Dit artikel beschrijft hoe drie verschillende watervortexregimes in een hyperbolische Schaurberger-trechter kunnen worden gecreëerd, hun belangrijkste kenmerken en hoe bijbehorende parameters zoals de zuurstofoverdrachtssnelheden kunnen worden berekend.
Methodenartikel
Bereiding van hyperbolische waterwervelingen aan het vrije oppervlak
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Vrije oppervlaktewervelingen zijn aanwezig in de industrie in stroomregulatie, energiedissipatie en energieopwekking. Hoewel uitgebreid onderzocht, ontbreken gedetailleerde experimentele gegevens over vrije oppervlaktewervelingen, met name met betrekking tot de turbulentie op het grensvlak. Het huidige artikel rapporteert over een speciaal type vrije oppervlaktevortex voor het eerst voorgesteld door Walter Schauberger in de jaren 1960 met een zuurstofvolumetrische massaoverdrachtscoëfficiënt die de waarde van vergelijkbare systemen overschrijdt. Dit speciale type vortex vormt zich in een hyperbolische trechter. Verschillende stabiele regimes kunnen worden gestabiliseerd met verschillende hydraulische eigenschappen. Andere voordelen van deze technologie zijn de energie-efficiëntie, het eenvoudige ontwerp en de schaalbaarheid. De stroming in deze hyperbolische trechter wordt gekenmerkt door sterke turbulentie en een groter oppervlak van de lucht-water interface. De lokale druk varieert sterk langs het oppervlak, wat resulteert in een uitgesproken golvende lucht-water grenslaag. Door de spiraalvormige stroming bewegen deze verstoringen naar binnen en trekken de grenslaag mee. De resulterende drukgradiënt trekt een bepaald luchtvolume in de watervortex. De constructie van de basis hyperbolische trechteropstelling en operationele voorbeelden, inclusief high-speed visualisatie voor drie verschillende stabiele regimes, worden in dit werk gepresenteerd.
Inleiding
Ons leven is nauw verbonden met spiraalvormige structuren. Ze bestaan in bijna alles en overal, inclusief de structuur van schelpen en ammonieten en de vorming van orkanen, tornado's en draaikolken 1,2. Op kosmologische schaal vormen en evolueren sterrenstelsels volgens het principe van de logaritmische spiraal3. De bekendste spiralen zijn de gouden en de Fibonacci-spiralen4, die vele toepassingen hebben, variërend van het beschrijven van plantengroei en de kristallografische structuur van bepaalde vaste stoffen tot het ontwikkelen van zoekalgoritmen voor computerdatabases. De Fibonacci-reeks wordt gekenmerkt als een numerieke reeks die begint met 0 en 1 en volgende getallen heeft die overeenkomen met de som van de vorige twee. Deze volgorde is ook te vinden bij het tellen van het reproductiegetal van konijnen. Spiralen behoren tot de oudste geometrische vormen getekend door Homo sapiens, zoals de concentrische cirkels gevonden in Colombia en Australië (40.000-20.000 v.Chr.1). Leonardo da Vinci5 probeerde een helikoptervormige vliegmachine te maken met behulp van een spiraalvormig blad (van het Griekse woord ἕλιξ πτερόν, of helix pteron, wat spiraalvormige vleugel betekent). Volgens hetzelfde principe bouwde een vliegtuigontwerper, Igor Sikorsky, 450 jaar later de eerste helikopter in serieproductie6.
Veel andere voorbeelden wijzen op het feit dat spiraalvormige stromingsstructuren zeer efficiënt en kostenbesparend kunnen zijn omdat dit type stroming bij voorkeur in de natuur wordt gezien. Aan het begin van de 20e eeuw realiseerde de Oostenrijkse boswachter en filosoof Viktor Schauberger zich dit. Hij zei dat mensen de natuur moeten bestuderen en ervan moeten leren in plaats van te proberen haar te corrigeren. Op basis van zijn ideeën bouwde hij nogal ongebruikelijke houtgoten om hout te laten drijven; De Flumes namen niet het rechtste pad tussen twee punten, maar volgden het meanderen van valleien en beekjes. Dit ontwerp liet het water stromen door in een spiraal langs zijn as te draaien, waardoor een vortex werd gevormd, waardoor de hoeveelheid gebruikt water werd verminderd en een transportsnelheid werd geproduceerd die aanzienlijk hoger was dan wat als normaal werd beschouwd7.
In de voetsporen van zijn vader ontwikkelde Viktors zoon Walter nieuwe technologieën met behulp van de watervortex8 voor verschillende doeleinden: de behandeling van drinkwater, industrieel proces, het herstel van vijvers en waterlopen, de oxygenatie van vijvers en kleine meren, en rivierregulering en -herstel. Een van deze ideeën heeft onlangs veel belangstelling gekregen, namelijk waterbehandeling met behulp van een hyperbolische trechter8, waarbij een vortex alleen wordt gecreëerd door de stroom van water zonder roerinrichtingen. Het is bewezen een zeer effectieve methode te zijn voor het oxideren van ijzer in grondwater 9,10. Een beperking van deze technologie is dat het minder efficiënt is voor water met een lage pH11.
