Summary
Denne artikkelen beskriver hvordan tre forskjellige vannvirvelregimer i en hyperbolsk Schaubergertrakt kan opprettes, deres viktigste egenskaper og hvordan tilknyttede parametere som oksygenoverføringshastigheter kan beregnes.
Abstract
Frie overflatevirvler er til stede i industrien innen strømningsregulering, energispredning og energiproduksjon. Selv om det er grundig undersøkt, mangler detaljerte eksperimentelle data om frie overflatevirvler, spesielt med hensyn til turbulensen ved grenseflaten. Dette papiret rapporterer om en spesiell type fri overflatevirvel først foreslått av Walter Schauberger på 1960-tallet som har en oksygenvolumetrisk masseoverføringskoeffisient som overstiger verdien av lignende systemer. Denne spesielle typen virvel dannes i en hyperbolsk trakt. Ulike stabile regimer kan stabiliseres med forskjellige hydrauliske egenskaper. Andre fordeler med denne teknologien er dens energieffektivitet, enkel design og skalerbarhet. Strømmen i denne hyperbolske trakten er preget av sterk turbulens og økt overflateareal av luft-vanngrensesnittet. Det lokale trykket varierer sterkt langs overflaten, noe som resulterer i et markert bølgende luft-vann grenselag. På grunn av den spiralformede strømmen beveger disse forstyrrelsene seg innover og trekker grenselaget med seg. Den resulterende trykkgradienten trekker et visst luftvolum inn i vannvirvelen. Konstruksjonen av det grunnleggende hyperbolske traktoppsettet og operasjonelle eksempler, inkludert høyhastighetsvisualisering for tre forskjellige stabile regimer, presenteres i dette arbeidet.
Introduction
Våre liv er nært knyttet til spiralstrukturer. De finnes i nesten alt og overalt, inkludert strukturen av skjell og ammonitter og dannelsen av orkaner, tornadoer og boblebad 1,2. På kosmologisk skala dannes og utvikler galakser seg i henhold til prinsippet om den logaritmiske spiralen3. De mest kjente spiralene er de gyldne og Fibonacci-spiralene4, som har mange bruksområder som spenner fra å beskrive plantevekst og den krystallografiske strukturen til visse faste stoffer til å utvikle datadatabasesøkealgoritmer. Fibonacci-sekvensen er karakterisert som en numerisk serie som starter med 0 og 1 og har påfølgende tall som tilsvarer summen av de to foregående. Denne sekvensen kan også bli funnet når man teller reproduksjonshastigheten til kaniner. Spiraler er blant noen av de eldste geometriske formene tegnet av Homo sapiens, for eksempel de konsentriske sirklene funnet i Colombia og Australia (40.000-20.000 f.Kr.1). Leonardo da Vinci5 prøvde å lage en helikopterformet flygende maskin ved hjelp av et spiralblad (fra det greske ordet ἕλιξ πτερόν, eller helix pteron, som betyr spiralvinge). Etter samme prinsipp konstruerte en flydesigner, Igor Sikorsky, det første helikopteret i serieproduksjon 450 år senere6.
Mange andre eksempler peker på det faktum at spiralformede strømningsstrukturer kan være svært effektive og kostnadsbesparende fordi denne typen strømning fortrinnsvis ses i naturen. I begynnelsen av det 20. århundre innså den østerrikske skogbrukeren og filosofen Viktor Schauberger dette. Han sa at mennesker bør studere naturen og lære av den i stedet for å prøve å korrigere den. Basert på sine ideer bygde han ganske uvanlige tømmerrenner for å flyte tømmer; Rennene tok ikke den retteste stien mellom to punkter, men fulgte buktningen av daler og bekker. Denne utformingen fikk vannet til å strømme ved å vri seg i en spiral langs sin akse, og dannet dermed en virvel, som dermed reduserte mengden vann som ble brukt og produserte en transporthastighet som betydelig oversteg det som ble ansett som normalt7.
