Summary
Dette papir beskriver, hvordan tre forskellige vandhvirvelregimer i en hyperbolsk Schauberger-tragt kan oprettes, deres vigtigste egenskaber, og hvordan tilknyttede parametre såsom iltoverførselshastigheder kan beregnes.
Abstract
Frie overfladehvirvler er til stede i industrien i strømningsregulering, energiafledning og energiproduktion. Selvom det undersøges grundigt, mangler der detaljerede eksperimentelle data vedrørende frie overfladehvirvler, især med hensyn til turbulensen ved grænsefladen. Dette papir rapporterer om en særlig type fri overfladehvirvel, der først blev foreslået af Walter Schauberger i 1960'erne, der har en iltvolumetrisk masseoverførselskoefficient, der overstiger værdien af lignende systemer. Denne specielle type hvirvel dannes i en hyperbolsk tragt. Forskellige stabile regimer kan stabiliseres med forskellige hydrauliske egenskaber. Andre fordele ved denne teknologi er dens energieffektivitet, enkle design og skalerbarhed. Strømmen i denne hyperbolske tragt er kendetegnet ved stærk turbulens og et øget overfladeareal af luft-vand-grænsefladen. Det lokale tryk varierer stærkt langs overfladen, hvilket resulterer i et udtalt bølget luft-vand-grænselag. På grund af den spiralformede strømning bevæger disse forstyrrelser sig indad og trækker grænselaget med dem. Den resulterende trykgradient trækker en vis luftmængde ind i vandhvirvelen. Konstruktionen af den grundlæggende hyperbolske tragtopsætning og operationelle eksempler, herunder højhastighedsvisualisering for tre forskellige stabile regimer, præsenteres i dette arbejde.
Introduction
Vores liv er tæt forbundet med spiralstrukturer. De findes i næsten alt og overalt, herunder strukturen af skaller og ammonitter og dannelsen af orkaner, tornadoer og boblebade 1,2. På kosmologisk skala dannes og udvikler galakser sig efter princippet om den logaritmiske spiral3. De mest kendte spiraler er de gyldne og Fibonacci spiralerne4, som har mange anvendelser lige fra at beskrive plantevækst og den krystallografiske struktur af visse faste stoffer til udvikling af computerdatabasesøgningsalgoritmer. Fibonacci-sekvensen er karakteriseret som en numerisk serie, der starter med 0 og 1 og har efterfølgende tal svarende til summen af de to foregående. Denne sekvens kan også findes ved tælling af reproduktionshastigheden for kaniner. Spiraler er blandt nogle af de ældste geometriske former tegnet af Homo sapiens, såsom de koncentriske cirkler, der findes i Colombia og Australien (40.000-20.000 f.Kr.1). Leonardo da Vinci5 forsøgte at skabe en helikopterformet flyvemaskine ved hjælp af et spiralblad (fra det græske ord ἕλιξ πτερόν eller helix pteron, der betyder spiralvinge). Efter samme princip konstruerede en flydesigner, Igor Sikorsky, den første helikopter i serieproduktion 450 år senere6.
Mange andre eksempler peger på, at spiralformede strømningsstrukturer kan være meget effektive og udgiftsbesparende, fordi denne type flow fortrinsvis ses i naturen. I begyndelsen af det 20. århundrede indså den østrigske skovfoged og filosof Viktor Schauberger dette. Han sagde, at mennesker bør studere naturen og lære af den i stedet for at forsøge at rette op på den. Baseret på hans ideer byggede han temmelig usædvanlige bjælkerender til at flyde tømmer; Kanalerne tog ikke den mest lige vej mellem to punkter, men fulgte bugten af dale og vandløb. Dette design fik vandet til at strømme ved at dreje i en spiral langs sin akse og dannede således en hvirvelstrøm, som derved reducerede mængden af brugt vand og producerede en transporthastighed, der væsentligt oversteg det, der blev betragtet som normalt7.
I sin fars fodspor udviklede Viktors søn Walter nye teknologier ved hjælp af vandhvirvlen8 til forskellige formål: behandling af drikkevand, industriel proces, restaurering af damme og vandløb, iltning af damme og små søer samt flodregulering og restaurering. En af disse ideer har for nylig fået stor interesse, nemlig vandbehandling ved hjælp af en hyperbolsk tragt8, hvor en hvirvel kun skabes af vandstrømmen uden omrøringsanordninger. Det har vist sig at være en meget effektiv metode til oxidering af jern i grundvand 9,10. En begrænsning ved denne teknologi er, at den er mindre effektiv til vand med lav pH-værdi11.
Store mængder drikkevand i Holland opnås fra underjordiske kilder12, hvor koncentrationen af jern kan nå flere titalls milligram pr.Liter 13, mens 0,2 mg / L anses for acceptabel efter standarderne14. De fleste drikkevandsanlæg bruger luftning som et af de første skridt til at reducere jernkoncentrationen i vandrensningsprocessen. I de fleste tilfælde er formålet med beluftning at øge indholdet af opløst ilt, fjerne gasser og andre beslægtede stoffer fra vandet eller beggedele 15. Der er forskellige metoder, hvormed beluftning kan indføre ilt i flydende medier. Disse metoder omfatter omrøring af væskeoverfladen ved hjælp af en mixer eller turbine og frigivelse af luft gennem enten makroskopiske åbninger eller porøse materialer16.