Grote hoeveelheden drinkwater in Nederland worden verkregen uit ondergrondse bronnen 12, waarin de concentratie ijzer enkele tientallen milligrammen per literkan bereiken 13, terwijl 0,2 mg/L door de normen14 aanvaardbaar wordt geacht. De meeste drinkwaterinstallaties gebruiken beluchting als een van de eerste stappen om de ijzerconcentratie in het waterzuiveringsproces te verlagen. In de meeste gevallen is het doel van beluchting om het gehalte aan opgeloste zuurstof te verhogen, om gassen en andere gerelateerde stoffen uit het water te verwijderen, of beide15. Er zijn verschillende methoden waarmee beluchting zuurstof in vloeibare media kan brengen. Deze methoden omvatten het roeren van het vloeistofoppervlak met behulp van een mixer of turbine en het vrijgeven van lucht door macroscopische openingen of poreuze materialen16.
Het chemische proces van ijzeroxidatie werd aangetoond door van de Griend17, waarbij een zuurstofmolecuul een elektron uit ijzer neemt en reageert met een vrij proton om water te vormen, terwijl het ijzerion wordt geoxideerd (vergelijking [1]):
, (1)
Het ijzerion slaat dan neer als Fe(OH)3 vanwege zijn reactie met water, waarbij protonen vrijkomen (vergelijking [2]):
(2)
De totale reactie wordt gegeven door vergelijking (3):
. (3)
Bij beluchting zijn de meest toegepaste technieken cascades, toren-, sproei- en plaatbeluchtingssystemen18,19. Het nadeel van deze technologieën is dat ze 50% tot 90% van alle energie verbruiken 20 en tot40% van het budget voor de exploitatie en het onderhoud van de zuiveringsinstallaties21.
Het gebruik van een hyperbolische trechter voor beluchting kan de kosten aanzienlijk verlagen en de efficiëntie van dit proces verhogen. Hyperbolische trechters zijn minder gevoelig voor verstopping vanwege hun geometrie en het feit dat er geen bewegende delen zijn, wat betekent dat de energie alleen wordt besteed aan het pompen van water. Een dergelijk systeem kan worden gekenmerkt door verschillende parameters, zoals het waterdebiet van de trechter per uur (φ), de gemiddelde verblijftijd (MRT), de hydraulische retentietijd (HRT), de zuurstofvolumetrische massaoverdrachtscoëfficiënt (KLa 20) (gecorrigeerd tot een gestandaardiseerde temperatuur van20 °C), de standaard zuurstofoverdrachtssnelheid (SORT) en de standaard beluchtingsefficiëntie (SAE). Het debiet van de trechter is nodig om het volume water te berekenen dat in een bepaalde tijd kan worden verwerkt. De MRT wordt berekend uit de verhouding van het waterdebiet tot het volume in de trechter voor een bepaald regime met behulp van vergelijking (4):
(4)
waarbij V het vloeistofvolume in de reactor vertegenwoordigt.
De HRT kan experimenteel worden bepaald met behulp van tracertechnologieën22via de verblijftijdverdelingsfunctie. HST biedt fundamenteel inzicht in mengprocessen, hold-ups en segregatieverschijnselen23. Donepudi24 toonde aan dat hoe verder de waterstraal van de inlaat verwijderd is, hoe sneller deze naar de uitlaat beweegt. Op het eerste moment wordt water tangentieel naar het bovenste cilindrische deel van de trechter gepompt. Dan, onder invloed van de zwaartekracht, samen met de geometrie van het systeem, neemt de tangentiële snelheid af en neemt de axiale snelheid toe. De zuurstofvolumetrische massaoverdrachtscoëfficiënt, KLa20 (eenheid wederkerige tijd), geeft het vermogen van een systeem aan om de zuurstofoverdracht naar de vloeibare fase10 te vergemakkelijken. Het kan worden berekend25,26 volgens vergelijking (5):
(5)
waarbij C out de concentratie opgeloste zuurstof (DO) in de bulkvloeistof is, C in de DO-concentratie inhet voer, Csde DO-concentratie bij verzadiging en T de watertemperatuur.
De SORT-waarde is de standaardsnelheid van zuurstof die door het systeem naar de vloeibare fase wordt overgebracht en wordt bepaald door vergelijking (6)27:
(6)
waarbij 
de DO bij verzadiging is voor een temperatuur van 20 °C. De SOTR-waarde kan worden gedefinieerd voor een bepaald proces, in welk geval het volume dat wordt gebruikt in vergelijking (6) wordt genormaliseerd door uit te gaan van 1 uur behandelingstijd (processpecifieke SOTR), zodat beluchtingsmethoden op pilootschaal kunnen worden vergeleken met systemen op reële schaal. Voor de capaciteit van een bepaald regime in de trechter moet de systeemspecifieke SOTR worden berekend, die het volume water in de trechter gebruikt voor een (regimespecifieke) hydraulische retentietijd. Deze waarde is belangrijk bij het berekenen van de werkelijke beluchtingsmogelijkheden van een regime in een bepaalde trechter.
