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Engineering

Preparação de Vórtices de Água Hiperbólica de Superfície Livre

Published: July 28, 2023 doi: 10.3791/64516
Automatic Translation
1,5, 2, 1, 1,2, 1,3, 4, 5
1Wetsus - Centre of Excellence for Sustainable Water Technology, 2Water Technology Research Group, NHL Stenden University of Applied Sciences, 3Optical Sciences Group, Faculty of Science and Technology (TNW), University of Twente, 4Institute for Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics, Graz University of Technology, 5Department of Electrical Engineering, Electrical Energy Systems group, Eindhoven University of Technology

Summary

Este artigo descreve como três diferentes regimes de vórtice de água em um funil hiperbólico de Schauberger podem ser criados, suas características mais importantes e como parâmetros associados, como as taxas de transferência de oxigênio, podem ser calculados.

Abstract

Vórtices de superfície livre estão presentes na indústria na regulação de fluxo, dissipação de energia e geração de energia. Embora amplamente investigados, faltam dados experimentais detalhados sobre vórtices de superfície livre, particularmente em relação à turbulência na interface. O presente trabalho relata um tipo especial de vórtice de superfície livre proposto pela primeira vez por Walter Schauberger na década de 1960 que tem um coeficiente de transferência de massa volumétrica de oxigênio superior ao valor de sistemas similares. Este tipo especial de vórtice se forma em um funil hiperbólico. Diferentes regimes estáveis podem ser estabilizados com diferentes características hidráulicas. Outras vantagens desta tecnologia são a sua eficiência energética, design simples e escalabilidade. O fluxo neste funil hiperbólico é caracterizado por forte turbulência e aumento da área superficial da interface ar-água. A pressão local varia fortemente ao longo da superfície, resultando em uma camada limite ar-água ondulada pronunciada. Devido ao fluxo helicoidal, essas perturbações se movem para dentro, puxando a camada limite com elas. O gradiente de pressão resultante atrai um certo volume de ar para o vórtice de água. A construção da configuração básica do funil hiperbólico e exemplos operacionais, incluindo visualização de alta velocidade para três diferentes regimes estáveis, são apresentados neste trabalho.

Introduction

Nossas vidas estão intimamente ligadas a estruturas espirais. Eles existem em quase tudo e em todos os lugares, incluindo a estrutura de conchas e amonites e a formação de furacões, tornados e redemoinhos 1,2. Em escala cosmológica, as galáxias se formam e evoluem de acordo com o princípio da espiral logarítmica3. As espirais mais conhecidas são as espirais douradas e as espirais de Fibonacci4, que têm muitas aplicações que vão desde a descrição do crescimento de plantas e da estrutura cristalográfica de certos sólidos até o desenvolvimento de algoritmos de busca em bancos de dados computacionais. A sequência de Fibonacci é caracterizada como uma série numérica que começa com 0 e 1 e tem números subsequentes correspondentes à soma dos dois anteriores. Esta sequência também pode ser encontrada quando se conta a taxa de reprodução dos coelhos. As espirais estão entre algumas das formas geométricas mais antigas desenhadas pelo Homo sapiens, como os círculos concêntricos encontrados na Colômbia e na Austrália (40.000-20.000 a.C.1). Leonardo da Vinci5 tentou criar uma máquina voadora em forma de helicóptero usando uma lâmina espiral (da palavra grega ἕλιξ πτερόν, ou helix pteron, que significa asa espiral). Seguindo o mesmo princípio, um projetista de aeronaves, Igor Sikorsky, construiu o primeiro helicóptero em produção em série 450 anos depois6.

