Mechanische Komponenten¶

Mechanische Anlagenkomponenten für Materialhandhabung und Prozesssteuerung.

Pump¶

Pumpen für Substratförderung, Rezirkulation und Gärrestverarbeitung in Biogasanlagen.

Parameter¶

from pyadm1.components.mechanical import Pump

pump = Pump(
    component_id="pump1",
    pump_type="progressive_cavity",  # oder "centrifugal", "piston"
    Q_nom=15.0,                      # Nenn-Durchflussrate [m³/h]
    pressure_head=50.0,              # Auslegungsdruck [m]
    efficiency=None,                 # Auto-berechnet wenn None
    motor_efficiency=0.90,           # Motorwirkungsgrad (0-1)
    fluid_density=1020.0,            # Fluiddichte [kg/m³]
    speed_control=True,              # Frequenzumrichter
    name="Förderpumpe"
)

Pumpentypen-Vergleich¶

Typ	Beste Anwendung	Wirkungsgrad	Vorteile	Nachteile
Kreiselpumpe	Niederviskose Flüssigkeiten	65-75%	• Hohe Durchflussraten • Robust • Wartungsarm	• Nicht selbstansaugend • Schlecht bei hoher Viskosität • Wirkungsgrad sinkt bei Feststoffen
Exzenterschneckenpumpe	Viskose Schlämme	50-70%	• Handhabt hohe Feststoffgehalte • Selbstansaugend • Schonende Förderung	• Niedrigerer Wirkungsgrad • Höherer Wartungsaufwand • Drehzahlabhängiger Druck
Kolbenpumpe	Hochdruckanwendungen	70-85%	• Hohe Druckfähigkeit • Präzise Durchflusskontrolle • Guter Wirkungsgrad	• Höhere Kosten • Komplexer • Empfindlich gegen Feststoffe

Dimensionierungsrichtlinien¶

Durchflussraten-Auswahl:

Anlagengröße	Substratfütterung [m³/d]	Pumpe Q_nom [m³/h]	Typischer Druck [m]
Klein	10-25	5-15	30-50
Mittel	25-75	15-40	40-60
Groß	75-200	40-100	50-80

Druckhöhen-Überlegungen:

# Berechne erforderliche Druckhöhe
H_static = 5.0      # Vertikaler Hub [m]
H_friction = 8.0    # Rohrreibungsverluste [m]
H_process = 2.0     # Prozessdruck [m]
H_safety = 1.2      # Sicherheitsfaktor

H_required = (H_static + H_friction + H_process) * H_safety
# = 18.0 m

pump = Pump("pump1", Q_nom=15, pressure_head=H_required)

Ausgaben¶

{
    'P_consumed': 8.5,           # Leistungsaufnahme [kW]
    'Q_actual': 10.0,            # Tatsächliche Durchflussrate [m³/h]
    'is_running': True,          # Betriebszustand
    'efficiency': 0.68,          # Aktueller Wirkungsgrad
    'pressure_actual': 48.5,     # Tatsächlicher Druck [m]
    'speed_fraction': 1.0,       # Drehzahl (0-1)
    'specific_energy': 0.85      # Energie pro Volumen [kWh/m³]
}

Verwendungsbeispiel¶

# Exzenterschneckenpumpe für Substratförderung
pump = Pump(
    component_id="feed_pump",
    pump_type="progressive_cavity",
    Q_nom=15.0,
    pressure_head=50.0,
    speed_control=True
)

pump.initialize()

# Betrieb bei 80% Kapazität
result = pump.step(
    t=0,
    dt=1/24,
    inputs={
        'Q_setpoint': 12.0,
        'enable_pump': True,
        'fluid_density': 1020,
        'pressure_head': 50
    }
)

print(f"Leistung: {result['P_consumed']:.1f} kW")
print(f"Durchfluss: {result['Q_actual']:.1f} m³/h")
print(f"Wirkungsgrad: {result['efficiency']:.1%}")

