Artículo de método

Preparación de vórtices de agua hiperbólicos de superficie libre

5.6K visualizaciones

⸱

DOI:

10.3791/64516

⸱

28 de julio de 2023

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

En este artículo

Resumen

Este artículo describe cómo se pueden crear tres regímenes diferentes de vórtices de agua en un embudo hiperbólico de Schauberger, sus características más importantes y cómo se pueden calcular los parámetros asociados, como las tasas de transferencia de oxígeno.

Resumen

Los vórtices de superficie libre están presentes en la industria en la regulación del flujo, la disipación de energía y la generación de energía. Aunque se ha investigado ampliamente, se carece de datos experimentales detallados sobre los vórtices de superficie libre, especialmente en lo que respecta a la turbulencia en la interfaz. El presente artículo informa sobre un tipo especial de vórtice de superficie libre propuesto por primera vez por Walter Schauberger en la década de 1960 que tiene un coeficiente de transferencia de masa volumétrica de oxígeno que excede el valor de sistemas similares. Este tipo especial de vórtice se forma en un embudo hiperbólico. Se pueden estabilizar diferentes regímenes estables con diferentes características hidráulicas. Otras ventajas de esta tecnología son su eficiencia energética, su diseño sencillo y su escalabilidad. El flujo en este embudo hiperbólico se caracteriza por una fuerte turbulencia y un aumento de la superficie de la interfaz aire-agua. La presión local varía fuertemente a lo largo de la superficie, lo que resulta en una capa límite aire-agua pronunciada y ondulada. Debido al flujo helicoidal, estas perturbaciones se mueven hacia adentro, arrastrando consigo la capa límite. El gradiente de presión resultante atrae un cierto volumen de aire hacia el vórtice de agua. En este trabajo se presenta la construcción de la configuración básica del embudo hiperbólico y ejemplos operativos, incluida la visualización de alta velocidad para tres regímenes estables diferentes.

Introducción

Nuestras vidas están estrechamente conectadas con estructuras espirales. Existen en casi todo y en todas partes, incluida la estructura de conchas y amonites y la formación de huracanes, tornados y remolinos 1,2. A escala cosmológica, las galaxias se forman y evolucionan de acuerdo con el principio de la espiral logarítmica3. Las espirales más conocidas son la dorada y la espiral de Fibonacci 4, que tienen muchas aplicaciones que van desde describir el crecimiento de las plantas y la estructura cristalográfica de ciertos sólidos hasta desarrollar algoritmos de búsqueda en basesde datos informáticas. La sucesión de Fibonacci se caracteriza por ser una serie numérica que comienza con 0 y 1 y tiene números posteriores correspondientes a la suma de los dos anteriores. Esta secuencia también se puede encontrar al contar la tasa de reproducción de los conejos. Las espirales se encuentran entre algunas de las formas geométricas más antiguas dibujadas por el Homo sapiens, como los círculos concéntricos encontrados en Colombia y Australia (40.000-20.000 a.C.). Leonardo da Vinci5 intentó crear una máquina voladora con forma de helicóptero utilizando una hoja en espiral (de la palabra griega ἕλιξ πτερόν, o hélice pteron, que significa ala en espiral). Siguiendo el mismo principio, un diseñador de aviones, Igor Sikorsky, construyó el primer helicóptero en producción en serie 450años después.

Muchos otros ejemplos apuntan al hecho de que las estructuras de flujo helicoidal pueden ser muy eficientes y ahorrar gastos, ya que este tipo de flujo se ve preferentemente en la naturaleza. A principios del siglo XX, el silvicultor y filósofo austriaco Viktor Schauberger se dio cuenta de esto. Dijo que los seres humanos deberían estudiar la naturaleza y aprender de ella en lugar de tratar de corregirla. Basándose en sus ideas, construyó canales de troncos bastante inusuales para hacer flotar la madera; Los canales no tomaban el camino más recto entre dos puntos, sino que seguían los meandros de valles y arroyos. Este diseño hacía que el agua fluyera retorciéndose en espiral a lo largo de su eje, formando así un vórtice, que con ello reducía la cantidad de agua utilizada y producía una velocidad de transporte que superaba significativamente lo que se consideraba normal7.

Siguiendo los pasos de su padre, el hijo de Viktor, Walter, desarrolló nuevas tecnologías utilizando el vórtice de agua 8 para diversos fines: el tratamiento de agua potable, el proceso industrial, la restauración de estanques y cursos de agua, la oxigenación de estanques y pequeños lagos, y la regulación y restauraciónde ríos. Una de estas ideas ha ganado recientemente un interés considerable, a saber, el tratamiento del agua mediante un embudo hiperbólico8, en el que se crea un vórtice solo por el flujo de agua sin ningún dispositivo de agitación. Se ha demostrado que es un método muy eficaz para oxidar el hierro en aguas subterráneas 9,10. Una limitación de esta tecnología es que es menos eficiente para el agua de pH bajo11.