De SAE is de verhouding tussen de SOTR en het vermogen dat wordt verbruikt voor beluchting. Aangezien energie alleen wordt besteed aan het pompen van water naar de bovenkant van de trechter en het de nodige stroom te geven om een vortex te vormen, wordt het berekend als de som van de potentiële energie van het volume water dat per uur wordt gepompt op een hoogte die overeenkomt met de lengte van de trechter en de kinetische energie die het water nodig heeft om een vortex27 te creëren met behulp van vergelijking (7):
(7)
waarbij P p het potentiële vermogen (in kW) is dat nodig is om het gepompte water naar de hoogte van de trechter te tillen, en Pkhet kinetische vermogen (in kW) is dat nodig is voor het water dat aan de bovenkant van de trechter wordt gepompt om voldoende stroom te krijgen om een vortex te creëren. Normaal gesproken moet voor vergelijking (7) de systeemspecifieke SOTR worden gebruikt. Als in plaats daarvan de processpecifieke SOTR wordt toegepast, levert dit het energieverbruik op van een (theoretisch) systeem met 1 uur hydraulische retentietijd.
Deze parameters zijn voldoende om de effectiviteit en haalbaarheid van het gebruik van deze technologie te beoordelen, maar niet om het proces zelf te beschrijven. Er moet worden vermeld dat wervelingen tot de minst begrepen verschijnselen in de vloeistofdynamica behoren. Daarom worden er veel onderzoeksinspanningen in deze richting geïnvesteerd. Een van de belangrijkste uitdagingen bij het vinden van de algemene wetten en regels van wervelingen in de vloeistofdynamica is dat er altijd variaties zijn in de geometrische randvoorwaarden, die de ontwikkeling van wervelingen beïnvloeden en hun vorming en dynamiek aanzienlijk beïnvloeden. Het is dus redelijk om aan te nemen dat een vrije-oppervlaktevortex (FSV) niet analoog kan worden beschouwd aan een laboratoriumtype begrensde. Mulligan et al.28 voor de Taylor-Couette-stroming (TCF) toonden echter aan dat als de luchtkern van de FSV wordt beschouwd als een virtuele binnencilinder die met dezelfde snelheid draait als de luchtkern, beide op dezelfde manier kunnen worden behandeld. Door dit te doen, kunnen vergelijkingen die het vortexstroomveld van het vrije oppervlak vertegenwoordigen, worden vervangen door de hoeksnelheidscondities van de virtuele cilinder, wat resulteert in vergelijkingen voor het TCF-systeem. Er werd ook aangetoond dat als de rotatiesnelheid van een denkbeeldige cilinder wordt verhoogd, op een gegeven moment Taylor-achtige wervelingen28 verschijnen als een secundair stromingsveld en vervolgens verdwijnen bij het naderen van de wanden.
Nadat door Niemeijr 29 was aangetoond dat het mogelijk is om drie verschillende soorten waterwervelingen in een Schauberger-trechter te verkrijgen (gedraaid, recht en beperkt) (figuur 1 en figuur 2), die worden gekenmerkt door andere hydraulische parameters, gebruikte Donepudi 24 dezelfde benadering als Mulligan et al.28 om vortexregimes te simuleren met behulp van computationele vloeistofdynamica (CFD) en daarmee de organisatie van hun stromingsveld te analyseren om de onderliggende fysieke mechanismen. Het systeem is zeer turbulent en het secundaire stromingsveld is zeer onstabiel en wordt gekenmerkt door het verschijnen van een groot aantal Taylor-achtige wervelingen. Gastransport van de gasfase naar de vloeibare fase wordt geregeld door diffusie, advectie en reactie. Om de efficiëntie van dit proces te verhogen, is het daarom noodzakelijk om de gasconcentratiegradiënt of de volumetrische beweging van de vloeistof te verhogen. Dit laatste hangt direct af van de turbulentie van het systeem in de vorm van Taylor-achtige wervelingen, die het transport van verzadigde vloeistofelementen van het grensvlak naar de bulkvloeistof vergemakkelijken. In een ander werk over dit onderwerp9 werden de belangrijkste parameters voor verschillende vortexregimes, zoals het waterdebiet, KLa20 en SOTR, vergeleken. Deze studie toonde een grote belofte voor deze technologie omdat het systeem een zeer snelle gasoverdracht mogelijk maakt in vergelijking met andere methoden die worden gebruikt voor waterbeluchting.
Het doel van dit artikel is om deze methode te bieden en te demonstreren voor het creëren van verschillende watervortexregimes in hyperbolische Schauberger-trechters (klein: 26 cm hoog en 15 cm bovendiameter; medium: 94 cm hoog en 30 cm bovendiameter; groot: 153 cm hoog en 59 cm bovendiameter) met als doel efficiënte waterbeluchting.
Protocol
1. Algemene aanbevelingen
- Controleer alle leidingaansluitingen op lekken voordat u de installatie start.
- Controleer of het trechterdeksel op zijn plaats zit en goed vastzit.
- Reinig de trechter voor en na elk experiment met een borstel en glasreiniger, omdat deze geel kan worden door de hoge concentratie ijzer in het grondwater.
2. Experimentele opstelling
- Watervortexsysteem (figuur 3)
- Bevestig de glazen trechter (figuur 4) stevig in een verticale positie op een speciaal frame - een bord met vier poten en een sleuf in het midden, die overeenkomt met de diameter van het cilindrische deel van de trechter en groot genoeg is om de trechter erin te laten passen, maar niet te groot om er doorheen te vallen. Bevestig het frame stevig zodat het niet schudt.
