Multiphysics processes in solid thermal energy storage

Um die zuverlässige Integration von Solarthermieanwendungen (ST), z.B. konzentrierte Solarenergie (concentrating solar power, CSP) bei steigendem Energiebedarf und trotz des fluktuierenden Charakters von ST zu ermöglichen, werden thermische Energiespeichertechnologien (TES) als attraktive Lösungen eingesetzt, um ST-basierte Systeme auf dem Energiemarkt wettbewerbsfähiger zu machen. Darüber hinaus werden Feststoff-TES-Systeme als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Flüssigkeitsspeicherlösungen betrachtet, um die Investitionskosten für die TES-Einheit weiter zu senken. Sowohl aus technischer als auch aus kommerzieller Sicht können sie vorteilhaft mittels der Komponentenfertigung bis hin zum kompletten modularen Aufbau ausgelegt werden, um die vorgesehene Beladungsmenge für verschiedene Leistungsbereiche von CSP-Anlagen abzudecken. Die erfolgreiche Integration von feststoffbasierten, sensiblen Wärmespeichern (SWS) in Parabolrinnen-Kraftwerken hat sich in den letzten zehn Jahren bewährt. Gegenwärtig gewinnt die TES-Technologie für niedrige Temperaturen neben Hochtemperaturanwendungen zur Stromerzeugung zunehmend an Bedeutung. Dies bietet die Möglichkeit, neue gemischte Feststoff-Flüssigkeits-Speichermaterialien zu entwickeln, um die Wärmespeicherdichte zu erhöhen, wie hier am Beispiel eines neuartigen, wassergesättigten zementartigen Materials demonstriert wird, das im Rahmen eines nationalen Projekts zur Speicherung von mit Solarkollektoren gewonnener Energie (IGLU-Projekt) entwickelt wurde. Wegen typischer Eigenschaften der Feststoffe müssen jedoch wichtige spezifische Probleme gelöst werden, um die Leistungsfähigkeit und Stabilität von festen TES-Systemen über einen langen Zeitraum zu gewährleisten. Die gegenwärtigen Bemühungen von Wissenschaft und Industrie konzentrieren sich auf thermische Aspekte als zentrales Hauptanliegen. Feststoffbasierte TES sind jedoch multiphysikalischen Prozessen unterworfen, d.h. das thermische Verhalten ist ein Produkt der gegenseitigen Wechselwirkung mehrerer beteiligter physikalischer Felder und beeinflusst selbst wiederum diese Felder. Das damit verbundene mechanische Verhalten der Wärmespeicherkomponenten hat einen großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Systems sowie die thermische Leistung, da mögliche Strukturschäden den Wärmetransport durch die TES-Struktur erheblich beeinflussen und die Integrität der Struktur selbst gefährden können. Die Motivation dieses Beitrags liegt in der Entwicklung eines innovativen feststoffbasierten TES-Moduls (IGLU TES) für das oben genannte IGLU-Projekt. Ziel dieses Beitrags ist es, die Leistungsfähigkeit und Integrität von feststoffbasierten TES mit Röhrenwärmetauschern unter multiphysikalischen Bedingungen zu untersuchen, um insbesondere die Möglichkeiten und Folgen eines Versagens durch mechanische Schädigung oder thermische Degradation zu identifizieren. Die Arbeit geht von einer verallgemeinerten thermo-hydro-mechanischen (THM) Analyse des IGLU TES aus, um einen ersten Einblick in die Kopplungseffekte zwischen den verschiedenen physikalischen Feldern und deren relative Bedeutung zu gewinnen. Kritische Bereiche in den Zonen um den Röhrenwärmetauscher werden dann anhand der sich einstellenden Spannungsfelder als kritisch identifiziert, da sie die strukturelle Integrität des Speichermoduls beeinträchtigen können, indem in diesen Zonen die Festigkeit charakterisierende oder bruchmechanische Kriterien überschritten werden. Die so ermittelten kritischen Bereiche erlauben eine vertiefte, strukturspezifische Analyse eines feststoffbasierten TES mit eingebetteten Röhrenwärmetauschern. Insbesondere wird ein analytischer Ansatz vorgeschlagen, indem geeignete Vereinfachungen auf der Grundlage der vorangegangenen numerischen Analysen vorgenommen werden, um eine robuste Analyse derjenigen materialspezifischen und geometrischen Größen durchzuführen, die den größten Einfluss auf die strukturelle Zuverlässigkeit des Speichermoduls ausüben. Die abgeleitete analytische Lösung kann zur Quantifizierung der Abhängigkeit kritischer Spannungen von mehreren Systemparametern, Materialkennwerten und Geometriegrößen herangezogen werden, um unter gewählten Gesichtspunkten eine Systemoptimierung mit großer Designflexibilität für die Speicherkonfiguration durchzuführen. Der analytische Ansatz erfordert nur minimalen Aufwand und eignet sich für frühe Designphasen. Dabei zeigte sich, dass das Risiko von Material- und Strukturversagen auch bei optimaler Auslegung nicht beliebig reduziert werden kann. Daher wird ein Phasenfeld-Ansatz zur Modellierung von Risswachstumsprozessen entwickelt, um wahrscheinliche Schädigungsmuster zu erfassen, die durch die Nichtübereinstimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Systemkomponenten verursacht werden, und den Einfluss der resultierenden Risstopologien auf das thermische Verhalten eines festen TES-Systems zu quantifizieren. Der vorgeschlagene Phasenfeldansatz, formuliert innerhalb eines gekoppelten thermomechanischen Ansatzes, wird auf zwei repräsentative feste SWS-Konfigurationen angewendet, die sich sowohl hinsichtlich des Speichermediums als auch der Speichertemperatur unterscheiden. Innerhalb des Festkörpers wird ein Bruchvorgang beobachtet und die daraus resultierende thermische Leistungsabnahme durch eine Wärmetransportbehinderung in Abhängigkeit des eingeschlossenen flüssigen Mediums mit potentiell niedriger Wärmeleitfähigkeit untersucht, was zu erheblichen Schwankungen der Heizleistung in einem laufenden System führen kann

