Universität Stuttgart
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Item Open Access Entwicklung laserspektroskopischer Methoden zur Analyse der Verdunstungseigenschaften von Brennstofftropfen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Werner, Stefanie; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Die steigenden Emissionen des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 durch die Verbrennung von fossilen, endlichen Energieträgern müssen möglichst schnell und nachhaltig reduziert werden. Ein vielversprechender Lösungsansatz zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung liegt in dem Einsatz von alternativen und erneuerbaren Brennstoffen. Als Energieträger bieten sich auf Grund ihrer hohen Energiedichte vor allem flüssige Brennstoffe an. Diese werden typischerweise durch Druckzerstäubung in die Brennkammer eingebracht, verdunstet und dann mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Die Verdunstung der kleinen Brennstofftropfen des sogenannten Sprays ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtverbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Im Allgemeinen bestimmt die Verdunstungsrate die Verbrennungsrate. Daher sind Modelle notwendig, die eine genaue Vorhersage der Brennstoffverdunstung ermöglichen. Zur Validierung dieser Modelle werden quantitative Messungen unter genau definierten Randbedingungen benötigt. Da die Prozesse in technischen Brennkammern sehr komplex sind, werden Experimente zur Tropfenverdunstung häufig mit linearen, monodispersen Tropfenketten durchgeführt, um die Kopplung zwischen den verschiedenen Effekten zu minimieren. Durch die geringe Größe der Tropfen (typischerweise wenige hundert Mikrometer oder weniger), erfordert die experimentelle Untersuchung eine hohe räumliche Auflösung. In dieser Arbeit wurden quantitative, laseroptische Messtechniken mit hoher räumlicher Auflösung zur experimentellen Untersuchung der Tropfenverdunstung an monodispersen Tropfenketten entwickelt. Mit den Messtechniken wurden Validierungsdaten für die Verdunstungseigenschaften von verschiedenen Brennstoffen bestimmt. Konzentrationsmessungen von verdunsteten Kohlenwasserstoffen wurden unter Verwendung von Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) durchgeführt. Tropfenketten wurden mit einem Tropfenkettengenerator erzeugt, welcher vertikal in einem Strömungskanal installiert wurde. Die untersuchten Brennstoffe waren Cyclohexan, iso-Octan, n-Heptan, n-Pentan, 1-Butanol und Anisol. Der Strömungskanal wurde mit einer laminaren Luftströmung bei verschiedenen Temperaturen (313 K - 430 K) durchströmt. Da die untersuchten Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 120 bis 160 µm hatten und die Konzentrationsgradienten nahe der Tropfenoberfläche groß waren, war eine hohe räumliche Auflösung der Messtechniken erforderlich. Die Absorptionsmessungen wurden mit der Infrarotstrahlung eines HeNe-Lasers bei λ = 3,39 µm durchgeführt, um die CH-Streckschwingung der Kohlenwasserstoffe anzuregen. Die für die Quantifizierung der Brennstoffkonzentrationen benötigten Absorptionsquerschnitte wurden in einer beheizten Gaszelle für Temperaturen von 300 K - 773 K bestimmt. Die räumliche Auflösung im Strömungskanal betrug < 50 µm über eine Länge von 2 mm (Halbwertsbreite). Durch die Zylindersymmetrie und gute Stabilität der Tropfenketten konnten zeitliche Mittelungs- und Tomografieverfahren angewandt werden. Hierdurch konnten radiale Konzentrationsprofile an mehreren Positionen im Strömungskanal erhalten werden. Aus dem Anstieg der Dampfkonzentration an verschiedenen Messpositionen konnte die Verdunstungsrate bestimmt werden. Die Verdunstungsraten wurden in Abhängigkeit von der Mantelstromtemperatur (313 K - 430 K), der Tropfengeschwindigkeit (8 m/s - 23 m/s), der Tropfenerzeugungsfrequenz (12 kHz - 75 kHz) und dem Tropfenabstand (300 µm - 685 µm) gemessen. Im untersuchten Temperaturbereich steigt die Verdunstungsrate des Brennstoffs linear mit der Temperatur an. Die Reihenfolge der Brennstoffe in Bezug auf die Verdunstungsrate entspricht den Siedepunkten der einzelnen Brennstoffe. Da technische Brennstoffe häufig eine Mischung mehrerer Komponenten sind, ist die Untersuchung von Brennstoffgemischen von großem Interesse. Daher wurde ein Messverfahren entwickelt, um binäre Gemische zu untersuchen. Das Verfahren wurde verwendet, um eine Mischung aus Cyclohexan und Anisol zu