- Plaats een rubberen pakking tussen het deksel en de trechter om lekken te voorkomen. Bevestig het trechterdeksel en draai het vast met de bouten.
- Sluit de grondwaterpomp aan op de tangentiële inlaat in het bovenste cilindrische deel van de trechter met behulp van slangen en slangconnectoren.
- Sluit een speciale regelklep aan om het waterdebiet tussen de pomp en de trechter aan te passen. Sluit een waterstroommeter aan tussen de regelklep en de trechter.
- Sluit de uitlaat van de trechter met een slang aan op de afvoer. Installeer op de afvoerslang, in de buurt van de uitlaat van de trechter, een klem om tegendruk te creëren tijdens de werking van het apparaat.
OPMERKING: De klem moet onmiddellijk na alle andere adapters en connectoren worden geïnstalleerd die nodig zijn voor de experimenten.
- Systeem voor tracerexperimenten (figuur 3)
- Installeer speciale adapters voor het installeren van sondes in de buurt van de in- en uitlaat. Installeer pH-sondes in deze adapters en sluit ze aan op de datalogger.
- Installeer sensoren zo dicht mogelijk bij de trechter om fouten in de HRT-berekeningen te verminderen.
- Bereid 1 ml NaOH-oplossing (concentratie: 0,2 M) voor als chemische tracer die in de waterstroom van de straal wordt geïnjecteerd.
OPMERKING: Aangezien natriumhydroxide waterige oplossing een sterke base is, wordt het weergegeven als een piekachtige toename van de pH30. - Installeer een adapter met drie openingen voor het aansluiten van het tracer-injectiesysteem, dat bestaat uit een klep en een spuit vóór de pH-sonde in de buurt van de inlaat.
- Systeem voor DO-experimenten (figuur 3)
- Lijm twee zuurstofsensorspots aan de binnenwand van de twee verschillende glasadapters, plaats ze zo dicht mogelijk bij de in- en uitlaat van de trechter en sluit ze aan op de waterleiding.
OPMERKING: Tijdens het gebruik moet het water de stickers volledig bedekken. - Installeer de glasadapter met de zuurstofsensorspot in de buurt van de in- en uitlaat van de trechter en bevestig de punt van de polymeer optische vezel (die 2 m lang is) over de sticker aan de andere kant van het glas.
- Installeer de watertemperatuursensor in de buurt van de trechterinlaat in dezelfde adapter als voor de pH-sonde. Zorg ervoor dat het dicht bij de vezel ligt, omdat de watertemperatuur wordt gebruikt om de DO-metingen te correleren.
- Sluit de polymeer optische vezel en temperatuursensor aan op de glasvezel zuurstoftransmitter.
- Sluit de glasvezelzuurstoftransmitter aan op een laptop met speciale software geïnstalleerd om het signaal van de sensor weer te geven, dat gerelateerd is aan de concentratie opgeloste zuurstof en de watertemperatuur.
- Lijm twee zuurstofsensorspots aan de binnenwand van de twee verschillende glasadapters, plaats ze zo dicht mogelijk bij de in- en uitlaat van de trechter en sluit ze aan op de waterleiding.
3. Bediening (medium funnel)
- Vortex regimes
- Zet de debietmeter aan. Start de ondergrondse waterpomp en open de regelklep volledig. Zorg ervoor dat de waterstroom aanzienlijk hoger is dan de maximale stroom die nodig is om een watervortex te vormen (1338 L/h voor de middelgrote trechter).
- Pas de gewenste waarde van de waterstroom aan door aan de regelklep te draaien. Knijp indien nodig in de klem bij de uitlaat van de trechter om water in de trechter te laten blokkeren, waardoor het waterniveau in het bovenste cilindrische deel van de trechter stijgt.
- Om verschillende regimes in te stellen, past u de waarden van de waterstroom en het waterniveau in het bovenste cilindrische deel van de trechter (tabel 1) achtereenvolgens aan in één experiment. Controleer de watervortex op stabiliteit gedurende 15 minuten. In de stabiele modus mag het waterniveau niet veranderen.
- Stel voor het gedraaide regime het debiet in op 1194 L/h en het waterniveau op 2 cm en het debiet op 1218 L/h en het waterniveau op 5 cm.
- Stel voor het rechte regime het debiet in op 1314 l/h en het waterniveau op 11 cm en het debiet op 1338 l/h en het waterniveau op 11,7 cm.
- Voor het beperkte regime, in tegenstelling tot de gedraaide en rechte regimes, creëer je tegendruk door in de klem bij de uitlaat van de trechter te knijpen. Stel het debiet in op 882 L/h en het waterniveau op 3 cm en het debiet op 936 L/h en het waterniveau op 9 cm.
- Tracer-experiment
- Kalibreer met behulp van een datalogger de pH-sondes om de geldigheid en nauwkeurigheid van de verkregen gegevens te garanderen.
- Bereid twee standaardoplossingen, één met een pH die hoger is dan de pH van het werkbereik (6-10) en één met een pH die lager is dan de pH van het werkbereik. Stel hun waarden in de datalogger in en meet ze één voor één tijdens de kalibratie. Daarna kalibreert de datalogger de pH-sondes.
