Studies on Energy Exchange and Upper Ocean Thermat Structure in Arabian Sea and Heat Transport in Northern Indian Ocean

The thesis focused Studies on Energy Exchange and Upper Ocean Thermal Structure in Arabian Sea and Heat Transport in Northern Indian Ocean. The present thesis is an attempt to understand the upper ocean thermal characteristics at selected areas in the western and eastern Arabian Sea in relation to surface energy exchange and dynamics, on a climatological basis. It is also aimed to examine, the relative importance of different processes in the evolution of SST at the western and eastern Arabian Sea. Short-term variations of energy exchange and upper ocean thermal structure are also investigated. Climatological studies of upper ocean thermal structure and surface energy exchange in the western and eastern parts of Arabian Sea bring out the similarities/differences and the causative factors for the observed features. Annual variation of zonally averaged heat advection in north Indian Ocean shows that maximum export of about 100 W/m2 occurs around 15ON during southwest monsoon season. This is due to large negative heat storage caused by intense upwelling in several parts of northern Indian Ocean. By and large, northern Indian Ocean is an area of heat export

Time-dependent heat capacity of Mn12 clusters

In this paper we discuss both theoretical and experimental results on the time dependence of the heat capacity of oriented Mn12 magnetic clusters when a magnetic field is applied along their easy axis. Our calculations are based on the existence of two contributions. The first one is associated with the thermal populations of the 21 different Sz levels in the two potential wells of the magnetic uniaxial anisotropy and the second one is related to the transitions between the Sz levels. We compare our theoretical predictions with experimental data on the heat capacity for different resolution times at different fields and temperatures.

Giant heat dissipation at the low temperature reversible-irreversible transition in Gd5Ge4

The heat exchanged at the low-temperature first-order magnetostructural transition is directly measured in Gd5Ge4 . Results show that the origin and the temperature dependence of the heat exchanged varies with the reversible/irreversible character of the first-order transition. In the reversible regime, the heat exchanged by the sample is mostly due to the latent heat at the transition and decreases with decreasing temperature, while in the irreversible regime, the heat is irreversibly dissipated and increases strongly with decreasing temperature, reaching a value of 237 J/kg at 4 K.

Heat transfer between nanoparticles: Thermal conductance for near-field interactions

We analyze the heat transfer between two nanoparticles separated by a distance lying in the near-field domain in which energy interchange is due to the Coulomb interactions. The thermal conductance is computed by assuming that the particles have charge distributions characterized by fluctuating multipole moments in equilibrium with heat baths at two different temperatures. This quantity follows from the fluctuation-dissipation theorem for the fluctuations of the multipolar moments. We compare the behavior of the conductance as a function of the distance between the particles with the result obtained by means of molecular dynamics simulations. The formalism proposed enables us to provide a comprehensive explanation of the marked growth of the conductance when decreasing the distance between the nanoparticles.

Study of the Oceanic Heat Budget Components over the Arabian Sea during the Formation and Evolution of Super Cyclone, Gonu

Oceans play a vital role in the global climate system. They absorb the incoming solar energy and redistribute the energy through horizontal and vertical transports. In this context it is important to investigate the variation of heat budget components during the formation of a low-pressure system. In 2007, the monsoon onset was on 28th May. A well- marked low-pressure area was formed in the eastern Arabian Sea after the onset and it further developed into a cyclone. We have analysed the heat budget components during different stages of the cyclone. The data used for the computation of heat budget components is Objectively Analyzed air-sea flux data obtained from WHOI (Woods Hole Oceanographic Institution) project. Its horizontal resolution is 1° × 1°. Over the low-pressure area, the latent heat flux was 180 Wm−2. It increased to a maximum value of 210 Wm−2 on 1st June 2007, on which the system was intensified into a cyclone (Gonu) with latent heat flux values ranging from 200 to 250 Wm−2. It sharply decreased after the passage of cyclone. The high value of latent heat flux is attributed to the latent heat release due to the cyclone by the formation of clouds. Long wave radiation flux is decreased sharply from 100 Wm−2 to 30 Wm−2 when the low-pressure system intensified into a cyclone. The decrease in long wave radiation flux is due to the presence of clouds. Net heat flux also decreases sharply to −200 Wm−2 on 1st June 2007. After the passage, the flux value increased to normal value (150 Wm−2) within one day. A sharp increase in the sensible heat flux value (20 Wm−2) is observed on 1st June 2007 and it decreased there- after. Short wave radiation flux decreased from 300 Wm−2 to 90 Wm−2 during the intensification on 1st June 2007. Over this region, short wave radiation flux sharply increased to higher value soon after the passage of the cyclone.

