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Der Erwartungswert einer Zufallsgröße kann generell am Graphen ihrer Verteilungsfunktion durch eine naheliegende Gleichheit zweier Flächeninhalte festgelegt werden. Äquivalent dazu lässt er sich mit zwei uneigentlichen Riemann-Integralen darstellen. Davon ausgehend werden die Tschebyschow-Ungleichung und ihre Modifikation mit strikten Ungleichheitszeichen hergeleitet.
Untersuchung der Rotorfestigkeit von permanenterregten Synchronmaschinen mit vergrabenen Magneten
(2023)
Diese Projektarbeit behandelt die mechanische Simulation der Rotoren von permanenterregten Synchronmaschinen für den Festigkeitsnachweis. Hierzu wird die Finite-Elemente-Methode mit dem Programm CalculiX verwendet. Als Beispiel wird der Elektromotor des Toyota Prius II im Detail betrachtet. Hierbei werden die unterschiedlichen Lasten modelliert, dazu zählen neben der Zentrifugalkraft auch der Innendruck durch eine Presspassung sowie die elektromagnetischen Kräfte. Für die Modellierung von Kräften auf der Rotoroberfläche wird eine Methodik zur Umsetzung in CalculiX entwickelt und anhand eines Beispielmodells demonstriert. Der angestrebte Festigkeitsnachweis kann im Rahmen dieser Arbeit erbracht werden. Weiterhin wird gezeigt, dass der Einfluss der elektromagnetischen Kräfte im Arbeitspunkt mit der höchsten Drehzahl sehr gering ausfällt. Insgesamt bietet diese Arbeit die Grundlagen für mechanische Modellierungen von Rotoren unter Berücksichtigung aller Kräfte. Dies kann direkt auf andere Elektromotoren angewendet werden.
Single dielectric microspheres can manipulate light focusing and collection to enhance optical interaction with surfaces. To demonstrate this principle, we experimentally investigate the enhancement of the Raman signal collected by a single dielectric microsphere, with a radius much larger than the exciting laser spot size, residing on the sample surface. The absolute microsphere-assisted Raman signal from a single graphene layer measured in air is more than a factor of two higher than that obtained with a high numerical aperture objective. Results from Mie’s theory are used to benchmark numerical simulations and an analytical model to describe the isolated microsphere focusing properties. The analytical model and the numerical simulations justify the Raman signal enhancement measured in the microsphere-assisted Raman spectroscopy experiments.
Biomass gasification is recognized as a viable avenue to accelerate the sustainable production of hydrogen. In this work, a numerical simulation model of air gasification of rice husks is developed using the Aspen Plus to investigate the feasibility of producing hydrogen-rich syngas. The model is experimentally validated with rice husk gasification results and other published studies. The influence of temperature and equivalence ratio on the syngas composition, H2 yield, LHVSyngas, H2/CO ratio, CGE, and PCG was studied. Furthermore, the synchronized effects of temperature and ER are studied using RSM to determine the operational point of maximizing H2 yield and PCG. The RSM analysis results show optimum performance at temperatures between 820 °C and 1090 °C and ER in the range of 0.06–0.10. The findings show that optimal operating conditions of the gasification system can be achieved at a more refined precision through simulations coupled with advanced optimization techniques.
Glass-ceramic composites consisting of potassium-iron-silicate glass and barium titanate mixed in various proportions were successfully synthesized by low-temperature sintering. The crystal structure of the obtained composite samples, the porosity and the microhardness were studied by the X-ray diffraction, the electron microscopy, the weight method, and the Vickers method. Electrical characteristics (dielectric permittivity, tunability and losses) of as-prepared and annealed in oxygen medium samples were investigated at microwaves. According to structural analysis, the synthesized samples are a mixture of KFeSi glass, ferroelectric BaTiO3, and dielectric barium polytitanates; the ratio of the latter determines the electrical properties of the composites. Depending on the content of barium titanate, the studied composite samples show a permittivity from 50 to 270 with a dielectric loss level of 0,1–0,02 in frequency range from 3 to 10 GHz. Annealing of composite samples in an oxygen-containing environment leads to an increase in their dielectric permittivity and tunability by 10–25% and a twofold decrease in dielectric loss.
Making and interpretation of drawings and schematics is an important skill to be developed in engineering education. The question type STACK in the Moodle learning management system combined with the interactive graphics library JSXGraph has a great potential for implementation of e-learning resources addressing these skills in formative and summative settings. The authoring process of such materials is complex due to multiple markup and programming languages like HTML, LaTeX, Maxima and JavaScript (JS) being involved. The Meclib concept mitigates this complexity and allows for efficient bulk production of material with consistent appearance and user experience. The core of Meclib is a set of pre-defined JSXGraph-based objects with an interface to Maxima, such that no problem specific JS code is required at all. The present paper outlines the basic ideas of the implementation and demonstrates the approach for some typical examples of different complexity. The focus is on applications in engineering mechanics, starting from static illustrations up to an editor for free body diagrams, with rich adaptive formative feedback.