- Installeer pH-sondes aan de in- en uitlaat van de trechter, sluit ze aan op de datalogger en start de opnamemodus.
- Start de installatie.
- Start de installatie en zorg ervoor dat de watervortex stabiel is.
- Vul de spuit met het bereide tracermengsel van NaOH en sluit deze aan op de tracerinjectielijn. Schroef snel de klep in het injectiesysteem los, injecteer de tracervloeistof en schroef vervolgens snel de klep.
- Voer het opslaan en analyseren uit.
- Wanneer de pH stabiliseert, bewaar dan de pH-pieken die zijn geregistreerd tijdens de passage van de tracervloeistof door een glazen trechter.
- Analyseer de entry- en exitpieken zoals beschreven in een eerder werk22 voor HRT-berekening. Om dit te doen, neemt u het punt aan het begin van de eerste piek voor het aftellen en neemt u het punt op de tweede piek, die het verdeelt in twee cijfers van gelijke oppervlakte, voor het einde van het aftellen.
- Kalibreer met behulp van een datalogger de pH-sondes om de geldigheid en nauwkeurigheid van de verkregen gegevens te garanderen.
- DOE experiment
- Kalibreer de DO-sensor met behulp van software met een laptop en de glasvezelzuurstoftransmitter. Gebruik twee vloeistoffen: een zuurstofvrij (meng 0,1 l water en 1 g natriumsulfiet) en de andere verzadigd met zuurstof (om dit te doen, belucht het met lucht gedurende 15 minuten). Selecteer vervolgens de kalibratiefunctie in de software en meet beide vloeistoffen achtereenvolgens.
- Voer de installatie en opname uit.
- Installeer de DO-sensor aan de in- en uitlaat van de trechter. Installeer bovendien de temperatuursensor in de buurt van de trechterinlaat. Sluit ze aan op de glasvezelzuurstofzender en start de opnamemodus.
- Start de installatie en zorg ervoor dat de watervortex stabiel is. Bereik de modus waarin de waarde van de do-concentratie stabiel is en registreer de gegevens.
OPMERKING: Als de metingen niet stabiel zijn, zijn de gegevens niet geldig en moet het experiment worden herhaald.
Resultaten
De watervortex in de Schauberger hyperbolische trechter wordt gevormd in verschillende regimes (gedraaid, recht en beperkt) (figuur 1). Als gevolg hiervan wordt het water verrijkt met atmosferische zuurstof en wordt oxidatie van chemische soorten in het water bevorderd. Het systeem heeft geen energie nodig, behalve voor het pompen van water in het bovenste deel van de hyperbolische trechter.
Het gedraaide regime heeft een dubbele helixvorm en het grootste raakvlak tussen water en lucht. Voor de creatie ervan is het noodzakelijk om een gemiddelde waterstroom toe te passen (75-78 l / h voor de kleine trechter, 1.194-1.218 l / h voor de middelgrote trechter en 4.834-5.032 l / h voor de grote trechter). De hoogte in het bovenste cilindrische deel van de trechter mag niet meer dan 2 cm zijn voor de kleine trechter, 7 cm voor de middelgrote trechter en 16 cm voor de grote trechter.
Het rechte regime heeft een gladde rechte vorm en een kleinere interface tussen water en lucht. Dit regime vereist een maximale waterstroom (93-100 l/u voor de kleine trechter, 1.314-1.338 l/u voor de middelgrote trechter en 5.102-5.289 l/u voor de grote trechter). De hoogte kan de dekking voor alle trechters bereiken.
Afhankelijk van het waterniveau kan het beperkte regime de vorm aannemen van zowel gedraaide als rechte wervelingen. De eigenaardigheid van dit regime is echter dat de lengte ervan verandert afhankelijk van de toepassing van tegendruk, in tegenstelling tot in de vorige modi, waarvoor geen druk wordt uitgeoefend. Het wordt ook gevormd aan de bovenkant van de trechter; Met toenemende tegendruk begint de staart echter korter te worden en verdwijnt de vortex geleidelijk uit het onderste deel. De waterstroom is extreem klein (58-70 l / h voor de kleine trechter, 882-936 l / h voor de middelgrote trechter en 2.351-2.634 l / h voor de grote trechter), en de hoogte kan zowel minimaal als maximaal zijn, afhankelijk van de trechtergeometrie.
De verschillende regimes kunnen worden gestabiliseerd en in elkaar worden omgezet, afhankelijk van het waterdebiet, de tegendruk en de geometrie van het systeem. Parameters zoals het waterdebiet, de zuurstofvolumetrische massaoverdrachtscoëfficiënt en de standaard zuurstofoverdrachtssnelheid kenmerken de beluchtingsefficiëntie. Het is te zien dat voor de gedraaide vortex met een laag waterdebiet de K L a 20 de hoogste was (figuur 4), meerdere malen hoger dan de KLa20 voor rechte en beperkte regimes en tientallen keren hoger dan dezelfde indicator voor conventionele systemen, die ook worden gebruikt voor de beluchting van meren en rivieren (Air Jet, Waaier, Paddle) en zijn veel energie-intensiever. Met verdere toename van de waterstroom nam de KLa20 geleidelijk af, maar het waterniveau, dat wil zeggen het watervolume in het systeem, nam toe. Na enige drempelwaarde schakelde het verwrongen regime over op het rechte regime. Voor elk regime waren er stationaire omstandigheden waarbij hun volume en hydraulische parameters niet veranderen.
