-
Die Erfindung betrifft ein Rührwerk, insbesondere ein Rührwerk für einen Fermenter einer Biogasanlage, mit einer Drehachse und mehreren an dieser angeordneten Paddeln mit jeweils wenigstens einer Angriffsfläche.
-
Rührwerke dieser Art sind im Stand der Technik bereits bekannt. Sie werden in Biogasanlagen eingesetzt, um den Inhalt eines Fermenters zu durchmischen.
-
In einer Biogasanlage erfolgt der anaerobe mikrobielle Abbau des eingesetzten Substrats. Dieses besteht meist aus gut abbaubarer Biomasse wie Gülle, Energiepflanzen, landwirtschaftlichen Nebenprodukten oder Bioabfällen. Verschiedene Arten von Mikroorganismen nutzen die komplex zusammengesetzte Biomasse als Nährstoff- und Energielieferanten. Um eine optimale Nährstoffverfügbarkeit zu erreichen, ist das Umwälzen der Biomasse unerlässlich. So bekommen die Mikroorganismen kontinuierlich neue Nährstoffe. Der anaerobe Abbau der Biomasse und damit die Erzeugung von Biogas werden so optimiert. Die Rührtechnik ist dabei zweckmäßig so einzustellen, dass keine Schwimmdecken, Sinkschichten oder Ablagerungen auf dem Substrat entstehen. Daher kommen in der Praxis verschiedene Rührwerke zum Einsatz, zu welchen auch die hier betrachteten Paddelrührwerke zählen.
-
Problematisch bei den bekannten Paddelrührwerken ist, dass die Angriffsflächen der Paddel lediglich zweidimensionale ebene Flächen sind, welche jeweils parallel zu der Drehachse ausgerichtet sind. Durch diese Anordnung entsteht jedoch eine sehr heterogene Strömung innerhalb des Fermenters, welche auch Totgebiete aufweist. Ebenso wird die Biomasse nur lokal umgewälzt, so dass eine großräumige Durchmischung innerhalb des Fermenters ausbleibt. Weiterhin sind die Momente um die Drehachse sehr hoch, was zu einer erhöhten Beanspruchung der gesamten Apparatur führt. Um eine ausreichende Durchmischung zu erzielen, müssen schnell laufende Mischer verwendet werden. An deren Außenkanten entsteht durch Kavitation ein erhöhter Verschleiß, der durch Feststofffrachten wie Sand noch erhöht wird.
-
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Rührwerk, insbesondere für einen Fermenter einer Biogasanlage, zu schaffen, mit welchem eine homogenere und großräumigere Durchmischung der Biomasse erreicht werden kann.
-
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung als Lösung vor, dass die Angriffsflächen der Paddel zueinander so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen die Form einer Schneckenwelle beschreiben.
-
Die Paddel sind also so geformt, dass Sie bei entsprechender Ausrichtung an der Drehachse Teil einer virtuellen Schneckenwelle sind, welche um die Drehachse gelegt ist. Dabei bestehen bewusst axiale Abstände zwischen den Paddeln, entsprechend einer axial unterbrochenen Schneckenwelle.
-
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung in Form einer Schneckenwelle ergeben sich strömungstechnische Vorteile bei der Umwälzung der Biomasse. Schneckenwellen sind allgemein, beispielsweise als Archimedische Schraube, zur Förderung unterschiedlich viskoser Medien wie Wasser oder auch Polymermasse (Schneckenextruder), bekannt. In diesen sogenannten Schneckenförderern verhindert ein die Welle formschlüssig umgebender, zylinderförmiger Trog das Ausweichen der Masse zur Seite, also von der Schnecke weg.
-
Dieses grundsätzlich bekannte Prinzip wird für die Erfindung vorteilhaft in einem freien Behälter genutzt, wobei das Weglassen des Schneckentroges die seitliche Durchmischung der Biomasse auch in von der Schnecke entfernteren Bereichen ermöglicht. Weiterhin ist die Form der Schneckenwelle aus mehreren kontaktfrei nebeneinander angeordneten Paddeln offen ausgebildet, so dass die Biomasse sowohl innerhalb als auch außerhalb der Schneckenwellenanordnung strömen kann. Dadurch wird eine verbesserte und homogenere Durchmischung der Biomasse innerhalb des Fermenters erreicht. Ebenso ist das Rührwerk durch die offene Ausgestaltung der Schneckenwellenanordnung auch geeignet, Schwimmschichten in der Biomasse mit Hilfe der Paddel-Randbereiche aufzubrechen.
