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Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Autonome Sensorkonzepte

Der Betrieb großer Anlagen und Behälter wird von dem Problem begleitet, dass darin ablaufende verfahrens- und energietechnische Prozesse aufgrund erschwerter oder unmöglicher messtechnischer Zugänglichkeit nicht genügend beschrieben und überwacht werden können. Aus diesem Grund wurde am HZDR das Konzept autonomer Sensorpartikel entwickelt, welche als auftriebsneutrale Strömungsfolger in großen Behältern, wie z. B. Biogasfermentern und Belebtschlammbecken eingesetzt werden können und dabei kontinuierlich Prozessparameter erfassen, speichern und diese nach Rückgewinnung der Partikel aus dem Prozess einem computergestützten Analysesystem zur Verfügung stellen (Abb. 1a). Die entwickelten prototypischen Sensorpartikel bestehen aus auftriebsneutralen Kapseln (dp = 0,058 m), welche mit einer integrierten Messelektronik ausgestattet sind (Abb. 1b). Die derzeitige Konfiguration berücksichtigt miniaturisierte Sensoren für die Umgebungstemperatur, die Eintauchtiefe als Funktion des hydrostatischen Drucks und die 3D-Beschleunigung und erlaubt die Erweiterung durch ergänzende Messfühler.

Abb. 1: (a) Schema der Anwendung in einem Biogasfermenter (b) montiertes Sensorpartikel

In Experimenten an Technikumsanlagen, wie ein Rührbehälter, ein Fermenter, ein Schleifenreaktor und eine Blasensäule, wurde die Funktionstüchtigkeit der Sensorpartikel gezeigt (Abb. 2a). Die Analyse der aufgenommenen Messdaten und die daraus extrahierten räumlichen Parameterprofile zeigen, dass die vorherrschenden Strömungsbedingungen innerhalb des Behälters über einen längeren Zeitraum erfasst werden können und der Zustand des Prozesses abgebildet wird. Es können Aussagen über die Homogenität der Vermischung, die axiale Feststoffverteilung bzw. die Suspensionsgüte, das axiale Strömungsprofil und die Struktur grobballiger Wirbel getroffen werden. Weiterhin können anhand gemessener Zirkulationszeitverteilungen relevante Parameter von Rührwerks-modellen, wie z. B. Zirkulationsbeiwerte und äquivalente Förderhöhen, und Parameter von Dispersionsmodellen, wie die PECLÉT-Zahl, bestimmt werden (Abb. 2b).

Abb. 2: (a) Rührbehälter während der Messung mit Sensorpartikeln (b) ausgewertete axiale Profile der mittleren Zirkulationszeiten für die untersuchten Rührerdrehzahlen

Referenzen

  • S. Thiele, M. J. Da Silva, U. Hampel, Autonomous sensor particle for parameter tracking in large vessels, Meas. Sci. Technol., vol. 21 (8), 2010.
  • S. Reinecke, U. Hampel, Autonome Sensorpartikel zur Prozessdiagnose in Großbehältern, Tech. Mess., vol. 79 (10), 2010.
  • S. Reinecke, et al., Flow following sensor particles - Validation and macro-mixing analysis in a stirred fermentation vessel with a highly viscous substrate, Biochem. Eng. J., 2012.


Förderung

Studienstiftung des deutschen Volkes, Instrumentierte Strömungsfolger zur Prozessdiagnose in Rührbehältern, 2008 – 2011


Kooperationen

  • Fraunhofer Institut Keramische Technologien und Systeme, Umwelttechnik und Bioenergie, Winterbergstrasse 28, 01277 Dresden
  • Deutsches Biomasseforschungszentrum gGmbH (DBFZ), Bereich Biochemische Konversion



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