1,721,003 research outputs found
Developing Insulating Polymeric Foams: Strategies and Research Needs from a Circular Economy Perspective
Full text linkInsulating polymeric foams have an important role to play in increasing energy efficiency and therefore contributing to combating climate change. Their development in recent years has been driven towards the reduction of thermal conductivity and achievement of the required mechanical properties as main targets towards sustainability. This perception of sustainability has overseen the choice of raw materials, which are often toxic, or has placed research efforts on optimizing one constituent while the other necessary reactants remain hazardous. The transition to the circular economy requires a holistic understanding of sustainability and a shift in design methodology and the resulting research focus. This paper identifies research needs and possible strategies for polymeric foam development compatible with Circular Product Design and Green Engineering, based on an extensive literature review. Identified research needs include material characterization of a broader spectrum of polymer melt–gas solutions, ageing behavior, tailoring of the polymer chains, detailed understanding and modeling of the effects of shear on cell nucleation, and the upscaling of processing tools allowing for high and defined pressure drop rates
Near Future Testing Requirements for Joints in Modern District Heating Networks
Full text linkAbstractDue to manual installation of joints, the connection of the single pipe segments is one major influence for the performance of the whole network system. For granting joint quality, minimum requirements have to be proven in a standardized European test. Recommendations for the improvement of the test procedure are given. Furthermore expected operational loads in modern district heating networks are discussed. Since flexible operation of combined heat and power plants is necessary due to peak loads from feeding in of renewable energy sources, a different load spectrum is expected for the district heating network in the future. Possible amendments for the testing may be derived and a first step for understanding the load spectrum of joints in modern district heating networks is discussed
A Circular Economy Approach to Multifunctional Sandwich Structures: Polymeric Foams for District Heating Pre-Insulated Pipes
Full text linkDistrict heating pre-insulated pipes are a sandwich structure of material layers. Polyurethane foam bonds the medium pipe with the casing, providing an insulating function as well as a load bearing function. The high toxicity of the di-isocyanates required for its manufacturing triggers the need for a replacement. In this work, alternatives have been researched and developed considering the requirements of the circular economy. Two technology readiness levels (TRL) were covered. The higher TRL involved the evaluation of commercially available polymeric foam alternatives. Polyethene terephthalate foam was selected, and its ageing behaviour concerning degradation sources inherent to the application was studied in detail to confirm the fulfilment of the required service life. No degradation of the mechanical properties was found after exposure to thermal cycles or hygrothermal conditions at temperatures below its glass transition, which would correspond to the scenario of groundwater ingress. The previously determined highest service temperature of 80ºC was found conservative, as annealing at 100ºC increases its strength, allowing this service temperature. All results suggest it is a suitable candidate for the insulation of steel medium pipes. The fast embrittlement upon exposure to hot moisture, as would occur due to permeation of the heat carrier through a plastic pipe, prevents its recommendation for this case.The lower TRL research involved the re-evaluation of the complete sandwich assembly, from a cradle-to-cradle perspective. The foamability of polybutene-1 was explored, with the ultimate target of allowing the manufacturing of the sandwich element out of a single material, as to facilitate its recycling. Favourable grades for foaming were identified, confirming its foamability. The relationships between process parameters and the foam’s microstructure were evaluated. Foams in the required size for mechanical and insulating properties characterization were successfully produced. Mechanical properties of PU from state-of-the-art flexible plastic medium pipes fall in the prediction