Den kemiske proces med jernoxidation blev demonstreret af van de Griend17, hvor et oxygenmolekyle tager en elektron fra jernholdigt jern og reagerer med en fri proton til dannelse af vand, mens jernionen oxideres (ligning [1]):
, (1)
Jernionen udfældes derefter som Fe (OH)3 på grund af dens reaktion med vand, som frigiver protoner (ligning [2]):
(2)
Den samlede reaktion er givet ved ligning (3):
. (3)
I beluftning er de teknikker, der oftest anvendes, kaskader, tårn-, spray- og pladeluftningssystemer18,19. Ulempen ved disse teknologier er, at de forbruger fra 50 % til 90 % af al energi 20 og op til40 % af budgettet til drift og vedligeholdelse af behandlingsanlæggene21.
Brug af en hyperbolsk tragt til beluftning kan reducere omkostningerne betydeligt og øge effektiviteten af denne proces. Hyperbolske tragte er mindre følsomme over for tilstopning på grund af deres geometri og det faktum, at der ikke er bevægelige dele, hvilket betyder, at energien kun bruges på at pumpe vand. Et sådant system kan karakteriseres ved flere parametre, såsom tragtens vandstrømningshastighed pr. Time (φ), den gennemsnitlige opholdstid (MRT), den hydrauliske retentionstid (HRT), iltvolumenmasseoverførselskoefficienten (KLa 20) (korrigeret til en standardiseret temperatur på20 ° C), standard iltoverførselshastighed (SORT) og standardluftningseffektiviteten (SAE). Tragtens strømningshastighed er nødvendig for at beregne mængden af vand, der kan behandles på et bestemt tidspunkt. MRT beregnes ud fra forholdet mellem vandstrømningshastigheden og dens volumen i tragten for et bestemt regime ved hjælp af ligning (4):
(4)
hvor V repræsenterer væskevolumenet i reaktoren.
HRT kan bestemmes eksperimentelt ved hjælp af sporstofteknologier22via dets opholdstidsfordelingsfunktion. HRT giver grundlæggende indsigt i blandingsprocesser, hold-ups og adskillelsesfænomener23. Det blev vist af Donepudi24, at jo længere væk vandstrålen er fra indløbet, jo hurtigere bevæger den sig mod udløbet. I det første øjeblik pumpes vand tangentielt til den øvre cylindriske del af tragten. Derefter falder tangentialhastigheden under påvirkning af tyngdekraften sammen med systemets geometri, og den aksiale hastighed øges. Den volumetriske masseoverførselskoefficient for ilt, KLa20 (gensidig enhedstid), angiver et systems evne til at lette iltoverførslen til væskefase10. Den kan beregnes25,26 i henhold til ligning (5):
(5)
hvor C ud er koncentrationen af opløst ilt (DO) i bulkvæsken, C i er DO-koncentrationen ifoderet, Cser DO-koncentrationen ved mætning, og T er vandtemperaturen.
SORT-værdien er standardhastigheden for ilt, der overføres til væskefasen af systemet, og bestemmes ved ligning (6)27:
(6)
hvor 
er DO ved mætning for en temperatur på 20 °C. SOTR-værdien kan defineres for en bestemt proces, i hvilket tilfælde volumenet, der anvendes i ligning (6), normaliseres ved at antage 1 times behandlingstid (processpecifik SOTR), således at luftningsmetoder i pilotskala kan sammenlignes med systemer i reel skala. For kapaciteten af et bestemt regime i tragten skal den systemspecifikke SOTR beregnes, som bruger vandmængden inde i tragten til en (regimespecifik) hydraulisk retentionstid. Denne værdi er vigtig ved beregning af et regimes faktiske beluftningskapacitet i en given tragt.
SAE er forholdet mellem SOTR og den effekt, der bruges til beluftning. Da energi kun bruges til at pumpe vand til toppen af tragten og give det den nødvendige strøm til dannelse af en hvirvelstrøm, beregnes den som summen af den potentielle energi af mængden af vand, der pumpes i timen i en højde svarende til tragtens længde og den kinetiske energi, som vandet har brug for til at skabe en hvirvel27 ved hjælp af ligning (7):
(7)
hvor Pp er den potentielle effekt (i kW), der kræves for at løfte det vand, der pumpes til tragtens højde, og Pker kinetisk effekt (i kW), der kræves for det vand, der pumpes øverst i tragten, for at få nok strøm til at skabe en hvirvelstrøm. Normalt skal den systemspecifikke SOTR anvendes til ligning (7). Hvis den processpecifikke SOTR anvendes i stedet, giver den energiforbruget i et (teoretisk) system med 1 times hydraulisk retentionstid.
