Forschungsprojekt „Neuartige Plattenwärmeübertrager“ FKZ 1711203/BMBF-AiF

Plattenwärmeübertrager bieten gegenüber Rohrbündelapparaten technische Vorteile durch effektivere Wärmeübertragung und damit verbunden Kostenvorteile. In den letzten Jahrzehnten haben gedichtete Plattenwärmeübertrager erhebliche Marktanteile gewonnen. Bedingt durch ihre Bauart aus geprägten Wärmetauscherplatten und Abdichtungen mittels Elastomerdichtungen sind sie in ihren Anwendungsmöglichkeiten jedoch auf einen Temperaturbereich zwischen –10 °C bis 160 °C begrenzt. Durch die Entwicklung eines neuartigen Fertigungsverfahrens zum automatischen Verschweißen von Einzelplatten zu Plattenpaketen werden die Produkträume statt mit Dichtungen durch das Verschweißen der Platten gegeneinander abgedichtet. Dieser kompakte Apparat ohne jegliche Dichtungen kann bei niedrigeren und höheren Temperaturen und hohen Drücken eingesetzt werden. Damit eröffnen sich neue Einsatzmöglichkeiten in der Kälteindustrie, der chemischen Industrie, in der Prozesstechnologie – hierbei insbesondere im zweiphasigen Nassdampfbereich – und im Bereich der Nahrungsmittelproduktion

Neuartige Plattenwärmeübertrager - Teil B: Zum Einfluss von Bypass-Strömung auf Druckverlust und Wärmeübergang in Plattenwärmeübertragern

Im Rahmen von experimentellen Leistungstests an Plattenwärmeübertragern tritt u.a. die Frage nach dem Einfluss von Bypassströmungen im Mantelraum auf. Zweifellos werden sowohl Druckverlust als auch Wärmeübergang davon beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit soll dieser Frage nachgegangen werden

Infrared nanoscopy and tomography of intracellular structures

Although techniques such as fluorescence-based super-resolution imaging or confocal microscopy simultaneously gather both morphological and chemical data, these techniques often rely on the use of localized and chemically specific markers. To eliminate this flaw, we have developed a method of examining cellular cross sections using the imaging power of scattering-type scanning near-field optical microscopy and Fourier-transform infrared spectroscopy at a spatial resolution far beyond the diffraction limit. Herewith, nanoscale surface and volumetric chemical imaging is performed using the intrinsic contrast generated by the characteristic absorption of mid-infrared radiation by the covalent bonds. We employ infrared nanoscopy to study the subcellular structures of eukaryotic (Chlamydomonas reinhardtii) and prokaryotic (Escherichia coli) species, revealing chemically distinct regions within each cell such as the microtubular structure of the flagellum. Serial 100 nm-thick cellular cross-sections were compiled into a tomogram yielding a three-dimensional infrared image of subcellular structure distribution at 20 nm resolution. The presented methodology is able to image biological samples complementing current fluorescence nanoscopy but at less interference due to the low energy of infrared radiation and the absence of labeling

Neuartige Plattenwärmeübertrager - Teil D: Wirtschaftlichkeitsbewertung von Plattenapparaten anhand von Druckverlust und Wärmeübergang

Ausgehend von Druckverlust und Wärmeübergang im einphasig turbulent durchströmten, glatten Rohr wurde eine dimensionslose Gütezahl G als Verhältnis von Nusseltzahl und Widerstandsbeiwert eingeführt, die es ermöglicht die Wirtschaftlichkeit unterschiedlicher Plattenapparate vergleichsweise abzuschätzen. Die beispielhafte Anwendung auf zwei Testapparaten mit unterschiedlicher Plattenprägung ergab eine besserer relative Wirtschaftlichkeit der weichen Platte vergleichsweise zur harten Platte im Bereich kleiner und mittlerer Re-Zahlen für einen weiten Bereich der Pr-Zahl, die aber mit zunehmender Re-Zahl abnimmt. Der Druckverlustunterschied zwischen Testapparaten und Referenzapparat sollte in weiterführenden Untersuchungen behandelt werden