Grandes cantidades de agua potable en los Países Bajos se obtienen de fuentes subterráneas 12, en las que la concentración de hierro puede alcanzar varias decenas de miligramos por litro13, mientras que 0,2 mg/L se considera aceptable según las normas14. La mayoría de las plantas de agua potable utilizan la aireación como uno de los primeros pasos para reducir la concentración de hierro en el proceso de purificación del agua. En la mayoría de los casos, el propósito de la aireación es aumentar el contenido de oxígeno disuelto, eliminar gases y otras sustancias relacionadas del agua,o ambas cosas. Existen varios métodos mediante los cuales la aireación puede introducir oxígeno en medios líquidos. Estos métodos incluyen la agitación de la superficie del líquido utilizando un mezclador o una turbina y la liberación de aire a través de orificios macroscópicos o materiales porosos16.

El proceso químico de oxidación del hierro fue demostrado por van de Griend17, en el que una molécula de oxígeno toma un electrón del hierro ferroso y reacciona con un protón libre para formar agua, mientras que el ion hierro se oxida (ecuación [1]):

figure-introduction-1, (1)

El ion hierro se precipita entonces como Fe(OH)3 debido a su reacción con el agua, que libera protones (ecuación [2]):

figure-introduction-2(2)

La reacción total viene dada por la ecuación (3):

figure-introduction-3.     (3)

En aireación, las técnicas más aplicadas son los sistemas de aireación en cascada, torre, aspersión y placa18,19. La desventaja de estas tecnologías es que consumen entre el 50% y el 90% de toda la energía 20 y hasta el40% del presupuesto para la operación y mantenimiento de las instalaciones de tratamiento21.

El uso de un embudo hiperbólico para la aireación puede disminuir significativamente los costos y aumentar la eficiencia de este proceso. Los embudos hiperbólicos son menos sensibles a la obstrucción debido a su geometría y al hecho de que no hay partes móviles, lo que significa que la energía se gasta solo en bombear agua. Un sistema de este tipo puede caracterizarse por varios parámetros, como el caudal de agua del embudo por hora (φ), el tiempo medio de residencia (TMT), el tiempo de retención hidráulica (HRT), el coeficiente de transferencia de masa volumétrica de oxígeno (KLa 20) (corregido a una temperatura estandarizada de20 °C), la tasa de transferencia de oxígeno estándar (SORT) y la eficiencia de aireación estándar (SAE). El caudal del embudo es necesario para calcular el volumen de agua que se puede procesar en un tiempo determinado. La TMT se calcula a partir de la relación entre el caudal de agua y su volumen en el embudo para un determinado régimen utilizando la ecuación (4):

figure-introduction-4(4)

donde V representa el volumen de líquido en el reactor.

La TRH puede determinarse experimentalmente utilizando tecnologías trazadoras22a través de su función de distribución del tiempo de residencia. La TRH proporciona una visión fundamental de los procesos de mezcla, los retenciones y los fenómenos de segregación23. Donepudi24 demostró que cuanto más lejos está el chorro de agua de la entrada, más rápido se mueve hacia la salida. En el momento inicial, el agua se bombea tangencialmente a la parte cilíndrica superior del embudo. Luego, bajo la influencia de la gravedad, junto con la geometría del sistema, la velocidad tangencial disminuye y la velocidad axial aumenta. El coeficiente de transferencia de masa volumétrica de oxígeno, KLa20 (unidad de tiempo recíproco), indica la capacidad de un sistema para facilitar la transferencia de oxígeno a la fase líquida10. Se puede calcular25,26 según la ecuación (5): 

figure-introduction-5(5)

donde C out es la concentración de oxígeno disuelto (OD) en el líquido a granel, C ines la concentración de OD en el alimento, Cses la concentración de OD en saturación y T es la temperatura del agua.

El valor SORT es la tasa estándar de oxígeno transferido a la fase líquida por el sistema y se determina mediante la ecuación (6)27:

figure-introduction-6(6)

donde figure-introduction-7 es el OD en saturación para una temperatura de 20 °C. El valor de SOTR puede definirse para un determinado proceso, en cuyo caso el volumen utilizado en la ecuación (6) se normaliza suponiendo 1 h de tiempo de tratamiento (SOTR específico del proceso), de modo que los métodos de aireación a escala piloto puedan compararse con los sistemas a escala real. Para la capacidad de un determinado régimen en el embudo, se debe calcular el SOTR específico del sistema, que utiliza el volumen de agua dentro del embudo durante un tiempo de retención hidráulica (específico del régimen). Este valor es importante a la hora de calcular las capacidades de aireación reales de un régimen en un embudo determinado.