Disse parametre er tilstrækkelige til at vurdere effektiviteten og gennemførligheden af at bruge denne teknologi, men ikke til at beskrive selve processen. Det skal nævnes, at hvirvler er blandt de mindst forståede fænomener i væskedynamik. Derfor investeres en masse forskningsindsats i denne retning. En af de største udfordringer ved at finde de generelle love og regler for hvirvler i væskedynamik er, at der altid er variationer i de geometriske grænsebetingelser, som påvirker udviklingen af hvirvler og påvirker deres dannelse og dynamik væsentligt. Det er således rimeligt at antage, at en hvirvel med fri overflade (FSV) ikke kan betragtes analogt med en laboratorietype begrænset. Det blev imidlertid vist af Mulligan et al.28 for Taylor-Couette-strømmen (TCF), at hvis luftkernen i FSV betragtes som en virtuel indre cylinder, der roterer med samme hastighed som luftkernen, kan begge behandles ens. Ved at gøre dette kan ligninger, der repræsenterer hvirvelstrømningsfeltet med fri overflade, erstattes med vinkelhastighedsbetingelserne for den virtuelle cylinder, hvilket resulterer i ligninger for TCF-systemet. Det blev også demonstreret, at hvis rotationshastigheden for en imaginær cylinder øges, vises Taylor-lignende hvirvler28 på et tidspunkt som et sekundært strømningsfelt og forsvinder derefter, når de nærmer sig væggene.
Efter at det blev vist af Niemeijr 29, at det er muligt at opnå tre forskellige typer vandhvirvler i en Schauberger-tragt (snoet, lige og begrænset) (figur 1 og figur 2), som er kendetegnet ved andre hydrauliske parametre, brugte Donepudi 24 den samme tilgang som Mulligan et al.28 til at simulere hvirvelregimer ved hjælp af beregningsvæskedynamik (CFD) og derved analysere organiseringen af deres strømningsfelt for at forstå det underliggende fysiske mekanismer. Systemet er meget turbulent, og det sekundære strømningsfelt er meget ustabilt og er kendetegnet ved udseendet af et stort antal Taylor-lignende hvirvler. Gastransport fra gasfasen til væskefasen styres af diffusion, advektion og reaktion. For at øge effektiviteten af denne proces er det derfor nødvendigt enten at øge gaskoncentrationsgradienten eller væskens volumetriske bevægelse. Sidstnævnte afhænger direkte af systemets turbulens i form af Taylor-lignende hvirvler, som letter transporten af mættede væskeelementer fra grænsefladen til bulkvæsken. I et andet arbejde med dette emne9 blev de vigtigste parametre for forskellige hvirvelregimer, såsom vandstrømningshastigheden, KLa20 og SOTR, sammenlignet. Denne undersøgelse viste et stort løfte for denne teknologi, fordi systemet muliggør meget hurtig gasoverførsel sammenlignet med andre metoder, der bruges til vandluftning.
Formålet med denne artikel er at tilvejebringe og demonstrere denne metode til at skabe forskellige vandhvirvelregimer i hyperbolske Schauberger-tragte (lille: 26 cm høj og 15 cm topdiameter; medium: 94 cm høj og 30 cm topdiameter; stor: 153 cm høj og 59 cm topdiameter) med det formål at opnå effektiv vandluftning.
Protocol
1. Generelle henstillinger
- Kontroller alle rørforbindelser for lækager, inden opsætningen påbegyndes.
- Kontroller, at tragtlåget er på plads og sikkert.
- Rengør tragten før og efter hvert forsøg med en børste og glasrens, da den kan blive gul på grund af den høje koncentration af jern i grundvandet.
2. Eksperimentel opsætning
- Vandhvirvelsystem (figur 3)
- Fastgør glastragten (figur 4) sikkert lodret på en speciel ramme - et bræt med fire ben og en slids i midten, hvilket svarer til diameteren på den cylindriske del af tragten og er stor nok til, at tragten passer ind, men ikke for stor til, at den falder igennem. Fastgør rammen sikkert, så den ikke ryster.
- Sæt en gummipakning mellem låget og tragten for at undgå lækager. Fastgør tragtlåget, og stram det ved hjælp af boltene.
- Tilslut grundvandspumpen til det tangentielle indløb i den øverste cylindriske del af tragten ved hjælp af slanger og slangestik.
- Tilslut en speciel kontrolventil for at justere vandstrømningshastigheden mellem pumpen og tragten. Tilslut en vandstrømsmåler mellem kontrolventilen og tragten.
- Tilslut tragtens udløb til afløbet med en slange. På drænslangen, nær tragtens udløb, skal du installere en klemme for at skabe modtryk under enhedens drift.
BEMÆRK: Klemmen skal installeres umiddelbart efter alle de andre adaptere og stik, der kræves til eksperimenterne.
- System til forsøg med røbestoffer (figur 3)
- Installer specielle adaptere til installation af sonder nær indløb og udløb. Installer pH-sonder i disse adaptere, og tilslut dem til dataloggeren.
- Installer sensorer så tæt som muligt på tragten for at reducere fejl i HRT-beregningerne.
- Forbered 1 ml NaOH-opløsning (koncentration: 0,2 M), der skal bruges som et kemisk sporstof, der injiceres i strålens vandstrøm.
