600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
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Aufgrund des weltweit hohen Wasserverbrauches und des steigenden Rückganges des Grundwassers, wird die Aufbereitung von Abwasser in Zukunft eine immer größere Rolle spielen. Neben großen industriellen Anlagen werden auch dezentrale und mobile Techniken benötigt, um in ländlichen Regionen oder der Schiffahrt Abwässer aufbereiten zu können. In der Schiffahrt treten vor allem ölverschmutzte Abwässer auf. Diese Masterarbeit befasst sich mit dem Betrieb eines Befeuchtungs-Entfeuchtungsprozesses mit Öl-Wasser-Emulsionen. Es wird der Einffluss der Ölkonzentration auf die Prozessparameter sowie die Reinheit des Kondensates und die Effizienz des Prozesses untersucht. Dabei werden mit einem Versuchsstand an der Fachhochschule Vorarlberg Messungen durchgeführt. Anhand der Ergebnisse wird auf das Verhalten des Befeuchtungs-Entfeuchtungsprozesses geschlossen.
Als Öl-Wasser-Emulsion wird eine Mischung aus Paraffinöl und Wasser verwendet, wobei die Mischung auf Volumenprozent basiert. Die Öl-Wasser-Gemische werden in verschiedenen Versuchsreihen in einer Versuchsanlage an der Fachhochschule Vorarlberg betrieben, welche als Befeuchtungs- und Entfeuchtungsanlage konzipiert ist. Dabei wird die Betriebsweise (Batch und kontinuierlich), die Ölkonzentration in der Emulsion und die Prozessparameter wie z. B. Beheizungsleistung variiert. Batch-Versuche werden auf die Konzentration, den Füllstand, die Kondensatproduktion und die Temperaturen über die Zeit betrachtet. Im kontinuierlichen Betrieb wird bei stationärer Betriebsführung die Wärmeübertragung im Befeuchter, Ölrückstände im Kondensat, den Einfluss der Ölkonzentration auf den Dampfdruck der Emulsion, den Einfluss der Ölkonzentration auf die einzubringende Wärmeleistung und die Gained Output Ratio (GOR) der Anlage untersucht. Zudem wird über verschiedene Integrationsansätze die ausgetragene Kondensatmenge ermittelt und mit den gewogenen Werten verglichen. Die Messungen zeigen, dass sich der Befeuchtungs-Entfeuchtungsprozess für die Reinigung von Ölwassern eignet. Eine Aufkonzentrierung der Öl-Wasser-Emulsion ist bis zu ca. 95% möglich. Die steigende Ölkonzentration senkt den Wärmeübergang im Blasensäulenbefeuchter. Bei allen produzierten Kondensatmengen werden Ölrückstände festgestellt, wobei die Ölkonzentration im Kondensat unabhängig von der Ölkonzentration der Emulsion ist. Durch die schlechtere Wärmeübertragung mit steigender Ölkonzentration wird auch der Wärmeeinsatz erhöht. Die GOR wird ab einer Ölkonzentration von 50% in der Emulsion beeinflusst. Eine mathematische Berechnung der Kondensatmenge ist möglich. Dadurch kann auf die Wasserverluste in der Anlage geschlossen werden. Es ist möglich Öl-Wasser-Emulsionen im Befeuchtungs-Entfeuchtungsprozess aufzubereiten. Bei höheren Ölkonzentrationen der Emulsion können lokale Probleme mit Wärmestauungen auftreten. Somit ist eine gut geplante Prozessführung anhand der gezeigten Ergebnisse vorteilhaft.
Die in dieser Arbeit ermittelten Ergebnisse sind für die weitere Forschung mit Öl-Wasser-Emulsionen im Befeuchtungs-Entfeuchtungsprozess hilfreich. Die Messungen zeigen, welche Einflüsse die Ölkonzentration auf den Anlagenbetrieb und die Eigenschaften der Emulsion haben. Die auftretenden Messschwierigkeiten können in weiterführenden Messungen gezielt vermieden oder adjustiert werden.
