Artykuł metodologiczny

Przygotowanie hiperbolicznych wirów wodnych o swobodnej powierzchni

5.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/64516

⸱

28 lipca 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

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł opisuje, jak można stworzyć trzy różne reżimy wirów wodnych w hiperbolicznym lejku Schaubergera, ich najważniejsze cechy oraz jak można obliczyć powiązane parametry, takie jak szybkość transferu tlenu.

Streszczenie

Wolne wiry powierzchniowe są obecne w przemyśle w regulacji przepływu, rozpraszaniu energii i generowaniu energii. Pomimo obszernych badań, brakuje szczegółowych danych eksperymentalnych dotyczących wirów na powierzchni swobodnej, szczególnie w odniesieniu do turbulencji na granicy faz. Niniejsza praca opisuje specjalny typ wiru na swobodnej powierzchni, po raz pierwszy zaproponowany przez Waltera Schaubergera w latach sześćdziesiątych XX wieku, który ma współczynnik objętościowego transferu masy tlenu przekraczający wartość podobnych układów. Ten szczególny rodzaj wiru tworzy się w lejku hiperbolicznym. Różne stabilne reżimy mogą być stabilizowane o różnych charakterystykach hydraulicznych. Inne zalety tej technologii to jej energooszczędność, prosta konstrukcja i skalowalność. Przepływ w tym lejku hiperbolicznym charakteryzuje się silnymi turbulencjami i zwiększoną powierzchnią granicy faz powietrze-woda. Lokalne ciśnienie silnie zmienia się wzdłuż powierzchni, co skutkuje wyraźną falistą warstwą graniczną powietrzno-wodną. Ze względu na przepływ spiralny perturbacje te przemieszczają się do wewnątrz, ciągnąc za sobą warstwę graniczną. Wynikowy gradient ciśnienia wciąga pewną objętość powietrza do wiru wodnego. W niniejszej pracy przedstawiono konstrukcję podstawowej konfiguracji lejka hiperbolicznego oraz przykłady operacyjne, w tym wizualizację szybkości dla trzech różnych reżimów stabilnych.

Wprowadzenie

Nasze życie jest ściśle powiązane ze strukturami spiralnymi. Występują one niemal w każdym obiekcie i wszędzie, w tym w budowie muszli i amonitów oraz w formowaniu się huraganów, tornad i wirów wodnych1,2. W skali kosmologicznej galaktyki powstają i ewoluują zgodnie z zasadą spirali logarytmicznej3. Najbardziej znane spirale to spirala złota i spirala Fibonacciego4, które znajdują wiele zastosowań – od opisywania wzrostu roślin i struktury krystalograficznej niektórych ciał stałych, po opracowywanie algorytmów wyszukiwania w bazach danych komputerowych. Ciąg Fibonacciego definiuje się jako szereg liczbowy, który zaczyna się od 0 i 1, a każda kolejna liczba jest sumą dwóch poprzednich. Ciąg ten można również zaobserwować, obliczając tempo rozmnażania królików. Spirale należą do najstarszych kształtów geometrycznych rysowanych przez Homo sapiens, czego przykładem są koncentryczne kręgi znalezione w Kolumbii i Australii (40 000–20 000 r. p.n.e.1). Leonardo da Vinci5 próbował stworzyć maszynę latającą w kształcie helikoptera, wykorzystując spiralne łopatki (z greckiego słowa ἕλιξ πτερόν, czyli helix pteron, oznaczającego spiralne skrzydło). Kierując się tą samą zasadą, konstruktor samolotów, Igor Sikorski, zbudował pierwszy seryjnie produkowany helikopter 450 lat później6.

Wiele innych przykładów wskazuje na fakt, że helikalne struktury przepływu mogą być bardzo wydajne i ekonomiczne, ponieważ ten rodzaj przepływu jest preferencyjnie występujący w naturze. Na początku XX wieku zauważył to austriacki leśnik i filozof Viktor Schauberger. Twierdził on, że ludzie powinni badać naturę i uczyć się od niej, zamiast próbować ją korygować. W oparciu o swoje koncepcje zbudował dość niezwykłe rynny do spławiania drewna; rynny te nie biegły po najkrótszej linii prostej między dwoma punktami, lecz podążały za meandrami dolin i strumieni. Taka konstrukcja sprawiała, że woda przepływała, skręcając spiralnie wokół swojej osi i tworząc w ten sposób wir, co redukowało ilość zużytej wody i zapewniało prędkość transportu znacznie przekraczającą wartości uznawane za normalne7.

Idąc w ślady ojca, syn Viktora, Walter, opracował nowe technologie wykorzystujące wir wodny8 do różnych celów: uzdatniania wody pitnej, procesów przemysłowych, renaturyzacji stawów i cieków wodnych, napowietrzania stawów i małych jezior oraz regulacji i przywracania stanu pierwotnego rzek. Jedna z tych idei zyskała ostatnio znaczne zainteresowanie, mianowicie oczyszczanie wody przy użyciu lejka hiperbolicznego8, w którym wir powstaje wyłącznie dzięki przepływowi wody, bez zastosowania żadnych urządzeń mieszających. Udowodniono, że jest to bardzo skuteczna metoda utleniania żelaza w wodach podziemnych9,10. Ograniczeniem tej technologii jest jej mniejsza efektywność w przypadku wody o niskim pH11.