El SAE es la relación entre el SOTR y la potencia gastada para la aireación. Dado que la energía se gasta solo en bombear agua a la parte superior del embudo y darle el flujo necesario para formar un vórtice, se calcula como la suma de la energía potencial del volumen de agua bombeada por hora a una altura correspondiente a la longitud del embudo y la energía cinética que necesita el agua para crear un vórtice27 usando la ecuación (7):

figure-introduction-8(7)

donde P p es la potencia potencial (en kW) requerida para elevar el agua bombeada hasta la altura del embudo, y Pkes la potencia cinética (en kW) requerida para que el agua bombeada en la parte superior del embudo gane suficiente flujo para crear un vórtice. Normalmente, para la ecuación (7), debe utilizarse el SOTR específico del sistema. Si, en cambio, se aplica el SOTR específico del proceso, se obtiene el consumo de energía de un sistema (teórico) con 1 h de tiempo de retención hidráulica.

Estos parámetros son suficientes para evaluar la eficacia y viabilidad del uso de esta tecnología, pero no para describir el proceso en sí. Cabe mencionar que los vórtices se encuentran entre los fenómenos menos comprendidos en dinámica de fluidos. Por lo tanto, se invierten muchos esfuerzos de investigación en esta dirección. Uno de los principales desafíos para encontrar las leyes y reglas generales de los vórtices en dinámica de fluidos es que siempre hay variaciones en las condiciones de contorno geométrico, que influyen en el desarrollo de los vórtices e influyen significativamente en su formación y dinámica. Por lo tanto, es razonable suponer que un vórtice de superficie libre (FSV) no puede considerarse de forma análoga a uno confinado de tipo laboratorio. Sin embargo, Mulligan et al.28 demostraron para el flujo de Taylor-Couette (TCF) que si el núcleo de aire del FSV se considera como un cilindro interno virtual que gira a la misma velocidad que el núcleo de aire, ambos pueden ser tratados de manera similar. Al hacerlo, las ecuaciones que representan el campo de flujo de vórtice de superficie libre se pueden sustituir con las condiciones de velocidad angular del cilindro virtual, lo que da como resultado ecuaciones para el sistema TCF. También se demostró que si se aumenta la velocidad de rotación de un cilindro imaginario, en algún momento, los vórtices tipo Taylor28 aparecen como un campo de flujo secundario y luego desaparecen al acercarse a las paredes.

Después de que Niemeijr 29 demostrara que es posible obtener tres tipos diferentes de vórtices de agua en un embudo de Schauberger (retorcidos, rectos y restringidos) (Figura 1 y Figura 2), que se caracterizan por otros parámetros hidráulicos, Donepudi 24 utilizó el mismo enfoque que Mulligan et al.28 para simular regímenes de vórtices utilizando dinámica de fluidos computacional (CFD) y, por lo tanto, analizar la organización de su campo de flujo para comprender el subyacente mecanismos físicos. El sistema es muy turbulento, y el campo de flujo secundario es muy inestable y se caracteriza por la aparición de un gran número de vórtices tipo Taylor. El transporte de gas desde la fase gaseosa a la fase líquida se rige por la difusión, la advección y la reacción. Por lo tanto, para aumentar la eficiencia de este proceso, es necesario aumentar el gradiente de concentración de gas o el movimiento volumétrico del líquido. Este último depende directamente de la turbulencia del sistema en forma de vórtices tipo Taylor, que facilitan el transporte de elementos fluidos saturados desde la interfaz hasta el líquido a granel. En otro trabajo sobre este tema9, se compararon los principales parámetros para diferentes regímenes de vórtices, como el caudal de agua, KLa20 y SOTR. Este estudio mostró una gran promesa para esta tecnología, ya que el sistema permite una transferencia de gas muy rápida en comparación con otros métodos que se utilizan para la aireación del agua.

El propósito de este artículo es proporcionar y demostrar este método para crear diferentes regímenes de vórtices de agua en embudos hiperbólicos Schauberger (pequeño: 26 cm de alto y 15 cm de diámetro superior; mediano: 94 cm de alto y 30 cm de diámetro superior; grande: 153 cm de alto y 59 cm de diámetro superior) con el objetivo de una aireación eficiente del agua.

Protocolo

1. Recomendaciones generales

  1. Verifique que todas las conexiones de las tuberías no tengan fugas antes de comenzar la configuración.
  2. Verifique que la tapa del embudo esté en su lugar y segura.
  3. Limpie el embudo antes y después de cada experimento con un cepillo y un limpiacristales, ya que puede volverse amarillo debido a la alta concentración de hierro en el agua subterránea.