A new look at reversible logic implementation of decimal adder

Reversibility plays a fundamental role when logic gates such as AND, OR, and XOR are not reversible. computations with minimal energy dissipation are considered. Hence, these gates dissipate heat and may reduce the life of In recent years, reversible logic has emerged as one of the most the circuit. So, reversible logic is in demand in power aware important approaches for power optimization with its circuits. application in low power CMOS, quantum computing and A reversible conventional BCD adder was proposed in using conventional reversible gates.

“Studies on new base materials for microcellular soles"

The most important part of any footwear is the sole (or sole and heel) which withstands all the hannful external factors such as rouglmess of the ground or road, sharp objects, thorns and stones, heat, dampness and cold during walking. The properties desirable in soling material, therefore, would be 1. lightness 2. resistance to wear and tear for long service life 3. flexibility/softness for wearing comfort 4. thennal insulation Rubber soling surpasses all other soling materials in better performance and lower cost. Because MC sole is soft and very light, and has good abrasion resistance, flex properties and set behaviour it has become very popular all over the world and demand for better quality product is ever increasing. Due to the traditional approach adopted by the footwear industry in foot wear design, the rubber based footwear export surprisingly contributes only a small percentage. The essence of success for any industry lies in the expansion of the export market. Microcellular soles are manufactured for the last three decades without much change in the traditional design and colour pattern. In recent years domestic customers have also started demanding better quality products. In view of the changing taste of the customer and growing competition from other countries, substantial improvement in the export potential will require new base materials for regular or fashion rubber based footwears. The main objective of the present study is to develop new base materials for making MC soles with good quality, viz., light weight, durability and bright colours

Assessment of Energy Conservation in Indian Cement Industry and Forecasting of Co2 Emissions

Cement industry ranks 2nd in energy consumption among the industries in India. It is one of the major emitter of CO2, due to combustion of fossil fuel and calcination process. As the huge amount of CO2 emissions cause severe environment problems, the efficient and effective utilization of energy is a major concern in Indian cement industry. The main objective of the research work is to assess the energy cosumption and energy conservation of the Indian cement industry and to predict future trends in cement production and reduction of CO2 emissions. In order to achieve this objective, a detailed energy and exergy analysis of a typical cement plant in Kerala was carried out. The data on fuel usage, electricity consumption, amount of clinker and cement production were also collected from a few selected cement industries in India for the period 2001 - 2010 and the CO2 emissions were estimated. A complete decomposition method was used for the analysis of change in CO2 emissions during the period 2001 - 2010 by categorising the cement industries according to the specific thermal energy consumption. A basic forecasting model for the cement production trend was developed by using the system dynamic approach and the model was validated with the data collected from the selected cement industries. The cement production and CO2 emissions from the industries were also predicted with the base year as 2010. The sensitivity analysis of the forecasting model was conducted and found satisfactory. The model was then modified for the total cement production in India to predict the cement production and CO2 emissions for the next 21 years under three different scenarios. The parmeters that influence CO2 emissions like population and GDP growth rate, demand of cement and its production, clinker consumption and energy utilization are incorporated in these scenarios. The existing growth rate of the population and cement production in the year 2010 were used in the baseline scenario. In the scenario-1 (S1) the growth rate of population was assumed to be gradually decreasing and finally reach zero by the year 2030, while in scenario-2 (S2) a faster decline in the growth rate was assumed such that zero growth rate is achieved in the year 2020. The mitigation strategiesfor the reduction of CO2 emissions from the cement production were identified and analyzed in the energy management scenarioThe energy and exergy analysis of the raw mill of the cement plant revealed that the exergy utilization was worse than energy utilization. The energy analysis of the kiln system showed that around 38% of heat energy is wasted through exhaust gases of the preheater and cooler of the kiln sysetm. This could be recovered by the waste heat recovery system. A secondary insulation shell was also recommended for the kiln in the plant in order to prevent heat loss and enhance the efficiency of the plant. The decomposition analysis of the change in CO2 emissions during 2001- 2010 showed that the activity effect was the main factor for CO2 emissions for the cement industries since it is directly dependent on economic growth of the country. The forecasting model showed that 15.22% and 29.44% of CO2 emissions reduction can be achieved by the year 2030 in scenario- (S1) and scenario-2 (S2) respectively. In analysing the energy management scenario, it was assumed that 25% of electrical energy supply to the cement plants is replaced by renewable energy. The analysis revealed that the recovery of waste heat and the use of renewable energy could lead to decline in CO2 emissions 7.1% for baseline scenario, 10.9 % in scenario-1 (S1) and 11.16% in scenario-2 (S2) in 2030. The combined scenario considering population stabilization by the year 2020, 25% of contribution from renewable energy sources of the cement industry and 38% thermal energy from the waste heat streams shows that CO2 emissions from Indian cement industry could be reduced by nearly 37% in the year 2030. This would reduce a substantial level of greenhouse gas load to the environment. The cement industry will remain one of the critical sectors for India to meet its CO2 emissions reduction target. India’s cement production will continue to grow in the near future due to its GDP growth. The control of population, improvement in plant efficiency and use of renewable energy are the important options for the mitigation of CO2 emissions from Indian cement industries