-
Überraschenderweise ist es also gerade bei der Durchmischung von Feststoff-Flüssigkeitsgemischen, wie sie typischerweise in Fermentern von Biogasanlagen enthalten sind, vorteilhaft, anstatt eine vollständige Schneckenwelle einzusetzen, die an sich für eine gute axiale Förderwirkung bekannt ist, nunmehr eine Anordnung von Paddeln in Gestalt einer partiellen Schneckenwelle zu verwenden. Die radialen wie axialen Zwischenräume zwischen den Paddeln ermöglichen das Nachströmen von Flüssigkeit aus der Umgebung in den axialen Förderstrom hinein, welche die erfindungsgemäße Anordnung, wie alle vollständigen Schneckenwellen auch, erzeugt.
-
Gerade bei einer Anbringung nahe des Flüssigkeitsspiegels wird erreicht, dass Schwimmschichten aufgebrochen werden und insgesamt mit der besseren Durchmischung im Biogas-Fermenter den Gasaustausch erhöht wird.
-
Desweiteren ergibt sich durch die lediglich partielle Ausgestaltung der Schneckenwellenform eine Material- und damit auch Gewichtsersparnis des Rührwerkes sowie eine Platzersparnis innerhalb des Fermenters. Ebenso wird durch die strömungstechnischen Vorteile der Schneckenwellenform gegenüber den im Stand der Technik senkrecht zu der Rotationsrichtung der Drehachse angeordneten Paddel-Angriffsflächen eine Verringerung des von der Antriebswelle aufzubringenden Drehmomentes erreicht, was zu einer Materialschonung des gesamten Rührwerkes, insbesondere der Paddel und Lager, führt.
-
Die Erfindung sieht vor, dass die Angriffsflächen der Paddel jeweils Teilbereiche der Form einer Schneckenwelle sind. Die Schneckenwelle muss somit nicht lückenlos durch die Paddel nachgebildet werden, sondern es genügt eine partielle Nachbildung der Form, um die strömungstechnischen Vorteile der Schneckenform zu erreichen.
-
Die wesentliche Form einer Schneckenwelle wird gemäß der Erfindung dadurch nachgebildet, dass die Angriffsflächen der Paddel im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse angeordnet sind, und dadurch, dass die Angriffsflächen der Paddel relativ zu einer senkrecht zu der Drehachse angeordneten Ebene in Richtung der Drehachse geneigt sind.
-
Es empfiehlt sich weiterhin, dass die Angriffsflächen der Paddel im Wesentlichen jeweils die Form eines Viertelkreises aufweisen, und dass jeweils zwei in axialer Richtung der Drehachse aufeinander folgende Paddelarme in Drehrichtung der Drehachse um 90° zueinander versetzt angeordnet sind.
-
Vorteilhaft ist außerdem, dass jeweils zwei Paddelarme koaxial zueinander auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse angeordnet sind. Dies ist zum einen fertigungstechnisch sinnvoll, und zum anderen kann die an den Angriffsflächen der Paddel angreifende Last gleichmäßig, d. h. insbesondere symmetrisch, auf die Drehachse verteilt werden. Hierdurch wird eine gleichmäßige Drehung des Rührwerks unterstützt.
-
Schließlich ist vorgesehen, dass die Paddelarme L-förmig ausgebildet sind. Weiterhin auch, dass diese in einer Ebene parallel zu der Drehachse angeordnet sind. Diese Anordnung empfiehlt sich, um die Angriffsflächen der Paddel entlang der Schneckenform auszurichten und gleichzeitig die Durchmischung der Biomasse so wenig wie möglich zu behindern.
-
Die Drehachse kann gegenüber dem Flüssigkeitsspiegel in einem Winkel von bis zu 45° geneigt ausgerichtet sein, so dass in einem höheren Behälter auch eine vertikale Durchmischung erreicht wird.
-
Die Drehachse kann radial ausgerichtet sein, wodurch sich ein gleichmäßiger Strömungspfad ergibt, der sich an der gegenüber liegenden Behälterwand teilt.
-
Die Drehachse kann aber auch seitlich versetzt zu einer Durchmesserlinie angeordnet sein, um eine Kreisströmung im Behälter zu erzeugen.
-
Vorzugsweise umfasst das Rührwerk zwischen 4 und 8 Paddel.