Muitos outros exemplos apontam para o fato de que as estruturas de fluxo helicoidais podem ser muito eficientes e economizar despesas, porque esse tipo de fluxo é preferencialmente visto na natureza. No início do século 20, o engenheiro florestal e filósofo austríaco Viktor Schauberger percebeu isso. Ele disse que os humanos deveriam estudar a natureza e aprender com ela, em vez de tentar corrigi-la. Com base em suas ideias, ele construiu toras bastante incomuns para flutuar madeira; Os Flumes não tomavam o caminho mais reto entre dois pontos, mas seguiam o sinuoso de vales e riachos. Esse projeto fazia com que a água fluísse torcendo em espiral ao longo de seu eixo, formando um vórtice, o que reduzia a quantidade de água utilizada e produzia uma taxa de transporte que excedia significativamente o que era considerado normal7.

Seguindo os passos do pai, o filho de Viktor, Walter, desenvolveu novas tecnologias utilizando o vórtice de água8 para diversos fins: tratamento de água potável, processo industrial, restauração de lagoas e cursos d'água, oxigenação de lagoas e pequenos lagos, regulação e restauração de rios. Uma dessas ideias ganhou recentemente um interesse considerável, a saber, o tratamento de água usando um funil hiperbólico8, no qual um vórtice é criado apenas pelo fluxo de água sem quaisquer dispositivos de agitação. Tem se mostrado um método muito eficaz para a oxidação de ferro em águas subterrâneas 9,10. Uma limitação dessa tecnologia é que ela é menos eficiente para águas de baixo pH11.

Grandes quantidades de água potável na Holanda são obtidas de fontes subterrâneas12, nas quais a concentração de ferro pode chegar a várias dezenas de miligramas por litro13, enquanto 0,2 mg/L é considerado aceitável pelas normas14. A maioria das plantas de água potável usa a aeração como um dos primeiros passos para reduzir a concentração de ferro no processo de purificação da água. Na maioria dos casos, o objetivo da aeração é aumentar o teor de oxigênio dissolvido, remover gases e outras substâncias relacionadas da água, ou ambos15. Existem vários métodos pelos quais a aeração pode introduzir oxigênio em meios líquidos. Esses métodos incluem agitar a superfície do líquido usando um misturador ou turbina e liberar ar através de orifícios macroscópicos ou materiais porosos16.

O processo químico de oxidação do ferro foi demonstrado por van de Griend17, no qual uma molécula de oxigênio retira um elétron do ferro ferroso e reage com um próton livre para formar água, enquanto o íon ferro é oxidado (equação [1]):

Equation 1, (1)

O íon ferro então precipita-se como Fe(OH)3 devido à sua reação com a água, que libera prótons (equação [2]):

Equation 2(2º)

A reação total é dada pela equação (3):

Equation 3.     (3º)

Na aeração, as técnicas mais utilizadas são cascatas, torres, spray e sistemas de aeração em placas18,19. A desvantagem dessas tecnologias é que elas consomem de 50% a 90% de toda a energia 20 e até40% do orçamento para a operação e manutenção das instalações de tratamento21.

O uso de um funil hiperbólico para aeração pode diminuir significativamente os custos e aumentar a eficiência desse processo. Os funis hiperbólicos são menos sensíveis ao entupimento devido à sua geometria e ao fato de não haver partes móveis, o que significa que a energia é gasta apenas no bombeamento de água. Tal sistema pode ser caracterizado por vários parâmetros, tais como a vazão de água do funil por hora (φ), o tempo médio de residência (TRM), o tempo de retenção hidráulica (TRH), o coeficiente de transferência de massa volumétrica de oxigênio (KLa 20) (corrigido para uma temperatura padronizada de20°C), a taxa padrão de transferência de oxigênio (SORT) e a eficiência de aeração padrão (SAE). A vazão do funil é necessária para calcular o volume de água que pode ser processado em um determinado tempo. O TRM é calculado a partir da razão entre o caudal de água e o seu volume no funil para um determinado regime utilizando a equação (4):

Equation 4(4º)

onde V representa o volume de líquido no reator.