Anisotropic adaptive resolution of boundary layers for heat conduction problems

We deal with the numerical solution of heat conduction problems featuring steep gradients. In order to solve the associated partial differential equation a finite volume technique is used and unstructured grids are employed. A discrete maximum principle for triangulations of a Delaunay type is developed. To capture thin boundary layers incorporating steep gradients an anisotropic mesh adaptation technique is implemented. Computational tests are performed for an academic problem where the exact solution is known as well as for a real world problem of a computer simulation of the thermoregulation of premature infants.

Thermoaktive Bauteilsysteme - Ein neuer simulationstechnischer Berechnungsansatz

Thermoaktive Bauteilsysteme sind Bauteile, die als Teil der Raumumschließungsflächen über ein integriertes Rohrsystem mit einem Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagt werden können und so die Beheizung oder Kühlung des Raumes ermöglichen. Die Konstruktionenvielfalt reicht nach diesem Verständnis von Heiz, bzw. Kühldecken über Geschoßtrenndecken mit kern-integrierten Rohren bis hin zu den Fußbodenheizungen. Die darin enthaltenen extrem trägen Systeme werden bewußt eingesetzt, um Energieangebot und Raumenergiebedarf unter dem Aspekt der rationellen Energieanwendung zeitlich zu entkoppeln, z. B. aktive Bauteilkühlung in der Nacht, passive Raumkühlung über das kühle Bauteil am Tage. Gebäude- und Anlagenkonzepte, die träge reagierende thermoaktive Bauteilsysteme vorsehen, setzen im kompetenten und verantwortungsvollen Planungsprozeß den Einsatz moderner Gebäudesimulationswerkzeuge voraus, um fundierte Aussagen über Behaglichkeit und Energiebedarf treffen zu können. Die thermoaktiven Bauteilsysteme werden innerhalb dieser Werkzeuge durch Berechnungskomponenten repräsentiert, die auf mathematisch-physikalischen Modellen basieren und zur Lösung des bauteilimmanenten mehrdimensionalen instationären Wärmeleitungsproblems dienen. Bisher standen hierfür zwei unterschiedliche prinzipielle Vorgehensweisen zur Lösung zur Verfügung, die der physikalischen Modellbildung entstammen und Grenzen bzgl. abbildbarer Geometrie oder Rechengeschwindigkeit setzen. Die vorliegende Arbeit dokumentiert eine neue Herangehensweise, die als experimentelle Modellbildung bezeichnet wird. Über den Weg der Systemidentifikation können aus experimentell ermittelten Datenreihen die Parameter für ein kompaktes Black-Box-Modell bestimmt werden, das das Eingangs-Ausgangsverhalten des zugehörigen beliebig aufgebauten thermoaktiven Bauteils mit hinreichender Genauigkeit widergibt. Die Meßdatenreihen lassen sich über hochgenaue Berechnungen generieren, die auf Grund ihrer Detailtreue für den unmittelbaren Einsatz in der Gebäudesimulation ungeeignet wären. Die Anwendung der Systemidentifikation auf das zweidimensionale Wärmeleitungsproblem und der Nachweis ihrer Eignung wird an Hand von sechs sehr unterschiedlichen Aufbauten thermoaktiver Bauteilsysteme durchgeführt und bestätigt sehr geringe Temperatur- und Energiebilanzfehler. Vergleiche zwischen via Systemidentifikation ermittelten Black-Box-Modellen und physikalischen Modellen für zwei Fußbodenkonstruktionen zeigen, daß erstgenannte auch als Referenz für Genauigkeitsabschätzungen herangezogen werden können. Die Praktikabilität des neuen Modellierungsansatzes wird an Fallstudien demonstriert, die Ganzjahressimulationen unter Bauteil- und Betriebsvariationen an einem exemplarischen Büroraum betreffen. Dazu erfolgt die Integration des Black-Box-Modells in das kommerzielle Gebäude- und Anlagensimulationsprogramm CARNOT. Die akzeptablen Rechenzeiten für ein Einzonen-Gebäudemodell in Verbindung mit den hohen Genauigkeiten bescheinigen die Eignung der neuen Modellierungsweise.