Etter sin fars fotspor utviklet Viktors sønn Walter ny teknologi ved hjelp av vannvirvel8 til ulike formål: behandling av drikkevann, industriell prosess, restaurering av dammer og vassdrag, oksygenering av dammer og små innsjøer, og elvregulering og restaurering. En av disse ideene har nylig fått stor interesse, nemlig vannbehandling ved hjelp av en hyperbolsk trakt8, hvor en virvel bare opprettes av vannstrømmen uten omrøringsenheter. Det har vist seg å være en svært effektiv metode for å oksidere jern i grunnvann 9,10. En begrensning av denne teknologien er at den er mindre effektiv for vann med lav pH11.
Store mengder drikkevann i Nederland er hentet fra underjordiske kilder12, hvor konsentrasjonen av jern kan nå flere titalls milligram per liter 13, mens 0,2 mg / L anses akseptabelt av standardene14. De fleste drikkevannsanlegg bruker lufting som et av de første trinnene for å redusere jernkonsentrasjonen i vannrenseprosessen. I de fleste tilfeller er formålet med lufting å øke innholdet av oppløst oksygen, for å fjerne gasser og andre relaterte stoffer fra vannet, eller begge deler15. Det finnes ulike metoder ved hvilke lufting kan introdusere oksygen i flytende medier. Disse metodene inkluderer omrøring av væskeoverflaten ved hjelp av en mikser eller turbin og frigjøring av luft gjennom enten makroskopiske åpninger eller porøse materialer16.
Den kjemiske prosessen med jernoksidasjon ble demonstrert av van de Griend17, hvor et oksygenmolekyl tar et elektron fra jernholdig jern og reagerer med et fritt proton for å danne vann, mens jernionet oksideres (ligning [1]):
, (1)
Jernionet felles da ut som Fe(OH)3 på grunn av dets reaksjon med vann, som frigjør protoner (ligning [2]):
(2)
Den totale reaksjonen er gitt ved ligning (3):
. (3)
I lufting er teknikkene oftest brukt kaskader, tårn, spray og plateluftingssystemer18,19. Ulempen med disse teknologiene er at de forbruker fra 50% til 90% av all energi 20 og opptil40% av budsjettet for drift og vedlikehold av renseanleggene21.
Bruk av en hyperbolsk trakt for lufting kan redusere kostnadene betydelig og øke effektiviteten i denne prosessen. Hyperbolske trakter er mindre følsomme for tilstopping på grunn av deres geometri og det faktum at det ikke er noen bevegelige deler, noe som betyr at energien bare brukes på å pumpe vann. Et slikt system kan karakteriseres av flere parametere, for eksempel vannstrømningshastigheten til trakten per time (φ), gjennomsnittlig oppholdstid (MRT), hydraulisk retensjonstid (HRT), oksygenvolumetrisk masseoverføringskoeffisient (KLa 20) (korrigert til en standardisert temperatur på20 ° C), standard oksygenoverføringshastighet (SORT) og standard luftingseffektivitet (SAE). Traktens strømningshastighet er nødvendig for å beregne volumet av vann som kan behandles på en viss tid. MRT beregnes ut fra forholdet mellom vannstrømningshastigheten og dens volum i trakten for et bestemt regime ved hjelp av ligning (4):
(4)
hvor V representerer væskevolumet i reaktoren.
HRT kan bestemmes eksperimentelt ved hjelp av sporingsteknologi22via sin oppholdstidsfordelingsfunksjon. HRT gir grunnleggende innsikt i blandingsprosesser, hold-ups og segregeringsfenomener23. Det ble vist av Donepudi24 at jo lenger unna vannstrålen er fra innløpet, desto raskere beveger den seg mot utløpet. I det første øyeblikket pumpes vann tangentielt til den øvre sylindriske delen av trakten. Da, under påvirkning av tyngdekraften, sammen med systemets geometri, reduseres tangentiell hastighet, og aksialhastigheten øker. Den oksygenvolumetriske masseoverføringskoeffisienten, KLa20 (enhet gjensidig tid), indikerer evnen til et system for å lette oksygenoverføringen til væskefasen10. Det kan beregnes25,26 i henhold til ligning (5):
(5)
hvor C ut er konsentrasjonen av oppløst oksygen (DO) i bulkvæsken, C i er DO-konsentrasjonen ifôret, Cser DO-konsentrasjonen ved metning, og T er vanntemperaturen.