A TRH pode ser determinada experimentalmente utilizando tecnologiastraçadoras 22através de sua função de distribuição do tempo de residência. A TRH fornece informações fundamentais sobre processos de mistura, retenções e fenômenos de segregação23. Foi mostrado por Donepudi24 que quanto mais longe o jato de água está da entrada, mais rápido ele se move em direção à saída. No momento inicial, a água é bombeada tangencialmente à parte cilíndrica superior do funil. Então, sob a influência da gravidade, juntamente com a geometria do sistema, a velocidade tangencial diminui e a velocidade axial aumenta. O coeficiente de transferência de massa volumétrica de oxigênio, KLa20 (unidade de tempo recíproco), indica a capacidade de um sistema em facilitar a transferência de oxigênio para a fase líquida10. Pode ser calculado25,26 de acordo com a equação (5): 

Equation 5(5º)

onde C out é a concentração de oxigênio dissolvido (OD) no líquido a granel, C iné a concentração de OD na ração, Csé a concentração de OD na saturação e T é a temperatura da água.

O valor SORT é a taxa padrão de oxigênio transferido para a fase líquida pelo sistema e é determinado pela equação (6)27:

Equation 6(6)

onde Equation 8 é o OD na saturação para uma temperatura de 20 °C. O valor de SOTR pode ser definido para um determinado processo, caso em que o volume utilizado na equação (6) é normalizado assumindo 1 h de tempo de tratamento (SOTR específico do processo), de modo que os métodos de aeração em escala piloto podem ser comparados com sistemas em escala real. Para a capacidade de um determinado regime no funil, deve-se calcular o SOTR específico do sistema, que utiliza o volume de água dentro do funil por um tempo de retenção hidráulica (específico do regime). Esse valor é importante ao calcular as capacidades reais de aeração de um regime em um determinado funil.

O SAE é a razão entre o SOTR e a potência despendida para aeração. Como a energia é gasta apenas bombeando água para o topo do funil e dando-lhe o fluxo necessário para formar um vórtice, ela é calculada como a soma da energia potencial do volume de água bombeado por hora a uma altura correspondente ao comprimento do funil e a energia cinética necessária para a água criar um vórtice27 usando a equação (7):

Equation 7(7º)

onde P p é a potência potencial (em kW) necessária para elevar a água bombeada até a altura do funil, e Pké a potência cinética (em kW) necessária para que a água bombeada no topo do funil ganhe fluxo suficiente para criar um vórtice. Normalmente, para a equação (7), deve-se utilizar o SOTR específico do sistema. Se o SOTR específico do processo for aplicado em vez disso, ele produz o consumo de energia de um sistema (teórico) com 1 h de tempo de retenção hidráulica.

Esses parâmetros são suficientes para avaliar a efetividade e a viabilidade do uso dessa tecnologia, mas não para descrever o processo em si. Deve-se mencionar que os vórtices estão entre os fenômenos menos compreendidos em dinâmica dos fluidos. Por isso, muitos esforços de pesquisa são investidos nesse sentido. Um dos principais desafios em encontrar as leis e regras gerais dos vórtices em dinâmica dos fluidos é que sempre há variações nas condições geométricas de contorno, que influenciam o desenvolvimento dos vórtices e influenciam significativamente sua formação e dinâmica. Assim, é razoável supor que um vórtice de superfície livre (VSF) não pode ser considerado de forma análoga a um vórtice confinado em laboratório. No entanto, foi demonstrado por Mulligan et al.28 para o fluxo de Taylor-Couette (TCF) que, se o núcleo de ar do VSF for considerado como um cilindro interno virtual girando na mesma velocidade que o núcleo de ar, ambos podem ser tratados de forma semelhante. Ao fazer isso, equações que representam o campo de fluxo de vórtice de superfície livre podem ser substituídas pelas condições de velocidade angular do cilindro virtual, resultando em equações para o sistema TCF. Também foi demonstrado que, se a velocidade de rotação de um cilindro imaginário é aumentada, em algum momento, vórtices tayloristas28 aparecem como um campo de fluxo secundário e depois desaparecem ao se aproximar das paredes.