Industriebetriebe wie auch jene der Lebensmittelbranche sind zunehmend auf der Suche nach umweltfreundlichen Alternativen zur Wärmebereitstellung. Wo bislang Gas oder sogar Öl als Brennstoff verwendet wurde, gewinnen Wärmepumpen langsam an Akzeptanz. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie eine Hochtemperaturwärmepumpe am Beispiel eines Schokoladeherstellers effizient betrieben werden kann. Zur Beschreibung der Ausgangslage wird zunächst der Wirkungsgrad des gegebenen Kesselhauseses berechnet, um anschließend die nötigen Lastprofile festzulegen. Nach der thermischen Modellierung möglicher Wärmequellen und einer gegebenen Wärmepumpe werden vier Jahressimulationen mit der Programmiersprache Python durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen zum einen, mit welchen Wirkungsgraden und Verdichterleistungen zu rechnen ist und zum anderen wie sich diese auf die betrachteten Wärmequellen auswirken. Die abschließende Wirtschaftlichkeitsberechnung beinhaltet die Analyse monatlicher Betriebskosten unter Berücksichtigung der angekündigten CO2-Bepreisung, sowie die Amortisationsdauern der betrachteten Szenarien. Die Sensitivitätsanalyse der Amortisationsdauer zeigt außerdem, in welchem Verhältnis sich Strom- und Gaspreis entwickeln dürfen, damit eine Wärmepumpe dieser Art wirtschaftlich konkurrieren kann. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen darüber hinaus welche Reduktion der CO2-Emissionen bezogen auf die Prozesswärmebereistellung möglich ist.
Durch die zunehmende Homogenität von Produkten ist der technologische Fortschritt des reinen Produktes kein Alleinstellungsmerkmal mehr. Die Entwicklung datenbasierter Services bietet die Option trotzdem langfristige Wettbewerbsvorteile zu erzielen. Ein Großteil der KMU ist sich dabei in der Methodik unsicher. Es wird erörtert, wie KMU Geschäftsmodelle mit datenbasierten Services weiterentwickeln können. Mit einer qualitativen Untersuchung werden Praxiserfahrungen aufgezeigt und theoretische Thesen validiert.
Die Weiterentwicklung zu einem datenbasierten Geschäftsmodell ist ein umfangreicher Prozess, der mit Chancen und Herausforderungen einhergeht. Als Herausforderung hat sich die Wahl relevanter Methoden und die Anpassung an die jeweiligen Rahmenbedingungen herausgestellt. Referenzprozesse strukturieren das Vorgehen und sollen gleichzeitig Flexibilität gewährleisten. Während des Prozesses ist die Kundenorientierung und Akzeptanz sicherzustellen. Aufgabe der Geschäftsführung ist es, die Weiterentwicklung zu fördern, Mitarbeitende einzubinden und Ressourcen bereitzustellen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die Weiterentwicklung zur Veränderung der gesamten Unternehmenslogik sowie einem Paradigmenwechsel vom reinen Produktverkauf zum umfassenden Serviceangebot führt.
Kooperation setzt einen Informationsaustausch voraus. Die Veränderung der Kooperation durch die Globalisierung und Dezentralisierung von zusammenarbeitenden Personen und Organisationen ließen neue Kommunikationswege entstehen. Innerhalb der Jahre 1980 – 2022 wurden Technologien entwickelt, die den Informationsaustausch und die soziale Interaktion im digitalen Raum beeinflussen. Ein wesentliches Werkzeug dafür sind sogenannte Groupwares. Sie sind „[...] computer-based systems that support groups of people engaged in a common task (or goal) and that provide an interface to a shared environment.“ (Ellis; Gibbs; Rein 1991)
Das Ziel dieser Arbeit ist die Gestaltung einer solchen Groupware bzw. eines Kollaborationstools als Unterstützung für Meetings auf Basis gesellschaftlicher Einflüsse. Beginnend mit der aktuellen Beschaffenheit und Klärung der Begriffswelt, folgt darauf die Auseinandersetzung mit theoretischen Hintergründen, die eine Bearbeitung dieses Themas erst erlauben. Im nächsten Schritt wird die technische Realisierung mit all ihren Projektschritten, vom Grundgedanken bis hin zum Einsatz in unterschiedlichen Bereichen, erläutert. Die durchgeführte Evaluation in simulierten Umgebungen gibt Rückschlüsse auf eine Adaption.
Anschließend werden Empfehlungen für eine weitere Entwicklung und Untersuchungen abgegeben und zukünftige Möglichkeiten behandelt.
Smart HR - welchen Mehrwert erhalten Industrieunternehmen der Bodenseeregion durch HR Analytics?
(2022)
Das Thema HR Analytics bringt viele interessante Aspekte mit sich. Diese Aspekte werden in dieser Masterarbeit mit Hilfe einer gründlichen Literaturrecherche und zehn Expert:inneninterviews, detailliert beschrieben: angefangen von den zu erfüllenden technischen-organisatorischen Voraussetzungen bis hin zur rechtlichen-ethischen Betrachtung. Nicht zu vergessen sind die damit verbundenen Herausforderungen bei der Einführung und Nutzung von HR Ana- lytics, die es zu bewältigen gilt. Zudem werden verschieden Begriffe und Prozesse, die in Verbindung mit HR Analytics stehen näher erklärt und Zusammenhänge gebildet. Das Ziel dieser Masterarbeit ist es, aufzuzeigen, ob sich durch HR Analytics ein Mehrwert für Industrieunternehmen der Bodenseeregion ergibt und falls ja welcher. Schließlich werden Handlungsempfehlungen definiert, um Industrieunternehmen den Einstieg und die Hinführung zu HR Analytics zu erleichtern.