SORT-verdien er standardhastigheten for oksygen som overføres til væskefasen av systemet og bestemmes av ligning (6) 27:
(6)
hvor 
er DO ved metning for en temperatur på 20 °C. SOTR-verdien kan defineres for en bestemt prosess, i hvilket tilfelle volumet som brukes i ligning (6) normaliseres ved å anta 1 time behandlingstid (prosessspesifikk SOTR), slik at luftemetoder i pilotskala kan sammenlignes med virkelige systemer. For evnen til et bestemt regime i trakten, må den systemspesifikke SOTR beregnes, som bruker volumet av vann inne i trakten for en (regimespesifikk) hydraulisk retensjonstid. Denne verdien er viktig når man beregner de faktiske luftingsegenskapene til et regime i en gitt trakt.
SAE er forholdet mellom SOTR og kraften som brukes til lufting. Siden energi bare brukes på å pumpe vann til toppen av trakten og gi den den nødvendige strømmen for å danne en virvel, beregnes den som summen av den potensielle energien til volumet av vann pumpet per time i en høyde som tilsvarer lengden på trakten og den kinetiske energien som trengs av vannet for å lage en virvel27 ved hjelp av ligning (7):
(7)
hvor P p er den potensielle kraften (i kW) som kreves for å løfte vannet pumpet til traktens høyde, og Pker kinetisk kraft (i kW) som kreves for at vannet pumpes på toppen av trakten for å få nok strøm til å skape en virvel. Normalt, for ligning (7), bør den systemspesifikke SOTR brukes. Hvis den prosessspesifikke SOTR brukes i stedet, gir den energiforbruket til et (teoretisk) system med 1 time hydraulisk retensjonstid.
Disse parametrene er tilstrekkelige til å vurdere effektiviteten og gjennomførbarheten av å bruke denne teknologien, men ikke for å beskrive selve prosessen. Det skal nevnes at virvler er blant de minst forståtte fenomenene i fluiddynamikk. Derfor investeres det mye forskningsinnsats i denne retningen. En av hovedutfordringene med å finne de generelle lovene og reglene for virvler i fluiddynamikk er at det alltid er variasjoner i de geometriske grensebetingelsene, som påvirker utviklingen av virvler og påvirker deres dannelse og dynamikk betydelig. Det er derfor rimelig å anta at en fri overflatevirvel (FSV) ikke kan betraktes analogt med en laboratorietype begrenset. Imidlertid ble det vist av Mulligan et al.28 for Taylor-Couette-strømmen (TCF) at hvis luftkjernen til FSV betraktes som en virtuell indre sylinder som roterer med samme hastighet som luftkjernen, kan begge behandles på samme måte. Ved å gjøre dette kan ligninger som representerer virvelstrømningsfeltet med fri overflate erstattes med vinkelhastighetsforholdene til den virtuelle sylinderen, noe som resulterer i ligninger for TCF-systemet. Det ble også demonstrert at hvis rotasjonshastigheten til en imaginær sylinder økes, vises Taylor-lignende virvler28 på et tidspunkt som et sekundært strømningsfelt og forsvinner deretter når de nærmer seg veggene.
