Thesis (doctoral)--Techn. Hochsch., Aachen, 2004.

Zugl.: Habil.-Schr.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zugl.: Diplomarbeit.

Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2008

Theoretical bounds for performance measures of thermodynamical systems are investigated under conditions of finite times and rates of processes using endoreversible models. These models consist of reversible operating sub-systems which exchange energy via generally irreversible interactions. Analytical and numerical calculations are performed to obtain performance optima and respective optimized process and design parameters for four model systems. A heat engine where the heat transfer between the working fluid and heat reservoirs is described by generalized, polytropic process is optimized for maximum work output. Thermal efficiencies, optimal values for temperatures and process times of the heat transfer processes are determined. A model of a generalized system suited to describe the operation of heat engines, refrigerators, and heat pumps is optimized with respect to thermal efficiency. Several examples illustrate how the results of the analysis are used to allocate financial resources to the heat exchanger inventory in an optimal way. A power-producing thermal system which exchanges heat with several heat reservoirs via irreversible heat transfer processes is analyzed to find the optimal contact times between the working fluid and each of the reservoirs. The piston motion of a Diesel engine is optimized to achieve maximum work for a given amount of fuel. The endoreversible model of the Diesel engine accounts for the temporal variations of the heat produced by the combustion process, the basic flow pattern within the engine's cylinder, the temperature dependence of the viscosity, thermal conductivity, and heat capacity of the working fluid and losses due to friction and heat leak through the cylinder walls. / Theoretische Grenzen für verschiedene Leistungsmerkmale von thermodynamischen Systemen werden unter der Bedingung endlicher Zeiten und Prozessraten im Rahmen endoreversibler Modelle untersucht. Diese Modelle bestehen aus reversiblen Subsystemen, welche über allgemein irreversible Wechselwirkungen Energie austauschen. Analytische und nummerische Berechnungen quantifizieren diese Grenzen und liefern optimale Prozess- und Konstruktionsparameter für vier Modellsysteme. Für eine auf maximale Ausgangsarbeit optimierte Wärmekraftmaschine, bei der die Wärme zwischen Arbeitsmedium und Wärmereservoirs während allgemeiner polytroper Zustandsänderungen des Arbeitsmediums übertragen wird, werden optimale Temperaturen und Zeiten für die Wärmeübertragungsprozesse sowie die thermischen Wirkungsgrade bestimmt. Für ein wirkungsgrad-optimiertes Modell eines verallgemeinerten thermischen Umwandlungssytems, das sowohl Wärmekraftmaschinen, Kühler und Wärmepumpen beschreibt, wird die optimale Verteilung von Investitionskosten auf die Wärmetauscher ermittelt und die Anwendung der allgemeingültigen Ergebnisse anhand mehrerer Beispiele demonstriert. Für eine Wärmekraftmaschine mit mehreren Wärmereservoirs wird bestimmt, welche der Wärmereservoirs wie lange kontaktiert werden müssen, um eine maximale Ausgangsarbeit zu erzielen. Für einen Dieselmotor wird die Kolbenbewegung so optimiert, dass bei gegebener Treibstoffmenge eine maximale Ausgangsarbeit erzielt wird. Das endoreversible Modell des Dieselmotors berücksichtigt die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Viskosität des Arbeitsfluids, die Zeitabhängigkeit des Verbrennungsprozesses sowie Reibungs- und Wärmeverluste.

Der Gegenstand dieser Arbeit ist eine neue Optimierungsmethode zur Minimierung der Produktkosten von Kraftwerksprozessen ohne und mit nachgeschalteten Anwendungen. Diese Methode, die Planern und Projektanten als Werkzeug zur Auslegung von Kraftwerken dienen soll, wird erläutert und exemplarisch zur Optimierung eines ausgewählten Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes verwendet. Im Rahmen der Untersuchungen werden dabei zwei Varianten betrachtet: Der Kraftwerksentwurf/-betrieb ohne und mit Auskopplung von Energie- und Stoffströmen. Beim Kraftwerksentwurf/-betrieb mit Auskopplung von Energie- und Stoffströmen wird das Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit einer nachgeschalteten hybriden Meerwasserentsalzungsanlage verknüpft. Zur Identifizierung der jeweils zu optimierenden Komponenten/Parameter werden bei der neuen Methode Elemente der thermo- bzw. exergoökonomischen Analyse und der Sensitivitäts- und Trendlinienanalysen verwendet. Die Optimierung selbst folgt dem Koordinatenverfahren nach Gauß und Seidel. Anhand der Optimierungsergebnisse und der Kriterien ’Auswahl/Beitrag der Komponenten/Parameter’ sowie ’Rechenumfang’ wird die neue Optimierungsmethode mit bekannten thermo- bzw. exergoökonomischen Optimierungsmethoden (Quadranten-/Matrix-Methode, thermo-/exergoökonomische Kennzahlen-Methode) verglichen und bewertet. Zur Ergebnisdiskussion werden Parameterstudien erstellt. Abschließend werden Empfehlungen zur Gestaltung des untersuchten Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes gegeben und Ansätze für weiterführende Forschungsarbeiten in der Kraftwerkstechnik abgeleitet.