Interne Repräsentationen von Zeit und Bewegung

Die menschliche Zeitwahrnehnung ist eines der großen Rätsel der Psychologie und der Neurowissenschaften. Im Unterschied zu anderen, z.B. räumlichen Sinnesqualitäten sind sowohl die neuronalen Mechanismen als auch die Details der psychophysikalischen Gesetzmäßigkeiten der Zeitwahrnehmung noch weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit versuchen wir, das Wissen über die menschliche Zeitwahrnehmung durch einen theoretischen Modellierungsansatz zu erweiteren, der sowohl neurobiologische als auch verhaltenspsychologische Erkenntnisse mit einbezieht. Die ersten beiden der hier vorgestellten Studien befassen sich mit den Fehlern, die bei der Zeitschätzung gemacht werden, und ihrer Beziehung zu der abzuschätzenden Intervalldauer, während zwei weitere Studien die Frage der Integration von zeitlichen Informationen aus verschiedenen Quellen zu einer einzigen Zeitrepräsentation untersuchen.Zahlreiche Studien belegen, dass Zeitschätzfehler, also die Variabilität der Schätzungen, mit der Dauer des zu schätzenden Intervalls monoton zunehmen. In der ersten Studie stellen wir ein neuronales Netzwerkmodell basierend auf so genannten Synfire-Ketten vor, das die genaue funktionelle Form dieses Fehlers in Abhängigkeit von der Intervalldauer erklärt. Diese Funktion ist das Resultat einer beschränkten Optimierung mit unterschiedlichen Ketten. Diese kann durch eine kompetitive synaptische Lernregel implementiert werden, welche die Gewichte der Verbindungen von den einzelnen Ketten auf ein zentrales Auslesenetzwerk modifiziert. Frühere Arbeiten konnten nur eine einfachere Form der Fehlerfunktion erklären, einen linearen Anstieg der Fehler mit der Intervalldauer, auch als Webersches Gesetz bekannt, ohne jedoch eine neurobiologische Grundlage dafür anzubieten. In der zweiten Studie erweitern wir diesen Ansatz zu einem allgemeineren stochastischen Modell basierend auf der Fisherinformation. Dabei verfolgen wir die Idee, dass zeitliche Information nicht nur in den systematischen Änderungen von Gehirnprozessen steckt, sondern auch in den zeitlichen Veränderungen des stochastischen "Rauschens", wie etwa eine mit der Zeit ansteigende Varianz oder eine zeitlich zerfallende Korrelation. Durch Berechnung der minimalen Zeitschätzfehler finden wir eine Hierarchie zeitlicher Information, d.h. die Fehler skalieren am besten mit der Intervalldauer, wenn ausschließlich die mittleren Änderungen eines Prozesses zur Schätzung heran gezogen werden, und am schlechtesten, wenn die Schätzung nur auf zerfallenden Korrelationen beruht. Insbesondere zeigt sich, dass das Webersches Gesetz nur dann exakt reproduziert wird, wenn die gesamte verfügbare Zeitinformation in der ansteigenden Variabilität eines Prozesses liegt.In der dritten Arbeit geht es darum, wie die subjektiv wahrgenommene Dauer eines auditorisch dargebotenen Intervals durch Bewegung beeinflusst werden kann, die entweder selbst ausgeführt oder nur visuell beobachtet wird. Wir berichten die Ergebnisse eine Serie von psychophysikalischen Experimenten, in der menschliche Probanden mithilfe eines Roboterarms eine Rotationsverfolgungsaufgabe und gleichzeitig eine Intervalldiskriminationsaufgabe mit Intervallen im Bereich von 100 ms absolvieren. Die subjektive Dauer der Intervalle wird dabei von der Geschwindigkeit, nicht jedoch der Krümmung der visuell wahrgenommenen Bewegung beeinflusst. Das aktive Ausführen der Bewegung trägt dagegen nichts zu diesem Effekt bei, verschlechtert allerdings die Diskriminationsleistung in der Zeitwahrnehmung im Sinne einer kognitiven Interferenz. Diese Ergebnisse zeigen, dass visuelle und auditorische Zeitwahrnehmung direkt interagieren, Zeitwahrnehmung und Bewegungssteuerung jedoch auf unterschiedliche Mechanismen zurück greifen. Aufmerksamkeitsressourcen beeinflussen die Zeitwahrnehmung zwar ebenfalls, haben jedoch keinen Einfluss auf die Verzerrung der subjektiven Dauer durch die beobachtete Bewegung. Eine vierte Studie schließlich befasst sich mit der Integration von mehreren Zeitintervallen, die in einer Sequenz dargeboten werden. Wir stellen dazu ein Modell eines adaptiven Speichers vor, der über die Dauern der bisher präsentierten Intervalle mittelt. Damit sind wir in der Lage, den experimentellen Befund zu erklären, dass ein Intervall mit abweichender Dauer in einer Sequenz von Standardintervallen leichter entdeckt wird, wenn es an einer späteren Position in