Lämpötilan vaikutus kuparin ja nikkelin kolonnierotuksessa kelatoivalla adsorbentilla

Sinkin valmistuksessa pitää sinkkirikasteesta poistaa epäpuhtausmetallit ennen elektrolyysiä. Nykyisin epäpuhtauksien poistamiseksi käytetään sementointimene-telmiä. Sementointi voisi olla mahdollista korvata kelatoivalla adsorbentilla suori-tettavalla erotuksella, jonka etuja ovat selektiivisyys ja ympäristöystävällisyys. Työn tarkoituksena on tutkia lämpötilan vaikutusta kelatoivalla adsorbentilla teh-tävään nikkelin ja kuparin kolonnierotukseen. Kolonnierotuksessa lämpötila voi vaikuttaa sekä liuoksen että adsorbentin fysi-kaalisiin, kemiallisiin ja sähkökemiallisiin ominaisuuksiin. Näiden vaikutusten johdosta voivat esimerkiksi erotuksen stoikiometria, kinetiikka tai toimintaolosuh-teet muuttua. Tässä työssä lämpötilan vaikutusta kolonnierotukseen tutkittiin rik-kihapon ja erotusmateriaalin välisillä kinetiikkakokeilla sekä synteettisellä CuSO4-liuoksella ja autenttisella ZnSO4-liuoksella tehdyillä kolonniajoilla. Työssä käytetyn erotusmateriaalin runko on silikapolyamiini ja sen funktionaali-sena ryhmänä toimii 2-aminometyylipyridiini. Lämpötilan ollessa 60 °C havaittiin erotusmateriaalin ja rikkihapon asettuvan tasapainoon kolme kertaa nopeammin kuin 25 °C:ssa. Lämpötilan nostamisella edelleen 90 °C:een ei havaittu olevan merkittävää vaikutusta tasapainon saavuttamisen nopeuteen. Kuparin läpäisykäyrän havaittiin jyrkentyvän lämpötilan noston vaikutuksesta niin autenttisella ZnSO4-liuoksella kuin synteettisellä CuSO4-liuoksella. Tämän oletettiin johtuvan kinetiikan nopeuden kasvusta sekä autenttisella liuoksella myös viskositeetin pienenemisestä. Lämpötilan vaikutuksesta on mahdollista käsitellä autenttista ZnSO4-liuosta 90 °C:ssa noin 3,5-kertaa enemmän kuin 25 °C:ssa, siten että liuoksesta saadaan poistettua lähes kaikki kupari. Nikkelin havaittiin lä-päisevän kolonnin kaikissa lämpötiloissa lähes välittömästi. Tästä syystä tutkittu erotusmateriaali ei sovellu nikkelin ja kuparin samanaikaiseen erottamiseen tutki-tusta autenttisesta ZnSO4-liuoksesta.

PK-yrityksen liiketoiminnan kehittäminen: Yritys A:n rakennusliike-toiminnan kehittäminen

Tämän diplomityön päämääränä on ratkaista Yritys A:n rakennusliiketoi-minnan kehittämistehtävä. Tehtävänä on analysoida kohteena oleva liike-toiminta, sen toimintaympäristö ja toimintaedellytykset. Analyysien tulok-sena muodostetaan johtopäätökset liiketoiminnan tilanteesta ja luodaan Yritys A:n rakennusliiketoiminnalle strategia ja toteutussuunnitelma. Työn teoreettisessa osassa esitellään analyysimallit ja strategiatyö vaiheittain. Empiirisessä osassa sovelletaan esiteltyjä työkaluja ja malleja sekä luo-daan niihin pohjautuen strategia ja sen toteuttamissuunnitelma. Työn totuloksina syntyvät tehtävänannon mukaiset suunnitelmat ovat suoraan Yritys A:n omistajien ja johdon hyödynnettävissä. Tulosten luotettavuus ja toimivuus pohjautuu taustaryhmän ja työn toteuttajan laajaan näköalaan ja pitkälliseen tunte-mukseen kohdeyrityksen liiketoiminnasta. Työssä on käytetty tutkimuksel-lisen kehittämisen, konstruktiivisen tapaustutkimuksen ja avoimen haastat-telun menetelmiä.