Etter at det ble vist av Niemeijr 29 at det er mulig å oppnå tre forskjellige typer vannvirvler i en Schauberger-trakt (vridd, rett og begrenset) (figur 1 og figur 2), som er preget av andre hydrauliske parametere, brukte Donepudi 24 samme tilnærming som Mulligan et al.28 for å simulere virvelregimer ved hjelp av beregningsfluiddynamikk (CFD) og derved analysere organisasjonen av deres strømningsfelt for å forstå det underliggende fysiske mekanismer. Systemet er veldig turbulent, og det sekundære strømningsfeltet er svært ustabilt og er preget av utseendet til et stort antall Taylor-lignende virvler. Gasstransport fra gassfasen til væskefasen styres av diffusjon, adveksjon og reaksjon. Derfor, for å øke effektiviteten av denne prosessen, er det nødvendig å enten øke gasskonsentrasjonsgradienten eller væskens volumetriske bevegelse. Sistnevnte avhenger direkte av turbulensen i systemet i form av Taylor-lignende virvler, noe som letter transporten av mettede væskeelementer fra grensesnittet til bulkvæsken. I et annet arbeid på dette emnet9 ble hovedparametrene for forskjellige hvirvelregimer, som vannstrømningshastigheten, KL a20 og SOTR, sammenlignet. Denne studien viste stort løfte om denne teknologien fordi systemet muliggjør svært rask gassoverføring sammenlignet med andre metoder som brukes til vannlufting.
Hensikten med denne artikkelen er å gi og demonstrere denne metoden for å lage forskjellige vannvirvelregimer i hyperbolske Schauberger-trakter (liten: 26 cm høy og 15 cm toppdiameter; medium: 94 cm høy og 30 cm toppdiameter; stor: 153 cm høy og 59 cm toppdiameter) med mål om effektiv vannlufting.
Protocol
1. Generelle anbefalinger
- Kontroller alle rørtilkoblingene for lekkasjer før du starter oppsettet.
- Sjekk at traktlokket er på plass, og fest.
- Rengjør trakten før og etter hvert eksperiment med en børste og glassrenser, da den kan bli gul på grunn av den høye konsentrasjonen av jern i grunnvannet.
2. Eksperimentelt oppsett
- Vannvirvelsystem (figur 3)
- Fest glasstrakten sikkert (figur 4) i vertikal stilling på en spesiell ramme - et brett med fire ben og et spor i midten, som tilsvarer diameteren på den sylindriske delen av trakten og er stor nok til at trakten passer inn, men ikke for stor til at den faller gjennom. Fest rammen sikkert slik at den ikke rister.
- Sett en gummipakning mellom lokket og trakten for å unngå lekkasjer. Fest traktlokket, og stram det med boltene.
- Koble grunnvannspumpen til tangentiell innløp i den øverste sylindriske delen av trakten ved hjelp av slanger og slangekontakter.
- Koble til en spesiell reguleringsventil for å justere vannstrømningshastigheten mellom pumpen og trakten. Koble en vannmengdemåler mellom reguleringsventilen og trakten.
- Koble utløpet til trakten til avløpet med en slange. På dreneringsslangen, nær utløpet av trakten, installer du en klemme for å skape mottrykk under enhetens drift.
MERK: Klemmen skal installeres umiddelbart etter alle de andre adapterne og kontaktene som kreves for eksperimentene.
- System for sporingsforsøk (figur 3)
- Installer spesielle adaptere for å installere sonder i nærheten av innløpet og utløpet. Installer pH-sonder i disse adapterne, og koble dem til dataloggeren.
- Installer sensorer så nær trakten som mulig for å redusere feil i HRT-beregningene.
- Forbered 1 ml NaOH-oppløsning (konsentrasjon: 0,2 M) som skal brukes som et kjemisk sporstoff som injiseres i vannstrømmen til strålen.
MERK: Siden natriumhydroksid vandig oppløsning er en sterk base, vises den som en topplignende økning i pH30. - Installer en adapter med tre åpninger for tilkobling av sporinjeksjonssystemet, som består av en ventil og en sprøyte før pH-sonden nær innløpet.
- System for DO-eksperimenter (figur 3)
- Lim to oksygensensorpunkter på innsiden av veggen til de to forskjellige glassadapterne, plasser dem så nær innløpet og utløpet til trakten som mulig og koble dem til vannrørledningen.
