Article de méthode

Préparation de tourbillons d’eau hyperboliques à surface libre

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DOI :

10.3791/64516

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28 juillet 2023

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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

Dans cet article

Résumé

Cet article décrit comment trois régimes de vortex d’eau différents dans un entonnoir de Schauberger hyperbolique peuvent être créés, leurs caractéristiques les plus importantes et comment les paramètres associés tels que les taux de transfert d’oxygène peuvent être calculés.

Résumé

Les tourbillons à surface libre sont présents dans l’industrie dans la régulation du débit, la dissipation d’énergie et la production d’énergie. Bien qu’il y ait eu des études approfondies, il n’existe pas de données expérimentales détaillées sur les tourbillons à surface libre, en particulier en ce qui concerne la turbulence à l’interface. Le présent article rend compte d’un type spécial de vortex à surface libre proposé pour la première fois par Walter Schauberger dans les années 1960 qui a un coefficient de transfert de masse volumétrique d’oxygène dépassant la valeur de systèmes similaires. Ce type particulier de vortex se forme dans un entonnoir hyperbolique. Différents régimes stables peuvent être stabilisés avec différentes caractéristiques hydrauliques. Les autres avantages de cette technologie sont son efficacité énergétique, sa conception simple et son évolutivité. L’écoulement dans cet entonnoir hyperbolique est caractérisé par une forte turbulence et une augmentation de la surface de l’interface air-eau. La pression locale varie fortement le long de la surface, ce qui donne une couche limite air-eau ondulée prononcée. En raison de l’écoulement hélicoïdal, ces perturbations se déplacent vers l’intérieur, entraînant la couche limite avec elles. Le gradient de pression qui en résulte attire un certain volume d’air dans le vortex d’eau. La construction de la configuration de base de l’entonnoir hyperbolique et des exemples opérationnels, y compris la visualisation à grande vitesse pour trois régimes stables différents, sont présentés dans ce travail.

Introduction

Nos vies sont étroitement liées à des structures en spirale. Ils existent dans presque tout et partout, y compris la structure des coquilles et des ammonites et la formation d’ouragans, de tornades et de tourbillons 1,2. À l’échelle cosmologique, les galaxies se forment et évoluent selon le principe de la spirale logarithmique3. Les spirales les plus connues sont les spirales d’or et de Fibonacci4, qui ont de nombreuses applications allant de la description de la croissance des plantes et de la structure cristallographique de certains solides au développement d’algorithmes de recherche dans des bases de données informatiques. La suite de Fibonacci est caractérisée comme une série numérique qui commence par 0 et 1 et dont les nombres suivants correspondent à la somme des deux précédents. Cette séquence peut également être trouvée lors du comptage du taux de reproduction des lapins. Les spirales font partie des formes géométriques les plus anciennes dessinées par l’Homo sapiens, comme les cercles concentriques trouvés en Colombie et en Australie (40 000-20 000 av. J.-C.). Léonard de Vinci5 a essayé de créer une machine volante en forme d’hélicoptère à l’aide d’une pale en spirale (du mot grec ἕλιξ πτερόν, ou hélice pteron, signifiant aile en spirale). Suivant le même principe, un concepteur d’avions, Igor Sikorsky, construisit le premier hélicoptère en série 450 ans plus tard6.

De nombreux autres exemples indiquent que les structures d’écoulement hélicoïdal pourraient être très efficaces et économiques, car ce type d’écoulement est préférentiellement observé dans la nature. Au début du 20e siècle, le forestier et philosophe autrichien Viktor Schauberger s’en est rendu compte. Il a dit que les humains devraient étudier la nature et apprendre d’elle plutôt que d’essayer de la corriger. Sur la base de ses idées, il construisit des canaux en rondins plutôt inhabituels pour faire flotter le bois ; Les canaux ne suivaient pas le chemin le plus droit entre deux points, mais suivaient les méandres des vallées et des ruisseaux. Cette conception faisait couler l’eau en se tordant en spirale le long de son axe, formant ainsi un vortex, ce qui réduisait la quantité d’eau utilisée et produisait un taux de transport qui dépassait considérablement ce qui était considéré comme normal7.

Suivant les traces de son père, le fils de Viktor, Walter, a développé de nouvelles technologies utilisant le vortex d’eau8 à des fins diverses : le traitement de l’eau potable, les procédés industriels, la restauration des étangs et des cours d’eau, l’oxygénation des étangs et des petits lacs, ainsi que la régulation et la restauration des rivières. L’une de ces idées a récemment suscité un intérêt considérable, à savoir le traitement de l’eau à l’aide d’un entonnoir hyperbolique8, dans lequel un vortex est créé uniquement par l’écoulement de l’eau sans aucun dispositif d’agitation. Il s’est avéré être une méthode très efficace pour oxyder le fer dans les eaux souterraines 9,10. L’une des limites de cette technologie est qu’elle est moins efficace pour l’eau à faible pH11.