Bij het vergelijken van vergelijkbare regimes voor kleine, middelgrote en grote trechters waren de verschillen tussen de waterdebieten en -volumes van de systemen echter aanzienlijk. Tegelijkertijd veranderden de verhoudingen van de KLa20-waarden echter niet veel. De maximale waarden van 83 h-1 voor de kleine trechter, 60 h-1 voor de middelgrote trechter en 79 h-1 voor de grote trechter werden bereikt in het gedraaide regime.
Tegelijkertijd, toen de KLa20 afnam met toenemende waterstroom, nam de MRT toe, wat aangeeft dat het water meer tijd nodig had om door de trechter te gaan, zoals in detail beschreven door Donepudi24. Voor KLa20 was de waarde van MRT echter ongeveer hetzelfde voor de gedraaide en rechte regimes in verschillende trechters. De MRT varieerde van 10 s tot 43 s voor de kleine trechter, van 14 s tot 30 s voor de middelgrote trechter en van 24 s tot 43 s voor de grote trechter (tabel 1).
Figuur 1: Watervortexregimes in een 26 cm hoge glazen hyperbolische Schaurger-trechter. (A) gedraaid (75 l/h), (B) recht (100 l/h), (C) beperkt (70 l/h). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Watervortexregimes in een 94 cm hoge glazen hyperbolische Schauberger-trechter. (A) gedraaid (1,194 l/h), (B) recht (1,314 l/h), (C) beperkt (882 l/h). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Schets van de opstelling die is gebruikt voor de experimenten die worden beschreven in protocolstappen 3.1-3.3. (1) Grondwaterpomp; (2) regelklep; (3) waterstroommeter; (4, 5) polymeer optische vezels voor DO-detectie; (6, 7) pH-sondes; (8) temperatuursensor; (9) spuit met tracer; (10) klep; (11) Schauberger hyperbolische trechter; (12) glasvezelzuurstoftransmitter; (13) laptop; (14) datalogger; (15) klem; (16) waterafvoer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Foto van de grote trechteropstelling. (1) Grondwaterreservoir; (2) waterpomp; (3) waterstroommeter; (4) spuit met verklikker; (5, 6) glazen adapters met de zuurstofsensorspot; (7), (8) pH-sondes; (9) Schauberger hyperbolische trechter; (10) waterafvoer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Trechter | Regime | φ (L/u) | HST(en) | MRT(s) | KLA20 (h-1) | V (L) | Niveau (cm) | Cin (mg/L) | Cuit (mg/L) | SOTR (gØ 2/h) | SAE (g Ø2/kWh) |
| Klein | Verdraaid | 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 | ||
| Recht | 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 | ||
| Beperkt | 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 | ||
| Gemiddeld | Verdraaid | 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 | ||
| Recht | 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 | ||
| Beperkt | 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 | ||
| Groot | Verdraaid | 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 | ||
| Recht | 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 | ||
| Beperkt | 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 |
Tabel 1: Hydraulische basiskenmerken en beluchtingsefficiëntieparameters voor kleine (figuur 1), middelgrote (figuur 2) en grote trechters.
Discussie
Als de grondwaterpomp te krachtig is en het systeem de druk niet kan vasthouden, kan een extra afvoer worden toegevoegd voor de regelklep om deze te verminderen. Het is erg belangrijk om de sensoren te kalibreren voor betrouwbare resultaten en voor het tracerexperiment om snelle sondes te garanderen. Als de sondes traag zijn, zal dit de HST-metingen vervormen. Verder, als de HRT veel kleiner is dan de MRT voor het rechte regime, kan dit erop wijzen dat de tangentiële ingang van de trechter aanzienlijk onder het waterniveau ligt en dat een deel van de tracervloeistof naar de afvoer gaat nadat deze de trechter is binnengegaan, waardoor een afname van HST ontstaat.
De watervortex in een hyperbolische Schaurberger-trechter is erg gevoelig voor het waterdebiet. Hoe kleiner het systeem, hoe meer het afhankelijk is van stromingsveranderingen. Als het regime stabiel is, mag het waterniveau in de trechter niet veranderen met de tijd. Als dit niet het geval is, zal het stijgen of dalen. Daarom is het de moeite waard om aandacht te besteden aan het waterniveau om wateroverloop, scheuren als gevolg van verhoogde druk in de trechter of een ongewenste regimeverandering te voorkomen.
Om het regime van de vortex (protocolstappen 3.1.3.1-3.1.3.3) en de stabiliteit ervan te bepalen, is het voordelig dat de trechter transparant is. Om deze reden werd in dit werk een glazen trechter gebruikt. Het is absoluut noodzakelijk om zeer voorzichtig te zijn bij het transporteren, hanteren en installeren, en men moet opletten dat de schroeven van het deksel niet te veel worden aangedraaid om het niet te beschadigen (protocolstap 2.1.2).