BEMÆRK: Da natriumhydroxid vandig opløsning er en stærk base, vises den som en toplignende stigning i pH30. - Installer en adapter med tre åbninger til tilslutning af sporindsprøjtningssystemet, som består af en ventil og en sprøjte før pH-sonden nær indløbet.
- System til DO-eksperimenter (figur 3)
- Lim to iltsensorpletter på indersiden af de to forskellige glasadaptere, placer dem så tæt som muligt på tragtens indløb og udløb og tilslut dem til vandledningen.
BEMÆRK: Under drift skal vandet dække klistermærkerne helt. - Installer glasadapteren med iltsensorpunktet nær tragtens indløb og udløb, og fastgør spidsen af polymeroptisk fiber (som er 2 m lang) over klistermærket på den anden side af glasset.
- Installer vandtemperaturføleren nær tragtindløbet i samme adapter som for pH-sonden. Sørg for, at den er tæt på fiberen, da vandtemperaturen bruges til at korrelere DO-målingerne.
- Tilslut polymer optisk fiber og temperatursensor til den fiberoptiske ilttransmitter.
- Tilslut den fiberoptiske iltsender til en bærbar computer med speciel software installeret til at vise signalet fra sensoren, som er relateret til koncentrationen af opløst ilt og vandtemperaturen.
- Lim to iltsensorpletter på indersiden af de to forskellige glasadaptere, placer dem så tæt som muligt på tragtens indløb og udløb og tilslut dem til vandledningen.
3. Drift (medium tragt)
- Vortex regimer
- Tænd flowmåleren. Start den underjordiske vandpumpe, og åbn kontrolventilen helt. Sørg for, at vandgennemstrømningen er betydeligt højere end den maksimale strømning, der kræves for at danne en vandhvirvel (1338 l / h for mellemtragten).
- Juster den ønskede værdi af vandstrømmen ved at dreje kontrolventilen. Klem om nødvendigt klemmen nær tragtens udløb for at tillade, at vand blokeres i tragten, hvilket får vandstanden til at stige i den øvre cylindriske del af tragten.
- For at indstille forskellige regimer skal du justere værdierne for vandstrømmen og vandstanden i den øvre cylindriske del af tragten (tabel 1) sekventielt i et eksperiment. Kontroller vandhvirvlen for stabilitet i 15 min. I stabil tilstand bør vandstanden ikke ændres.
- For det snoede regime justeres strømningshastigheden til 1194 l / h og vandstanden til 2 cm og strømningshastigheden til 1218 l / t og vandstanden til 5 cm.
- For det lige regime skal du justere strømningshastigheden til 1314 l / h og vandstanden til 11 cm og strømningshastigheden til 1338 l / t og vandstanden til 11,7 cm.
- For det begrænsede regime, i modsætning til de snoede og lige regimer, skaber modtryk ved at klemme klemmen nær tragtens udløb. Indstil strømningshastigheden til 882 l/t og vandstanden til 3 cm og strømningshastigheden til 936 l/t og vandstanden til 9 cm.
- Forsøg med sporstof
- Brug en datalogger til at kalibrere pH-sonderne for at sikre gyldigheden og nøjagtigheden af de opnåede data.
- Forbered to standardopløsninger, en med en pH, der er højere end pH-værdien i driftsområdet (6-10), og en med en pH, der er lavere end pH-værdien i driftsområdet. Indstil deres værdier i dataloggeren og mål dem en efter en under kalibreringen. Derefter kalibrerer dataloggeren pH-sonderne.
- Installer pH-sonder ved tragtens indløb og udløb, tilslut dem til dataloggeren, og start optagetilstanden.
- Start opsætningen.
- Start opsætningen, og sørg for, at vandhvirvlen er stabil.
- Fyld sprøjten med den tilberedte sporstofblanding af NaOH og tilslut den til sporstofinjektionsslangen. Skru hurtigt ventilen af i injektionssystemet, injicer sporvæsken, og skru derefter hurtigt ventilen.
- Udfør besparelsen og analysen.
- Når pH-værdien stabiliseres, gemmes pH-toppene, der registreres under sporvæskens passage gennem en glastragt.
- Analysér ind- og udgangstoppene som beskrevet i et tidligere arbejde22 til HRT-beregning. For at gøre dette skal du tage punktet i begyndelsen af den første top til nedtællingen og tage punktet på den anden top, som deler den i to figurer med lige stort areal, til slutningen af nedtællingen.
- Brug en datalogger til at kalibrere pH-sonderne for at sikre gyldigheden og nøjagtigheden af de opnåede data.
- DO eksperiment
- Kalibrer DO-sensoren ved hjælp af software med en bærbar computer og den fiberoptiske iltsender. Brug to væsker: en iltfri (bland 0,1 liter vand og 1 g natriumsulfit) og den anden mættet med ilt (for at gøre dette skal du lufte det med luft i 15 minutter). Vælg derefter kalibreringsfunktionen i softwaren, og mål begge væsker efter tur.
- Udfør installationen og optagelsen.
