Im Folgenden wird die analytische Lösung der eindimensionalen, instationären Wärmeleitungsgleichung mit einer Randbedingung 3. Art gegeben. Die Außentemperatur wird dabei als harmonische Schwingung angenommen. Abhängig von den materialspezifischen Eigenschaften des Bauteils (Wärmeleitfähigkeit, Rohdichte, spezifische Wärmekapazität) kommt es zur Dämpfung und zeitlichen Verschiebung der Temperaturwelle im Bauteil. Die analytische Lösung liefert den raum- und zeitaufgelösten Temperaturverlauf innerhalb des Bauteils. Die analytische Lösung ist primär für die Kalibrierung und Validierung numerischer Approximationsverfahren relevant. Die zeitliche Verfügbarkeit von thermischer Speichermasse ist für die thermische Gebäude- und Raumsimulation von besonderer Wichtigkeit. Daher muss ein numerisches Berechnungsverfahren diese Prozesse gut abbilden können. Die hier gezeigte analytische Lösung kann daher zur Bewertung der Güte der gewählten numerischen Approximation verwendet werden. Zu diesem Zweck werden Ergebnisse beispielhaft für zwei getrennte Konstruktionen angegeben.

Die verlässliche Vorhersage der Wärmeentzugsleistungen als auch der Soletemperaturen in den Sonden sind wichtig für deren Auslegung und Betriebsoptimierung. Es ist ebenso wichtig für die Auslegung und Optimierung der Anlagen im versorgten Gebäude. In der vorliegenden Dissertation wurde versucht, durch eine mathematische Weiterentwicklung von Greenschen Funktionen (g-Funktionen) eine präzisere Lösung für Temperaturverteilung im Erdreich infolge des von einer oder mehreren Sonden verursachten Wärmeentzuges mit verschiedenen Randbedingungen im geologischen Untergrund zu erreichen. Hierzu wurden sechs „neue“ g-Funktionen entwickelt, die vertikal variable Wärmeentzüge einzelner Sonden und Sondenfelder, eine Asymmetrie des Wärmeentzuges der Sonde, den Einfluss einer zusätzlichen Grundwasserströmung und den realen, geschichteten Untergrund berücksichtigen. Die mathematischen Modelle des Erdreichs wurden mit Modellen für die Soleströmung und Wärmeübergabe in der Hinterfüllung der Sonde gekoppelt und anschließend auf ein praktisches Betriebsbeispiel angewendet. Die Arbeit enthält ebenfalls umfangreiche Sichtung existierender Modelle sowie deren Anwendung und vergleichende Bewertung der teilweise komplexen Modellansätze.:Formelzeichen und Abkürzungen 1 Einführung 2 Energiequellen und Aufbau der Erdwärmeübertrager 2.1 Quellen der geothermalen Energie 2.2 Aufbau der Erdwärmeübertrager 2.3 Betriebsverhalten von Erdwärmesonden 2.4 Auslegung der Sonden 3 Vorhandene Modelle 3.1 Soleströmung 3.2 Wärmeübergang in den Rohren der Sonde 3.3 Wärmeleitung in der Hinterfüllung 3.4 Erdreichmodellierung – numerisch 3.5 Erdreichmodellierung mit g-Funktionen 4 Weiterentwicklung der analytischen Modelle 5 Anwendungsbeispiele 185 5.1 Ein praktisches Beispiel 5.2 Auswirkung auf die Jahresarbeitszahl 6 Zusammenfassung Literatur A Ableitung der Bohrlochwiderstände B Ableitung der Funktionen für Randbedingungen C Eidesstattliche Erklärung / The design of the ground heat exchangers (GHE) systems demands the precise prediction of their heat output and the brine temperature. The same information is needed for design and optimization of the HVAC systems coupled to GHEs. In the thesis at hand the Green’s functions (g-Functions) have been used to develop the more accurate solutions for the temperature distribution in soil resulting from the heat extraction from one GHE or a field of GHEs. These solutions consist of six novel g-functions that take account of the vertical variation of the extracted heat flux in one GHE or field of GHEs, of the horizontal ground water flow and of the horizontal variation of the soil properties. The models for prediction of the soil temperature have been coupled with models for brine flow and heat transfer in the GHE’s grout and eventually applied to the simulation of the real world object. Additionally, the thesis contains broad review of the known models and their applications as well as the comparative analysis of the complex modelling assumptions.:Formelzeichen und Abkürzungen 1 Einführung 2 Energiequellen und Aufbau der Erdwärmeübertrager 2.1 Quellen der geothermalen Energie 2.2 Aufbau der Erdwärmeübertrager 2.3 Betriebsverhalten von Erdwärmesonden 2.4 Auslegung der Sonden 3 Vorhandene Modelle 3.1 Soleströmung 3.2 Wärmeübergang in den Rohren der Sonde 3.3 Wärmeleitung in der Hinterfüllung 3.4 Erdreichmodellierung – numerisch 3.5 Erdreichmodellierung mit g-Funktionen 4 Weiterentwicklung der analytischen Modelle 5 Anwendungsbeispiele 185 5.1 Ein praktisches Beispiel 5.2 Auswirkung auf die Jahresarbeitszahl 6 Zusammenfassung Literatur A Ableitung der Bohrlochwiderstände B Ableitung der Funktionen für Randbedingungen C Eidesstattliche Erklärung