Om de HST te bepalen, moeten protocolstappen 3.2.2-3.2.3 zo vaak mogelijk worden herhaald (ten minste 10x) omdat, vanwege de hoge turbulentie van het systeem en de aanwezigheid van secundaire stromen (Taylor-achtige wervelingen), de tracerjet zich kan scheiden en verschillende manieren door de trechter kan reizen. Zo toonden Donepudi et al.24 en Mulligan et al.28 aan dat hoe dichter de waterlaag zich bij de glazen wand bevindt, hoe sneller deze naar de afvoer zal gaan. De sondes moeten altijd worden gewassen met gedeïoniseerd water en worden afgeveegd om te voorkomen dat het monster en de opslagoplossing worden gemengd, wat de gegevens kan bederven en de kwaliteit van de elektrodeopslag kan verslechteren.
Voor het DO-experiment is het belangrijk om een stabiele zuurstofconcentratiewaarde te bereiken aan de uitgang van het systeem (protocolstap 3.3.2.2). Als het regime niet stabiel is, maar de schommelingen in het systeem niet significant zijn, moet de verkregen waarde worden gemiddeld. Het is ook noodzakelijk om een gat in het deksel te hebben voor ventilatie om luchtstroom in het systeem mogelijk te maken voor verdere beluchting.
Ondanks de hoge waarden van KLa20 en de energie-efficiëntie van dit systeem, is de SOTR-waarde laag in vergelijking met andere methoden26 vanwege de lage waterdebieten van de beschikbare trechters; Dit is momenteel een beperking voor het industriële gebruik van de hyperbolische trechter voor waterbeluchting. Het is echter aangetoond dat een hoog rendement van het systeem kan worden bereikt voor verschillende schalen met grote, middelgrote en kleine trechters. Hieruit kunnen we concluderen dat door de geometrie te veranderen (afmetingen, diameters van de inlaat en uitlaat, kromming van de wanden), het mogelijk is om de snelheid en het volume van de waterbehandeling aanzienlijk te verhogen zonder de beluchtingsefficiëntie te verminderen. Bovendien is in tabel 1 te zien dat een toename van de trechterlengte met 1,1 m leidde tot een meer dan 100-voudige stijging van de SOTR. Rekening houdend met het feit dat in sommige waterzuiveringsinstallaties het waterniveauverschil enkele meters kan bereiken, zou (gedeeltelijke) beluchting kunnen worden bereikt tegen veel lagere kosten dan nu het geval is. Het bepalen van hoe verschillende geometrische parameters van de trechter het waterdebiet beïnvloeden en KLa20 voor vortexregimes kan dus een goedkope en concurrerende technologie bieden voor de beluchting van grondwater. Als alternatief, zoals blijkt uit Schauberger31, kan beluchting worden gebruikt om de kwaliteit van waterreservoirs, meren en rivieren te verbeteren.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren dat ze geen bekende concurrerende financiële belangen of persoonlijke relaties hebben die van invloed lijken te zijn geweest op het werk dat in dit artikel wordt gerapporteerd.
Dankbetuigingen
Dit werk werd uitgevoerd in het samenwerkingskader van Wetsus European Center of Excellence for Sustainable Water Technology (www.wetsus.eu) binnen het thema Applied Water Physics. Wetsus is mede opgericht door het Ministerie van Economische Zaken en het Ministerie van Infrastructuur en Milieu, de provincie Friesland en de provincies Noord-Nederland. Dit onderzoek heeft financiering ontvangen van het Horizon 2020-onderzoeks- en innovatieprogramma van de Europese Unie onder de Marie Sklodowska-Curie-subsidieovereenkomst nr. 665874 en het Gilbert-Armstrong-lab. Wij stellen de steun van Maarten V. van de Griend voor dit werk zeer op prijs.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 1-/2-kanaals zender | Endress+Hauser | CM442 | Datalogger |
| Regelklep | +GF+ | 625DN20 | Typ514 |
| Datalogger | Endress+Hauser | CM442 | Liquiline |
| Vezeloptische zuurstofzender | PreSens | SACN0002000005 | Fibox 3 |
| Glazen elleboogconnector | Op maat gemaakt | - | Adapter voor de pijpleiding |
| Grondwaterpomp | SAER | 3637899 | H/150 |
| Laptop | willekeurig | willekeurig | Windows 10 of hoger |
| Grote glazen trechter | Op maat gemaakt | - | 94 cm hoog |
| Zuurstofcalculator | PreSens | v. 3.1.1 | Software |
| Zuurstofsensorplekken | PreSens | NAU-D5-YOP | SP-PSt3 |
| pH-connector | Op maat gemaakt | - | Adapter voor de pH-sonde |
| pH-sensor | Endress+Hauser | CPS11 | Orbisint CPS11 |
| Polymeerglasvezel | PreSens | POF-L2.5-2SMA | OXY-1 SMA |
| Rubberen afdichting | ERIKS | 11535207 | 141x197x2mm |
| Rubberen afdichting | ERIKS | 12252766 | 273x340x3mm |
| Kleine glazen trechter | Op maat gemaakt | - | 26 cm hoog |
| Waterstroommeter | Endress+Hauser | P7066819000 | Picomag |
| Waterstroommeter | Kobolt | 5NA15AC34P | MIK |
| Watertemperatuurconnector | PreSens | - | Pt100 |
Referenties
- Tsuji, K., Muller, S. C. Spirals and Vortices in Culture, Nature, and Science. , Springer Nature. Switzerland. (2019).
