Prof. Tsotsas
Prof. Dr.-Ing. habil. Evangelos Tsotsas
Institut für Verfahrenstechnik (IVT)
Aktuelle Projekte
Kontaktwärmeübertragung und Wärmeleitung in Schüttbetten aus kantigen Teilchen
Laufzeit: 01.07.2020 bis 30.06.2028
Ein zentraler Parameter der thermischen DEM ist der Partikel-Partikel-Wärmeübergangskoeffizient bei binären Kontakten. Der Kontaktwärmeübergang ist wichtig für thermochemische Prozesse in Partikelsystemen, wird aber üblicherweise mit vereinfachten Modellen berechnet, deren Gültigkeit selbst bei gleich großen Kugeln fraglich ist. Für polyedrische Partikel fehlen trotz zahlreicher Anwendungen in der Praxis zuverlässige Grundlagen. Das Projekt zielt auf eine neue und zuverlässigere Methode zur Vorhersage der Wärmeübertragung, wenn Partikel für eine bestimmte Zeit miteinander in Kontakt kommen, anhand der effektiven Schüttschichtwärmeleitfähigkeit. Dazu wird die effektive Schüttschichtwärmeleitfähigkeit durch Experimente und Simulationen für ein breites Spektrum unterschiedlicher polyedrischer Partikel untersucht. Auf dieser Grundlage werden neue Korrelationen für die Vorhersage der effektiven Wärmeleitfähigkeit für beliebige Materialien, die aus polyederartigen Teilchen bestehen, entwickelt. Der Übergang zu Teilchen-Teilchen-Wärmeübergangskoeffizienten wird durch Experimente in einer kleinen Drehtrommel kalibriert. Binäre Mischungen von Teilchen, die sich in Größe, Form oder Leitfähigkeit unterscheiden, werden ebenfalls berücksichtigt. Die Porosität des gepackten Bettes und die relative Fläche der flachen Kontakte zwischen den Partikeln wird aus den Ergebnissen der Röntgen-µ-CT-Bildgebung abgeleitet. Die Morphologie des interstitiellen Festbetts, einschließlich der Variabilität der Porengröße, wird berücksichtigt.
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Heteroaggregation von fluidisierten Nanopartikeln und feststoffhaltigen Aerosoltröpfchen
Laufzeit: 01.10.2021 bis 30.09.2027
Das Projekt zielt darauf ab, in einer Wirbelschicht sehr kleine Partikel (Nanopartikel oder Submikronpartikel) unterschiedlicher Zusammensetzung zu Heteroagglomeraten zu mischen, die zusätzlich mit Hilfe von Aerosoltröpfchen, die ein einbettendes festes Material enthalten, eingekapselt oder beschichtet werden können. Auf diese Weise werden binäre oder ternäre Partikelkomposite aus extrem fein verteilten Bestandteilen hergestellt. Anstelle der konventionellen Fluidisierung wird eine spezielle Strahlschichtanlage mit regulierbarem Lufteinlass für die Verarbeitung verwendet. Hochgeschwindigkeits-Lufteinlassdüsen tragen dazu bei, das dynamische Gleichgewicht zwischen Aggregation und Bruch in dieser Art von Anlage in Richtung kleinerer und festerer Agglomerate zu verschieben. Im Hinblick auf die Charakterisierung von Agglomeraten werden neue Methoden zur Rekonstruktion der 3D-Agglomeratstruktur aus 2D-Bilddaten entwickelt. In diesem Rahmen kann der Grad der Durchmischung der Subagglomerate identifiziert und durch die Verwendung von nicht gebranntem, d.h. nicht gesintertem, Rohmaterial in Richtung einzelner Nanopartikel verschoben werden. Um den Prozess zu beschreiben, werden neuartige Populationsbilanzen und diskrete Modelle verwendet. Die Leitfähigkeit der Heteroagglomerate (thermisch, elektrisch) wird gemessen und modelliert.
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Anfängliche Sprüh-Wirbelschicht-Agglomeration an der Grenze zur Beschichtung
Laufzeit: 16.10.2023 bis 15.10.2026
Das Projekt zielt darauf ab, die Grenze zwischen der Agglomeration in der Sprühwirbelschicht und der Beschichtung zu erforschen, die wichtige Schlüsselprozesse für die fortschrittliche Partikeltechnik sind. Wir werden die Agglomeration in der Nähe dieser Grenze (Borderline-Agglomeration) experimentell untersuchen und uns dabei auf die Anfangsphase der Agglomeration (beginnende Agglomeration) konzentrieren, in der sich aus Primärpartikeln Dimere (zu Einzelpartikeln zusammengeschichtete Partikel) bilden. Das Hauptaugenmerk liegt auf der einfachsten Agglomeratstruktur und den klarsten Bedingungen des Sprühwirbelschicht-Agglomerationsprozesses. Der Prozess wird auch durch Modellierung beschrieben. Hier können wir auf eigene Monte-Carlo-Modelle zurückgreifen, die stochastisch und diskret sind und Ereignisse und Prozesse auf Mikroebene darstellen können. Das Ziel ist es, diese Modelle radikal zu verbessern. So werden die entscheidenden Modellbestandteile überarbeitet, nämlich die Teilmodelle für Bruch und Trocknung, die auf separaten Experimenten ohne Sprühen (für Bruch) bzw. ohne Bindemittel im Spray (für Trocknung) basieren. Das Kriterium für die Aggregation oder den Rückprall nach einem Nassaufprall wird ebenfalls überarbeitet, obwohl es weiterhin auf der normalen Impulsdissipation beruht. Das verbesserte Modell wird einen direkten und bedingungslosen Zugang zur Agglomerations-Beschichtungs-Grenze ermöglichen, wodurch Regimekarten überflüssig werden.
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Autonome Strukturbildungsprozesse in der Sprühwirbelschichtagglomeration
Laufzeit: 15.12.2022 bis 14.11.2025
Die jüngsten Fortschritte bei der Agglomeration in der Sprühwirbelschicht ermöglichen es, die Kinetik und die Partikelbildung während des Prozesses zu modellieren. Mit einer minimalen Menge an empirischen Informationen über den Einfluss der Betriebsbedingungen auf die fraktale Dimension können Agglomerate in silico erzeugt und sogar in 3D ausgedruckt werden. Diese fortschrittlichen Technologien sollen auf den kontinuierlich betriebenen Prozess angewendet werden, in Kombination mit neuen Methoden zur Inline-Überwachung und automatischen Steuerung. Das Ziel ist die automatische Steuerung. Ziel ist es, den Prozess autonom in Richtung gewünschter Agglomeratstrukturen und strukturabhängiger Endnutzereigenschaften zu führen.
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Lattice-Boltzmann-Modellierung der Gas-Flüssigkeits-Verteilung in der anodischen Transportschicht bei der Wasserelektrolyse
Laufzeit: 01.11.2020 bis 31.05.2025
Transportphänomene in elektrochemisch relevanten dünnen porösen Schichten sind der Schlüssel für die weitere Entwicklung umweltfreundlicher Energieerzeugungstechnologien. Im Falle der Wasserspaltung durch Elektrolyse sind die Benetzung und Trocknung der anodischen Transportschicht von besonderer Bedeutung. Diese Prozesse werden hier mit der Lattice-Boltzmann-Methode untersucht, die Berechnungen an der realen porösen Struktur ermöglicht, die durch Mikro-CT rekonstruiert wird. Die Forschungsarbeiten ergänzen ein paralleles Projekt, das die Modellierung von Porennetzwerken verwendet.
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Abgeschlossene Projekte
Entwurf neuartiger Wirbelschichtverfahren für das Kunststoffrecycling
Laufzeit: 01.07.2023 bis 31.12.2024
Die Pyrolyse ist ein vielversprechender Weg für das chemische (tertiäre) Recycling von Altkunststoffen, insbesondere wenn die Trennung der verschiedenen Fraktionen schwierig und kostspielig ist oder wenn die Kunststoffe z. B. mit Bioabfällen verunreinigt sind. Das Verfahren ist jedoch mit erheblichen Herausforderungen verbunden, wie z. B.: (i) das Schmelzen von Kunststoffen vor der Umwandlung und die Verkokung, die zu Verstopfungsproblemen in vor- und nachgeschalteten Anlagen führt, (ii) die Emission von Dioxinen und anderen chlorierten organischen Verbindungen oder (iii) der hohe Sauerstoffgehalt von Bioölen, der im Falle der Biomassepyrolyse eine umfangreiche Aufbereitung erfordert.
Dieses Projekt ist Teil der Forschungsinitiative SmartProSys - Smart Process Systems for Sustainable Chemical Production der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Ziel ist es, ein neuartiges und flexibles Verfahren auf der Grundlage der Wirbelschichttechnologie für die Co-Pyrolyse von Biomasse und Kunststoffabfällen zur Herstellung nützlicher Rohprodukte zu entwickeln. Die Entwicklung dieses neuen Verfahrens muss auf der detaillierten Modellierung der chemischen und physikalischen Phänomene des Umwandlungsprozesses in Verbindung mit dem komplexen Verhalten in einer Wirbelschicht basieren. Besonderes Augenmerk muss auf die physikalisch-chemischen Eigenschaften und die Morphologie des verwendeten Ausgangsmaterials sowie auf deren Entwicklung während des Umwandlungsprozesses gelegt werden.
