Strömungs- und Wärmetransportoptimierung in Biogasanlagen

Gegenstand des Vorhabens ist die Erarbeitung einer allgemein einsetzbaren Methode zur Bewertung der Rührwerkstechnik in Biogasanlagen mit Hilfe von Strömungssimulation (CFD). Ausgehend von den konkret zu erfüllenden Mischaufgaben (stoffliches und energetisches Homogenisieren, Verhinderung bzw. Auflösung von Sink- und Schwimmschichten) werden verfahrenstechnische Kennzahlen für die Güte der Rührwerkstechnik definiert, die direkt aus den Berechnungsergebnissen abgeleitet werden können. Anschließend werden die Strömungsverhältnisse in einem real existierenden Fermenter unter vier typischen Einsatzbedingungen (hohe/niedrige Viskosität des Substrats, hohe/niedrige Rührerdrehzahl) berechnet und ausgewertet. Die Ergebnisse weisen auf eine unzureichende Durchmischung im oberen Bereich des Behälters und eine ungleichmäßige Belastung der Rührerwelle hin. Modifikationen bezüglich der konstruktiven Ausgestaltung und der Anordnung der Rührwerksflügel im Fermenter führen bei den vier betrachteten Betriebszuständen zu einer Verbesserung bzgl. der genannten Schwachpunkte, allerdings auch zu einer durchschnittlichen Erhöhung der benötigten Rührerleistung um 20%. Abschließend wird für den Einsatz im Rahmen einer Kosten-Nutzen-Analyse betreffend die Rührwerkstechnik in Biogasanlagen ein Bewertungsschema vorgeschlagen. Das Schema wird anschließend auf die beiden betrachteten Rührwerkskonfigurationen vergleichend angewendet. Parallel zu den theoretischen Untersuchungen werden Geschwindigkeitsmessungen an der realen Anlage zur Validierung der Berechnungsergebnisse durchgeführt. Das benutzte Messinstrument ist bei Fraunhofer UMSICHT entwickelt und besonders zum Einsatz in stark verunreinigten Medien geeignet.

The project's objective was the development of a general method for the evaluation of the stirring equipment in biogas plants with the help of Computational Fluid Dynamics (CFD). Starting from the main mixing tasks involved (substantial and energetic homogenization, prevention resp. destruction of particle agglomeration at the top and bottom of the tank), performance numbers for the stirring equipment are defined that can directly be deduced from the simulation results. Subsequently, fluid flow in an existing biogas fermenter under four typical operating conditions (high/low viscosity of the substrate, high/low rotational speed of the agitator) is calculated, and the results are evaluated. Indications for insufficient mixing in the upper part of the vessel and a non-uniform impact on the shaft are detected. Modifications with respect to the construction and the arrangement of the blades in the fermenter lead to an improvement of these deficiencies in the four cases under consideration, but also to an increase in power input at an average of 20%. For a cost-benefit-analysis concerning the mixing equipment in biogas plants, an evaluation scheme is suggested. The scheme is subsequently applied in order to compare the two stirring configurations in question. In parallel to the theoretical investigations, flow measurements are performed in the real plant to validate the simulation results. The measurement device employed is developed by Fraunhofer UMSICHT and especially suited for use in deeply impurified media.