untersuchen. Zwei Messtechniken - laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Infrarot Absorptionsspektroskopie - wurden verwendet, um beide Spezies zu messen. Um λ = 3,39 µm ist der Absorptionsquerschnitt von Cyclohexan um etwa den Faktor 8 größer als von Anisol. Im untersuchten Fall war die Konzentration aufgrund des höheren Dampfdrucks ebenfalls deutlich größer. Daher konnte das Infrarot-Absorptionssignal praktisch ausschließlich Cyclohexan zugeordnet werden. Anisol hat bei Anregung bei λ = 266 nm eine sehr gute Fluoreszenzquantenausbeute, während Cyclohexan keine Fluoreszenz zeigt. LIF ermöglicht daher die Quantifizierung von Anisol (oder anderen Aromaten) ohne Interferenz durch Kohlenwasserstoffe. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, welches Halationseffekte vermeidet, die typischerweise in planaren LIF-Experimenten an Tropfenketten auftreten. Kalibrationsmessungen, die im gleichen Strömungskanal durchgeführt wurden, ermöglichten die Quantifizierung der verdunsteten Anisolkonzentrationen. Die räumliche Auflösung betrug 80 µm. Ähnlich wie bei den Einzelkomponentenmessungen wurden Verdunstungsraten bestimmt. Wie aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks zu erwarten, ist die Verdunstungsrate von Anisol niedriger als die von Cyclohexan. Die Verdunstungsrate von Cyclohexan in der binären Mischung stimmt gut mit den Einzelkomponentenmessungen überein. Das entwickelte Messverfahren ist sehr vielversprechend für weitere Untersuchungen an Mehrkomponentenmischungen. In dieser Arbeit konnte damit erstmals mit hoher räumlicher Auflösung die Verdunstung von Brennstoffkomponenten mittels Absorptionsspektroskopie in der Nähe von Brennstofftropfen untersucht werden. Zusätzlich wurden in Kombination mit laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie Messungen an binären Mischungen durchgeführt. Damit steht ein wertvoller Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.Item Open Access Correlating and predicting thermal conductivity and self-diffusion from entropy scaling using PCP-SAFT(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Technische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik, 2022) Hopp, Madlen; Groß, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)For a complete description and design of thermodynamic processes, knowledge of the properties of all substances involved is absolutely necessary. While the equilibrium properties are already well understood, there is still a lack of a handy description of the transport properties. Entropy scaling is an intriguingly simple approach for correlating and predicting transport properties of real substances and mixtures. As convincingly documented in the literature entropy scaling is indeed a firm concept for the shear viscosity of real substances, including hydrogen-bonding species and strongly non-spherical species and for mixtures. In this thesis, we investigate whether the entropy scaling approach is applicable for the thermal conductivity as well as the self-diffusion coefficients of pure substances. In accordance with the entropy scaling approach proposed by Y. Rosenfeld [Phys. Rev. A 1977, 15, 2545-2549], we observe that the thermal conductivity and the self-diffusion coefficient of real substances, once made dimensionless with an appropriate reference expression, only depend on residual entropy. We propose suitable reference expressions for both properties, to calculate the coefficients of pure substances from entropy scaling using the Perturbed-Chain Polar Statistical Associating Fluid Theory (PCP-SAFT) equation of state. Good entropy scaling behavior is found for the entire fluid region for water and more than 130 organic substances from various chemical families: linear and branched alkanes, alkenes, aldehydes, aromatics, ethers, esters, ketones, alcohols and acids. Models for both, thermal conductivity and self-diffusion coefficient, show satisfying robustness for extrapolating the coefficients to conditions rather distant from state points where experimental data is available. Additionally, a predictive group-contribution method for thermal conductivity based on entropy scaling is derived. The excess entropy for this approach is calculated using the group-contribution PCP-SAFT equation of state. The model is applicable for gaseous phases and for liquid-phase conditions covering wide ranges of temperature