BioMix - Analyse der Strömung und Durchmischung in Fermentern von Biogasanlagen bei unterschiedlichen Rührergeometrien

Die Durchmischung der Substrate in Biogasfermentern ist für die Gaserzeugung und die Methangasausbeute von sehr großer Bedeutung. Jedoch ist die Strömungsform und dadurch entstehende Durchmischung derzeit kaum zu messen. Mit neuen Sensoren wird versucht, dazu Messungen an realen Fermentern durchzuführen. Zur Bestimmung der Strömungseigenschaften ist die richtige Positionierung der Sensoren im Fermenter sehr bedeutsam. Die erforderliche Positionierung der Sensoren im Fermenter ist vor allem abhängig von der Anordnung und der Geometrie des Rührwerks. Jedoch gibt es derzeit keine Analysen darüber, welche Position am Fermenter für die Erfassung der Strömungsverhältnisse geeignet ist. Das Ziel im Rahmen des Projektes, ist es Stellen am Umfang des Fermenters zur optimalen Positionierung eines Sensorsystems zu definieren, die Aufschluss über die Durschmischungsqualität geben können. Diese sollen in Abhängigkeit des Durchmesserverhältnisses von Fermenter und Rührwerk, des Rührwerkstyps, der Drehzahl des Rührwerkes und der dynamischen Viskosität des Fermenterinhaltes definiert werden.

Dazu werden numerische Strömungssimulationen mit unterschiedlichen Rührwerkstypen durchgeführt. Dazu zählen ein Tauchmotorrührwerk, ein Langachsrührwerk und ein Paddelrührwerk.

Zur Validierung der Ergebnisse der Strömungssimulationen wird eine Laboranlage mit 2D‑PIV System im Technikum gebaut. Diese ermöglicht die messtechnische Untersuchung des Strömungsbildes und deren Geschwindigkeitsdifferenzen bei Änderung der Rührerdrehzahl von unterschiedlichen Rührwerken.

In der Laboranlage wird eine transparente Modellflüssigkeit, welche Partikel enthält, verwendet. Mit einem Laser (Particle-Image-Velocimetry) und einer Kamera wird in unterschiedlichen Schichthöhen der transparenten Modellflüssigkeit die darin vorkommende Partikelbewegung erfasst. So kann die Strömung in der Fermenterflüssigkeit bei unterschiedlichen Rührwerken gemessen werden. Die unterschiedlichen Modell-Rührwerke unter anderem mittels 3D-Druck hergestellt.

Ziel:

• Positionierungskriterium für ein Sensorsystem zur Erfassung der Durchmischungsqualität

Methoden:

• Dimensionsanalyse des Mischvorgangs im Biogasfermenter
• Auslegung eines Mixer-Versuchsstandes anhand der Dimensionsanalyse
• CFD Simulation
• Beschaffung und Aufbau des Versuchsstandes zur Validierung der Strömungssimulation
• Experimentelle Arbeiten am Versuchsstand mittes 2D‑PIV System und Datenanalyse