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Entwurf eines Bildverarbeitungssystems zur maschinellen Erkennung tieferliegender Gefäßsysteme
(2012)
Zur minimalinvasiven operativen Entfernung von Hirntumoren muss der Chirurg Kenntnis über die Lage gefährdeter Blutgefäße haben. Gefäße mit einem hohen Hemoglobinanteil absorbieren nahinfrarotes Licht mehr als umliegendes Gewebe. Dadurch bilden diese sich dunkler auf den Aufnahmen ab. Die Software soll durch die richtige Kombination unterschiedlicher Bildverarbeitungsmethoden die Aufnahmen soweit verbessern, dass eine Extraktion der Gefäße und anschließende Überlagerung mit dem original Kamerabild möglich wird. Dieses überlagerte Bild soll dem Chirurg als Livestream dargestellt werden.
In der vorliegenden Studie wird dargestellt, wie sich die im geklärten Abwasser eines Kläranlagenablaufs vorhandene Wärmeenergie zusammen mit den anfallenden Klärgas nutzen lässt, um neben der Anlage selbst (Auslegung auf 7.000 Einwohnergleichwerte) weitere Abnehmer in der Umgebung mit Nahwärme zu versorgen. Neben dem energetischen Potenzial und der technischen Umsetzung liegt der Fokus dabei auf der Analyse der Wirtschaftlichkeit eines solchen Konzepts.Dabei werden drei konkrete Erschließungsvarianten untersucht. Aus technischer Sicht übersteigt das energetische Potenzial der Wärmepumpe, welches durch den zeitlichen Verlauf von Volumenstrom und Temperatur des Abwassers bestimmt ist, in der Jahressumme bei weitem den Bedarf aller Abnehmer. Einer theoretischen Heizleistung der Wärmepumpe von bis zu 3.500 MWh/a steht ein maximaler Bedarf in Variante 3 von 894 MWh/a inklusive aller Wärmeverluste gegenüber. Zur theoretischen Heizleistung der Wärmepumpe addiert sich weiterhin das Wärmepotenzial des Klärgases von 383 MWh/a, von dem derzeit an Tagen mit niedrigem Wärmebedarf ein nicht unerheblicher Teil über eine Gasfackel ungenutzt abgefackelt werden muss. Die Berechnung der Gesamtannuitäten ergibt auch unter Berücksichtigung von möglichen staatlichen Förderungen (z. B. im Rahmen des Marktanreizprogramms der Bundesregierung) in keiner Erschließungsvariante betriebswirtschaftlich vorteilhafte Bedingungen. Die wesentlichen Gründe hierfür sind die hohen Investitionskosten zur Verlegung der Rohre, die geringe Anschlussleistungsdichte an das Nahwärmenetz und die damit verbundenen hohen relativen Wärmeverluste durch die Leitung, welche zu zusätzlichen Betriebsstunden der Wärmepumpe und damit zu höheren bedarfsgebundenen Kosten führen.
In dieser Arbeit wurden die Gehalte von Cadmium, Tellur, Kupfer und anderer Metalle im Filterkuchen aus einer Filteranlage, zur Abtrennung von Feinglasbestandteilen, untersucht. Es wurden verschiedene Einstellungen an der Filteranlage zur Optimierung und Reduzierung der Metallgehalte im Filterkuchen vorgenommen. Um eine Reduzierung des Gesamtmetallgehaltes von 100 mg/kg oder besser zu erreichen, wurden für den Waschprozess der Filteranlage, verschiedene Lösungen unterschiedlicher Konzentration verwendet. Diese Lösungen mussten zum Teil selbst hergestellt und auf ihre Konzentration hin überprüft werden. Die entnommenen Filterkuchenproben wurden eigens für die Analyse an einem ICP-OES entsprechend Betriebsanweisung mit Salpetersäure in Lösung gebracht. Zur Erstellung eines Versuchsplans und später zur besseren Visualisierung und Ergebnissignifikanz, wurde ein Statistikprogramm verwendet.