Leistungsaufnahme¶

Pumpen berechnen Leistung basierend auf hydraulischer Formel:

P_hydraulic = ρ × g × Q × H / 1000  [kW]
P_shaft = P_hydraulic / η_pump
P_electrical = P_shaft / η_motor

Wobei: - ρ = Fluiddichte [kg/m³] - g = 9.81 m/s² - Q = Durchflussrate [m³/s] - H = Druckhöhe [m] - η = Wirkungsgrad

Typische Leistungsaufnahme:

Durchfluss [m³/h]	Druckhöhe [m]	Pumpentyp	Leistung [kW]
10	30	Kreiselpumpe	2.5
10	50	Exzenterschnecke	4.5
15	50	Exzenterschnecke	6.8
20	60	Kolbenpumpe	10.5

Mixer¶

Rührwerke und Agitatoren zur Aufrechterhaltung der Homogenität in anaeroben Fermentern.

Parameter¶

from pyadm1.components.mechanical import Mixer

mixer = Mixer(
    component_id="mix1",
    mixer_type="propeller",          # oder "paddle", "jet"
    tank_volume=2000.0,              # Tankvolumen [m³]
    tank_diameter=None,              # Auto-berechnet wenn None
    mixing_intensity="medium",       # "low", "medium", "high"
    power_installed=None,            # Auto-berechnet wenn None
    intermittent=True,               # Intermittierender Betrieb
    on_time_fraction=0.25,           # 25% Einschaltzeit
    name="Hauptrührwerk"
)

Rührwerkstypen¶

Typ	Strömungsmuster	Beste Anwendung	Leistungsfaktor	Typische Drehzahl [rpm]
Propeller	Axial	Große Tanks, flüssige Substrate	1.0×	40-100
Paddelrührwerk	Radial	Hohe Feststoffe, faseriges Material	1.2×	20-60
Strahlmischer	Hydraulisch	Rezirkulationsmischung	1.5×	N/A (Pumpe)

Mischintensität¶

Intensität	Spezifische Leistung [W/m³]	Mischzeit [min]	Anwendung
Niedrig	3	15-30	Flüssige Gülle, niedrige Feststoffe
Mittel	5	8-15	Standardbetrieb, Energiepflanzen
Hoch	8	3-8	Hohe Feststoffe, faserreiche Substrate

Dimensionierungsbeispiel¶

# Für 2000 m³ Fermenter mit mittlerer Intensität
tank_volume = 2000  # m³
specific_power = 5  # W/m³ für mittlere Intensität

P_required = (tank_volume * specific_power) / 1000  # kW
P_required *= 1.2  # Sicherheitsfaktor für faserreiches Material
# = 12 kW

mixer = Mixer(
    "mix1",
    tank_volume=2000,
    mixing_intensity="medium",
    power_installed=15  # Auf Standardgröße aufrunden
)

Ausgaben¶

{
    'P_consumed': 12.5,          # Aktuelle Leistung [kW]
    'P_average': 3.1,            # Zeitgemittelt [kW]
    'is_running': True,          # Betriebszustand
    'mixing_quality': 0.85,      # Qualitätsindex (0-1)
    'reynolds_number': 15000,    # Strömungsregime-Indikator
    'power_number': 0.32,        # Dimensionslose Leistungszahl
    'mixing_time': 8.5,          # Zeit bis Homogenität [min]
    'shear_rate': 45.2,          # Durchschn. Scherrate [1/s]
    'specific_power': 6.25,      # Leistungsdichte [kW/m³]
    'tip_speed': 2.8             # Rührblatt-Spitzengeschwindigkeit [m/s]
}