NOTAT: Under drift må vannet dekke klistremerkene helt. - Monter glassadapteren med oksygensensorpunktet nær innløpet og utløpet til trakten, og fest spissen av polymerens optiske fiber (som er 2 m lang) over klistremerket på den andre siden av glasset.
- Installer vanntemperatursensoren i nærheten av traktinntaket i samme adapter som for pH-sonden. Sørg for at den er nær fiberen, siden vanntemperaturen brukes til å korrelere DO-målingene.
- Koble polymerens optiske fiber- og temperatursensor til den fiberoptiske oksygentransmitteren.
- Koble den fiberoptiske oksygensenderen til en bærbar datamaskin med spesiell programvare installert for å vise signalet fra sensoren, som er relatert til konsentrasjonen av oppløst oksygen og vanntemperaturen.
- Lim to oksygensensorpunkter på innsiden av veggen til de to forskjellige glassadapterne, plasser dem så nær innløpet og utløpet til trakten som mulig og koble dem til vannrørledningen.
3. Betjening (middels trakt)
- Vortex regimer
- Slå på strømningsmåleren. Start den underjordiske vannpumpen, og åpne reguleringsventilen helt. Sørg for at vannstrømmen er betydelig høyere enn den maksimale strømmen som kreves for å danne en vannvirvel (1338 l / t for mediumtrakten).
- Juster ønsket verdi av vannstrømmen ved å vri reguleringsventilen. Klem om nødvendig klemmen nær traktens utløp for å la vann bli blokkert i trakten, noe som får vannstanden til å stige i den øvre sylindriske delen av trakten.
- For å angi forskjellige regimer, juster verdiene for vannstrømmen og vannstanden i den øvre sylindriske delen av trakten (tabell 1), sekvensielt i ett eksperiment. Kontroller vannvirvelen for stabilitet i 15 minutter. I stabil modus bør vannstanden ikke endres.
- For det vridde regimet, juster strømningshastigheten til 1194 l / t og vannstanden til 2 cm og strømningshastigheten til 1218 l / t og vannstanden til 5 cm.
- For det rette regimet, juster strømningshastigheten til 1314 l / t og vannstanden til 11 cm og strømningshastigheten til 1338 l / t og vannstanden til 11,7 cm.
- For det begrensede regimet, i motsetning til de vridde og rette regimene, skaper mottrykk ved å klemme klemmen nær traktens utløp. Sett strømningshastigheten til 882 l / t og vannstanden til 3 cm og strømningshastigheten til 936 l / t og vannstanden til 9 cm.
- Tracer-eksperiment
- Bruk en datalogger, kalibrer pH-sondene for å sikre gyldigheten og nøyaktigheten av dataene som er oppnådd.
- Forbered to standardløsninger, en med en pH som er høyere enn pH i driftsområdet (6-10), og en med en pH som er lavere enn pH i driftsområdet. Sett verdiene i dataloggeren og mål dem en etter en under kalibreringen. Deretter kalibrerer dataloggeren pH-sondene.
- Installer pH-sonder ved innløpet og utløpet av trakten, koble dem til dataloggeren og start opptaksmodus.
- Start oppsettet.
- Start oppsettet, og sørg for at vannvirvelen er stabil.
- Fyll sprøyten med den tilberedte sporstoffblandingen av NaOH og koble den til injeksjonsslangen for sporstoffer. Skru raskt av ventilen i injeksjonssystemet, injiser sporvæsken og skru deretter ventilen raskt.
- Utfør lagring og analyse.
- Når pH stabiliserer seg, lagre pH-toppene som er registrert under sporvæskens passasje gjennom en glasstrakt.
- Analyser inn- og utgangstoppene som beskrevet i et tidligere arbeid22 for HRT-beregning. For å gjøre dette, ta punktet i begynnelsen av den første toppen for nedtellingen, og ta punktet på den andre toppen, som deler den i to figurer med like stort område, for slutten av nedtellingen.
- Bruk en datalogger, kalibrer pH-sondene for å sikre gyldigheten og nøyaktigheten av dataene som er oppnådd.