Optimierung eines Biogasreaktors mit Maissilage Monovergärung unter Verwendungdes Modells ADM1
(2012)
Für die Optimierung eines Biogasreaktors im Labormaßstab sollte mit Hilfe des mathematischen Modells ADM1 (anaerob digestion model no.1) zunächst eine Eignung des Modells auf Anwendung hin im Bereich Biomasse untersucht werden. Dazu sollte die Substratzulaufcharakterisierung im Modell mit Hilfe der Weender Futtermittelanalyse angepasst werden. Die nun erzielten Simulationsergebnisse bildeten die Basis für eine Optimierung des Reaktors in Hinblick auf eine gesteigerte Biogasausbeute.
In der Halbleiterindustrie nimmt der fortschreitende Anspruch, Qualität und Quantität in Einklang zu bringen, in hohem Maße zu. Endkunden interessieren sich insbesondere im Bereich Mikroelektronik für ein qualitativ hochwertiges Produkt mit umfassender Funktionalität, welches zudem den immer schneller wachsenden Anforderungen der Verbraucher entsprechen soll. Zudem besteht die Herausforderung, in einem stark umkämpften Markt, wettbewerbsfähig und wirtschaftlich zu bleiben. Die daraus resultierende fortlaufende Miniaturisierung der Strukturen erfordert hohe Entwicklungskosten, die durch optimierte und stabile Produktions- und Fertigungsprozesse kompensiert werden müssen. Um diesen Anspruch gerecht zu werden, müssen insbesondere zuverlässige und durchsatzoptimierte Messsysteme in der Halbleiterindustrie zum Einsatz kommen. Dessen Hauptaufgaben sind es, bestehende Produktions- und Entwicklungsprozesse zu kontrollieren und zu stabilisieren. Des Weiteren steht eine möglichst genaue und schnelle Ergebniserzielung im Fokus, um zeitnah auf Prozessabweichungen reagieren zu können. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, die bestehenden Messsysteme, die zum einen die Methode der Rasterelektronenmikroskopie (Scanning Electron Microscope - SEM) und zum anderen die Methode der Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscope - AFM) nutzen, bei der Ermittlung von Linienbreiten auf kritischen Strukturen zu untersuchen. Die daraus entstehenden Vor- und Nachteile beider Messmethoden sollen Aufschluss über den zukünftigen Einsatz im Produktionsbereich bei GLOBALFOUNDRIES bringen und die Möglichkeit geben, die Vorteile beider Systeme aufeinander abzustimmen.
Die Ingenieurgesellschaft ProAqua, bei der diese Arbeit verfasst wurde, ist mit dem hydraulischen Nachweis zur Gewässerentwicklung der Siegmündung nach § 68 WHG (Wasserhaushaltsgesetz) beauftragt. Um den hydraulischen Nachweis zu führen, wurde ein detailliertes zweidimensionales hydraulisches Modell erstellt, welches die Strömungsverhältnisse in der Sieg und ihrer Aue kleinräumig abbildet. Das hydraulische Modell der Siegmündung wurde dazu verwendet eine Sensitivitätsanalyse bezüglich der räumlichen Diskretisierung durchzuführen. Ziel dieser Arbeit war es herauszuarbeiten, in welchem Maße die räumliche Diskretisierung einen Einfluss auf die simulierten Ergebnisse und die Rechenlaufzeiten hat. Die Ergebnisse zeigen, dass bei unterschiedlichen räumlichen Diskretisierungen im Gewässerbett bei gleicher Geometrie lokal Wasserspiegellagenänderungen von bis zu 30 %, bei einer veränderten Gewässerbettgeometrie Änderungen bis zu 50 % auftreten können. Im Mittel liegen die Abweichungen bei unterschiedlichen Diskretisierungen im Gewässerbett und im Voland jedoch unterhalb von 4 %. Eine zeitliche Verschiebung der Hochwasserwelle konnte durch die unterschiedlichen räumlichen Diskretisierungen nicht festgestellt werden. Hinsichtlich der Rechenlaufzeiten zeigen die Ergebnisse einen proportionalen Zusammenhang zwischen der räumlichen Auflösung und der benötigten Rechenzeit. Schlussfolgernd aus den Ergebnissen können dem Anwender nachfolgende Empfehlungen zum Aufbau eines hydraulischen Rechennetzes gegeben werden. Eine grobe Diskretisierung kann in Bereichen gewählt werden, die stabile Fließeigenschaften aufweisen und von weniger starkem Interesse sind. Eine feine Diskretisierung sollte in Bereichen gewählt werden, in denen Fließgeschwindigkeit und Wassertiefe stark wechseln und in Gebieten von großem Interesse.
