Die Arbeit zeigt wichtige Nutzungswege von fester Biomasse in Form von Holzhackschnitzel (HHS). Einleitend wird das Potenzial und der derzeitige Stand dargestellt. Es werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften mit dem Schwerpunkt Wassergehalt in bezug auf die energetische Nutzung der HHS behandelt. Kerne der Nutzungswege bilden dabei die Vergasung im Gleichstromvergaser und die Co-Verbrennung in der Zirkulierenden Wirbelschicht. Mit Hilfe eines Versuchsvergasers werden die Auswirkungen von HHS-Eigenschaften auf den Betrieb untersucht. Der Modellvergaser IGEL bietet durch seine Konstruktion die Möglichkeit, innere Vorgänge zu beleuchten und Messungen in verschiedenen Vergaserebenen durchzuführen. Die Auswirkungen von verschiedenen Brennstoffchargen mit unterschiedlichem Wassergehalt führten zu Änderungen in der Gaszusammensetzung. Eigene Untersuchungen ermittelten einen Grenzwassergehalt, mit dem der Vergaser noch betrieben werden kann. Die Experimente an der Pilotanlage mit zirkulierender atmosphärischer Wirbelschicht befass-ten sich mit der wichtigen Frage, ob und welches NOx-Minderungspotenzial beim Einsatz von Biomasse vorliegt. Die mathematische Modellierung verdeutlicht die Nutzbarkeit von Simulationsprogrammen bei der Untersuchung von Einflüssen der Co-Verbrennung auf die NOx-Bildung. Hier wurden die Gesichtspunkte der Luftzahl, der Luftstufung, des Wassergehaltes, das Mischungsverhältnis und die Brennstoffstufung betrachtet. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung führt zu dem Ergebnis, dass Anlagen zur reinen Stromerzeugung mit Biomasse nur nahe der gesetzlichen Höchstleistung von 20 MWel zur Einspeisevergütung von wirtschaftlich betrieben werden können. Die ökologisch und ökonomisch günstigste Variante stellt die Co-Verbrennung in vorhandenen Anlagen dar. Die Kalkulationen zu den in Deutschland benötigten 20-MWel-Anlagen verdeutlichen, dass bei den gegenwärtig geplanten Heizkraftwerken das Potenzial an HHS schnell aufgebraucht ist.

A Supersonic Combustion Ramjet (scramjet) is, at least in theory, an efficient air-breathing propulsion system for sustained hypersonic flight at Mach numbers above approximately M=5. Important design issues for such hypersonic propulsion systems, are the lack of ground based facilities capable of testing a full-sized engine at cruise flight conditions and the absence of general scaling laws for the extrapolation of wind tunnel data to flight configurations. Therefore, there is a strong need for the development and validation of CFD tools to support the design process of scramjet-powered vehicles. The aims of this thesis are, in this context, to assess the applicability of, to further develop, and to validate the DLR TAU flow solver for the CFD analysis of the complete flow-path of a scramjet vehicle. The basis of this validation and of the identification of critical modelling assumptions is the recalculation of a series of wind tunnel tests of the HyShot II generic scramjet configuration that were performed in the High Enthalpy Shock Tunnel Göttingen (HEG) at the German Aerospace Center, DLR. / Staustrahlantriebe, bei denen sich die Strömung im gesamten Triebwerksbereich im Überschall befindet (supersonic combustion ramjets, Scramjets), stellen ein - zumindest theoretisch - effektives Antriebessystem für den Hyperschallflug im Machzahlbereich von M > 5 dar. Die Auslegung und der Entwurf von luftatmenden Hyperschallantrieben sind in der Praxis mit Schwierigkeiten verbunden. Der Einsatz von Bodenversuchsanlagen ist auf kleinskalige Konfigurationen oder einzelne Triebwerkskomponenten begrenzt. Die Ergebnisse von numerischen Strömungssimulationsverfahren sind mit hohen Unsicherheiten behaftet, die ihren Ursprung in der Modellbildung für die komplexen Strömungsphänomene in chemisch reagierenden, kompressiblen und turbulenten Über- und Hyperschallströmungen haben. Weiterhin existieren keine allgemein gültigen Skalierungsgesetze um Aussagen aus Windkanalexperimenten auf Flugkonfigurationen zu übertragen.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich in diesem Zusammenhang mit der Erweiterung des DLRStrömungslösers TAU für die Berechnung von Überschallverbrennungsphänomenen in Scramjets sowie mit der Anwendung des Verfahrens für die numerische Analyse von Windkanalexperimenten, die im Hochenthalpiekanal Göttingen (HEG) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zur Untersuchung der generischen HyShot II Scramjet-Konfiguration durchgeführt wurden. Die wichtigsten Ziele waren die genaue Charakterisierung der freien Anströmung im Windkanal, der Nachweis der Anwendbarkeit des verwendeten Rechenverfahrens und die Analyse des Einflusses verschiedener numerischer Modellierungsansätze für die Strömungssimulation in Scramjets sowie die Nutzung der numerischen Daten für eine verbesserte Interpretation der experimentellen Ergebnisse.