Após a demonstração de Niemeijr 29 que é possível obter três tipos diferentes de vórtices de água em um funil de Schauberger (torcido, reto e restrito) (Figura 1 e Figura 2), que são caracterizados por outros parâmetros hidráulicos, Donepudi 24 utilizou a mesma abordagem de Mulligan et al.28 para simular regimes de vórtices usando dinâmica de fluidos computacional (CFD) e, assim, analisar a organização de seu campo de fluxo para entender o subjacente mecanismos físicos. O sistema é muito turbulento, e o campo de fluxo secundário é muito instável e é caracterizado pelo aparecimento de um grande número de vórtices semelhantes aos de Taylor. O transporte de gás da fase gasosa para a fase líquida é governado por difusão, advecção e reação. Portanto, para aumentar a eficiência desse processo, é necessário aumentar o gradiente de concentração do gás ou o movimento volumétrico do líquido. Este último depende diretamente da turbulência do sistema na forma de vórtices do tipo Taylor, que facilitam o transporte de elementos fluidos saturados da interface para o líquido a granel. Em outro trabalho sobre o tema9, foram comparados os principais parâmetros para diferentes regimes de vórtices, como a vazão de água, KLa20 e SOTR. Este estudo mostrou-se muito promissor para esta tecnologia, pois o sistema permite uma transferência de gás muito rápida em comparação com outros métodos que são usados para aeração de água.

O objetivo deste artigo é fornecer e demonstrar este método para a criação de diferentes regimes de vórtices de água em funis Schauberger hiperbólicos (pequeno: 26 cm de altura e 15 cm de diâmetro superior; médio: 94 cm de altura e 30 cm de diâmetro superior; grande: 153 cm de altura e 59 cm de diâmetro superior) com o objetivo de aeração eficiente da água.

Protocol

1. Recomendações gerais

  1. Verifique se há vazamentos em todas as conexões da tubulação antes de iniciar a configuração.
  2. Verifique se a tampa do funil está no lugar e segura.
  3. Limpe o funil antes e depois de cada experimento com uma escova e limpador de vidro, pois ele pode ficar amarelo devido à alta concentração de ferro no lençol freático.

2. Montagem experimental

  1. Sistema de vórtice de água (Figura 3)
    1. Fixe com segurança o funil de vidro (Figura 4) em uma posição vertical em uma estrutura especial - uma placa com quatro pernas e uma fenda no meio, que corresponde ao diâmetro da parte cilíndrica do funil e é grande o suficiente para que o funil se encaixe, mas não muito grande para que ele caia. Fixe bem o quadro para que ele não trema.
    2. Coloque uma junta de borracha entre a tampa e o funil para evitar vazamentos. Fixe a tampa do funil e aperte-a usando os parafusos.
    3. Conecte a bomba de água subterrânea à entrada tangencial na parte cilíndrica superior do funil usando mangueiras e conectores de mangueira.
    4. Conecte uma válvula de controle especial para ajustar a taxa de fluxo de água entre a bomba e o funil. Conecte um medidor de vazão de água entre a válvula de controle e o funil.
    5. Conecte a saída do funil ao ralo com uma mangueira. Na mangueira de drenagem, perto da saída do funil, instale uma braçadeira para criar contrapressão durante a operação da unidade.
      NOTA: A braçadeira deve ser instalada imediatamente após todos os outros adaptadores e conectores necessários para os experimentos.
  2. Sistema para experimentos com traçadores (Figura 3)
    1. Instale adaptadores especiais para instalar sondas perto da entrada e da saída. Instale sondas de pH nesses adaptadores e conecte-as ao registrador de dados.
    2. Instale sensores o mais próximo possível do funil para reduzir erros nos cálculos de HRT.
    3. Preparar 1 mL de solução de NaOH (concentração: 0,2 M) para ser usado como um traçador químico que é injetado no fluxo de água do jato.
      NOTA: Como a solução aquosa de hidróxido de sódio é uma base forte, ela é exibida como um aumento de pico no pH30.
    4. Instale um adaptador com três aberturas para conectar o sistema de injeção traçadora, que consiste em uma válvula e uma seringa antes da sonda de pH perto da entrada.
  3. Sistema para experimentos de OD (Figura 3)
    1. Cole dois pontos do sensor de oxigênio na parede interna dos dois adaptadores de vidro diferentes, colocando-os o mais próximo possível da entrada e saída do funil e conectando-os à tubulação de água.
      OBS: Durante a operação, a água deve cobrir completamente os adesivos.
    2. Instale o adaptador de vidro com o ponto do sensor de oxigênio perto da entrada e saída do funil e fixe a ponta da fibra óptica de polímero (que tem 2 m de comprimento) sobre o adesivo do outro lado do vidro.
    3. Instale o sensor de temperatura da água perto da entrada do funil no mesmo adaptador que para a sonda de pH. Certifique-se de que está próximo da fibra, uma vez que a temperatura da água é usada para correlacionar as medições de OD.
    4. Conecte a fibra óptica de polímero e o sensor de temperatura ao transmissor de oxigênio de fibra óptica.
    5. Conecte o transmissor de oxigênio de fibra óptica a um laptop com software especial instalado para exibir o sinal do sensor, que está relacionado à concentração de oxigênio dissolvido e à temperatura da água.

