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Möglichkeiten und Grenzen von Modellstoffsystemen zur hydrodynamischen Charakterisierung zentral gerührter Biogasanlagen
Altwasser, Sebastian
Aufgrund der gesetzlichen Rahmenbedingungen und des verstärkten Auftreten von Rührwerksausfällen in Biogasanlagen sind viele Firmen, die sich auf den Bau und die Inbetriebnahme von Biogasanlagen spezialisiert haben, gezwungen an den derzeitigen Bestandsanlagen umfangreiche Repowering-Maßnahmen durchzuführen. Oftmals gibt es jedoch nur sehr wenige oder gar keine Kenntnisse zur Hydrodynamik in solchen Anlagen, sodass die Auslegung der Rührwerke auf der Basis von Erfahrungswerten durchgeführt wird.
Die in dieser Arbeit beschriebenen Fluide gestatten die Betrachtung von strömungstechnischen Aspekten durch verschiedene Methodiken zur hydrodynamischen Charakterisierung zentral gerührter Biogasanlagen. Drei kritische Aspekte, die beim Betrieb solcher Anlagen auftreten, finden Betrachtung. Diese sind eine schlechte Durchmischung, Kavernenbildung und das Auftreten von Schwimm- und/oder Sinkschichten.
Im ersten Teil der Arbeit sind die Grundlagen des Biogasprozesses und allgemeine Aspekte der Rührtechnik kompakt beschrieben. Anschließend wird auf das angewandte Metzner-Otto-Verfahren zur Ermittlung der Rheologie der Substrate eingegangen. In diesem Zusammenhang erfolgt die Vorstellung des angewandten Modells zur Darstellung der nicht Newton'schen Reynolds-Zahl. Abschließend werden verschiedene Modelle zur Beschreibung von Kavernenform und –größe vorgestellt. Im experimentellen Teil erfolgen die Vorstellung der gemessenen Ne-Re-Kurven der genutzten Rührer und die daraus abzuleitenden Konstanten. Einen weiteren wichtigen Punkt bilden die Fließkurven des betrachteten Substrates. Es zeigt sich ein strukturviskoser Charakter. Auf der Grundlage der rheologischen Daten wurde eine Xanthan-Lösung als Modellstoffsystem a verwendet. Durch die Transparenz dieses Fluids eignet es sich für die Durchführung von Mischzeitversuchen. Modellstoffsystem b entsteht durch die Zugabe von Silage-Partikel zum Modellstoffsystem a. Dieses zweiphasige Fluid diente der Bestimmung von Kavernengrößen. Das Modellstoffsystem c besteht aus getrockneter und gemahlener Maissilage. Die Skalierung der Partikel ermöglicht die Bestimmung von Schwimm- und Sinkschichten. Neben der Beschreibung der mit den Modellstoffsystemen erzielten Ergebnisse bilden numerische Simulationen für den Labormaßstab (50 L) und einer Anlage mit einem Volumen von 1.000 m³ einen letzten Schwerpunkt.
Die experimentellen und numerischen Untersuchungen zeigen für die derzeit vorhandenen Rührsysteme in zentral gerührten Anlagen die Neigung zur Schwimmschichtbildung und es kommt zu einer Ausbildung von Kavernen, diese sind mit den in der Literatur vorhandenen Modellen zu beschreiben. Aus den gesamten Betrachtungen ergeben sich Empfehlungen für das Repowering von zentral gerührten Anlagen. Demnach ist eine solche Rührergeometrie auszuwählen, die bei der eingetragenen Leistung den größten Axialschub erzeugt.
Biogas plants will play an important role in a future energy mix, because they can be used for the production of base and peak load energy. Furthermore there are a lot of possible substrates. Beside these advantages there are problems, for example the formation of floating and sinking layers and zones of poor mixing. In this work the rheology of a classical substrate was measured by using the Metzner-Otto correlation.
Then different model fluids were developed by using these values, a transparent fluid for measuring mixing times and two-phase fluids for detecting cavern sizes and investigating the minimal speed for preventing floating and sinking layers. The values for the cavern sizes show a good accordance with a model from the literature. The experimental results were confirmed by numerical simulations under implementation of the measured flow curve . The results show, that a classical stirrer configuration tends to cavern formation, floating and sinking layers, but there are also opportunities for the repowering.