Coverage mobilization by different no-tillage in-line handling mechanisms

Vegetation cover on soil acts positively in maintaining temperature and soil moisture, yet, it has been imposing specific operational conditions on seeders. The objective of this study was to evaluate performance of different mechanisms regarding straw mobilization, employed in a no-till seeder. The experimental area was conducted on clayey soil under no-tillage with a large quantity of sorghum residue. The experiment was established in a randomized block design, as the treatments consisted of a combination of two mechanisms at front of the furrow opener composed of cutting disc and row cleaners, and three mechanisms behind the seed furrower, covering discs prototype model M1, Spider and commercial model, with the combination of cutting disc and Spider model not being evaluated. We assessed the coverage permanence on soil index, vegetation mass on surface and inside the line. The treatment containing the row cleaner mechanism efficiently removed straw from the surface of sowing line as well as the return one acted on straw replacement. It was identified that use of the cutting disc at the front of seeder contributed to the increase of straw installation inside the line, three times more than in the row cleaner system when operating individually. Covering mechanism with row cleaners reduced straw inside the line and kept line covering similar to treatment of cutting disc operating alone.

A Design Methodology for the Compensation of Positioning Deviation in Gantry Manipulators

This work presents recent results concerning a design methodology used to estimate the positioning deviation for a gantry (Cartesian) manipulator, related mainly to structural elastic deformation of components during operational conditions. The case-study manipulator is classified as gantry type and its basic dimensions are 1,53m x 0,97m x 1,38m. The dimensions used for the calculation of effective workspace due to end-effector path displacement are: 1m x 0,5m x 0,5m. The manipulator is composed by four basic modules defined as module X, module Y, module Z and terminal arm, where is connected the end-effector. Each module controlled axis performs a linear-parabolic positioning movement. The planning path algorithm has the maximum velocity and the total distance as input parameters for a given task. The acceleration and deceleration times are the same. Denavit-Hartemberg parameterization method is used in the manipulator kinematics model. The gantry manipulator can be modeled as four rigid bodies with three degrees-of-freedom in translational movements, connected as an open kinematics chain. Dynamic analysis were performed considering inertial parameters specification such as component mass, inertia and center of gravity position of each module. These parameters are essential for a correct manipulator dynamic modelling, due to multiple possibilities of motion and manipulation of objects with different masses. The dynamic analysis consists of a mathematical modelling of the static and dynamic interactions among the modules. The computation of the structural deformations uses the finite element method (FEM).

Working fluid selection and design of small-scale waste heat recovery systems based on organic Rankine cycles

Demand for the use of energy systems, entailing high efficiency as well as availability to harness renewable energy sources, is a key issue in order to tackling the threat of global warming and saving natural resources. Organic Rankine cycle (ORC) technology has been identified as one of the most promising technologies in recovering low-grade heat sources and in harnessing renewable energy sources that cannot be efficiently utilized by means of more conventional power systems. The ORC is based on the working principle of Rankine process, but an organic working fluid is adopted in the cycle instead of steam. This thesis presents numerical and experimental results of the study on the design of small-scale ORCs. Two main applications were selected for the thesis: waste heat re- covery from small-scale diesel engines concentrating on the utilization of the exhaust gas heat and waste heat recovery in large industrial-scale engine power plants considering the utilization of both the high and low temperature heat sources. The main objective of this work was to identify suitable working fluid candidates and to study the process and turbine design methods that can be applied when power plants based on the use of non-conventional working fluids are considered. The computational work included the use of thermodynamic analysis methods and turbine design methods that were based on the use of highly accurate fluid properties. In addition, the design and loss mechanisms in supersonic ORC turbines were studied by means of computational fluid dynamics. The results indicated that the design of ORC is highly influenced by the selection of the working fluid and cycle operational conditions. The results for the turbine designs in- dicated that the working fluid selection should not be based only on the thermodynamic analysis, but requires also considerations on the turbine design. The turbines tend to be fast rotating, entailing small blade heights at the turbine rotor inlet and highly supersonic flow in the turbine flow passages, especially when power systems with low power outputs are designed. The results indicated that the ORC is a potential solution in utilizing waste heat streams both at high and low temperatures and both in micro and larger scale appli- cations.