3. Operação (funil médio)

  1. Regimes de vórtice
    1. Ligue o medidor de vazão. Ligue a bomba de água subterrânea e abra totalmente a válvula de controle. Certifique-se de que o fluxo de água é significativamente maior do que o fluxo máximo necessário para formar um vórtice de água (1338 L/h para o funil médio).
    2. Ajuste o valor desejado do fluxo de água girando a válvula de controle. Se necessário, aperte a braçadeira perto da saída do funil para permitir que a água seja bloqueada no funil, o que faz com que o nível da água suba na parte cilíndrica superior do funil.
    3. Para estabelecer diferentes regimes, ajustar os valores da vazão e do nível de água na parte cilíndrica superior do funil (Tabela 1), sequencialmente em um experimento. Verifique a estabilidade do vórtice de água por 15 min. No modo estável, o nível da água não deve mudar.
      1. Para o regime de torção, ajustar a vazão para 1194 L/h e o nível de água para 2 cm e a vazão para 1218 L/h e o nível de água para 5 cm.
      2. Para o regime reto, ajustar a vazão para 1314 L/h e o nível de água para 11 cm e a vazão para 1338 L/h e o nível de água para 11,7 cm.
      3. Para o regime restrito, em oposição aos regimes torcido e reto, crie pressão de volta apertando o grampo perto da saída do funil. Ajuste a vazão para 882 L/h e o nível de água para 3 cm e a vazão para 936 L/h e o nível de água para 9 cm.
  2. Experimento Tracer
    1. Usando um registrador de dados, calibre as sondas de pH para garantir a validade e precisão dos dados obtidos.
      1. Prepare duas soluções padrão, uma com um pH superior ao pH da faixa de operação (6-10) e outra com um pH inferior ao pH da faixa de operação. Defina seus valores no registrador de dados e meça-os um a um durante a calibração. Depois disso, o registrador de dados calibra as sondas de pH.
      2. Instale sondas de pH na entrada e saída do funil, conecte-as ao registrador de dados e inicie o modo de gravação.
    2. Inicie a instalação.
      1. Inicie a configuração e certifique-se de que o vórtice de água é estável.
      2. Encha a seringa com a mistura preparada do traçador de NaOH e conecte-a à linha de injeção do traçador. Desparafuse rapidamente a válvula no sistema de injeção, injete o líquido traçador e, em seguida, rosqueie rapidamente a válvula.
    3. Realizar o salvamento e análise.
      1. Quando o pH se estabilizar, guarde os picos de pH registrados durante a passagem do líquido traçador por um funil de vidro.
      2. Analise os picos de entrada e saída conforme descrito em um trabalho anterior22 para o cálculo da TRH. Para fazer isso, pegue o ponto no início do primeiro pico para a contagem regressiva e pegue o ponto no segundo pico, que o divide em duas figuras de área igual, para o final da contagem regressiva.
  3. Experimento DO
    1. Calibre o sensor DO usando um software com um laptop e o transmissor de oxigênio de fibra óptica. Use dois líquidos: um livre de oxigênio (misture 0,1 L de água e 1 g de sulfito de sódio) e outro saturado com oxigênio (para isso, areje com ar por 15 min). Em seguida, selecione a função de calibração no software e meça ambos os líquidos por sua vez.
    2. Execute a instalação e gravação.
      1. Instale o sensor DO na entrada e saída do funil. Além disso, instale o sensor de temperatura perto da entrada do funil. Conecte-os ao transmissor de oxigênio de fibra óptica e inicie o modo de gravação.
      2. Inicie a configuração e verifique se o vórtice de água está estável. Alcance o modo em que o valor da concentração de OD é estável e registre os dados.
        Observação : se as leituras não são estáveis, os dados não são válidos e o experimento deve ser repetido.

