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Engineering

Präparation von freiflächigen hyperbolischen Wasserwirbeln

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

In dieser Arbeit wird beschrieben, wie drei verschiedene Wasserwirbelregime in einem hyperbolischen Schauberger-Trichter erzeugt werden können, welche wichtigsten Eigenschaften sie haben und wie damit verbundene Parameter wie z.B. die Sauerstofftransferraten berechnet werden können.

Abstract

Freie Oberflächenwirbel sind in der Industrie bei der Strömungsregulierung, der Energiedissipation und der Energieerzeugung vorhanden. Obwohl sie ausgiebig untersucht wurden, fehlen detaillierte experimentelle Daten zu freien Oberflächenwirbeln, insbesondere zu den Turbulenzen an der Grenzfläche. Die vorliegende Arbeit berichtet über eine spezielle Art von freiem Oberflächenwirbel, die erstmals in den 1960er Jahren von Walter Schauberger vorgeschlagen wurde und einen volumetrischen Sauerstoff-Stoffübergangskoeffizienten aufweist, der den Wert ähnlicher Systeme übersteigt. Diese spezielle Art von Wirbel bildet sich in einem hyperbolischen Trichter. Unterschiedliche stabile Regime können mit unterschiedlichen hydraulischen Eigenschaften stabilisiert werden. Weitere Vorteile dieser Technologie sind die Energieeffizienz, das einfache Design und die Skalierbarkeit. Die Strömung in diesem hyperbolischen Trichter zeichnet sich durch starke Turbulenzen und eine vergrößerte Oberfläche der Luft-Wasser-Grenzfläche aus. Der lokale Druck schwankt stark entlang der Oberfläche, was zu einer ausgeprägten welligen Luft-Wasser-Grenzschicht führt. Aufgrund der helikalen Strömung bewegen sich diese Störungen nach innen und ziehen die Grenzschicht mit sich. Das daraus resultierende Druckgefälle zieht ein bestimmtes Luftvolumen in den Wasserwirbel. In dieser Arbeit werden die Konstruktion des grundlegenden hyperbolischen Trichteraufbaus und operative Beispiele, einschließlich der Hochgeschwindigkeitsvisualisierung für drei verschiedene stabile Regime, vorgestellt.

Introduction

Unser Leben ist eng mit spiralförmigen Strukturen verbunden. Sie existieren in fast allem und überall, einschließlich der Struktur von Muscheln und Ammoniten und der Bildung von Hurrikanen, Tornados und Strudeln 1,2. Auf kosmologischer Skala entstehen und entwickeln sich Galaxien nach dem Prinzip der logarithmischen Spirale3. Die bekanntesten Spiralen sind die goldene und die Fibonacci-Spirale4, die viele Anwendungen haben, die von der Beschreibung des Pflanzenwachstums und der kristallographischen Struktur bestimmter Festkörper bis hin zur Entwicklung von Suchalgorithmen für Computerdatenbanken reichen. Die Fibonacci-Folge wird als eine numerische Reihe charakterisiert, die mit 0 und 1 beginnt und nachfolgende Zahlen hat, die der Summe der beiden vorherigen entsprechen. Diese Sequenz findet sich auch bei der Zählung der Reproduktionsrate von Kaninchen. Spiralen gehören zu den ältesten geometrischen Formen, die vom Homo sapiens gezeichnet wurden, wie z. B. die konzentrischen Kreise, die in Kolumbien und Australien (40.000-20.000 v. Chr.) gefunden wurden1. Leonardo da Vinci5 versuchte, eine hubschrauberförmige Flugmaschine mit Hilfe einer spiralförmigen Klinge zu bauen (vom griechischen Wort ἕλιξ πτερόν, oder helix pteron, was Spiralflügel bedeutet). Nach dem gleichen Prinzip konstruierte der Flugzeugkonstrukteur Igor Sikorsky 450 Jahre später den ersten Hubschrauber in Serie6.

Viele weitere Beispiele deuten darauf hin, dass helikale Strömungsstrukturen sehr effizient und kostensparend sein können, da diese Art der Strömung in der Natur bevorzugt vorkommt. Das erkannte Anfang des 20. Jahrhunderts der österreichische Förster und Philosoph Viktor Schauberger. Er sagte, dass die Menschen die Natur studieren und von ihr lernen sollten, anstatt zu versuchen, sie zu korrigieren. Basierend auf seinen Ideen baute er eher ungewöhnliche Holzrinnen, um Holz zu schwimmen; Die Rinnen nahmen nicht den geradlinigsten Weg zwischen zwei Punkten, sondern folgten den Mäandern von Tälern und Bächen. Diese Konstruktion brachte das Wasser zum Fließen, indem es sich spiralförmig um seine Achse drehte und so einen Wirbel bildete, der dadurch die verwendete Wassermenge reduzierte und eine Transportrate erzeugte, die deutlich über dem lag, was als normal angesehen wurde7.