2. Configuración experimental

  1. Sistema de vórtice de agua (Figura 3)
    1. Fije firmemente el embudo de vidrio (Figura 4) en posición vertical en un marco especial: una tabla con cuatro patas y una ranura en el medio, que corresponde al diámetro de la parte cilíndrica del embudo y es lo suficientemente grande como para que quepa el embudo, pero no demasiado grande para que se caiga. Sujete firmemente el marco para que no tiemble.
    2. Coloque una junta de goma entre la tapa y el embudo para evitar fugas. Coloque la tapa del embudo y apriétela con los pernos.
    3. Conecte la bomba de agua subterránea a la entrada tangencial en la parte cilíndrica superior del embudo usando mangueras y conectores de manguera.
    4. Conecte una válvula de control especial para ajustar el caudal de agua entre la bomba y el embudo. Conecte un medidor de flujo de agua entre la válvula de control y el embudo.
    5. Conecte la salida del embudo al desagüe con una manguera. En la manguera de drenaje, cerca de la salida del embudo, instale una abrazadera para crear contrapresión durante el funcionamiento de la unidad.
      NOTA: La abrazadera debe instalarse inmediatamente después de todos los demás adaptadores y conectores necesarios para los experimentos.
  2. Sistema para experimentos de trazadores (Figura 3)
    1. Instale adaptadores especiales para instalar sondas cerca de la entrada y la salida. Instale sondas de pH en estos adaptadores y conéctelos al registrador de datos.
    2. Instale los sensores lo más cerca posible del embudo para reducir los errores en los cálculos de HRT.
    3. Preparar 1 mL de solución de NaOH (concentración: 0,2 M) para ser utilizado como trazador químico que se inyecta en el flujo de agua del chorro.
      NOTA: Como la solución acuosa de hidróxido de sodio es una base fuerte, se muestra como un aumento en forma de pico en el pH30.
    4. Instale un adaptador con tres aberturas para conectar el sistema de inyección de trazadores, que consta de una válvula y una jeringa antes de la sonda de pH cerca de la entrada.
  3. Sistema para experimentos de OD (Figura 3)
    1. Pegue dos puntos de sensor de oxígeno a la pared interior de los dos adaptadores de vidrio diferentes, colocándolos lo más cerca posible de la entrada y salida del embudo y conectándolos a la tubería de agua.
      NOTA: Durante el funcionamiento, el agua debe cubrir completamente las pegatinas.
    2. Instale el adaptador de vidrio con el punto del sensor de oxígeno cerca de la entrada y salida del embudo, y fije la punta de la fibra óptica de polímero (que mide 2 m de largo) sobre la pegatina en el otro lado del vidrio.
    3. Instale el sensor de temperatura del agua cerca de la entrada del embudo en el mismo adaptador que para la sonda de pH. Asegúrese de que esté cerca de la fibra, ya que la temperatura del agua se utiliza para correlacionar las mediciones de OD.
    4. Conecte la fibra óptica de polímero y el sensor de temperatura al transmisor de oxígeno de fibra óptica.
    5. Conecte el transmisor de oxígeno de fibra óptica a una computadora portátil con un software especial instalado para mostrar la señal del sensor, que está relacionada con la concentración de oxígeno disuelto y la temperatura del agua.

