Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2008 / Hergestellt on demand

Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2008 / Hergestellt on demand

Zugl.: Erlangen, Nürnberg, University, Diss., 2005.

Deponierte Abfälle emittieren auch Dekaden nach dem Ende der Einlagerung am Standort eine Vielzahl von Schadstoffen. Durch verantwortungsvollen Aufbau und Betrieb oder eine nachträgliche Sanierung kann das Gewicht von unkontrollierten Emissionen hin zu kontrollierten verschoben werden, die wiederum einer entsprechenden Entsorgung zugeführt werden können. Neben dem Deponiesickerwasser spielt das Deponiegas mit den Hauptbestandteilen Methan und Kohlendioxid auf Grund des lokalen und globalen (anthropogener Treibhauseffekt) Gefährdungspotentials eine wichtige Rolle. Sowohl die Gasmenge als auch der Gehalt an brennbaren Methan verringern sich mit zunehmender Standzeit der Deponie. Für Stark- und Mittelgase (ca. 25-60 Vol.-% Methan) ist eine entsprechende Nutzungs- und Entsorgungstechnik etabliert. Für den Schwachgasbereich ist die Entsorgung durch Verbrennung auf Grund der schlechten Verbrennungseigenschaften problematisch. Es existieren einige Lösungsansätze, von denen sich jedoch angesichts verschiedener technologiebedingter Nachteile noch keiner für die Schwachgasentsorgung über den gesamten relevanten Bereich an Methangehalten etablieren konnte. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen neuen Ansatz für eine einfache, kostengünstige und robuste Technologie zu erarbeiten, die eine vollständige Eliminierung des Methans und weiterer schädlicher Bestandteile gewährleistet. Im Weiteren sollen Methangehalte im Deponiegas von 5-11 Vol.-% bzw. Modellgemische mit einem Äquivalenzverhältnis von 0,3-0,5 betrachtet werden. Dieser Bereich erweist sich als besonders problematisch hinsichtlich einer stabilen Entsorgung. Bei Grubengasen und methanbeladener Abluft sind unter Umständen ähnliche Fragestellungen anzutreffen. Neben experimentellen Arbeiten in Labor und Technikum liefern vor allem numerische Simulationen einen wesentlichen Beitrag zur wissenschaftlichen Durchdringung der ablaufenden Prozesse und der Vorausberechnung technischen Reaktoren und Brennern. Für hier behandelte Problemstellung bietet sich die Software Ansys Fluent® an. Für die Entsorgung von Schwachgasen bieten sich mehrere grundsätzliche Herangehensweisen an. Für diese Arbeit wurde sich auf die Oxidation des Methans in porösen Medien, z.B. Füllkörperschüttungen oder offenzellige SiC-Schaumkeramiken, konzentriert. In einem ersten Ansatz wurde eine katalytische Funktionalisierung von SiC-Schaumkeramik mit Manganoxid dotierter Calciumaluminat-Beschichtung durchgeführt, um so die hervorragenden thermischen Eigenschaften des Siliciumcarbids mit der Oxidationsaktivität eines Katalysators zu kombinieren. Nach der Evaluierung einer optimalen hochtemperaturfesten Katalysatorkombination und experimentellen Erarbeitung kinetischer Parameter bilden Modellrechnungen im einfach durchströmten Monolith (1D) die Basis für eine Beurteilung dieser Variante. Der zweite Ansatz verfolgt eine nicht-katalytische, rein thermische Umsetzung des Methans. Eine Verbesserung der Verbrennungseigenschaften durch Vorwärmung des Brenngases erfolgt über interne Rekuperation ohne externen Abgaswärmeübertrager. Auf Basis von theoretischen Überlegungen und Simulationsrechnungen wurde eine entsprechende Technikumsanlage mit einer aus Alumina-Raschig-Ringen bestehenden porösen Matrix entworfen und aufgebaut. Ausgewählte Versuchsreihen dienten zur Demonstration der Funktionalität und zur Validierung des CFD-Modells. Mit Hilfe des Modells sind eine Variation der Eigenschaften der porösen Matrix und ein Upscaling auf einen technischen Maßstab möglich. Die Berechnung des Einsatzbereiches erfolgt beispielhaft mit einem Vorschlag für eine technisch relevante Größe an einem typischen Deponie-Schwachgas. Für die Modellierung von Oxidationsprozessen in porösen Strukturen ist die Implementierung des Wärmetransports ein wesentlicher Baustein. Ein entscheidender Parameter hierin ist die effektive Wärmeleitfähigkeit der porösen Matrix. Insbesondere für keramische Schäume ist die Anzahl der publizierten Arbeiten gering. Durch Vermessung der SiC-Keramikschäume mit Hilfe der Hot-Disk-Methode (Raumtemperatur) und mit dem Plattenmessverfahren (300-1000 °C) konnte auch an dieser Stelle ein Beitrag erbracht werden.