Verwendungsbeispiel¶

# Propellerrührwerk mittlerer Intensität
mixer = Mixer(
    component_id="mix1",
    mixer_type="propeller",
    tank_volume=2000,
    mixing_intensity="medium",
    intermittent=True,
    on_time_fraction=0.25  # 6 Stunden pro Tag
)

mixer.initialize()

result = mixer.step(
    t=0,
    dt=1/24,
    inputs={
        'enable_mixing': True,
        'speed_setpoint': 1.0,
        'fluid_viscosity': 0.05  # Pa·s
    }
)

print(f"Leistung: {result['P_consumed']:.1f} kW")
print(f"Durchschn. Leistung: {result['P_average']:.1f} kW")
print(f"Mischqualität: {result['mixing_quality']:.2f}")
print(f"Mischzeit: {result['mixing_time']:.1f} min")

Intermittierender Betrieb¶

Intermittierende Mischung reduziert Energieverbrauch:

# Vergleich kontinuierlich vs. intermittierend
# Kontinuierlich: 15 kW × 24 h = 360 kWh/Tag
# Intermittierend (25%): 15 kW × 6 h = 90 kWh/Tag
# Einsparung: 270 kWh/Tag (75%)

mixer_continuous = Mixer(
    "mix_cont",
    tank_volume=2000,
    intermittent=False
)

mixer_intermittent = Mixer(
    "mix_int",
    tank_volume=2000,
    intermittent=True,
    on_time_fraction=0.25
)

# Beide erreichen ähnliche Mischqualität

Empfohlene Einschaltzeiten:

Substrattyp	Einschaltzeit	Gesamtstunden/Tag	Energieeinsparung
Flüssige Gülle	15-20%	3.6-4.8 h	80-85%
Energiepflanzen	20-30%	4.8-7.2 h	70-80%
Hohe Feststoffe	25-35%	6.0-8.4 h	65-75%
Faserreiches Material	30-40%	7.2-9.6 h	60-70%

Mischleistungsberechnung¶

Rührwerke berechnen Leistung basierend auf Leistungszahl-Korrelation:

# Mechanische Leistung aus Leistungszahl-Korrelation
# P = Np * ρ * N³ * D⁵

N = operating_speed / 60.0  # Hz (Umdrehungen/s)
D = impeller_diameter       # m

P_mech = power_number * fluid_density * N**3 * D**5 / 1000.0  # kW

# Berücksichtige Motorwirkungsgrad (typisch 85-95%)
motor_efficiency = 0.90
P_electrical = P_mech / motor_efficiency

# Limitiere auf installierte Leistung
P_actual = min(P_electrical, power_installed)

Reynolds-Zahl für Mischen:

Re = ρ * N * D² / μ

wobei:
- ρ = Fluiddichte [kg/m³]
- N = Drehzahl [Hz]
- D = Rührblattdurchmesser [m]
- μ = Viskosität [Pa·s]

Leistungszahl (abhängig von Rührwerkstyp und Reynolds-Zahl):

Propeller:
Laminar (Re < 100): Np = 14.0 * Re^(-0.67)
Übergang (100 < Re < 10000): Np = 1.2 * Re^(-0.15)
Turbulent (Re > 10000): Np = 0.32
Paddelrührwerk:
Laminar (Re < 10): Np = 300.0 / Re
Übergang (10 < Re < 10000): Np = 8.0 * Re^(-0.25)
Turbulent (Re > 10000): Np = 5.0

Mischzeit-Schätzung¶

Basierend auf Nienow-Korrelation:

θ_mix = C * (D_T/D)^α * (H/D_T)^β / N

wobei:
- C, α, β = konstanten abhängig vom Rührwerkstyp
- D_T = Tankdurchmesser [m]
- D = Rührblattdurchmesser [m]
- H = Tankhöhe [m]
- N = Drehzahl [Hz]

Typische Konstanten:

Rührwerkstyp	C	α	β
Propeller	5.3	2.0	0.5
Paddelrührwerk	6.5	2.5	0.7
Strahlmischer	4.0	1.5	0.3

Integrationsbeispiel¶

Komplette Pumpen- und Mischkette¶

from pyadm1.configurator import BiogasPlant, PlantConfigurator
from pyadm1.components.mechanical import Pump, Mixer
from pyadm1.substrates import Feedstock