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Ultradünne Beschichtung von fluidisierten Partikeln mit Hilfe von Aerosol
Laufzeit: 01.10.2021 bis 31.12.2024
Beschichtete Partikel für verschiedene Anwendungen werden in der Regel durch Aufsprühen einer feststoffhaltigen Flüssigkeit auf mechanisch bewegte oder fluidisierte Kerne hergestellt. Jeder Sprühtropfen, der sich auf der Oberfläche eines Kernpartikels ablagert, hinterlässt nach dem Verdampfen des Lösungsmittels oder der Suspensionsflüssigkeit (vorzugsweise Wasser) einen festen Restbestandteil. Jede dieser Ablagerungen ist ein Baustein (BB) der Beschichtungsschicht. Allerdings sind die Sprühtröpfchen bei der derzeitigen Technologie recht groß (typischerweise 40 µm bei Zweistoffdüsen), so dass auch die BBs groß sind, was zu einer groben und dicken Beschichtung führt. Radikal dünnere und feiner aufgelöste Beschichtungen (bis in den Nanobereich) könnten auf fluidisierten Partikeln durch die Verwendung von Aerosol (mit Tröpfchendurchmessern um 1 µm oder weniger) anstelle des herkömmlichen Sprays erzeugt werden. Die Machbarkeit des entsprechenden Aerosol-Wirbelschicht-Beschichtungsverfahrens (AFB) wurde kürzlich in einem Proof-of-Principle-Experiment nachgewiesen. Auf dieser Grundlage zielt das vorliegende Projekt auf eine gründliche wissenschaftliche Untersuchung des neuartigen AFB-Verfahrens ab. Dazu gehören Batch-Beschichtungsexperimente mit Variation der Betriebsparameter, der Materialien sowie der Aerosolerzeugung und der Eintrittsbedingungen. Die Qualität der beschichteten Partikel wird mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie und verschiedener Bildanalysetechniken hinsichtlich der Schichtdickenverteilung innerhalb der Partikel, der Schichtdickenverteilung zwischen den Partikeln, der durchschnittlichen Porosität, der Porositätsverteilung und der Porengrößenverteilung eingehend charakterisiert. Gestützt auf diese einzigartigen Daten wird ein stochastisches (Monte-Carlo-)Modell entwickelt und parametrisiert, um den Aufbau von Beschichtungen auf einzelnen Partikeln und in der Partikelpopulation genau zu simulieren; außerdem in der Phase der Oberflächenbedeckung (möglicherweise mit Inselwachstum) und später (in der Phase des Schichtwachstums). Schließlich werden Messungen durchgeführt und ein Modell entwickelt, um die Feststoffausbeute des Prozesses vorherzusagen, was der Effizienz des Wirbelbetts beim Herausfiltern von Aerosoltröpfchen aus dem Gasstrom entspricht.
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Modellierung des Porennetzwerks der anodischen porösen Transportschicht von Wasserelektrolyseuren
Laufzeit: 01.09.2019 bis 30.06.2024
Der Transport und die Verteilung von Wasser in Verbindung mit dem gegenläufigen Transport von Sauerstoff in der anodischen porösen Transportschicht (PTL) schränken die Leistung von Wasserelektrolyseuren entscheidend ein. Um diese Einschränkungen zu beseitigen, werden Porennetzmodelle der PTL entwickelt. Die Porennetzwerke werden zunächst generiert (auf der Grundlage von 3D-Röntgen-µ-CT-Daten) und für reale Materialien validiert. Anschließend werden systematische Porennetzsimulationen durchgeführt, um Änderungen der inneren Struktur zu ermitteln, die sich positiv auf die Leistung auswirken. Diskrete Simulationsergebnisse, die zur Ableitung effektiver Transportparameter für die Kontinuumsmodellierung verwendet werden können, werden dem Projekt zur Verfügung gestellt.
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Granulation in der Sprühwirbelschicht mit Gasbeimischung zum Feed
Laufzeit: 01.12.2020 bis 31.05.2023
Wir erforschen die Sprühwirbelschichtgranulierung (oder -beschichtung) durch Beimischung von Inertgas (Luft) in das Material. Auf diese Weise erwarten wir, den Weg für neue Klassen von Partikelprodukten zu ebnen, die zwischen sprühgetrockneten Pulvern und herkömmlichen Sprühwirbelschichtgranulaten liegen. Die neue Technologie soll eine einfache Handhabung von relativ großen Produktpartikeln mit einer schnellen Rekonstitution in Wasser und einer relativ hohen Schüttdichte verbinden.
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Intermittierende Mikrowellentrocknung für die Ziegelindustrie
Laufzeit: 01.01.2020 bis 31.12.2022
Ziegel gehören zu den ältesten Baumaterialien, werden aber immer noch häufig verwendet und sind von großer Bedeutung. Insbesondere die Trocknung von Ziegeln ist von zentralem Interesse für Energieeinsparungen und Produktqualität. In diesem Projekt wird eine neue Generation industrieller Verfahren zur Trocknung von Ziegeln entwickelt, die auf dem intermittierenden Einsatz von Mikrowellen in Kombination mit der herkömmlichen konvektiven Trocknung basieren. Der Trocknungsprozess wird durch Experimente und Simulationen in Magdeburg untersucht. Dabei arbeiten wir eng mit Experten für Tonmaterialien und für Mikrowellenbestrahlung zusammen.
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Beschichtung von feinen Partikeln durch Aerosol und andere Techniken
Laufzeit: 01.01.2018 bis 31.10.2022
Die Beschichtung sehr kleiner Partikel in einer Gasatmosphäre bei nahezu Umgebungsbedingungen ist höchst wünschenswert, aber in der Industrie immer noch eine Herausforderung. Konventionelle Sprüh-Wirbelschichtverfahren (oder ähnliche Verfahren) neigen zu starker Agglomeration, wenn die Kernpartikel zu klein sind. Der Prozess kann jedoch auf kleinere Kernpartikel verlagert werden, wenn er mit Aerosol anstelle von herkömmlichen Sprühtröpfchen durchgeführt wird. Neben vollständig beschichteten Partikeln lassen sich auf diese Weise auch partikelförmige Produkte mit interessanten Mustern des Inselwachstums auf der Oberfläche herstellen. Es werden auch konventionelle Sprays untersucht, die auf der Idee basieren, einzelne zu beschichtende Partikel in einzelne Sprühtröpfchen einzubetten.
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Kontinuierliche Wirbelschichtsprühagglomeration
Laufzeit: 01.11.2016 bis 31.10.2022
In diesem Projekt wird die kontinuierliche Sprühagglomeration in einstufigen Wirbelschichten untersucht. Ziel ist dabei die Herausarbeitung kinetischer Daten zum Prozess, sowie die Untersuchung des dynamischen Verhaltens und der erzielbaren Produktqualität in Abhängigkeit der Prozessbedingungen.
Advanced processing of mixed-ingredient food particles (ADMIX)
Laufzeit: 01.04.2019 bis 31.07.2022
Aus mehreren Ingredienzien bestehende Lebensmittelpartikel werden heute noch durch Beimischung von Funktionszutaten in sprühgetrocknetes Pulver hergestellt. Neben anderen Eigenschaften ist die Homogenität des Produktes dabei wichtig. Um das Profil der Produkteigenschaften und die Prozesseffizienz zu verbessern, wird im Verbundprojekt des internationalen Exzellenzclusters einerseits die Kombination aus Sprühtrockner und Mischer verbessert. Andererseits werden hybride, auf Sprühwirbelschichten beruhende Technologien eingeführt. Schließlich wird eine neuartige, Sprühtrocknung und Sprühwirbelschicht in einem einzigen Apparat integrierende Technologie entwickelt und demonstriert.
An der Universität Magdeburg werden Mischer für Pulver unterschiedlicher Art und Form durch kleine, mittels der diskrete Elemente Methode (DEM) schnell simulierbare Partikelsysteme dargestellt. Solche Simulatoren sollen neue Möglichkeiten für die Auslegung von Mischprozessen eröffnen. Darüber hinaus werden Struktur und Zusammensetzung von Partikeln aus allen Produkten bildgebend sowie spektroskopisch charakterisiert. Die genannten Verfahrensalternativen werden im Hinblick auf Effizienz und Produktqualität vergleichend ausgewertet.
Combined agglomeration technology for food (COAGG)
Laufzeit: 01.04.2019 bis 31.07.2022
Agglomerate sind wegen günstiger Instanteigenschaften von großem Interesse für die Lebensmittelindustrie. Diese werden heute vorwiegend durch Sprühtrocknung, gelegentlich auch in Sprühwirbelschichten hergestellt. Jeder dieser Prozesse wird im Verbundprojekt des internationalen Exzellenzclusters aufgewertet, um die Prozesseffizienz und das Eigenschaftsprofil der Produkte zu verbessern. Darüber hinaus wird eine neue Technologie eingeführt, die die genannten Einzelprozesse miteinander kombiniert. Untersuchungen werden sowohl mit Modellstoffen als auch mit hochwertigen Lebensmittelprodukten durchgeführt.