and pressure.Item Open Access Über die Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen mit Hilfe der Moore-Penrose-Inversen des Laplace-Operators im Vektorraum der Polynomkoeffizienten(2024) Große-Wöhrmann, Bärbel; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Die bekannten numerischen Standard-Verfahren zur Lösung partieller Differentialgleichungen basieren auf einer räumlichen Diskretisierung des Berechnungsgebiets. Ihre Performance und Skalierbarkeit auf modernen massiv-parallelen Höchstleistungsrechnern ist von der Verfügbarkeit effizienter numerischer Verfahren zur Lösung linearer Gleichungssysteme abhängig. Angesichts grundlegender Herausforderungen erscheint die Entwicklung neuer Lösungsansätze sinnvoll. Ich stelle in dieser Arbeit einen Polynomansatz zur Lösung partieller Differentialgleichungen vor, der nicht auf einer räumlichen Diskretisierung beruht und mit Hilfe der Moore-Penrose-Inversen des Laplace-Operators die Entkopplung der Navier-Stokes-Gleichungen ermöglicht. Dabei ist der Grad der Polynome nicht grundsätzlich beschränkt, so dass eine hohe räumliche Auflösung erreicht werden kann.Item Open Access Multiscale modeling and stability analysis of soft active materials : from electro- and magneto-active elastomers to polymeric hydrogels(Stuttgart : Institute of Applied Mechanics, 2023) Polukhov, Elten; Keip, Marc-André (Prof. Dr.-Ing.)This work is dedicated to modeling and stability analysis of stimuli-responsive, soft active materials within a multiscale variational framework. In particular, composite electro- and magneto-active polymers and polymeric hydrogels are under consideration. When electro- and magneto-active polymers (EAP and MAP) are fabricated in the form of composites, they comprise at least two phases: a polymeric matrix and embedded electric or magnetic particles. As a result, the obtained composite is soft, highly stretchable, and fracture resistant like polymer and undergoes stimuli-induced deformation due to the interaction of particles. By designing the microstructure of EAP or MAP composites, a compressive or a tensile deformation can be induced under electric or magnetic fields, and also coupling response of the composite can be enhanced. Hence, these materials have found applications as sensors, actuators, energy harvesters, absorbers, and soft, programmable, smart devices in various areas of engineering. Similarly, polymeric hydrogels are also stimuli-responsive materials. They undergo large volumetric deformations due to the diffusion of a solvent into the polymer network of hydrogels. In this case, the obtained material shows the characteristic behavior of polymer and solvent. Therefore, these materials can also be considered in the form of composites to enhance the response further. Since hydrogels are biocompatible materials, they have found applications as contact lenses, wound dressings, drug encapsulators and carriers in bio-medicine, among other similar applications of electro- and magneto-active polymers. All above mentioned favorable features of these materials, as well as their application possibilities, make it necessary to develop mathematical models and numerical tools to simulate the response of them in order to design pertinent microstructures for particular applications as well as understand the observed complex patterns such as wrinkling, creasing, snapping, localization or pattern transformations, among others. These instabilities are often considered as failure points of materials. However, many recent works take advantage of instabilities for smart applications. Investigation of these instabilities and prediction of their onset and mode are some of the main goals of this work. In this sense, the thesis is organized into three main parts. The first part is devoted to the state of the art in the development, fabrication, and modeling of soft active materials as well as the continuum mechanical description of the magneto-electro-elasticity. The second part is dedicated to multiscale instabilities in electro- and magneto-active polymer composites within a minimization-type variational homogenization setting. This means that the highly heterogeneous problem is not resolved on one scale due to computational inefficiency but is replaced by an equivalent homogeneous problem. The effective response of the macroscopic homogeneous problem is determined by solving a