# Setup
feedstock = Feedstock(feeding_freq=48)
plant = BiogasPlant("Mechanische Systemanlage")
config = PlantConfigurator(plant, feedstock)

# 1. Substratförderungspumpe
feed_pump = Pump(
    "feed_pump",
    pump_type="progressive_cavity",
    Q_nom=15.0,
    pressure_head=50.0,
    speed_control=True
)
plant.add_component(feed_pump)

# 2. Fermenter
digester, storage = config.add_digester(
    "main_digester",
    V_liq=2000,
    Q_substrates=[15, 10, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
)

# 3. Hauptrührwerk
main_mixer = Mixer(
    "main_mixer",
    mixer_type="propeller",
    tank_volume=2000,
    mixing_intensity="medium",
    intermittent=True,
    on_time_fraction=0.25
)
plant.add_component(main_mixer)

# 4. Rezirkulationspumpe
recirc_pump = Pump(
    "recirc_pump",
    pump_type="centrifugal",
    Q_nom=50.0,  # Höherer Durchfluss für Rezirkulation
    pressure_head=10.0,  # Niedrigerer Druck
    speed_control=True
)
plant.add_component(recirc_pump)

# 5. Gärrestpumpe
digestate_pump = Pump(
    "digestate_pump",
    pump_type="progressive_cavity",
    Q_nom=20.0,
    pressure_head=30.0
)
plant.add_component(digestate_pump)

# Energiesystem
config.add_chp("chp1", P_el_nom=500)
config.add_heating("heat1", target_temperature=308.15)

# Verbindungen
config.connect("feed_pump", "main_digester", "liquid")
config.auto_connect_digester_to_chp("main_digester", "chp1")
config.auto_connect_chp_to_heating("chp1", "heat1")

# Simulieren
plant.initialize()
results = plant.simulate(duration=30, dt=1/24, save_interval=1.0)

# Mechanische Energieanalyse
def mechanical_energy_analysis(results):
    """Analysiere mechanischen Energieverbrauch"""
    final = results[-1]
    comp = final['components']

    # Pumpenenergie
    feed_pump_energy = comp['feed_pump']['energy_consumed']
    recirc_pump_energy = comp['recirc_pump']['energy_consumed']
    digestate_pump_energy = comp['digestate_pump']['energy_consumed']
    total_pump_energy = feed_pump_energy + recirc_pump_energy + digestate_pump_energy

    # Rührwerkenergie
    mixer_energy = comp['main_mixer']['energy_consumed']

    # Gesamtmechanische Energie
    total_mech_energy = total_pump_energy + mixer_energy

    # BHKW-Produktion
    chp_energy = comp['chp1']['P_el'] * 30 * 24  # kWh

    # Parasitäre Last
    parasitic_fraction = total_mech_energy / chp_energy if chp_energy > 0 else 0

    return {
        'feed_pump': feed_pump_energy,
        'recirc_pump': recirc_pump_energy,
        'digestate_pump': digestate_pump_energy,
        'total_pump': total_pump_energy,
        'mixer': mixer_energy,
        'total_mechanical': total_mech_energy,
        'chp_production': chp_energy,
        'parasitic_fraction': parasitic_fraction,
        'net_energy': chp_energy - total_mech_energy
    }

analysis = mechanical_energy_analysis(results)
print("\nMechanische Energieanalyse:")
print(f"Förderpumpe: {analysis['feed_pump']:.0f} kWh")
print(f"Rezirkulationspumpe: {analysis['recirc_pump']:.0f} kWh")
print(f"Gärrestpumpe: {analysis['digestate_pump']:.0f} kWh")
print(f"Gesamt Pumpen: {analysis['total_pump']:.0f} kWh")
print(f"Rührwerk: {analysis['mixer']:.0f} kWh")
print(f"Gesamt mechanisch: {analysis['total_mechanical']:.0f} kWh")
print(f"Parasitäre Last: {analysis['parasitic_fraction']:.1%}")
print(f"Nettoenergieproduktion: {analysis['net_energy']:.0f} kWh")