Representative Results

O vórtice de água no funil hiperbólico de Schauberger é formado em diferentes regimes (torcido, reto e restrito) (Figura 1). Como resultado, a água é enriquecida com oxigênio atmosférico, e a oxidação de espécies químicas na água é promovida. O sistema não requer energia, exceto para bombear água para a parte superior do funil hiperbólico.

O regime torcido tem uma forma de dupla hélice e a maior interface entre a água e o ar. Para sua criação, é necessário aplicar uma vazão média de água (75-78 L/h para o funil pequeno, 1.194-1.218 L/h para o funil médio e 4.834-5.032 L/h para o funil grande). Sua altura na parte cilíndrica superior do funil não deve ser superior a 2 cm para o funil pequeno, 7 cm para o funil médio e 16 cm para o funil grande.

O regime reto tem uma forma reta suave e uma interface menor entre a água e o ar. Este regime requer fluxo máximo de água (93-100 L/h para o funil pequeno, 1.314-1.338 L/h para o funil médio e 5.102-5.289 L/h para o funil grande). Sua altura pode atingir a cobertura de todos os funis.

Dependendo do nível da água, o regime restrito pode assumir a forma de vórtices torcidos e retos. No entanto, a peculiaridade deste regime é que seu comprimento muda dependendo da aplicação de contrapressão, ao contrário dos modos anteriores, para os quais nenhuma pressão é aplicada. Também é formado no topo do funil; No entanto, com o aumento da pressão de volta, sua cauda começa a encurtar, e o vórtice gradualmente desaparece da parte inferior. Seu fluxo de água é extremamente pequeno (58-70 L/h para o funil pequeno, 882-936 L/h para o funil médio e 2.351-2.634 L/h para o funil grande), e sua altura pode ser mínima e máxima dependendo da geometria do funil.

Os diferentes regimes podem ser estabilizados e transformados uns nos outros dependendo da taxa de fluxo de água, contrapressão e geometria do sistema. Parâmetros como vazão de água, coeficiente de transferência de massa volumétrica de oxigênio e taxa padrão de transferência de oxigênio caracterizam a eficiência da aeração. Pode-se observar que para o vórtice torcido com baixa vazão de água, o K L a 20 foi o maior (Figura 4), várias vezes maior que o KLa20 para regimes retos e restritos e dezenas de vezes maior que o mesmo indicador para sistemas convencionais, que também são utilizados paraa aeração de lagos e rios (Air Jet, Impulsor, Remo) e são muito mais intensivos em energia. Com novos aumentos no fluxo de água, o KLa20 diminuiu gradualmente, mas o nível de água, ou seja, o volume de água no sistema, aumentou. Depois de algum valor limite, o regime distorcido mudou para o regime reto. Para cada regime, houve condições estacionárias em que seus parâmetros de volume e hidráulicos não se alteram.