In die Fußstapfen seines Vaters tretend, entwickelte Viktors Sohn Walter neue Technologien, die den Wasserwirbel8 für verschiedene Zwecke nutzten: die Aufbereitung von Trinkwasser, industrielle Prozesse, die Wiederherstellung von Teichen und Wasserläufen, die Sauerstoffanreicherung von Teichen und kleinen Seen sowie die Regulierung und Renaturierung von Flüssen. Eine dieser Ideen hat in jüngster Zeit beträchtliches Interesse geweckt, nämlich die Wasseraufbereitung mit Hilfe eines hyperbolischen Trichters8, bei dem ein Wirbel nur durch das Fließen von Wasser ohne Rührvorrichtungen erzeugt wird. Es hat sich als sehr effektive Methode zur Oxidation von Eisen im Grundwasser erwiesen 9,10. Eine Einschränkung dieser Technologie besteht darin, dass sie für Wasser mit niedrigem pH-Wert weniger effizient ist11.

In den Niederlanden werden große Mengen Trinkwasser aus unterirdischen Quellen12 gewonnen, in denen die Eisenkonzentration mehrere Dutzend Milligramm pro Liter erreichen kann 13, während 0,2 mg/l nach den Normen als akzeptabel gelten14. Die meisten Trinkwasseranlagen verwenden die Belüftung als einen der ersten Schritte, um die Eisenkonzentration im Wasseraufbereitungsprozess zu reduzieren. In den meisten Fällen besteht der Zweck der Belüftung darin, den Gehalt an gelöstem Sauerstoff zu erhöhen, Gase und andere verwandte Substanzen aus dem Wasser zu entfernen oder beides15. Es gibt verschiedene Methoden, mit denen durch Belüftung Sauerstoff in flüssige Medien eingebracht werden kann. Zu diesen Verfahren gehört das Rühren der Flüssigkeitsoberfläche unter Verwendung eines Mischers oder einer Turbine und das Ablassen von Luft durch makroskopische Öffnungen oder poröse Materialien16.

Der chemische Prozess der Eisenoxidation wurde durch van de Griend17 demonstriert, bei dem ein Sauerstoffmolekül ein Elektron aus Eisen nimmt und mit einem freien Proton zu Wasser reagiert, während das Eisenion oxidiert wird (Gleichung [1]):

Equation 1, (1)

Das Eisenion fällt dann durch seine Reaktion mit Wasser als Fe(OH)3 aus, wodurch Protonen freigesetzt werden (Gleichung [2]):

Equation 2(2)

Die Gesamtreaktion ergibt sich aus Gleichung (3):

Equation 3.     (3)

In der Belüftung werden am häufigsten Kaskaden-, Turm-, Sprüh- und Plattenbelüftungssystemeeingesetzt 18,19. Der Nachteil dieser Technologien besteht darin, dass sie 50 % bis 90 % der gesamten Energie 20 und bis zu40 % des Budgets für den Betrieb und die Wartung der Aufbereitungsanlagen verbrauchen21.

Die Verwendung eines hyperbolischen Trichters zur Belüftung kann die Kosten erheblich senken und die Effizienz dieses Prozesses erhöhen. Hyperbolische Trichter sind aufgrund ihrer Geometrie und der Tatsache, dass es keine beweglichen Teile gibt, weniger anfällig für Verstopfungen, was bedeutet, dass die Energie nur für das Pumpen von Wasser aufgewendet wird. Ein solches System kann durch mehrere Parameter charakterisiert werden, wie z. B. die Wasserdurchflussrate des Trichters pro Stunde (φ), die mittlere Verweilzeit (MRT), die hydraulische Verweilzeit (HRT), den volumetrischen Sauerstoff-Stoffübergangskoeffizienten (KLa 20) (korrigiert auf eine standardisierte Temperatur von20 °C), die Standard-Sauerstofftransferrate (SORT) und die Standard-Belüftungseffizienz (SAE). Die Durchflussmenge des Trichters wird benötigt, um die Wassermenge zu berechnen, die in einer bestimmten Zeit verarbeitet werden kann. Die MRT errechnet sich aus dem Verhältnis des Wasserdurchflusses zu seinem Volumen im Trichter für ein bestimmtes Regime unter Verwendung von Gleichung (4):

Equation 4(4)

wobei V das Flüssigkeitsvolumen im Reaktor darstellt.

Die HRT kann experimentell unter Verwendung von Tracertechnologien22über ihre Verweilzeitverteilungsfunktion bestimmt werden. Die HRT bietet grundlegende Einblicke in Mischprozesse, Hold-ups und Segregationsphänomene23. Es wurde von Donepudi24 gezeigt, dass sich der Wasserstrahl umso schneller in Richtung Auslass bewegt, je weiter er vom Einlass entfernt ist. Im ersten Moment wird das Wasser tangential in den oberen zylindrischen Teil des Trichters gepumpt. Dann nimmt unter dem Einfluss der Schwerkraft zusammen mit der Geometrie des Systems die Tangentialgeschwindigkeit ab und die axiale Geschwindigkeit nimmt zu. Der volumetrische Sauerstoff-Stoffübergangskoeffizient KLa20 (Einheit reziproke Zeit) gibt die Fähigkeit eines Systems an, den Sauerstofftransfer in die flüssige Phase10 zu erleichtern. Sie kann25,26 nach Gleichung (5) berechnet werden: 

Equation 5(5)

wobei C out die Konzentration des gelösten Sauerstoffs (DO) in der Bulk-Flüssigkeit, C in die DO-Konzentration inder Zufuhr, Csdie DO-Konzentration bei Sättigung und T die Wassertemperatur ist.