Aux Pays-Bas, de grandes quantités d’eau potable sont obtenues à partir de sources souterraines12, dans lesquelles la concentration de fer peut atteindre plusieurs dizaines de milligrammes par litre 13, alors que 0,2 mg/L est considéré comme acceptable selon les normes14. La plupart des usines d’eau potable utilisent l’aération comme l’une des premières étapes pour réduire la concentration de fer dans le processus de purification de l’eau. Dans la plupart des cas, le but de l’aération est d’augmenter la teneur en oxygène dissous, d’éliminer les gaz et autres substances connexes de l’eau, ou les deux15. Il existe différentes méthodes par lesquelles l’aération peut introduire de l’oxygène dans les milieux liquides. Ces méthodes comprennent l’agitation de la surface du liquide à l’aide d’un mélangeur ou d’une turbine et la libération d’air par des orifices macroscopiques ou des matériaux poreux16.

Le processus chimique d’oxydation du fer a été démontré par van de Griend17, dans lequel une molécule d’oxygène prend un électron du fer ferreux et réagit avec un proton libre pour former de l’eau, tandis que l’ion fer est oxydé (équation [1]) :

figure-introduction-1, (1)

L’ion fer précipite alors sous forme de Fe(OH)3 en raison de sa réaction avec l’eau, ce qui libère des protons (équation [2]) :

figure-introduction-2(2)

La réaction totale est donnée par l’équation (3) :

figure-introduction-3.     (3)

Dans le domaine de l’aération, les techniques les plus souvent appliquées sont les systèmes d’aération en cascade, en tour, par pulvérisation et par plaques18,19. L’inconvénient de ces technologies est qu’elles consomment de 50 % à 90 % de toute l’énergie 20 et jusqu’à40 % du budget d’exploitation et d’entretien des installations de traitement21.

L’utilisation d’un entonnoir hyperbolique pour l’aération peut réduire considérablement les coûts et augmenter l’efficacité de ce processus. Les entonnoirs hyperboliques sont moins sensibles au colmatage en raison de leur géométrie et du fait qu’il n’y a pas de pièces mobiles, ce qui signifie que l’énergie est dépensée uniquement pour pomper l’eau. Un tel système peut être caractérisé par plusieurs paramètres, tels que le débit d’eau de l’entonnoir par heure (φ), le temps de séjour moyen (MRT), le temps de rétention hydraulique (HRT), le coefficient de transfert de masse volumétrique d’oxygène (KLa 20) (corrigé à une température normalisée de20°C), le taux de transfert d’oxygène standard (SORT) et l’efficacité d’aération standard (SAE). Le débit de l’entonnoir est nécessaire pour calculer le volume d’eau qui peut être traité dans un certain temps. Le MRT est calculé à partir du rapport entre le débit d’eau et son volume dans l’entonnoir pour un certain régime à l’aide de l’équation (4) :

figure-introduction-4(4)

où V représente le volume de liquide dans le réacteur.

Le THS peut être déterminé expérimentalement à l’aide des technologies de traçage22via sa fonction de distribution du temps de séjour. Le THS fournit des informations fondamentales sur les processus de mélange, les retards et les phénomènes de ségrégation23. Il a été démontré par Donepudi24 que plus le jet d’eau est éloigné de l’entrée, plus il se déplace rapidement vers la sortie. Au moment initial, l’eau est pompée tangentiellement à la partie cylindrique supérieure de l’entonnoir. Ensuite, sous l’influence de la gravité, avec la géométrie du système, la vitesse tangentielle diminue et la vitesse axiale augmente. Le coefficient de transfert de masse volumétrique d’oxygène, KLa20 (temps de réciprocité unitaire), indique la capacité d’un système à faciliter le transfert d’oxygène vers la phase liquide10. On peut calculer25,26 selon l’équation (5) : 

figure-introduction-5(5)

où C out est la concentration d’oxygène dissous (OD) dans le liquide en vrac, C inest la concentration d’oxygène dissous dans l’aliment, Csest la concentration d’oxygène dissous à saturation et T est la température de l’eau.