Zugl.: Stuttgart, Universiẗat, Diss., 2008.

Deponierte Abfälle emittieren auch Dekaden nach dem Ende der Einlagerung am Standort eine Vielzahl von Schadstoffen. Durch verantwortungsvollen Aufbau und Betrieb oder eine nachträgliche Sanierung kann das Gewicht von unkontrollierten Emissionen hin zu kontrollierten verschoben werden, die wiederum einer entsprechenden Entsorgung zugeführt werden können. Neben dem Deponiesickerwasser spielt das Deponiegas mit den Hauptbestandteilen Methan und Kohlendioxid auf Grund des lokalen und globalen (anthropogener Treibhauseffekt) Gefährdungspotentials eine wichtige Rolle. Sowohl die Gasmenge als auch der Gehalt an brennbaren Methan verringern sich mit zunehmender Standzeit der Deponie. Für Stark- und Mittelgase (ca. 25-60 Vol.-% Methan) ist eine entsprechende Nutzungs- und Entsorgungstechnik etabliert. Für den Schwachgasbereich ist die Entsorgung durch Verbrennung auf Grund der schlechten Verbrennungseigenschaften problematisch. Es existieren einige Lösungsansätze, von denen sich jedoch angesichts verschiedener technologiebedingter Nachteile noch keiner für die Schwachgasentsorgung über den gesamten relevanten Bereich an Methangehalten etablieren konnte. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen neuen Ansatz für eine einfache, kostengünstige und robuste Technologie zu erarbeiten, die eine vollständige Eliminierung des Methans und weiterer schädlicher Bestandteile gewährleistet. Im Weiteren sollen Methangehalte im Deponiegas von 5-11 Vol.-% bzw. Modellgemische mit einem Äquivalenzverhältnis von 0,3-0,5 betrachtet werden. Dieser Bereich erweist sich als besonders problematisch hinsichtlich einer stabilen Entsorgung. Bei Grubengasen und methanbeladener Abluft sind unter Umständen ähnliche Fragestellungen anzutreffen. Neben experimentellen Arbeiten in Labor und Technikum liefern vor allem numerische Simulationen einen wesentlichen Beitrag zur wissenschaftlichen Durchdringung der ablaufenden Prozesse und der Vorausberechnung technischen Reaktoren und Brennern. Für hier behandelte Problemstellung bietet sich die Software Ansys Fluent® an. Für die Entsorgung von Schwachgasen bieten sich mehrere grundsätzliche Herangehensweisen an. Für diese Arbeit wurde sich auf die Oxidation des Methans in porösen Medien, z.B. Füllkörperschüttungen oder offenzellige SiC-Schaumkeramiken, konzentriert. In einem ersten Ansatz wurde eine katalytische Funktionalisierung von SiC-Schaumkeramik mit Manganoxid dotierter Calciumaluminat-Beschichtung durchgeführt, um so die hervorragenden thermischen Eigenschaften des Siliciumcarbids mit der Oxidationsaktivität eines Katalysators zu kombinieren. Nach der Evaluierung einer optimalen hochtemperaturfesten Katalysatorkombination und experimentellen Erarbeitung kinetischer Parameter bilden Modellrechnungen im einfach durchströmten Monolith (1D) die Basis für eine Beurteilung dieser Variante. Der zweite Ansatz verfolgt eine nicht-katalytische, rein thermische Umsetzung des Methans. Eine Verbesserung der Verbrennungseigenschaften durch Vorwärmung des Brenngases erfolgt über interne Rekuperation ohne externen Abgaswärmeübertrager. Auf Basis von theoretischen Überlegungen und Simulationsrechnungen wurde eine entsprechende Technikumsanlage mit einer aus Alumina-Raschig-Ringen bestehenden porösen Matrix entworfen und aufgebaut. Ausgewählte Versuchsreihen dienten zur Demonstration der Funktionalität und zur Validierung des CFD-Modells. Mit Hilfe des Modells sind eine Variation der Eigenschaften der porösen Matrix und ein Upscaling auf einen technischen Maßstab möglich. Die Berechnung des Einsatzbereiches erfolgt beispielhaft mit einem Vorschlag für eine technisch relevante Größe an einem typischen Deponie-Schwachgas. Für die Modellierung von Oxidationsprozessen in porösen Strukturen ist die Implementierung des Wärmetransports ein wesentlicher Baustein. Ein entscheidender Parameter hierin ist die effektive Wärmeleitfähigkeit der porösen Matrix. Insbesondere für keramische Schäume ist die Anzahl der publizierten Arbeiten gering. Durch Vermessung der SiC-Keramikschäume mit Hilfe der Hot-Disk-Methode (Raumtemperatur) und mit dem Plattenmessverfahren (300-1000 °C) konnte auch an dieser Stelle ein Beitrag erbracht werden.