Mit dieser wissenschaftlichen Arbeit wurde eine geschlossene Kette von Versuchsträger und Messtechniken geschaffen, die eine detaillierte und grundlegende Analyse der dieselmotorischen Gemischbildung und Verbrennung von der Ausbildung des Sprays in der kalten Einspritzkammer über die Detektion der Kraftstoffverdampfung in der heißen Einspritzkammer und der spektralen Analyse der Verbrennung des Kraftstoffes in den verschiedenen Wellenlängenbereichen im Transparentmotor ermöglichen. Für eine richtige Interpretation der optischen Messungen ist die quantitative Analyse des Verbrennungsprozesses im Einzylinder-Forschungsmotor hinsichtlich der Abgasemissionen und des Wirkungsgrades der Verbrennung unentbehrlich. So zeigte die optische Grundvermessung der Einspritzdüsen mit den unterschiedlichen Spritzlochgeometrien in der kalten Einspritzkammer unter der Anwendung der Streulichtmesstechnik eine sehr gute Strahlsymmetrie des Sprays während des Einspritzvorganges und eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Einspritzvorgänge. Dies liegt unter anderem in der Bauform der Einspritzdüse mit Sackloch begründet. Weiterhin wurde festgestellt, dass eine Erhöhung des Durchflusskoeffizienten des Spritzloches ein kompakteres Spray mit einer höheren Eindringgeschwindigkeit und düsenfernerem Strahlaufbruch generiert. Die Versuche zum Verdampfungsverhalten des Kraftstoffsprays in der heißen Einspritzkammer unter Einsatz der kombinierten Streulicht- und Schattenmesstechnik zeigten für die Spritzlochgeometrien mit erhöhtem Durchflusskoeffizienten eine Verlagerung des verdampften Kraftstoffvolumens in düsenferne Gebiete und eine Erhöhung der Eindringtiefe des flüssigen Kraftstoffes. Die Anwendung der Streulichtmesstechnik zur Detektion des flüssigen Kraftstoffes und der Einsatz von Kamerasystemen zur Erfassung des Eigenleuchtens im ultravioletten Spektralbereich und im sichtbaren Spektralbereich der Verbrennung im Transparentmotor belegen eine deutliche Intensivierung des Strahlaufbruchs in düsenfernen Bereichen für die Einspritzdüsen mit steigendem Durchflusskoeffizienten. Das führt zu einer verbesserten Gemischaufbereitung unter der Ausnutzung des in diesen Gebieten vermehrt zur Verfügung stehenden Sauerstoffes. Im Emissionspunkt mit hohem Einspritzdruck wird die Brennraumwand intensiv in die Gemischaufbereitung und die Verteilung des Kraftstoffdampf-Luft-Gemisches eingebunden. Die Einführung zusätzlicher motorrelevanter Parameter wie Voreinspritzung und Abgasrückführung im Emissionspunkt verdeutlichen die Möglichkeit der Absenkung der Rußemissionen beim Einsatz von Spritzlöchern mit erhöhtem Durchflusskoeffizienten. In diesen Betriebspunkten mit geringer Motorlast wird mit der weiteren Optimierung der Strömungsverhältnisse im Spritzloch durch den Einsatz der ks-Spritzlochgeometrie die Gemischbildung und Verbrennung so intensiviert, dass eine nochmalige Senkung der Rußemissionen erzielt werden konnte. Durch den Einsatz von Einspritzdüsen mit ks-Spritzlochgeometrie kann gegenüber Einspritzdüsen mit konischen Spritzlöchern eine positive Beeinflussung der dieselmotorischen Gemischbildung und Verbrennung in allen untersuchten Lastpunkten nachgewiesen werden. So erzielt man im Schwärzungspunkt mit der Erhöhung des Durchflusskoeffizienten sinkende Rußemissionen und eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Verbrennung. Im Leistungspunkt konnte ein Abnehmen der Rußemissionen bei einem vergleichbaren Wirkungsgrad der Verbrennung festgestellt werden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass die Spritzlochgeometrie der Einspritzdüse einen wichtigen Parameter darstellt, die Wechselwirkung des Sprayaufbruchs und die Ausnutzung der Ladungsbewegung im Brennraum mit der Interaktion des aufbereiteten Kraftstoffes an der Brennraumwand so zu steuern, dass die Abgasemissionen schon innermotorisch gesenkt und der Aufwand an Abgasnachbehandlungssystemen auf ein Minimum reduziert werden kann.