Auf Basis umfangreicher Messdatensätze experimentell und numerisch validierte Regeln zur optimierten Auslegung von Luft-Erdwärmetauschern

Ein Luft-Erdwärmetauscher (L-EWT) kommt wegen seines niedrigen Energiebedarfs und möglicher guter Aufwandszahlen als umweltfreundliche Versorgungskomponente für Gebäude in Betracht. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass ein L-EWT die Umgebungsluft je nach Jahreszeit vorwärmen oder auch kühlen kann. Dem zufolge sind L-EWT zur Energieeinsparung nicht nur für den Wohnhausbau interessant, sondern auch dort, wo immer noch große Mengen an fossiler Energie für die Raumkühlung benötigt werden, im Büro- und Produktionsgebäudesektor. Der Einsatzbereich eines L-EWT liegt zwischen Volumenströmen von 100 m3/h und mehreren 100.000 m3/h. Aus dieser Bandbreite und den instationären Randbedingungen entstehen erhebliche Schwierigkeiten, allgemeingültige Aussagen über das zu erwartende thermische Systemverhalten aus der Vielzahl möglicher Konstruktionsvarianten zu treffen. Hauptziel dieser Arbeit ist es, auf Basis umfangreicher, mehrjähriger Messungen an einer eigens konzipierten Testanlage und eines speziell angepassten numerischen Rechenmodells, Kennzahlen zu entwickeln, die es ermöglichen, die Betriebseigenschaften eines L-EWT im Planungsalltag zu bestimmen und ein technisch, ökologisch wie ökonomisch effizientes System zu identifizieren. Es werden die Kennzahlen elewt (Aufwandszahl), QV (Netto-Volumenleistung), ME (Meterertrag), sowie die Kombination aus v (Strömungsgeschwindigkeit) und VL (Metervolumenstrom) definiert, die zu wichtigen Informationen führen, mit denen die Qualität von Systemvarianten in der Planungsphase bewertet werden können. Weiterführende Erkenntnisse über die genauere Abschätzung von Bodenkennwerten werden dargestellt. Die hygienische Situation der durch den L-EWT transportierten Luft wird für die warme Jahreszeit, aufgrund auftretender Tauwasserbildung, beschrieben. Aus diesem Grund werden alle relevanten lufthygienischen Parameter in mehreren aufwendigen Messkampagnen erfasst und auf pathogene Wirkungen überprüft. Es wird über Sensitivitätsanalysen gezeigt, welche Fehler bei Annahme falscher Randbedingungen eintreten. Weiterhin werden in dieser Arbeit wesentliche, grundsätzliche Erkenntnisse aufbereitet, die sich aus der Betriebsbeobachtung und der Auswertung der umfangreich vorliegenden Messdaten mehrerer Anlagen ergeben haben und für die praktische Umsetzung und die Betriebsführung bedeutend sind. Hinweise zu Materialeigenschaften und zur Systemwirtschaftlichkeit sind detailliert aufgeführt.