- Installer DO-sensoren ved tragtens indløb og udløb. Installer desuden temperatursensoren i nærheden af tragtindløbet. Tilslut dem til den fiberoptiske iltsender, og start optagetilstanden.
- Start opsætningen, og sørg for, at vandhvirvlen er stabil. Nå den tilstand, hvor værdien af koncentrationen af DO er stabil, og registrer dataene.
BEMÆRK: Hvis aflæsningerne ikke er stabile, er dataene ikke gyldige, og eksperimentet skal gentages.
Representative Results
Vandhvirvlen i Schauberger hyperbolske tragt dannes i forskellige regimer (snoet, lige og begrænset) (figur 1). Som følge heraf er vandet beriget med atmosfærisk ilt, og oxidation af kemiske arter i vandet fremmes. Systemet kræver ikke energi bortset fra pumpning af vand ind i den øverste del af den hyperbolske tragt.
Det snoede regime har en dobbelt-helixform og den største grænseflade mellem vand og luft. For at skabe det er nødvendigt at anvende en gennemsnitlig vandgennemstrømning (75-78 l / h for den lille tragt, 1,194-1,218 l / t for den mellemstore tragt og 4,834-5,032 l / h for den store tragt). Dens højde i den øverste cylindriske del af tragten bør ikke være mere end 2 cm for den lille tragt, 7 cm for den mellemstore tragt og 16 cm for den store tragt.
Det lige regime har en glat lige form og en mindre grænseflade mellem vand og luft. Dette regime kræver maksimal vandgennemstrømning (93-100 l/t for den lille tragt, 1.314-1.338 l/t for den mellemstore tragt og 5.102-5.289 l/t for den store tragt). Dens højde kan nå dækslet til alle tragte.
Afhængigt af vandstanden kan det begrænsede regime tage form af både snoede og lige hvirvler. Det særlige ved dette regime er imidlertid, at dets længde ændres afhængigt af anvendelsen af modtryk, i modsætning til i de tidligere tilstande, for hvilke der ikke påføres noget tryk. Det er også dannet øverst i tragten; Men med stigende modtryk begynder halen at forkorte, og hvirvelstrømmen forsvinder gradvist fra bunddelen. Dens vandgennemstrømning er ekstremt lille (58-70 l / h for den lille tragt, 882-936 l / h for den mellemstore tragt og 2.351-2.634 l / t for den store tragt), og dens højde kan være både minimal og maksimal afhængigt af tragtgeometrien.
De forskellige regimer kan stabiliseres og omdannes til hinanden afhængigt af vandstrømningshastigheden, modtrykket og systemgeometrien. Parametre som vandstrømningshastigheden, iltvolumenmasseoverførselskoefficienten og standard iltoverførselshastighed karakteriserer beluftningseffektiviteten. Det kan ses, at for den snoede hvirvel med en lav vandstrømningshastighed var K L a 20 den højeste (figur 4), flere gange højere end KLa20 for lige og begrænsede regimer og snesevis af gange højere end den samme indikator for konventionelle systemer, som også bruges til beluftning af søer og floder (Air Jet, Løbehjul, padle) og er meget mere energikrævende. Med yderligere stigninger i vandstrømmen faldt KLa20 gradvist, men vandstanden, det vil sige vandmængden i systemet, steg. Efter en vis tærskelværdi skiftede det forskruede regime til det lige regime. For hvert regime var der stationære forhold, når deres volumen og hydrauliske parametre ikke ændres.
Men når man sammenligner lignende regimer for små, mellemstore og store tragte, var forskellene mellem systemernes vandstrømningshastigheder og volumener betydelige. På samme tid ændrede forholdet mellem KLa20-værdierne imidlertid ikke meget. Maksimumsværdierne på 83 h-1 for den lille tragt, 60 h-1 for mellemtragten og 79 h-1 for den store tragt blev opnået i det snoede regime.
På samme tid, da KLa20 faldt med stigende vandgennemstrømning, steg MRT, hvilket indikerer, at vandet tog mere tid at passere gennem tragten, som beskrevet detaljeret af Donepudi24. Men som for KLa20 var værdien af MRT omtrent den samme for de snoede og lige regimer i forskellige tragte. MRT varierede fra 10 s til 43 s for den lille tragt, fra 14 s til 30 s for den mellemstore tragt og fra 24 s til 43 s for den store (tabel 1).