No entanto, quando comparados regimes semelhantes para funis pequenos, médios e grandes, as diferenças entre as vazões e volumes de água dos sistemas foram significativas. No entanto, ao mesmo tempo, as razões dos valores de KLa20 não mudaram muito. Os valores máximos de 83 h-1 para o funil pequeno, 60 h-1 para o funil médio e 79 h-1 para o funil grande foram alcançados no regime de torção.

Ao mesmo tempo, quando o KLa20 diminuiu com o aumento do fluxo de água, o MRT aumentou, indicando que a água levou mais tempo para passar pelo funil, como descrito em detalhes por Donepudi24. No entanto, quanto a KLa20, o valor de MRT foi aproximadamente o mesmo para os regimes torcido e reto em diferentes funis. O TRM variou de 10 s a 43 s para o funil pequeno, de 14 s a 30 s para o funil médio e de 24 s a 43 s para o funil grande (Tabela 1).

Figure 1
Figura 1: Regimes de vórtice de água em um funil Schauberger hiperbólico de vidro de 26 cm de altura. (A) Torcida (75 L/h), (B) reta (100 L/h), (C) restrita (70 L/h). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Regimes de vórtice de água em um funil Schauberger hiperbólico de vidro de 94 cm de altura. (A) Torcida (1.194 L/h), (B) reta (1.314 L/h), (C) restrita (882 L/h). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Croqui do arranjo utilizado para os experimentos descritos nas etapas do protocolo 3.1-3.3. (1) Bomba de água subterrânea; (2) válvula de controle; (3) medidor de vazão de água; (4, 5) fibras ópticas poliméricas para detecção de OD; (6, 7) sondas de pH; (8) sensor de temperatura; (9) seringa com traçador; (10) válvula; (11) funil hiperbólico Schauberger; (12) transmissor de oxigênio por fibra óptica; (13) laptop; (14) registrador de dados; (15) braçadeira; (16) drenagem de água. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Foto da montagem do grande funil. (1) Reservatório de água subterrânea; (2) bomba d'água; (3) medidor de vazão de água; (4) seringa com traçador; (5, 6) adaptadores de vidro com o ponto sensor de oxigênio; (7), (8) sondas de pH; (9) funil hiperbólico Schauberger; (10) drenagem de água. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Funil Regime φ (L/h) TRH (s) MRT (s) KLa20 (h-1) V (L) Nível (cm) Cem (mg/L) Saída C (mg/L) SOTR (g O2/h) SAE (gØ 2/kWh)
Pequeno Torcido 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
Reto 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
Restrito 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
Média Torcido 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
Reto 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
Restrito 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
Grande Torcido 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
Reto 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
Restrito 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

Tabela 1: Características hidráulicas básicas e parâmetros de eficiência de aeração para funis pequenos (Figura 1), médios (Figura 2) e grandes. 

Discussion

Se a bomba de água subterrânea for muito potente e o sistema não conseguir manter a pressão, um dreno adicional pode ser adicionado antes da válvula de controle para reduzi-la. É muito importante calibrar os sensores para resultados confiáveis e para o experimento do traçador para garantir sondas rápidas. Se as sondas forem lentas, isso distorcerá as medições de TRH. Além disso, se a TRH for muito menor que a TRM para o regime reto, isso pode indicar que a entrada tangencial do funil está significativamente abaixo do nível da água e que parte do líquido traçador está descendo para o dreno após entrar no funil, causando assim uma diminuição na TRH.

O vórtice de água em um funil hiperbólico da Schauberger é muito sensível à vazão de água. Quanto menor o sistema, mais ele depende de mudanças de fluxo. Se o regime for estável, o nível de água no funil não deve mudar com o tempo. Se não for esse o caso, vai subir ou descer. Portanto, vale a pena prestar atenção ao nível da água para evitar transbordamento de água, rachaduras devido ao aumento da pressão dentro do funil ou uma mudança de regime indesejada.