der Sequenz präsentiert wird.Zusammen genommen legen die die Ergebnisse der vier Studien ein integriertes Model der Zeitwahrnehmung nahe, bei dem unabhängige zeitliche Repräsentationen für verschiedene Zeitdauern und sensorische Modalitäten gebildet werden, die dann aber in einen zentralen "temporal hub" konvergieren. Die einzelnen Informationen werden dabei durch die relative Genauigkeit gewichtet (Prinzip der Bayesianische Integration) und durch kognitive Prozesse wie etwa ein mittelnden Kurzzeitspeicher weiter verarbeitet.The way how humans perceive the passage of time is one of the greatest mysteries both in neuroscience and psychology. Compared to other perceptual quantities, relatively little is known about the neural basis and the psychophysical laws of time perception. In this thesis, we seek to contribute to the understanding of human time perception by combining knowledge from neuroscience and psychology into a neurocomputational modeling approach. The first two studies concentrate on timing errors, i.e. the variability in duration estimation, and its relation to physical duration, while the latter two are concerned with the issue of integrating temporal information from different sources into a unique representation of time.Regarding timing errors, it is well known that the variability of durations estimates increases with the duration of the interval to be estimated. In the first study, we present a model based on neuronal networks called synfire chains which explains the functional form of the relation of these errors relative to interval duration. This form emerges from a constrained optimization involving a number of different chains, and can be implemented by means of a competitive plasticity rule applied to the synaptic connections from the chains onto a readout network. Previous models could only explain a linear increase of timing errors with duration (Weber's law), without providing a neural basis of this behavior. In the second study, we extend the modeling approach into a more general stochastic framework based on Fisher information. This approach follows from the idea that not only systematic changes in brain processes may be used as a source of temporal information, but also features of the stochastic "noise". We compute the scaling of the minimal timing errors on the interval duration, and found a hierarchy of temporal information, i.e. the scaling is best for estimates based on the systematic changes, and worst for correlations-based estimates. Specifically, we find that Weber's law can only be reproduced if variability is the only available source of temporal information.In the third study, we investigate how the subjective duration of an auditorily presented interval is affected by motion that is either actively performed or visually observed. In a series of psychophysical experiments, human participants performed a rotor tracking task and an interval discrimination task with intervals of 100 ms at the same time. We find that subjective duration is affected by the speed, but not by the curvature of visually presented motion. Active performance of the motion does not contribute to this effect, but impairs discrimination performance acting as interference. The results show a direct cross-modal interaction between auditory and visual time perception, and a separation of the mechanisms from those underlying continuous motor timing. Attention is shown to modulate time perception even in the range of hundreds of milliseconds, but does not interact with the duration distortion by visual motion. Finally, the forth study is concerned with the integration of temporal information from multiple intervals presented within a sequence. We describe a model of an adaptive memory unit which is capable of computing an average over these presentations. The model explains the observation that an interval with a deviating duration can be more easily detected within a sequence of standard intervals if it is presented at a later position within the sequence.Taken together, the results of these four studies suggest a framework of temporal processing where temporal representations of different durations and from different sensory modalities are integrated into a centralized "temporal hub", with relative weights determined by the reliability of their information (Bayesian integration), and are then processed by cognitive processes such as averaging in short-term memory