- DO-eksperiment
- Kalibrer DO-sensoren ved hjelp av programvare med en bærbar datamaskin og den fiberoptiske oksygensenderen. Bruk to væsker: en oksygenfri (bland 0,1 liter vann og 1 g natriumsulfitt), og den andre mettet med oksygen (for å gjøre dette, luft det med luft i 15 minutter). Velg deretter kalibreringsfunksjonen i programvaren, og mål begge væskene etter tur.
- Utfør installasjonen og opptaket.
- Installer DO-sensoren ved innløpet og utløpet av trakten. I tillegg må du installere temperatursensoren i nærheten av traktinnløpet. Koble dem til den fiberoptiske oksygensenderen, og start opptaksmodus.
- Start oppsettet, og sørg for at vannvirvelen er stabil. Nå modusen der verdien av konsentrasjonen av DO er stabil og registrer dataene.
MERK: Hvis avlesningene ikke er stabile, er dataene ikke gyldige, og eksperimentet må gjentas.
Representative Results
Vannvirvelen i den hyperbolske trakten Schauberger dannes i forskjellige regimer (vridd, rett og begrenset) (figur 1). Som et resultat blir vannet beriket med atmosfærisk oksygen, og oksidasjon av kjemiske arter i vannet fremmes. Systemet krever ikke energi bortsett fra å pumpe vann inn i den øvre delen av den hyperbolske trakten.
Det vridde regimet har en dobbel helixform og det største grensesnittet mellom vann og luft. For opprettelsen er det nødvendig å bruke en gjennomsnittlig vannstrøm (75-78 l / t for den lille trakten, 1,194-1,218 l / t for den mellomstore trakten og 4,834-5,032 l / t for den store trakten). Høyden i den øvre sylindriske delen av trakten skal ikke være mer enn 2 cm for den lille trakten, 7 cm for den mellomstore trakten og 16 cm for den store trakten.
Det rette regimet har en jevn rett form og et mindre grensesnitt mellom vann og luft. Dette regimet krever maksimal vannføring (93-100 l / t for den lille trakten, 1,314-1,338 l / t for den mellomstore trakten og 5,102-5,289 l / t for den store trakten). Høyden kan nå dekselet for alle traktene.
Avhengig av vannstanden kan det begrensede regimet ta form av både vridde og rette virvler. Imidlertid er det særegne ved dette regimet at lengden endres avhengig av påføring av mottrykk, i motsetning til i de tidligere modusene, for hvilke det ikke påføres noe trykk. Den er også dannet på toppen av trakten; Imidlertid, med økende mottrykk, begynner halen å forkorte, og virvelen forsvinner gradvis fra bunndelen. Vannstrømmen er ekstremt liten (58-70 l / t for den lille trakten, 882-936 l / t for den mellomstore trakten og 2,351-2,634 l / t for den store trakten), og høyden kan være både minimal og maksimal avhengig av traktgeometrien.
De forskjellige regimene kan stabiliseres og transformeres til hverandre avhengig av vannstrømningshastighet, mottrykk og systemgeometri. Parametere som vannstrømningshastighet, oksygenvolumetrisk masseoverføringskoeffisient og standard oksygenoverføringshastighet karakteriserer luftingseffektiviteten. Det kan ses at for den vridde virvelen med lav vannstrømningshastighet var K L a 20 den høyeste (figur 4), flere ganger høyere enn KLa20 for rette og begrensede regimer og dusinvis av ganger høyere enn den samme indikatoren for konvensjonelle systemer, som også brukes til lufting av innsjøer og elver (Air Jet, Løpehjul, padle) og er mye mer energikrevende. Med ytterligere økninger i vannstrømmen ble KLa20 gradvis redusert, men vannstanden, det vil si volumet av vann i systemet, økte. Etter en viss terskelverdi byttet det vridde regimet til det rette regimet. For hvert regime var det stasjonære forhold når volum og hydrauliske parametere ikke endres.