A thermo-hydro-mechanical finite element model of freezing in porous media-thermo-mechanically consistent formulation and application to ground source heat pumps

Freezing phenomena in porous media have attracted great attention in geotechnics, construction engineering and geothermal energy. For shallow geothermal applications where heat pumps are connected to borehole heat exchangers (BHEs), soil freezing around the BHEs is a potential problem due to persistent heat extraction or inappropriate design which can sig- nificantly influence the temperature distribution as well as groundwater flow patterns in the subsurface, and even lead to frost heave. A fully coupled thermo-hydro-mechanical freezing model is required for advanced system design and scenario analyses. In the framework of the Theory of Porous Media, a triphasic freezing model is derived and solved with the finite element method. Ice formation in the porous medium results from a coupled heat and mass transfer problem with phase change and is accompanied by volume expansion. The model is able to capture various coupled physical phenomena during freezing, e.g., the latent heat ef- fect, groundwater flow with porosity change and mechanical deformation. The current paper is focused primarily on the theoretical derivation of the conceptual model. Its numerical implementation is verified against analytical solutions of selected phenomena including pure phase change and thermo-hydro-mechanical process couplings

The Influence of Secondary Extrusion Process on The Quality of Instant Rice Noodle

In order to study the influence of the two-stage extrusion process on the quality of instant rice noodle, the key parameters of the two-stage extrusion process including: the first and second stage extruder barrel temperature, the first and second stage extruder screw speed, feeding speed, and the template hole diameter were taken as the single factor research objects, and the single factor experiment and response surface experiment were used to optimize them. The results show that the optimization of extrusion parameters can improve the quality of instant rice noodle in a certain range. The final optimization of the two-stage extrusion process parameters are as follows: the first stage extruder barrel temperature was 173 ℃,the second stage extruder barrel temperature was 39 ℃, the first stage extruder screw speed was 30 Hz, the second stage extruder screw speed was 20 Hz, the feeding speed was 11.8hz, and the template aperture was 0.7 mm. Under this condition, the instant rice noodle product is made with Strong fragrance and good comprehensive quality which can reach market product quality. This study can provide a reference for the continuous production of instant rice noodle

Modelling of the Automatic Depth Control Electrohydraulic System Using RBF Neural Network and Genetic Algorithm

The automatic depth control electrohydraulic system of a certain minesweeping tank is complex nonlinear system, and it is difficult for the linear model obtained by first principle method to represent the intrinsic nonlinear characteristics of such complex system. This paper proposes an approach to construct accurate model of the electrohydraulic system with RBF neural network trained by genetic algorithm-based technique. In order to improve accuracy of the designed model, a genetic algorithm is used to optimize centers of RBF neural network. The maximum distance measure is adopted to determine widths of radial basis functions, and the least square method is utilized to calculate weights of RBF neural network; thus, computational burden of the proposed technique is relieved. The proposed technique is applied to the modelling of the electrohydraulic system, and the results clearly indicate that the obtained RBF neural network can emulate the complex dynamic characteristics of the electrohydraulic system satisfactorily. The comparison results also show that the proposed algorithm performs better than the traditional clustering-based method

