Dynamic modelling of incidents for the protection of helium cryostats against excessive pressure

Heliumkryostate sind meist vakuumisolierte Druckbehälter, die in den Anwendungsbereich der Druckgeräterichtline (European Pressure Equipment Directive 2014/68/EU, PED) fallen. Heliumkryostate werden bei Temperaturen von typischerweise T < 10K betrieben und sind oft mit technischen Anwendungen der Supraleitung verbunden. Dazu gehören zum Beispiel supraleitende Magnetsysteme für die Magnetresonanztomographie (MRT), die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), die Teilchenphysik und Kernfusion, supraleitende hochfrequente Kavitäten, Squids und Quantencomputer. Die Technologie für den Niedertemperaturbetrieb in Form von Helium-Kälteanlagen, Verflüssigern und Transfersystemen ist ebenfalls enthalten. Nach der PED müssen Druckgeräte vor Überdruck geschützt werden. Bei Heliumkryostaten bestehen mehrere Risiken für einen Druckanstieg, wobei der Verlust des Isolationsvakuums (engl.: Loss of insulating vacuum, LIV) oft die maximal zu erwartende Störung (engl.: Maximum credible incident, MCI) darstellt. In diesem Fall wird hauptsächlich die latente und sensible Wärme des desublimierenden Luftstroms auf das Heliumsystem übertragen. Zusätzliche Wärmelasten können durch die in supraleitenden Komponenten gespeicherte Energie entstehen. Bei steigender Temperatur werden Supraleiter resistiv und die gespeicherte Energie wird als Wärme dissipiert. Etablierte Standards für den Schutz von kryogenen Lagerbehältern gegen Überdruck decken die Bedingungen in Heliumkryostaten nicht vollständig ab, da die aktiven internen Komponenten das Risikopotenzial maßgeblich beeinflussen. Aufgrund der niedrigen Betriebstemperatur sind die Wärmeströme im Fall von Störungen groß und die geringe Verdampfungsenthalpie des flüssigen Heliums verursacht große Druckanstiegsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von (bar s−1). Die Absicherung von Heliumkryostaten gegen unzulässigen Überdruck erfordert daher ein detailliertes Verständnis der Prozessdynamik. Ein Dimensionierungsverfahren für Druckentlastungseinrichtungen (engl.: Pressure relief device PRD) unter solchen Bedingungen existiert jedoch noch nicht. Bisher basiert die Dimensionierung von PRDs oft auf einigen wenigen konstanten Wärmestromwerten, was zu potenziell überdimensionierten PRDs führt. Bei Druckentlastungsventilen (engl.: Pressure relief valves PRV) kann die Überdimensionierung zu instabilem Betrieb mit reduzierter Abblasekapazität, unzulässigem Überdruck und Beschädigung des PRV führen. Das LIV-Szenario als typisches MCI wird in dieser Arbeit mit Schwerpunkt auf dem Wärmeübertragungsmechanismus untersucht. Verschiedene Modelle für die Dimensionierung von PRDs werden verglichen und ihre Anwendbarkeit für Heliumkryostate bewertet. Als Weiterentwicklung eines bestehenden dynamischen Grundmodells wird der Wärmeübergang vom Vakuumraum zum Heliumsystem durch eine transiente Wärmeübergangsgleichung modelliert. Die resultierenden eindimensionalen Differentialgleichungssysteme berücksichtigen die konvektive Wärmeübertragung sowohl von der Luft als auch auf das Helium, die Wärmeleitung in der kryogenen Behälterwand und einen Wärmewiderstand durch thermische Isolierung. Das transiente Wärmeübergangsmodell und das Dimensionierungsverfahren werden durch Experimente im kryogenen Sicherheitsprüfstand PICARD am Institut für Technische Physik des KIT validiert. Vor den Experimenten wurde die Anlage modifiziert und das Messsystem erweitert. In der experimentellen Studie werden Parameter wie der Belüftungsdurchmesser, der Füllstand des flüssigen Heliums, der Einstelldruck des PRV und die Art des PRV variiert. Zusätzlich wird der Einfluss von Superisolation (engl.: Multi-Layer-Insulation MLI), auf die Wärmeübertragung untersucht. Neben Experimenten und Modellierung leistete diese Arbeit wesentliche Beiträge zur Entwicklung der neuen Europäischen Norm EN 17527 “Heliumkryostate – Schutz vor unzulässigem Überdruck”, die in Kürze von CEN/TC 268/WG6 veröffentlicht wird