An der Universität Magdeburg werden im Rahmen des Verbundprojektes Apparate mit multiplen Sprays mittels Computational Fluid Dynamics simuliert. Dabei wird neben dem üblichen Zulaufmaterial eine Bindersubstanz so gesprüht, dass die Wechselwirkung zwischen den Sprays zu einem günstigen Agglomerationsergebnis führt. Die Struktur von Produktpartikeln wird mittels Röntgen-Mikrotomographie sowie Rasterelektronenmikroskopie bildgebend charakterisiert. Aus den Bildern werden Deskriptoren abgeleitet, die die Struktur der Produktpartikel beschreiben und mit Gebrauchseigenschaften korrelieren. Verfahrensalternativen werden in Hinblick auf Effizienz und Produktqualität vergleichend ausgewertet.
Modellierung des Porennetzwerks bei der Gefriertrocknung auf der Grundlage lyomikroskopischer und tomographischer Messungen
Laufzeit: 04.01.2019 bis 31.03.2022
Die Gefriertrocknung ist ein notwendiges und gängiges Verfahren bei der Herstellung hochwertiger Produkte, aber sie ist auch langsam und teuer. Bemühungen zur Steigerung der Effizienz treiben den Prozess in Regionen, in denen das feste Gerüst des Produkts erweichen und zusammenbrechen kann. Solche Schadensereignisse sind immer lokal und können daher von herkömmlichen Kontinuumsmodellen nicht erfasst werden, die auch sonst in ihrer Vorhersagefähigkeit begrenzt sind. Deshalb soll in diesem Projekt erstmals ein Porennetzwerkmodell für die Gefriertrocknung entwickelt werden, das die Mikroskala abbilden kann. Das Porennetzwerk wird dreidimensional und unregelmäßig sein. Es wird die lokale, porenskalige Variation des Wärme- und Stofftransports sowie der Struktur und der Eigenschaften des Trocknungskörpers berücksichtigen, wobei eine wechselseitige Kopplung zwischen Wärmetransport und Trocknung besteht. Gefrierversuche und Experimente zur anschließenden Gefriertrocknung wässriger Zuckerlösungen in einem Lyomikroskop werden die Modellentwicklung leiten. Das Einfrieren ist ein entscheidender Schritt, denn es bildet um Eiskristalle unterschiedlicher Größe und Form das feste Gerüst, das anschließend getrocknet werden soll. Die Morphologie des gefrorenen oder gefriergetrockneten Materials wird anhand von dreidimensionalen Röntgentomographiedaten bewertet und zur Erzeugung realistischer Porennetzwerke verwendet. Die Parameter des Porennetzwerkmodells werden ermittelt und das Modell wird durch Gefriertrocknungsexperimente validiert, die sowohl außerhalb als auch innerhalb des Bereichs der Bedingungen durchgeführt werden, die zum Zusammenbruch der Struktur führen.
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Schichtaufbau und Struktur aus einzelnen abgeschiedenen Tropfen
Laufzeit: 01.09.2018 bis 28.02.2022
In diesem Projekt wird experimentell nachgebildet, wie sich aus trocknenden Tröpfchen, die Feststoffe enthalten, nach und nach Schichten bilden. Kontur und Porosität werden während des Schichtaufbaus mittels Weißinterferometrie inkrementell gemessen. Untersucht werden Salzlösungen, Nanosuspensionen und Mikrosuspensionen für unterschiedliche Trocknungsbedingungen. Ziel des Projekts ist es, die Prinzipien der Granulation und Beschichtung zu ergründen.
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Anwendungen des maschinellen Lernens für Prozessanlagen
Laufzeit: 01.11.2018 bis 31.10.2021
Der Einsatz moderner Methoden des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz in der Verfahrenstechnik wird untersucht. Dies geschieht beispielhaft für Trocknungsanwendungen, insbesondere für die Tröpfchen-Sprühtrocknung. Darüber hinaus wird die Verbrennung von Biomaterialien in Wirbelschichtanlagen analysiert, wobei sowohl experimentelle als auch synthetische Daten (Computational Fluid Dynamics) verwendet werden.
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Porennetzwerkmodell für die dynamische Benetzung von porösen Materialien
Laufzeit: 01.10.2017 bis 30.09.2021
Ziel dieses Projekts ist es, die von der Gruppe entwickelten Porennetzmodelle für die Benetzung poröser Materialien wesentlich zu verbessern. Die Benetzung ist z. B. für die Anwendungseigenschaften von Lebensmittelkomponenten und die Funktionsfähigkeit von Elektroden von großer Bedeutung. Die Simulationsstudien werden von mikrofluidischen Experimenten begleitet.
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Verstärkte Verfahren für Lebensmittel und andere Materialien
Laufzeit: 01.04.2017 bis 31.03.2021
Wir erforschen Hochtemperatur-Sprühtrocknungsverfahren, die zur Herstellung verschiedener konventioneller Produkte oder völlig neuer Klassen von trockenen Nanopartikeln verwendet werden können. Während anorganische Materialien ein offensichtliches Ziel sind, erforschen wir auch die Herstellung organischer Materialien (z. B. Lebensmittelbestandteile), die aufgrund der extrem kurzen Trocknungszeit trotz der hohen Temperatur möglich sein könnte.
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Sprühagglomeration in kontinuierlich betriebenen horizontalen Wirbelschichten
Laufzeit: 01.09.2016 bis 31.12.2020
Das Projekt untersucht die Dynamik der kontinuierlichen Wirbelschicht-Sprühagglomeration in einem horizontalen Wirbelschichtapparat. Der Schwerpunkt liegt auf der Verarbeitung von Materialien aus der Lebensmittel- und Futtermittelindustrie , wobei der Einfluss der Prozessbedingungen und der Apparategeometrie (interne Leitbleche) auf das Prozessverhalten und die Produktqualität untersucht wird.
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Fortgeschrittene Trocknungstheorie kapillarer poröser Medien anhand von Hochleistungs-Computersimulationen des Porennetzwerks
Laufzeit: 01.06.2017 bis 31.08.2020
Die Trocknung poröser Medien ist von zentraler Bedeutung für viele Umwelt- und technische Anwendungen. In diesem Zusammenhang zielt dieses Projekt darauf ab, einen wichtigen Durchbruch bei der Modellierung des Trocknungsprozesses in kapillaren porösen Medien zu erzielen. Die Arbeit basiert auf einer Kombination aus modernster Porennetzmodellierung, Porennetzsimulationen und neuen Experimenten.
Es werden Zwei- und Dreigleichungs-Kontinuumsmodelle entwickelt, die den nichtlokalen Gleichgewichtszustand des Dampfes und die Unterscheidung zwischen perkolierenden und nicht-perkolierenden Flüssigkeitsclustern berücksichtigen. Die sekundären Kapillarstrukturen, die der in verschiedenen geometrischen Singularitäten des Porenraums eingeschlossenen Flüssigkeit entsprechen, werden experimentell und durch numerische Simulationen charakterisiert und in den Kontinuumsmodellen als eigene und spezifische Phase berücksichtigt.
Die Porennetzmodelle werden so entwickelt, dass sie für Hochleistungsrechnersimulationen (HPC) geeignet sind, die erforderlich sind, um die Anforderungen an die Längenskalentrennung zu erfüllen, die die Berechnung von Kontinuumsmodellparametern aus Porennetzsimulationen ermöglichen.
Es werden Trocknungsexperimente mit einer gelösten Spezies (Salz) durchgeführt, um eine zusätzliche Validierung der im Rahmen des Projekts entwickelten Porennetzwerk- und Kontinuumsmodelle zu erhalten, wobei zu beachten ist, dass Situationen, in denen eine gelöste Spezies in der Flüssigkeit vorhanden ist, bei vielen Anwendungen von größter Bedeutung sind. Im vorliegenden Projekt werden die Bildung und Verteilung von Salzkristallisationsflecken als Schlüsselfaktoren für die Validierung der Modelle und als physikalische Signaturen des Trocknungsprozesses verwendet, insbesondere im Hinblick auf die Auswirkungen der sich während der Trocknung entwickelnden sekundären Kapillarstrukturen.
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Morphologie von Agglomeraten aus der Sprühwirbelschicht
Laufzeit: 01.06.2017 bis 31.05.2020
Die Arbeitsgruppe war die erste, die stochastische Mikroskalenmodelle für die Agglomeration in Sprühwirbelschichten entwickelte. Solche Modelle sind jedoch entweder grob in Bezug auf die Morphologie der Agglomerate oder sehr rechenintensiv (ballistische Algorithmen). In diesem Projekt werden neue Möglichkeiten zur Verfolgung der Morphologie mit geringem Rechenaufwand während des Prozesses erforscht. Die Agglomeration ist entscheidend für die sofortigen Eigenschaften von Lebensmitteln und pharmazeutischen Produkten.