microscopic representative volume element which includes all the geometrical and material non-linearities. To bridge these two scales, the Hill-Mandel macro-homogeneity condition is utilized. Within this framework, we investigate both macroscopic and microscopic instabilities. The former are important not only from a physical point of view but also from a computational point of view since the macroscopic stability (strong ellipticity) is necessary for the existence of minimizers at the macroscopic scale. Similarly, the investigation of the latter instabilities are also important to determine the pattern transformations at the microscale due to external action. Thereby the critical domain of homogenization is also determined for computation of accurate effective results. Both investigations are carried out for various composite microstructures and it is found that they play a crucial role in the response of the materials. Therefore, they must be considered for designing EAP and MAP composites as well as for providing reliable computations. The third part of the thesis is dedicated to polymeric hydrogels. Here, we develop a minimization-based homogenization framework to determine the response of transient periodic hydrogel systems. We demonstrate the prevailing size effect as a result of a transient microscopic problem, which has been investigated for various microstructures. Exploiting the elements of the proposed framework, we explore the material and structural instabilities in single and two-phase hydrogel systems. Here, we have observed complex experimentally observed and novel 2D pattern transformations such as diamond-plate patterns coupled with and without wrinkling of internal surfaces for perforated microstructures and 3D pattern transformations in thin reinforced hydrogel composites. The results indicate that the obtained patterns can be controlled by tuning the material and geometrical parameters of the composite.Item Open Access Physics-informed regression of implicitly-constrained robot dynamics(2022) Geist, Andreas René; Allgöwer, Frank (Prof. Dr.-Ing.)The ability to predict a robot’s motion through a dynamics model is critical for the development of fast, safe, and efficient control algorithms. Yet, obtaining an accurate robot dynamics model is challenging as robot dynamics are typically nonlinear and subject to environment-dependent physical phenomena such as friction and material elasticities. The respective functions often cause analytical dynamics models to have large prediction errors. An alternative approach to analytical modeling forms the identification of a robot’s dynamics through data-driven modeling techniques such as Gaussian processes or neural networks. However, solely data-driven algorithms require considerable amounts of data, which on a robotic system must be collected in real-time. Moreover, the information stored in the data as well as the coverage of the system’s state space by the data is limited by the controller that is used to obtain the data. To tackle the shortcomings of analytical dynamics and data-driven modeling, this dissertation investigates and develops models in which analytical dynamics is being combined with data-driven regression techniques. By combining prior structural knowledge from analytical dynamics with data-driven regression, physics-informed models show improved data-efficiency and prediction accuracy compared to using the aforementioned modeling techniques in an isolated manner.Item Open Access Mechanical systems with frictional contact : geometric theory and time discretization methods(2021) Capobianco, Giuseppe; Leine, Remco I. (Prof. Dr. ir. habil.)This dissertation deals with the mathematical description and the simulation of mechanical systems with frictional contact. First, a geometric theory for the description of smooth mechanical systems is developed, which is then extended to allow for nonsmooth motions, i.e., motions with discontinuous velocities. The developed nonsmooth theory of mechanics is used to describe mechanical systems with frictional contact. Finally, two numerical schemes for the simulation of such systems are derived by using a time finite element method and the generalized-alpha approach, respectively.Item Open Access Calculation of pure substance and mixture viscosities using PCP-SAFT and entropy scaling(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Technische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik, 2020) Lötgering-Lin, Oliver; Gross, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Experimental multi-scale characterization using micro X-ray computed tomography(Stuttgart : Institute of Applied Mechanics, 2023) Ruf, Matthias; Steeb, Holger (Prof. Dr.