Optimierungsstrategien¶

1. Pumpenoptimierung¶

def optimize_pump_sizing(Q_required, H_required, pump_type="progressive_cavity"):
    """Optimiere Pumpendimensionierung für Effizienz"""

    # Dimensioniere für 80-90% Nennlast (höchster Wirkungsgrad)
    Q_nom = Q_required / 0.85

    # Füge Sicherheitsmarge für Druckhöhe hinzu
    H_nom = H_required * 1.2

    pump = Pump(
        "optimized_pump",
        pump_type=pump_type,
        Q_nom=Q_nom,
        pressure_head=H_nom,
        speed_control=True  # FU für Teillastoptimierung
    )

    return pump

# Beispiel: 12 m³/h erforderlich bei 40 m Druckhöhe
optimized = optimize_pump_sizing(12.0, 40.0)
print(f"Optimierte Pumpengröße: {optimized.Q_nom:.1f} m³/h")

2. Mischoptimierung¶

def optimize_mixing_strategy(substrate_type, tank_volume):
    """Wähle optimale Mischstrategie basierend auf Substrat"""

    strategies = {
        'liquid_manure': {
            'intensity': 'low',
            'on_time_fraction': 0.20,
            'mixer_type': 'propeller'
        },
        'energy_crops': {
            'intensity': 'medium',
            'on_time_fraction': 0.25,
            'mixer_type': 'propeller'
        },
        'high_solids': {
            'intensity': 'medium',
            'on_time_fraction': 0.30,
            'mixer_type': 'paddle'
        },
        'fibrous': {
            'intensity': 'high',
            'on_time_fraction': 0.35,
            'mixer_type': 'paddle'
        }
    }

    strategy = strategies.get(substrate_type, strategies['energy_crops'])

    mixer = Mixer(
        "optimized_mixer",
        mixer_type=strategy['mixer_type'],
        tank_volume=tank_volume,
        mixing_intensity=strategy['intensity'],
        intermittent=True,
        on_time_fraction=strategy['on_time_fraction']
    )

    return mixer, strategy

# Beispiel: Faserreiche Substrate
mixer, strategy = optimize_mixing_strategy('fibrous', 2000)
print(f"Optimierte Mischstrategie:")
print(f"- Typ: {strategy['mixer_type']}")
print(f"- Intensität: {strategy['intensity']}")
print(f"- Einschaltzeit: {strategy['on_time_fraction']:.0%}")

3. Energieminimierung¶

def minimize_mechanical_energy(plant_config):
    """Strategien zur Minimierung mechanischer Energie"""

    strategies = []

    # 1. Nutze intermittierend Mischen
    strategies.append({
        'name': 'Intermittierendes Mischen',
        'saving': 0.70,  # 70% Einsparung
        'implementation': 'on_time_fraction=0.25'
    })

    # 2. Frequenzumrichter für Pumpen
    strategies.append({
        'name': 'FU für Teillastbetrieb',
        'saving': 0.30,  # 30% Einsparung bei Teillast
        'implementation': 'speed_control=True'
    })

    # 3. Richtige Dimensionierung
    strategies.append({
        'name': 'Optimale Dimensionierung',
        'saving': 0.15,  # 15% durch Wirkungsgradoptimierung
        'implementation': 'Q_nom = Q_required / 0.85'
    })

    # 4. Niedrigere Mischintensität wo möglich
    strategies.append({
        'name': 'Angepasste Mischintensität',
        'saving': 0.40,  # 40% durch niedrigere Intensität
        'implementation': 'mixing_intensity="low" für Flüssigsubstrate'
    })

    total_potential = sum(s['saving'] for s in strategies)

    print("Energieminimierungsstrategien:")
    for s in strategies:
        print(f"- {s['name']}: {s['saving']:.0%} Einsparung")
        print(f"  Umsetzung: {s['implementation']}")

    return strategies

strategies = minimize_mechanical_energy({})