Der SORT-Wert ist die Standardrate des Sauerstoffs, der vom System in die flüssige Phase übertragen wird, und wird durch Gleichung (6)27 bestimmt:

Equation 6(6)

wobei Equation 8 der Sauerstoff bei Sättigung für eine Temperatur von 20 °C ist. Der SOTR-Wert kann für einen bestimmten Prozess definiert werden, wobei in diesem Fall das in Gleichung (6) verwendete Volumen durch die Annahme von 1 h Behandlungszeit (prozessspezifische SOTR) normiert wird, so dass Belüftungsmethoden im Pilotmaßstab mit Systemen im Realmaßstab verglichen werden können. Für die Fähigkeit eines bestimmten Regimes im Trichter muss die systemspezifische SOTR berechnet werden, die das Wasservolumen im Trichter für eine (regimespezifische) hydraulische Verweilzeit nutzt. Dieser Wert ist wichtig, wenn es darum geht, die tatsächliche Belüftungskapazität eines Regimes in einem bestimmten Trichter zu berechnen.

Die SAE ist das Verhältnis zwischen dem SOTR und der für die Belüftung aufgewendeten Leistung. Da Energie nur dafür aufgewendet wird, Wasser an die Spitze des Trichters zu pumpen und ihm den notwendigen Durchfluss zu geben, um einen Wirbel zu bilden, wird sie als Summe der potentiellen Energie des pro Stunde in einer Höhe gepumpten Wasservolumens, das der Länge des Trichters entspricht, und der kinetischen Energie, die das Wasser benötigt, um einen Wirbel27 zu erzeugen, unter Verwendung von Gleichung (7) berechnet:

Equation 7(7)

wobei P p die potenzielle Leistung (in kW) ist, die erforderlich ist, um das gepumpte Wasser auf die Höhe des Trichters zu heben, und Pkdie kinetische Leistung (in kW) ist, die erforderlich ist, damit das Wasser, das oben in den Trichter gepumpt wird, genügend Durchfluss erhält, um einen Wirbel zu erzeugen. Normalerweise sollte für Gleichung (7) die systemspezifische SOTR verwendet werden. Wendet man stattdessen die prozessspezifische SOTR an, ergibt sich der Energieverbrauch einer (theoretischen) Anlage mit 1 h hydraulischer Verweilzeit.

Diese Parameter reichen aus, um die Wirksamkeit und Machbarkeit des Einsatzes dieser Technologie zu beurteilen, aber nicht, um den Prozess selbst zu beschreiben. Es sollte erwähnt werden, dass Wirbel zu den am wenigsten verstandenen Phänomenen in der Strömungsmechanik gehören. Daher wird viel Forschungsaufwand in diese Richtung investiert. Eine der größten Herausforderungen bei der Suche nach den allgemeinen Gesetzen und Regeln von Wirbeln in der Strömungsdynamik besteht darin, dass es immer wieder Variationen in den geometrischen Randbedingungen gibt, die die Entwicklung von Wirbeln beeinflussen und ihre Entstehung und Dynamik maßgeblich beeinflussen. Daher ist es vernünftig anzunehmen, dass ein Wirbel mit freier Oberfläche (FSV) nicht analog zu einem im Labor eingeschlossenen Wirbel betrachtet werden kann. Es wurde jedoch von Mulligan et al.28 für die Taylor-Couette-Strömung (TCF) gezeigt, dass, wenn der Luftkern des FSV als virtueller innerer Zylinder betrachtet wird, der sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Luftkern dreht, beide ähnlich behandelt werden können. Auf diese Weise können Gleichungen, die das Freiflächen-Wirbelströmungsfeld repräsentieren, durch die Winkelgeschwindigkeitsbedingungen des virtuellen Zylinders ersetzt werden, was zu Gleichungen für das TCF-System führt. Es wurde auch gezeigt, dass, wenn die Rotationsgeschwindigkeit eines gedachten Zylinders erhöht wird, Taylor-ähnliche Wirbel28 irgendwann als sekundäres Strömungsfeld erscheinen und dann verschwinden, wenn man sich den Wänden nähert.