Para determinar o regime do vórtice (etapas do protocolo 3.1.3.1-3.1.3.3) e sua estabilidade, é vantajoso que o funil seja transparente. Por esta razão, um funil de vidro foi utilizado neste trabalho. É imprescindível muito cuidado ao transportá-lo, manuseá-lo e instalá-lo, devendo-se atentar para não apertar demais os parafusos da tampa para não danificá-la (protocolo passo 2.1.2).

Para determinar a TRH, as etapas do protocolo 3.2.2-3.2.3 devem ser repetidas o maior número de vezes possível (pelo menos 10x), pois, devido à alta turbulência do sistema e à presença de fluxos secundários (vórtices tayloristas), o jato traçador pode se separar e percorrer diferentes caminhos pelo funil. Por exemplo, foi demonstrado por Donepudi et al.24 e Mulligan et al.28 que quanto mais próxima a camada de água estiver da parede de vidro, mais rápido ela se moverá para o dreno. As sondas devem ser sempre lavadas com água deionizada e limpas para evitar misturar a amostra e a solução de armazenamento, o que pode estragar os dados e deteriorar a qualidade do armazenamento do eletrodo.

Para o experimento OD, é importante alcançar um valor estável de concentração de oxigênio na saída do sistema (etapa do protocolo 3.3.2.2). Se o regime não é estável, mas as flutuações no sistema não são significativas, então o valor obtido deve ser medido. Também é necessário ter um orifício na tampa para ventilação para permitir o fluxo de ar no sistema para posterior aeração.

Apesar dos altos valores de KLa20 e da eficiência energética desse sistema, o valor de SOTR é baixo em comparação com outros métodos26 devido às baixas vazões de água dos funis disponíveis; Esta é atualmente uma limitação para o uso industrial do funil hiperbólico para aeração de água. No entanto, foi demonstrado que a alta eficiência do sistema pode ser alcançada para diferentes escalas com funis grandes, médios e pequenos. A partir disso, podemos concluir que, alterando a geometria (dimensões, diâmetros da entrada e saída, curvatura das paredes), é possível aumentar significativamente a velocidade e o volume de tratamento de água sem reduzir a eficiência da aeração. Além disso, na Tabela 1, pode-se observar que um aumento no comprimento do funil em 1,1 m levou a um aumento de mais de 100 vezes no SOTR. Tendo em conta o facto de que, em algumas estações de tratamento de água, a diferença do nível de água pode atingir vários metros, a aeração (parcial) poderia ser conseguida a custos muito mais baixos do que actualmente. Assim, determinar como diferentes parâmetros geométricos do funil afetam a vazão de água e KLa20 para regimes de vórtices pode fornecer uma tecnologia barata e competitiva para a aeração de águas subterrâneas. Alternativamente, como mostrado por Schauberger31, a aeração pode ser usada para melhorar a qualidade de reservatórios de água, lagos e rios.

Disclosures

Os autores declaram não ter interesses financeiros concorrentes conhecidos ou relações pessoais que possam ter influenciado o trabalho relatado neste artigo.

Acknowledgments

Este trabalho foi realizado no âmbito da cooperação do Wetsus European Center of Excellence for Sustainable Water Technology (www.wetsus.eu) dentro do tema Física Aplicada da Água. A Wetsus é co-fundada pelo Ministério dos Assuntos Económicos dos Países Baixos e pelo Ministério das Infraestruturas e do Ambiente, pela Província da Frísia e pelas Províncias do Norte dos Países Baixos. Esta investigação recebeu financiamento do programa de investigação e inovação Horizonte 2020 da União Europeia ao abrigo do acordo de subvenção Marie Sklodowska-Curie n.º 665874 e do laboratório Gilbert-Armstrong. Agradecemos muito o apoio de Maarten V. van de Griend a este trabalho.

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

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References

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Engenharia Edição 197
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