A Supersonic Combustion Ramjet (scramjet) is, at least in theory, an efficient air-breathing propulsion system for sustained hypersonic flight at Mach numbers above approximately M=5. Important design issues for such hypersonic propulsion systems, are the lack of ground based facilities capable of testing a full-sized engine at cruise flight conditions and the absence of general scaling laws for the extrapolation of wind tunnel data to flight configurations. Therefore, there is a strong need for the development and validation of CFD tools to support the design process of scramjet-powered vehicles. The aims of this thesis are, in this context, to assess the applicability of, to further develop, and to validate the DLR TAU flow solver for the CFD analysis of the complete flow-path of a scramjet vehicle. The basis of this validation and of the identification of critical modelling assumptions is the recalculation of a series of wind tunnel tests of the HyShot II generic scramjet configuration that were performed in the High Enthalpy Shock Tunnel Göttingen (HEG) at the German Aerospace Center, DLR. / Staustrahlantriebe, bei denen sich die Strömung im gesamten Triebwerksbereich im Überschall befindet (supersonic combustion ramjets, Scramjets), stellen ein - zumindest theoretisch - effektives Antriebessystem für den Hyperschallflug im Machzahlbereich von M > 5 dar. Die Auslegung und der Entwurf von luftatmenden Hyperschallantrieben sind in der Praxis mit Schwierigkeiten verbunden. Der Einsatz von Bodenversuchsanlagen ist auf kleinskalige Konfigurationen oder einzelne Triebwerkskomponenten begrenzt. Die Ergebnisse von numerischen Strömungssimulationsverfahren sind mit hohen Unsicherheiten behaftet, die ihren Ursprung in der Modellbildung für die komplexen Strömungsphänomene in chemisch reagierenden, kompressiblen und turbulenten Über- und Hyperschallströmungen haben. Weiterhin existieren keine allgemein gültigen Skalierungsgesetze um Aussagen aus Windkanalexperimenten auf Flugkonfigurationen zu übertragen.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich in diesem Zusammenhang mit der Erweiterung des DLRStrömungslösers TAU für die Berechnung von Überschallverbrennungsphänomenen in Scramjets sowie mit der Anwendung des Verfahrens für die numerische Analyse von Windkanalexperimenten, die im Hochenthalpiekanal Göttingen (HEG) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zur Untersuchung der generischen HyShot II Scramjet-Konfiguration durchgeführt wurden. Die wichtigsten Ziele waren die genaue Charakterisierung der freien Anströmung im Windkanal, der Nachweis der Anwendbarkeit des verwendeten Rechenverfahrens und die Analyse des Einflusses verschiedener numerischer Modellierungsansätze für die Strömungssimulation in Scramjets sowie die Nutzung der numerischen Daten für eine verbesserte Interpretation der experimentellen Ergebnisse.

Die Herleitung des Unterschieds zwischen globaler und lokaler Stöchiometriezahl für den Oxyfuel-Prozess hat gezeigt, dass gleiche lokale Stöchiometriezahlen bei variierendem Rezirkulationsanteil unterschiedliche globale Stöchiometriezahlen zur Folge haben. In dieser Arbeit wird vorgeschlagen, die Bezeichnung der Zustandspunkte im Oxyfuel-Prozess mit den Sauerstoffkonzentrationen am Brennkammereintritt bzw. -austritt zu verbinden. Für den Sauerstoffanteil am Brennkammereintritt (z.B. 30 vol.-%) und den Restsauerstoff am Brennkammerende (z.B. 4 vol.-%) folgt zum Bespiel die Bezeichnung Oxyfuel 30 mit 4 % Restsauerstoff. Diese Bezeichnung ist eindeutig und kann das Lambda – als Beschreibung der Stöchiometrie im konventionellen Betrieb – ablösen. Für eine Vielzahl an Punkten sind Verbrennungsversuche mit Trockenbraunkohle und Sauerstoff durchgeführt worden. Ein stabiler Betrieb der Versuchsanlage der TU Dresden wurde zwischen Oxyfuel 17 und Oxyfuel 33 erreicht. Die Untersuchungen haben nachgewiesen, dass die Rezirkulation des feuchten Abgases für die Verbrennung unkritisch ist. Die Schwefeldioxid-Emissionen sind abhängig von den variierenden Reaktionstemperaturen im Kennfeld, dem Restsauerstoff am Brennkammerende und der Rezirkulation des Abgases. Mit der Belagssondenmessung von Aschepartikeln im Abgasstrom wurde gezeigt, dass auch andere Komponenten (z.B. Chlor) im Oxyfuel-Prozess aufkonzentriert werden. Diese erhöhten Konzentrationen werden zu neuen Anforderungen in der Werkstoffauswahl führen. Für das Einschwingverhalten der Abgaszusammensetzung beim Umschalten von konventioneller Verbrennung zu Oxyfuel-Prozess-Fahrweise hat sich gezeigt, dass für diese Staubfeuerungs-Versuchsanlage ein einfaches Rührkesselmodell geeignet ist.