Nachdem Niemeijr 29 gezeigt hatte, dass es möglich ist, drei verschiedene Arten von Wasserwirbeln in einem Schauberger-Trichter (verdreht, gerade und eingeschränkt) zu erhalten (Abbildung 1 und Abbildung 2), die durch andere hydraulische Parameter charakterisiert sind, verwendete Donepudi 24 den gleichen Ansatz wie Mulligan et al.28, um Wirbelregime mit Hilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD) zu simulieren und dabei die Organisation ihres Strömungsfeldes zu analysieren, um die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen. Das System ist sehr turbulent, und das sekundäre Strömungsfeld ist sehr instabil und zeichnet sich durch das Auftreten einer großen Anzahl von Taylor-ähnlichen Wirbeln aus. Der Gastransport von der Gasphase in die flüssige Phase wird durch Diffusion, Advektion und Reaktion bestimmt. Um die Effizienz dieses Prozesses zu erhöhen, ist es daher notwendig, entweder den Gaskonzentrationsgradienten oder die volumetrische Bewegung der Flüssigkeit zu erhöhen. Letzteres hängt direkt von der Turbulenz des Systems in Form von Taylor-ähnlichen Wirbeln ab, die den Transport gesättigter Fluidelemente von der Grenzfläche in die Bulk-Flüssigkeit erleichtern. In einer weiteren Arbeit zu diesem Thema9 wurden die Hauptparameter für verschiedene Wirbelregime, wie z.B. die Wasserdurchflussrate, KLa20 und SOTR, verglichen. Diese Studie zeigte ein großes Versprechen für diese Technologie, da das System im Vergleich zu anderen Methoden, die zur Wasserbelüftung verwendet werden, einen sehr schnellen Gastransfer ermöglicht.

Der Zweck dieses Artikels ist es, diese Methode zur Erzeugung verschiedener Wasserwirbelregime in hyperbolischen Schauberger-Trichtern (klein: 26 cm Höhe und 15 cm oberer Durchmesser; mittel: 94 cm Höhe und 30 cm oberer Durchmesser; groß: 153 cm hoch und 59 cm oberer Durchmesser) mit dem Ziel einer effizienten Wasserbelüftung vorzustellen und zu demonstrieren.

Protocol

1. Allgemeine Empfehlungen

  1. Überprüfen Sie alle Rohrverbindungen auf Dichtheit, bevor Sie mit dem Aufbau beginnen.
  2. Vergewissern Sie sich, dass der Trichterdeckel angebracht und befestigt ist.
  3. Reinigen Sie den Trichter vor und nach jedem Versuch mit einer Bürste und Glasreiniger, da er aufgrund der hohen Eisenkonzentration im Grundwasser gelb werden kann.

2. Versuchsaufbau

  1. Wasserwirbelsystem (Abbildung 3)
    1. Befestigen Sie den Glastrichter (Abbildung 4) sicher in vertikaler Position auf einem speziellen Rahmen - einem Brett mit vier Beinen und einem Schlitz in der Mitte, der dem Durchmesser des zylindrischen Teils des Trichters entspricht und groß genug ist, damit der Trichter hineinpasst, aber nicht zu groß, um durchzufallen. Befestigen Sie den Rahmen sicher, damit er nicht wackelt.
    2. Legen Sie eine Gummidichtung zwischen den Deckel und den Trichter, um Undichtigkeiten zu vermeiden. Befestigen Sie den Trichterdeckel und ziehen Sie ihn mit den Schrauben fest.
    3. Verbinden Sie die Grundwasserpumpe mit Schläuchen und Schlauchanschlüssen mit dem tangentialen Einlass im oberen zylindrischen Teil des Trichters.
    4. Schließen Sie ein spezielles Regelventil an, um den Wasserdurchfluss zwischen der Pumpe und dem Trichter einzustellen. Schließen Sie einen Wasserdurchflussmesser zwischen dem Regelventil und dem Trichter an.
    5. Verbinden Sie den Auslass des Trichters mit einem Schlauch mit dem Abfluss. Bringen Sie am Ablaufschlauch in der Nähe des Auslasses des Trichters eine Klemme an, um während des Betriebs des Geräts einen Gegendruck zu erzeugen.
      HINWEIS: Die Klemme sollte unmittelbar nach allen anderen für die Experimente erforderlichen Adaptern und Anschlüssen installiert werden.
  2. System für Tracer-Experimente (Abbildung 3)
    1. Installieren Sie spezielle Adapter für die Installation von Sonden in der Nähe des Ein- und Auslasses. Installieren Sie pH-Sonden in diesen Adaptern und schließen Sie sie an den Datenlogger an.
    2. Installieren Sie die Sensoren so nah wie möglich am Trichter, um Fehler bei den HRT-Berechnungen zu reduzieren.
    3. Bereiten Sie 1 ml NaOH-Lösung (Konzentration: 0,2 M) vor, die als chemischer Tracer verwendet und in den Wasserstrom des Strahls injiziert wird.
      HINWEIS: Da wässrige Natronlauge eine starke Base ist, wird sie als peakartiger Anstieg des pH-Werts30 angezeigt.
    4. Installieren Sie einen Adapter mit drei Öffnungen für den Anschluss des Tracer-Injektionssystems, das aus einem Ventil und einer Spritze besteht, vor der pH-Sonde in der Nähe des Einlasses.
  3. System für DO-Experimente (Abbildung 3)
    1. Kleben Sie zwei Sauerstoffsensorpunkte an die Innenwand der beiden unterschiedlichen Glasadapter, platzieren Sie sie so nah wie möglich am Ein- und Auslass des Trichters und verbinden Sie sie mit der Wasserleitung.
      HINWEIS: Während des Betriebs muss das Wasser die Aufkleber vollständig bedecken.
    2. Installieren Sie den Glasadapter mit dem Sauerstoffsensorpunkt in der Nähe des Ein- und Auslasses des Trichters und befestigen Sie die Spitze der Polymer-Glasfaser (die 2 m lang ist) über dem Aufkleber auf der anderen Seite des Glases.
    3. Installieren Sie den Wassertemperatursensor in der Nähe des Trichtereinlasses im gleichen Adapter wie bei der pH-Sonde. Stellen Sie sicher, dass es sich in der Nähe der Faser befindet, da die Wassertemperatur verwendet wird, um die DO-Messungen zu korrelieren.
    4. Verbinden Sie die optische Polymerfaser und den Temperatursensor mit dem faseroptischen Sauerstofftransmitter.
    5. Schließen Sie den faseroptischen Sauerstofftransmitter an einen Laptop an, auf dem eine spezielle Software installiert ist, um das Signal des Sensors anzuzeigen, das mit der Konzentration des gelösten Sauerstoffs und der Wassertemperatur zusammenhängt.

