Design and development of a diagonal-airflow batch dryer for spatial drying homogeneity

Das Verfahren der Lebensmitteltrocknung wird häufig angewendet, um ein Produkt für längere Zeit haltbar zu machen. Obst und Gemüse sind aufgrund ihres hohen Wassergehalts leicht verderblich durch biochemische Vorgänge innerhalb des Produktes, nicht sachgemäße Lagerung und unzureichende Transportmöglichkeiten. Um solche Verluste zu vermeiden wird die direkte Trocknung eingesetzt, welche die älteste Methode zum langfristigen haltbarmachen ist. Diese Methode ist jedoch veraltet und kann den heutigen Herausforderungen nicht gerecht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer Chargentrockner, mit diagonalem Luftstömungskanal entlang der Länge des Trocknungsraumes und ohne Leitbleche entwickelt. Neben dem unbestreitbaren Nutzen der Verwendung von Leitblechen, erhöhen diese jedoch die Konstruktionskosten und führen auch zu einer Erhöhung des Druckverlustes. Dadurch wird im Trocknungsprozess mehr Energie verbraucht. Um eine räumlich gleichmäßige Trocknung ohne Leitbleche zu erreichen, wurden die Lebensmittelbehälter diagonal entlang der Länge des Trockners platziert. Das vorrangige Ziel des diagonalen Kanals war, die einströmende, warme Luft gleichmäßig auf das gesamte Produkt auszurichten. Die Simulation des Luftstroms wurde mit ANSYS-Fluent in der ANSYS Workbench Plattform durchgeführt. Zwei verschiedene Geometrien der Trocknungskammer, diagonal und nicht diagonal, wurden modelliert und die Ergebnisse für eine gleichmäßige Luftverteilung aus dem diagonalen Luftströmungsdesign erhalten. Es wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um das Design zu bewerten. Kartoffelscheiben dienten als Trocknungsgut. Die statistischen Ergebnisse zeigen einen guten Korrelationskoeffizienten für die Luftstromverteilung (87,09%) zwischen dem durchschnittlich vorhergesagten und der durchschnittlichen gemessenen Strömungsgeschwindigkeit. Um den Effekt der gleichmäßigen Luftverteilung auf die Veränderung der Qualität zu bewerten, wurde die Farbe des Produktes, entlang der gesamten Länge der Trocknungskammer kontaktfrei im on-line-Verfahren bestimmt. Zu diesem Zweck wurde eine Imaging-Box, bestehend aus Kamera und Beleuchtung entwickelt. Räumliche Unterschiede dieses Qualitätsparameters wurden als Kriterium gewählt, um die gleichmäßige Trocknungsqualität in der Trocknungskammer zu bewerten. Entscheidend beim Lebensmittel-Chargentrockner ist sein Energieverbrauch. Dafür wurden thermodynamische Analysen des Trockners durchgeführt. Die Energieeffizienz des Systems wurde unter den gewählten Trocknungsbedingungen mit 50,16% kalkuliert. Die durchschnittlich genutzten Energie in Form von Elektrizität zur Herstellung von 1kg getrockneter Kartoffeln wurde mit weniger als 16,24 MJ/kg und weniger als 4,78 MJ/kg Wasser zum verdampfen bei einer sehr hohen Temperatur von jeweils 65°C und Scheibendicken von 5mm kalkuliert. Die Energie- und Exergieanalysen für diagonale Chargentrockner wurden zudem mit denen anderer Chargentrockner verglichen. Die Auswahl von Trocknungstemperatur, Massenflussrate der Trocknungsluft, Trocknerkapazität und Heiztyp sind die wichtigen Parameter zur Bewertung der genutzten Energie von Chargentrocknern. Die Entwicklung des diagonalen Chargentrockners ist eine nützliche und effektive Möglichkeit um dei Trocknungshomogenität zu erhöhen. Das Design erlaubt es, das gesamte Produkt in der Trocknungskammer gleichmäßigen Luftverhältnissen auszusetzen, statt die Luft von einer Horde zur nächsten zu leiten.

Ordnung hilffen. Vorreformatorische Geschlechterordnung: Erste deutsche Bibel und Der Ackermann aus Böhmen