Die Aufgabe der Diplomarbeit war es, herauszufinden, welche Chancen sich für Stadtwerke bei der Umstrukturierung des Energiesystems ergeben. Dafür werden zunächst die Rahmenbedingungen, in denen sich die Energiewirtschaft derzeit bewegt, ermittelt und aus politischer, technischer und rechtlicher Sicht betrachtet. Schlüsselinformationen sind dabei, welche Ziele erreicht werden sollen, wie sie erreicht werden sollen und welche Akteure betroffen sind. An zwei ausgewählten Beispielen, mit denen die Stadtwerke Herrenberg bei der Umstrukturierung des Energiesystems mitwirken könnten, wird untersucht, welche Rahmenbedingen relevant sind und wie eine Realisierung aussehen könnte. Dabei werden die damit einhergehenden Risiken und Chancen erfasst und im Rahmen einer empfohlenen weiteren Vorgehensweise bewertet. Für das erste zu untersuchende Projekt, den Bau und Betrieb einer Biogasaufbereitungsanlage, hat sich herausgestellt, dass ein wirtschaftlicher Betrieb der Anlage davon abhängt, zu welchem Verknüpfungspunkt eine Leitungsverbindung an die Erdgasversorgung hergestellt werden kann. Im Rahmen der Arbeit konnten die Kosten für einen Anschluss der Anlage an das Netz der Stadtwerke Herrenberg ermittelt werden. Dieser Anschluss ist technisch und rechtlich realisierbar. Allerdings führen die hohen Anbindungskosten zu einer nur sehr geringen Wirtschaftlichkeit. Der zu erwartende Gewinn rechtfertigt die hohen Inventionen nicht. Alternative Anbindungsmöglichkeiten wurden ermittelt und kostenseitig bewertet. Inwieweit die betrachteten alternativen Anschlussstellen technisch zur Aufnahme von Biomethan in der Lage sind und ob der Netzbetreiber zum Netzausbau verpflichtet werden kann, soll im Nachgang zu dieser Arbeit untersucht werden. Die Betrachtung des zweiten Projektes, der Bau und Betrieb einer Erdgastankstelle, hat zu der Erkenntnis geführt, dass eine Realisierung unter den in Herrenberg gegebenen Rahmenbedingungen möglich ist und ein wirtschaftlicher Betrieb erwartet werden kann. Dieses Projekt wird im Nachgang der Arbeit realisiert.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Modellierung und Charakterisierung einer Nanolochstruktur zur oberflächenplasmonenverstärkten Transmission von Licht aufgezeigt. Zunächst werden die theoretischen Zusammenhänge der Anregung von Oberflächenplasmonen erläutert, ebenso wie die Grundlagen der Simulation. Anschließend erfolgt das Design der Struktur, welche dann per Simulation auf ihre Transmissionseigenschaften getestet wird. Verschiedene Varianten der Herstellung werden vorgestellt und schließlich ein Verfahren ausgewählt, um den Entwurf zu realisieren. Abschließend erfolgen eine Charakterisierung der hergestellten Strukturen und eine Diskussion der Ergebnisse.