Figur 1: Vandhvirvelregimer i en 26 cm høj hyperbolsk Schauberger-tragt af glas. (A) Snoet (75 l/time), (B) lige (100 l/time), (C) begrænset (70 l/time). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Vandhvirvelregimer i en 94 cm høj hyperbolsk Schauberger-glastragt. (A) snoet (1,194 l/time), (B) lige (1,314 l/time), (C) begrænset (882 l/time). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Skitse af den opsætning, der er anvendt til eksperimenterne beskrevet i protokoltrin 3.1-3.3. (1) Grundvandspumpe; 2) kontrolventil 3) vandgennemstrømningsmåler (4, 5) polymeroptiske fibre til DO-detektion; (6, 7) pH-sonder; (8) temperaturføler; (9) sprøjte med sporstof; (10) ventil; (11) Schauberger hyperbolske tragt; (12) fiberoptisk ilttransmitter; (13) bærbar computer; (14) datalogger; (15) klemme; (16) Afløb af vand. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Foto af opsætningen af den store tragt. (1) Grundvandsreservoir; (2) vandpumpe; 3) vandgennemstrømningsmåler (4) sprøjte med sporstof; (5, 6) glasadaptere med iltfølerspot; (7), (8) pH-sonder; (9) Schauberger hyperbolsk tragt; (10) Afløb af vand. Klik her for at se en større version af denne figur.
| Tragt | Regime | φ (L/h) | HRT (e) | MRT (er) | KLa20 (h-1) | V (L) | Niveau (cm) | Ci (mg/L) | C-udgang (mg/L) | SOTR (g O2/h) | SAE (g O2/kWh) |
| Lille | Snoet | 75 | 10 | 15 | 83 | 0.2 | 0.5 | 0.0 | 1.8 | 0.2 | 2801 |
| 78 | 20 | 24 | 41 | 0.4 | 2 | 0.0 | 1.9 | 0.2 | 2932 | ||
| Lige | 93 | 31 | 24 | 25 | 0.8 | 4 | 0.0 | 1.8 | 0.2 | 2688 | |
| 100 | 43 | 32 | 18 | 1.2 | 6 | 0.0 | 1.7 | 0.2 | 2635 | ||
| Begrænset | 58 | 18 | 23 | 14 | 0.3 | 1 | 0.0 | 0.6 | 0.0 | 872 | |
| 70 | 53 | 31 | 2 | 1.0 | 5 | 0.0 | 0.3 | 0.0 | 459 | ||
| Medium | Snoet | 1194 | 14 | 13 | 60 | 4.5 | 2 | 0.0 | 1.8 | 2.4 | 784 |
| 1218 | 19 | 19 | 37 | 6.3 | 5 | 0.0 | 1.6 | 2.1 | 667 | ||
| Lige | 1314 | 29 | 29 | 18 | 10.7 | 11 | 0.0 | 1.2 | 1.8 | 509 | |
| 1338 | 30 | 31 | 18 | 11.0 | 11.7 | 0.0 | 1.2 | 1.8 | 500 | ||
| Begrænset | 882 | 21 | 24 | 17 | 5.1 | 3 | 0.0 | 0.9 | 0.8 | 348 | |
| 936 | 37 | 36 | 5 | 9.7 | 9 | 0.0 | 0.5 | 0.4 | 180 | ||
| Stor | Snoet | 4834 | 24 | 23 | 79 | 32 | 11 | 0.7 | 4.1 | 22.9 | 1113 |
| 5032 | 34 | 26 | 52 | 48 | 16 | 0.6 | 4.0 | 22.6 | 1054 | ||
| Lige | 5102 | 38 | 29 | 31 | 54 | 19.5 | 0.7 | 3.0 | 15.0 | 690 | |
| 5289 | 43 | 30 | 19 | 64 | 22.5 | 0.6 | 2.3 | 10.8 | 479 | ||
| Begrænset | 2351 | 58 | 43 | 16 | 38 | 7 | 0.6 | 2.6 | 5.5 | 557 | |
| 2634 | 95 | 50 | 7 | 70 | 19 | 0.6 | 2.0 | 4.2 | 380 |
Tabel 1: Grundlæggende hydrauliske egenskaber og beluftningseffektivitetsparametre for små (figur 1), mellemstore (figur 2) og store tragte.
Discussion
Hvis grundvandspumpen er for kraftig, og systemet ikke kan holde trykket, kan der tilføjes et ekstra dræn før reguleringsventilen for at reducere det. Det er meget vigtigt at kalibrere sensorerne for pålidelige resultater og for sporstofeksperimentet for at sikre hurtige sonder. Hvis sonderne er langsomme, vil dette forvrænge HRT-målingerne. Yderligere, hvis HRT er meget mindre end MRT for det lige regime, kan dette indikere, at den tangentielle indgang til tragten er signifikant under vandstanden, og at en del af sporvæsken går ned til drænet efter at være kommet ind i tragten, hvilket forårsager et fald i HRT.
Vandhvirvlen i en hyperbolsk Schauberger-tragt er meget følsom over for vandstrømningshastigheden. Jo mindre systemet er, desto mere afhænger det af flowændringer. Hvis regimet er stabilt, bør vandstanden i tragten ikke ændre sig med tiden. Hvis dette ikke er tilfældet, vil det stige eller falde. Derfor er det værd at være opmærksom på vandstanden for at undgå vandoverløb, revner på grund af øget tryk inde i tragten eller en uønsket regimeændring.
For at bestemme hvirvelregimet (protokoltrin 3.1.3.1-3.1.3.3) og dets stabilitet er det fordelagtigt, at tragten er gennemsigtig. Af denne grund blev der brugt en glastragt i dette arbejde. Det er bydende nødvendigt at være meget forsigtig, når du transporterer, håndterer og installerer det, og man skal være opmærksom på ikke at stramme lågets skruer for meget for ikke at beskadige det (protokoltrin 2.1.2).