Men når man sammenlignet lignende regimer for små, mellomstore og store trakter, var forskjellene mellom systemenes vannstrømningshastigheter og volumer signifikante. Men samtidig endret forholdene mellom KLa20-verdiene ikke mye. Maksimumsverdiene på 83 h-1 for den lille trakten, 60 h-1 for den mellomstore trakten og 79 h-1 for den store trakten ble oppnådd i det vridde regimet.
Samtidig, da KLa20 ble redusert med økende vannføring, økte MRT, noe som indikerer at vannet tok mer tid å passere gjennom trakten, som beskrevet i detalj av Donepudi24. Imidlertid, som for KLa20, var verdien av MRT omtrent den samme for de vridde og rette regimene i forskjellige trakter. MRT varierte fra 10 s til 43 s for den lille trakten, fra 14 s til 30 s for den mellomste trakten, og fra 24 s til 43 s for den store (tab 1).
Figur 1: Vannvirvelregimer i en 26 cm høy hyperbolsk Schaubergertrakt i glass. (A) Vridd (75 l / t), (B) rett (100 l / t), (C) begrenset (70 l / h). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Vannvirvelregimer i en 94 cm høy hyperbolsk Schaubergertrakt av glass. (A) Vridd (1,194 L/h), (B) rett (1,314 L/h), (C) begrenset (882 L/h). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Skisse av oppsettet som ble brukt for eksperimentene beskrevet i protokolltrinn 3.1-3.3. (1) Grunnvannspumpe; (2) reguleringsventil; (3) vannføringsmåler; (4, 5) polymeroptiske fibre for DO-deteksjon; (6, 7) pH-sonder; (8) temperatursensor; (9) sprøyte med tracer; (10) ventil; (11) Schauberger hyperbolsk trakt; (12) fiberoptisk oksygensender; (13) bærbar PC; (14) data logger; (15) klemme; (16) vannavløp. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Bilde av det store traktoppsettet. (1) Grunnvannsreservoar; (2) vannpumpe; (3) vannføringsmåler; (4) sprøyte med tracer; (5, 6) glassadaptere med oksygensensorpunkt; (7), (8) pH-sonder; (9) Schauberger hyperbolsk trakt; (10) vannavløp. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Trakt | Regime | φ (L/h) | HRT (er) | MRT (er) | KLa20 (h-1) | V (L) | Nivå (cm) | Ci (mg/l) | Cut (mg/l) | SOTR (g O2/t) | SAE (g O2/kWh) |
| Liten | Vridd | 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 | ||
| Rett | 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 | ||
| Begrenset | 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 | ||
| Middels | Vridd | 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 | ||
| Rett | 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 | ||
| Begrenset | 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 | Vridd | 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 | ||
| Rett | 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 | ||
| Begrenset | 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 |
Tabell 1: Grunnleggende hydrauliske egenskaper og luftingseffektivitetsparametere for små (figur 1), middels (figur 2) og store trakter.
Discussion
Hvis grunnvannspumpen er for kraftig og systemet ikke kan holde trykket, kan et ekstra avløp legges til før reguleringsventilen for å redusere det. Det er svært viktig å kalibrere sensorene for pålitelige resultater og for sporingseksperimentet for å sikre raske sonder. Hvis sondene er trege, vil dette forvrenge HRT-målingene. Videre, hvis HRT er mye mindre enn MRT for det rette regimet, kan dette indikere at tangentiell inngang til trakten er betydelig under vannstanden, og at en del av sporvæsken går ned til avløpet etter å ha kommet inn i trakten, og dermed forårsaker en reduksjon i HRT.
Vannvirvelen i en hyperbolsk Schauberger-trakt er svært følsom for vannstrømningshastigheten. Jo mindre systemet er, desto mer avhenger det av strømningsendringer. Hvis regimet er stabilt, bør vannstanden i trakten ikke endres med tiden. Hvis dette ikke er tilfelle, vil det stige eller falle. Derfor er det verdt å ta hensyn til vannstanden for å unngå vannoverløp, sprekker på grunn av økt trykk inne i trakten eller et uønsket regimeskifte.