-
Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen Fermenter einer Biogasanlage, welcher mit einem erfindungsgemäßen Rührwerk ausgestattet ist. Dabei empfiehlt sich insbesondere auch ein Fermenter, welcher sowohl ein erfindungsgemäßes Paddelrührwerk als auch ein im Stand der Technik bekanntes Tauchmotorrührwerk verwendet. Durch die Kombination beider Rührwerke lässt sich eine sehr gute Durchmischung der Biomasse erreichen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
-
1 ein erfindungsgemäßes Rührwerk;
-
2 eine Rückansicht eines erfindungsgemäßen Paddels;
-
3, 4 Seitenansichten des Paddels nach 3;
-
5 eine perspektivische Ansicht des Paddels nach 3;
-
6 einen Fermenter mit einem Paddelrührwerk und einem Tauchmotorrührwerk nach dem Stand der Technik;
-
7 Strömungspfadlinien innerhalb eines Fermenters mit einem Rührwerk gemäß dem Stand der Technik;
-
8 Strömungspfadlinien innerhalb eines Fermenters mit einem erfindungsgemäßen Rührwerk;
-
9 Strömungspfadlinien innerhalb eines Fermenters mit einem Rührwerk gemäß dem Stand der Technik und
-
10 Strömungspfadlinien innerhalb eines Fermenters mit einem erfindungsgemäßen Rührwerk.
-
Die in 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rührwerks 1 weist eine Drehachse 2 mit mehreren daran angeordneten Paddelarmen 3 auf. Jeder Paddelarm 3 verfügt über jeweils ein Paddel 4 mit einer Angriffsfläche 5.
-
Die 2 bis 5 zeigen einen Ausschnitt des Rührwerks 1 gemäß 1, wobei jeweils ein Teilbereich der Drehachse 2, ein Paddelarm 3 und ein Paddel 4 dargestellt sind.
-
2 zeigt dabei eine Ansicht auf ein Paddel 4 mit Paddelarm 3 von hinten. In einem äußeren Bereich ist das Paddel kreisringförmig gestaltet. In einem inneren Bereich sind anderen Rundungen vorgesehen, um eine Annäherung an die Helixform einer Schnecke zu bewirken. Der von dem Paddel bedeckte Bereich macht etwa einen Viertelkreis auf dem jeweiligen Teilkreis aus, der um die Außenkante des Paddels wie auch die dazu parallele innere Biegelinie läuft.
-
3 zeigt ein Paddel von einer Seite, wobei insbesondere die winkelförmige Ausbildung des Paddelarmes 3 sichtbar ist. Der Verbindungsbereich von dem Ende des Paddelarmes 3 und dem Paddel 4 ist so gelegt, dass er etwa mit dem Flächenmittelpunkt oder Druckmittelpunkt zusammenfällt. Hierdurch erfolgen im Vergleich zu einer ebenfalls möglichen randseitigen Anbindung des Paddels eine gleichmäßigere Verteilung der angreifenden Kräfte am Paddel und eine geringere Biegebeanspruchung.
-
4 zeigt ein Paddel von der entgegengesetzten Seite. Der Blick geht auf den Kantenbereich der Rückseite. Die konkav ausgebildete Angriffsfläche 5 des Paddels 4 öffnet sich nach rechts. 5 zeigt das Paddel 4 von schräg unten.
-
6 zeigt einen Fermenter 20' mit einem Behälter 21' und einem kombinierten Rührwerk nach dem Stand der Technik, bestehend aus einem Tauchmotorrührwerk 22' und einem Paddelrührwerk 10'. Das Paddelrührwerk 10' weist eine Drehachse und entlang dieser angeordnete Paddelarme mit Paddeln auf, wobei die herkömmlichen Paddeln aber als im Wesentlichen rechteckige Platten ausgebildet sind. Ein Tauchrührwerk 22' ist an der gegenüberliegenden Seite im Behälter angeordnet, um auch in der Tiefe eine Strömung zu erzeugen und die Strömung in den vom Rührwerk 10' selbst nicht erfassten Zonen zu verbessern.
-
Die 7 bis 14 zeigen Gegenüberstellungen von Rührwerken 1 nach der Erfindung und Rührwerken nach dem Stand der Technik.
-
Die Erfindung funktioniert so, dass das Rührwerk 10 in den Fermenter 20 einer Biogasanlage eingelassen wird. Das Rührwerk 10 taucht somit in die darin befindliche Biomasse ein. Durch Rotation des Rührwerkes 10 um seine Drehachse 2 werden die Paddelarme 3 mit den daran angeordneten Paddeln 4 durch die Biomasse bewegt, so dass die Paddel 4 aufgrund ihrer Angriffsflächen 5 die Biomasse bewegen.