Effects of Lactobacillus plantarum on the Fermentation Profile and Microbiological Composition of Wheat Fermented Silage Under the Freezing and Thawing Low Temperatures

The corruption and/or poor quality of silages caused by low temperature and freeze-thaw conditions makes it imperative to identify effective starters and low temperature silage fermentation technology that can assist the animal feed industry and improve livestock productivity. The effect of L. plantarum QZ227 on the wheat silage quality was evaluated under conditions at constant low temperatures followed by repeated freezing and thawing at low temperatures. QZ227 became the predominant strain in 10 days and underwent a more intensive lactic acid bacteria fermentation than CK. QZ227 accumulated more lactic acid, but lower pH and ammonia nitrogen in the fermentation. During the repeated freezing and thawing process, the accumulated lactic acid in the silage fermented by QZ227 remained relatively stable. Relative to CK, QZ227 reduced the abundance of fungal pathogens in silage at a constant 5°C, including Aspergillus, Sporidiobolaceae, Hypocreaceae, Pleosporales, Cutaneotrichosporon, Alternaria, and Cystobasidiomycetes. Under varying low temperature conditions from days 40 to days 60, QZ227 reduced the pathogenic abundance of fungi such as Pichia, Aspergillus, Agaricales, and Plectosphaerella. QZ227 also reduced the pathogenic abundance of Mucoromycota after the silage had been exposed to oxygen. In conclusion, QZ227 can be used as a silage additive in the fermentation process at both constant and variable low temperatures to ensure fast and vigorous fermentation because it promotes the rapid accumulation of lactic acid, and reduces pH values and aerobic corruption compared to the CK

Long Non-coding RNAs: A New Regulatory Code for Osteoporosis

Osteoporosis is a metabolic bone disease characterized by a decrease in bone mass and degradation of the bone microstructure, which increases bone fragility and fracture risk. However, the molecular mechanisms of osteoporosis remain unclear. Long non-coding RNAs (lncRNAs) have become important epigenetic regulators controlling the expression of genes and affecting multiple biological processes. Accumulating evidence of the involvement of lncRNAs in bone remolding has increased understanding of the molecular mechanisms underlying osteoporosis. This review aims to summarize recent progress in the elucidation of the role of lncRNAs in bone remodeling, and how it contributes to osteoblast and osteoclast function. This knowledge will facilitate the understanding of lncRNA roles in bone biology and shed new light on the modulation and potential treatment of osteoporosis

The ISApl12 Dimer Circular Intermediate Participates in mcr-1 Transposition

Objectives: The mobile colistin resistance gene mcr-1 is a serious threat to global human and animal health. The composite transposon Tn6330 and its circular intermediate were proposed to be involved in the spread of mcr-1 but their roles remain poorly understood.Methods: To further explore the intermediates during the transposition of Tn6330, we engineered Escherichia coli strains that carry an intact Tn6330 transposon or its deletion derivatives. PCR assays were performed to detect IR-IR junctions and possible circular intermediates. We carried out transposition experiments to calculate transposition frequency. The transposition sites were characterized by whole genome sequence and ISMapper-based analyses.Results: The presence of an intact Tn6330 was demonstrated to be essential for the successful transposition of mcr-1, although both Tn6330 and Tn6330-ΔIR could form circular intermediates. The insertion sequence junction structure was observed in all constructed plasmids but the ISApl1 dimer was only formed in one construct containing an intact Tn6330. The average frequency of mcr-1 transposition in an E. coli strain possessing an intact Tn6330 was ∼10-6 per transformed cell. We identified 27 integration sites for the Tn6330 transposition event. All the transposition sites were flanked by 2 bp target duplications and preferentially occurred in AT-rich regions.Conclusion: These results indicate that mcr-1 transposition relies on the presence of an intact Tn6330. In addition, formation of the tandem repeat ISApl12 could represent a crucial intermediate. Taken together, the current investigations provide mechanistic insights in the transposition of mcr-1

A simulation study on the measurement of D0-D0bar mixing parameter y at BES-III

We established a method on measuring the \dzdzb mixing parameter $y$ for BESIII experiment at the BEPCII $e^+e^-$ collider. In this method, the doubly tagged $\psi(3770) \to D^0 \overline{D^0}$ events, with one $D$ decays to CP-eigenstates and the other $D$ decays semileptonically, are used to reconstruct the signals. Since this analysis requires good $e/\pi$ separation, a likelihood approach, which combines the $dE/dx$, time of flight and the electromagnetic shower detectors information, is used for particle identification. We estimate the sensitivity of the measurement of $y$ to be 0.007 based on a $20fb^{-1}$ fully simulated MC sample.Comment: 6 pages, 7 figure