bands obtained from the produced PB-1 foams. This provides confidence on the suitability for the application.Vorgedämmte Fernwärmerohre bestehen aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien. Im Standardfall verbindet ein Polyurethanschaum das Mediumrohr aus Stahl mit der Ummantelung aus Polyethylen. Der Schaum hat die Funktion der Wärmedämmung und ist für den kraftschlüssigen Verbund zwischen den Schichten zuständig. Durch die hohe Toxizität der für die Herstellung von Polyurethan erforderlichen Di-Isocyanate ist die Nachhaltigkeit des Polyurethanschaumes in Frage gestellt und es ist zukünftig wahrscheinlich ein Ersatz erforderlich. In dieser Arbeit wurde unter Berücksichtigung der Anforderungen der Kreislaufwirtschaft untersucht, welche Alternativen möglich sind. Es wurden dabei zwei unterschiedliche Stufen des technologischen Reifegrades (engl. TRL=Technology Readiness Level) abgedeckt. Auf dem höheren Reifegrad wurden kommerziell verfügbare polymere Schaumstoffalternativen bewertet. Ausgewählt wurde der Polyethylenterephthalat-Schaumstoff, dessen Alterungsverhalten im Hinblick auf anwendungsspezifische Degradationsquellen eingehend untersucht wurde. Dabei wurde keine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften festgestellt, nachdem der Schaum thermischen Zyklen oder hygrothermischen Lastkollektiven bei Temperaturen unterhalb des Glasübergangs ausgesetzt war. Die in der Literatur verbreitete maximale Betriebstemperatur von 80 ºC erwies sich als konservativ. Es wurde festgestellt, dass durch das Glühen des Materials im Betrieb die Festigkeit erhöht wird, wodurch eine Betriebstemperatur von 100°C ermöglicht wird. Alle Ergebnisse deuten darauf hin, dass Polyethylenterephthalat ein geeigneter Kandidat für die Dämmung von Stahlmediumrohren ist. Bei Kunststoffmediumrohren ist infolge von Dampfdiffusion in die Dämmung eine schnelle Versprödung bei Einwirkung von heißer Feuchtigkeit zu erwarten. Daher kann Polyethylenterephthalat für die Dämmung von Kunststoffrohren nicht empfohlen werden.Auf dem niedrigeren Reifegrad wurde der gesamte mehrschichtige Aufbau von Rohrleitungen für den Wärmetransport unter dem cradle-to-cradle Prinzip neu bewertet. Die Schaumherstellung von recyclebaren Polybuten-1 wurde mit dem Ziel untersucht, eine vorgedämmte Rohrleitung für den Wärmetransport aus einem einzigen Material zu ermöglichen, um Schwierigkeiten der Materialtrennung für einen geschlossenen Materialkreislauf zu umgehen. Insbesondere wurde der Druckabfall, welcher den größten Einfluss auf die Mikrostruktur des Schaums hatte, im Herstellungsprozess eingehend untersucht. Letztlich wurden Schäume hergestellt, die alle technischen Anforderungen für den Einsatz beim leitungsgebundenen Wärmetransport erfüllten. Insbesondere liegen die mechanischen Eigenschaften der Polybuten-1-Schäume in der Größenordnung des bisher üblichen Polyurethan-Schaumes für flexible Wärmerohre
Transition to Smart Micromobility : Synergising Micromobility Infrastructures and Intelligent Technologies for a Sustainable Mobility Scenario in Barmbek Nord, Hamburg
Full text linkThis research investigates strategies to integrate Intelligent Transport Systems (ITS) with micromobility infrastructure in urban environments, focusing specifically on the case of Free and Hanseatic City of Hamburg. As cities worldwide adapt to growing demands for sustainable and efficient urban mobility solutions, the integration of data-driven ITS within micromobility infrastructure presents promising opportunities. This study identifies key challenges, emphasising enhancing the efficiency and convenience of small, low-emission vehicles like bicycles. Through a multi-layered research approach comprising literature review, case studies, urban and mobility analysis, and stakeholder interviews, this research develops adaptable, ITS-orientated solutions to address infrastructure challenges and improve micromobility scenarios at a scientifically selected study area. Results provide actionable strategies to optimise urban spaces for micromobility, bolster sustainability, and foster a connected smart city environment. While the study emphasises bicycle-centric data due to its prominence in Hamburg's micromobility landscape, broader micromobility modes are also considered in the conceptual framework. Ultimately, this research contributes to the growing body of knowledge on sustainable urban mobility by offering insights into scalable ITS solutions that enhance safety, accessibility, and the overall user experience