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Intelligente Multi-Energie-Systeme (SmartMES)
Laufzeit: 01.04.2017 bis 31.03.2020
Kopplungselemente zwischen Strom-, Gas- und Wärmenetzen werden aus verfahrenstechnischer Sicht untersucht und modelliert. Eingebettet in ein Konsortium mit der Elektrotechnik zielen wir auf effiziente und stabile Netze, die mit regenerativen Energieformen gespeist werden.
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Innovatives Inline-System zur gleichzeitigen Messung von zwei Eigenschaften partikelförmiger Produkte
Laufzeit: 01.04.2018 bis 31.12.2019
Die Partikelgröße und der Feuchtigkeitsgehalt der Partikel sind Schlüsseleigenschaften für die Anwendung von Pulvern und Körnern. Das Projekt entwickelt Methoden für ihre unabhängige Überwachung während des Produktionsprozesses, trotz ihrer gegenseitigen Beeinflussung des Messsignals.
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Skalenübergang von diskreten zu kontinuierlichen Modellen für die Trocknung von porösen Medien
Laufzeit: 01.11.2016 bis 31.10.2019
Der Skalenübergang von Porennetzwerkmodellen zu kontinuierlichen Modellen (eine oder zwei Gleichungen) der Trocknung wurde in einem früheren Projekt für eher gleichmäßig strukturierte poröse Medien erprobt. Nun wird diese Untersuchung auf poröse Medien mit bestimmten Arten von Mikrostruktur (z. B. räumlich korrelierte Systeme aus kleinen und großen Poren) ausgeweitet. Die Schlüsselfrage ist, wie mikrostrukturelle Merkmale in den Parametern kontinuierlicher Modelle widergespiegelt werden können, um den Weg für schnelle, aber realistische und genaue Prozesssimulationen zu ebnen. Neue algorithmische Ansätze, die die Berechnungen für die zugrunde liegenden Porennetzwerke beschleunigen würden, werden ebenfalls in Betracht gezogen.
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Discrete-continuous transition for the wetting of porous materials
Laufzeit: 01.06.2016 bis 31.05.2019
Continuous models for the wetting of porous materials are usually oversimplified and, thus, cannot properly describe the influence of micro-structural features of the material. Goal of the project is to simulate the wetting of micro-structured porous materials in a discrete way (by pore networks) and then use the simulation results in new and superior continuous models which are easy to solve whereas preserving as more details of the structure-property relation as possible.
Porennetzmodelle für die Beschichtung von Substraten mit Suspensionen
Laufzeit: 01.06.2017 bis 31.05.2019
Neue und effizientere Katalysatoren werden mit Hilfe neuartiger Simulationswerkzeuge für Porennetzwerke entwickelt. Solche Simulationswerkzeuge sind in der Lage, die Flüssigkeitsinfiltration und -beschichtung in Abhängigkeit von der gegebenen oder sich entwickelnden Substratstruktur zu beschreiben.
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Thermo-mechanical behavior of polydisperse particle aggregates: a pore-scale modeling approach
Laufzeit: 01.06.2015 bis 31.05.2019
Discrete network models provide an efficient pore-scale approach to explore the role of individual transport phenomena in deformable particle aggregates made from particles with a multimodal size distribution. During drying, mass transfer (liquid flow and vapor diffusion) is obtained from pore-scale finite volume (PFV) model, whereas the mechanical response (cracks and shrinkage) of the solid to compressive capillary forces is computed by discrete element method (DEM). The DEM-PFV coupled model permits to study the influence of physical properties of liquid, mechanical properties of solid, and rate of drying on the degree of mechanical response.
Heißdampftrocknung: Kinetik, Auslegung und Wirtschaftlichkeit im Vergleich zur Heißlufttrocknung
Laufzeit: 01.12.2016 bis 30.09.2018
Die Heißdampftrocknung wird zum ersten Mal von der Trocknungskinetik einzelner Partikel bis hin zur Wirbelschichttrocknung untersucht. Zu diesem Zweck werden biologische Materialien verwendet, nämlich Reis und Holzkugeln. Die Einzelpartikelexperimente werden in einer magnetischen Suspensionswaage durchgeführt und durch fortschrittliche kontinuierliche Modelle beschrieben. Das Scale-up auf die Wirbelschicht wird durch Modellierung durchgeführt und durch Experimente validiert. Darüber hinaus wird ein vollständiges Benchmarking mit der Heißlufttrocknung durchgeführt, so dass die Vorteile des Heißdampfverfahrens in Bezug auf Energieverbrauch und Wirtschaftlichkeit zuverlässig herausgearbeitet werden können.
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Entwicklung einer neuartigen Wirbelschicht-Technologie zur kontinuierlichen Behandlung von Feststoffen
Laufzeit: 01.09.2016 bis 31.08.2018
Together with partners from industry, new equipment and process solutions for fluidized bed processes are developed. They should combine continuous operation with the advantages of cylindrical vessel geometry. Moreover, operation at elevated temperatures and with strongly aggregating, nano-structured materials should be possible. The challenges are addressed by lab and pilot scale experiments, CFD computations, and fluidization process models.
Modellierung des Porennetzwerks bei der Trocknung mit überhitztem Dampf
Laufzeit: 01.01.2014 bis 28.02.2018
Durch Verdampfung an einer heißen Stelle und Kondensation an einer kalten Stelle kann Wärme mit einer höheren effektiven Wärmeleitfähigkeit transportiert werden als mit jedem anderen vorhandenen Material. Dieses Prinzip wird in so genannten Wärmerohren genutzt. Hier wird eine spezielle Art von Heatpipe-Verdampfer betrachtet, bei dem die Verdampfung aus einem nassen porösen Docht in Kontakt mit einer heißen Rippe in Dampftransportrillen erfolgt. Porennetzwerkmodelle werden für die Simulation von Transportphänomenen und der Flüssigkeitsverteilung im Docht verwendet, um optimale Betriebsbedingungen und Dochtstrukturen zu ermitteln. Neuartige Porennetzwerkmodelle werden für die Trocknung mit überhitztem Dampf entwickelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen kontinuierlichen Ansätzen können solche Modelle den Einfluss der Mikrostruktur des Produkts auf den Trocknungsprozess erfassen. Das Ziel ist eine effiziente Verarbeitung, die an die Produkteigenschaften und -qualität angepasst ist.
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Mikrostruktur von Partikeln, die durch Wirbelschichtagglomeration von weichen Materialien hergestellt werden
Laufzeit: 01.09.2013 bis 08.10.2017
Die Struktur von Agglomeraten, die in Sprühwirbelschichten aus starren Primärpartikeln hergestellt werden, wurde in einem Vorläuferprojekt untersucht. Es wurde gezeigt, wie morphologische Deskriptoren (u.a. Porosität, fraktale Eigenschaften) aus Röntgen-Mikrotomographie-Scans extrahiert werden können und wie solche Deskriptoren von den Betriebsparametern des Partikelformulierungsprozesses abhängen. Diese Untersuchung wird nun auf weiche Primärpartikel ausgeweitet, die für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie von großem Interesse sind. Insbesondere werden die strukturellen Merkmale von Maltodextrin-Agglomeraten untersucht, einschließlich der Entwicklung neuer Bildanalysemethoden, die auf Primärpartikel mit unregelmäßiger Form und ungleichmäßiger Größe angewendet werden können.
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Porennetzmodell für die gleichzeitige Befeuchtung und Trocknung mit Salzlösungen
Laufzeit: 01.11.2013 bis 31.10.2016
Die gleichzeitige Benetzung poröser Partikel mit Tröpfchen einer aufgesprühten Salzlösung und die Trocknung führt zur Ablagerung des Salzes (verfestigter gelöster Stoff) im porösen Material mit verschiedenen technischen Anwendungen. Die Verteilung des Salzes hängt unter anderem von den Trocknungsbedingungen und der inneren Struktur des porösen Substrats ab. Solche Einflüsse auf den kombinierten Prozess von Benetzung und Trocknung werden mit Hilfe von Porennetzwerkmodellen untersucht. Validierungsexperimente werden in mikrofluidischen Geräten durchgeführt.
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Estimation of effective parameters from pore network drying simulations
Laufzeit: 01.10.2013 bis 15.10.2016
Pore network models are unique in connecting structural features of porous media with their macroscopic properties in order to, e.g., find out how long a wet material would take to dry. On the other hand, pore network models require a much longer computation time than numerical solution of differential equations for description of transport phenomena at the macro-scale. Therefore, methods are developed for extracting effective transport coefficients from the results of pore network simulations. When successful, this approach can provide both, description of the influence of material structure and computational speed.
Konvektive Trocknung von PEM-Brennstoffzellen mit Gas-Spülstrom
Laufzeit: 01.04.2014 bis 30.12.2015
Das Wassermanagement in der Gasdiffusionsschicht einer PEM-Brennstoffzelle ist von wesentlicher Bedeutung für die Leistung und Zuverlässigkeit. Da die poröse Schicht sehr dünn ist, ist die Verwendung diskreter Ansätze für eine genaue Simulation erforderlich. Zu diesem Zweck werden Porennetzwerkmodelle entwickelt und angewandt, wobei der Schwerpunkt auf der Trocknung mit Hilfe eines Gasspülstroms liegt.