La valeur SORT est le taux standard d’oxygène transféré à la phase liquide par le système et est déterminée par l’équation (6)27 :

figure-introduction-6(6)

où figure-introduction-7 est l’OD à saturation pour une température de 20 °C. La valeur SOTR peut être définie pour un certain procédé, auquel cas le volume utilisé dans l’équation (6) est normalisé en supposant 1 h de temps de traitement (SOTR spécifique au procédé), de sorte que les méthodes d’aération à l’échelle pilote peuvent être comparées aux systèmes à l’échelle réelle. Pour la capacité d’un certain régime dans l’entonnoir, il faut calculer le SOTR spécifique au système, qui utilise le volume d’eau à l’intérieur de l’entonnoir pour un temps de rétention hydraulique (spécifique au régime). Cette valeur est importante lors du calcul des capacités d’aération réelles d’un régime dans un entonnoir donné.

Le SAE est le rapport entre le SOTR et la puissance dépensée pour l’aération. Étant donné que l’énergie est dépensée uniquement pour pomper l’eau vers le haut de l’entonnoir et lui donner le débit nécessaire pour former un vortex, elle est calculée comme la somme de l’énergie potentielle du volume d’eau pompé par heure à une hauteur correspondant à la longueur de l’entonnoir et de l’énergie cinétique nécessaire à l’eau pour créer un vortex27 à l’aide de l’équation (7) :

figure-introduction-8(7)

où P p est la puissance potentielle (en kW) nécessaire pour soulever l’eau pompée à la hauteur de l’entonnoir, et Pkest la puissance cinétique (en kW) nécessaire pour que l’eau pompée au sommet de l’entonnoir gagne suffisamment de débit pour créer un vortex. Normalement, pour l’équation (7), il faut utiliser le SOTR spécifique au système. Si l’on applique à la place le SOTR spécifique au processus, il donne la consommation d’énergie d’un système (théorique) avec 1 h de temps de rétention hydraulique.

Ces paramètres sont suffisants pour évaluer l’efficacité et la faisabilité de l’utilisation de cette technologie, mais pas pour décrire le processus lui-même. Il convient de mentionner que les tourbillons sont parmi les phénomènes les moins bien compris en dynamique des fluides. Par conséquent, beaucoup d’efforts de recherche sont investis dans cette direction. L’un des principaux défis dans la recherche des lois et des règles générales des tourbillons en dynamique des fluides est qu’il existe toujours des variations dans les conditions aux limites géométriques, qui influencent le développement des tourbillons et influencent considérablement leur formation et leur dynamique. Ainsi, il est raisonnable de supposer qu’un vortex à surface libre (FSV) ne peut pas être considéré de manière analogue à un vortex confiné de type laboratoire. Cependant, il a été montré par Mulligan et al.28 pour l’écoulement de Taylor-Couette (TCF) que si le noyau d’air du FSV est considéré comme un cylindre intérieur virtuel tournant à la même vitesse que le noyau d’air, les deux peuvent être traités de la même manière. Ce faisant, les équations qui représentent le champ d’écoulement du vortex à surface libre peuvent être remplacées par les conditions de vitesse angulaire du cylindre virtuel, ce qui donne des équations pour le système TCF. Il a également été démontré que si la vitesse de rotation d’un cylindre imaginaire est augmentée, à un moment donné, les tourbillons de type Taylor28 apparaissent comme un champ d’écoulement secondaire puis disparaissent à l’approche des parois.

Après qu’il a été démontré par Niemeijr 29 qu’il est possible d’obtenir trois types différents de tourbillons d’eau dans un entonnoir de Schauberger (torsadé, droit et restreint) (Figure 1 et Figure 2), qui sont caractérisés par d’autres paramètres hydrauliques, Donepudi 24 a utilisé la même approche que Mulligan et al.28 pour simuler des régimes de vortex à l’aide de la dynamique des fluides numérique (CFD) et ainsi analyser l’organisation de leur champ d’écoulement pour comprendre les paramètres sous-jacents mécanismes physiques. Le système est très turbulent et le champ d’écoulement secondaire est très instable et se caractérise par l’apparition d’un grand nombre de tourbillons de type Taylor. Le transport du gaz de la phase gazeuse vers la phase liquide est régi par la diffusion, l’advection et la réaction. Par conséquent, pour augmenter l’efficacité de ce processus, il est nécessaire soit d’augmenter le gradient de concentration de gaz, soit le mouvement volumétrique du liquide. Ce dernier dépend directement de la turbulence du système sous forme de tourbillons de type Taylor, qui facilitent le transport des éléments fluides saturés de l’interface vers le liquide en vrac. Dans un autre travail sur ce sujet9, les principaux paramètres de différents régimes de vortex, tels que le débit d’eau, KLa20 et SOTR, ont été comparés. Cette étude s’est avérée très prometteuse pour cette technologie, car le système permet un transfert de gaz très rapide par rapport à d’autres méthodes utilisées pour l’aération de l’eau.

