Техніка та енергетика

Моделювання процесів розпилення рідини у пристрої для автоматичного контролю параметрів процесу анаеробного бродіння у біогазових реакторах

Микола Заблодський, Денис Бабак
Завантажити статтю
Анотація

Актуальність дослідження обґрунтована стрімким розвитком біогазових технологій, що потребує постійного вдосконалення методів та обладнання для підвищення ефективності і забезпечення оптимальної продуктивності процесу виробництва біогазу та біометану. Метою цього дослідження було вдосконалення та оптимізація пристроїв для автоматичного контролю параметрів процесу анаеробного бродіння в біогазових реакторах. Використані методи математичного моделювання 3D-моделі в середовищі Ansys Fluent, а також методи експериментальних досліджень по визначенню спектру розпилення форсунок, розподілення струменів та  форми конуса розбризкування рідини. Запропоновано  конструктивну схему пристрою для автоматичного контролю параметрів процесу анаеробного бродіння в біогазових реакторах, математичну модель процесу розпилення рідини в системі очищення датчиків, в якій застосовуються  рівняння, що описують еволюцію кінетичної енергії турбулентності та частоти турбулентності. Створений автоматичний реєстратор, здатний вимірювати напругу, струм та тиск із частотою близько 120 вимірювань на секунду, що забезпечує високоточне зняття навантажувальних характеристик в системі подавання рідин. За результатами моделювання та експериментальних досліджень встановлено закономірності розподілення струменів і  форми конуса розбризкування рідини в залежності від зміни діаметрів сопел розпилювачів. Результати моделювання продемонстрували високу точність і надійність математичної моделі, що є важливою передумовою для подальшого комплексного моделювання та оптимізації роботи. Це дослідження робить значний внесок до розробки більш ефективних методів і засобів автоматичного контролю параметрів процесу анаеробного бродіння в біогазових реакторах сприяючи збільшенню продуктивності процесу виробництва біогазу

Ключові слова

навантажувальна характеристика помпи, Ansys Fluent, оптимізація сопла розпилювача, фізична модель, лінії потоку рідини, ефекти турбулентності