Development of an AI-Based Image Processing Tool for the Automated Detection and Measurement of Cells in PUR Foam Samples for Quality Assessment of District Heating Insulation Materials
Full text linkDiese Masterarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines KI-basierten Bildverarbeitungstools zur automatisierten Erkennung und Vermessung von Zellen in PUR-Hartschaumproben, um die Qualitätsprüfung von Fernwärmeisoliermaterialien zu unterstützen. Die Zellmorphologie von PUR-Hartschaum hat direkten Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit und Alterungsprozesse des Materials. Da herkömmliche Prüfverfahren nach DIN EN 253 manuell, zeitaufwendig und fehleranfällig sind, wurde ein Python-basiertes Analysewerkzeug entwickelt, das klassische Bildverarbeitungsmethoden (wie Thresholding, Watershed und Konturerkennung) sowie KI-gestützte Ansätze mit dem Detectron2-Framework kombiniert. Die Validierung erfolgte anhand synthetischer und realer Röntgenmikroskopieaufnahmen von PUR-Proben. Die Ergebnisse zeigen, dass das Tool Zellgrößen und Wandstärken präzise bestimmen kann und eine normgerechte Bewertung ermöglicht. Der entwickelte Code ist öffentlich zugänglich und leistet einen Beitrag zur Digitalisierung und Automatisierung der Materialprüfung in der Fernwärmebranche.This master's thesis presents the development of an AI-based image processing tool for the automated detection and measurement of cells in polyurethane (PUR) rigid foam samples, aiming to improve the quality inspection of district heating insulation materials. Since the morphology of PUR foam significantly influences its thermal properties and aging behavior, precise and efficient analysis is essential. Traditional manual inspection methods based on DIN EN 253 are often time-consuming and prone to errors. Therefore, a Python-based analysis tool was developed, combining classical image processing techniques—such as thresholding, watershed transformation, and contour detection—with AI approaches using the Detectron2 framework. Validation with both synthetic and real X-ray microscopy images demonstrated accurate cell size and wall thickness measurements. The tool enables objective and reproducible quality assessment and contributes to the digitalization and automation of material testing in the district heating sector. The code is publicly available via GitHub for transparency and further development
International Comparison of Normative Requirements for District Heating Pipeline Construction
Full text linkIm Zuge der Energiewende in Deutschland wird ein Ausbau von klimaneutralen Wärmenetzen mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien angestrebt und gefördert. Die Weiterentwicklung und Optimierung neuer sowie bestehender Fernwärmesysteme gewinnt daher zunehmend an Bedeutung.
Die vorliegende Thesis untersucht die technische Umsetzbarkeit sowie die Effizienzpotenziale bei einer Integration chinesischer und koreanischer Einzelrohr-Verbundsysteme in europäische Fernwärmenetze. Ziel der Analyse ist es, mögliche technische Herausforderungen und Unterschiede in der Leistungsfähigkeit zu bewerten. Auf dieser Grundlage wird ermittelt, inwiefern der Import internationaler Fernwärmeleitungen einen ökonomischen und klimapolitischen Mehrwert für den zukünftigen Netzausbau bieten kann und ob eine Umsetzung in diesem Kontext sinnvoll erscheint.
Die Bewertung der Realisierbarkeit einer Integration internationaler Einzelrohr-Verbundsysteme in europäische Fernwärmenetze erfolgt auf Grundlage eines systematischen Vergleichs der normativen Vorgaben Chinas und Koreas mit den in der Europäischen Union gültigen DIN-Normen und weiteren Richtlinien.
Es werden ausschließlich nach DIN EN 253 genormte, direkt erdverlegte Kunststoffmantelrohrsysteme betrachtet. Diese bestehen aus einem Mediumrohr aus Stahl, einer Schicht aus Polyurethan-Hartschaumdämmung und einer äußeren Ummantelung aus Polyethylen. Der Vergleich erfolgt durch die Gegenüberstellung normativer Strukturierungen, Materialeigenschaften der Rohrkomponenten sowie betriebsrelevanter Parameter der Rohrsysteme.
Aus den identifizierten Differenzen lassen sich spezifische Herausforderungen im Hinblick auf Druck- und Wärmeverluste sowie auf die Ausführung der Verbindungstechniken bei einer Kombination der Rohrsysteme ableiten.
Im Rahmen der Analyse der Druckverluste infolge geometrischer Abweichungen wurden für die Verbindung chinesischer und koreanischer Rohrsysteme mit europäischen Leitungen lediglich vernachlässigbare Differenzen ermittelt.