In this study we have examined the potential of excess wind use in Germany. Excess wind constitutes roughly 40% of unused capacities of installed wind power in Germany. Using LP modelling and representative annual load profiles on an hourly resolution, we investigate the impact of the price level for wind peak power supply of residential quarters with heat, cold and electricity in Germany in combination with different power ratios of wind supply and demand. As we show, an application of wind peak tariff is technically and economically feasible and allows using green leftover energy without going in competition with e.g., green fuels or green H2 production.
This study analyzes approaches to decarbonize the energy supply of the secondary steel processing industry. Therefore, real data from a secondary steel production company is used in combination with state-of-the art low carbon energy supply technologies. Also, the use of waste heat from a pusher furnace for process integration is considered. The developed temporal process model allows holistic optimizing and expanding the steel making process system regarding techno-economic criteria. As we show, implementing the annual heat demand of a municipality shows that a nearly 100 % self-sufficient heat supply is possible.
SMath with Maxima
(2023)
SMath Studio mit Maxima
(2020)
Auf dem Weg zum Replikator
(2022)
In den vergangenen Jahren gewann insbesondere durch den Launch des Tesla Elektrofahrzeugs die Elektromobilität in Bezug auf Automobile zunehmend an Bedeutung. Insbesondere aufgrund der zunehmenden CO2-Emissionen sowie der stetig steigenden Öl-Knappheit rückt das Elektroauto zunehmend in den Vordergrund.
Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit untersuchte im Wesentlichen die Ladeinfrastruktur von Elektrofahrzeug sowie die Entwicklung dieser und die zum aktuellen Zeitpunkt bestehenden Tarifbedingung in Deutschland. Die Betrachtung der Ladeinfrastruktur ist eben aus dem Grund erforderlich gewesen, da diese eine Schlüsselrolle für Endkunden bei der Kaufentscheidung eines Elektrofahrzeugs spielt.
Die Wesentliche Zielsetzung der Arbeit bestand darin, die unterschiedlichen bestehenden Betreiberkonzepte in Bezug auf die Ladeinfrastruktur für Kommunen zu analysieren und im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit sowie die Marktverfügbarkeit zu evaluieren.
Gefrierende Gewässer
(2021)
Wenn Licht die Biege macht
(2020)
Kurzdarstellung
Kolumbien ist ein agrarwirtschaftlich geprägtes Land, indem eine Vielzahl verschiedener
landwirtschaftlicher Produkte, wie zum Beispiel Zuckerrohr, Kaffee oder Reis, angebaut
werden. Durch die jährlich anwachsende Menge an produzierten Gütern steigt auch die jährlich
produzierte Menge an landwirtschaftlichen Abfällen, welche Anwendung als erneuerbare
Energieträger finden können. Aufgrund der Tatsache, dass es in weiten Teilen Kolumbiens,
gerade in den ländlichen agrarwirtschaftlich geprägten Gebieten, Probleme mit der
Energieversorgung gibt, könnten die landwirtschaftlichen Abfälle genutzt werden, um vor Ort
Energie zu erzeugen und die Entwicklung dieser Regionen zu fördern.
Die Forschungsgruppe „Biomass and Optimization of Thermal Systems” (BIOT) der „National
University of Colombia“ beschäftigt sich mit genau diesem Thema. In dem Projekt „Efficient
Use of Alternative Carbonaceous Fuels in the Power Generation in Colombia by
Implementation of Fluidized Bed Reactors” ist geplant, eine zirkulierende Wirbelschichtanlage
zur Vergasung von Biomassepartikeln zu konstruieren. Wirbelschichtreaktoren besitzen
hervorragende Wärmetransporteigenschaften, sowie gute Partikelkontaktraten, welche
notwendig für einen thermochemischen Wandlungsprozess sind [1]. Das Ziel des Projektes ist
es zu untersuchen, welche der vor Ort anfallenden landwirtschaftlichen Abfälle effizient genutzt
werden können, um Energie durch Vergasungsprozesse unter Anwendung einer
Wirbelschichtanlage zu produzieren.