Le but de cet article est de fournir et de démontrer cette méthode pour créer différents régimes de vortex d’eau dans des entonnoirs de Schauberger hyperboliques (petit : 26 cm de haut et 15 cm de diamètre supérieur ; moyen : 94 cm de haut et 30 cm de diamètre supérieur ; grand : 153 cm de haut et 59 cm de diamètre supérieur) dans le but d’une aération efficace de l’eau.

Protocole

1. Recommandations générales

  1. Vérifiez que tous les raccords de tuyauterie ne fuient pas avant de commencer l’installation.
  2. Vérifiez que le couvercle de l’entonnoir est en place et bien fixé.
  3. Nettoyez l’entonnoir avant et après chaque expérience avec une brosse et un nettoyant pour vitres, car il peut jaunir en raison de la forte concentration de fer dans les eaux souterraines.

2. Dispositif expérimental

  1. Système de vortex d’eau (Figure 3)
    1. Fixez solidement l’entonnoir en verre (Figure 4) en position verticale sur un cadre spécial - une planche à quatre pieds et une fente au milieu, qui correspond au diamètre de la partie cylindrique de l’entonnoir et qui est suffisamment grande pour que l’entonnoir puisse s’y insérer, mais pas trop grande pour qu’elle tombe à travers. Fixez solidement le cadre afin qu’il ne tremble pas.
    2. Placez un joint en caoutchouc entre le couvercle et l’entonnoir pour éviter les fuites. Fixez le couvercle de l’entonnoir et serrez-le à l’aide des boulons.
    3. Connectez la pompe à eau souterraine à l’entrée tangentielle dans la partie cylindrique supérieure de l’entonnoir à l’aide de tuyaux et de raccords de tuyaux.
    4. Connectez une vanne de régulation spéciale pour régler le débit d’eau entre la pompe et l’entonnoir. Connectez un débitmètre d’eau entre la vanne de régulation et l’entonnoir.
    5. Raccordez la sortie de l’entonnoir au drain avec un tuyau. Sur le tuyau de vidange, près de la sortie de l’entonnoir, installez un collier pour créer une contre-pression pendant le fonctionnement de l’appareil.
      REMARQUE : La pince doit être installée immédiatement après tous les autres adaptateurs et connecteurs nécessaires aux expériences.
  2. Système d’expériences de traçage (Figure 3)
    1. Installez des adaptateurs spéciaux pour installer des sondes près de l’entrée et de la sortie. Installez des sondes de pH dans ces adaptateurs et connectez-les à l’enregistreur de données.
    2. Installez les capteurs le plus près possible de l’entonnoir pour réduire les erreurs dans les calculs HRT.
    3. Préparer 1 mL de solution de NaOH (concentration : 0,2 M) à utiliser comme traceur chimique qui est injecté dans le flux d’eau du jet.
      REMARQUE : Comme la solution aqueuse d’hydroxyde de sodium est une base forte, elle se présente sous la forme d’une augmentation du pH30 en forme de pic.
    4. Installez un adaptateur à trois ouvertures pour connecter le système traceur-injection, qui se compose d’une valve et d’une seringue avant la sonde de pH près de l’entrée.
  3. Système pour les expériences d’OD (Figure 3)
    1. Collez deux points de capteur d’oxygène sur la paroi intérieure des deux adaptateurs en verre différents, en les plaçant le plus près possible de l’entrée et de la sortie de l’entonnoir et en les connectant à la conduite d’eau.
      REMARQUE : Pendant le fonctionnement, l’eau doit recouvrir complètement les autocollants.
    2. Installez l’adaptateur en verre avec le point du capteur d’oxygène près de l’entrée et de la sortie de l’entonnoir, et fixez l’extrémité de la fibre optique polymère (qui mesure 2 m de long) sur l’autocollant de l’autre côté du verre.
    3. Installez le capteur de température de l’eau près de l’entrée de l’entonnoir dans le même adaptateur que pour la sonde de pH. Assurez-vous qu’il est proche de la fibre, car la température de l’eau est utilisée pour corréler les mesures d’oxygène dissous.
    4. Connectez la fibre optique polymère et le capteur de température au transmetteur d’oxygène à fibre optique.
    5. Connectez le transmetteur d’oxygène à fibre optique à un ordinateur portable avec un logiciel spécial installé pour afficher le signal du capteur, qui est lié à la concentration d’oxygène dissous et à la température de l’eau.