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In dieser Arbeit sollte im Tierversuch die lokale Gewebeverträglichkeit der neuen, mit PVVV 80/20 beschichteten, hoch hydrophilen Expander (osmed GmbH, Ilmenau, Deutschland) getestet werden und allgemeine Indikationen für die Anwendung von Hydrogelexpandern erstellt werden. Material und Methoden: Für den Versuch standen 24 Kaninchen als Versuchstiere zur Verfügung, welche in vier Gruppen unterteilt wurden, wobei die Gruppe 1 als Kontrollgruppe (Expander mit Silikonhülle) diente. Die Gruppen 2 - 4 wurden mit den neu entwickelten Hydrogelexpandern („Cylinder M4 x 12“) beschickt. Die Implantation der Expander erfolgte bei allen Versuchstieren in die linke Kniefalte. Nach einem zeitlich vorbestimmten Explantationsplan (nach 10, 21 und 90 Tagen) wurden die Expander entnommen, gewogen und das, den Expander direkt umgebene Gewebe entnommen, histologisch aufbereitet und untersucht. Zusätzlich wurden Proben aus der rechten, nicht implantierten Kniefalte, als Referenzprobe entnommen. Desweiteren wurde die Anwendbarkeit von Hydrogelexpandern anhand von zwei Fallbeispielen vorgestellt und untersucht. Ergebnisse: Histologisch konnte bei beiden Expandertypen eine lokale Fremdkörperreaktion (Entzündungszellinfiltration, Granulationsgewebe), im Sinne einer Kapselbildung, nachgewiesen werden. Die Alterationen des direkt angrenzenden Gewebes der beschichteten Expander sind insgesamt nur geringgradig stärker ausgeprägt als in den Proben mit Verwendung des Implantats mit Silikonhülle. Somit ist die Gewebeverträglichkeit der neu entwickelten Expander mit den silikonumhüllten Expandern vergleichbar. Diese Arbeit konnten weiterhin zeigen, dass die „Cylinder M4 x 12“-Expander mit der PVVV 80/20-Beschichtung ein deutlich höheres Quellverhalten aufweisen als die herkömmlichen, mit Silikonhülle umgebenen, Expander. Die in den Fallbeispielen verwendeten Hydrogelexpander, zeigten in beiden Fällen das gewünschte kosmetische Endergebnis. Schlussfolgerung: Für beide Expandertypen lässt sich eine gute lokale Verträglichkeit ableiten. Damit bieten die getesteten Expander „Cylinder M4 x 12“ mit der PVVV 80/20-Beschichtung die Möglichkeit, die Silikonhülle in ausgewählten Indikationen zu ersetzen und neue Einsatzmöglichkeiten zu erschließen. Zudem bieten die beschichteten Expander den Vorteil, dass es durch ihre minimale Größe nur einer kleinen Inzision für die Implantation bedarf und sie damit besonders für den Einsatz in der minimal invasiven Chirurgie geeignet erscheinen. Einsatzmöglichkeiten der Hydrogelexpander in der Veterinärmedizin sind unter medizinischen und ästhetischen Gesichtspunkten zu betrachten. Im Vordergrund der medizinischen Indikationen stehen vor allem Wunden mit erheblichem Gewebeverlust (z. Bsp. nach Traumata, Verbrennungen u.a.), bei denen eine plastische Operation keine spannungsarme Adaptation der Wundränder gewährleisten kann. Auch die kosmetische Indikation gewinnt immer mehr an Bedeutung. Möglich ist der Einsatz des Expanders zum Beispiel als Hodenimplantat oder als Dauerimplantat nach Enukleatio bulbi und zur Narbenkorrektur. Ihr klinischer Einsatz bedarf jedoch weiterer experimenteller – vor allem – in-vivo-Untersuchungen, um ihre Einsatzmöglichkeiten beim Tier - und in Zukunft auch beim Menschen – zu evaluieren.

Mainz, Univ., Diss., 2004

Techn. University, Diss., 2007--Darmstadt.

Universiẗat, Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss.--Magdeburg, 1999.