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Gestaltung partikulärer Produkte in Wirbelschichtrinnen
Laufzeit: 01.12.2012 bis 30.11.2015
Viele industrielle Anwendungen verlangen eine gleichmäßige Verteilung der Feuchte bzw. der Beschichtungsdicke unter allen Einzelpartikeln eines partikulären Produkts. Zu diesem Zweck werden sogenannte Wirbelschichtrinnen eingesetzt. Es wird untersucht, wie sich die Gestaltung eines solchen Apparates auf die Verweilzeit und Produktqualität bei der Trocknung und beim Coating auswirkt.
Simulation von Agglomerationsprozessen
Laufzeit: 01.12.2013 bis 31.07.2015
Es werden neue Methoden entwickelt, um die Art und Weise, wie mikroskalige Prozesse in diskreten Modellen (Monte Carlo) beschrieben werden, in den Formalismus der makroskaligen Gleichungen für die Bevölkerungsbilanz zu übertragen. Solche Skalenübergangstechniken ermöglichen sowohl eine effiziente Berechnung als auch eine physikalisch fundierte Modellierung. Es werden sowohl Aggregations- als auch Zerfallsprozesse berücksichtigt, und es werden numerische Hilfsmittel eingesetzt.
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Sprühtrocknung von Produkten mit empfindlichen Inhaltsstoffen
Laufzeit: 01.02.2012 bis 31.01.2015
Lebensmittel enthalten lebenswichtige, aber empfindliche Inhaltsstoffe, die sich während der Sprühtrocknung in Abhängigkeit von der Entwicklung der Temperatur und der Wasseraktivität verschlechtern können. Es werden Multiskalen- und Multiphysik-Methoden entwickelt, die für hochwertigere Molkereiprodukte eingesetzt werden können, die in effizienteren Sprühtrocknungsprozessen getrocknet werden.
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Konvektive Trocknung von Mikroalgen
Laufzeit: 01.10.2013 bis 30.04.2014
Mikroalgen sind ein sich entwickelnder Rohstoff für verschiedene Anwendungen, einschließlich der Extraktion von Lebensmittelbestandteilen. In diesem Rahmen wird der Einfluss der Trocknung auf den Gesamtlipidgehalt und die Lipidzusammensetzung untersucht. Ziel ist es, Prozessbedingungen zu identifizieren, die zu einer hohen Ausbeute an ernährungsphysiologisch wertvollen (Omega-) Lipiden führen.
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Modellierung der Kapillarkräfte bei der Konvektionstrocknung von Gelen: Einfluss von Produkt- und Prozessparametern auf Strukturerhaltung und Strukturänderung (Teilprojekt des SPP 1273 Kolloidverfahrenstechnik)
Laufzeit: 01.04.2012 bis 31.03.2014
Um die günstige Konvektionstrocknung zur Herstellung hochporöser Gele zu erschließen, wird der Einfluss von Gelstruktur, Stoffparametern sowie Trocknungsbedingungen auf die mechanische Beanspruchung und Schädigung dieser fragilen Partikelaggregate untersucht. Hierzu wird zum einen eine Kombination von Volume-of-fluid-Methode (für die Flüssigkeitsverteilung) und Diskrete-Elemente-Methode (für die Wirkung der Kapillarkräfte) eingesetzt, zum anderen werden Trocknungsexperimente im Röntgen-Mikrotomographen durchgeführt.
Wärmeübertragung und Feuchtigkeitsmigration in Festbett-Bioreaktoren für die Fermentation
Laufzeit: 20.01.2013 bis 19.01.2014
Festbett-Bioreaktoren können zur Herstellung von Mehrwertprodukten (z. B. Enzymen) durch Fermentation aus festen Nebenprodukten der Agrarindustrie eingesetzt werden. Es werden Modelle für den Entwurf und die Optimierung solcher Bioreaktoren mit besonderem Schwerpunkt auf ihrem Wasserhaushalt entwickelt.
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Untersuchung der Lotionsverteilung in Feuchttüchern mit Porennetzwerkmodellen und Röntgen-Mikrotomographie
Laufzeit: 01.12.2010 bis 30.11.2013
Feuchttücher sind nicht-gewobene Fasermaterialien, die mit einer Waschlotion getränkt werden. Ihre Qualität bei der Hautreinigung und in der Handhabung hängt stark von Materialstruktur und räumlicher Verteilung der Flüssigkeit ab. Das Projekt benutzt Porennetzwerkmodelle und Röntgen-Mikrotomographie, um Flüssigkeitsverteilungen und Kapillarkrafteffekte von der Mikroebene ausgehend besser zu verstehen.
Herleitung von Agglomerationskernen aus diskreten oder Compartment Modellen für Sprühwirbelschichten
Laufzeit: 01.07.2010 bis 30.06.2013
Die zeitliche Entwicklung der Partikelgrößenverteilung während der Agglomeration in Sprühwirbelschichten lässt sich auf makroskopischer Ebene mit Hilfe von Populationsbilanzen erfassen, für die schnelle und effiziente Löser existieren. Jedoch scheitert die Methode in der Praxis an Unkenntnis über die kinetischen Parameter des makroskopischen Ansatzes (Agglomerationskern). Daher ist es Ziel des Projektes, diskrete mikroskalige Modelle des Prozesses (Monte Carlo) zur Parametrisierung der Populationsbilanzen zu nutzen. Dies ist auch deswegen interessant, weil die mikroskaligen Modelle Größen (z.B. Oberflächenfeuchte) liefern, die messtechnisch kaum zugänglich sind. Ergänzend hierzu werden Kombinationen von Populationsbilanzen für unterschiedliche Bereiche der Wirbelschicht benutzt, um eine für die gesamte Wirbelschicht als gültig angenommene Populationsbilanz zu parametrisieren.
Entwicklung einer Prozessstrategie zur Entstaubung und Beschichtung grobkörniger Produkte
Laufzeit: 01.05.2012 bis 30.04.2013
Es werden neue Wirbelschichttechnologien für die Beschichtung von Saatgut ("Beize") entwickelt. Ziel ist die Vermeidung von Staubbildung beim Austrag des Saatgutes, zur Schonung des Ökosystems. Darüber hinaus sind Energieeffizienz und Produktqualität beim Beschichtungsprozess im Fokus.
Porenskalige Experimente und Simulationen zur Trocknung von Partikelpackungen
Laufzeit: 01.05.2010 bis 30.04.2013
Partikelpackungen werden als Modellstrukturen für poröse Materialen benutzt, um Porennetzwerkmodelle für die Trocknung zu testen. Sowohl Experimente mit Röntgenmikrotomograph als auch Simulationen mit Volume-of-Fluid-Methode werden zu diesem Zweck eingesetzt.
Untersuchung von Agglomeratstruktur und Tropfentrocknung bei der Sprühagglomeration in Wirbelschichten
Laufzeit: 01.05.2010 bis 30.04.2013
Die Struktur von Agglomeraten, welche in Sprühwirbelschichten hergestellt werden, beeinflusst deren Gebrauchseigenschaften, z.B. ihre Rehydrierbarkeit. Die Trocknung der eingesprühten Tropfen auf der Partikeloberfläche kann für die Agglomerationskinetik maßgeblich sein. Strukturbildung und Trocknung sind Bestandteile moderner diskreter Methoden (Monte Carlo) zur Simulation der Agglomeration. Ziel des Projektes ist es, das Mikromodell zur Berechnung der Trocknung durch Berücksichtigung der thermischen Auswirkung des Substrats zu verbessern. Die Struktur realer Agglomerate wird mit Hilfe eines Röntgen-Mikrotomographen erfasst und mit Annahmen bzw. Voraussagen der Monte Carlo Simulation verglichen.
Vergleich von Porennetzwerkmodellen für die Trocknung mit Kontinuumsmodellen und Experimenten
Laufzeit: 01.12.2007 bis 30.11.2012
Porennetzwerkmodelle zur Beschreibung der Trocknung sollen mit traditionellen Kontinuumsmodellen verglichen werden. Hierzu werden effektive Parameter des Stoff- und Wärmetransports für teilgesättigte Porennetzwerke berechnet, die dann in der Kontinuumsmodellierung benutzt werden. Der Vergleich soll auf unterschiedlichen Komplexitätsebenen erfolgen, was die Berücksichtigung der Transportphänomene betrifft. Zudem werden Experimente zur Validierung der Porennetzwerkmodelle vorbereitet und durchgeführt.
Deaktivierung von Inhaltsstoffen bei der Sprühtrocknung von Milchprodukten
Laufzeit: 01.10.2009 bis 30.09.2012
Im Rahmen des Projektes wird die Deaktivierungskinetik von essentiellen Amminosäuren während der Sprühtrocknung untersucht. Dabei werden insbesondere Einflussparameter wie die Trocknungstemperatur und zeitliche Exposition untersucht. Zur Validierung der entwickelten Modelle werden auch experimentelle Untersuchungen am Einzeltropfen am akustischen Levitator durchgeführt.