Tangential microfiltration of orange juice in bench pilot

The aim of this study was to introduce the tangential microfiltration (TMF) technique on the production of orange juice (TMFJ), and compare it with pasteurised juice (control) as regards chemical composition and sensorial characteristics. We used a TMF pilot equipped with four monotubular ceramic membranes (0.1, 0.2, 0.8 and 1.4mm) arranged in series with a filtering area of 0.005 m² each. Commercial flash-pasteurised orange juice was used as the initial product. Experiments were divided into three parts: a) the characterisation of the TMF pilot; b) optimisation of operational conditions; c) production of the TMFJ. In the second part, membrane with 0.8-mm pores presented best flux followed by those with 1.4-, 0.1-, and 0.2-mm pores. However, to guarantee permeate sterility, we chose the membrane with 0.1-mm pores for TMFJ production. Initially, the orange juice was sieved in order to separate part of the pulp, being subsequently submitted to TMF. A mixture of retentate and pulp was made, and was subsequently pasteurised. We obtained the TMFJ by adding the permeate to the mixture. TMFJ presented soluble solids content (°Brix), pulp, pH, and titrable acidity similar to the initial pasteurised juice (control). Nevertheless, 28% of vitamin C was lost during the TMFJ production. According to the juice taster panel, the control juice presented best sensorial characteristics (greater aroma intensity and fruity flavour) when compared with the TMJF.

Formal development of resilient distributed systems

Resilience is the property of a system to remain trustworthy despite changes. Changes of a different nature, whether due to failures of system components or varying operational conditions, significantly increase the complexity of system development. Therefore, advanced development technologies are required to build robust and flexible system architectures capable of adapting to such changes. Moreover, powerful quantitative techniques are needed to assess the impact of these changes on various system characteristics. Architectural flexibility is achieved by embedding into the system design the mechanisms for identifying changes and reacting on them. Hence a resilient system should have both advanced monitoring and error detection capabilities to recognise changes as well as sophisticated reconfiguration mechanisms to adapt to them. The aim of such reconfiguration is to ensure that the system stays operational, i.e., remains capable of achieving its goals. Design, verification and assessment of the system reconfiguration mechanisms is a challenging and error prone engineering task. In this thesis, we propose and validate a formal framework for development and assessment of resilient systems. Such a framework provides us with the means to specify and verify complex component interactions, model their cooperative behaviour in achieving system goals, and analyse the chosen reconfiguration strategies. Due to the variety of properties to be analysed, such a framework should have an integrated nature. To ensure the system functional correctness, it should rely on formal modelling and verification, while, to assess the impact of changes on such properties as performance and reliability, it should be combined with quantitative analysis. To ensure scalability of the proposed framework, we choose Event-B as the basis for reasoning about functional correctness. Event-B is a statebased formal approach that promotes the correct-by-construction development paradigm and formal verification by theorem proving. Event-B has a mature industrial-strength tool support { the Rodin platform. Proof-based verification as well as the reliance on abstraction and decomposition adopted in Event-B provides the designers with a powerful support for the development of complex systems. Moreover, the top-down system development by refinement allows the developers to explicitly express and verify critical system-level properties. Besides ensuring functional correctness, to achieve resilience we also need to analyse a number of non-functional characteristics, such as reliability and performance. Therefore, in this thesis we also demonstrate how formal development in Event-B can be combined with quantitative analysis. Namely, we experiment with integration of such techniques as probabilistic model checking in PRISM and discrete-event simulation in SimPy with formal development in Event-B. Such an integration allows us to assess how changes and di erent recon guration strategies a ect the overall system resilience. The approach proposed in this thesis is validated by a number of case studies from such areas as robotics, space, healthcare and cloud domain.

Evaluation of temperatures in a refrigerated container for chilled and frozen food transport

The objective of this work was to monitor the operational conditions of the transport of chilled and frozen foods during delivery within cities and to evaluate the impact of the door openings on the alteration of the internal temperature of the refrigerated environment. Several temperature and pressure sensors were used in a refrigerated container with two compartments and they were installed in the refrigeration system unit and on the internal and external surfaces of the container. After the monitoring tests, it was verified that door openings during deliveries resulted in a disturbance that raised the internal temperature of the refrigerated container above values recommended for adequate conservation of the products transported. Moreover, increasing the number of door openings promoted a cumulative effect on the internal temperature, mainly in the chilled food compartment of the container. It was concluded that the refrigeration system unit presented serious limitations with regard to the maintenance of the container's internal temperature during the actual distribution routine, since it does not possess enough instantaneous capacity to restore the temperature set-point between deliveries.

