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2018 | Buch

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Experimentelle Strömungsanalyse im gerührten Fermenter

Bewertung von Mischvorgängen in Biogasfermentern mittels Particle Image Velocimetry

verfasst von: Michael Elfering

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Buchreihe : Forschungsreihe der FH Münster

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Der Rührvorgang ist ein essentieller Bestandteil von Biogasanlagen, da ein guter Methanertrag nur bei optimierter Durchmischung des Substrates erreicht werden kann. Michael Elfering untersucht stationäre und transiente Strömungsvorgänge in einem maßstäblich verkleinerten Modellfermenter bei verschiedenen Drehzahlen und Rührwerkslagen mittels optischer Messverfahren (Particle Image Velocimetry, PIV) und dem vektorbasierten Auswerteverfahren (Proper Orthogonal Decomposition, POD) mit dem Ziel optimaler Durchmischung. Um aus den Labormessungen Rückschlüsse auf reale Anlagen ziehen zu können, werden die scherverdünnende Viskosität des Fermentersubstrates und die Rührwerksdrehzahlen mittels Ähnlichkeitsgesetzen auf den Modellmaßstab übertragen. Die Messungen verdeutlichen das enorme Potential geeigneter Rührwerkslagen und -drehzahlen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Zusammenfassung

In Zeiten steigender Energiekosten und wachsendem Umweltbewusstsein in der Gesellschaft steigen auch das Interesse nach alternativer Energiegewinnung und damit die Bedeutung von Biogasanlagen, welche die Gewinnung von elektrischer Energie aus nachwachsenden Rohstoffen ermöglichen. In Deutschland beträgt der Anteil an erneuerbaren Energiequellen im Jahr 2016 29,5% der gesamten Stromerzeugung. Nach der Windkraft folgt die Biomasse als bedeutsamste Form der regenerativen Energie [2]. Ein Großteil dieser Energie wird bei der Verbrennung der im Fermenter entstehenden Gase gewonnen.

Michael Elfering

Kapitel 2. Grundlagen

Zusammenfassung

Das newtonsche Gesetzt besagt, dass sich bei einem idealviskosen Fluid eine Scherspannung anders als beim Festkörper nicht aus dem Scherwinkel sondern der Schergeschwindigkeit ergibt (s. Abbildung 2-1).

Michael Elfering

Kapitel 3. Stand der Technik

Zusammenfassung

Die Prozesse eines Biogasfermenters erfordern einen ausreichenden Stoffaustausch innerhalb des Substrates. Zudem ist der sichere Feststofftransport von großer Bedeutung. Es können sich Feststoffe in ungenügend durchmischten Bereichen absetzen und stehen dem Prozess nicht weiter zur Verfügung. Untersuchungen von Jobst et al. [1] zeigen, dass sich Strömungsgeschwindigkeiten ab ca. 0,05 m/s positiv auf die Stoffaustauschprozesse und den Stofftransport auswirken.

Michael Elfering

Kapitel 4. Konstruktive Anpassungen des Prüfstandes

Zusammenfassung

Zur Untersuchung Rührwerkslageabhängigkeit des Strömungsfeldes ist es erforderlich, die Lage des Paddelrührwerkes möglichst frei wählen zu können. Außerdem soll für zukünftige Versuche eine Verstellung der Laserebene des RayPower 5000 Lasers parallel zum Fermenterboden ermöglicht werden. Der bisherige Aufbau des Prüfstands erlaubt dies nicht. Im Folgenden wird beschrieben, welche konstruktiven Änderungsmaßnahmen ergriffen werden, um dies zu realisieren.

Michael Elfering

Kapitel 5. Festlegung der allgemeinen Versuchsparameter

Zusammenfassung

Bevor die Untersuchungen des Rührprozesses durchgeführt werden können, ist es erforderlich, die Versuchsparameter festzulegen.

Michael Elfering

Kapitel 6. Einfluss der Rührwerkslage auf die stationäre Fermenterströmung

Zusammenfassung

Im Folgenden werden die angewandten Maßnahmen und deren Ergebnisse erläutert, welche zur Ermittlung der Abhängigkeit des stationären Strömungsverhaltens von der Rührwerkslage und Drehzahl eingesetzt werden.

Michael Elfering

Kapitel 7. Untersuchung der transienten Anlaufströmung

Zusammenfassung

Da Rührwerke, welche in Biogasfermentern eingesetzt werden, in vielen Fällen nicht ununterbrochen betrieben werden, ist das transiente Verhalten der Strömung nach dem Einschalten des Rührwerkes von Interesse für die Auslegung der Rührwerksgeometrie und Wahl der Rührwerkslage. Im Folgenden wird dieses Verhalten untersucht und es werden hierzu verwendete Messverfahren beschrieben. Ziel ist es, die Zeit nach Einschalten des Rührwerkes bis zum Erreichen einer stationären Strömung zu bestimmen. Dies ermöglicht einen Vergleich der einzelnen Rührwerkslagen untereinander und kann zudem für die Optimierung der Einschaltzeiten genutzt werden.

Michael Elfering

Kapitel 8. Rührwerksnahe Strömung

Zusammenfassung

Neben der globalen Fermenterströmung spielt aufgrund der hohen Geschwindigkeiten und Scherraten die Strömung in unmittelbarer Nähe zum Rührwerk eine besondere Rolle für den Durchmischungsprozess.

Michael Elfering

Kapitel 9. Scale-Up der Messergebnisse

Zusammenfassung

Da es sich bei den Messungen um ein verkleinertes Modell handelt, müssen die ermittelten Ergebnisse mittels Scale-Up-Verfahren auf den Realmaßstab übertragen werden, um Rückschlüsse für den realen Prozess zu ermöglichen.

Michael Elfering

Kapitel 10. Ausblick

Zusammenfassung

Auf Basis der in dieser Arbeit erlangten Erkenntnisse können zukünftige, weiterreichende Untersuchungen am Modellfermenter durchgeführt werden. Im Folgenden werden Anregungen hierfür dargestellt.

Michael Elfering

Backmatter

Titel: Experimentelle Strömungsanalyse im gerührten Fermenter
verfasst von: Michael Elfering
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-22486-8
Print ISBN: 978-3-658-22485-1
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-22486-8

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