Der Gegenstand dieser Arbeit ist eine neue Optimierungsmethode zur Minimierung der Produktkosten von Kraftwerksprozessen ohne und mit nachgeschalteten Anwendungen. Diese Methode, die Planern und Projektanten als Werkzeug zur Auslegung von Kraftwerken dienen soll, wird erläutert und exemplarisch zur Optimierung eines ausgewählten Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes verwendet. Im Rahmen der Untersuchungen werden dabei zwei Varianten betrachtet: Der Kraftwerksentwurf/-betrieb ohne und mit Auskopplung von Energie- und Stoffströmen. Beim Kraftwerksentwurf/-betrieb mit Auskopplung von Energie- und Stoffströmen wird das Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit einer nachgeschalteten hybriden Meerwasserentsalzungsanlage verknüpft. Zur Identifizierung der jeweils zu optimierenden Komponenten/Parameter werden bei der neuen Methode Elemente der thermo- bzw. exergoökonomischen Analyse und der Sensitivitäts- und Trendlinienanalysen verwendet. Die Optimierung selbst folgt dem Koordinatenverfahren nach Gauß und Seidel. Anhand der Optimierungsergebnisse und der Kriterien ’Auswahl/Beitrag der Komponenten/Parameter’ sowie ’Rechenumfang’ wird die neue Optimierungsmethode mit bekannten thermo- bzw. exergoökonomischen Optimierungsmethoden (Quadranten-/Matrix-Methode, thermo-/exergoökonomische Kennzahlen-Methode) verglichen und bewertet. Zur Ergebnisdiskussion werden Parameterstudien erstellt. Abschließend werden Empfehlungen zur Gestaltung des untersuchten Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes gegeben und Ansätze für weiterführende Forschungsarbeiten in der Kraftwerkstechnik abgeleitet.

Partial dynamic reconfiguration of FPGAs has attracted high attention from both academia and industry in recent years. With this technique, the functionality of the programmable devices can be adapted at runtime to changing requirements. The approach allows designers to use FPGAs more efficiently: E. g. FPGA resources can be time-shared between different functions and the functions itself can be adapted to changing workloads at runtime. Thus partial dynamic reconfiguration enables a unique combination of software-like flexibility and hardware-like performance. Still there exists no common understanding on how to assess the overhead introduced by partial dynamic reconfiguration. This dissertation presents a new cost model for both the runtime and the memory overhead that results from partial dynamic reconfiguration. It is shown how the model can be incorporated into all stages of the design optimization for reconfigurable hardware. In particular digital circuits can be mapped onto FPGAs such that only small fractions of the hardware must be reconfigured at runtime, which saves time, memory, and energy. The design optimization is most efficient if it is applied during high level synthesis. This book describes how the cost model has been integrated into a new high level synthesis tool. The tool allows the designer to trade-off FPGA resource use versus reconfiguration overhead. It is shown that partial reconfiguration causes only small overhead if the design is optimized with regard to reconfiguration cost. A wide range of experimental results is provided that demonstrates the benefits of the applied method. / Partielle dynamische Rekonfiguration von FPGAs hat in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit von Wissenschaft und Industrie auf sich gezogen. Die Technik erlaubt es, die Funktionalität von progammierbaren Bausteinen zur Laufzeit an veränderte Anforderungen anzupassen. Dynamische Rekonfiguration erlaubt es Entwicklern, FPGAs effizienter einzusetzen: z.B. können Ressourcen für verschiedene Funktionen wiederverwendet werden und die Funktionen selbst können zur Laufzeit an veränderte Verarbeitungsschritte angepasst werden. Insgesamt erlaubt partielle dynamische Rekonfiguration eine einzigartige Kombination von software-artiger Flexibilität und hardware-artiger Leistungsfähigkeit. Bis heute gibt es keine Übereinkunft darüber, wie der zusätzliche Aufwand, der durch partielle dynamische Rekonfiguration verursacht wird, zu bewerten ist. Diese Dissertation führt ein neues Kostenmodell für Laufzeit und Speicherbedarf ein, welche durch partielle dynamische Rekonfiguration verursacht wird. Es wird aufgezeigt, wie das Modell in alle Ebenen der Entwurfsoptimierung für rekonfigurierbare Hardware einbezogen werden kann. Insbesondere wird gezeigt, wie digitale Schaltungen derart auf FPGAs abgebildet werden können, sodass nur wenig Ressourcen der Hardware zur Laufzeit rekonfiguriert werden müssen. Dadurch kann Zeit, Speicher und Energie eingespart werden. Die Entwurfsoptimierung ist am effektivsten, wenn sie auf der Ebene der High-Level-Synthese angewendet wird. Diese Arbeit beschreibt, wie das Kostenmodell in ein neuartiges Werkzeug für die High-Level-Synthese integriert wurde. Das Werkzeug erlaubt es, beim Entwurf die Nutzung von FPGA-Ressourcen gegen den Rekonfigurationsaufwand abzuwägen. Es wird gezeigt, dass partielle Rekonfiguration nur wenig Kosten verursacht, wenn der Entwurf bezüglich Rekonfigurationskosten optimiert wird. Eine Anzahl von Beispielen und experimentellen Ergebnissen belegt die Vorteile der angewendeten Methodik.