3. Fonctionnement (entonnoir moyen)

  1. Régimes tourbillonnaires
    1. Allumez le débitmètre. Démarrez la pompe à eau souterraine et ouvrez complètement la vanne de régulation. Assurez-vous que le débit d’eau est nettement supérieur au débit maximal requis pour former un vortex d’eau (1338 L/h pour l’entonnoir moyen).
    2. Ajustez la valeur souhaitée du débit d’eau en tournant la vanne de régulation. Si nécessaire, pressez la pince près de la sortie de l’entonnoir pour permettre à l’eau d’être bloquée dans l’entonnoir, ce qui fait monter le niveau d’eau dans la partie cylindrique supérieure de l’entonnoir.
    3. Pour définir différents régimes, ajustez les valeurs du débit d’eau et du niveau d’eau dans la partie cylindrique supérieure de l’entonnoir (tableau 1), de manière séquentielle dans une expérience. Vérifiez la stabilité du vortex d’eau pendant 15 minutes. En mode stable, le niveau d’eau ne devrait pas changer.
      1. Pour le régime torsadé, réglez le débit à 1194 L/h et le niveau d’eau à 2 cm et le débit à 1218 L/h et le niveau d’eau à 5 cm.
      2. Pour le régime droit, réglez le débit à 1314 L/h et le niveau d’eau à 11 cm et le débit à 1338 L/h et le niveau d’eau à 11,7 cm.
      3. Pour le régime restreint, par opposition aux régimes torsadés et droits, créez une contre-pression en serrant la pince près de la sortie de l’entonnoir. Réglez le débit sur 882 L/h et le niveau d’eau sur 3 cm et le débit sur 936 L/h et le niveau d’eau sur 9 cm.
  2. Expérience de traçage
    1. À l’aide d’un enregistreur de données, calibrer les sondes de pH pour s’assurer de la validité et de l’exactitude des données obtenues.
      1. Préparez deux solutions étalons, l’une avec un pH supérieur au pH de la plage de fonctionnement (6-10) et l’autre avec un pH inférieur au pH de la plage de fonctionnement. Réglez leurs valeurs dans l’enregistreur de données et mesurez-les une par une lors de l’étalonnage. Après cela, l’enregistreur de données étalonne les sondes de pH.
      2. Installez des sondes de pH à l’entrée et à la sortie de l’entonnoir, connectez-les à l’enregistreur de données et démarrez le mode d’enregistrement.
    2. Lancez la configuration.
      1. Démarrez l’installation et assurez-vous que le vortex d’eau est stable.
      2. Remplissez la seringue avec le mélange de traceurs de NaOH préparé et connectez-le à la ligne d’injection du traceur. Dévissez rapidement la vanne dans le système d’injection, injectez le liquide traceur, puis vissez rapidement la vanne.
    3. Effectuez l’enregistrement et l’analyse.
      1. Lorsque le pH se stabilise, conservez les pics de pH enregistrés lors du passage du liquide traceur dans un entonnoir en verre.
      2. Analyser les pics d’entrée et de sortie comme décrit dans un travail précédent22 pour le calcul de l’HRT. Pour ce faire, prenez le point au début du premier pic pour le compte à rebours, et prenez le point sur le deuxième pic, ce qui le divise en deux chiffres de surface égale, pour la fin du compte à rebours.
  3. Expérimentez
    1. Calibrez le capteur d’oxygène dissous à l’aide d’un logiciel avec un ordinateur portable et le transmetteur d’oxygène à fibre optique. Utilisez deux liquides : l’un sans oxygène (mélangez 0,1 L d’eau et 1 g de sulfite de sodium), et l’autre saturé d’oxygène (pour ce faire, aérez-le avec de l’air pendant 15 min). Ensuite, sélectionnez la fonction d’étalonnage dans le logiciel et mesurez les deux liquides à tour de rôle.
    2. Effectuez l’installation et l’enregistrement.
      1. Installez le capteur d’oxygène dissous à l’entrée et à la sortie de l’entonnoir. De plus, installez le capteur de température près de l’entrée de l’entonnoir. Connectez-les à l’émetteur d’oxygène à fibre optique et démarrez le mode d’enregistrement.
      2. Démarrez l’installation et assurez-vous que le vortex d’eau est stable. Atteignez le mode dans lequel la valeur de la concentration d’oxygène dissous est stable et enregistrez les données.
        REMARQUE : Si les lectures ne sont pas stables, les données ne sont pas valides et l’expérience doit être répétée.