Die Auslegung des Wirbelschichtreaktors und die Modellierung des thermochemischen
Wandlungsprozesses hängt stark von den physischen und fluiddynamischen Eigenschaften der
verwendeten Biomassepartikel ab. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der
experimentellen Bestimmung der wesentlichen Eigenschaften der Biomassepartikel. Dazu
gehören: die Partikelgrößenverteilung, der mittlere Partikeldurchmesser, die Schütt- und
Partikeldichte und der Feuchtigkeitsgehalt. Im Weiteren werden Fluidisierungsversuche mit
Mischungen aus Quarzsand, welcher als Bettmaterial dient, und verschiedenen zugeführten
Mengen an Biomassepartikeln durchgeführt. Dabei werden die charakteristischen Kenngrößen,
wie die Lockerungsgeschwindigkeit, und die Art der Fluidisierung bzw. die Art der sich
ausbildenden Schicht experimentell ermittelt, um Erkenntnisse darüber zu erlangen, ob die
verschiedenen landwirtschaftlichen Abfälle erfolgreich fluidisiert werden können.
Einleitung:
Die Folgen des Klimawandels und die Nutzung fossiler Energiequellen machen Erneuerbare Energien
langfristig gesehen unabdingbar. In Deutschland wird der größte Anteil der Erneuerbaren Energien aus
Windkraft gewonnen1. Als Folge der sinkenden Akzeptanz in der Bevölkerung sowie der Findung neuer
Standorte für Windkraftanlagen betreiben die Unternehmen Repowering. Dabei werden alte,
leistungsschwächere Anlagen gegen neue leistungsstärkere ersetzt.
Zusammen mit dem Ausbau der Offshore-Anlagen entsteht das Problem der Abfallbeseitigung bzw.
möglichen Wiederverwertung der Windkraftflügel. Ab 2020 müssen jährlich mehr als 15.000 t
Flügelmaterial entsorgt werden. Bisher fehlt dazu jedoch ein Konzept. Dieses Material besteht aus
einem Verbund von glasfaserverstärktem Kunststoff und einem Harz.
Aufgrund des hohen Glühverlustes ist die Deponierung dieser Materialien verboten. Durch die Toxizität
des Harzes ist die Verbrennung in Müllverbrennungsanlagen und anschließender Reinigung der Abgase
sehr aufwendig. Zudem schmelzen die Glasfasern bei den hohen Verbrennungstemperaturen der
Anlage und verstopfen diese.2
Ziel des Teilprojektes ist es, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem aus den Kunst- und Verbundstoffen
ein möglichst energiereiches Synthesegas zur möglichen motorischen Verstromung generiert wird und
dabei der mineralische Anteil zur stofflichen Weiternutzung erhalten bleibt. Somit wird eine stoffliche
und energetische Nutzung des Verbundes erreicht.
Ziel dieser Arbeit ist es anhand eines Simulationsmodells diesen Prozess abzubilden und zu simulieren.
Anhand eines thermodynamischen Gleichgewichtsmodells soll die Produktgaszusammensetzung in
Abhängigkeit verschiedener Betriebsparameter berechnet werden.
Gegenstand dieser Arbeit, ist die Rückgewinnung von Frequenzinformationen aus
pulsweitenmoduliertem Licht. Einleitend wird auf das zu bearbeitende Thema eingegangen.
Anschließend werden die Grundlagen erläutert, welche für das Verständnis
der Arbeit notwendig sind. Dem folgt ein Entwurf mit mehreren Möglichkeiten
zur Herleitung eines Satzes von PWM-Frequenzen. Danach wird auf Grundlage der
PWM-Frequenzen, eine Simulation für die Frequenzrückgewinnung durchgeführt.
Für individualisierte Beleuchtungen, bedarf es einer Kommunikation zwischen den Leuchten. Hierfür kann LED-Licht genutzt werden. Für die optische kabellose Kommunikation im sichtbaren Lichtbereich (bzw. Visible Light Communication – VLC) kann eine diskrete Pulsfrequenzmodulation (PFM) für den Einsatz mit indirektem Licht genutzt werden. Ein Konzept zur Pulsfrequenzmodu-lation (PFM) wird vorgestellt und experimentell analysiert. Aufbau und Funktionsweise der PFM werden anhand einer Simulation des Empfängers vorgestellt. Daran anschließend wird in der Sicherungsschicht das Listen Before Talk Verfahren zum koordinierten Kanalzugriff erläutert.
Ist Wasserstoff der unbegrenzte Energieträger der Zukunft? Ist die Brennstoffzelle als Energieumwandlungssystem denkbar, welches geräuschlos Strom erzeugt und dabei Emissionsfreie arbeitet? Wird der Lithium-Akku eine Möglichkeit sein elektrische Energie sicher, zuverlässig, und dauerhaft zu speichern? Wie ökologisch, ökonomisch und nachhaltig sind diese Technologien heute bzw. werden sie in 20 Jahre sein? In der Arbeit wurden zu den Fragestellungen Antworten und Szenarien gefunden und bewertet. Im Mittelpunkt steht das Automobil mit einer Brennstoffzelle als Energiewandlungssystem.