3. Betrieb (mittlerer Trichter)

  1. Vortex-Regime
    1. Schalten Sie den Durchflussmesser ein. Starten Sie die unterirdische Wasserpumpe und öffnen Sie das Steuerventil vollständig. Achten Sie darauf, dass der Wasserdurchfluss deutlich höher ist als der maximale Durchfluss, der zur Bildung eines Wasserwirbels erforderlich ist (1338 l/h für den mittleren Trichter).
    2. Stellen Sie den gewünschten Wert des Wasserdurchflusses durch Drehen des Regelventils ein. Falls erforderlich, drücken Sie die Klemme in der Nähe des Auslasses des Trichters zusammen, damit das Wasser im Trichter blockiert wird, was dazu führt, dass der Wasserspiegel im oberen zylindrischen Teil des Trichters ansteigt.
    3. Um verschiedene Regime einzustellen, passen Sie die Werte des Wasserdurchflusses und des Wasserstands im oberen zylindrischen Teil des Trichters (Tabelle 1) nacheinander in einem Experiment an. Prüfen Sie den Wasserwirbel 15 Minuten lang auf Stabilität. Im stabilen Modus sollte sich der Wasserstand nicht ändern.
      1. Für das verdrehte Regime stellen Sie die Durchflussmenge auf 1194 l/h und den Wasserstand auf 2 cm, die Durchflussmenge auf 1218 l/h und den Wasserstand auf 5 cm ein.
      2. Stellen Sie für das gerade Regime die Durchflussmenge auf 1314 l/h und den Wasserstand auf 11 cm, die Durchflussmenge auf 1338 l/h und den Wasserstand auf 11,7 cm ein.
      3. Im Gegensatz zu den verdrehten und geraden Regimen erzeugen Sie einen Gegendruck, indem Sie die Klemme in der Nähe des Auslasses des Trichters zusammendrücken. Stellen Sie die Durchflussmenge auf 882 l/h, den Wasserstand auf 3 cm, die Durchflussmenge auf 936 l/h und den Wasserstand auf 9 cm ein.
  2. Tracer-Experiment
    1. Kalibrieren Sie die pH-Sonden mit einem Datenlogger, um die Gültigkeit und Genauigkeit der erhaltenen Daten sicherzustellen.
      1. Bereiten Sie zwei Standardlösungen vor, eine mit einem pH-Wert, der höher ist als der pH-Wert des Betriebsbereichs (6-10), und eine mit einem pH-Wert, der niedriger ist als der pH-Wert des Betriebsbereichs. Stellen Sie ihre Werte im Datenlogger ein und messen Sie sie während der Kalibrierung nacheinander. Danach kalibriert der Datenlogger die pH-Sonden.
      2. Installieren Sie pH-Sonden am Ein- und Auslass des Trichters, schließen Sie sie an den Datenlogger an und starten Sie den Aufzeichnungsmodus.
    2. Starten Sie das Setup.
      1. Starten Sie das Setup und stellen Sie sicher, dass der Wasserwirbel stabil ist.
      2. Füllen Sie die Spritze mit der vorbereiteten Tracermischung von NaOH und schließen Sie sie an die Tracer-Injektionsleitung an. Schrauben Sie das Ventil im Einspritzsystem schnell ab, spritzen Sie die Prüfflüssigkeit ein und schrauben Sie dann das Ventil schnell fest.
    3. Führen Sie das Speichern und Analysieren durch.
      1. Wenn sich der pH-Wert stabilisiert hat, speichern Sie die pH-Spitzen, die während des Durchgangs der Tracerflüssigkeit durch einen Glastrichter aufgezeichnet wurden.
      2. Analysieren Sie die Eintritts- und Austrittsspitzen, wie in einer früheren Arbeit22 für die HRT-Berechnung beschrieben. Nehmen Sie dazu den Punkt am Anfang des ersten Peaks für den Countdown und den Punkt auf dem zweiten Peak, der ihn in zwei Zahlen gleicher Fläche teilt, für das Ende des Countdowns.
  3. DO-Experiment
    1. Kalibrieren Sie den Sauerstoffsensor mithilfe einer Software mit einem Laptop und dem faseroptischen Sauerstofftransmitter. Verwenden Sie zwei Flüssigkeiten: eine sauerstofffreie (0,1 l Wasser und 1 g Natriumsulfit mischen) und die andere mit Sauerstoff gesättigt (dazu 15 Minuten lang mit Luft belüften). Wählen Sie dann die Kalibrierungsfunktion in der Software aus und messen Sie nacheinander beide Flüssigkeiten.
    2. Führen Sie die Installation und Aufzeichnung durch.
      1. Installieren Sie den Sauerstoffsensor am Ein- und Auslass des Trichters. Installieren Sie zusätzlich den Temperatursensor in der Nähe des Trichtereinlasses. Schließen Sie sie an den faseroptischen Sauerstoffsender an und starten Sie den Aufnahmemodus.
      2. Starten Sie den Aufbau und stellen Sie sicher, dass der Wasserwirbel stabil ist. Erreichen Sie den Modus, in dem der Wert der DO-Konzentration stabil ist, und zeichnen Sie die Daten auf.
        HINWEIS: Wenn die Messwerte nicht stabil sind, sind die Daten nicht gültig, und das Experiment muss wiederholt werden.