Im Gegensatz dazu zeigen sich bezüglich der Wärmeverluste deutliche Unterschiede. Das chinesische Rohrsystem weist aufgrund geringerer Dämmstärke und ungünstigerer Wärmeleitfähigkeit erhöhte Wärmeverluste auf, wohingegen das koreanische System die besten thermischen Eigenschaften zeigt.
Geometrische Differenzen führen zudem zu Anpassungsbedarf bei Schweiß- und Muffenverbindungen. Dies betrifft insbesondere chinesisch-europäische Kombinationen, bei denen abweichende Außendurchmesser zu Problemen bei der Passgenauigkeit und Dichtheit der Muffenverbindungen führen können. Koreanische Leitungen zeigen hingegen eine weitgehende Übereinstimmung mit den europäischen Systemen, wodurch der technische Anpassungsaufwand bei der Verbindung geringer ausfällt.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Konstruktion der Rohrverbindungen unter Berücksichtigung der geometrischen und werkstoffspezifischen Unterschiede der Rohrkomponenten individuell angepasst werden muss.
Die abschließende Bewertung der Realisierbarkeit einer Integration asiatischer Rohrsysteme in deutsche Fernwärmenetze kann nur unter Einbeziehung wirtschaftlicher und energetischer Faktoren erfolgen. Zwar ist durch den Import ein potenzieller Kostenvorteil hinsichtlich der Anschaffung zu erwarten, dieser kann jedoch durch erhöhte Wärmeverluste und den zusätzlichen konstruktiven Aufwand bei der Netzimplementierung langfristig zu einer Reduktion der Wirtschaftlichkeit und Effizienz führen.As part of Germany’s energy transition, the expansion of climate-neutral district heating networks with a high share of renewable energy is being promoted and pursued. In this context, the further development and optimization of both new and existing district heating systems is gaining increasing importance.
This thesis investigates the technical feasibility and efficiency potential of integrating Chinese and Korean single-pipe composite systems into European district heating networks. The aim of the analysis is to assess potential technical challenges and differences in performance. On this basis, the study evaluates whether the import of international district heating pipes can offer economic and climate policy benefits for future network expansion and whether such implementation appears feasible.
The evaluation of the integration potential is based on a systematic comparison of the regulatory frameworks in China and Korea with the applicable DIN standards and other directives in the European Union. Only directly buried, pre-insulated plastic-jacket pipe systems standardized according to DIN EN 253 are considered. These consist of a steel service pipe, a layer of polyurethane (PUR) rigid foam insulation, and an outer polyethylene (PE) casing. The comparison focuses on regulatory structures, material properties of the pipe components, and operationally relevant parameters.
From the identified differences, specific challenges arise with regard to pressure and heat losses as well as to connection techniques when combining different pipe systems.
The analysis of pressure losses due to geometric deviations revealed only negligible differences for combinations involving Chinese and Korean systems with European pipes. In contrast, there are significant differences in heat losses: the Chinese system, due to its lower insulation thickness and less favorable thermal conductivity, exhibits higher heat losses, whereas the Korean system demonstrates superior thermal performance.
Geometrical differences also necessitate adjustments in welding and socket connections. This is particularly relevant for Chinese-European combinations, where differing outer diameters can lead to problems with fit and sealing. Korean systems, on the other hand, show high compatibility with European pipes, thus requiring fewer technical adaptations.
In conclusion, pipe connection designs must be individually adapted, taking into account geometrical and material-specific differences. The final evaluation of the integration feasibility of Asian pipe systems into German heating networks must include both economic and energy-related factors. While lower procurement costs through imports are possible, these may be offset by increased heat losses and additional structural adjustments, potentially reducing long-term efficiency and economic viability
Untersuchung der Verbundscherfestigkeit von Kunststoffmantelrohren nach erfolgter Knickbelastung
Full text linkIn Betrieb genommene Fernwärmeleitungen unterliegen aufgrund des durchgeleiteten Heizwassers einer Temperaturlast ∆ > 0. Diese führt entweder zu einer Längenänderung der Leitungen oder, bei behinderter Dehnung, zu axialen Spannungen im Rohr. Um die Ausdehnungen zu kompensieren und auftretende Axialkräfte innerhalb der Rohrleitung zu minimieren, werden Fernwärmesysteme im Erdreich entsprechend ausgelegt. Wird jedoch die kritische Längskraft überschritten, kann es bei Freilegung oder unzureichendem Querwiderstand zum Biegeknicken der Rohrleitung kommen.