-Ing.)The effective mechanical and hydro-mechanical behavior of porous media, granular solids, and related materials with complex morphologies is intimately linked to their internal microstructure on the pore/grain scale. For microstructural characterization, transmission micro X-Ray Computed Tomography (µXRCT) has emerged as a crucial three-dimensional (3D) imaging technique that can provide structural information from the micrometer to centimeter scale. Due to its non-destructive nature, it can be excellently combined with time-dependent investigations, either ex situ or in situ. In particular, the possibility of coupling mechanical or hydro-mechanical characterization with µXRCT-based 3D imaging in situ allows many physical phenomena to be studied in more detail and consequently understood more comprehensively. For example, the microstructure evolution can be observed under various controlled boundary conditions and linked to measured effective quantities. New insights and improved understanding can ultimately positively influence modeling approaches. In order to be able to perform such multi-scale studies, a modular, open, and versatile lab-based µXRCT system was developed within the scope of this work. It provides a spatial resolution of down to less than 10 µm. The developed system has an integrated universal testing machine that enables in situ compressive, tensile, and torsional studies as well as their combinations, parallel or sequential. Furthermore, hydro-mechanical coupled phenomena can be investigated using appropriate equipment, such as triaxial flow cells. Thanks to the open and modular concept, the developed system can be used in the future for a wide variety of multiphysics research questions and can be considered as an open experimental platform. Employing the established system, various multi-scale phenomena from different material classes are motivated and partly investigated in more detail within this work. For this purpose, classical experimental characterization methods are combined with µXRCT-based 3D imaging ex situ as well as in situ. Among others, 3D imaging is combined with ultrasound wave propagation measurements to investigate the influence of artificially generated crack networks in Carrara marble by different thermal treatment protocols. Load-sequence effects are demonstrated on an open-cell foam sample. An in situ workflow is shown to investigate the not-well-understood effective stiffness behavior of biphasic monodisperse granular packings of stiff and soft particles of different volume fractions at different stress states. The fracturing of a rock sample in a triaxial flow cell shows possibilities of application in the context of fracture mechanics. All resulting data sets, including metadata, are available via the Data Repository of the University of Stuttgart (DaRUS).Item Open Access Modulationsdotierte Germanium-MOSFETs für den Spin-Transport in zweidimensionalen Lochgasen(2023) Weißhaupt, David; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)Die Halbleiter-Spintronik beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Bauelementkonzepte, die den intrinsischen Spin-Freiheitsgrad des Elektrons ausnutzen. Dabei werden spin-basierte Logik-Bauelemente aufgrund des geringen Energiebedarfs zum Umschalten der Spin-Orientierung als aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige Transistor-Anwendungen diskutiert. Anzuführen sind hierfür beispielsweise der Spin-Feldeffekttransistor (FET) nach Datta und Das sowie der Spin-Metall-Oxid-Halbleiter-FET von Sugahara und Tanaka. Für diese Bauteilkonzepte müssen jedoch vier grundlegende Komponenten beherrscht werden: Die Spin-Information muss in den Halbleiter eingebracht (Spin-Injektion), transportiert sowie evtl. manipuliert (Spin-Transport & Spin-Manipulation) und final wiederum detektiert (Spin-Detektion) werden. Für die Integration dieser Bauelemente in die bestehende komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie ist eine elektrische Spin-Injektion bzw. Spin-Detektion notwendig. Die Realisierung