Master-Kolloquium

Transkript

1 Master-Kolloquium / 19 Aufnahme, Auswertung und Beurteilung rheologischer Parameter zur Auslegung und Simulation von Fördereinheiten sowie Rühraggregaten in Biogasanlagen Dipl.-Ing. (FH) C. Koll

2 Gliederung 2 / 19 Einleitung Grundlagen Versuchsstand Untersuchungen Beurteilung Auswertung Zusammenfassung

3 Grundgrößen der Rheologie 3 / 19 Modell des Fließens einer Flüssigkeit zwischen zwei planparallelen Platten Schubspannung: Unter einer tangentialen Kraft F an der oberen Platte mit der Fläche A, kommt die im Spalt befindliche Flüssigkeit zum Fließen. Schergeschwindigkeit (Geschwindigkeitsgefälle): Die wirksame Schubspannung lässt die Flüssigkeit fließen. Es ergibt sich ein Geschwindigkeitsabfall in der laminaren Schichtenströmung. Schubspannung τ = F A Schergeschwindigkeit γ = dw dy [ Pa] [ ] s 1 dynamische Viskosität η = τ!γ [ Pas]

4 Rheologie (Fließverhalten) 4 / 19 Fließkurven Viskositätskurven Wasser Stärkebrei Ketchup Blut Wandfarbe Seifen-Solen Fließverhalten von Flüssigkeiten, Emulsionen und Suspensionen, verändert nach Zogg (1987) in Tajouri (2009)

5 Rheologie (Messtechnik) 5 / 19 Viskositätsmessung Absolut- Viskosimeter Relativ- Viskosimeter rotierende oder oszillierende Rheometer CS-Rheometer drucklose KV Auslaufbecher Rohrviskosimeter Kugelfallviskosimeter CR-Rheometer Hochdruck KV Kapillarviskosimeter CS - controlled stress CR - controlled rate Prinzipskizze eines Rotationsviskosimeters, Tajouri (2009)

6 Rohrviskosimeter (Messprinzip) 6 / 19 Grundsätzliche Messprinzipen von Kapillarviskosimetern: Messung des Volumenstroms bei gleicher, vorgegebener Druckdifferenz Messung der Druckdifferenz bei konstantem Volumenstrom Vorlagebehälter linearer Druckabfall über Messrohrstrecke Pumpe Differenzdruck Differenzduck Volumenstrom (MID) Messrohrlänge beeinflusst den ninimalen Differenzdruck (Anforderung Messtechnik) Rohleitungsquerschnitt & Fördervolumenstrom Begrenzung des Schergeschwindigkeitsbereiches Messrohrlänge

7 Schergeschwindigkeit 7 / 19 Sedimentation Absickern unter Schwerkraft Extrusion Rohrströmungen Rühren/Mischen Beschichten Sprühen Schergeschwindigkeit γ! [1/s] Schergeschwindigkeitsbereiche für unterschiedliche Anwendungsfelder nach Kohlgrüber (2007) Intervall der Schergeschwindigkeit 1< γ! < 1600 [1/ s]

8 Rohrviskosimeter (Versuchsstand) Drehschemelanhänger (bis 2,7t) Exzenterschneckenpumpe (7,5 kw,<10m³/h, TS<16%, pulsationsarm) 4 Messrohrstrecken (DN25, DN32, DN50, DN150) Magnetisch-Induktive-Durchflussmessung 5 Differnzdrucksensoren beheizte Vorlage Ansteuerung & Visualisierung mit LabView 8 / 19

9 Versuchsdurchführung 9 / 19 Versuchsvorbereitung horizontale Verortung Versuchsstand luftblasenfreie Befüllung der Druckschläuche mit Wasser manuelle Probennahme & Befüllung der Vorlage Kreislaufförderung Kalibrierung der Drucksensoren Vorgabe Pumpenfrequenz (Schrittweite) und Haltezeit Start der Messung

10 Versuchsauswertung 10 / 19 Schubspannung τ = Δpr i 2L scheinbare Schergeschwindigkeit!γ S = 4! V πr i 3 Ergebnis wahre Schergeschwindigkeit!γ W =! γ S ( 4 3+ s ) Darstellung und Approximation des Fließverhaltens mittels Potenzgesetz Ermittlung der wahren Schergeschwindigkeit nach Pahl et al. (1991)

11 Ergebnis 11 / 19 Fließkurve Viskositätskurve

12 Einordnung des Fließverhalten 12 / 19 Stein auf Gärsubstrat Kube et al. (2011) zeitunabhängig mit Fließgrenze plastisch Fließkurven Viskositätskurven Biosuspensionen Auszug aus Fließverhalten von Flüssigkeiten, Emulsionen und Suspensionen", verändert nach Zogg (1987) in Tajouri (2009)

13 Ergebnisse Biogasanlage II 13 / 19 Viskositätskurven!! Wasser! [Masse=!%] TR [Masse=!%] otr [Masse=!%] HRT [Tage] Fermenter 90,06 9,94 7,53 38 Nachgärer 91,10 8,90 6,37 35 Fermenter Substratzusammensetzung Substratart![Masse!'!%]! Maissilage!!!!!!!!!!!!47,20!!! Gülle!!!!!!!!!!!!33,33!!! Rindermist!!!!!!!!!!!!16,67!!! Silagemix!!!!!!!!!!!!!!2,80!!! Nachgärer Fermenter vs. Nachgärer Abnahme otr Zunahme Wasseranteil Zunahme Fließfähigkeit

14 Ergebnisse (Biogasanlage I bis V) 14 / 19 Viskositätskurven Fermenter Nachgärer

15 Beurteilung 15 / 19 Druckverlustberechnung gute Übereinstimmung mit Messwerten Für die Auslegung von Fördereinheiten spielt der geodätische Höhenunterschied eine wichtigere Rolle Simulation Rühraggregate starke lokale Scherverdünnung geringere globale Strömungsgeschwindigkeit Wasser Fermenterinhalt

16 Beurteilung 16 / 19 Simulation Rühraggregate Viskositätsverteilung Stationäre Strömungsgeschwindigkeiten

17 Zusammenfassung 17 / 19 Versuchsstand Messung von original Fermenterproben (keine Vorbehandlung) Messung bei Prozesstemperatur großer Schergeschwindigkeitsbereich Auswertung Korrektur auf wahre Schergeschwindigkeit Approximation des Fließverhalten Beurteilung globale Zuordnung des Fließverhaltens zu otr, HRT, Substratart, nicht möglich gefundene rheologische Daten eignen sich für Druckverlustberechnung Strömungssimulation

18 Zusammenfassung 18 / 19 Praktische Relevanz simulative Erprobung von Rührwerksgeometrien Optimierung der Rührwerksverortung durch Simulation Substratangepasste Rührwerke Parameter zur Fütterungssteuerung Hilfsmittel zur Überwachung des Prozessstatus Anpassung der Rührwerkleistungen Einfluss von Vor- und Zwischenbehandlung (z.b. Desintegration) auf die Fließfähigkeit Koll, Christian (2012): Aufnahme, Auswertung und Beurteilung rheologischer Parameter zur Auslegung und Simulation von Fördereinheiten sowie Rühraggregaten in Biogasanlagen. Online verfügbar unter:

19 19 / 19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit