A Simple μ-PTV Setup to Estimate Single-Particle Charge of Triboelectrically Charged Particles

Triboelectric separation is a useful phenomenon that can be used to separate fine powders. To design technical devices or evaluate the potential of powders to be triboelectrically separated, knowledge about the charge distribution on a single-particle level has to be obtained. To estimate the single-particle charge distribution in an application-oriented way, a simple μ-PTV system was developed. The designed setup consists of a dispersing and a charging unit using a Venturi nozzle and a tube, respectively, followed by a separation chamber. In the separation chamber, a homogenous electrical field leads to a deflection of the particles according to their individual charge. The trajectories of the particles are captured on single frames using microscope optics and a high-speed camera with a defined exposure time. The particles are illuminated using a laser beam combined with a cylindrical lens. The captured images enable simultaneous measurement of positively and negatively charged particles. The charge is calculated assuming a mean particle mass derived from the mean particle size. Initial experiments were carried out using starch of different botanical origins and protein powder. Single-component experiments with starch powders show very different charge distributions for positively and negatively charged particles, whereas protein powder shows bipolar charging. Different starch-protein mixtures show similar patterns for positive and negative charge distributions

Antistatische Ausrüstung von duroplastischen Kunststoffen

Da Kunststoffe im Allgemeinen einen spezifischen Oberflächenwiderstand von >10E12 Ω besitzen, müssen die Materialien zur Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen bei Bauelementen der Elektroindustrie antistatisch ausgerüstet werden. Durch elektrostatische Aufladungen können die Bauelemente eine Beeinträchtigung ihrer Funktion erfahren und Personen gefährden. Weiterhin ermöglicht die Absenkung des spezifischen Oberflächenwiderstandes eine elektrostatische (Pulver-)Lackierung. Für die Herstellung von Kunststoffen mit kleinem spezifischen Durchgangswiderstand ist der Zusatz von leitenden Substanzen, wie z. B: Leitfähigkeitsruß, Graphit, Eisenoxid-, Kupfer- oder Aluminiumteilchen, metallisierte Glasfasern oder –kugeln, Edelstahlfasern oder Kohlenstofffasern, üblich. Die Substanzen werden dabei physikalisch in die Polymermatrix eingemischt. Je höher der Volumenanteil der Additive für die benötigte Ableitfähigkeit bezogen auf die Gesamtrezeptur ist, desto größer ist jedoch auch der Einfluss dieser Additive auf die mechanischen Eigenschaften in Relation zum unadditivierten Ausgangsmaterial. Unterschiedliche Polaritäten und Oberflächenspannungen von Additiv und Matrix bedingen zudem Probleme bei der Homogenisierung der Additive in der Matrix. Eine homogene Verteilung über das Volumen ist jedoch Voraussetzung dafür mit möglichst wenig Additiv die Perkolationsschwelle zu erreichen. Aus dieser Sicht hat sich eine reaktive Ankopplung von leitfähigen Gruppen an Matrix- oder sonstige geeignete Rezepturbestandteile in der Vergangenheit, z.B. für MDF, als erfolgreicher Weg erwiesen. Ziel war es, dieses Konzept auf duroplastische Kunststoffe zu übertragen und dessen spezifischen Oberflächenwiderstand von >10E12 Ω abzusenken. Im Rahmen dieser Arbeit sollten die Materialien SMC (Sheet molding compound) und Epoxidharzlaminate eine antistatische Ausrüstung erhalten

Prozessentwicklung für die Automatisierung der Herstellung und Anwendung von hochdichten Peptidmicroarrays

Peptidmicroarrays können helfen, eine Vielzahl immunologischer und biochemischer Fragestellungen zu beantworten. Im Bereich der hochdichten Peptidmicroarrays gibt es bereits etablierte Prozesse, die jedoch für eine routinemäßige Verwendung jedoch nicht ausreichen und ergänzt werden müssen. In der vorliegenden Arbeit ist eine Technologieentwicklung dreier Prozesse dargestellt, die eine automatisierte Herstellung und die reproduzierbare Nutzung als Assay erlaubt

Prozessentwicklung für die Automatisierung der Herstellung und Anwendung von hochdichten Peptidmicroarrays

Peptidmicroarrays, bestehend aus einer großen Vielfalt unterschiedlicher Peptide auf einer festen Oberfläche, können helfen, eine Vielzahl immunologischer und biochemischer Fragestellungen zu beantworten. In der vorliegenden Arbeit wurden drei Prozesse entwickelt, die den Weg von händischer Arbeit in die Richtung automatisierter Prozesse mit einstellbareren Prozessparametern ebnen

Diesel Engine Emissions from the Combustion of Biodiesel and different fossil Diesel Fuels with special Regard to Particle Emissions.