ЦИТУВАТИ
Zablodskiy, M., & Babak, D. (2025). Simulation of fluid spraying processes in a device for automatic control of anaerobic fermentation process parameters in biogas reactors. Machinery & Energetics, 16(2), 58-69. https://doi.org/10.31548/machinery/2.2025.58
Використані джерела
  1. Aworanti, O.A., Ajani, A.O., Agbede, O.O., Agarry, S.E., Ogunkunle, O., Laseinde, O.T., Kalam, M.A., & Fattah, I.M. (2023). Enhancing and upgrading biogas and biomethane production in anaerobic digestion: a comprehensive review. Frontiers in Energy Research, 11, article number 1170133. doi: 10.3389/fenrg.2023.1170133.
  2. Cerón-Vivas, A., Cáceres, K.T., Rincón, A., & Cajigas, Á.A. (2019). Influence of pH and the C/N ratio on the biogas production of wastewater. Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia, 92, 70-79.
  3. Cieniawska, B., Parafiniuk, S., Kluza, P.A., & Otachel, Z. (2023). Matching the liquid atomization model to experimental data obtained from selected nozzles. Applied Sciences, 13(7), article number 4433. doi: 10.3390/app13074433.
  4. Croce, P., Beyler, C., Dubay, C., Johnson, P., & McNamee, M. (2020). Fast-response sprinkler technology: Hsiang-Cheng Kung, Gunnar Heskestad, Robert Bill, Roger Allard: The 2019 Phillip J. DiNenno Prize. Fire Technology, 56, 1981-2001. doi: 10.1007/s10694-020-00961-7.
  5. Enache, M.A., Campeanu, A., Vlad, I., & Enache, S. (2012). Study of dynamic regimes for low power direct current motors. 2012 13th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM) (pp. 692-697). Brasov:IEEE. doi: 10.1109/OPTIM.2012.6231828.
  6. Fleming, R.P. (2016). Automatic sprinkler system calculations. SFPE handbook of fire protection engineering (pp. 1423-1449). New York: Springer. doi: 10.1007/978-1-4939-2565-0_42.
  7. Gong, M., Dai, F., Li, C., Li, Z., & Zhang, S. (2016). Study on the wall lubrication force for water-air in multi-scale bubble columns and experimental validation. Journal of Chemical Engineering of Japan, 49(5), 408-416. doi: 10.1252/jcej.15we213.
  8. Griesang, F., Spadoni, A.B.D., Ferreira, P.H.U., & da Costa Ferreira, M. (2022). Effect of working pressure and spacing of nozzles on the quality of spraying distribution. Crop Protection, 151, article number 105818. doi: 10.1016/j.cropro.2021.105818.
  9. Ibeaja, A.C., Nwaogazie, I.L., & Udeh, N.U. (2023). Temperature effect on biogas production from co-digestion of food waste, potash and cow dung. Journal of Engineering Research and Reports, 24(6), 21-28. doi: 10.9734/jerr/2023/v24i6821.
  10. Juraeva, M., Song, D.J., & Kang, D.J. (2019). Computational optimization approach to design a water-jet nozzle for a water-jet loom using the design of experiment method. Journal of Mechanical Science and Technology, 33(2), 631-637. doi: 10.1007/s12206-019-0118-3.
  11. Kishan, R., Singh, D., & Sharma, A. K. (2020). CFD Analysis of heat exchanger models design using ANSYS fluent. International Journal of Mechanical Engineering and Technology, 11(2), 1-9.
  12. Kluza, P.A., Kuna-Broniowska, I., & Parafiniuk, S. (2019). Modeling and prediction of the uniformity of spray liquid coverage from flat fan spray nozzles. Sustainability, 11(23), article number 6716. doi: 10.3390/su11236716.
  13. Kovalenko, M.A., & Samoilenko, O.O. (2019). Development of an experimental stand for the study of low-power DC machines with electromagnetic excitation. Energy: Economy, Technologies, Ecology, 3, 87-93. doi: 10.20535/1813-5420.3.2019.196392.
  14. Li, W., Guo, J., Cheng, H., Wang, W., & Dong, R. (2017). Two-phase anaerobic digestion of municipal solid wastes enhanced by hydrothermal pretreatment: Viability, performance and microbial community evaluation. Applied Energy, 189, 613-622. doi: 10.1016/j.apenergy.2016.12.101.
  15. Lima, D., Appleby, G., & Li, L. (2023). A scoping review of options for increasing biogas production from sewage sludge: Challenges and opportunities for enhancing energy self-sufficiency in wastewater treatment plants. Energies, 16(5), article number 2369. doi: 10.3390/en16052369.
  16. Liu, Z., Nie, W., Peng, H., Yang, S., Chen, D., & Liu, Q. (2019). The effects of the spraying pressure and nozzle orifice diameter on the atomizing rules and dust suppression performances of an external spraying system in a fully-mechanized excavation face. Powder Technology, 350, 62-80. doi: 10.1016/j.powtec.2019.03.029.
  17. Monachan, B., Thomas, R.J., Steaphen, D., Skaria, M., & Shafi, K.A. (2019). Simulation of stratified two-phase flow regime using air-water model in ANSYS Fluent®. Journal of Physics: Conference Series, 1355, article number 012014. doi: 10.1088/1742-6596/1355/1/012014.
  18. Musiu, E.M., Qi, L., & Wu, Y. (2019). Evaluation of droplets size distribution and velocity pattern using Computational Fluid Dynamics modelling. Computers and Electronics in Agriculture, 164, article number 104886. doi: 10.1016/j.compag.2019.104886.
  19. Renaudo, C.A., Yommi, A., Slaboch, G., Bucalá, V., & Bertin, D.E. (2022). Prediction of droplet size distributions from a pre-orifice nozzle using the Maximum Entropy Principle. Chemical Engineering Research and Design, 185, 198-209. doi: 10.1016/j.cherd.2022.07.010.
  20. Sadafi, M.H., Jahn, I., & Hooman, K. (2016). Nozzle arrangement effect on cooling performance of saline water spray cooling. Applied Thermal Engineering, 105, 1061-1066 doi: 10.1016/j.applthermaleng.2016.01.078.
  21. Shao, X., Su, X., Tian, S., & Cai, J. (2021). The effect of biogas fermentation assisted by simple solar greenhouse. E3S Web of Conferences, 246, article number 03001. doi: 10.1051/e3sconf/202124603001.
  22. Sudiartha, G.A.W., Imai, T., Mamimin, C., & Reungsang, A. (2023). Effects of temperature shifts on microbial communities and biogas production: an in-depth comparison. Fermentation, 9(7), article number 642. doi: 10.3390/fermentation9070642.
  23. Wang, J., Liang, Q., Zeng, T., Zhang, X., Fu, W., & Lan, Y. (2022). Drift potential characteristics of a flat fan nozzle: A numerical and experimental study. Applied Sciences, 12(12), article number 6092. doi: 10.3390/app12126092.
  24. Yue, C., Guo, S., & Li, M. (2013). ANSYS FLUENT-based modeling and hydrodynamic analysis for a spherical underwater robot. In 2013 IEEE international conference on mechatronics and automation (pp. 1577-1581). Takamatsu: IEEE. doi: 10.1109/ICMA.2013.6618149.