Die Dissertation leistet einen Beitrag zur Konstruktion von Geschlechterverhältnissen in der Ehe vor der Reformation. Untersucht werden zwei Texte des 15. Jahrhunderts: Die sogenannte Erste deutsche Bibel (EDB) und die Dichtung Der Ackermann aus Böhmen von Johannes von Tepl. Die Wort-für-Wort-Analyse beider Texte hat aus der zeitgebundenen deutschen Sprachgestalt spezifi-sche Denkfiguren erschlossen. Zentral ist die Gestaltung des Verhältnisses zwischen Gott und Menschen als Rechtsbeziehung Lehen. Das erste Kapitel analysiert und interpretiert die für Ehe- und Geschlechterkonzepte grund-legenden Aussagen von Genesis 1 - 4,1 und den Kanon der fünf Weisheitsbücher der EDB mit folgenden Ergebnissen: 1. Die EDB ist als Rechtsbuch zu lesen, dessen Zentrum die göttliche Herrschaft mit ihrer Rechts-ordnung ist. In diesem Rahmen wird für Mann und Frau die Ordnung Paar definiert. 2. Beide Geschlechter sind gleichwertig. Das kommt in ihren jeweiligen Handlungsfeldern (Werkordnungen) zum Ausdruck. 3. Der Begriff hilffen für die Ehefrau bedeutet Hilfe zum Heil ihres Mannes und eine spezifische Gottesnähe. Dies ist ein entscheidender Unterschied zu Luthers Bibelübersetzung, welche die Frau als untergeordnete Gehilfin des Mannes gestaltet. (Anhang III stellt die EDB-Verse der Lu-therübersetzung von 1545 gegenüber.) 4. Der Sündenfall wird als Rechtsbruch beschrieben, der den Wechsel von der Schöpfungsord-nung im Paradies zur Weltordnung auslöst, die mit den Urteilen Gottes über Frau und Mann beginnt (Genesis 3). Die Urteile fassen die Ehe in einem Diagonalkreuz, welches vier Faktoren untrennbar verbindet: Herrschaft mit Unterordnung sowie hilffen (Gebären) mit Tod. Die Ge-schlechterunterschiede sind konstituierend für die Ehe im Diagonalkreuz. In der EDB lassen sich drei Paarkonstellationen unterscheiden: die Ehe im Diagonalkreuz zwischen dem guten weib und dem weisen Mann, die Ehe ohne Diagonalkreuz zwischen dem un-weib und dem unweisen Mann und die nichteheliche Geschlechterbeziehung zwischen dem gemeinem weib und dem ee-brecher. Das zweite Kapitel der Dissertation vergleicht die alttestamentarischen Ehekonzepte der EDB mit denen der Dichtung Ackermann aus Böhmen. Die rhetorische Form des Streitgesprächs zwischen Witwer und hern Tot zeigt die Struktur eines deutschrechtlichen Prozesses. In diesem Rahmen gewinnen die gegensätzlichen Aussagen über die Ehe die Bedeutung von Rechtspositionen, die in konträren göttlichen Herrschaftsordnungen verortet werden. Die vom Witwer vertretene Herrschaftsordnung beruht auf der alttestamentarischen Rechtsordnung der EDB, während die Positionen des hern Tot diese Rechtsordnung verkehren, indem er die Herrschaftsordnung der Welt als sein Eigen definiert. Ein weiteres Ergebnis des Vergleichs zwischen der EDB und dem Ackermann aus Böhmen ist, dass sowohl die alttestamentarischen Bücher als auch die Dichtung Rechtsfiguren präsentieren. Entscheidend sind in beiden Texten die Urteile Gottes, die jeweils einen Paradigmenwechsel kon-stituieren. In der EDB wird nach dem Sündenfall die (paradiesische) Rechtsordnung in die Rechtsordnung ee gewandelt. Im Ackermann wird die alttestamentarische Rechtsordnung ee der EDB durch die ordenung Tod ersetzt, mit der zugleich die Ordnung Paar nicht mehr gilt. Die Urtei-le Gottes in der EDB definieren das Paar als zweigeschlechtlichen Menschen, das Urteil im Ackermann charakterisiert zwei Einzelmenschen: Mann oder Frau. Damit wird die zentrale Bedeutung der Ehefrau als hilffen zum Heil ihres Mannes aufgehoben, weil die wechselseitige Angewiesenheit von Mann und Frau nicht mehr gegeben ist. Insofern ist hier ein wichtiger Schritt zum reformatorischen Eheverständnis zu erkennen.

Cleanliness versus cow comfort – an insolvable problem?

