تجزیه و تحلیل CFD برای اختلاط عملکرد انواع مختلف بیوژن های خانگی

Sagar Shrestha ، Sunil Prasad Lohani ، تجزیه و تحلیل CFD برای اختلاط عملکرد انواع مختلف زیست محیطی خانگی ، انرژی پاک ، جلد 6 ، شماره 2 ، آوریل 2022 ، صفحات 325-334 ، https://doi.org/10. 1093/ce/zkac00999

خلاصه

بیودجر های خانگی هضم کننده های بی هوازی خود در حال تغییر هستند که بیشتر در مناطق روستایی کشورهای در حال توسعه به عنوان منبع قابل اعتماد انرژی پخت و پز تمیز استفاده می شوند. برای یک فرآیند هضم بی هوازی کارآمد ، مخلوط کردن دوغاب در داخل هضم کننده به عنوان یکی از مهمترین پارامترها در نظر گرفته می شود. در این مطالعه ، مخلوط دوغاب در سه طرح مختلف هضم کننده خانگی ، یعنی هضم گنبد ثابت (مدل GGC 2047) ، هضم جریان پلاگین و هضم پلاستیکی پیش ساخته ، با استفاده از دینامیک سیال محاسباتی مورد بررسی قرار گرفته و مقایسه می شود. یک شبیه سازی گذرا سه بعدی با استفاده از یک حجم چند فاز از مدل سیال (VOF) در ANSYS® RELEAD FLUENT 16. 0 انجام می شود. خصوصیات رئولوژیکی مواد اولیه برای هر سه هضم کننده یکسان در نظر گرفته می شود. حجم هضم پلاستیکی و پلاستیکی پلاستیکی به گونه ای طراحی شده است که 1 متر 3 باشد در حالی که حجم Digester GGC 2047 6 متر 3 به عنوان اندازه استاندارد هضم کننده خانگی بود. مناطقی که در داخل هضم وجود دارد که سرعت دوغاب در آن قرار دارد

معرفی

سوخت های فسیلی یکی از منابع اصلی انرژی در جهان هستند [1]. استفاده از سوخت های فسیلی منجر به تأثیرات منفی جدی بر محیط زیست مانند انتشار گازهای گلخانه ای (GHG) و سایر آلاینده هایی شده است که باعث بدتر شدن سلامت افراد می شود. بنابراین ، نیاز فوری برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و سایر آلودگی های زیست محیطی وجود دارد. معرفی منبع جایگزین انرژی که قابل تجدید ، تمیز و پایدار است می تواند تا حد زیادی این مشکل را برطرف کند [2]. Biogas Energy یکی از مناسب ترین گزینه های انرژی پاک است که می تواند برای کاربردهای خانگی و تجاری استفاده شود [3].

در بسیاری از کشورهای در حال توسعه ، از بیوگاز خانگی به عنوان یک جایگزین انرژی برای انرژی خانوار استفاده می شود که به دلیل مقدار زیاد پرورش دام در بسیاری از جوامع روستایی در حال افزایش است [4]. هضم کننده های خانگی به عنوان یک فناوری تمیز و سازگار با محیط زیست در نظر گرفته می شوند که می تواند با تأمین نیازهای انرژی خود برای فعالیتهای روزانه در خانواده ، به جوامع روستایی برای بهبود شرایط زندگی کمک کند [5].

هضم بی هوازی (AD) تجزیه ماده زیست تخریب پذیر است که توسط ترکیبی از باکتری ها و باستان در غیاب اکسیژن آغاز می شود. بیوگاز عمدتا ترکیبی از متان (50-60 ٪) و دی اکسید کربن (30-40 ٪) است که توسط فرآیند AD تولید می شود [6]. به طور کلی ، فرآیند AD به برخی از پارامترهای کلیدی مانند خصوصیات بستر ، استراتژی تغذیه ، زمان احتباس هیدرولیک ، pH ، دما و رفتار اختلاط بستگی دارد [7]. در میان این پارامترهای کلیدی ، مخلوط کردن به عنوان یکی از پارامترهای مهم برای بهبود روند AD و عملکرد بیوگاز در نظر گرفته می شود [8]. اختلاط مناسب در هضم کننده همگن بیولوژیکی ، شیمیایی و فیزیکی را تضمین می کند [9] ، از تشکیل مناطق مرده برای تبدیل یک تبدیل بستر کارآمد جلوگیری می کند [10 ، 11]. اگر یک اختلاط ناکافی در هضم کننده وجود داشته باشد ، ممکن است راندمان عملکرد هضم کننده کاهش یابد [12] در حالی که ، با سطح بالایی از اختلاط ، به طور بالقوه می تواند به دلیل برشی بیش از حد فرآیند هضم را مختل کند [13-15]. بنابراین ، درک و بررسی فرایند اختلاط مناسب در هضم کننده های مختلف لازم است.