Das am meisten eingesetzte Rohrsystem in der Fernwärme ist das Kunststoffmantelrohr (KMR), das aus einem konzentrisch in einer Polyethylen-Ummantelung (PE) eingebetteten Stahl-Mediumrohr besteht. Der Hohlraum ist mit Polyurethan-Schaum (PUR) gefüllt.
Die temperaturbedingte Längendehnung von eingebauten KMR wird teilweise durch Reibungskräfte zwischen Bodenmaterial und PE-Außenmantel, in Kombination mit dem kraftschlüssigen Verbund des PUR-Schaums zwischen Stahl-Mediumrohr und PE-Ummantelung, reduziert. Die Einhaltung der Mindestscherfestigkeit des Verbunds ist gemäß DIN EN 253 erforderlich, um die Kraftübertragung sicherzustellen.
Im Rahmen dieser Arbeit werden Proben aus Kunststoffmantelrohren entnommen, die zuvor Biegeknickbelastungen ausgesetzt wurden. Diese Querschnitte werden hinsichtlich visueller Schäden am PUR-Schaum sowie geometrischer Veränderungen untersucht. Darüber hinaus wird die Verbundscherfestigkeit spezifisch ausgewählter Proben normgerecht überprüft.
Die Untersuchungen zeigen, dass keine eindeutigen Schäden wie Risse oder Brüche im PUR-Schaum festgestellt werden konnten. Auch eine unzulässige Degradation der Verbundfestigkeit konnte durch die experimentellen Prüfverfahren nicht nachgewiesen werden. Maßliche Abweichungen belegen jedoch werksseitige Unregelmäßigkeiten und lokale Verformungen einzelner Proben infolge des Biegeknickens
Life Cycle Assessment of District Heating Pipes; Comparing Polyurethane with Polyethylene Terephthalate Insulation
Full text linkDistrict Heating (DH) system has proven to be a viable solution for delivering heating, hot water, and cooling services to the end-users, in that it represents the most suitable energy solution for satisfying urban heat and cold demands. So, in order to keep evolving, district heating must constantly develop in response to the growing demands of a society striving towards sustainability. By this, the sustainability of this system needs to consider further aspects of material use and deploy a large-scale material efficiency which could be a crucial factor in obtaining a variety of additional environmental and economic benefits. In a typical DH distribution system, the pipe is an integral part. The commonly used DH pipe is the pre-insulated bonded pipe with steel carrier pipe, rigid polyurethane (PUR) foam, and high-density polyethylene (HDPE) casing. However, PET foam has been suggested as a suitable substitute for PUR foam.
This thesis therefore presents a comparative study to benchmark the environmental impacts for the manufacturing of polyurethane (PUR) foam insulated pipe and a conceptual polyethylene terephthalate (PET) foam insulated pipe based on Life Cycle Assessment methodology. The functional unit is taken to be “the production of 2.42 m length of a DN100 pre-insulated pipe”.
The results of life cycle assessments show that the process of manufacturing PUR foam insulated pipe has the largest environmental impacts across the selected impact categories, while the emissions are mostly noticeable in climate change and fossil depletion, which is mostly influenced by raw materials extraction and refinement. An evaluation of material layers indicated that steel pipe gives off the highest emission of all the material components in the pipe and methylene diphenyl diisocyanate (MDI) in the PUR foam. A comparison of insulations materials also showed that virgin PET foam has 28% less impact and when virgin PET in the PET foam is replaced with recycled PET, the impact was further reduced by up to 60%, thereby confirming it to be a suitable alternative. Furthermore, a sensitivity analysis showed that Substituting virgin PET foam with recycled PET foam in the overall system achieved the highest environmental benefits by approximately 12% and this savings in impacts is noticeable across almost all impact categories
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