufgebaute Verbunde. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurden Anwendungsversuche mit Photovoltaik-Modulen (Typ CdTe und CIS), Glasfaserverbundwerkstoffen sowie Proben aus dem Elektrogerätebereich (Steckerverbindungen und Lautsprechermodule) mit unterschiedlicher interner Permittivitätsdifferenz durchgeführt. Die interne Permittivitätsdifferenz wurde über die Grenzflächenpolarisation (dε) nach Debye definiert. Aus der EDF dieser Proben ergab sich für eine Grenzflächenpolarisation über dε=100 ein Prozessfenster, in welchem eine Liberation von L > 80 % erreicht wurde. Dieses Modellvorgehen erlaubt somit die Einteilung noch unerforschter Werkstoffverbunde in zwei Gruppen zur Aufschlusszerkleinerung mittels entweder EDF oder EHF. Bei der Fragmentierung von Dünnschicht-Photovoltaik-Modulen (DPV) vom Typ CIS konnte festgestellt werden, dass die Liberation der enthaltenen Halbleitermetalle nicht vom Spannungsniveau, sondern lediglich von der total umgesetzten Pulsenergie abhängig war. Bei demselben Energieumsatz von 121-125 J/g erreichten sowohl die EHF als auch die EDF vergleichbare Liberationswerte über 80 %. Bei CIS-DPV wurde somit trotz eines hohen Wertes von dε=2900 entgegen der Hypothese aus der Literatur kein verbessertes Trennergebnis der EDF gegenüber der EHF beobachtet. Da für Pulse höherer Spannung ein anlagenspezifisch größerer Aufwand nötig ist, ist somit eine Fragmentierung von CIS-DPV bei tieferen Spannungen und somit die EHF der EDF vorzuziehen. Im Ergebnis zeigte diese Arbeit, dass ein Einsatz von HSE zur erhöhten Selektivität beim Feststoff-Aufschluss unter Berücksichtigung des Entladungstypus (EDF oder EHF) erfolgen muss. Mit Hilfe von Modellsubstanzen konnte der elektrodynamische Anteil einer Zerkleinerung stoffspezifisch auf 100 % (Keramik) resp. 53 bis 67 % (Glas) quantifiziert werden. Dies schließt ungeeignete Werkstoffe ohne elektrohydraulische Zerkleinerungswirkung wie etwa Keramik von einer EHF aus. Im Zusammenhang mit einer Fragmentierung durch HSE wurde in der Literatur nebem der Permittivität auch die akustische Impedanz als wichtige Einflussgröße genannt, welche sich somit als weiterer Modellierungsansatz anbietet. Im Rahmen dieser Promotion wurden neben Grundlagen- und Anwendungsuntersuchungen zusätzlich noch Ansätze zur Erweiterung des Prozessfensters der Fragmentierung mittels HSE aufgezeigt. Zur Spektroskopie während der EDF wurde eine Prozessgefäßmodifikation mit Sichtfenster umgesetzt und die Plasmatemperatur aus den aufgenommenen Emissionsspektren mit 6 800-7 700 K bestimmt. Mittels Kalibration der Spektrogramme durch Fragmentierung bekannter Reinststoffe könnte diese Modifikation in einem möglichen Folgevorhaben zur Elementidentifikation eingesetzt werden. Zur Fragmentierung in alternativen Prozessmedien wurde des Weiteren ein Autoklav entwickelt und ein erster Prototyp gefertigt, dessen Konstruktion derzeit zur Sicherstellung eines erfolgreichen Entladungsverlaufes überarbeitet wird.Item Open Access Ökobilanz für die Bioprozessoptimierung : Herstellung des Biotensids MEL(2024) Bippus, Lars; Briem, Ann-Kathrin; Beck, Alexander; Zibek, Susanne; Albrecht, StefanThis study evaluates the environmental impacts of producing mannosylerythritol lipids (MELs) using life cycle assessment (LCA) and kinetic models. MELs are microbial biosurfactants with various applications produced from biobased sources. The LCA results indicate that substrate provision, bioreactor aeration and solvent use for purification are major environmental impact sources. The findings highlight areas for improving the environmental sustainability of the production processes.