Résultats

Le vortex d’eau dans l’entonnoir hyperbolique de Schauberger se forme dans différents régimes (tordu, droit et restreint) (Figure 1). En conséquence, l’eau est enrichie en oxygène atmosphérique et l’oxydation des espèces chimiques dans l’eau est favorisée. Le système ne nécessite pas d’énergie, sauf pour pomper de l’eau dans la partie supérieure de l’entonnoir hyperbolique.

Le régime torsadé a une forme de double hélice et la plus grande interface entre l’eau et l’air. Pour sa création, il est nécessaire d’appliquer un débit d’eau moyen (75-78 L/h pour le petit entonnoir, 1 194-1 218 L/h pour le moyen entonnoir et 4 834-5 032 L/h pour le grand entonnoir). Sa hauteur dans la partie cylindrique supérieure de l’entonnoir ne doit pas dépasser 2 cm pour le petit entonnoir, 7 cm pour le moyen entonnoir et 16 cm pour le grand entonnoir.

Le régime droit a une forme droite lisse et une interface plus petite entre l’eau et l’air. Ce régime nécessite un débit d’eau maximal (93-100 L/h pour le petit entonnoir, 1 314-1 338 L/h pour le moyen entonnoir et 5 102-5 289 L/h pour le grand entonnoir). Sa hauteur peut atteindre le couvercle de tous les entonnoirs.

Selon le niveau de l’eau, le régime restreint peut prendre la forme de tourbillons torsadés et rectilignes. Cependant, la particularité de ce régime est que sa longueur change en fonction de l’application d’une contre-pression, contrairement aux modes précédents, pour lesquels aucune pression n’est appliquée. Il est également formé au sommet de l’entonnoir ; Cependant, avec l’augmentation de la contre-pression, sa queue commence à se raccourcir et le vortex disparaît progressivement de la partie inférieure. Son débit d’eau est extrêmement faible (58-70 L/h pour le petit entonnoir, 882-936 L/h pour le moyen entonnoir et 2 351-2 634 L/h pour le grand entonnoir), et sa hauteur peut être à la fois minimale et maximale en fonction de la géométrie de l’entonnoir.

Les différents régimes peuvent être stabilisés et transformés les uns dans les autres en fonction du débit d’eau, de la contre-pression et de la géométrie du système. Des paramètres tels que le débit d’eau, le coefficient de transfert de masse volumétrique d’oxygène et le taux de transfert d’oxygène standard caractérisent l’efficacité de l’aération. On peut voir que pour le vortex torsadé à faible débit d’eau, le K L a 20 était le plus élevé (Figure 4), plusieurs fois plus élevé que le KLa20 pour les régimes rectilignes et restreints et des dizaines de fois plus élevé que le même indicateur pour les systèmes conventionnels, qui sont également utilisés pour l’aération des lacs et des rivières (Air Jet, Turbine, Pagaie) et sont beaucoup plus énergivores. Avec de nouvelles augmentations du débit d’eau, le KLa20 a progressivement diminué, mais le niveau d’eau, c’est-à-dire le volume d’eau dans le système, a augmenté. Après une certaine valeur seuil, le régime torsadé est passé au régime droit. Pour chaque régime, il y avait des conditions stationnaires où leur volume et leurs paramètres hydrauliques ne changeaient pas.

Cependant, lorsque l’on compare des régimes similaires pour les petits, moyens et grands entonnoirs, les différences entre les débits et les volumes d’eau des systèmes étaient significatives. Cependant, dans le même temps, les rapports des valeurs KLa20 n’ont pas beaucoup changé. Les valeurs maximales de 83 h-1 pour le petit entonnoir, 60 h-1 pour le moyen entonnoir et 79 h-1 pour le grand entonnoir ont été atteintes en régime torsadé.

Dans le même temps, lorsque le KLa20 diminuait avec l’augmentation du débit d’eau, le MRT augmentait, ce qui indique que l’eau mettait plus de temps à passer dans l’entonnoir, comme décrit en détail par Donepudi24. Cependant, comme pour KLa20, la valeur de MRT était approximativement la même pour les régimes torsadés et droits dans différents entonnoirs. Le TRM variait de 10 s à 43 s pour le petit entonnoir, de 14 s à 30 s pour le moyen entonnoir et de 24 s à 43 s pour le grand (tableau 1).