Zielstellung der Arbeit war es, durch umfangreiche Untersuchungen syntaktischer Metallschäume, allgemeingültige Aussagen zu treffen. Der bearbeitete Untersuchungsplan hat sich auf zwei Hauptbereiche konzentriert: Der erste Teil beinhaltet eine detallierte Untersuchung eines aus AlSi7Mg Aluminiumlegierung und KeraBims Mineralschaumgranulat gefertigten syntaktischen Metallschaums. Hierbei handelt es sich um einen, auf Grund der preiswerten Bestandteile und des unkomplizierten Herstellungsverfahrens, relativ kostengünstig produzierbaren Verbundwerkstoff. Im zweiten Teil wurde das Verformungsverhalten der aus verschiedenen Matrix- und Füllmaterialien hergestellten syntaktischen Metallschäume gegenübergestellt. Da die Anwendung poröser metallischer Werkstoffe vorzugsweise auf Druckbeanspruchung ausgerichtet ist, konzentrieren sich hier die Untersuchungen auf die Druckfestigkeit. Abschließend wurde die Herstellung eines mit Metallschaum-Dauerkern gefertigten Bauteiles beschrieben und sein dynamisches Verhalten mittels experimenteller Modalanalyse charakterisiert.

Zielstellung der Arbeit war es, durch umfangreiche Untersuchungen syntaktischer Metallschäume, allgemeingültige Aussagen zu treffen. Der bearbeitete Untersuchungsplan hat sich auf zwei Hauptbereiche konzentriert: Der erste Teil beinhaltet eine detallierte Untersuchung eines aus AlSi7Mg Aluminiumlegierung und KeraBims Mineralschaumgranulat gefertigten syntaktischen Metallschaums. Hierbei handelt es sich um einen, auf Grund der preiswerten Bestandteile und des unkomplizierten Herstellungsverfahrens, relativ kostengünstig produzierbaren Verbundwerkstoff. Im zweiten Teil wurde das Verformungsverhalten der aus verschiedenen Matrix- und Füllmaterialien hergestellten syntaktischen Metallschäume gegenübergestellt. Da die Anwendung poröser metallischer Werkstoffe vorzugsweise auf Druckbeanspruchung ausgerichtet ist, konzentrieren sich hier die Untersuchungen auf die Druckfestigkeit. Abschließend wurde die Herstellung eines mit Metallschaum-Dauerkern gefertigten Bauteiles beschrieben und sein dynamisches Verhalten mittels experimenteller Modalanalyse charakterisiert.

Die eingereichte Dissertation beschäftigt sich mit der messtechnischen Erfassung sowie der Modellierung von Haftkräften zwischen rauen Oberflächen. Dabei wurden durch Variation von Flüssigkeiten sowie dem Nutzen beschichteter Oberflächen verschiedene Benetzungseigenschaften eingestellt und untersucht. Zusätzlich wurden neben dem Kontaktwinkel der untersuchten Systeme die freien Ober- und Grenzflächenenergien bestimmt und mit den Kräften korreliert. Es zeigte sich, dass Haftkräfte auf rauen Oberflächen stets über mehrere Größenordnungen verteilt vorliegen. Die Beschreibung der ermittelten Verteilungen ist dabei entweder durch statistischer Funktionen oder zumindest teils auch durch eine im Rahmen der Arbeit entwickelten Modellierung möglich. Weiterhin zeigte sich, dass eine Unterteilung in verschiedene Haftmechanismen (durch Kapillarbrücken oder van der Waals- sowie polare Wechselwirkungen) vorgenommen werden kann. Kapillarbrücken bilden dabei die größten Kräfte aus. Sie entstehen auf Grund nanoskaliger Blasen (Nanobubbles), welche vor allem auf schlecht benetzenden Oberflächen existieren.

Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Makroporosität und Oberflächenstruktur des Schaumkeramikfilters sowie der Filterposition im Gießsystem auf die Filterwirksamkeit. Der Thematik wird sich durch CFD-Simulationen mittels Flow 3D und durch Gießversuche im Technikum und der Industrie genähert. Die Simulationen ergaben eine Steigerung der Filtrationseffizienz um 20% - 30% bei der Erhöhung der Makroporosität des Filters von 20 ppi auf 30 ppi in Abhängigkeit von der Filterposition. Außerdem konnte die Abscheidung der Partikel im Filter lokalisiert werden. Die Abnahme des Partikelgehalts über die Filterlänge wurde beobachtet und in den metallographischen Auswertungen der Gießversuche bestätigt. In den Gießversuchen wurde darüber hinaus die PreFil- und PoDFA-Analyse aufgrund ihrer hohen Störanfälligkeit als wenig aussagekräftig eingestuft. Die in den Industrieversuchen eingesetzte LiMCA-Analyse liefert hingegen belastbare Ergebnisse und eine Filtrationseffizienz von bis zu 94% in Abhängigkeit von der Oberflächenstruktur des Filters.:Inhalt 1 Einleitung 2 Grundlagen der Aluminiumschmelzefiltration 2.1 Verunreinigungen in Aluminiumlegierungen 2.1.1 Aluminiumoxid 2.1.2 Aluminium-Magnesium-Mischoxide (Spinell) 2.2 Schaumkeramikfilter 2.3 Filtrationsmechanismen 2.4 Der Filter im Gießsystem 2.4.1 Arten des Gießens 2.4.2 Empfehlungen zur Positionierung des Filters im Gießsystem 2.4.3 Oxidneubildung nach dem Filter 3 Beurteilung der Aluminiumschmelzequalität 3.1 Verfahren zur Beurteilung der Schmelzequalität 3.2 Bestimmung der Filtrationseffizienz 3.3 Filtrationseffizienz von Schaumkeramikfiltern im Aluminiumguss 4 CFD-Simulation 4.1 Flow 3D 4.2 Definition der Parameter 4.2.1 Filter 4.2.2 Geometrie 4.2.3 Schmelze 4.2.4 Partikel 4.3 Definition der Randbedingungen für die Simulation 4.4 Versuchsplan 4.5 Methodik der Auswertung 4.6 Ergebnisse 4.6.1 Volumen-/Massestrom und Geschwindigkeit 4.6.2 Fließgeschwindigkeit 4.6.3 Filtrationseffizienz 4.6.4 Ablagerung der Partikel im Filter 5 Gießversuche 5.1 Materialien 5.1.1 Schaumkeramikfilter 5.1.2 Legierung AlSi7Mg0,3 5.2 Modellschmelze 5.2.1 Duralcan 5.2.2 Durchführung der Vorversuche 5.2.3 Ergebnisse der Vorversuche 5.3 Versuchsdurchführung und Methodik der Versuchsauswertung 5.3.1 Versuchsaufbau 5.3.2 Versuchsübersicht 5.3.3 Versuchsdurchführung 5.3.4 Schmelzeanalyse 5.3.5 Metallographische Auswertung des Filterbereichs 5.3.6 Auswertung PreFil-Kurven der Ausgangsschmelze und des Filtrats 5.3.7 Metallographische Auswertung der Ausgangsschmelze und des Filtrats 5.4 Ergebnisse und Diskussion 5.4.1 Schmelzeanalyse 5.4.2 Metallographische Auswertung des Filters 5.4.3 Auswertung der PreFil-Kurven 5.4.4 PoDFA-Analyse 5.4.5 Gegenüberstellung der Ergebnisse der unterschiedlichen Analysemethoden und Fehlerbetrachtung 5.4.6 Vergleich der Ergebnisse aus Flow 3D-Simulation und Realversuch 6 Filtrationsversuche im industriellen Maßstab 6.1 Materialien 6.1.1 Schmelze 6.1.2 Schaumkeramikfilter 6.2 Versuchsdurchführung und Methodik der Versuchsauswertung 6.3 Ergänzende Vorversuche mittels Wassermodell 6.4 Ergebnisse und Diskussion 6.4.1 Durchflussgeschwindigkeit und Verweilzeit der Schmelze im Filter 6.4.2 Analyse der Versuchsschmelze 6.4.3 LiMCA-Messungen 6.4.4 Metallographische Auswertung der Filter 6.4.5 Auswertung der PoDFA-Analysen 7 Zusammenfassung und Ausblick Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis Anhang