Representative Results

Der Wasserwirbel im hyperbolischen Trichter von Schauberger wird in verschiedenen Regimen (verdreht, gerade und eingeschränkt) gebildet (Abbildung 1). Dadurch wird das Wasser mit Luftsauerstoff angereichert und die Oxidation chemischer Spezies im Wasser gefördert. Das System benötigt keine Energie, außer um Wasser in den oberen Teil des hyperbolischen Trichters zu pumpen.

Das verdrehte Regime hat eine Doppelhelix-Form und die größte Grenzfläche zwischen Wasser und Luft. Für seine Herstellung ist ein durchschnittlicher Wasserdurchfluss erforderlich (75-78 l/h für den kleinen Trichter, 1.194-1.218 l/h für den mittleren Trichter und 4.834-5.032 l/h für den großen Trichter). Seine Höhe im oberen zylindrischen Teil des Trichters sollte nicht mehr als 2 cm für den kleinen Trichter, 7 cm für den mittleren Trichter und 16 cm für den großen Trichter betragen.

Das gerade Regime hat eine glatte, gerade Form und eine kleinere Grenzfläche zwischen Wasser und Luft. Dieses Regime erfordert einen maximalen Wasserdurchfluss (93-100 l/h für den kleinen Trichter, 1.314-1.338 l/h für den mittleren Trichter und 5.102-5.289 l/h für den großen Trichter). Seine Höhe kann den Deckel für alle Trichter erreichen.

Je nach Wasserstand kann das eingeschränkte Regime sowohl in Form von verdrehten als auch in geraden Wirbeln auftreten. Die Besonderheit dieses Regimes besteht jedoch darin, dass sich seine Länge je nach Anwendung des Gegendrucks ändert, im Gegensatz zu den vorherigen Modi, bei denen kein Druck ausgeübt wird. Es wird auch am oberen Ende des Trichters gebildet; Mit zunehmendem Gegendruck beginnt sich sein Schwanz jedoch zu verkürzen, und der Wirbel verschwindet allmählich aus dem unteren Teil. Der Wasserdurchfluss ist extrem gering (58-70 l/h für den kleinen Trichter, 882-936 l/h für den mittleren Trichter und 2.351-2.634 l/h für den großen Trichter), und seine Höhe kann je nach Trichtergeometrie sowohl minimal als auch maximal sein.

Die verschiedenen Regime können je nach Wasserdurchfluss, Gegendruck und Systemgeometrie stabilisiert und ineinander umgewandelt werden. Parameter wie der Wasserdurchfluss, der volumetrische Stoffübergangskoeffizient für Sauerstoff und die Standard-Sauerstoffdurchgangsrate charakterisieren die Belüftungseffizienz. Es ist zu erkennen, dass für den verdrehten Wirbel mit geringer Wasserdurchflussrate der K L a 20 der höchste war (Abbildung 4), um ein Vielfaches höher als der KLa20 für gerade und eingeschränkte Bereiche und Dutzende Male höher als der gleiche Indikator für herkömmliche Systeme, die auch für die Belüftung von Seen und Flüssen verwendet werden (Air Jet, Impeller, Paddel) und sind viel energieintensiver. Mit weiterem Anstieg des Wasserdurchflusses nahm der KLa20 allmählich ab, aber der Wasserstand, also das Wasservolumen im System, nahm zu. Nach einem gewissen Schwellwert wechselte das verdrehte Regime in das gerade Regime. Für jedes Regime gab es stationäre Bedingungen, bei denen sich ihr Volumen und ihre hydraulischen Parameter nicht änderten.