Fehlerbehebung¶

Problem: Pumpe liefert unzureichenden Durchfluss¶

Diagnose:

pump_result = pump.step(0, 1/24, {'Q_setpoint': 15, 'enable_pump': True})

if pump_result['Q_actual'] < 0.8 * pump_result.get('Q_setpoint', 15):
    print("Niedriger Pumpendurchfluss - prüfe:")
    print(f"- Aktuelle Effizienz: {pump_result['efficiency']:.1%}")
    print(f"- Druckhöhe: {pump_result['pressure_actual']:.1f} m")
    print(f"- Ist Pumpe richtig dimensioniert für Anwendung?")

    # Prüfe ob Überlast
    if pump.speed_fraction > 1.0:
        print("- WARNUNG: Pumpe überlastet!")

Lösungen: - Erhöhe Pumpengröße wenn konsistent überlastet - Reduziere Reibungsverluste in Rohrleitungen - Prüfe auf Blockaden oder Verschleiß

Problem: Rührwerk verbraucht zu viel Energie¶

Diagnose:

mixer_result = mixer.step(0, 1/24, {})

specific_power = mixer_result['P_consumed'] / mixer.tank_volume  # kW/m³

if specific_power > 6.0:  # Obergrenze für mittlere Intensität
    print(f"Hohe spezifische Leistung: {specific_power:.1f} W/m³")
    print("Optimierungsoptionen:")

    if not mixer.intermittent:
        print("- Aktiviere intermittierenden Betrieb (70% Einsparung)")

    if mixer.mixing_intensity == "high":
        print("- Reduziere auf mittlere Intensität wenn möglich")

Lösungen:

# Implementiere intermittierenden Betrieb
mixer_optimized = Mixer(
    "mix1",
    tank_volume=mixer.tank_volume,
    mixing_intensity="medium",
    intermittent=True,
    on_time_fraction=0.25  # 75% Energieeinsparung
)

Problem: Schlechte Mischqualität¶

Diagnose:

if mixer_result['mixing_quality'] < 0.7:
    print(f"Niedrige Mischqualität: {mixer_result['mixing_quality']:.2f}")
    print(f"Mischzeit: {mixer_result['mixing_time']:.1f} min")
    print(f"Reynolds-Zahl: {mixer_result['reynolds_number']:.0f}")

    if mixer_result['reynolds_number'] < 1000:
        print("- Laminare Strömung - erhöhe Drehzahl oder Rührblattgröße")

    if mixer_result['mixing_time'] > 30:
        print("- Lange Mischzeit - erhöhe Intensität oder Einschaltzeit")

Lösungen: - Erhöhe Mischintensität für schwierige Substrate - Verlängere Einschaltzeit bei intermittierendem Betrieb - Erwäge größeres Rührblatt oder höhere Drehzahl

Best Practices¶

Pumpen für optimalen Wirkungsgrad dimensionieren
Betreibe bei 80-90% Nennlast
Nutze FU für variable Lastanforderungen
Implementiere intermittierendes Mischen
25% Einschaltzeit für die meisten Anwendungen
Passe an Substrattyp an
Regelmäßige Wartung
Überwache Pumpenwirkungsgrad über Zeit
Prüfe Rührwerkverschleiß
Optimiere Systemdesign
Minimiere Rohrleitungsverlu ste
Richtige Pumpenplatzierung
Überwache Energieverbrauch
Verfolge parasitäre Last
Ziel: <10% der BHKW-Produktion

Nächste Schritte¶

Biologische Komponenten: Fermenter und Prozesssteuerung
Energiekomponenten: BHKW und Wärmesysteme
Fütterungskomponenten: Lagerung und Dosierung
API-Referenz: Detaillierte Klassendokumentation