For å bestemme virvelens regime (protokolltrinn 3.1.3.1-3.1.3.3) og dens stabilitet, er det fordelaktig at trakten er gjennomsiktig. Av denne grunn ble en glasstrakt brukt i dette arbeidet. Det er viktig å være veldig forsiktig når du transporterer, håndterer og installerer den, og man bør være oppmerksom på ikke å stramme skruene på lokket for mye for ikke å skade det (protokoll trinn 2.1.2).
For å bestemme HRT, bør protokolltrinn 3.2.2-3.2.3 gjentas så mange ganger som mulig (minst 10x) fordi sporingsstrålen på grunn av systemets høye turbulens og tilstedeværelsen av sekundære strømmer (Taylor-lignende virvler) kan skille og reise forskjellige veier gjennom trakten. For eksempel ble det vist av Donepudi et al.24 og Mulligan et al.28 at jo nærmere vannlaget er glassveggen, desto raskere vil det bevege seg til avløpet. Sondene skal alltid vaskes med avionisert vann og tørkes for å unngå å blande prøven og lagringsløsningen, noe som kan ødelegge dataene og forringe kvaliteten på elektrodelagringen.
For DO-eksperimentet er det viktig å oppnå en stabil oksygenkonsentrasjonsverdi ved utgangen av systemet (protokolltrinn 3.3.2.2). Hvis regimet ikke er stabilt, men svingningene i systemet ikke er signifikante, bør den oppnådde verdien gjennomsnittliggjøres. Det er også nødvendig å ha et hull i lokket for ventilasjon for å tillate luftstrøm inn i systemet for videre lufting.
Til tross for de høye verdiene til KLa20 og energieffektiviteten til dette systemet, er SOTR-verdien lav sammenlignet med andre metoder26 på grunn av de lave vannstrømningshastighetene til de tilgjengelige traktene; Dette er for tiden en begrensning for industriell bruk av den hyperbolske trakten for vannlufting. Det har imidlertid vist seg at høy effektivitet av systemet kan oppnås for forskjellige skalaer med store, mellomstore og små trakter. Herfra kan vi konkludere med at ved å endre geometrien (dimensjoner, diametre på innløpet og utløpet, krumning av veggene), er det mulig å øke hastigheten og volumet av vannbehandling betydelig uten å redusere luftingseffektiviteten. Videre kan man i tabell 1 se at en økning i traktlengden med 1,1 m førte til en mer enn 100 ganger økning i SOTR. Tatt i betraktning det faktum at vannstandsforskjellen i enkelte vannbehandlingsanlegg kan nå flere meter, kan (delvis) lufting oppnås til mye lavere kostnader enn i dag. Dermed kan bestemmelse av hvordan forskjellige geometriske parametere i trakten påvirker vannstrømningshastigheten og KLa20 for hvirvelregimer gi en billig og konkurransedyktig teknologi for lufting av grunnvann. Alternativt, som vist av Schauberger31, kan lufting brukes til å forbedre kvaliteten på vannreservoarer, innsjøer og elver.
Disclosures
Forfatterne erklærer at de ikke har noen kjente konkurrerende økonomiske interesser eller personlige forhold som kunne ha syntes å påvirke arbeidet rapportert i denne artikkelen.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble utført i samarbeidsrammeverket til Wetsus European Center of Excellence for Sustainable Water Technology (www.wetsus.eu) innenfor temaet anvendt vannfysikk. Wetsus er medstiftet av det nederlandske departementet for økonomiske saker og departementet for infrastruktur og miljø, provinsen Friesland og de nordlige nederlandske provinsene. Denne forskningen har mottatt finansiering fra EUs Horizon 2020 forsknings- og innovasjonsprogram under Marie Sklodowska-Curie-tilskuddsavtalen nr. 665874 og Gilbert-Armstrong-laboratoriet. Vi setter stor pris på Maarten V. van de Griends støtte til dette arbeidet.
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).
