Design, Kalibrierung und numerische Untersuchung eines Makroviskosimeters


Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung des rheologischen Verhaltens von charakteristischen Fermenterflüssigkeiten, die in Biogasanlagen verwendet werden. Anschließend wurden die Resultate verwendet, um das Einmischverhalten in Biogasfermentern zu simulieren. Diese Fermenterflüssigkeiten beinhalten eine große Menge an organischen und anorganischen Partikeln (bis zu 12%) mit Partikelgrößen und Faserlängen, die in einer großen Bandbreite variieren, was zu Schwierigkeiten bei der Messung führt. Die Idee war, eine neue Art von Viskosimeter zu entwerfen, welches die Messung der rheologischen Eigenschaften solcher Fermenterinhalte erlaubt. Das Makroviskosimeter wird so genannt, weil das Volumen von den üblichen 30-50mL auf mehr als 10L erhöht wurde. Auf die gleiche Weise wurde die Spaltweite vergrößert, sowie der rotierende Zylinder durch einen Blattrührer ersetzt, um eine homogene Vermischung während der Messung zu garantieren.


Diese Grafik zeigt einen Biogasfermenter mit drei großen Schaufelrührern, welche einen Durchmesser von 6,5 Meter und eine Länge von 12 Meter haben. Das Modell hat 3,9 Millionen Zellen und zeigt das Strömungsfeld nach 7 Sekunden Echtzeit. Die Zeitschrittweite betrug 0.0015 Sekunden. Die Simulationszeit betrug 7 Tage am ICP5 Cluster an der TU Wien.

 

Das Viskosimeter wurde mit verschiedenen Methoden kalibriert, der Metzner-Otto-Methode, einer numerischen und einer theoretischen Methode. Die Resultate zeigen, dass die Metzner-Otto-Methode daran scheitert, verlässliche Vorhersagen für die Scherkraftverteilung zu liefern, während die numerischen Ergebnisse geringfügig höhere Drehmomente im Vergleich zum Experiment ergeben. Es wird gezeigt, dass die Kalibrierung durch eine Kombination aller untersuchten Methoden vorgenommen werden kann.


Bild 4.3 a und b bieten eine Darstellung der Wirbel und der Geschwindigkeitsvektoren innerhalb des Reaktors unter stationären Bedingungen (simulierte Echtzeit: 10 Sekunden).

 

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