Beim Vergleich ähnlicher Regime für kleine, mittlere und große Trichter waren die Unterschiede zwischen den Wasserdurchflussraten und -volumina der Systeme jedoch signifikant. Gleichzeitig änderten sich die Verhältnisse der KLa20-Werte jedoch nicht wesentlich. Die Maximalwerte von 83 h-1 für den kleinen Trichter, 60 h-1 für den mittleren Trichter und 79 h-1 für den großen Trichter wurden im verdrillten Bereich erreicht.

Zur gleichen Zeit, wenn der KLa20 mit zunehmendem Wasserdurchfluss abnahm, stieg der MRT an, was darauf hindeutet, dass das Wasser mehr Zeit brauchte, um den Trichter zu passieren, wie von Donepudi24 ausführlich beschrieben. Wie bei KLa20 war der Wert der MRT jedoch für die verdrehten und geraden Regime in verschiedenen Trichtern annähernd gleich. Die MRT variierte von 10 s bis 43 s für den kleinen Trichter, von 14 s bis 30 s für den mittleren Trichter und von 24 s bis 43 s für den großen Trichter (Tabelle 1).

Figure 1
Abbildung 1: Wasserwirbelregime in einem 26 cm hohen, glashyperbolischen Schauberger-Trichter. (A) verdrillt (75 l/h), (B) gerade (100 l/h), (C) eingeschränkt (70 l/h). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Wasserwirbelregime in einem 94 cm hohen, glashyperbolischen Schauberger-Trichter. (A) verdrillt (1.194 l/h), (B) gerade (1.314 l/h), (C) begrenzt (882 l/h). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Skizze des Aufbaus, der für die in den Protokollschritten 3.1-3.3 beschriebenen Experimente verwendet wurde. (1) Grundwasserpumpe; (2) Steuerventil; (3) Wasserdurchflussmesser; (4, 5) optische Polymerfasern für die DO-Detektion; (6, 7) pH-Sonden; (8) Temperatursensor; (9) Spritze mit Tracer; (10) Ventil; (11) Schauberger hyperbolischer Trichter; (12) faseroptischer Sauerstofftransmitter; (13) Laptop; (14) Datenlogger; (15) Klemme; (16) Wasserablauf. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Foto des großen Trichteraufbaus. (1) Grundwasserreservoir; (2) Wasserpumpe; (3) Wasserdurchflussmesser; (4) Spritze mit Tracer; (5, 6) Glasadapter mit dem Sauerstoffsondenspot; (7), (8) pH-Sonden; (9) Schauberger hyperbolischer Trichter; (10) Wasserablauf. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Trichter Regime φ (L/h) HRT(s) MRT(s) KLa20 (h-1) V (L) Wasserwaage (cm) Cin (mg/L) Caus (mg/L) SOTR (g O2/h) SAE (g O2/kWh)
Klein Verdreht 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
Gerade 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
Eingeschränkt 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
Mittel Verdreht 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
Gerade 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
Eingeschränkt 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
Groß Verdreht 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
Gerade 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
Eingeschränkt 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

Tabelle 1: Grundlegende hydraulische Eigenschaften und Parameter der Belüftungseffizienz für kleine (Abbildung 1), mittlere (Abbildung 2) und große Trichter. 

Discussion

Wenn die Grundwasserpumpe zu stark ist und das System den Druck nicht halten kann, kann vor dem Regelventil ein zusätzlicher Abfluss hinzugefügt werden, um ihn zu reduzieren. Es ist sehr wichtig, die Sensoren zu kalibrieren, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten, und für das Tracer-Experiment ist es sehr wichtig, schnelle Sonden zu gewährleisten. Wenn die Sonden langsam sind, verzerrt dies die HRT-Messungen. Wenn ferner die HRT viel kleiner ist als die MRT für das gerade Regime, kann dies darauf hindeuten, dass der tangentiale Eintritt in den Trichter signifikant unterhalb des Wasserspiegels liegt und dass ein Teil der Tracerflüssigkeit nach dem Eintritt in den Trichter in den Abfluss fließt, wodurch eine Abnahme der HRT verursacht wird.

Der Wasserwirbel in einem hyperbolischen Schauberger-Trichter reagiert sehr empfindlich auf die Wasserdurchflussrate. Je kleiner das System ist, desto mehr hängt es von Strömungsänderungen ab. Wenn das Regime stabil ist, sollte sich der Wasserstand im Trichter mit der Zeit nicht ändern. Ist dies nicht der Fall, steigt oder fällt sie. Daher lohnt es sich, auf den Wasserstand zu achten, um einen Wasserüberlauf, Risse durch erhöhten Druck im Inneren des Trichters oder einen ungewollten Regimewechsel zu vermeiden.