von halbleiterbasierten spintronischen Bauelementen erfordert allerdings ein Materialsystem, das gute Spin-Transporteigenschaften sowie eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung für eine potenzielle Spin-Manipulation aufweist. Als vielversprechendes System hat sich hier das zwei-dimensionale Lochgas (engl. „two-dimensional hole gas“, 2DHG), welches in einer Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur gebildet wird, erwiesen. Trotz der guten Eignung dieses Systems konnte bisher noch keine elektrische Spin-Injektion demonstriert werden, hauptsächlich wegen der Schwierigkeit, zuverlässige ferromagnetische Kontakte mit dem vergrabenen 2DHG herzustellen. Diese Arbeit befasst sich nun mit der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion in ein hochbewegliches (µ = (3,02 ± 0,01) ⋅ 10^4 cm^2/Vs) Ge 2DHG. Die für das Ge 2DHG zugehörige Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur wurde dabei mittels Molekularstrahlepitaxie epitaktisch auf einem Si-Substrat gezüchtet. Um dieses Ziel zu erreichen, werden verschiedene Untersuchungsschwerpunkte adressiert. Zunächst werden zur Optimierung der Spin-Transporteigenschaften unterschiedliche Designs der Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur auf der (100) Kristallorientierung untersucht. Dazu wurden anhand von Hall-Strukturen Tieftemperaturmagnetwiderstandsmessungen durchgeführt. Hierbei werden Shubnikov-de Haas Oszillationen beobachtet, aus denen die Ladungsträgerdichte, effektive Masse und Quantenstreuzeit des Ge 2DHGs extrahiert werden. Das daraus resultierende optimierte Design mit einer Modulationsdotierung von N_A = 5 ⋅ 10^17 cm^-3 und einer Ge-Quantentopf (engl. „quantum well“, QW) Dicke von d = 15 nm wird dann auf die (111) Kristallorientierung übertragen. Für die elektrische Spin-Injektion und Spin-Detektion werden als ferromagnetischen Kontakt dünne Mn5Ge3-Schichten, die mittels Interdiffusion direkt in den Ge-QW wachsen, benutzt. Dazu wird vor der Bildung der Kontakte die gesamte Si1-xGex-Deckschicht oberhalb des Ge-QWs mithilfe eines Trocken-Ätzprozesses entfernt. Zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften werden die so hergestellten Mn5Ge3-Mikromagnete mit einem supraleitenden Quanteninterferenzmagnetometer analysiert. Dabei konnte nur für die (111) Kristallorientierung die ferromagnetische Natur der gewachsenen Mn5Ge3-Schicht nachgewiesen werden. Durch die Variation der Formanisotropie ergeben sich unterschiedliche Koerzitivfeldstärken. Der Nachweis der elektrischen Spin-Injektion erfolgt schließlich anhand von Magnetwiderstandsmessungen an lateralen Mn5Ge3/Ge 2DHG/Mn5Ge3 Spin-Ventil Bauelementen. Dazu werden die zuvor untersuchten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakte in einem Abstand von ca. l ≈ 135 nm im vergrabenen Ge-QW platziert. Die Experimente zeigen einen Riesenmagnetowiderstand (engl. „giant magneto resistance“, GMR) als Nachweis einer erfolgreichen elektrischen Spin-Injektion. Neben der elektrischen Spin-Injektion beinhaltet das auch den Spin-Transport im Ge 2DHG sowie die finale Spin-Detektion am zweiten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakt. In Übereinstimmung zu den Spin-Transportuntersuchungen zeigt das GMR-Signal eine starke Abhängigkeit von der Temperatur und konnte bis zu einer maximalen Temperatur von T = 13 K beobachtet werden. Neben der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion wird für die Realisierung von Spin-Transistoren eine funktionierende Gate-Technologie vorausgesetzt. Um diese zu demonstrieren, werden zunächst auf Basis des Ge 2DHGs klassische modulationsdotierte Feldeffekttransistoren (MODFET) hergestellt und elektrisch charakterisiert. Mit einem An-Aus-Verhältnis von I_ON/I_OFF = 3,2⋅10^6 bei einer Steilheit von SS = 64 mV⁄dec könnte der Ge 2DHG MODFET unabhängig von der Halbleiter-Spintronik auch für zukünftige Tieftemperaturanwendungen interessant sein. Der Spin-FET nach Datta und Das würde dann durch das Tauschen der Source-Drain-Kontakte in ferromagnetische Mn5Ge3-Kontakte entstehen. Technologisch bedingt sind im Rahmen dieser Arbeit allerdings nur Transistoren mit einer minimalen Gate-Länge von L = 1 µm herstellbar. Da der Spin im Ge 2DHG über diese Länge nicht transportiert werden kann, ist die Realisierung eines Spin-Transistors technologiebedingt nicht möglich.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.