Determination of the energy efficient speed of the working body of the agitator for small biogas reactors

Abstract

The aim of the work is to determine the energy-efficient speed level of a two-tier paddle mixer with blades installed at an angle of 90° to improve the energy efficiency of the biogas formation process in small biogas reactors.To achieve the set goals, physical methods, three-dimensional model-ing, processing and visualization of results in application programs were used. The working hypothe-sis of the research is that 3D modeling will allow determining the nature of the distribution of biomass flows and the amount of energy expended depending on the rotation speed of the mixing device.The most important result of the study is the obtaining of graphical dependencies of the trajectories of movement of elementary volumes and the velocities of substrate flows at different rotation speeds of the stirrer.The significance of the research results is that, based on the flows of raw materials in the reactor, it was established that for a reactor with the geometric parameters specified in the work, the energy-efficient rotation frequency of the paddle mixer with blades at an angle of 90° is within 40…50 rpm. The average speed of the substance is in the range of 0.273 –0.348 m/s.It was found that the dependence of the consumed energy on the mixer rotation speed corresponds to a power function.The percentage of useful energy spent in starting and operating modes for different rotation speeds was determined. The obtained data can be used for upgrading and designing mixing systems in small bio-gas reactors.

Scopul lucrării este de a determina nivelul de viteză eficient din punct de vedere energetic al unui mixer cu palete cu două niveluri cu palete instalate la un unghi de 90° pentru a îmbunătăți eficiența energetică a procesului de formare a biogazului în reactoarele de biogaz mici. Pentru atingerea obiectivelor stabilite s-au folosit metode fizice, modelare tridimensională, prelucrare și vizualizare a rezultatelor în programe de aplicație. Ipoteza de lucru a cercetării este că modelarea 3D va permite determinarea naturii distribuției fluxurilor de biomasă și a cantității de energie cheltuită în funcție de viteza de rotație a dispozitivului de amestecare. Cel mai important rezultat al studiului este obținerea dependențelor grafice ale traiectoriilor de mișcare a volumelor elementare și a vitezelor de curgere a substratului la diferite viteze de rotație ale agitatorului.Semnificația rezultatelor cercetării este că, pe baza fluxurilor de materii prime din reactor, s-a stabilit că pentru un reactor cu parametrii geometrici specificați în lucrare, frecvența de rotație eficientă energetic a malaxorului cu palete la un unghi de 90° este cuprinsă între 40…50 rpm. Viteza medie a substanței este în intervalul 0.273 –0.348 m/s. S-a constatat că dependența energiei consumate de viteza de rotație a mixerului corespunde unei funcții de putere. A fost determinat procentul de energie utilă cheltuită în modurile de pornire și de funcționare pentru diferite viteze de rotație. Datele obținute pot fi utilizate pentru modernizarea și proiectarea sistemelor de amestecare în reactoare de biogaz mici.

Целью работы является определение энергоэффективного уровня скорости пере-мешивающего элемента электромеханической системы в виде лопастного двухъярусного сме-сителяслопастями, установленными под углом 90°, для повышения энергетической эффектив-ности процесса образования биогаза в малых биогазовых реакторахи рентабельности его даль-нейшей переработки. Для достижения поставленных целей использовались общие методы фи-зики, трехмерное моделирование, обработка и визуализация результатов в программах SolidWorks Flow Simulation, Wolfram Mathematica.Рабочая гипотеза исследований заключаеть-ся в том, что выполнение 3D моделирования позволитопределять характерраспределения по-токов биомассы в зависимости от скорости вращения лопастного перемешивающего устройст-ва, чтов свою очередь позволяет определить количествозатраченой энергии на процес пере-мешивания.Найболее важный результат исследования заключается в получении зависимостей траектории движения элементарных объемов и скорости потока субстрата при различных ско-ростях вращения мешалки, а также получении графических зависимостей изменения средней скорости субстрата в объеме биогазового реактора за первые 20 секунд работы.Значимость приведенных в работе результатов исследования заключается в том, чтона основе потоков сы-рья в реактореустановлено, что для реактора с геометрическими параметрами задаными в ра-боте, энергоэффективная частота вращения смесителя лопастного типа с лопастямипод углом 90°находится в пределах 40…50 об/мин.Средняя скорость движения вещества находиться в диапазоне 0.273 –0.348 м/с. Определено процентное значение количества полезной энергии, необходимой для пускового периода, от полезной энергии, потребляемой за период перемеши-вания при различных скоростях вращения.Установлено, чтозависимость потребляемой энер-гии от увеличения частоты вращения рабочего органа смесителя соответствует степенной фун-кции.Приведенные в работе данные могут использоваться при проектировании и модерни-зации систем перемешивания субстрата в малых биогазовых реакторах.