In der vorliegenden Arbeit wurden Partikeleemissionen aus der motorischen Verbrennung von verschiedenen Dieselkraftstoffen in Nutzfahrzeugmotoren der Abgasstufen EURO II und EURO III, einer differenzierten physikalischen und chemischen Charakterisierung unterzogen. Hierzu standen insgesamt acht verschiedene Kraftstoffe zur Verfügung, wobei es sich um vier herkömmliche Dieselkraftstoffe, zwei Biodiesel auf Rapsölbasis, einen schwedischen MK1-Kraftstoff und einen synthetischen GTL-Kraftstoff handelte. Neben den gesetzlich limitierten Abgaskomponenten Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Partikelmasse wurden Partikelgrößen- und –anzahlverteilungen mittels Impaktor, ELPI und SMPS bestimmt. Darüber hinaus wurden partikelgebundene PAK-Emissionen für unterschiedliche Partikelgrößenklassen untersucht. Es fand sich kein größenspezifisches PAK-Spektrum, welches spezielle polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe in bestimmten Größenbereichen bevorzugte oder benachteiligte. Phenanthren und Pyren waren unabhängig von der Größenklasse bei allen Kraftstoffen die dominierend an der Partikelphase des unverdünnten Abgases adsorbierten PAK. Abhängig vom jeweils untersuchten Abgasparameter ergaben sich Resultate, die für die einzelnen Kraftstoffe sowohl zu Emissionsvor- als auch zu Emissionsnachteilen führten. Abgesehen von einer signifikanten Verschlechterung in Bezug auf die Stickoxidemissionen und punktuellen Erhöhungen bei den Partikelanzahlkonzentrationen, konnte der regenerative Kraftstoff Biodiesel bei beiden Motoren zu erheblichen Verbesserungen des Emissionsverhaltens beitragen. Auch für GTL fielen die Verbesserungen des Emissionsverhaltens in der Summe eindeutig positiv aus. Beide Kraftstoffe unterstreichen die Bedeutung und das Potenzial einer systematischen Kraftstoffforschung als Beitrag zur weiteren Reduktion der Abgasemissionen bei der motorischen Verbrennung.In the present work particle emissions from the combustion of different diesel fuels in heavy duty engines certified according to European emission regulations EURO II and EURO III were analysed. For this four common diesel fuels, two biodiesels on the basis of rape seed oil, one Swedish MK1 fuel and one GTL fuel were available. Beside the lawfully regulated emissions like carbon monoxide, hydrocarbons, nitrous oxides and particulate matter, particle size and number distributions were measured as well with low pressure impactor, ELPI and SMPS systems. Additionally particle bound polycyclic aromatic hydrocarbons were determined for varying particle size classes. It could not be found that subject to the particle size specific PAH emission patterns occur. Independent of the particle size or the used fuel phenanthrene and pyrene were the dominant PAH compounds adsorbed at the particle phase of the exhaust emissions. Related to the investigated exhaust parameters, advantages and disadvantages for the individual fuels were observed. Except for lifted nitrous oxide emissions and selectively higher particle number concentrations the regenerative fuel biodiesel accounted for significant improvements according to the emission behaviour for both engines. The influence of GTL on the overall considered emissions was positive as well. Both fuels underline the importance of research in the fuels sector and the need to comprehend fuels as a general design element for engine development and the further reduction of exhaust emissions