Gülle besser verstehen – Ergebnisse des Gülleuntersuchungsprojektes 2017

Flüssige Wirtschaftsdünger, also alle Formen von Gülle und Jauche, geraten heute gesellschaftlich immer mehr in Kritik. Aus landwirtschaftlicher Sicht steht die verlustarme Ausbringung, vor allem in Hinblick auf gasförmige Stickstoffverluste im Vordergrund. Die Bevölkerung nimmt diese Ausgasungen, vor allem Ammoniak und Schwefelverbindungen als Geruchsbelästigung wahr, wodurch es immer häufi ger zu Auseinandersetzungen kommt. Entsprechend groß war das Interesse der Landwirte, am Gülleprojekt der LK Steiermark teilzunehmen. Die Untersuchung beinhaltete Nährstoffgehalte, Trockenmasse und pH-Wert im NIRS-Schnelltestverfahren. Ziel war es, aus der Fülle an Proben zusammen mit Hintergrundinformationen über die Güllebehandlungen und Systeme auf den Betrieben, Praxisempfehlungen abzuleiten. Die Daten weisen große Unterschiede bei den gemessenen Parametern zwischen den Betriebstypen auf. So zeigte sich der Zusammenhang bei steigendem Wasser- Verdünnungsgrad und reduziertem Ammoniumgehalt, womit sich auch die Ammoniak-Ausgasung reduzieren lässt. Die Zunahme an Stickstoff- und Phosphorgehalt mit steigender Leistung zeigte sich ebenfalls deutlich, während Betriebe mit viel Stroheinsatz höhere Kaliumwerte aufweisen. Diverse Zusätze wie Futterkalk oder das Streuen von Kalk-Magnesium-Steinmehlen zeigen sich in deutlich erhöhten Ca und Mg Werten. Keine eindeutigen Zusammenhänge gibt es hingegen bei Zusätzen wie silikatischen Steinmehlen und Kräuterextrakten und gemessener Parameter. Unbeeindruckt von Betriebssystem zeigte sich auch der pH-Wert als ein wichtiger Einfl ussfaktor auf das Ammonium-Ammoniak-Verhältnis