Modellierung der Kapillarkräfte bei der Konvektionstrocknung von Gelen: Einfluss von Produkt- und Prozessparametern auf Strukturerhaltung und Strukturänderung (Teilprojekt des SPP 1273 Kolloidverfahrenstechnik)
Laufzeit: 01.04.2010 bis 31.03.2012
Um die günstige Konvektionstrocknung zur Herstellung hochporöser Gele zu erschließen, wird der Einfluss von Gelstruktur, Stoffparametern sowie Trocknungsbedingungen auf die mechanische Beanspruchung und Schädigung dieser fragilen Partikelaggregate untersucht. Hierzu wird zum einen eine Kombination von Volume-of-fluid-Methode (für die Flüssigkeitsverteilung) und Diskrete-Elemente-Methode (für die Wirkung der Kapillarkräfte) eingesetzt, zum anderen werden Trocknungsexperimente im Röntgen-Mikrotomographen durchgeführt.
Untersuchung des gekoppelten Wärme- und Stofftransports in Tropfen mit Mikro- und Nanopartikeln
Laufzeit: 01.01.2009 bis 31.12.2011
Das Projekt beschäftigt sich mit der Trocknung einzelner Tropfen, welche Mikro- und Nanopartikel enthalten. Der gekoppelte Wärme- und Stofftransport in Tropfen reiner Flüssigkeit ist gut verstanden, während der Wärme- und Stofftransport in Tropfen, welche Mikro- und Nanopartikeln enthalten, noch nicht sorgfältig untersucht ist. Es soll die Aggregation und Diffusion der Nanopartikeln innerhalb der Tropfen während des Trocknungsvorganges untersucht werden. Der Fokus liegt hierbei in der populationsdynamischen Untersuchung der Aggregation mit dem Ziel, die Struktur der getrockneten Partikeln vorherzusagen. Für die Lösung der Populationsbilanzen sollen eine numerische Methode genutzt werden. Neben der theoretischen Bedeutung, hat die Untersuchung dieser Transportvorgänge auch eine große praktische Bedeutung für Optimierung von Formulationsprozessen in der Industrie (z.B. Biotechnologie, Pharmazie etc.).
Energetische Optimierung kontinuierlicher Wirbelschichtprozesse (Teilproject 8, WIGRATEC)
Laufzeit: 01.08.2010 bis 31.07.2011
Formulierungsprozesse (Granulation, Coating, Agglomeration) in kontinuierlich betriebenen Sprühwirbelschichten sind energetisch aufwändig, weil das eingesprühte Lösungsmittel (meistens Wasser) zwecks Formulierung der festen Phase getrocknet werden muss. Der Energiebedarf lässt sich durch Wärmerückgewinnung stark reduzieren. Es ist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen nicht möglich, die verschiedenen Möglichkeiten zur Gestaltung der Peripherie der Wirbelschicht zwecks Wärmerückgewinnung materiell bereit zu halten. Es ist daher Ziel des Projektes, eine reale Wirbelschichtanlage mit einer virtuellen Erfassung der Peripherie so zu kombinieren, dass energetisch optimierte Verfahren für verschiedene klimatische Bedingungen entwickelt und hinsichtlich der zu erwartenden Produktqualität (deren Modellierung schwierig ist) experimentell überprüft werden können.
VIERforES - Energietechnik
Laufzeit: 01.11.2008 bis 31.03.2011
Die Vision der European Technology Plattform "SmartGrid" und die Ziele der gegenwärtigen Forschungsprogramme verdeutlichen, dass sich die Stromversorgungsnetze und insbesondere die Verteilungsnetze verändern werden. Dies betrifft auch die Energiewandlungsanlagen in diesen Netzen. Dabei ist zu erwarten, dass die Verteilungsnetze nicht nur Aufgaben der Anlagenüberwachung, -steuerung und Versorgungsqualitätssicherung bewältigen, sondern auch für allgemeine Systemdienstleistungen zuständig sein werden. Dies macht eine zunehmende Überwachung von Qualitätsmerkmalen sowohl global (Netz) als auch lokal (Anlage) notwendig. Dabei müssen die Überwachungseinrichtungen als ein eingebettetes System zusammenarbeiten. Die sichere und zuverlässige Führung eines elektrischen Netzes mit dazugehörigen Energiewandlungsanlagen kann nur unter einer ständigen Beobachtung relevanter Parameter des Gesamtsystems gewährleistet werden. Diese Parameter müssen kontinuierlich gemessen, ausgewertet und geeignet visualisiert werden, um Aussagen zur Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Netzen und der darin eingebetteten Anlagen treffen zu können. Die Herausforderung für das Anwendungsgebiet Energietechnik ist es daher, Konzepte und Werkzeuge zu entwickeln und prototypisch umzusetzen. Mit ihnen soll unter den neuen Randbedingungen ein bestehendes elektrisches Netzwerk mit Energiewandlungsanlagen sicher weiter betrieben werden. Dies erfordert von der Netzüberwachung und von der Verfügbarkeit dezentraler Anlagen eine neue Überwachungsqualität. Gesamtziel dieses Teilprojektes ist es, durch Anwendung neuer, virtueller Technologien für die elektrischen Netze unterschiedlicher Spannungsebenen und Arten sowie für die in diese Netze eingebetteten dezentralen Energiewandlungsanlagen Überwachungs- und Leitsysteme zu schaffen.
Simulation der Feuchtemigration in porösen Medien auf der Porenebene
Laufzeit: 01.09.2009 bis 30.11.2010
Mit einem Porennetzwerkmodell wird die Umverteilung der Porenflüssigkeit in faserporösen Medien im Schwerefeld beschrieben und untersucht. Der Einfluss der Porenstruktur auf die Flüssigkeitsverteilung wird beleuchtet.
Untersuchung der Mikroprozesse bei der Wirbelschicht-Agglomeration
Laufzeit: 01.10.2006 bis 30.09.2010
Die Partikelbildung bei der Wirbelschichtagglomeration stellt einen komplexen Vorgang dar, welcher von einer Vielzahl von Produkt- und Prozessparametern gesteuert und beeinflusst werden kann. Eine Möglichkeit der Modellierung der Partikelbildung in Wirbelschichten besteht in der Anwendung des Konzeptes der Populationsbilanzierung. Durch die Berücksichtigung signifikanter Mikroprozesse wie beispielsweise die Tropfenspreitung, das Trocknen von Tropfen und Flüssigkeitsbrücken, die Kollision von Partikeln kann die Partikelbildung unter Nutzung von Monte-Carlo-Simulationen direkt simuliert werden. Das Vorhaben fokussiert auf der Identifikation und der Beschreibung relevanter Mikroprozesse, deren Kopplung in einem populationsdynamischen Modell sowie der experimentellen Validierung der Ergebnisse.
Modellierung der kontinuierlichen Wirbelschichttrocknung unter Anwendung von Populationsbilanzen
Laufzeit: 01.11.2006 bis 31.03.2010
In diesem Projekt werden mit Hilfe von populationsdynamischen Ansätzen Feuchteverteilungen von dispersen Feststoffen in kontinuierlich betriebenen
Wirbelschichttrocknern beschrieben. Ziel dieser Untersuchungen ist es,
den Einfluss der unterschiedlichen Verweilzeiten auf die Qualität der
Produkte zu beschreiben.
Wärme- und Stofftransport in anorganischen Membranen
Laufzeit: 01.03.2005 bis 31.12.2009
Es werden die Transportvorgänge in Membranen und mit Katalysator gepackten Membranreaktoren untersucht. Dabei konzentriert man sich auf poröse metallische Membranen. Asymmetrische keramische Membranen wurden in einer früheren Periode des Projektes untersucht. Es werden unter anderem neuartige Methoden zur zerstörungsfreien Identifikation der Stofftransportparameter von Kompositmembranen entwickelt. Die Membranreaktoren werden für partielle Oxidationen und Dehydrierungen eingesetzt.
Modellierung der Kapillarkräfte bei der Konvektionstrocknung von Gelen: Strukturerhaltung durch Optimierung von Produkt- und Prozessparametern (Teilprojekt des SPP 1273 Kolloidverfahrenstechnik)
Laufzeit: 01.12.2007 bis 30.11.2009
Zwei diskrete Modellierungsmethoden werden zu einem Rechenwerkzeug kombiniert, welches den Effekt der Kapillarkräfte während der konvektiven Trocknung eines Gels (als Aggregat aus Primärpartikeln) beschreiben kann. Mit der Volume-of-fluid-Methode wird dabei die Flüssigkeitsverteilung im trocknenden Gel bestimmt; die Diskrete-Elemente-Methode beschreibt die daraus resultierenden Kräfte auf die Partikelkontakte sowie deren Bruch und das Schrumpfen der Struktur.