Im Folgenden wird die analytische Lösung der eindimensionalen, instationären Wärmeleitungsgleichung mit einer Randbedingung 3. Art gegeben. Die Außentemperatur wird dabei als harmonische Schwingung angenommen. Abhängig von den materialspezifischen Eigenschaften des Bauteils (Wärmeleitfähigkeit, Rohdichte, spezifische Wärmekapazität) kommt es zur Dämpfung und zeitlichen Verschiebung der Temperaturwelle im Bauteil. Die analytische Lösung liefert den raum- und zeitaufgelösten Temperaturverlauf innerhalb des Bauteils. Die analytische Lösung ist primär für die Kalibrierung und Validierung numerischer Approximationsverfahren relevant. Die zeitliche Verfügbarkeit von thermischer Speichermasse ist für die thermische Gebäude- und Raumsimulation von besonderer Wichtigkeit. Daher muss ein numerisches Berechnungsverfahren diese Prozesse gut abbilden können. Die hier gezeigte analytische Lösung kann daher zur Bewertung der Güte der gewählten numerischen Approximation verwendet werden. Zu diesem Zweck werden Ergebnisse beispielhaft für zwei getrennte Konstruktionen angegeben.

Die aus magnetisierbaren Partikeln und einer elastischen Matrix bestehenden magnetorheologischen Elastomere sind ein Verbundwerkstoff mit magnetisch steuerbaren Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wird ein kontinuumsmechanisches Modell zur Beschreibung der relevanten physikalischen Phänomene bereitgestellt. Die Lösung zugehöriger Randwertaufgaben basiert auf der erweiterten Finiten Elemente Methode. Zur Verifikation und Validierung des Modells werden analytische Referenzlösungen zweidimensionaler Problemstellungen herangezogen. Die Homogenisierung des magnetomechanischen Feldproblems erfolgt mit kleinen Deformationen. Aus einer Volumenmittelung der lokal inhomogenen Feldverteilungen ergeben sich makroskopische Variablen. Auf Basis dieser Größen lassen sich Aussagen über das effektive Verhalten ableiten. Somit ist neben den rein magnetischen und mechanischen Materialeigenschaften das gekoppelte magnetomechanische Verhalten analysierbar. Darunter sind aktuatorische Spannungen, magnetostriktive Dehnungen und der magnetorheologische Effekt zu verstehen. / Magnetorheological elastomers are composite materials consisting of magnetizable particles embedded in an elastic matrix. Their properties can be altered by an external magnetic field. In this work a continuum based formulation is applied to model relevant physical phenomena. Boundary value problems are solved by the extended Finite Element Method. For the purposes of verification and validation analytic solutions are provided. The homogenization of the magnetomechanical field problem is limited to small deformations. Macroscopic variables are obtained by volume averaging. In addition to macroscopic magnetic and mechanical properties the effective behavior is analyzed in terms of actuatoric stresses, magnetostrictive strains and the magnetorheological effect.

The analytical solution of a given inhomogeneous boundary value problem of a linear, elliptic, inhomogeneous partial differential equation and a set of inhomogeneous mixed Dirichlet- and Neumann-type boundary conditions is derived in the present paper. In the context of elasticity theory, the problem arises for a non-conservative symmetric ansatz and an extended constitutive law shown earlier. For convenient user application, the scalar function expressed in cylindrical coordinates is primarily obtained for the general case before being expatiated on a special case of linear boundary conditions.

In addition to previous publications, the paper presents the analytical solution of a special boundary value problem which arises in the context of elasticity theory for an extended constitutive law and a non-conservative symmetric ansatz. Besides deriving the general analytical solution, a specific form for linear boundary conditions is given for user convenience.

The analytical solution of a given inhomogeneous boundary value problem of a linear, elliptic, inhomogeneous partial differential equation and a set of inhomogeneous mixed Dirichlet- and Neumann-type boundary conditions is derived in the present paper. In the context of elasticity theory, the problem arises for a non-conservative symmetric ansatz and an extended constitutive law shown earlier. For convenient user application, the scalar function expressed in cylindrical coordinates is primarily obtained for the general case before being expatiated on a special case of linear boundary conditions.