Experimental results and modeling of poultry carcass cooling by water immersion

Poultry carcasses have to be chilled to reduce the central breast temperatures from approximately 40 to 4 °C, which is crucial to ensure safe products. This work investigated the cooling of poultry carcasses by water immersion. Poultry carcasses were taken directly from an industrial processing plant and cooled in a pilot chiller, which was built to investigate the influence of the method and the water stirring intensity on the carcasses cooling. A simplified empiric mathematical model was used to represent the experimental results. These results indicated clearly that the understanding and quantification of heat transfer between the carcass and the cooling water is crucial to improve processes and equipment. The proposed mathematical model is a useful tool to represent the dynamics of carcasses cooling, and it can be used to compare different chiller operational conditions in industrial plants. Therefore, this study reports data and a simple mathematical tool to handle an industrial problem with little information available in the literature.

Improvements in Fermentative Hydrogen Production through Physiological Manipulation and Metabolic Engineering

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates.

Carboxydothermus hydrogenoformans comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène simultanément a la minéralisation de calcium et phosphate

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours.

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.

Biological nutrient removal in SBR technology: from floccular to granular sludge

Biological nutrient removal has been studied and applied for decades in order to remove nitrogen and phosphorus from wastewater. However, more anthropogenic uses and the continued demand for water have forced the facilities to operate at their maximum capacity. Therefore, the goal of this thesis is to obtain more compact systems for nutrient removal from domestic wastewater. In this sense, optimization and long-term stabilization of high volume exchange ratios reactors, treating higher volumes of wastewater, have been investigated. With the same target, aerobic granular sludge was proposed as a reliable alternative to reduce space and increase loading rates in treatment plants. However, the low organic loading rate from low-strength influents (less than 1 Kg COD•m-3d-1) results in slower granular formation and a longer time to reach a steady state. Because of that, different methodologies and operational conditions were investigated in order to enhance granulation and nutrient removal from domestic wastewater.

The role of phase separation and feed cycle length in leach beds coupled to methanogenic reactors for digestion of a solid substrate (Part 1): Optimisation of reactors’ performance

A two-phase system composed by a leach bed and a methanogenic reactor was modified for the first time to improve volumetric substrate degradation and methane yields from a complex substrate (maize; Zea mays). The system, which was operated for consecutive feed cycles of different durations for 120 days, was highly flexible and its performance improved by altering operational conditions. Daily substrate degradation was higher the shorter the feed cycle, reaching 8.5 g TSdestroyed d�1 (7-day feed cycle) but the overall substrate degradation was higher by up to 55% when longer feed cycles (14 and 28 days) were applied. The same occurred with volumetric methane yields, reaching 0.839 m3 (m3)�1 d�1. The system performed better than others on specific methane yields, reaching 0.434 m3 kg�1 TSadded, in the 14-day and 28-day systems. The UASB and AF designs performed similarly as second stage reactors on methane yields, SCOD and VFA removal efficiencies.

Sensitivity and out-of-sample error in continuous time data assimilation

Data assimilation refers to the problem of finding trajectories of a prescribed dynamical model in such a way that the output of the model (usually some function of the model states) follows a given time series of observations. Typically though, these two requirements cannot both be met at the same time–tracking the observations is not possible without the trajectory deviating from the proposed model equations, while adherence to the model requires deviations from the observations. Thus, data assimilation faces a trade-off. In this contribution, the sensitivity of the data assimilation with respect to perturbations in the observations is identified as the parameter which controls the trade-off. A relation between the sensitivity and the out-of-sample error is established, which allows the latter to be calculated under operational conditions. A minimum out-of-sample error is proposed as a criterion to set an appropriate sensitivity and to settle the discussed trade-off. Two approaches to data assimilation are considered, namely variational data assimilation and Newtonian nudging, also known as synchronization. Numerical examples demonstrate the feasibility of the approach.