Dynamik der Trenncharakteristik eines Abweiseradsichters

In vielen Industriebereichen haben feinste Partikel mit einer definierten Größenverteilung einen wichtigen Stellenwert. Da Produktmerkmale und Qualität eng mit der Partikelgröße verflochten sind, sind Produkte mit einer engen Partikelgrößenverteilung z. B. für die Farbpigment- und Schleifpulverindustrie von lebenswichtiger Bedeutung. Hierbei können feine Partikelfraktionen durch eine größere spezifische Oberfläche chemische Reaktionen beschleunigen oder durch ihre optischen Eigenschaften deutlich hellere Farben erzeugt. Infolgedessen ist die Klassierung mittels Windsichtung für die Herstellung feinster Partikelfraktionen das bedeutendste Verfahren. Der wichtigste Vertreter der Windsichter ist der Abweiseradsichter. Im letzten Jahrhundert wurden Trennmodelle, welche das Partikelverhalten und die Trenncharakteristik eines Abweiseradsichters nur auf Basis von geometrischen und Gleichgewichtsüberlegungen beschreiben entwickelt. Diese Modelle, beschreiben das Verhalten eines einzelnen Partikels unter Einfluss von Zentrifugal- und Schleppkraft, wobei sie für die Berechnung der Trenngrenze unter Verwendung von mehreren empirischen Koeffizienten anwendbar sind. Diese Koeffizienten müssen jedoch durch aufwendige Experimente ermittelt werden. Des Weiteren weisen die Modelle mehrere Nachteile auf. Zum einen kann die Abhängigkeit zwischen den Betriebsbedingungen und den empirisch ermittelten Parametern nicht auf physikalische Zusammenhänge des Trenn-verfahrens zurückgeführt werden. Zum anderen werden keine Partikel-Schaufel- und Partikel-Partikel-Interaktionen berücksichtigt, welche besonders bei höheren Beladungen einen signifikanten Einfluss auf die Trenncharakteristik ausüben. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zur Beschreibung der Trenncharakteristik eines Abweiseradsichters im stationären sowie instationären Betrieb angefertigt. Im Vordergrund stand die Visualisierung und Parametrisierung der Fluidströmung und der Feststoffpartikelbewegung im Schaufelzwischenraum sowie der Peripherie und dem Zentrum des Sichtrades mittels Hochgeschwindigkeitskamera, PIV-Messsystem und DEM-Simulation. Eine Visualisierung der Fluidströmung zeigte, dass mit zunehmender Sichtraddrehzahl im Schaufelzwischenraum ein Fluidwirbel ausgebildet wird, welcher an Durchmesser zunimmt und sich auf die nacheilende Schaufel zubewegt. Hierbei schnürt der Wirbel den in das Sichtradinnere strömenden Fluidstrom ein, wodurch auch der Partikelstrom eingeschnürt wird und mit zunehmender Sichtraddrehzahl mit einer kleineren Impfaktions-fläche der Schaufel interagiert. Aufgrund dieser Fokussierung erhöht sich des Weiteren die Partikelanzahl im Strom, was in einer Zunahme an Partikel-Partikel-Stößen resultiert. Erstmals konnte im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesen werden, das sich die in die Sichtrad-peripherie abgewiesenen Partikel in Partikelschwärmen sammeln und als Strähnen den Sichter verlassen. Hierbei nimmt die Größe und Viskosität der Strähnen mit zunehmender Sichtrad-drehzahl und Gutbeladung zu. Auf dem Weg in das Grobgut nehmen diese Strähnen Partikel aus dem Aufgabegutstrom auf und weisen sie direkt ab. Die Parametrisierung der Fluidströmung erlaubt die Bestimmung der größenabhängigen Partikelflugbahnen und somit die Berechnung der Trennung in eine Grob- oder Fein-gutfraktion anhand physikalischer Zusammenhänge ohne Vorexperimente. Hinzukommend ermöglichte die Untersuchung der Fluidströmung eine Anpassung der Schaufelgeometrie an die Strömungsbedingungen. Somit konnte die Bildung eines Fluidwirbels im Schaufelzwischenraum bei allen untersuchten Drehzahlen vermieden werden, welches infolge einer reduzierten Partikelinteraktion bei identischer Sichtraddrehzahl zu einer kleineren Trenngrenze führte.In many industrial sectors, finest particles with a defined size distribution have an important role on the production process. Product features and quality are closely intertwined with the particle size. Therefore, products with a narrow particle size distribution are of vital importance for the color pigment and grinding powder industry. In this case, fine particle fractions can accelerate chemical reactions by means of a larger specific surface or, by virtue of their optical properties, produce markedly brighter colours. As a result, particle separation by means of air classification is for the production of very fine particle fractions the most important process. The most important representative of the air classifiers is the deflector wheel separator. In the last century, separation models have been developed which describe the particle behaviour and the separation characteristics of a deflector wheel classifier only by geometric and equilibrium considerations. These models describe the behaviour of a single particle under the influence of centrifugal and drag forces. The models are applicable for the calculation of the cut size using several empirical coefficients. However, these coefficients must be determined by elaborate experiments. Furthermore, the models have several disadvantages. On the one hand, the dependence between the operating conditions and the empirically determined parameters cannot be attributed to physical relationships of the separation process. On the other hand, no particle-paddle and particle-particle interactions are taken into account, which exert a significant influence on the separation characteristic, especially at higher loadings. In the present work, investigations were made to describe the separation characteristics of a deflector wheel classifier in stationary and instationary conditions. The focus was on the visualization and parameterization of the fluid flow and the movement of solid particles in the area between two paddles as well as the periphery and the center of the classifying wheel by means of a high-speed camera, PIV measuring system and DEM simulation. A visualization of the fluid flow showed that with an increasing peripheral speed a fluid vortex is formed in the paddle interspace, which increases in diameter and moves toward the perusing paddle with an increasing peripheral speed of the deflector wheel. In this case, the vortex constricts the fluid flow between vortex and paddle. As a result of this constriction the particle stream is increasingly constricted with an increasing peripheral speed of the classification wheel and interacts with a shrinking impaction area. Due to this focusing, the number of particles in the focused stream rises, resulting in more particle-particle interactions. For the first time, it could be shown that rejected particles are forming particle streaks in the periphery of the deflection wheel. Furthermore, the size and viscosity of the streaks increases with the peripheral speed of the deflector wheel and the material loading. On their way into the coarse material fraction these streaks are collecting particles from the feed stream and reject them directly. The parameterization of the fluid flow allows the determination of the size-dependent particle trajectories and thus the calculation of the particle separation into coarse or fine good fraction, based on physical relationships without previous experiments. Furthermore, the investigation of the fluid flow made it possible to adapt the paddle geometry to the flow conditions. So, it was possible to avoid the formation of a fluid vortex in the paddle interspace at all peripheral speeds, which resulted in a smaller cut size