Diskrete Modellierung mechanischer Effekte bei der Trocknung poröser Medien
Laufzeit: 01.10.2006 bis 30.09.2009
Während der Trocknung poröser Materialien können durch Feuchte- und Temperaturgradienten erhebliche Kräfte auftreten, welche zu einer unerwünschten Strukturveränderung führen. Das poröse Material wird als ein Partikelagglomerat modelliert; zur Berechnung der Flüssigkeitsverteilung in den Poren wird das komplementäre Porennetzwerk herangezogen; die mechanischen Effekte zwischen den Primärpartikeln werden mit Hilfe der Diskrete-Elemente-Methode beschrieben. Ziel des zunächst isothermen Ansatzes ist es, günstige Trocknungsbedingungen und Struktureigenschaften zu identifizieren, für welche Materialschädigungen vermieden werden.
Diskrete Modellierung thermischer Prozesse in bewegten Betten
Laufzeit: 01.10.2006 bis 30.09.2009
Das Projekt fokussiert auf die Kopplung der Diskreten Elemente Methode (DEM) mit der Beschreibung von Wärmeübertragungsmechanismen in durchmischten Schüttungen, wie sie beispielsweise in Kontakttrocknern auftreten. Traditionell werden derartig gekoppelte Prozesse mit Hilfe von Kontinuumsmodellen beschrieben. Eine Betrachtung der Prozesse Bewegung und Wärmeübertragung auf der Ebene der Einzelpartikel erlaubt jedoch eine wesentlich bessere Beschreibung derartiger Prozesse. Neben der Methodenentwicklung (Thermische DEM) werden auch experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung von Temperaturverteilungen in durchmischten Schüttungen durchgeführt.
Mikroskopisches Verständnis der Mehrkomponenten-Flüssigkeitsmigration in Fasernetzwerken
Laufzeit: 01.09.2006 bis 31.08.2009
In Zusammenarbeit mit der Firma Procter & Gamble und mit dem DFG-Graduiertenkolleg "Mikro-Makro-Wechselwirkungen in strukturierten Medien und Partikelsystemen" wird in diesem Projekt der Flüssigkeitstransport in faserbasierten porösen Medien mit Hilfe von ein-, zwei- und dreidimensionalen Porennetzwerken untersucht.
Feuchteverteilung während der Lagerung granularer Produkte
Laufzeit: 01.10.2004 bis 30.11.2008
Änderungen der Umgebungstemperatur führen zur Umverteilung der Restfeuchte von getrockneten Produkten in Silos, bis hin zur Kondensation an der Wand ("silo rain"). Um solche unerwünschten Effekte besser unterbinden zu können, werden erstmalig realitätsnahe Simulationen entwickelt. In diesen werden alle beteiligten Vorgänge berücksichtigt (Abkühlung des Produktes, freie Konvektion, Diffusion, Adsorption und Desorption).
Nicht-isotherme Porennetzwerkmodelle für die Trocknung poröser Medien
Laufzeit: 01.06.2005 bis 31.05.2008
Es werden diskrete Modelle entwickelt, die es einerseits erlauben, den Einfluß der Mikrostruktur des Produktes auf dessen Trocknungskinetik zu erfassen und andererseits die dabei im Körper entstehenden Temperaturfelder vollständig berechnen. Die Porennetzwerkmodelle werden sowohl auf die Konvektionstrocknung wie auch erstmalig auf die Kontakttrocknung angewendet.
Feuchtemigration bei der Lagerung disperser Feststoffe
Laufzeit: 01.11.2004 bis 31.10.2007
Auch bei sehr kleinen mittleren Beladungen wird bei der Lagerung noch warmer Feststoffe häufig eine Feuchtemigration beobachtet, die die Produktqualität wesentlich beeinträchtigen kann. Die im Festbett dabei ablaufenden, miteinander gekoppelten Vorgänge des Wärmetransports (Abkühlung), der Desorption, des Stofftransports, der Rekondensation bzw. Adsorption und - u. U. - der freien Konvektion werden experimentell wie auch theoretisch untersucht. Zur Bestimmung der Feuchteprofile wird - neben anderen Methoden - der Einsatz der MRI ausprobiert.
Populationsbilanzen im kontinuierlich betriebenen Wirbelschichttrockner
Laufzeit: 01.11.2002 bis 31.10.2007
In diesem Projekt werden mit Hilfe von Populationsbilanzen unter anderm Feuchteverteilungen von dispersen Feststoffen aufgrund unterschiedlicher Verweilzeiten im kontinuierlich betriebenen Wirbelschichttrockner beschrieben. Ziel dieser Untersuchungen ist es, den Einfluss der unterschiedlichen Verweilzeiten auf die Qualität der Produkte zu beschreiben.
Trocknung von Polymeren
Laufzeit: 01.10.2004 bis 30.09.2007
Ziel des Projektes ist es, das Trocknungs- und Sorptionsverhalten von Kunststoffpartikeln mittels einer Magnetschwebewaage experimentell zu untersuchen sowie durch verschiedene Modellierungsansätze zu beschreiben.
Zusammenhang zwischen Struktur und Trocknungsverhalten bei porösen Medien
Laufzeit: 01.10.2002 bis 30.09.2007
Unterschiedliche Modellierungsansätze werden dazu herangezogen, den Einfluss der Porenstruktur auf das Trocknungsverhalten zu untersuchen; dies sind zum einen ein schrittweise erweitertes Porennetzwerkmodell, das letztlich alle relevanten Wärme- und Stofftransportphänomene beinhalten soll, zum anderen ein durch Volumenmittelung abgeleitetes Kontinuummodell. Bei letzterem stellt sich die Frage, wie die effektiven Transportparameter bestimmt werden können; sie sollen mittels Porennetzwerken berechnet werden, so dass zugleich ein Test der unterschiedlichen Modellansätze auf Äquivalenz möglich wird.
ConneCat-Toolbox Membranreaktoren
Laufzeit: 01.07.2003 bis 30.06.2006
Es handelt sich um ein BMBF-Verbundproket in dem verschiedene aussichtsreiche Membranraktorkonfigurationen theoretisch und experimetell untersucht werden sollen.Partner sind u.a. Uni Hannover, RWTH Aachen, ACA Berlin, Krupp-Uhde, Bayer AG, Borsig AG. In Magdeburg sollen theoretische Berechnungen zur membrangestützten Herstellung von Synthesegas durchgeführt werden.
Diskrete Modellierung thermischer Prozesse in bewegten Betten
Laufzeit: 01.07.2003 bis 28.02.2006
Am Beispiel von Stoff- und Wärmeübertragungsprozessen in durchmischten Schüttungen wird in diesem Projekt diskrete mathematische Modellierung durchgeführt
Porennetzwerkmodelle für die Trocknung poröser Medien
Laufzeit: 01.03.2003 bis 28.02.2006
In diesem Projekt wird der Stofftransport bei der Trocknung poröser Medien theoretisch mit Hilfe eines Porennetzwerks unter isothermen Bedingungen modelliert; insbesondere wird hierbei der Einfluss der Porenstruktur untersucht. Das Projekt ist Teil des DFG-geförderten Graduiertenkollegs "Mikro-Makro-Wechselwirkungen in strukturierten Medien und Partikelsystemen".
Einfluss der Mikrostruktur auf das Trocknungsverhalten poröser Medien
Laufzeit: 01.01.2003 bis 31.12.2005
Innerhalb des DFG-geförderten Graduiertenkollegs Mikro-Makro-Wechselwirkungen in strukturierten Medien und Partikelsystemen wird in diesem Projekt untersucht, inwieweit die Porengrößenverteilung das Trocknungsverhalten beeinflusst. Hierzu wird ein Kontinuummodell zur Beschreibung des Wärme- und Stofftransports im porösen Medium verwendet, dessen effektive Transportkoeffizienten aus der Porengrößenverteilung berechnet werden.
Diskrete Partikelsimulation thermischer Prozesse in bewegten Betten
Laufzeit: 01.09.2003 bis 31.08.2005
Innerhalb des DFG-Graduiertenkollegs "Mikro-Makro-Wechselwirkungen in strukturierten Medien und Partikelsystemen" werden in diesem Projekt thermische Prozesse, insbesondere Stoff- und Wärmetransport bei Trocknung in bewegten Betten, über diskrete Partikelsimulation mathematisch modelliert
Stoff- und Wärmetransport in anorganischen Membranen
Laufzeit: 01.03.2002 bis 31.08.2005
Im Rahmen der DFG-Forschergruppe "Membranunterstützte Reaktionsführung" werden theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Stoff- und Wärmetransport in zylindrischen anorganischen Membranen durchgeführt.
Fließschema-Simulation von Feststoffprozessen; Konvektionstrocknung
Laufzeit: 01.04.2003 bis 31.03.2005
Im Rahmen des AIF-Initiativprogramms "Zukunftstechnologien für kleine und mittlere Unternehmen" werden in diesem Projekt Untersuchungen zur Fließschema-Simulation des Prozesses der Konvektionstrocknung durchgeführt. Dieses Vorhaben wird in Kooperation mit 10 weiteren Projekten an insgesamt 9 deutschen Universitäten bearbeitet.