-
Die durch die Paddel 4 gebildete Gestalt des Rührwerks 1 beschreibt im Wesentlichen die Form einer Schneckenwelle. Dadurch ergeben sich strömungstechnische Vorteile bei der Umwälzung der Biomasse, so dass beispielsweise Turbulenzen reduziert werden.
-
Die Schneckenform des Rührwerks 10 ist dabei offen und so ausgebildet, dass das umzuwälzende Medium (die Biomasse) nicht nur außerhalb der Schneckenwelle strömen kann, sondern auch innerhalb des von den Angriffsflächen 5 umgebenen Volumens. Dadurch wird eine verbesserte und homogenere Durchmischung der Biomasse innerhalb des Fermenters 6 erreicht. Ebenso werden durch die Randbereiche der Angriffsflächen 5 auch Schwimmschichten auf oder innerhalb der Biomasse aufgebrochen.
-
Im Vergleich zu den im Stand der Technik (6) senkrecht zu der Rotationsrichtung der Drehachse wirkenden Paddel-Angriffsflächen wird gemäß der Erfindung eine Verringerung des Drehmomentes der Drehachse 2 erreicht, was zu einer Materialschonung des gesamten Rührwerks 1, insbesondere der Paddel 4, und auch der Lager führt.
-
Die Schneckenform des Rührwerks 10 wird durch die Paddel 4 – jeweils als Teilbereich der Gesamtform – gebildet, wobei sich für die Form der Paddel 4 Viertelkreise (vergleiche 2) als vorteilhaft herausgestellt haben.
-
Um die an den Angriffsflächen 5 der Paddel 4 angreifende Last gleichmäßig, insbesondere symmetrisch, auf die Drehachse 2 zu verteilen, sind jeweils zwei Paddelarme 3 koaxial zueinander auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse 2 angeordnet. Die Paddelarme 3 sind dabei L-förmig ausgebildet und in einer Ebene parallel zu der Drehachse 2 angeordnet, so dass sie in Rotationsrichtung der Drehachse 2 neben den Angriffsflächen 5 der Paddel 4 liegen und somit die Durchmischung der Biomasse so wenig wie möglich behindern.
-
Bei einem Vergleich des erfindungsgemäßen Rührwerks 10 mit einem konventionellen Rührwerk 10' können zugunsten des Erfindungsgegenstandes deutliche Verbesserungen bezüglich der Durchmischung der Biomasse innerhalb des Fermenters 20' festgestellt werden. Dies ist in den 7 bis 14 für unterschiedliche Parameter dargestellt.
-
Die 7 und 8 zeigen die Strömungspfadlinien innerhalb des Fermenters 20 bei einer Viskosität der zu durchmischenden Biomasse von ν = 1,36·10–03 m2/s. Dunkle Regionen geben also den Bereich der Strömung im Behälter wieder, wohingegen die hellen Bereiche weitgehend nicht durchströmte Bereiche kennzeichnen.
-
Wie zu erkennen, sind die Strömungspfadlinien innerhalb des Fermenters 20' mit dem herkömmlichem Rührwerk 10' (7) wesentlich turbulenter und kürzer als die Strömungspfadlinien des erfindungsgemäßen Rührwerkes 10 mit Schneckenwellenform (8). Das Volumen des Fermentes nach dem Stand der Technik wird also nicht in allen Bereichen durchströmt.
-
Auch der Vergleich in den 9 und 10, welchem eine Viskosität der Biomasse von ν = 4,59·10–03 m2/s zugrunde liegt, zeigt eine Verlängerung der Strömungspfadlinien zugunsten des schneckenwellenförmigen Rührwerks 10. Die Strömungspfade reichen quer durch den gesamten Behälter bis an die gegenüber liegende Seite, wo die Strömung sich bei einem runden Fermenterbehälter und radialer Ausrichtung der Drehachse 2 des Rührwerks 10 teilt und beidseits entlang der Behälterwände zurückläuft. Damit werden über die gesamte Flüssigkeitsoberfläche Schwimmschichten wirksam aufgebrochen.
-
Auffällig ist in den 8 und 10 jeweils die Dichte der Strömungspfadlinien innerhalb der durch die Paddel 4 gebildeten Schneckenwellenform des erfindungsgemäßen Rührwerks 10, welche die von einem gewöhnlichen Schneckenförderer bekannte Gestalt erkennen lässt. Daraus resultiert eine geringe Turbulenzentwicklung und dadurch wiederum eine Verlängerung der Strömungspfadlinien.