Um das Regime des Wirbels (Protokollschritte 3.1.3.1-3.1.3.3) und seine Stabilität zu bestimmen, ist es vorteilhaft, wenn der Trichter transparent ist. Aus diesem Grund wurde bei dieser Arbeit ein Glastrichter verwendet. Es ist unbedingt erforderlich, beim Transport, bei der Handhabung und bei der Installation sehr vorsichtig zu sein, und man sollte darauf achten, die Schrauben des Deckels nicht zu fest anzuziehen, um ihn nicht zu beschädigen (Protokollschritt 2.1.2).

Um die HRT zu bestimmen, sollten die Protokollschritte 3.2.2-3.2.3 so oft wie möglich (mindestens 10x) wiederholt werden, da sich der Tracerstrahl aufgrund der hohen Turbulenz des Systems und des Vorhandenseins von Sekundärströmungen (Taylor-ähnliche Wirbel) trennen und auf unterschiedliche Weise durch den Trichter bewegen kann. So wurde beispielsweise von Donepudi et al.24 und Mulligan et al.28 gezeigt, dass sich die Wasserschicht umso schneller in den Abfluss bewegt, je näher sie sich an der Glaswand befindet. Die Sonden sollten immer mit deionisiertem Wasser gewaschen und abgewischt werden, um eine Vermischung der Probe mit der Aufbewahrungslösung zu vermeiden, die die Daten verderben und die Qualität der Elektrodenlagerung verschlechtern kann.

Für das DO-Experiment ist es wichtig, einen stabilen Sauerstoffkonzentrationswert am Ausgang des Systems zu erreichen (Protokollschritt 3.3.2.2). Wenn das Regime nicht stabil ist, aber die Schwankungen im System nicht signifikant sind, sollte der erhaltene Wert gemittelt werden. Es ist auch notwendig, ein Loch im Deckel für die Belüftung zu haben, damit Luft zur weiteren Belüftung in das System strömen kann.

Trotz der hohen Werte von KLa 20 und der Energieeffizienz dieses Systems ist der SOTR-Wert im Vergleich zu anderen Verfahren26 aufgrund der geringen Wasserdurchflussraten der verfügbaren Trichter niedrig; Dies ist derzeit eine Einschränkung für den industriellen Einsatz des hyperbolischen Trichters zur Wasserbelüftung. Es hat sich jedoch gezeigt, dass ein hoher Wirkungsgrad des Systems für verschiedene Maßstäbe mit großen, mittleren und kleinen Trichtern erreicht werden kann. Daraus können wir schließen, dass es durch die Änderung der Geometrie (Abmessungen, Durchmesser des Ein- und Auslasses, Krümmung der Wände) möglich ist, die Geschwindigkeit und das Volumen der Wasseraufbereitung deutlich zu erhöhen, ohne die Belüftungseffizienz zu verringern. Darüber hinaus ist in Tabelle 1 zu sehen, dass eine Vergrößerung der Trichterlänge um 1,1 m zu einem mehr als 100-fachen Anstieg der SOTR führte. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass in einigen Wasseraufbereitungsanlagen der Wasserstandsunterschied mehrere Meter betragen kann, könnte eine (Teil-)Belüftung zu deutlich geringeren Kosten als bisher erreicht werden. Daher kann die Bestimmung, wie sich verschiedene geometrische Parameter des Trichters auf die Wasserdurchflussrate und KLa20 für Wirbelregime auswirken, eine kostengünstige und wettbewerbsfähige Technologie für die Belüftung von Grundwasser darstellen. Alternativ, wie Schauberger31 zeigt, kann die Belüftung genutzt werden, um die Qualität von Wasserreservoirs, Seen und Flüssen zu verbessern.

Disclosures

Die Autoren erklären, dass ihnen keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder persönlichen Beziehungen bekannt sind, die den Anschein erwecken könnten, dass sie die in diesem Artikel berichtete Arbeit beeinflusst haben.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde im Rahmen der Zusammenarbeit mit dem Wetsus European Center of Excellence for Sustainable Water Technology (www.wetsus.eu) im Rahmen des Themas Angewandte Wasserphysik durchgeführt. Wetsus wurde gemeinsam vom niederländischen Wirtschaftsministerium und dem Ministerium für Infrastruktur und Umwelt, der Provinz Friesland und den nördlichen niederländischen Provinzen gegründet. Diese Forschung wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Fördervereinbarung Nr. 665874 und des Gilbert-Armstrong-Labors gefördert. Wir danken Maarten V. van de Griend für seine Unterstützung dieser Arbeit.

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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Technik Heft 197
Präparation von freiflächigen hyperbolischen Wasserwirbeln
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Klymenko, R., Nanninga, H., de… More

Klymenko, R., Nanninga, H., de Kroon, E., Agostinho, L. L. F., Fuchs, E. C., Woisetschläger, J., Hoeben, W. F. L. M. Preparation of Free-Surface Hyperbolic Water Vortices. J. Vis. Exp. (197), e64516, doi:10.3791/64516 (2023).

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