The detection of glucose is an essential part of diabetes management and can help to prevent secondary diseases, that can occur as a result of diabetes. For this reason, it is important to improve the current glucose monitoring by developing novel sensors with high efficiency, low cost and compact design. The use of microelectrodes with interdigitated array (IDA) structures reduces the total detector size while providing benefits such as large currents, high sensitivity, and fast response. The aim of this thesis is to develop a novel sensor based on platinum interdigitated array (IDA) electrodes and to investigate which method is most effective for the detection of glucose. This work is divided into two parts. The first part is focused on the design and the fabrication of the sensor chips. The second part is concerned with the electrochemical characterisation of the sensors. Two distinct sensor designs are created, each consisting of a four-electrode system arranged as an interdigitated array. For the fabrication of the sensors, two different manufacturing processes are used. A lift-off process is used to fabricate the 2 μm-Gap sensor chips, whereas a lift-off free process is applied to produce the nanogap sensor chips. The electrochemical characterisation of both sensor chips is achieved by the immobilisation of the enzyme glucose oxidase (GOx) on the electrode surface. This thesis investigates the immobilisation of GOx by reduction of diazonium salts and the direct immobilisation of GOx by cyclic voltammetry. As a result of this work, it has been demonstrated that glucose detection by reduction of diazonium salts is error-prone due to modification with a multi-step procedure and is not suitable for our sensors based on platinum IDA electrodes. The direct immobilisation of GOx by cyclic voltammetry, by contrast, demonstrates the successful detection of glucose. In glucose solutions ranging from 5 mM to 20 mM, a direct correlation between the glucose concentration and the measured current is obtained. The reproducibility of direct immobilization is demonstrated by repeated performance with various sensors.
Power cables play an important role in power grids. Insulation faults in cables can have adverse effects on the operating behaviour. These effects can be assessed through an AC withstand test by using a very-low frequency high voltage generator. This generator produces a sinusoidal voltage waveform at 0.1Hz with high voltage levels up to 65kV peak. During the quality assessment, the power cable is repeatedly charged and discharged. The discharging process is done by a discharging circuit where the energy is dissipated thermally. But to reuse the dissipated energy a novel extension in form of an energy storage system is presented. This thesis, therefore, describes the design process of an energy storage system that allows the temporary storage of the discharge energy. The developed system is composed of a bidirectional DC/DC converter and an aluminium electrolytic capacitor as storage type. Based on the maximum VLF system ratings the energy storage unit is dimensioned and sized. The effective power flow control between the storage system and the available discharge energy is done by a synchronous buck-boost converter. This bidirectional converter works in continuous conduction mode over the complete charging phase. Together with a theoretical analysis of the underlying problem and the use of converter analysis methods the selected synchronous buck-boost converter is dimensioned and sized. In addition, a state space AC modeling of the converter with its electrical uncertainties is conducted. With the converters AC model, the controller is designed. A closed-loop input converter current control scheme based on a proportional-integral controller is implemented. The system assessment is done by a model-based hardware implementation in Matlab Simulink and Plecs Blockset. The system is rated to store discharge energies up to 4.3kJ in a short charging period of 2.5s. The maximum peak power during the charging phase is 2.7kW. The digital proportional-integral controller is implemented through an emulation process of the designed analog controller. Based on a C-code implementation of the digital controller the gap between the real hardware is reduced. During the design process theoretical calculations are made and reveal that designing a capacitor storage unit has a direct impact on the peak system currents and also impose also limitations on permissible DC voltage ranges on electrical components. The developed energy storage system and its power flow control strategy were investigated through simulation studies. The results show proper charging of the energy storage medium. In addition, also a statement of the final technical feasibility is made. In total, this work summarizes a detailed design process of the energy storage system. This proof of concept is intended to further advance the system integration.