MOVEAT

Bei Menschen mit Down Syndrom lässt sich laut Storm (1995) eine gehäufte Übergewichtsproblematik feststellen. Dieser Trend zum Übergewicht kann dabei oft schon im Kleinkindalter beobachtet werden und setzt sich über die weiteren Wachstumsjahre bis in das Erwachsenenalter fort. Uneinigkeit herrscht jedoch über die Ursachen hierfür. Eine Studie von Luke et al. (1994) zeigt, dass heranwachsende Kinder mit Down - Syndrom einen verringerten Ruheenergieumsatz (resting metabolic rate) haben, verglichen mit gleichaltrigen Kindern ohne Down-Syndrom aus einer Kontrollgruppe. Da dieser verringerte Ruheenergieumsatz allein die Adipositas jedoch nicht erklären kann, geht man weiters davon aus, dass bestimmte Stoffwechselunterschiede bei Kindern mit Down Syndrom die Gewichtszunahme schon in jungen Jahren prädisponieren. (vgl. Luke et al. 1994; vgl. Storm, 1995) In Zusammenhang mit Übergewicht wird unweigerlich der Grundstock für verschiedene Folgeerkrankungen gelegt. Herz – Kreislauf – Probleme, Bluthochdruck, erhöhte Triglyceride, sowie Diabetes werden durch Übergewicht begünstigt. Auf Grund der steigenden Übergewichtsproblematik bei Menschen mit Down Syndrom hat sich die Down Syndrom Ambulanz Wien mit der Bitte um Hilfe an das Institut für Sportwissenschaft der Universität Wien gewandt. Gemeinsam mit den Vereinen AFAPA und Gesundheitsförderung Österreich wurde beschlossen, ein Bewegungs- und Ernährungsprogramm mit Namen MOVEAT für übergewichtige Jugendliche mit Down Syndrom im Alter von 15 – 30 Jahren zu entwickeln und durchzuführen. An eine intensive Planungsphase folgte im Frühjahr 2007 eine einmonatige Pilotphase. Da diese äußerst erfolgreich angenommen wurde, startete MOVEAT schließlich im September 2007 mit 4 Teilnehmerinnen. Einmal pro Woche traf man sich für die Dauer eines Schuljahres zu 1 ½ Stunden Bewegungseinheit und 1 ½ Stunden Ernährungseinheit. Ziel dieser Einheiten war es nicht nur das Bewegungs- und Ernährungsverhalten der Jugendlichen positiv zu beeinflussen, sondern dadurch auch ihre Eigenverantwortung und ihr Selbstbewusstsein zu stärken. Zusätzlich fanden neben ärztlicher Eingangs- und Ausgangsuntersuchung, sportmotorischen Testungen, Dokumentation der psychosozialen Entwicklung sowie Elternabende zu bestimmten Schwerpunkten statt. Die Ergebnisse, welche hierbei erzielt wurden, sollen an dieser Stelle zusammengefasst dargestellt werden. In Hinblick auf die sportmotorische Entwicklung der Jugendlichen lässt sich folgendes beobachten: ein Vergleich der Ergebnisse der ersten sportmotorischen Testung und deren Folgetestung mittels einer adaptierten Version der „Eurofit Special Test Batterie“ nach Skowronski (2000) zeigt, dass die Teilnehmerinnen sich in allen Testbereichen weder stark verbessert noch verschlechtert haben. Dennoch ist zu erwähnen, dass die Leistungen, die während des Projekts und auch während der Testung erbracht wurden, sehr stark von der Tagesverfassung der Teilnehmerinnen abhängig waren. Die Dokumentation und Darstellung der psychosozialen Bereiche Aufmerksamkeit, Motivation, Kreativität, Selbstkontrolle, soziales Miteinander und Spontanität ließen folgende Entwicklungen festhalten: Die Aufmerksamkeit der Teilnehmerinnen zeigte große Schwankungen. Die Motivation der Jugendlichen war unweigerlich auf den Schwerpunkt der Bewegungseinheit und die jeweilige Tagesverfassung zurückzuführen. Ingesamt war die Motivation in den Bereichen Rhythmik, sowie bei diversen Spielen und Entspannungsübungen sehr hoch, die Bereiche Haltung & Beweglichkeit sowie Kräftigung wurden mit weniger Begeisterung aufgenommen. Die Dokumentation der Kreativität zeigt ein ähnliches Bild wie die der Aufmerksamkeit der Jugendlichen. Hinsichtlich des Bereichs der Selbstkontrolle waren wiederum die einzelnen Stundenthemen ein wesentliches Kriterium. Soziales Miteinander und Spontanität zeigten vor allem bei zwei Teilnehmerinnen einen wesentlichen Fortschritt während des Projektverlaufs. Die Ergebnisse der medizinischen Untersuchung und Folgeuntersuchung haben ergeben, dass zwei Teilnehmerinnen ihr Körpergewicht stabilisierten und zwei Teilnehmerinnen ihr Gewicht sogar reduzieren konnten. Dadurch ergaben sich auch Änderungen hinsichtlich des BMIs, welcher mit Körperfettmasse und gesundheitlichem Risiko korreliert. Die Blutuntersuchung zeigte nur geringfügige Veränderungen. Die Werte der Teilnehmerinnen waren bereits zu Projektbeginn im Großen und Ganzen im Normbereich und konnte in der Folgetestung nochmals leicht verringert werden. Ob sich im Bereich der Ernährung Änderungen ergeben haben, wurde mittels Fragebogenuntersuchung in einer eigenen Diplomarbeit von Nadine Karner erfasst. Generell ist jedoch zu sagen, dass die Jugendlichen im Laufe des Projekts viel Wissen über gesunde und ausgewogene Ernährung sammeln konnten. Auf Grund der Tatsache, dass der Aufwärtstrend des Gewichts der Teilnehmerinnen gestoppt wurde, wie sich aus den Ergebnissen der medizinischen Untersuchungen ablesen lässt, kann eine Verbesserung des Ernährungsverhalten vermutet werden

Entwicklung und Evaluation mediendidaktischer Konzepte zur Computer-basierten Lernerfolgskontrolle im Fach Molekulare Pharmazie

Within the last 10 years the pharmacy education in Switzerland was extensively reorganized. Due to the enormous increase in biomedical and pharmaceutical knowledge, handling information and communication technologies as well as the compilation of new learning strategies became an integral constituent of the study. The integration of new media into the curriculum of molecular pharmacy as well as the development of a virtual learning environment was the aim of the award-winning project pharma2 [pharmasquare]. Financed by the Swiss Virtual Campus and matching funds of the University of Basel a blended learning concept was developed. Thus, it was guaranteed that the strengths of the different educational methods in the real and virtual space could be used, in order to optimally promote learning in molecular pharmacy education. In order to activate individual learning processes, verify learning outcomes and also to be able to assign credit points, the development of computerbased assessments was a substantial constituent of the project. Therefore two concepts were developed within this work by use of innovative information- and communication technologies and consideration of didactical realizations: the virtual test and training system PharmAskYou, which was developed particularly for theoretical learning contents, and the video-based, interactive learning system ViLab designed for practical courses.\ud With didactical development, response-contingent feedback and appealing design PharmAskYou make it also possible to test questions on higher cognitive levels within the area of application, analysis, synthesis and also evaluation of pharmaceutical problems adapted to specific needs of molecular pharmacy education. With ViLab the practical courses in the laboratory can be prepared optimally, without stressing material or personnel resources. Within each step the students can make decisions which influence their result. As in the real laboratory, an assistant gives an individual feedback to the students for their decisions. Thus the students become acquainted with not only the method, but also the consequences of incorrect operating. The integration of the concepts PharmAskYou and ViLab into the curriculum of molecular pharmacy was accompanied by different evaluation methods. The results show that the students’ acceptance was very high. Continuous assessments and interactive exercises, integration of animations, video-clips and photos as well as appealing layout motivate the students for studying at the computer. Thus on the one hand a better cross-linking between the face-to-face and virtual events could be achieved; on the other hand, continuous feedback about learning success and failure and at the same time appropriate cognitive level according to the learning objects of molecular pharmacy education could be maintained. Improvement potentials are situated particularly in the integration of the ViLab into the practical course in the laboratory. It became obvious that the positive effects of new media do not occur by the bare application, but a successful integration into the course, in this case the practical course, is inevitable