3. Operación (embudo medio)

  1. Regímenes de vórtice
    1. Encienda el medidor de flujo. Encienda la bomba de agua subterránea y abra completamente la válvula de control. Asegúrese de que el caudal de agua sea significativamente superior al caudal máximo necesario para formar un vórtice de agua (1338 L/h para el embudo medio).
    2. Ajuste el valor deseado del flujo de agua girando la válvula de control. Si es necesario, apriete la abrazadera cerca de la salida del embudo para permitir que el agua se bloquee en el embudo, lo que hace que el nivel del agua aumente en la parte cilíndrica superior del embudo.
    3. Para establecer diferentes regímenes, ajuste los valores del flujo de agua y el nivel de agua en la parte cilíndrica superior del embudo (Tabla 1), secuencialmente en un experimento. Verifique la estabilidad del vórtice de agua durante 15 minutos. En modo estable, el nivel del agua no debe cambiar.
      1. Para el régimen retorcido, ajuste el caudal a 1194 L/h y el nivel del agua a 2 cm y el caudal a 1218 L/h y el nivel del agua a 5 cm.
      2. Para el régimen recto, ajuste el caudal a 1314 L/h y el nivel del agua a 11 cm y el caudal a 1338 L/h y el nivel del agua a 11,7 cm.
      3. Para el régimen restringido, a diferencia de los regímenes retorcidos y rectos, cree contrapresión apretando la abrazadera cerca de la salida del embudo. Ajuste el caudal a 882 L/h y el nivel del agua a 3 cm y el caudal a 936 L/h y el nivel del agua a 9 cm.
  2. Experimento trazador
    1. Utilizando un registrador de datos, calibre las sondas de pH para garantizar la validez y precisión de los datos obtenidos.
      1. Prepare dos soluciones estándar, una con un pH más alto que el pH del rango de operación (6-10) y otra con un pH que sea más bajo que el pH del rango de operación. Establezca sus valores en el registrador de datos y mídalos uno por uno durante la calibración. Después de eso, el registrador de datos calibra las sondas de pH.
      2. Instale sondas de pH en la entrada y salida del embudo, conéctelas al registrador de datos e inicie el modo de grabación.
    2. Inicie la configuración.
      1. Inicie la configuración y asegúrese de que el vórtice de agua sea estable.
      2. Llene la jeringa con la mezcla de trazador preparada de NaOH y conéctela a la línea de inyección del marcador. Desenrosque rápidamente la válvula en el sistema de inyección, inyecte el líquido trazador y luego enrosque rápidamente la válvula.
    3. Realice el guardado y el análisis.
      1. Cuando el pH se estabilice, guarde los picos de pH registrados durante el paso del líquido trazador a través de un embudo de vidrio.
      2. Analice los picos de entrada y salida como se describe en un trabajo anterior22 para el cálculo de la TRH. Para hacer esto, tome el punto al comienzo del primer pico para la cuenta regresiva, y tome el punto en el segundo pico, que lo divide en dos figuras de igual área, para el final de la cuenta regresiva.
  3. Experimento DO
    1. Calibre el sensor de oxígeno disuelto utilizando un software con una computadora portátil y el transmisor de oxígeno de fibra óptica. Utilice dos líquidos: uno sin oxígeno (mezclar 0,1 L de agua y 1 g de sulfito de sodio) y el otro saturado de oxígeno (para ello, airearlo con aire durante 15 min). A continuación, seleccione la función de calibración en el software y mida ambos líquidos a su vez.
    2. Realice la instalación y la grabación.
      1. Instale el sensor de oxígeno disuelto en la entrada y salida del embudo. Además, instale el sensor de temperatura cerca de la entrada del embudo. Conéctelos al transmisor de oxígeno de fibra óptica e inicie el modo de grabación.
      2. Inicie la configuración y asegúrese de que el vórtice de agua sea estable. Alcanza el modo en el que el valor de la concentración de OD es estable y registra los datos.
        NOTA: Si las lecturas no son estables, los datos no son válidos y se debe repetir el experimento.

Resultados

El vórtice de agua en el embudo hiperbólico de Schauberger se forma en diferentes regímenes (retorcido, recto y restringido) (Figura 1). Como resultado, el agua se enriquece con oxígeno atmosférico y se fomenta la oxidación de especies químicas en el agua. El sistema no requiere energía, excepto para bombear agua a la parte superior del embudo hiperbólico.

El régimen retorcido tiene una forma de doble hélice y la interfaz más grande entre el agua y el aire. Para su creación, es necesario aplicar un caudal de agua medio (75-78 L/h para el embudo pequeño, 1.194-1.218 L/h para el embudo mediano y 4.834-5.032 L/h para el embudo grande). Su altura en la parte cilíndrica superior del embudo no debe ser superior a 2 cm para el embudo pequeño, 7 cm para el embudo mediano y 16 cm para el embudo grande.

El régimen recto tiene una forma recta suave y una interfaz más pequeña entre el agua y el aire. Este régimen requiere un caudal máximo de agua (93-100 L/h para el embudo pequeño, 1.314-1.338 L/h para el embudo mediano y 5.102-5.289 L/h para el embudo grande). Su altura puede llegar hasta la tapa de todos los embudos.

Dependiendo del nivel del agua, el régimen restringido puede tomar la forma de vórtices retorcidos y rectos. Sin embargo, la peculiaridad de este régimen es que su longitud cambia en función de la aplicación de contrapresión, a diferencia de los modos anteriores, para los que no se aplica presión. También se forma en la parte superior del embudo; Sin embargo, con el aumento de la contrapresión, su cola comienza a acortarse y el vórtice desaparece gradualmente de la parte inferior. Su caudal de agua es extremadamente pequeño (58-70 L/h para el embudo pequeño, 882-936 L/h para el embudo mediano y 2.351-2.634 L/h para el embudo grande), y su altura puede ser tanto mínima como máxima dependiendo de la geometría del embudo.