For at bestemme HRT skal protokoltrin 3.2.2-3.2.3 gentages så mange gange som muligt (mindst 10x), fordi sporstrålen på grund af systemets høje turbulens og tilstedeværelsen af sekundære strømme (Taylor-lignende hvirvler) kan adskille og rejse forskellige veje gennem tragten. For eksempel blev det vist af Donepudi et al.24 og Mulligan et al.28, at jo tættere vandlaget er på glasvæggen, jo hurtigere vil det bevæge sig til afløbet. Sonderne skal altid vaskes med deioniseret vand og tørres af for at undgå at blande prøven og opbevaringsopløsningen, hvilket kan ødelægge dataene og forringe kvaliteten af elektrodelageret.
For DO-eksperimentet er det vigtigt at opnå en stabil iltkoncentrationsværdi ved systemets output (protokoltrin 3.3.2.2). Hvis regimet ikke er stabilt, men udsvingene i systemet ikke er signifikante, skal den opnåede værdi beregnes i gennemsnit. Det er også nødvendigt at have et hul i låget til ventilation for at tillade luftstrøm ind i systemet for yderligere beluftning.
På trods af de høje værdier af KLa20 og energieffektiviteten i dette system er SOTR-værdien lav sammenlignet med andre metoder26 på grund af de lave vandstrømningshastigheder for de tilgængelige tragte; Dette er i øjeblikket en begrænsning for industriel anvendelse af den hyperbolske tragt til vandluftning. Det er imidlertid blevet påvist, at systemets høje effektivitet kan opnås for forskellige skalaer med store, mellemstore og små tragte. Herfra kan vi konkludere, at ved at ændre geometrien (dimensioner, diametre på indløb og udløb, krumning af væggene) er det muligt at øge hastigheden og volumenet af vandbehandling betydeligt uden at reducere luftningseffektiviteten. Desuden kan det i tabel 1 ses, at en stigning i tragtlængden med 1,1 m førte til en mere end 100 gange stigning i SOTR. Under hensyntagen til det faktum, at vandstandsforskellen i nogle vandrensningsanlæg kan nå flere meter, kan (delvis) beluftning opnås til meget lavere omkostninger end i øjeblikket. Således kan bestemmelse af, hvordan forskellige geometriske parametre i tragten påvirker vandstrømningshastigheden og KLa20 for hvirvelregimer, give en billig og konkurrencedygtig teknologi til beluftning af grundvand. Alternativt, som vist af Schauberger31, kan luftning bruges til at forbedre kvaliteten af vandreservoirer, søer og floder.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen kendte konkurrerende økonomiske interesser eller personlige forhold, der kunne have syntes at påvirke det arbejde, der er rapporteret i dette papir.
Acknowledgments
Dette arbejde blev udført inden for rammerne af Wetsus European Center of Excellence for Sustainable Water Technology (www.wetsus.eu) inden for temaet Applied Water Physics. Wetsus er medstifter af det hollandske økonomiministerium og ministerium for infrastruktur og miljø, provinsen Friesland og de nordlige nederlandske provinser. Denne forskning har modtaget finansiering fra EU's Horizon 2020 forsknings- og innovationsprogram under Marie Skłodowska-Curie-tilskudsaftale nr. 665874 og Gilbert-Armstrong-laboratoriet. Vi sætter stor pris på Maarten V. van de Griends støtte til dette arbejde.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1-/2-channel transmitter | Endress+Hauser | CM442 | Data logger |
| Control valve | +GF+ | 625DN20 | Typ514 |
| Data Logger | Endress+Hauser | CM442 | Liquiline |
| Fiber Optic Oxygen Transmitter | PreSens | SACN0002000005 | Fibox 3 |
| Glass Elbow Connector | Custom made | - | Adapter for the pipeline |
| Groundwater pump | SAER | 3637899 | H/150 |
| Laptop | any | any | Windows 10 or higher |
| Large glass funnel | Custom made | - | 94 cm high |
| Oxygen Calculator | PreSens | v. 3.1.1 | Software |
| Oxygen Sensor Spots | PreSens | NAU-D5-YOP | SP-PSt3 |
| pH connector | Custom made | - | Adapter for the pH probe |
| pH sensor | Endress+Hauser | CPS11 | Orbisint CPS11 |
| Polymer Optical Fiber | PreSens | POF-L2.5-2SMA | OXY-1 SMA |
| Rubber gasket | ERIKS | 11535207 | 141x197x2mm |
| Rubber gasket | ERIKS | 12252766 | 273x340x3mm |
| Small glass funnel | Custom made | - | 26 cm high |
| Water flow meter | Endress+Hauser | P7066819000 | Picomag |
| Water flow meter | Kobolt | 5NA15AC34P | MIK |
| Water Temperature Connector | PreSens | - | Pt100 |
References
- Tsuji, K., Muller, S. C. Spirals and Vortices in Culture, Nature, and Science. , Springer Nature. Switzerland. (2019).