Produktionswirtschaftliche Beschreibungs- und Optimierungsmodelle für die Wertstoffsortierung

Plastic waste recycling in Germany has been fundamentally changed and developed over the past 30 years. The implementation of the Dual System in 1990, especially, increased the necessity of efficient waste sorting processes. Since then, technically sophisticated machines have been developed by mechanical process engineering which enable a separation of waste plastic of nearly a hundred percent accuracy. However, waste sorting processes have been largely neglected so far in economic science. The present doctoral thesis intends to close this gap by introducing an analytical economic decision model for sorting processes. Conceptual basics are presented in part I. They contain a definition of waste sorting from the economic point of view, as well as a placement of sorting processes within the closed-loop of product material flow. Furthermore, this part deals with the waste mixture – the most important factor of the process. A new method to measure the mixture is presented. In part II, the process structures are analyzed by using activity analysis. Based on the analogy of sorting and transportation processes, a new deterministic optimization model was developed. In part III, the new model is evaluated and extended to meet stochastic effects. This new model can eventually be used as a foundation for process simulation, economic planning and the control of plastic waste sorting processes.Während die mechanische Verfahrenstechnik eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren bereithält, um Wertstoffe von nicht weiter verwertbaren Resten zu trennen, fehlen in der Betriebswirtschaftslehre bislang Modelle und Verfahren, die den Produktionsprozess der Wertstoffsortierung aus ökonomischer Sicht detaillierter beschreiben und optimieren. Bisherige Ansätze beschreiben die Kreislaufwirtschaft zumeist allgemein, ohne ausführlicher auf die Sortierung einzugehen. Die vorliegende Monographie beschäftigt sich zunächst ausführlich mit dem Sortierinput, dem Abfallgemisch. Es werden verschiedene Formen und Anordnungen von Vermischung diskutiert und Kennzahlen zur Messung des Vermischungszustands entwickelt. Darauf aufbauend und im Zusammenspiel mit Strukturanalogien zwischen Transport- und Sortierprozessen wird ein formales Grundmodell für Wertstoffsortierung entwickelt. Dieses Grundmodell wird nach einer Evaluation, die verschiedene Anwendungsmöglichkeiten aufzeigt, um praxisrelevante stochastische Aspekte erweitert.Auch im Buchhandel erhältlich: Produktionswirtschaftliche Beschreibungs- und Optimierungsmodelle für die Wertstoffsortierung / Julia Gerth Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2014. - XVIII, 273 S. ISBN 978-3-86360-097-6 URN urn:nbn:de:gbv:ilm1-2013000703 Preis (Druckausgabe): 21,60

