Strömungstechnische Optimierung eines Biomasse-Rührwerks

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: 101847

Schlüsselwörter (Deutsch)

TP0071;F-Biomasse

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Strömungstechnische Optimierung eines Biomasse-Rührwerks

Schlussbericht (Deutsch)

Biomasse-Rührwerke werden in Biogas-Fermenter eingesetzt, um dort eine möglichst homogene Zusammensetzung des Fluids zu gewährleisten. Dadurch wird eine gute Gasproduktion erreicht. Um einen hohen Anlagenwirkungsgrad zu erzielen, sollte die Antriebsleitung möglichst gering sein. Zudem werden hohe Anforderungen an die Festigkeit und den Korrosionsschutz einer Anlage gestellt. In dieser Arbeit werden die strömungstechnischen Aspekte eines Biomasse-Rührwerks optimiert. Einerseits wird eine Wirkungsgradsteigerung angestrebt, andererseits nach einer möglichst stabilen aber auch einfachen und kostengünstigen Konstruktion gesucht. Der grösste Teil der Untersuchungen wird mit numerischen Strömungssimulation (CFD) gemacht. Der Lösungsansatz mit CFD eignet sich sehr gut für solche Untersuchungen. Er ermöglicht eine Analyse der Verhältnisse in einer sonst unzugänglichen Strömung. Daraus kann die Optimierung am virtuellen Produkt gezielt durchgeführt und überprüft werden. Verschiedene Varianten können modelliert, bei gleichen Randbedingungen simuliert und miteinander verglichen werden. Zusätzlich sind an einem Modell experimentelle Versuche durchgeführt worden, die als Abstützung bzw. Bestätigung der Erkenntnisse aus den Simulationen dienen. In einem Feldversuch werden seit Ende September 2007 die optimierten Propeller eingesetzt und getestet. Die wichtigsten Resultate können folgendermassen zusammengefasst werden: Die Viskosität der Gülle ist so gross, dass die Strömung im Becken und am Rührwerk laminar ist. Als erstes ist ein 2D Profil definiert worden, das unter diesen Bedingungen gut funktioniert und den Anforderungen der Fertigung gerecht wird. Dabei konnte eine deutliche Verbesserung der fluiddynamischen Eigenschaften (Widerstand und Auftrieb) erreicht werden. Mit den gewonnenen Informationen aus den 2D Simulationen ist ein 3D Flügel entwickelt worden. Dieser weist im Vergleich zum Originalflügel eine homogenere Abströmung auf. Durch die optimierte Umströmung der Propeller ist das Verhältnis von Schub- zu Antriebsleistung stark gestiegen. Die Simulationen des ganzen Beckens zeigen, dass der Wirkungsgrad des Rührwerks mehr als verdoppelt wird. Das bedeutet, dass die gleiche Mischwirkung mit der Hälfte des Aufwandes erzielt wird. Die Struktur der Propeller ist mit FEM Berechnungen qualitativ überprüft worden. Erste Feldversuche bestätigen den Erfolg dieser Untersuchung.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Fankhauser Maschinenfabrik

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Casartelli,Ernesto
Waser,Roger
Fankhauser,Hans

Zugehörige Dokumente

• Strömungstechnische Optimierung eines Biomasse-Rührwerks - Schlussbericht [PDF] 2'372 kB

Schlussbericht (Englisch)

Biomass Mixers are used in Biogas-Fermenters in order to achieve a homogeneus consistence of the biomass fluid itself, thus allowing for a good gas production. The efficiency of the plant is affected by the energy consumption of the mixer, so that a goal is to reduce it improving the fluid dynamics characteristics of the mixer. Moreover the mechanical stability, including corrosion protection has to match the original mixer. Aim of this work is to improve the fluid dynamic qualities of the mixer, in order to increase the efficiency, still keeping in mind a robust but low price manufacturing. Most of the investigations were performed with CFD (Computational Fluid Dynamics). CFD is very effective in this kind of optimization problems, since it provides the possibility to analyze a flow which is otherwise not really accessible. The improvements on the virtual model can be performed for all the suggested variations at the same conditions, thus allowing a systematic study. Experiments were performed on a fermenter- and mixer-model, in order to harden the computational findings. A field test was started in September 2007 with the optimized geometry. The major results can be summarized as follow: Viscosity of liquide manure is so high, that the flow character is laminar. The new development started with the definition of a 2D Profile for the blade which satisfies the mechanical and manufacturing requirements while improving the fluid dynamics characteristics (lift and drag). From the 2D Profile a simple stacking was proposed to achieve the 3D blade, keeping in mind the manufacturing costs. The new 3D blade shows a large improvement of the specific thrust compared to the original geometry. Simulations of the complete fermenter show that the efficiency could be more that doubled. This means, that for the same mixing level half of the power is needed form the motor. Mechanical integrity was investigated with FEM and show similar values as the original. The results of the first field tests show the improvement very clearly.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Hochschule Luzern - Technik und Architektur
Fankhauser Maschinenfabrik

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Casartelli,Ernesto
Waser,Roger
Fankhauser,Hans