Cubicle should provide good resting comfort as well as clean udders. Dairy cows in cubicle houses often face a restrictive environment with regard to resting behaviour, whereas cleanliness may still be impaired. This study aimed to determine reliable behavioural measures regarding resting comfort applicable in on-farm welfare assessments. Furthermore, relationships between cubicle design, cow sizes, management factors and udder cleanliness (namely teats and teat tips) were investigated. Altogether 15 resting measures were examined in terms of feasibility, inter-observer reliability (IOR) and consistency of results per farm over time. They were recorded during three farm visits on farms in Germany and Austria with cubicle, deep litter and tie stall systems. Seven measures occurred to infrequently to allow reliable recording within a limited observation time. IOR was generally acceptable to excellent except for 'collisions during lying down', which only showed good IOR after improvement of the definition. Only three measures were acceptably repeatable over time: 'duration of lying down', 'percentage of collisions during lying down' and 'percentage of cows lying partly or completely outside lying area'. These measures were evaluated as suitable animal based welfare measures regarding resting behaviour in the framework of an on-farm welfare assessment protocol. The second part of the thesis comprises a cross-sectional study on resting comfort and cow cleanliness including 23 Holstein Friesian dairy herds with very low within-farm variation in cubicle measures. Height at withers, shoulder width and diagonal body length were measured in 79-100 % of the cows (herd size 30 to115 cows). Based on the 25 % largest animals, compliance with recommendations for cubicle measures was calculated. Cleanliness of different body parts, the udder, teats and teat tips was assessed for each cow in the herd prior to morning milking. No significant correlation was found between udder soiling and teat or teat tip soiling on herd level. The final model of a stepwise regression regarding the percentage of dirty teats per farm explained 58.5 % the variance and contained four factors. Teat dipping after milking which might be associated with an overall clean and accurate management style, deep bedded cubicles, increasing cubicle maintenance times and decreasing compliance concerning total cubicle length predicted lower teat soiling. The final model concerning teat tip soiling explained 46.0 % of the variance and contained three factors. Increasing litter height in the rear part of the cubicle and increased alley soiling which is difficult to explain, predicted for less soiled teat tips, whereas increasing compliance concerning resting length was associated with higher percentages of dirty teat tips. The dependent variable ‘duration of lying down’ was analysed using again stepwise regression. The final model explained 54.8 % of the total variance. Lying down duration was significantly shorter in deep bedded cubicles. Further explanatory though not significant factors in the model were neck-rail height, deep bedding or comfort mattresses versus concrete floor or rubber mats and clearance height of side partitions. In the attempt to create a more comprehensive lying down measure, another analysis was carried out with percentage of ‘impaired lying down’ (i.e. events exceeding 6.3 seconds, with collisions or being interrupted) as dependent variable. The explanatory value of this final model was 41.3 %. An increase in partition length, in compliance concerning cubicle width and the presence of straw within bedding predicted a lower proportion of impaired lying down. The effect of partition length is difficult to interpret, but partition length and height were positively correlated on the study farms, possibly leading to a bigger zone of clear space for pelvis freedom. No associations could be found between impaired lying down and teat or teat tip soiling. Altogether, in agreement with earlier studies it was found that cubicle dimensions in practice are often inadequate with regard to the body dimensions of the cows, leading to high proportions of impaired lying down behaviour, whereas teat cleanliness is still unsatisfactory. Connections between cleanliness and cow comfort are far from simplistic. Especially the relationship between cubicle characteristics and lying down behaviour apparently is very complex, so that it is difficult to identify single influential factors that are valid for all farm situations. However, based on the results of the present study the use of deep bedded cubicles can be recommended as well as improved management with special regard to cubicle and litter maintenance in order to achieve both better resting comfort and teat cleanliness.

Optimizing Robust Quantum Gates in Open Quantum Systems

We are currently at the cusp of a revolution in quantum technology that relies not just on the passive use of quantum effects, but on their active control. At the forefront of this revolution is the implementation of a quantum computer. Encoding information in quantum states as “qubits” allows to use entanglement and quantum superposition to perform calculations that are infeasible on classical computers. The fundamental challenge in the realization of quantum computers is to avoid decoherence – the loss of quantum properties – due to unwanted interaction with the environment. This thesis addresses the problem of implementing entangling two-qubit quantum gates that are robust with respect to both decoherence and classical noise. It covers three aspects: the use of efficient numerical tools for the simulation and optimal control of open and closed quantum systems, the role of advanced optimization functionals in facilitating robustness, and the application of these techniques to two of the leading implementations of quantum computation, trapped atoms and superconducting circuits. After a review of the theoretical and numerical foundations, the central part of the thesis starts with the idea of using ensemble optimization to achieve robustness with respect to both classical fluctuations in the system parameters, and decoherence. For the example of a controlled phasegate implemented with trapped Rydberg atoms, this approach is demonstrated to yield a gate that is at least one order of magnitude more robust than the best known analytic scheme. Moreover this robustness is maintained even for gate durations significantly shorter than those obtained in the analytic scheme. Superconducting circuits are a particularly promising architecture for the implementation of a quantum computer. Their flexibility is demonstrated by performing optimizations for both diagonal and non-diagonal quantum gates. In order to achieve robustness with respect to decoherence, it is essential to implement quantum gates in the shortest possible amount of time. This may be facilitated by using an optimization functional that targets an arbitrary perfect entangler, based on a geometric theory of two-qubit gates. For the example of superconducting qubits, it is shown that this approach leads to significantly shorter gate durations, higher fidelities, and faster convergence than the optimization towards specific two-qubit gates. Performing optimization in Liouville space in order to properly take into account decoherence poses significant numerical challenges, as the dimension scales quadratically compared to Hilbert space. However, it can be shown that for a unitary target, the optimization only requires propagation of at most three states, instead of a full basis of Liouville space. Both for the example of trapped Rydberg atoms, and for superconducting qubits, the successful optimization of quantum gates is demonstrated, at a significantly reduced numerical cost than was previously thought possible. Together, the results of this thesis point towards a comprehensive framework for the optimization of robust quantum gates, paving the way for the future realization of quantum computers.