Los diferentes regímenes pueden estabilizarse y transformarse entre sí en función del caudal de agua, la contrapresión y la geometría del sistema. Parámetros como el caudal de agua, el coeficiente de transferencia de masa volumétrica de oxígeno y la tasa de transferencia de oxígeno estándar caracterizan la eficiencia de aireación. Se puede observar que para el vórtice retorcido con un bajo caudal de agua, elK L a 20 fue el más alto (Figura 4), varias veces mayor que el KLa20 para regímenes rectos y restringidos y decenas de veces mayor que el mismo indicador para los sistemas convencionales, que también se utilizan para la aireación de lagos y ríos (Air Jet, Impulsor, Palma) y son mucho más intensivos en energía. Con nuevos aumentos en el flujo de agua, el KLa20 disminuyó gradualmente, pero el nivel del agua, es decir, el volumen de agua en el sistema, aumentó. Después de un cierto valor umbral, el régimen retorcido cambió al régimen directo. Para cada régimen, hubo condiciones estacionarias en las que su volumen y parámetros hidráulicos no cambian.

Sin embargo, al comparar regímenes similares para embudos pequeños, medianos y grandes, las diferencias entre los caudales y volúmenes de agua de los sistemas fueron significativas. Sin embargo, al mismo tiempo, las proporciones de los valores de KLa20 no cambiaron mucho. Los valores máximos de 83 h-1 para el embudo pequeño, 60 h-1 para el embudo mediano y 79 h-1 para el embudo grande se alcanzaron en el régimen retorcido.

Al mismo tiempo, cuando el KLa20 disminuyó con el aumento del flujo de agua, el MRT aumentó, lo que indica que el agua tardó más tiempo en pasar por el embudo, como lo describe en detalle Donepudi24. Sin embargo, en cuanto a KLa20, el valor de MRT fue aproximadamente el mismo para los regímenes retorcido y recto en diferentes embudos. La TRM varió de 10 s a 43 s para el embudo pequeño, de 14 s a 30 s para el embudo mediano y de 24 s a 43 s para el grande (Tabla 1).

figure-results-1
Figura 1: Regímenes de vórtices de agua en un embudo hiperbólico Schauberger de vidrio de 26 cm de altura. (A) Retorcida (75 L/h), (B) recta (100 L/h), (C) restringida (70 L/h). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-2
Figura 2: Regímenes de vórtices de agua en un embudo hiperbólico Schauberger de vidrio de 94 cm de altura. (A) Retorcida (1.194 L/h), (B) recta (1.314 L/h), (C) restringida (882 L/h). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-3
Figura 3: Esquema de la configuración utilizada para los experimentos descritos en los pasos del protocolo 3.1-3.3. (1) Bomba de agua subterránea; (2) válvula de control; (3) medidor de flujo de agua; (4, 5) fibras ópticas poliméricas para la detección de OD; (6, 7) sondas de pH; (8) sensor de temperatura; (9) jeringa con trazador; (10) válvula; (11) embudo hiperbólico de Schauberger; (12) transmisor de oxígeno de fibra óptica; (13) ordenador portátil; (14) registrador de datos; (15) abrazadera; (16) Desagüe de agua. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-4
Figura 4: Foto de la configuración del embudo grande. (1) Reservorio de agua subterránea; (2) bomba de agua; (3) medidor de flujo de agua; (4) jeringa con trazador; (5, 6) adaptadores de vidrio con el punto del sensor de oxígeno; (7), (8) sondas de pH; (9) embudo hiperbólico Schauberger; (10) Desagüe de agua. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

EmbudoRégimenφ (L/h)TRH (s)MRT (s)KLa20 (h-1)V (L)Nivel (cm)Cen (mg/L)Salida C (mg/L)SOTR (g O2/h)SAE (g O2/kWh)
PequeñoTorcido751015830.20.50.01.80.22801
782024410.420.01.90.22932
Recto933124250.840.01.80.22688
1004332181.260.01.70.22635
Restringido581823140.310.00.60.0872
70533121.050.00.30.0459
MedioTorcido11941413604.520.01.82.4784
12181919376.350.01.62.1667
Recto131429291810.7110.01.21.8509
133830311811.011.70.01.21.8500
Restringido8822124175.130.00.90.8348
936373659.790.00.50.4180
GrandeTorcido483424237932110.74.122.91113
503234265248160.64.022.61054
Recto51023829315419.50.73.015.0690
52894330196422.50.62.310.8479
Restringido23515843163870.62.65.5557
26349550770190.62.04.2380

Tabla 1: Características hidráulicas básicas y parámetros de eficiencia de aireación para embudos pequeños (Figura 1), medianos (Figura 2) y grandes. 

Discusión

Si la bomba de agua subterránea es demasiado potente y el sistema no puede mantener la presión, se puede agregar un drenaje adicional antes de la válvula de control para reducirla. Es muy importante calibrar los sensores para obtener resultados fiables y para que el experimento trazador garantice sondas rápidas. Si las sondas son lentas, esto distorsionará las mediciones de HRT. Además, si la TRH es mucho más pequeña que la TRM para el régimen recto, esto puede indicar que la entrada tangencial al embudo está significativamente por debajo del nivel del agua y que parte del líquido trazador está bajando al drenaje después de entrar en el embudo, lo que provoca una disminución de la TRH.

