Justification of the design and technological parameters of the methane tank stirrer

Authors

DOI:

https://doi.org/10.46299/j.isjea.20230203.04

Keywords:

biogas, substrate, methane tank, mixing, stirrer, blade, angle of inclination, model

Abstract

The article presents the results of the initial experimental studies of the methane tank stirrer for the biogas plant system with the hydraulic system of transportation and mixing of the substrate. At the previous stages of scientific researches, the composition and parameters of the hydraulic system, as well as the hydromechanical stirrer based on the Segner wheel type, were theoretically determined. Taking into account the real material and technical possibilities and the ban on conducting experiments with real manure in the conditions of an educational institution, research experiments were conducted with a model of a stirrer on a model liquid. Since the dimensions of the model are significantly different from the real sample, the Froude similarity criterion was applied, which is essentially a measure of the ratio of the energy of the mass forces to the inertial forces of the flow. The radius of the blade is taken as the determining size. Then, for a real sample, l1 = 1.5 m; for the model l2 = 0.15 m. According to Froude's criterion, to maintain similarity, the speed of the blade should be 0.158 m/s, the angular speed of rotation of the model 1.05 rad/s; a rotation frequency of 10 min-1 is required.

To evaluate the quality of mixing, the coefficient of variation is taken, and the concentration of dry matter is the key component. Therefore, during the experiments, it was necessary to determine the moisture content in 6 samples taken at three points of the container at the upper and lower level.  The obtained data analysis showed that in almost all options for installing the blade, the concentration of dry matter is higher in samples from the upper layer of the mixture. That is, the stirrer will definitely prevent segregation (stratification) of the mixture. However, the coefficient of variation shows that the best quality of mixing (no more than 10) will be in the case when the blade deviation angle is in the range β1 = -150...+300. At an angle of more than 450, the quality becomes unsatisfactory because the coefficient of variation is Vc>20.

As the obtained results show, the change in the β2 angle has a stronger effect on the process’s quality. The acceptable mixing quality is ensured in the range β2 = -15...+200, but the best indicator is at β2 =0...100. When the blade is tilted at an angle of more than -200 (that is, with the upper edge in the direction of movement), the mixing quality becomes unsatisfactory.

From the experiments, it was established that when the blade is turned against the direction of rotation, the power decreases, obviously, due to a decrease of the midsection area. But at the same time, the mixing quality deteriorates rapidly. The minimum point corresponds to the vertical position of the blade. In all other options, the power gradually increases, obviously due to the formation of zones of increased pressure.

In general, the blade installation angles β1=29° and β2=12°, determined by us theoretically, are close to those that ensure the proper quality of mixing with minimum power consumption.

References

Вайланд, П., Геммеке, Б., Ригер, К. (2015). Биогаз на основе возобновляемого сырья. Сравнительный анализ шестидесяти одной установки по производству биогаза в Германии (сбор данных по Северо-Западному региону). Аналитическая записка №1. Available at: https://sojus.dbfz.de/sites/default/files/pdf_426nline_russ_brosch_bmpii_kurz_2010.pdf.

Томас А. (2012). Руководство по биогазу: от получения до использования. Rostock: Специальное агентство возобновляемых ресурсов (FNR). 213. Available at: https://mediathek.fnr.de/media/downloadable/files/samples/h/a/handreichungbiogasru2012.pdf

Голуб, Г., Гайденко, О. Сучасні тенденції розвитку біогазових установок. Агробізнес сьогодні: веб-сайт. Available at: http://agro-business.com.ua/agro/ideitrendy/item/8386-suchasni-tendentsii-rozvytku-biohazovykh-ustanovok.html.

Ратушняк, Г., Джеджула, В. (2006). Енергозбереження в системах біоконверсії: навчальний посібник. Вінниця: ВНТУ, 83.

Кооп Ю. (2012). Виробництво і використання біогазу в Україні: посібник. Рада з питань біогазу Ltd Biogasrat e.V. в партнерстві з Адвокатським об’єднанням «Arzinger». 74 с.

Майстренко, О. Куріс, Ю. (2010) Методи та технології анаеробної переробки тваринницької біомаси. Энергосбережение.энергетика. энергоаудит. №2 (72). 29-36.

Сенчук, М. (2009). Підвищення ефективності роботи біогазової установки. Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України: зб. наукових праць УкрНДІПВТ ім. Л, Погорілого . Вип. 13 (27). 395-404.

Краснолуцький, П. (2019). Основні завдання при проектуванні гідромеханічної системи перемішування субстрату у метантенку. Аграрна наука та освіта в умовах євроінтеграції: збірник наукових праць міжнар. наук.-практ. конф. Ч.2. (20-21 березня 2019 р., м. Кам’янець-Подільський). Тернопіль : Крок. 75-78.

Кудря С.,, Головко, В. (2015). Основи конструювання енергоустановок з відновлюваними джерелами енергії. Київ: НТУУ КПІ. 201 с.

Семененко, И. (2013). Проектирование биогазовых установок. Сумы: ПФ «МакДен», ИПП «Мрия-1» ЛТД,. 347 с.

Девін, В., Ткачук, В. (2016). Моделювання процесу роботи лопатевого змішувача в програмному комплексі FLOW VISION. Збірник наукових праць Подільського державного аграрно-технічного університету. Кам’янець-Подільський. Вип. 24. Ч. 2. 65-72.

Краснолуцький, П. (2021). До обґрунтування параметрів лопатевої мішалки метантенка. Multidisciplinary academic research and innovation: Abstracts of XXVII International Scientific and Practical Conference Amsterdam, Netherlands May 25 – 28, 2021. 734-742. DOI - 10.46299/ISG.2021.I.XXVII

Кислий, В. (2011). Організація наукових досліджень: навчальний посібник. Суми: Університетська книга. 224.

Білей, П. та ін. (2012). Методологія наукових досліджень технологічних процесів.Львів: Видав. НУ «Львівська політехніка». 352.

Дуганець, В. та ін. (2013). Гідравліка: Навчально-методичний комплекс. Кам’янець-Подільський. ФОП Сисин О.В., 572.

Засименко, В. (2006). Основи теорії планування експерименту. Навч. посібник. Львів: Видав. ДУ «ЛП», 205.

Published

2023-06-01

How to Cite

Krasnolutskyi, P. P. (2023). Justification of the design and technological parameters of the methane tank stirrer. International Science Journal of Engineering & Agriculture, 2(3), 26–37. https://doi.org/10.46299/j.isjea.20230203.04