Theoretical bounds for performance measures of thermodynamical systems are investigated under conditions of finite times and rates of processes using endoreversible models. These models consist of reversible operating sub-systems which exchange energy via generally irreversible interactions. Analytical and numerical calculations are performed to obtain performance optima and respective optimized process and design parameters for four model systems. A heat engine where the heat transfer between the working fluid and heat reservoirs is described by generalized, polytropic process is optimized for maximum work output. Thermal efficiencies, optimal values for temperatures and process times of the heat transfer processes are determined. A model of a generalized system suited to describe the operation of heat engines, refrigerators, and heat pumps is optimized with respect to thermal efficiency. Several examples illustrate how the results of the analysis are used to allocate financial resources to the heat exchanger inventory in an optimal way. A power-producing thermal system which exchanges heat with several heat reservoirs via irreversible heat transfer processes is analyzed to find the optimal contact times between the working fluid and each of the reservoirs. The piston motion of a Diesel engine is optimized to achieve maximum work for a given amount of fuel. The endoreversible model of the Diesel engine accounts for the temporal variations of the heat produced by the combustion process, the basic flow pattern within the engine's cylinder, the temperature dependence of the viscosity, thermal conductivity, and heat capacity of the working fluid and losses due to friction and heat leak through the cylinder walls. / Theoretische Grenzen für verschiedene Leistungsmerkmale von thermodynamischen Systemen werden unter der Bedingung endlicher Zeiten und Prozessraten im Rahmen endoreversibler Modelle untersucht. Diese Modelle bestehen aus reversiblen Subsystemen, welche über allgemein irreversible Wechselwirkungen Energie austauschen. Analytische und nummerische Berechnungen quantifizieren diese Grenzen und liefern optimale Prozess- und Konstruktionsparameter für vier Modellsysteme. Für eine auf maximale Ausgangsarbeit optimierte Wärmekraftmaschine, bei der die Wärme zwischen Arbeitsmedium und Wärmereservoirs während allgemeiner polytroper Zustandsänderungen des Arbeitsmediums übertragen wird, werden optimale Temperaturen und Zeiten für die Wärmeübertragungsprozesse sowie die thermischen Wirkungsgrade bestimmt. Für ein wirkungsgrad-optimiertes Modell eines verallgemeinerten thermischen Umwandlungssytems, das sowohl Wärmekraftmaschinen, Kühler und Wärmepumpen beschreibt, wird die optimale Verteilung von Investitionskosten auf die Wärmetauscher ermittelt und die Anwendung der allgemeingültigen Ergebnisse anhand mehrerer Beispiele demonstriert. Für eine Wärmekraftmaschine mit mehreren Wärmereservoirs wird bestimmt, welche der Wärmereservoirs wie lange kontaktiert werden müssen, um eine maximale Ausgangsarbeit zu erzielen. Für einen Dieselmotor wird die Kolbenbewegung so optimiert, dass bei gegebener Treibstoffmenge eine maximale Ausgangsarbeit erzielt wird. Das endoreversible Modell des Dieselmotors berücksichtigt die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Viskosität des Arbeitsfluids, die Zeitabhängigkeit des Verbrennungsprozesses sowie Reibungs- und Wärmeverluste.