Numerical Simulation of Flows at Low Mach Numbers with Heat Sources

This work is concerned with finite volume methods for flows at low mach numbers which are under buoyancy and heat sources. As a particular application, fires in car tunnels will be considered. To extend the scheme for compressible flow into the low Mach number regime, a preconditioning technique is used and a stability result on this is proven. The source terms for gravity and heat are incorporated using operator splitting and the resulting method is analyzed.

Dieselmotor-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im Kontext der Integration Erneuerbarer Energien in die Energieversorgung

In dieser Arbeit werden die sich abzeichnenden zukünftigen Möglichkeiten, Stärken und Schwächen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) untersucht. Dies geschieht vor dem Hintergrund des Klimawandels, der Integration steigender Anteile Erneuerbarer Energien in die Stromerzeugung und unter Berücksichtigung der sich damit ergebenden Herausforderungen, eine sichere und nachhaltige Stromversorgung zu gestalten. Der Fokus liegt auf der Dieselmotor-KWK und der Nutzung nachwachsender Kraftstoffe. Es wird davon ausgegangen, dass der Übergang zu einer reinen Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen in Deutschland unter erheblicher Einbindung des hohen Potentials der kostengünstigen, umweltfreundlichen, aber in der Leistung extrem fluktuierenden Windenergie erfolgen wird. Als dezentrales Integrationswerkzeug wurde die Kraft-Wärme-Kopplung mit Dieselmotoren untersucht. Sie entspricht aufgrund ihrer großen Flexibilität und ihrer hohen Wirkungsgrade mit vergleichsweise kleinen Leistungen sehr gut den Anforderungen der gleichzeitigen dezentralen Wärmenutzung. In der Dissertation werden die Randbedingungen der Dieselmotor-KWK untersucht und beschrieben. Darauf aufbauend werden unterschiedliche Modelle der Windintegration durch KWK erarbeitet und in diversen Variationen wird der Ausgleich der Stromerzeugung aus Windenergie durch KWK simuliert. Darüber hinaus werden dezentrale KWK-Anlagen hinsichtlich eines koordinierten gemeinsamen Betriebs und hinsichtlich der optimalen Auslegung für den Windenergieausgleich betrachtet. Es wird für den beschriebenen Kontext der Erneuerbaren Energien und der Kraft-Wärme-Kopplung das Thema „Umweltwirkungen“ diskutiert. Es wird dargelegt, dass die heute verwendeten Ansätze zur Bewertung der KWK zu einer Verzerrung der Ergebnisse führen. Demgegenüber wurde mit der so genannten Outputmethode eine Methode der Ökobilanzierung vorgestellt, die, im Gegensatz zu den anderen Methoden, keine verzerrenden Annahmen in die Wirkungsabschätzung aufnimmt und somit eine eindeutige und rein wissenschaftliche Auswertung bleibt. Hiermit ist die Grundlage für die Bewertung der unterschiedlichen Technologien und Szenarien sowie für die Einordnung der KWK in den Kontext der Energieerzeugung gegeben. Mit der Outputmethode wird u.a. rechnerisch bewiesen, dass die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen tatsächlich die optimale Nutzung der regenerativen Kraftstoffe „Biogas“ und „Pflanzenöl“ im Hinblick auf Ressourceneinsatz, Treibhausgaseinsparung und Exergieerzeugung ist. Es wurde darüber hinaus die Frage untersucht woher die für die Stromerzeugung durch Dieselmotor-KWK-Anlagen notwendige Bioenergie genommen werden kann. Es ist erwiesen, dass die in Deutschland nutzbare landwirtschaftliche Fläche nur zur Deckung eines Teils der Stromerzeugung ausreichen würde. Einheimisches Biogas und nachhaltiges importiertes Pflanzenöl, das in hohem Maße auf degradierten Böden angebaut werden sollte, können die notwendige Brennstoffenergie liefern. Um im Ausland ausreichend Pflanzenöl herstellen zu können, wird eine landwirtschaftliche Fläche von 6 bis 12 Mio. ha benötigt. Das Ergebnis ist, dass ein voller Ausgleich von Windenergie-Restlast durch KWK mit Erneuerbaren Energieträgern sinnvoll und machbar ist! Dieses Wind-KWK-DSM-System sollte durch ein Stromnetz ergänzt sein, das Wasserkraftstrom für den Großteil der Regelenergieaufgaben nutzt, und das den großräumigen Ausgleich Erneuerbarer Energien in Europa und den Nachbarregionen ermöglicht.

