Dresdner Universitätsjournal

"Dresdner Universitätsjournal" vom 11. November 201

Instrumentierte Strömungsfolger zur Prozessdiagnose in gerührten Fermentern

Advanced monitoring of the spatio-temporal distribution of process parameters in large-scale vessels and containers such as stirred chemical or bioreactors offers a high potential for the investigation and further optimization of plants and embedded processes. This applies especially to large-scale fermentation biogas reactors where the process performance including the biological processes highly depend on mixing parameters of the complex bio-substrates. Sufficient mixing is a basic requirement for a stable operation of the process and adequate process performance. However, this condition is rarely met in agricultural biogas plants and the process efficiency is often reduced dramatically by inhomogeneities in the agitated vessels. Without a doupt, investigation and monitoring of biochemical parameters, such as the fermentation rate, pH distribution as well as O2 and CO2 concentration is of great importance. Nevertheless, also understanding of non-biological parameters, such as fluid dynamics (flow velocity profiles, circulation times), suspension mixing (homogeneity, location of dead zones and short-circuits) and heat transfer (temperature profiles), is necessary to analyze the impact of mixing on the biological system and also to improve the process efficiency. However, in most industrial scale applications the acquisition of these parameters and their spatial distributions in the large-scale vessels is hampered by the limited access to the process itself, because sensor mounting or cable connections are not feasible or desired. Therefore, state of the art instrumentation of such reactors is commonly limited to few spatial positions where it is doubtfully assumed that the measured parameters are representative for the whole reaction mixture. In this work, a concept of flow following sensor particles was developed. The sensor particles allow long-term measurement of spatially distributed process parameters in the chemically and mechanically harsh environments of agitated industrial vessels. Each sensor particle comprises of an onboard measurement electronics that logs the signals of measurement devices, namely temperature, absolute pressure (immersion depth, axial position) and 3D acceleration. The whole electronics is enclosed in a robust neutrally buoyant capsule (equivalent diameter 58.2 mm; sphericity 0.91), to allow free movement with the flow. The sensor particles were tested in pilot fermenters under comparable flow conditions of biogas fermenters. The experiments proved the applicability of the sensor particles and the robustness to resist the harsh environments of mixing processes. Moreover, the results show the capabilities of the sensor particles to monitor the internal conditions of the vessel correctly and thus deliver significant information about the flow regime. Therefore effects of liquid rheology, vessel geometry, impeller speed and axial impeller position on the macro-mixing process were properly detected. Evaluation of the impeller efficiency and the mixing processes was done based on mixing homogeneity, location of dead zones, axial velocity profiles, circulation time distributions as well as average circulation times, acceleration spectra and temperature profiles that were extracted from the measured data. Furthermore, it is shown, that parameters of mixing models such as circulation number, impeller head, PECLÉT-number and variance of suspended solid particles can be estimated from the measured data. The main achievement of this work is therefore the development and validation of instrumented flow followers for the investigation of macro-mixing effects in agitated vessels. The sensor particles show potential for employment to real applications such as biogas fermenters or large bioreactors and to monitor and improve the mixing and heating regimes

Auswirkungen nationaler Stadtentwicklungsprogramme auf die strategische Planung in Städten: Eine vergleichende Darstellung von vier Fallstudien aus dem Bund-Länder-Programm Soziale Stadt

Das Anliegen der Dissertationsschrift war es, Wirkungen von nationalen Stadtentwicklungsprogrammen (NSEP) auf die lokale Strategische Planung (LSP) zu erfassen. Dabei wurden die NSEP und ihre spezifischen Ziele und Instrumente als externe Intervention auf die LSP und seiner Elemente konzeptionalisiert und beispielhaft das Bund-Länder-Programm Die Soziale Stadt (SozStadt) aus der Städtebauförderung als NSEP untersucht. SozStadt hatte sich seit seiner Etablierung 1999 zum Leitprogramm der integrierten Stadtteilerneuerung in Deutschland entwickelt. Bis zu seiner Überführung in das Programm Sozialer Zusammenhalt im Jahr 2020 galt SozStadt als Markenzeichen einer integrierten Quartierspolitik in Deutschland. Die vorliegende Arbeit versuchte die Wirkungen von NSEP explizit auf die strategische Planung zu untersuchen. Es wurde keine Evaluation von Stadtentwicklungsprogrammen anhand ihrer formulierten Ziele und deren Erreichen angestrebt. Entsprechend der Forschungsfrage hatte die Arbeit folgende Zielstellungen: • Entwicklung eines Deskriptionsmodells zur Beschreibung der Veränderungen der LSP im Zuge der Teilnahme an einem NSEP am Beispiel von SozStadt unter Nutzung und Berücksichtigung bestehender Modelle zur Beschreibung strategischer Planung; • Anwendung und Prüfung des Deskriptionsmodells anhand von Fallstudien zu den vier konzeptionalisierten Strategietypen; • Aufzeigen von Wirkungszusammenhängen von NSEP auf die LSP; sowie • Ableitung von Handlungsempfehlungen zur Passfähigkeit der Ziele von NSEP bei Berücksichtigung des Konzepts der LSP. Als Ergebnis dieser Arbeit kann festgehalten werden, dass NSEP einen erheblichen Einfluss auf die LSP haben können. Insbesondere bei bereits der NSEP-Logik folgenden linearen Strategietypen können NSEP auf fruchtbaren Boden fallen und eine Intensivierung des linearen Strategietyps unterstützen. Unabhängig über alle Strategietypen hinweg ist festzustellen, dass sich die Spannbreite der an Stadtentwicklung aktiv teilnehmenden Akteursgruppen durch NSEP deutlich verbreitern kann. Unabhängig der Veränderung hinsichtlich des angewandten Strategietyps ist eine wesentliche Erkenntnis aus der vorliegenden Untersuchung die Qualifizierung und Stärkung der handelnden Akteure. Gerade durch den hohen Stellenwert an instrumentell-strategischen Handlungsfeldern können kompetente und starke Planungssubjekte erwachsen. Jedoch sind gerade die NSEP-Instrumente, die die integrierte und gebietsbezogene Planung stärken sollen durch mehr Verbindlichkeit in Bezug auf Umsetzung sowie Verstetigung seitens Fördermittelgeber sowie lokaler Ebene zu untersetzen. Insgesamt kann SozStadt als untersuchtes NSEP eine hohe Passfähigkeit zum Konzept der LSP nachgewiesen werden. Unter Beachtung einer möglichst hohen Autonomie der lokalen Ebene auch im Sinne des subsidiären Gedankens wird versucht, die Probleme und Potenziale in den Fokus der Bemühungen zu rücken.:Inhalt Vorwort und Danksagung............................................................................................ 3 1 Einleitung ................................................................................................................ 5 2 Theoretische Grundlagen....................................................................................... 11 2.1 Der Ansatz der Strategischen Planung innerhalb der Raumplanung.................. 11 2.2 Der Aufstieg nationaler Stadtentwicklungsprogramme....................................... 24 2.3 Mögliche Auswirkungen nationaler Stadtentwicklungsprogramme auf die lokale Strategieentwicklung................................................................................................. 51 2.4 Konkrete Forschungsfrage.................................................................................. 58 3 Entwicklung eines deskriptiven Modells zur vergleichenden Analyse der Wirkungen von NSEP auf LSP.................................................................................................... 59 3.1 Nutzbare Forschungsansätze............................................................................. 63 3.2 Bestehende Konzepte zur Beschreibung Strategischer Planung....................... 69 3.3 Das Wirkungsmodell........................................................................................... 76 3.4 Typologie von lokaler Strategischer Planung...................................................... 85 3.5 Methodische Überlegungen zur Anwendung des Modells.................................. 86 4 Empirische Befunde zur Wirkungsbeschreibung..................................................102 4.1 Quantitative Erkenntnisse aus der Vorstudie zur Fallstudienauswahl.............. 102 4.2 Exklusiv-linearer Strategietyp: Der Leipziger Osten – Ein Stadtteil im Wandel 107 4.3 Exklusiv-emergenter Strategietyp: Das Bahnhofsviertel in Hof – „Tristesse“ im Glasscherbenviertel................................................................................................ 144 4.4 Inklusiv-linearer Strategietyp: die Dortmunder Nordstadt – ein klassischer Ankunftsstadtteil als Dauerlabor der Stadterneuerung........................................... 178 4.5 Inklusiv-emergenter Strategietyp: Rostock – Groß Klein – Neuerfindung nach Rückbau ................................................................................................................. 228 5 Schlussfolgerungen .............................................................................................268 5.1 Inhaltliche Zusammenfassung und Kernaussagen .......................................... 269 5.2 Methodische und theoretische Reflexion ......................................................... 278 5.3 Handlungsempfehlungen und Ausblick............................................................. 282 Anhang ....................................................................................................................286 Abkürzungen............................................................................................................301 Abbildungsverzeichnis.............................................................................................303 Tabellenverzeichnis..................................................................................................306 Literaturverzeichnis..................................................................................................30