El vórtice de agua en un embudo hiperbólico de Schauberger es muy sensible al caudal de agua. Cuanto más pequeño es el sistema, más depende de los cambios de flujo. Si el régimen es estable, entonces el nivel de agua en el embudo no debería cambiar con el tiempo. Si este no es el caso, subirá o bajará. Por lo tanto, vale la pena prestar atención al nivel del agua para evitar el desbordamiento de agua, grietas debido al aumento de la presión dentro del embudo o un cambio de régimen no deseado.

Para determinar el régimen del vórtice (pasos del protocolo 3.1.3.1-3.1.3.3) y su estabilidad, es ventajoso que el embudo sea transparente. Por esta razón, en este trabajo se utilizó un embudo de vidrio. Es imperativo tener mucho cuidado al transportarlo, manipularlo e instalarlo, y se debe prestar atención a no apretar demasiado los tornillos de la tapa para no dañarla (paso del protocolo 2.1.2).

Para determinar la TRH, los pasos del protocolo 3.2.2-3.2.3 deben repetirse tantas veces como sea posible (al menos 10 veces) porque, debido a la alta turbulencia del sistema y a la presencia de flujos secundarios (vórtices tipo Taylor), el chorro trazador puede separarse y viajar en diferentes direcciones a través del embudo. Por ejemplo, Donepudi et al.24 y Mulligan et al.28 demostraron que cuanto más cerca esté la capa de agua de la pared de vidrio, más rápido se moverá hacia el desagüe. Las sondas siempre deben lavarse con agua desionizada y limpiarse para evitar mezclar la muestra y la solución de almacenamiento, lo que puede estropear los datos y deteriorar la calidad del almacenamiento de electrodos.

Para el experimento de OD, es importante lograr un valor estable de concentración de oxígeno a la salida del sistema (paso 3.3.2.2 del protocolo). Si el régimen no es estable pero las fluctuaciones en el sistema no son significativas, entonces se debe promediar el valor obtenido. También es necesario tener un orificio en la tapa para la ventilación para permitir el flujo de aire hacia el sistema para una mayor aireación.

A pesar de los altos valores de KLa 20 y la eficiencia energética de este sistema, el valor de SOTR es bajo en comparación con otros métodos26 debido a los bajos caudales de agua de los embudos disponibles; Esto es actualmente una limitación para el uso industrial del embudo hiperbólico para la aireación del agua. Sin embargo, se ha demostrado que se puede lograr una alta eficiencia del sistema para diferentes escalas con embudos grandes, medianos y pequeños. A partir de esto, podemos concluir que al cambiar la geometría (dimensiones, diámetros de la entrada y salida, curvatura de las paredes), es posible aumentar significativamente la velocidad y el volumen del tratamiento del agua sin reducir la eficiencia de aireación. Además, en la Tabla 1, se puede ver que un aumento en la longitud del embudo de 1,1 m condujo a un aumento de más de 100 veces en el SOTR. Teniendo en cuenta que en algunas plantas de tratamiento de agua, la diferencia de nivel de agua puede alcanzar varios metros, se podría lograr una aireación (parcial) a costos mucho más bajos que en la actualidad. Por lo tanto, determinar cómo los diferentes parámetros geométricos del embudo afectan el caudal de agua y KLa20 para regímenes de vórtice puede proporcionar una tecnología barata y competitiva para la aireación de aguas subterráneas. Alternativamente, como se muestra en Schauberger31, la aireación se puede utilizar para mejorar la calidad del agua, los embalses, los lagos y los ríos.

Divulgaciones

Los autores declaran que no tienen intereses financieros o relaciones personales que puedan haber influido en el trabajo reportado en este artículo.