- Uchiyama, Y., Zhang, X., Yanase, S. Generation mechanism of Tidally-driven whirlpools at a narrow strait in an estuary. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 945, 012028 (2021).
- Vallee, J. P. Metastudy of the spiral structure of our home galaxy. The Astrophysical Journal. 566 (261), 261-265 (2002).
- Dunlap, R. A. The Golden Ratio and Fibonacci Numbers. , World Scientific. Singapore. (1997).
- Da Vinci, L., Manuscript B, L. P. aris Paris Manuscript B. Folio 83v. Collection of Institute de France. , (2023).
- Johnson, W. Helicopter Theory. , Dover Publications. New York, NY. (1980).
- Johansson, L., Ovesen, M., Hallberg, C. Self-organizing flow technology In Viktor Schauberger's footsteps. Institute of Ecological Technology Scientific and Technical Reports. , Malmo, Sweden. (2002).
- Sarafzadeh, M. Design and analysis of sustainable ways for water purification. Polytechnic University of Turin, Italy. , MSc thesis (2022).
- Agostinho, L. L. F. Enhanced oxygen volumetric mass transfer in a geometrically constrained vortex. Water. 14 (5), 771 (2022).
- de Kroon, E. Iron oxidation in groundwater using a hyperbolic water vortex system. Graduation Internship. Van Hall Larenstein University of Applied Sciences. , the Netherlands. (2021).
- Sharma, K. S. Adsorptive iron removal from groundwater. Wageningen University. , The Netherlands. PhD thesis (2001).
- Compendium voor de Leefomgeving. Waterwinning en watergebruik in Nederland 1976-2018. , Available from: https://clo.nl/indicatoren/nl0057-waterwinning-en-verbruik-nederland (2022).
- vanden Brink, C., Frapporti, G., Griffioen, J., Zaadnoordijk, J. W. Statistical analysis of anthropogenic versus geochemical-controlled differences in groundwater composition in The Netherlands. Journal of Hydrology. 336 (3-4), 470-480 (2007).
- Besluit kwaliteit drinkwater BES. Wettenbank. , Available from: https://wetten.overheid.nl/BWBR0028642/2010-10-10 (2010).
- Thakre, S. B., Bhuyar, L. B., Deshmukh, S. J. Effect of different configurations of mechanical aerators on oxygen transfer and aeration efficiency with respect to power consumption. International Journal of Aerospace and Mechanical Engineering. 2 (2), 100-107 (2008).
- Rosso, D., Larson, L. E., Stenstrom, M. K. Aeration of large-scale municipal wastewater treatment plants: state of the art. Water Science & Technology. 57 (7), 973-978 (2008).
- van de Griend, M. V., et al.
- Aeration and gas stripping. TU Delft OpenCourseWare. , Available from: https://ocw.tudelft.nl/wp-content/uploads/Aeration-and-gas-stripping-1.pdf (2015).
- Popel, H. J. Aeration and Gas Transfer. Delft University of Technology. , the Netherlands. (1976).
- Drewnowski, J., Remiszewska-Skwarek, A., Duda, S., Lagod, G. Aeration process in bioreactors as the main energy consumer in a wastewater treatment plant. Review of solutions and methods of process optimization. Processes. 7 (5), 311 (2019).
- Hydro International's Wastewater Division. Wastewater treatment: Bubbling up for major energy saving. Filtration + Separation. 48 (2), 42-43 (2011).
- Levenspiel, O. Tracer Technology, Modeling the Flow of Fluids. , Springer. New York, NY. (2012).
- Danckwerts, P. V. Continuous flow systems - Distribution of residence times. Chemical Engineering Science. 2, 1-13 (1953).
- Donepudi, T. Vortices in hyperbolic funnels as aeration systems. Delft University of Technology. , the Netherlands. MSc thesis (2021).
- Benjamin, M. M., Lawler, D. F. Water Quality Engineering - Physical/Chemical Treatment Processes. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ. (2013).
- Marappan, J. Assessment of the new generation aeration systems efficiency and water current flow rate, its relation to the cost economics at varying salinities for Penaeus vannamei culture. Aquaculture Research. 51 (5), 2112-2124 (2020).
- American Society of Civil Engineers. Measurement of Oxygen Transfer in Clean Water. American Society of Civil Engineers. , Reston, Virginia. (1992).
- Mulligan, S., de Cesre, G., Casserly, J., Sherlock, R. Understanding turbulent free-surface vortex flows using a Taylor-Couette flow analogy. Scientific Reports. 8 (1), 824 (2018).
- Niemeijer, C. Simulation of a hyperbolic water vortex. Grenoble Institute of Technology. , France. MSc thesis (2019).
- Fabienne, A. Design and characterization of a rotating bed system bioreactor for tissue engineering applications. Biotechnology Progress. 24, 140-147 (2008).
- Schauberger, J. Hyperbolic Cone Fountains and Spiral Pipes. TrueSpring. , Available from: https://truespring.wordpress.com/w013/05/10/hyperbolice-cone-fountain-and-spiral-pipes/ (2013).