figure-results-1
Figure 1 : Régimes de tourbillons d’eau dans un entonnoir de Schauberger hyperbolique en verre de 26 cm de haut. (A) Torsadé (75 L/h), (B) droit (100 L/h), (C) restreint (70 L/h). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

figure-results-2
Figure 2 : Régimes de tourbillons d’eau dans un entonnoir de Schauberger hyperbolique en verre de 94 cm de haut. (A) torsadé (1 194 L/h), (B) droit (1 314 L/h), (C) restreint (882 L/h). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

figure-results-3
Figure 3 : Croquis de la configuration utilisée pour les expériences décrites dans les étapes 3.1 à 3.3 du protocole. (1) Pompe à eau souterraine ; (2) vanne de régulation ; (3) débitmètre d’eau ; (4, 5) fibres optiques polymères pour la détection de l’oxygène dissous ; (6, 7) sondes de pH ; (8) capteur de température ; 9° seringue avec traceur ; (10) soupape ; (11) Entonnoir hyperbolique de Schauberger ; (12) transmetteur d’oxygène à fibre optique ; (13) ordinateur portable ; (14) enregistreur de données ; (15) pince ; (16) Évacuation de l’eau. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

figure-results-4
Figure 4 : Photo de la configuration du grand entonnoir. (1) Réservoir d’eau souterraine ; (2) pompe à eau ; (3) débitmètre d’eau ; 4° seringue avec traceur ; (5, 6) adaptateurs en verre avec le spot du capteur d’oxygène ; (7), (8) sondes de pH ; (9) Entonnoir hyperbolique de Schauberger ; (10) Évacuation de l’eau. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

EntonnoirRégimeφ (L/h)THS (s)MRT(s)KLa20 (h-1)V (L)Niveau (cm)Cen (mg/L)Cout (mg/L)SOTR (g Ø2/h)SAE (g O2/kWh)
PetitTordu751015830.20.50.01.80.22801
782024410.420.01.90.22932
Droit933124250.840.01.80.22688
1004332181.260.01.70.22635
Restreint581823140.310.00.60.0872
70533121.050.00.30.0459
Douleur moyenneTordu11941413604.520.01.82.4784
12181919376.350.01.62.1667
Droit131429291810.7110.01.21.8509
133830311811.011.70.01.21.8500
Restreint8822124175.130.00.90.8348
936373659.790.00.50.4180
GrandTordu483424237932110.74.122.91113
503234265248160.64.022.61054
Droit51023829315419.50.73.015.0690
52894330196422.50.62.310.8479
Restreint23515843163870.62.65.5557
26349550770190.62.04.2380

Tableau 1 : Caractéristiques hydrauliques de base et paramètres d’efficacité d’aération pour les petits (Figure 1), les moyens (Figure 2) et les grands entonnoirs. 

Discussion

Si la pompe à eau souterraine est trop puissante et que le système ne peut pas maintenir la pression, une vidange supplémentaire peut être ajoutée avant la vanne de régulation pour la réduire. Il est très important de calibrer les capteurs pour obtenir des résultats fiables et pour l’expérience du traceur afin de garantir des sondes rapides. Si les sondes sont lentes, cela faussera les mesures du THS. De plus, si le THS est beaucoup plus petit que le TRM pour le régime droit, cela peut indiquer que l’entrée tangentielle de l’entonnoir est nettement inférieure au niveau de l’eau et qu’une partie du liquide traceur descend dans le drain après être entrée dans l’entonnoir, ce qui entraîne une diminution du THS.

Le vortex d’eau dans un entonnoir de Schauberger hyperbolique est très sensible au débit d’eau. Plus le système est petit, plus il dépend des changements de débit. Si le régime est stable, le niveau d’eau dans l’entonnoir ne devrait pas changer avec le temps. Si ce n’est pas le cas, il augmentera ou diminuera. Par conséquent, il convient de faire attention au niveau d’eau pour éviter les débordements d’eau, les fissures dues à une pression accrue à l’intérieur de l’entonnoir ou un changement de régime indésirable.

Pour déterminer le régime du vortex (étapes de protocole 3.1.3.1-3.1.3.3) et sa stabilité, il est avantageux que l’entonnoir soit transparent. Pour cette raison, un entonnoir en verre a été utilisé dans ce travail. Il est impératif d’être très prudent lors du transport, de la manipulation et de l’installation, et il faut faire attention à ne pas trop serrer les vis du couvercle pour ne pas l’endommager (étape de protocole 2.1.2).

Pour déterminer le THS, les étapes 3.2.2 à 3.2.3 du protocole doivent être répétées autant de fois que possible (au moins 10 fois) car, en raison de la forte turbulence du système et de la présence d’écoulements secondaires (tourbillons de type Taylor), le jet traceur peut se séparer et se déplacer dans différentes directions à travers l’entonnoir. Par exemple, il a été démontré par Donepudi et al.24 et Mulligan et al.28 que plus la couche d’eau est proche de la paroi de verre, plus elle se déplacera rapidement vers le drain. Les sondes doivent toujours être lavées avec de l’eau déminéralisée et essuyées pour éviter de mélanger l’échantillon et la solution de stockage, ce qui peut gâcher les données et détériorer la qualité du stockage des électrodes.