Agradecimientos

Este trabajo se realizó en el marco de cooperación del Centro Europeo de Excelencia para la Tecnología del Agua Sostenible (www.wetsus.eu) de Wetsus dentro del tema de Física Aplicada del Agua. Wetsus es cofundada por el Ministerio de Asuntos Económicos y el Ministerio de Infraestructura y Medio Ambiente de los Países Bajos, la Provincia de Frisia y las Provincias del Norte de los Países Bajos. Esta investigación ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en el marco del acuerdo de subvención Marie Sklodowska-Curie nº 665874 y del laboratorio Gilbert-Armstrong. Agradecemos mucho el apoyo de Maarten V. van de Griend a este trabajo.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Transmisor de 1/2 canalesEndress+HauserCM442Registrador de datos
Válvula de control+GF+625DN20Typ514
Registrador de datosEndress+HauserCM442
fibra ópticaLiquiline PreSensSACN0002000005Fibox 3
Conector de codo de vidrioAdaptadorhecho a medida para el tubería
Bomba de agua subterráneaSAER 3637899H/150
PortátilcualquieraWindows 10 o superior
Embudo de vidrio grandeHecho amedida-94cm de altura
Calculadora de oxígenoPreSensv. 3.1.1Software
Sensor de oxígeno Spots PreSensNAU-D5-YOPSP-PSt3
Conectorde pHAdaptador hecho a medidapara la sondade
Sensor de pHEndress+HauserCPS11Orbisint CPS11
Fibra óptica de polímeroPreSensPOF-L2.5-2SMAOXY-1 SMA
Junta de gomaERIKS11535207141x197x2mm
Junta de gomaERIKS12252766273x340x3mm
Embudo de vidrio pequeñoHecho a medida- 26 cm de altura
Caudalímetro de aguaEndress+HauserP7066819000Picomag
Caudalímetro de aguaKobolt5NA15AC34PConector de
temperatura de aguaPreSens-Pt100
Transmisor de oxígeno de pH MIK

Referencias

  1. Tsuji, K., Muller, S. C. Spirals and Vortices in Culture, Nature, and Science. , Springer Nature. Switzerland. (2019).
  2. 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).
  3. Vallee, J. P. Metastudy of the spiral structure of our home galaxy. The Astrophysical Journal. 566 (261), 261-265 (2002).
  4. Dunlap, R. A. The Golden Ratio and Fibonacci Numbers. , World Scientific. Singapore. (1997).
  5. Da Vinci, L., Manuscript B, L. P. aris Paris Manuscript B. Folio 83v. Collection of Institute de France. , (2023).
  6. Johnson, W. Helicopter Theory. , Dover Publications. New York, NY. (1980).
  7. 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).
  8. Sarafzadeh, M. Design and analysis of sustainable ways for water purification. Polytechnic University of Turin, Italy. , MSc thesis (2022).
  9. Agostinho, L. L. F. Enhanced oxygen volumetric mass transfer in a geometrically constrained vortex. Water. 14 (5), 771(2022).
  10. 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).
  11. Sharma, K. S. Adsorptive iron removal from groundwater. Wageningen University. , The Netherlands. PhD thesis (2001).
  12. Compendium voor de Leefomgeving. Waterwinning en watergebruik in Nederland 1976-2018. , Available from: https://clo.nl/indicatoren/nl0057-waterwinning-en-verbruik-nederland (2022).
  13. 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).
  14. Besluit kwaliteit drinkwater BES. Wettenbank. , Available from: https://wetten.overheid.nl/BWBR0028642/2010-10-10 (2010).
  15. 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).
  16. 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).
  17. van de Griend, M. V., et al. Vortex impeller-based aeration of groundwater. Water. 14 (5), 795(2022).
  18. Aeration and gas stripping. TU Delft OpenCourseWare. , Available from: https://ocw.tudelft.nl/wp-content/uploads/Aeration-and-gas-stripping-1.pdf (2015).
  19. Popel, H. J. Aeration and Gas Transfer. Delft University of Technology. , the Netherlands. (1976).
  20. 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).
  21. Hydro International's Wastewater Division. Wastewater treatment: Bubbling up for major energy saving. Filtration + Separation. 48 (2), 42-43 (2011).
  22. Levenspiel, O. Tracer Technology, Modeling the Flow of Fluids. , Springer. New York, NY. (2012).
  23. Danckwerts, P. V. Continuous flow systems - Distribution of residence times. Chemical Engineering Science. 2, 1-13 (1953).
  24. Donepudi, T. Vortices in hyperbolic funnels as aeration systems. Delft University of Technology. , the Netherlands. MSc thesis (2021).
  25. Benjamin, M. M., Lawler, D. F. Water Quality Engineering - Physical/Chemical Treatment Processes. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ. (2013).
  26. 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).
  27. American Society of Civil Engineers. Measurement of Oxygen Transfer in Clean Water. American Society of Civil Engineers. , Reston, Virginia. (1992).
  28. 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).
  29. Niemeijer, C. Simulation of a hyperbolic water vortex. Grenoble Institute of Technology. , France. MSc thesis (2019).
  30. Fabienne, A. Design and characterization of a rotating bed system bioreactor for tissue engineering applications. Biotechnology Progress. 24, 140-147 (2008).
  31. 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).

Reimpresiones y permisos

Etiquetas

Vórtices de superficie librevórtice de agua hiperbólicoaireación del aguatransferencia de oxígenocaracterísticas hidráulicasregulación del flujo de aguacapa límiteexperimento con trazadorestratamiento de aguas residualesdescarga de plasma
Preparación de vórtices de agua hiperbólicos de superficie libre
Contáctenos
Recomendar a la biblioteca

Privacidad

Términos de uso

Políticas

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Todos los derechos reservados.