Ziel: Je nach Anforderung und Zielsetzung werden in der Forschung bereits die unterschiedlichsten Messsysteme zur Untersuchung des Gärprozesses verwendet. Aufgrund des breitgefächerten Angebots an zur Verfügung stehenden Technologien stellen sich jedoch folgende Fragen: Für welche Anwendung eignet sich welches Messsystem am besten? Was sind jeweils die Vor- und Nachteile? Wird der Gärprozess genau erfasst und wiedergegeben? Können Biogasausbeute und Zusammensetzung exakt ermittelt werden? Sind die gemessenen Werte reproduzierbar? Liefern unterschiedliche Systeme untereinander vergleichbare Ergebnisse? Gegenstand dieser Arbeit war es, diese Fragen für drei ausgewählte Messsysteme zu beantworten. Material und Methoden Es erfolgten 15 Versuche mit dem BlueSens-System, 7 Versuche mit einer Eudiometerapparatur und 7 Versuche mit eine Kolbenprober-apparatur. Im Gegensatz zu den Hohenheimer Biogasertragstest (HBT)-Versuchen hatte die Kolbenproberapparatur ein eigenes Gärgefäß. Grundlage für alle Versuche war die VDI-Richtlinie 4630. Als Gärsubstrat wurde mikrokristalline Cellulose verwendet. Erfasst wurde die Biogasausbeute und -zusammensetzung. Als Parameter wurden die Ansatzgröße, das Verdünnungsmedium für den Impfschlamm und das Verhältnis Substratmasse (Cellulose) zur Masse der organischen Trockensubstanz (oTS) des Impfschlamms variiert. Des Weiteren wurde vor jedem Versuchsansatz die Trockensubstanz- (TS) und organischen Trockensubstanzwerte (oTS) ermittelt. Ergebnisse: Anhand der Versuche wurde festgestellt, dass jedes Messsystem bei gleichen Bedingungen (innerhalb der VDI-Norm 4630) von Versuch zu Versuch reproduzierbare Messergebnisse liefert. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass das gemessene spezifische Biogasvolumen nicht nur von den vorliegenden Gärbedingungen abhängt, sondern auch von der Wahl der eingesetzten Messapparatur und der Ansatzgröße. Je größer die erzeugte Biogasmenge war, desto geringer waren die Differenzen im Vergleich zur theoretischen spezifischen Biogasausbeute (Cellulose) von 750 ml/goTS. Die besten Messergebnisse wurden mit einer Kolbenproberapparatur (~ 730ml/goTS) gemessen. Eudiometer-Apparaturen liefern etwas geringere Messergebnisse (~ 640ml/goTS, 600 g Impfschlamm mit einem oTS von ~ 1,5 % und 3,03 g Cellulose). Die MilliGascounter-Apparatur liefert dagegen Werte unterhalb der VDI 4630 (~440ml/goTS, 600 g Schlamm mit einem oTS-IS von ~ 1,5 % und 3,03 g Cellulose). Wird die Ansatzgröße erhöht, verbessern sich aber die Messwerte (~ 600ml/goTS, 3000 g Impfschlamm mit einem oTS von ~ 1,5 % und 15,15 g Cellulose). Da die Blindwerte (Nullproben) relativ geringe Abweichungen erzielen, liegt die Vermutung nahe, dass im vorliegenden Fall die Pfropfenströmung und erhöhte CO2-Löslichkeit im Silikonöl der MilliGascounters der BlueSens-Apparatur zu den Abweichungen im unteren Messbereich führen. Schlussfolgerung Es ist davon auszugehen, dass die Kolbenprober- bzw. HBT-Versuche dem realenBiogasvolumen am nächsten kommen. Besonders dem Gaslöseverhalten der Sperrflüssigkeiten der Eudiometer und MilliGascounter ist besondere Aufmerksamkeit zu widmen.