Die aus magnetisierbaren Partikeln und einer elastischen Matrix bestehenden magnetorheologischen Elastomere sind ein Verbundwerkstoff mit magnetisch steuerbaren Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wird ein kontinuumsmechanisches Modell zur Beschreibung der relevanten physikalischen Phänomene bereitgestellt. Die Lösung zugehöriger Randwertaufgaben basiert auf der erweiterten Finiten Elemente Methode. Zur Verifikation und Validierung des Modells werden analytische Referenzlösungen zweidimensionaler Problemstellungen herangezogen. Die Homogenisierung des magnetomechanischen Feldproblems erfolgt mit kleinen Deformationen. Aus einer Volumenmittelung der lokal inhomogenen Feldverteilungen ergeben sich makroskopische Variablen. Auf Basis dieser Größen lassen sich Aussagen über das effektive Verhalten ableiten. Somit ist neben den rein magnetischen und mechanischen Materialeigenschaften das gekoppelte magnetomechanische Verhalten analysierbar. Darunter sind aktuatorische Spannungen, magnetostriktive Dehnungen und der magnetorheologische Effekt zu verstehen. / Magnetorheological elastomers are composite materials consisting of magnetizable particles embedded in an elastic matrix. Their properties can be altered by an external magnetic field. In this work a continuum based formulation is applied to model relevant physical phenomena. Boundary value problems are solved by the extended Finite Element Method. For the purposes of verification and validation analytic solutions are provided. The homogenization of the magnetomechanical field problem is limited to small deformations. Macroscopic variables are obtained by volume averaging. In addition to macroscopic magnetic and mechanical properties the effective behavior is analyzed in terms of actuatoric stresses, magnetostrictive strains and the magnetorheological effect.

In addition to previous publications, the paper presents the analytical solution of a special boundary value problem which arises in the context of elasticity theory for an extended constitutive law and a non-conservative symmetric ansatz. Besides deriving the general analytical solution, a specific form for linear boundary conditions is given for user convenience.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, in Hinsicht auf Folgereaktion das Verhalten der auf der Basis der mathematischen Bilanzgleichungen abgeleiteten Modelle der verschiedenen Reaktortypen systematisch zu untersuchen. Dabei können die bei betrachteten Reaktoren zu berücksichtigenden Einflussgrößen folgendermaßen charakterisiert werden: Bezüglich der thermischen Betrachtungsweise im Rohrreaktor werden die isotherme, adiabate und polytrope Reaktionsführung vorausgesetzt. Bei der Betrachtung des Geschwindigkeitsfelds im Strömungsreaktor werden laminare Strömung und Pfropfenströmung ausgewählt. Zur Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante kommt neben dem Arrhenius-Ansatz auch ein von Temperatur linear abhängiger Geschwindigkeitskonstantenansatz zur Anwendung. Variiert werden Reaktionssystem, Geometrie und Betriebsbedingungen. Da hinsichtlich einer Folgereaktion in der Literatur bereits Modelle für die nichtisothermen Rohrreaktoren, die meist numerischen zu lösen sind, existieren, sollte vor allem die Frage geklärt werden, ob mit neuen analytischen Modellen weitere sinnvolle Zugänge möglich sind. Um die Güte mathematischer Modelle hinsichtlich der Wiedergabe experimenteller Werte beurteilen zu können, soll zunächst eine diesbezügliche Validierung mitbetrachtet werden. Außerdem lassen sich so auch die verwendeten numerischen Methoden basierend auf dem kommerziellen Berechnungsprogramm MATLAB testen. Danach werden die besprochenen Modelle unter Berücksichtigung der oben vorgegeben Prozessvariablen ausgewertet, wobei es sich im Wesentlichen um die optimale Reaktorlänge und die maximal erzielbare Konzentration der Reaktionskomponente B beim Ablauf einer Folgereaktion in einem Strömungsreaktor handelt. Anschließend werden die Relationen zwischen den auf idealen Betriebszuständen basierenden einfachen Modellen und den für realen Reaktortypen abgeleiteten komplizierten Modellen ermittelt. Da es oft schwierig ist, sich an ideale Betriebsbedingungen in der Technik anzunähern, dienen die in dieser Arbeit basierend auf sowohl analytischen als auch numerischen Lösungen untersuchten realeren Prozesse dazu, die Auslegung eines chemischen Reaktors zu unterstützen. Dabei sind die wichtigen Betriebsparameter zu identifizieren und das Betriebsregime zu optimieren.