Pour l’expérience de l’oxygène dissous, il est important d’obtenir une valeur stable de concentration en oxygène à la sortie du système (étape de protocole 3.3.2.2). Si le régime n’est pas stable mais que les fluctuations du système ne sont pas significatives, la moyenne de la valeur obtenue doit être calculée. Il est également nécessaire d’avoir un trou dans le couvercle pour la ventilation afin de permettre à l’air de circuler dans le système pour une aération supplémentaire.

Malgré les valeurs élevées de KLa20 et l’efficacité énergétique de ce système, la valeur SOTR est faible par rapport à d’autres méthodes26 en raison des faibles débits d’eau des entonnoirs disponibles ; Il s’agit actuellement d’une limitation pour l’utilisation industrielle de l’entonnoir hyperbolique pour l’aération de l’eau. Cependant, il a été démontré qu’un rendement élevé du système peut être atteint pour différentes échelles avec des entonnoirs de grande, moyenne et petite taille. De là, nous pouvons conclure qu’en modifiant la géométrie (dimensions, diamètres de l’entrée et de la sortie, courbure des parois), il est possible d’augmenter considérablement la vitesse et le volume de traitement de l’eau sans réduire l’efficacité de l’aération. De plus, dans le tableau 1, on peut voir qu’une augmentation de la longueur de l’entonnoir de 1,1 m a entraîné une augmentation de plus de 100 fois du SOTR. Compte tenu du fait que dans certaines stations d’épuration, la différence de niveau d’eau peut atteindre plusieurs mètres, l’aération (partielle) pourrait être réalisée à des coûts beaucoup plus faibles qu’à l’heure actuelle. Ainsi, la détermination de la façon dont différents paramètres géométriques de l’entonnoir affectent le débit d’eau et KLa20 pour les régimes tourbillonnaires peut fournir une technologie bon marché et compétitive pour l’aération des eaux souterraines. Alternativement, comme le montre Schauberger31, l’aération peut être utilisée pour améliorer la qualité des réservoirs d’eau, des lacs et des rivières.

Déclarations de divulgation

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents connus ou de relations personnelles qui auraient pu sembler influencer les travaux rapportés dans cet article.

Remerciements

Ce travail a été réalisé dans le cadre de coopération du Centre d’Excellence Européen Wetsus pour les Technologies Durables de l’Eau (www.wetsus.eu) dans le cadre du thème Physique Appliquée de l’Eau. Wetsus est cofondée par le ministère néerlandais de l’Économie et le ministère de l’Infrastructure et de l’Environnement, la province de Frise et les provinces du nord des Pays-Bas. Cette recherche a reçu un financement du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne dans le cadre de la convention de subvention Marie Sklodowska-Curie n° 665874 et du laboratoire Gilbert-Armstrong. Nous apprécions vivement le soutien de Maarten V. van de Griend à ce travail.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Transmetteur 1/2 canauxEndress+HauserCM442Enregistreur de données
Vanne de commande+GF+625DN20Typ514
Enregistreur de donnéesEndress+HauserCM442
Transmetteur d’oxygène à fibre optiquePreSensSACN0002000005Fibox 3
Connecteur coudéen verre Adaptateur sur mesurepour le pipeline
Pompe à eau souterraineSAER3637899H/150
Ordinateur portablen’importequelWindows 10 ou supérieur
Grand entonnoir en verreFabriqué surmesure-94cm de haut
Calculatrice d’oxygènePreSensv. 3.1.1Logiciel
Capteur d’oxygène SpotsPreSensNAU-D5-YOPSP-PSt3
Connecteur pHAdaptateur sur mesurepour la sonde de pH
Sonde de pHEndress+HauserCPS11Orbisint CPS11
Fibre optique polymèrePreSensPOF-L2.5-2SMAOXY-1
SMA Joint en caoutchoucERIKS11535207141x197x2mm
Joint en caoutchoucERIKS12252766273x340x3mm
Petit entonnoir en verresur mesure- de 26 cm de haut
Endress+HauserP7066819000Picomag
Débitmètre d’eauKobolt5NA15AC34P
MIK Connecteur de température de l’eauPreSens-Pt100
liquiline Fabriqué Débitmètre d’eau

Références

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