در طول قرن گذشته ، انواع مختلفی از هضم کننده های بیوگاز بر اساس ویژگی های مختلف طراحی ، توسعه و طبقه بندی شده اند [16 ، 17]. بر اساس اختلاط ، بیوداژسترها به دو نوع تقسیم می شوند: هضم کننده های اجباری و هضم کننده های خود در حال ترکیب. در هضم کننده مخلوط اجباری ، مخلوط کردن دوغاب در داخل هضم از طریق چرخش مکانیکی یا گاز/دوغاب حاصل می شود ، که در کاربردهای در مقیاس بزرگ استفاده می شود [10 ، 18-22]. اما در هضم کننده های خود در حال تغییر ، اختلاط از طریق تغییرات هیدرولیکی در حین استفاده از گاز و تغذیه راکتور حاصل می شود [23] و این نوع هضم کننده ها به طور گسترده ای به عنوان بیولوژیکی خانگی (خانگی) مورد استفاده قرار می گیرند.

برای مطالعه رفتار اختلاط هضم کننده ، مطالعات ردیاب به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته و به عنوان یک روش تجربی ارزشمند برای توصیف جریان در نظر گرفته می شود [24]. همچنین از آن برای توصیف مناطق مرده هضم استفاده می شود [25-27]. اما مشخص شد که این روش بسیار پر مصرف منابع است و فقط می تواند اطلاعات محدودی را در مورد آنچه در داخل هضم کننده اتفاق می افتد ارائه دهد [28]. با این وجود ، استفاده از دینامیک سیال محاسباتی (CFD) به عنوان ابزاری جایگزین مناسب برای بررسی مخلوط کردن با جزئیات بیشتر و غلبه بر مشکلات تجربی ظاهر شده است. CFD امکان شبیه سازی میدان جریان و مشاهده رفتار جریان در انواع مختلف هضم کننده را فراهم می کند. همچنین ، با کمک تکنیک های مختلف تجسم جریان موجود در CFD ، از مطالعه کانتورهای سرعت و مناطق مرده در داخل هضم با ارائه نتایج بصری پشتیبانی می کند [24 ، 29-31].

چندین محقق تجزیه و تحلیل اختلاط را با استفاده از CFD در پیکربندی های مختلف طراحی بیودژسترها انجام داده اند. Vesvikar [32 ، 33] تجزیه و تحلیل CFD را برای تقلید از هضم کننده های بی هوازی (راکتور هوایی داخلی) انجام داد تا تأثیر هندسه و شرایط عملیاتی را بر روی الگوی جریان آن بررسی کند در حالی که وو و میستر [34 ، 35] یک مدل CFD را در یک anaobic به شکل تخم مرغ به کار می برندهضم کنندهبه طور مشابه ، بسیاری از محققان مختلف از CFD در انواع مختلف هضم کننده ها مانند یک راکتور تانک تانک شده (CSTR) [31 ، 36-40] ، راکتور تانک هم زده (STR) [41-46] ، پتو لجن بی هوازی جریان بالا استفاده کرده اند (UASB) [45 ، 46] و در اشکال مختلف هضم کننده ها مانند استوانه ای ، دایره ای و مخروطی [10 ، 47-49]. با این حال ، اکثر تحقیقات فوق الذکر فقط بر مطالعه ویژگی های اختلاط و آشفتگی ایجاد شده توسط پروانه ها ، پیش نویس لوله ها و مخلوط کردن گاز در هضم کننده های اجباری متمرکز شده است. با این حال ، این مطالعه بر مطالعه الگوی اختلاط و مناطق مرده در انواع مختلف بیوژن های خانگی (هضم کننده های خود در حال تغییر) متمرکز شده است.