Development of a low pressure syringe pump for detecting cannabinoids through liquid chromatography
(2022)
The following thesis covers the miniaturization and characterization of a pneumatic syringe pump, which is used for applications in low-pressure liquid chromatography. For this purpose, the components of the prototype are dealt with in the first section. These include the membrane pump and the cylinder for pressure and force generation, the syringe used for sample preparation and the construction of the test column. Furthermore, the pressure preparation on the cylinder, the friction losses of the syringe and then the behavior of the syringe in various application scenarios are considered. In the second section, the focus is on the different behaviors when using water and ethanol as a solvent. Tests in normal applications, as well as with air pockets or leaking seals, show the different behavior and the resulting deviations in the test pressure of the column. In addition, the maximum forces that can be applied to the syringe are worked out in several tests and the different maximum pressures, which depend on the solvent contained, are evaluated. These different maximum pressures, which are due to the different sealing behavior in connection with the surface tension of the liquid, will be discussed in conclusion. An outlook follows, up to which test pressures the system can be used and how these can be achieved.
Ein weit verbreitetes Problem von Heizungs-, Lüftungs- und Kühlungsanlagen (HLK-Anlagen) ist das Schwingungsverhalten der Regelung. Dieses führt zu unerwünschten Taktzyklen und damit zu erhöhtem Energieverbrauch, sowie zu verringerter Lebensdauer der Anlagenkomponenten. Deshalb besteht ein wirtschaftliches und ökologisches Interesse an der Vermeidung des Schwingungsverhaltens. Zum Auffinden von Fehlern, sowie deren Ursachenanalyse, steht in der Literatur ein weites Spektrum an möglichen Werkzeugen zur Fehlerdetektion und -diagnose (FDD) zur Verfügung. Klassische FDD-Werkzeuge für den Bereich von HLK-Anlagen basieren auf umfangreichem Domänenwissen zur Bestimmung der Ursache-Wirkungs-Beziehung von Fehlertypen, wie zum Beispiel Schwingungen. Deren Anwendung im HLK-Bereich ist deshalb mit zeitaufwändigen Analysen durch Fachpersonal verbunden, was hohe Kosten zur Folge hat.
Im Zuge dieser Masterarbeit wird ein FDD-Werkzeug für den Fehlertyp Schwingungen entwickelt, welches den hohen Zeitaufwand der Ursachenanalyse des Schwingens von HLK-Anlagen verringert. Durch die Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens werden potenzielle Ursachen lokalisiert. Außerdem wird gezeigt, wie mit Hilfe des maschinellen Lernens eine Abschätzung über Gegenmaßnahmen zur Behebung der Schwingungsursachen getroffen werden kann.
Die Herausforderung in der Umsetzung des FDD-Werkzeugs liegt dabei in der Auswahl der Methoden für die Implementierung des datenbasierten Modells. Zur Umsetzung werden Daten einer HLK-Anlage eines Gewerbebetriebs am Standort Vorarlberg verwendet. Das entwickelte FDD-Werkzeug dient der fortlaufenden Auswertung von Schwingungen und der Optimierung bestehender Anlagen. Schlussendlich soll damit der Erhöhung der Energieeffizienz und der Erhöhung der Lebensdauer der Komponenten von HLK-Anlagen beigetragen werden.
The ability of water to form cage-like structures and capture gas molecules under high pressure and low temperatures lead to problems in gas pipelines, especially in the mid-20th century. Also, there is an enormous amount of this so-called gas hydrate, captured in deep sea sediments or in terrestrial permafrost soils in which they reserve a possible degradable energy resource. On the other hand, they also maintain a high risk to enhance the ongoing climate change. At the same time, through their high energy storage ability, gas hydrates exhibit a high potential for industrial applications like alternative energy storage, carbon capture technologies or cleaning of exhaust emissions through separation and storage. But through their complex kinetics and ongoing dynamics through induction, synthesis and dissociation, the usage of hydrates is still far away from relevant industrial application. To make the potential capable there is still a huge amount of basic research necessary: Specially to shorten the induction time. An earlier thesis at FH-Vorarlberg exposed a potential method to shorten the induction time through a stirred reactor with an extremely high stirring rate without the usage of promotors. Therefore, this thesis is dedicated to expose the possible reasons for the witnessed effect through high stirring rates (>10000 rpm) at different pressure and tempera-ture conditions. The goal is to show possible physical effects to shorten the induction time of hy-drate synthesis. Therefore, a stirred reactor is used in which the possible effects should be investi-gated through the research with CO2 hydrates. In the research, there will be a closer look on phe-nomena like cavitation, increasing the phase interface through stirring or pressure fluctuations. The results of this thesis show an interesting connection between pressure, stirring rate and increased phase interface. Furthermore, there are also some exposed significances between stirring under spe-cial conditions which were exposed through statistical analyses. The results show that stirring could possibly be a new driving force when executed under the right conditions.