Vergleich von Trocknungsverfahren
Laufzeit: 01.12.2002 bis 31.01.2004
Es gibt eine Vielzahl von Trocknungsverfahren und zugehörigen apparativen Lösungen, die industriell angewandt werden. Aufgrund des signifikanten Energieverbrauchs und der teils produktschädigenden Auswirkungen prozeßßbedingt hoher Temperaturen und Verweilzeiten sind die Anforderungen an einschlägige technologische Entwicklungen sehr hoch. Das Forschungsprojekt zieht produktbezogene Vergleiche, insbesondere neuerer Entwicklungen, auf verfahrens- und apparatetechnischer Basis.
Thermische Effekte in anorganischen Membranen und rohrförmigen Membranreaktoren
Laufzeit: 08.02.2002 bis 30.11.2003
Innerhalb der DFG-Forschergruppe "Membranunterstützte Reaktionsführung" erfolgten theoretische und experimentelle Untersuchungen von Wärmetransportphänomenen in anorganischen Membranen und rohrförmigen Membranreaktoren
Grundlagen der Dekontamination von Beton und anderen mineralischen Baustoffen
Laufzeit: 01.05.1999 bis 31.12.2002
Die Kinetik der Entferung einer Beladungsflüssigkeit aus einem porösen Körper mit Hilfe einer Waschflüssigkeit steht im experimentellen wie auch theoretischen Mittelpunkt des Projekts. Es gilt, dafür wichtige Mechanismen wie Diffusion, Verdrängung und Grenzflächeneffekte möglichst differenziert zu verstehen und zu beschreiben. Dementsprechend werden Versuche im Labormaßstab mit gezielten Kombinationen verschiedener flüssiger Modellsubstanzen (Wasser, Isopropanol, wässrige Tensidlösungen, Öl, organische Lösungsmittel) und poröser Modellkörper durchgeführt. Während die Dekontamination von Baustoffen als Anwendung explizit genannt wird, werden Feststoffe auch in vielen anderen Fällen gewaschen, z.B. oft nach der Reaktion in der chemischen Industrie.
Vermeidung der Bildung von Ablagerungen aus Trocknerabgasen bei der Wärmerückgewinnung
Laufzeit: 01.11.1998 bis 30.04.2001
Sowohl mit Partikeln wie auch mit Dämpfen beladene Trocknerabgase neigen zur Bildung von Ablagerungen an kalten Wärmeübertragerflächen, was eine Wärmerückgewinnung wesentlich erschwert. Eine das Abgas gezielt simulierende, mit einer intelligenten Meßsonde ausgestattete Versuchsapparatur soll entsprechende Untersuchungen ermöglichen. Ziel ist es, aus einem besseren Verständnis der Vorgänge heraus, Maßnahmen zur Vermeidung der Bildung von Ablagerungen abzuleiten. Theoretisch besonders interessant erscheint die Wechselwirkung zwischen Kondensation und Partikelfouling.
Tailoring drying kinetics
Laufzeit: 01.08.1996 bis 31.01.2001
Methoden und Werkzeuge zur Erhaltung oder gar Verbesserung der Produktqualität bei der Trocknung stehen im Mittelpunkt des Netzwerkes. Ziel des Magdeburger Projekts ist, den Zusammenhang zwischen Struktur poröser Partikeln und Trocknungskinetik systematisch zu erfassen. Dazu wird das Trocknungsverhalten von speziell hergestellten, in ihrer mittleren Porosität und/oder ihrem mittleren Porendurchmesser variierenden Keramiken an Einzelpartikeln bzw. in Laborwirbelschichten untersucht. Dem Projekt kommt Pilotcharakter zu, da es beabsichtigt ist, die Suche nach quantifizierbaren, theoretisch beschreibbaren Korrelationen zwischen porösen Strukturen und Wirkungen auf weitere Prozeß- bzw. Produkteigenschaften auszudehnen.
Wärme- und Stoffaustausch in Wirbelschichttrocknern
Laufzeit: 01.05.2000 bis 31.12.2000
Praxisorientierte Auslegung von Wirbelschichttrocknern
Trocknung in Wirbelschichten mit indirekter Beheizung
Laufzeit: 01.10.1998 bis 30.09.2000
Während sowohl über die rein konvektive Wirbelschichttrocknung wie auch über die Wärmeübertragung von einer Heizfläche an trockenes, inertes Wirbelgut zuverlässige Kenntnisse existieren, wird der kombinierte Fall der Wirbelschichttrocknung mit indirekter Beheizung erst in diesem Projekt systematisch untersucht. Es gilt herauszufinden: a) wie sich die Verdunstung (die Wärmesenke in den Partikeln) auf den Wärmeübergang Heizelement - Bett auswirkt; b) wie die indirekte Energiezufuhr bei der Modellierung des Prozesses am besten berücksichtigt werden kann. Beheizbare Einbauten werden in Wirbelschichtapparaten häufig eingesetzt, oft sind sie die einzige Möglichkeit zur nachträglichen Kapazitätserhöhung.
Untersuchung Klärschlamm- und Trocknungsanlage
Laufzeit: 01.05.1999 bis 31.08.2000
Dynamische Modellierung und Regelung von Klärschlammanlagen
Thermische Behandlung granularer Kunststoffe
Laufzeit: 01.04.2000 bis 30.06.2000
Entfernung von Restmonomeren und Herstellung optimaler Produktqualität industrieller Kunststoffe durch thermische Behandlung in Wirbelschichten
Unterdruckentgasung von Einzeltropfen
Laufzeit: 01.03.1997 bis 29.02.2000
Die Desorption aus Einzeltropfen wird am Stoffsystem Ammoniak-Wasser untersucht, das keine der sonst üblichen Vereinfachungen zuläßt: der gasseitige wie auch der flüssigseitige Stofftransport müssen berücksichtigt werden, die Wärmetönung ist stark, das Realverhalten der Flüssigkeit ausgeprägt, die Verdunstung des Wassers selbst u.U. signifikant, die Änderung des Gaszustandes oft wesentlich. Es wird ein akustischer Stehwellenpositionierer eingesetzt, Ergänzungsversuche finden am Thermoelementendraht statt. Neben Experimenten bei Normaldruck werden auch Unterdruckversuche durchgeführt, um Änderungen im Mechanismus der Entgasung - das Auftreten heterogener Keimbildung - aufzuspüren. Hintergrund der Studie ist die Auslegung von Sprühschichtapparaten für die Prozeß- und Umwelttechnik.
Feuchtemigration bei der Lagerung disperser Feststoffe
Laufzeit: 01.01.1998 bis 31.12.1999
Auch bei sehr kleinen mittleren Beladungen wird bei der Lagerung noch warmer Feststoffe häufig eine Feuchtemigration beobachtet, die die Produktqualität wesentlich beeinträchtigen kann. Die im Festbett dabei ablaufenden, miteinander gekoppelten Vorgänge des Wärmetransports (Abkühlung), der Desorption, des Stofftransports, der Rekondensation bzw. Adsorption und - u. U. - der freien Konvektion werden experimentell wie auch theoretisch untersucht. Zur Bestimmung der Feuchteprofile wird - neben anderen Methoden - der Einsatz der MNR ausprobiert.
Modellierung des dynamischen Verhaltens von Wirbelschichttrockern zum Zweck der Regelung
Laufzeit: 01.09.1996 bis 31.08.1999
Es wird unter Berücksichtigung aller maßgeblichen Bilanzen und Kinetiken sowie der Populationsdynamik der Partikeln ein physikalisch begründetes Modell für die kontinuierliche Wirbelschichttrocknung abgeleitet. Auf seiner Basis und unter Berücksichtigung der starken nicht-Linearität des Prozesses werden Regelungs- und Steuerungskonzepte entwickelt und implementiert. Validierung und Bewertung werden durch Experimente in einem kontinuierlichen Wirbelschichttrockner unter stationären wie auch unter dynamischen Bedingungen ermöglicht. Dabei wird die Feuchtebeladung der Feststoffe mit Mikrowellen, die Feuchtebeladung des Abgases mit einem IR-Spektrometer bestimmt.
Einfluß der Marangoni-Konvektion auf die Stoffübertragung während der Verdunstung eines binären Gemisches durch einen ebenen Spalt
Laufzeit: 01.07.1998 bis 30.06.1999
Zur quantitativen Erfassung des Einflusses von Grenflächeninstabilitäten auf den flüssigseitigen Stofftransport wird die Verdunstung eines binären Gemisches aus ebenen Spalten in Inertgas experimentell untersucht. Zentrale Meßgröße ist dabei die Änderung der Flüssigkeitszusammensetzung mit der Menge, d.h. die Selektivitätskurve der Verdunstung. Aus dieser Kurve lassen sich bei bekannter Thermodynamik und separat bestimmter gasseitiger Kinetik flüssigseitige Stoffübergangskoeffizienten berechnen. Letztere verändern sich bei grenzflächeninstabilen Konfigurationen während der Verdunstung und je nach Versuchseinstellung. Sie liegen mitunter um mehrere Größenordnungen über dem Basiswert, der sich aus dem binären Diffusionskoeffizienten und der Spalttiefe ergibt. Auch die Wärmetönung der Verdunstung spielt dabei eine Rolle. Da die Auswertung die Zustandsvariablen der Grenzfläche mitliefert, ist die Entwicklung von Korrelationen prinzipiell möglich.