Household biodigesters are anaerobic digesters that are used mostly in rural areas for a reliable source of clean cooking energy. They are usually small-scale biodigesters and are installed in rural households of tropical and subtropical regions because of favourable temperature conditions and the availability of organic matter as feedstock [ 50]. These types of biodigesters do not have any agitators (mixing devices) and are operated in ambient temperatures [ 51]. Mixing in these digesters is achieved via hydraulic and pressure variation during feeding, gas production and gas use. As compared with forced-mixed digesters, household digesters are operated at 40 million,>5 million and>به ترتیب 400000 بیوداژستر ، در سال 2019 [55-57]. گیاهان بیوگاز خانگی یا داخلی یک زیر مجموعه رو به رشد در صنعت بیولوژیکی در سراسر جهان را تشکیل می دهند ، اما فقط چند مطالعه برای این بخش در دسترس است.

در این مطالعه ، ما سه هضم کننده مختلف خانگی ، یعنی گنبد ثابت ، جریان پلاگین و هضم پلاستیکی پیش ساخته را انتخاب کرده ایم. این سه هضم کننده با استفاده از CFD به طور مستقل طراحی و شبیه سازی شدند تا ویژگی های اختلاط آنها را هنگام تغذیه تجزیه و تحلیل کنند. مقدار قابل توجهی از تحقیقات توسط جگد و همکاران انجام شده است. با توجه به اختلاط ، بهینه سازی ، طراحی و توسعه هضم کننده گنبد چینی [58-61]. آنها همچنین از نرم افزار CFD برای ارزیابی عملکرد اختلاط در هضم گنبد چینی استفاده کرده اند [62 ، 63]. به همین ترتیب ، Rasouli [64] شبیه سازی CFD را برای مطالعه رژیم جریان و هیدرودینامیک یک لیبری زیستی در یک هضم جریان پلاگین مخلوط انجام داده است. به همین ترتیب ، چی و همکاران.[51 ، 65 ، 66] از CFD برای بررسی تأثیر ویسکوزیته ، خصوصیات هیدرولیک و اختلاط در راکتور بی هوازی خودآنویی خودآموز (SA-ABR) استفاده کرده اند. چند مقاله مرور در مورد گیاهان بیوگاز خانگی وجود دارد [67-69].

اگرچه مقالات محدود در مورد ویژگی اختلاط هضم کننده های خانگی خود در حال بررسی است ، اما در مطالعه تطبیقی انواع مختلف تنوع زیستی خانگی ، کمبود ادبیات موجود است. از این رو ، اهداف اصلی این مقاله عبارتند از:

طراحی سه بیودجر خانگی مختلف ، یعنی جریان پلاگین ، گنبد ثابت (GGC 2047) و هضم کننده های پلاستیکی پیش ساخته.

انجام شبیه سازی های مستقل CFD را بر روی این بیوژن ها با استفاده از ANSYS® Fluent Release 16. 0 تحت پارامترهای یکسان انجام دهید.

الگوی جریان دوغاب را بررسی کرده و عملکرد اختلاط را در این هضم کننده ها مقایسه کنید.

1 روش

1. 1 طراحی بیوژن های مختلف خانگی و اصل عملیاتی

شکل هضم کننده تأثیر مهمی در الگوی جریان و عملکرد مخلوط در هضم کننده دارد ، به خصوص در هضم کننده های طبیعی به طور طبیعی. سه نوع مختلف از بیودجر خانگی ، یعنی گنبد ثابت ، جریان پلاگین و هضم پلاستیکی پیش ساخته ، همانطور که در شکل 1-3 نشان داده شده است طراحی شده اند. طرح های سه بعدی هضم کننده ها با استفاده از PTC CREO 6. 0. 2. 0 مدل سازی شدند. جزئیات اصلی هندسه هضم کننده ها در جدول 1 گزارش شده است. هضم کننده گنبد ثابت (مدل GGC 2047) نسخه نپال اصلاح شده از هضم گنبد ثابت چینی است. Digester Plug-Flow بر اساس معیارهای طراحی داده شده طراحی شده است در حالی که هضم پلاستیکی پیش ساخته یک سفارشی هضم پلاستیکی پیش ساخته یک تانک است که در آزمایشگاه انرژی تجدید پذیر و پایدار ، دانشگاه کاتماندو طراحی شده است.