- Uchiyama, Y., Zhang, X., Yanase, S. Generation mechanism of Tidally-driven whirlpools at a narrow strait in an estuary. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 945, 012028(2021).
- Vallee, J. P. Metastudy of the spiral structure of our home galaxy. The Astrophysical Journal. 566 (261), 261-265 (2002).
- Dunlap, R. A. The Golden Ratio and Fibonacci Numbers. , World Scientific. Singapore. (1997).
- Da Vinci, L., Manuscript B, L. P. aris Paris Manuscript B. Folio 83v. Collection of Institute de France. , (2023).
- Johnson, W. Helicopter Theory. , Dover Publications. New York, NY. (1980).
- Johansson, L., Ovesen, M., Hallberg, C. Self-organizing flow technology In Viktor Schauberger's footsteps. Institute of Ecological Technology Scientific and Technical Reports. , Malmo, Sweden. (2002).
- Sarafzadeh, M. Design and analysis of sustainable ways for water purification. Polytechnic University of Turin, Italy. , MSc thesis (2022).
- Agostinho, L. L. F. Enhanced oxygen volumetric mass transfer in a geometrically constrained vortex. Water. 14 (5), 771(2022).
- de Kroon, E. Iron oxidation in groundwater using a hyperbolic water vortex system. Graduation Internship. Van Hall Larenstein University of Applied Sciences. , the Netherlands. (2021).
- Sharma, K. S. Adsorptive iron removal from groundwater. Wageningen University. , The Netherlands. PhD thesis (2001).
- Compendium voor de Leefomgeving. Waterwinning en watergebruik in Nederland 1976-2018. , Available from: https://clo.nl/indicatoren/nl0057-waterwinning-en-verbruik-nederland (2022).
- vanden Brink, C., Frapporti, G., Griffioen, J., Zaadnoordijk, J. W. Statistical analysis of anthropogenic versus geochemical-controlled differences in groundwater composition in The Netherlands. Journal of Hydrology. 336 (3-4), 470-480 (2007).
- Besluit kwaliteit drinkwater BES. Wettenbank. , Available from: https://wetten.overheid.nl/BWBR0028642/2010-10-10 (2010).
- Thakre, S. B., Bhuyar, L. B., Deshmukh, S. J. Effect of different configurations of mechanical aerators on oxygen transfer and aeration efficiency with respect to power consumption. International Journal of Aerospace and Mechanical Engineering. 2 (2), 100-107 (2008).
- Rosso, D., Larson, L. E., Stenstrom, M. K. Aeration of large-scale municipal wastewater treatment plants: state of the art. Water Science & Technology. 57 (7), 973-978 (2008).
- van de Griend, M. V., et al. Vortex impeller-based aeration of groundwater. Water. 14 (5), 795(2022).
- Aeration and gas stripping. TU Delft OpenCourseWare. , Available from: https://ocw.tudelft.nl/wp-content/uploads/Aeration-and-gas-stripping-1.pdf (2015).
- Popel, H. J. Aeration and Gas Transfer. Delft University of Technology. , the Netherlands. (1976).
- Drewnowski, J., Remiszewska-Skwarek, A., Duda, S., Lagod, G. Aeration process in bioreactors as the main energy consumer in a wastewater treatment plant. Review of solutions and methods of process optimization. Processes. 7 (5), 311(2019).
- Hydro International's Wastewater Division. Wastewater treatment: Bubbling up for major energy saving. Filtration + Separation. 48 (2), 42-43 (2011).
- Levenspiel, O. Tracer Technology, Modeling the Flow of Fluids. , Springer. New York, NY. (2012).
- Danckwerts, P. V. Continuous flow systems - Distribution of residence times. Chemical Engineering Science. 2, 1-13 (1953).
- Donepudi, T. Vortices in hyperbolic funnels as aeration systems. Delft University of Technology. , the Netherlands. MSc thesis (2021).
- Benjamin, M. M., Lawler, D. F. Water Quality Engineering - Physical/Chemical Treatment Processes. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, NJ. (2013).
- Marappan, J. Assessment of the new generation aeration systems efficiency and water current flow rate, its relation to the cost economics at varying salinities for Penaeus vannamei culture. Aquaculture Research. 51 (5), 2112-2124 (2020).
- American Society of Civil Engineers. Measurement of Oxygen Transfer in Clean Water. American Society of Civil Engineers. , Reston, Virginia. (1992).
- Mulligan, S., de Cesre, G., Casserly, J., Sherlock, R. Understanding turbulent free-surface vortex flows using a Taylor-Couette flow analogy. Scientific Reports. 8 (1), 824(2018).
- Niemeijer, C. Simulation of a hyperbolic water vortex. Grenoble Institute of Technology. , France. MSc thesis (2019).
- Fabienne, A. Design and characterization of a rotating bed system bioreactor for tissue engineering applications. Biotechnology Progress. 24, 140-147 (2008).
- Schauberger, J. Hyperbolic Cone Fountains and Spiral Pipes. TrueSpring. , Available from: https://truespring.wordpress.com/w013/05/10/hyperbolice-cone-fountain-and-spiral-pipes/ (2013).
Herprints en machtigingen