Grundlagen der Trennung von festen Rohstoffen im quasielektrostatischen Feld eines Walzenabscheiders

Im quasielektrostatischen Feld eines Walzenscheiders können feste, körnige Rohstoffe trocken, umweltfreundlich und kostengünstig getrennt bzw. Wertstoffe recycelt werden. Offen gebliebene Fragen bisheriger wissenschaftlicher Arbeiten führten dazu, eigene um-fassendere, weiterführende, theoretische und experimentelle Untersuchungen anzustellen. Die eigenen Untersuchungen umfassten schwerpunktmäßig die zeitliche elektrostatische Aufladung von Feststoffteilchen im ortsabhängigen quasielektrostatischen Feld eines Wal-zenscheiders und die dadurch bedingte Massenverteilung des Austrages unter definierten elektromechanischen und klimatischen Bedingungen. Die Vielzahl der Einflussgrößen führte zu der Entscheidung, die Trennproblematik theo-retisch mit Hilfe eines mathematisch/physikalischen Rechenmodells zu behandeln. Mit dem Modell wurden die Flugbahnen der Stoffteilchen unter Berücksichtigung der Kontakt- und Feldkräfte für unterschiedliche Elektrodenspannungen, Walzendrehzahlen, Luftfeuchtig-keiten und Temperaturen berechnet. Die Experimente wurden in einer eigens erbauten Versuchanlage in zwei Schritten durchgeführt. Der erste Schritt behandelte die Bewegung körniger Feststoffe im Trennraum unter dem alleinigen Einfluss der mechanischen Kräfte, also ohne externes elektrisches Feld, bei Variation der Walzendrehzahl. Im zweiten Schritt wurde das Zusammenwirken von mechanischen und elektrischen Kräften, also mit externem elektrischen Feld, bei Variation der Walzendrehzahl untersucht. Die Ergebnisse der Experimente zeigten gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Rechnungen. Die Tatsache, dass elektrische Umladungen von Teilchen im Trennraum erfolgten, wird nun durch das Modell korrekt beschrieben

Triboelektrische Trennung - Eine neue Methode zur Trennung feiner organischer Pulver?

Triboelectric separation is a technique to separate dry powders according to their ability to generate charge. Charge generation occurs due to the contact of and subsequent separation of two surfaces. A physical description of the triboelectric effect is still unknown. For particles flowing through a tube, particle-particle and particle-wall interaction occur. To enhance separation properties of binary powder mixtures charge generation are enlarged by increasing particle-particle interactions, whereas materials of the tube wall do not influence the separation properties.Die triboelektrische Trennung ist eine Methode, um trockene Pulver durch ihre Ladungserzeugung zu trennen. Die Ladungserzeugung erfolgt durch Kontakt und anschließende Trennung zweier Oberflächen. Eine physikalische Beschreibung des triboelektrischen Effekts ist noch nicht bekannt. Bei Partikeln, die durch ein Rohr strömen, treten Partikel-Partikel und Partikel-Wand Kontakte auf. Ein Erhöhen der Partikel-Partikel Kontakte führt zu erhöten Trenneigenschaften, wohingegen die Materien der Rohrwand diese nicht beeinflussen

Verfahrensentwicklung und theoretische Betrachtungen zum lasergestützten 3D-Mikro-Auftragschweißen

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