Measurement of heat flux in multi-layer insulated helium cryostats after loss of insulating vacuum

The dimensioning of pressure relief devices (PRD) for cryogenic pressure equipment requires knowledge on the heat input at the maximum credible incident. In helium cryostats, this situation is typically defined by the loss of insulating vacuum (LIV), where the heat load is induced by desublimation and condensation of atmospheric air on the cryogenic surface. This surface is often covered with multi-layer insulation (MLI) in order to reduce the thermal radiation heat load in standard operation. During loss of insulating vacuum, the MLI represents a diffusive barrier for the air to reach the cryogenic surface, reducing the heat flux as well. Experimental reference data for the heat flux in case of LIV exist mainly for blank surfaces; only few data are published for MLI-covered helium surfaces. Therefore, the effect has been investigated in the cryogenic safety test facility PICARD at KIT. This paper presents the results of venting experiments carried out with different numbers of layers and different types of MLI

The Mediating Role of Affective States in Short-Term Effects of Activity Engagement on Working Memory in Older Age

Introduction: It has been shown that activity engagement is associated with cognitive ability in older age, but mechanisms behind the associations have rarely been examined. Following a recent study which showed short-term effects of activity engagement on working memory performance appearing 6 h later, this study examined the mediating role of affective states in this process. Methods: For 7 times per day over 2 weeks, 150 Swiss older adults (aged 65–91 years) reported their present (sociocognitive/passive leisure) activities and affective states (high-arousal positive, low-arousal positive, high-arousal negative, and low-arousal negative) and completed an ambulatory working memory task on a smartphone. Results: Multilevel vector autoregression models showed that passive leisure activities were associated with worse working memory performance 6 h later. Passive leisure activities were negatively associated with concurrent high-arousal positive affect (and high-arousal negative affect); high-arousal positive affect was negatively associated with working memory performance 6 h later. A Sobel test showed a significant mediation effect of high-arousal positive affect linking the time-lagged relationship between passive leisure activities and working memory. Additionally, sociocognitive activities were associated with better working memory performance 6 h later. Sociocognitive activities were associated with concurrent higher high- and low-arousal positive affect, which, however, were not associated with working memory performance 6 h later. Thus, a mediation related to sociocognitive activities was not found. Discussion: Passive leisure activities could influence working memory performance through high-arousal positive affect within a timeframe of several hours. Results are discussed in relation to an emotional, and possibly a neuroendocrine, pathway explaining the time-lagged effects of affective states on working memory performance

Multidimensionale Analyse des Schmerzverhaltens reifgeborener Kinder diabetischer Mütter im Alter von 3 Monate

Background: Response to pain is altered in infants who were exposed to pain- and stressful events in the neonatal period. Infants of diabetic mothers receive several heel sticks after birth for measuring blood glucose and thus may show changes in their behavioral and physiologic response to pain. Moreover, maternal hyperglycemia may alter activity of the hypothalamic pituitary adrenal (HPA) axis reactivity. Study design: In total, 43 infants of diabetic mothers and 30 control infants were included into the study. Response to pain was assessed at 3 months of age following two intramuscular injections for vaccination. We assessed behavioral (Bernese pain scale), physiologic (heart rate) and hormonal (salivary cortisol) pain response to vaccination as well as spinal sensitization (flexion withdrawal reflex). Results: Infants of diabetic mothers received a median number of 5 [4-19] painful events compared to 1 [1-3] in the control group. Heart rate reactivity differed significantly between groups. Infants of diabetic mothers had higher peaks (p = 0.002) and needed more time to recover to baseline (p < 0.001). Moreover, infants of diabetic mothers showed higher peak cortisol (p = 0.001) and a higher relative cortisol increase (p = 0.015). Flexor withdrawal reflex thresholds were significantly lower in infants of diabetic mothers (p = 0.003). Conclusion: The increase of physiologic and hormonal responses to pain in infants of diabetic mothers is probably caused by repeated painful events and an altered metabolic profile. Keywords: Behavioral pain response; Cortisol reactivity; HPA axis; Infants of diabetic mothers; Neonatal pain; Vaccination pain