Heat stress response for physiological traits in dairy and dual purpose cattle populations on phenotypic and genetic scales

The main objective of this thesis was to determine the potential impact of heat stress (HS) on physiological traits of lactating cows and semen quality of bulls kept in a temperate climate. The thesis is comprised of three studies. An innovative statistical modeling aspect common to all three studies was the application of random regression methodology (RRM) to study the phenotypic and genetic trajectory of traits in dependency of a continuous temperature humidity index (THI). In the first study, semen quality and quantity traits of 562 Holstein sires kept on an AI station in northwestern Germany were analyzed in the course of THI calculated from data obtained from the nearest weather station. Heat stress was identified based on a decline in semen quality and quantity parameters. The identified general HS threshold (THI = 60) and the thermoneutal zone (THI in the range from 50 to 60) for semen production were lower than detected in studies conducted in tropical and subtropical climates. Even though adult bulls were characterized by higher semen productivity compared to younger bulls, they responded with a stronger semen production loss during harsh environments. Heritabilities (low to moderate range) and additive genetic variances of semen characteristics varied with different levels of THI. Also, based on genetic correlations genotype, by environment interactions were detected. Taken together, these findings suggest the application of specific selection strategies for specific climate conditions. In the second study, the effect of the continuous environmental descriptor THI as measured inside the barns on rectal temperatures (RT), skin temperatures (ST), vaginal temperatures (VT), respiration rates (RR), and pulse rate (PR) of lactating Holstein Friesian (HF) and dual-purpose German black pied cattle (DSN) was analyzed. Increasing HS from THI 65 (threshold) to THI 86 (maximal THI) resulted in an increase of RT by 0.6 °C (DSN) and 1 °C (HF), ST by 3.5 °C (HF) and 8 °C (DSN), VT by 0.3 °C (DSN), and RR by 47 breaths / minute (DSN), and decreased PR by 7 beats / minute (DSN). The undesired effects of rising THI on physiological traits were most pronounced for cows with high levels of milk yield and milk constituents, cows in early days in milk and later parities, and during summer seasons in the year 2014. In the third study of this dissertation, the genetic components of the cow’s physiological responses to HS were investigated. Heat stress was deduced from indoor THI measurements, and physiological traits were recorded on native DSN cows and their genetically upgraded crosses with Holstein Friesian sires in two experimental herds from pasture-based production systems reflecting a harsh environment of the northern part of Germany. Although heritabilities were in a low range (from 0.018 to 0.072), alterations of heritabilities, repeatabilities, and genetic components in the course of THI justify the implementation of genetic evaluations including heat stress components. However, low repeatabilities indicate the necessity of using repeated records for measuring physiological traits in German cattle. Moderate EBV correlations between different trait combinations indicate the potential of selection for one trait to simultaneously improve the other physiological attributes. In conclusion, bulls of AI centers and lactating cows suffer from HS during more extreme weather conditions also in the temperate climate of Northern Germany. Monitoring physiological traits during warm and humid conditions could provide precious information for detection of appropriate times for implementation of cooling systems and changes in feeding and management strategies. Subsequently, the inclusion of these physiological traits with THI specific breeding values into overall breeding goals could contribute to improving cattle adaptability by selecting the optimal animal for extreme hot and humid conditions. Furthermore, the recording of meteorological data in close distance to the cow and visualizing the surface body temperature by infrared thermography techniques might be helpful for recognizing heat tolerance and adaptability in cattle.