Duże ilości wody pitnej w Holandii pozyskiwane są ze źródeł podziemnych12, w których stężenie żelaza może osiągać kilkadziesiąt miligramów na litr13, podczas gdy za dopuszczalną według norm uznaje się wartość 0,2 mg/L14. Większość stacji uzdatniania wody wykorzystuje napowietrzanie jako jeden z pierwszych etapów procesu oczyszczania wody w celu obniżenia stężenia żelaza. W większości przypadków celem napowietrzania jest zwiększenie zawartości tlenu rozpuszczonego, usunięcie z wody gazów i innych substancji powiązanych lub oba te działania jednocześnie15. Istnieją różne metody wprowadzania tlenu do mediów ciekłych poprzez napowietrzanie. Metody te obejmują mieszanie powierzchni cieczy za pomocą mieszadła lub turbiny oraz tłoczenie powietrza przez otwory makroskopowe lub materiały porowate16.

Proces chemiczny utleniania żelaza został zademonstrowany przez van de Grienda17, w którym cząsteczka tlenu przejmuje elektron z żelaza dwuwartościowego i reaguje z wolnym protonem, tworząc wodę, podczas gdy jon żelaza ulega utlenieniu (równanie [1]):

Równanie reakcji redoks, \(Fe^{2+} + \frac{1}{4}O_2 + H^+ \to Fe^{3+} + \frac{1}{2}H_2O\), chemia.,     (1)

Jon żelaza wytrąca się następnie jako Fe(OH)3 w wyniku reakcji z wodą, co powoduje uwalnianie protonów (równanie [2]):

Równanie reakcji wytrącania, Fe<sup>3+</sup> + 3H<sub>2</sub>O → Fe(OH)<sub>3</sub>↓ + 3H<sup>+</sup>, proces chemiczny.     (2)

Całkowita reakcja jest przedstawiona w równaniu (3):

Wzór reakcji chemicznej; utlenianie żelaza; wytrącanie Fe(OH)₃; Fe²⁺, O₂, H₂O do Fe(OH)₃, H⁺..     (3)

W procesie napowietrzania najczęściej stosowanymi technikami są systemy kaskadowe, wieżowe, rozpylające oraz płytowe18,19. Wadą tych technologii jest to, że zużywają one od 50% do 90% całkowitej energii20 oraz do 40% budżetu przeznaczonego na eksploatację i konserwację oczyszczalni ścieków21.

Zastosowanie lejka hiperbolicznego do napowietrzania może znacząco obniżyć koszty i zwiększyć efektywność tego procesu. Lejki hiperboliczne są mniej podatne na zatykanie ze względu na swoją geometrię oraz brak ruchomych części, co oznacza, że energia jest zużywana wyłącznie na pompowanie wody. Taki system można opisać za pomocą kilku parametrów, takich jak godzinowy przepływ wody przez lejek (φ), średni czas przebywania (MRT), hydrauliczny czas retencji (HRT), objętościowy współczynnik przenikania masy tlenu (KLa20) (skorygowany do standardowej temperatury 20°C), standardowa szybkość transferu tlenu (SORT) oraz standardowa wydajność napowietrzania (SAE). Natężenie przepływu lejka jest niezbędne do obliczenia objętości wody, jaką można przetworzyć w określonym czasie. MRT oblicza się z proporcji natężenia przepływu wody do jej objętości w lejku dla danego reżimu, korzystając z równania (4):

Równanie dla średniego czasu przebywania, MRT=V/φ, [MRT]=s; analiza procesów chemicznych, wzór.     (4)

gdzie V oznacza objętość cieczy w reaktorze.

HRT można wyznaczyć doświadczalnie z wykorzystaniem technologii znaczników.22 poprzez jego rozkład czasu przebywania. HRT dostarcza fundamentalnych informacji na temat procesów mieszania, zatrzymania materiału oraz zjawisk segregacji23Wykazała to Donepudi24 że im dalej od wlotu znajduje się strumień wody, tym szybciej porusza się on w stronę wylotu. W momencie początkowym woda jest pompowana stycznie do górnej cylindrycznej części lejka. Następnie, pod wpływem grawitacji oraz geometrii układu, prędkość styczna maleje, a prędkość osiowa rośnie. Objętościowy współczynnik przenoszenia masy tlenu, KLa20 (jednostka odwrotności czasu) określa zdolność układu do wspomagania transferu tlenu do fazy ciekłej10Można go obliczyć25,26 zgodnie z równaniem (5):

Równanie termodynamiczne dla rozpuszczalności gazu, obraz tekstu; zawiera symbole φ, cs, T oraz funkcję ln.     (5)

gdzie Cout to stężenie tlenu rozpuszczonego (DO) w cieczy głównej, Cin to stężenie DO w dopływie, Cs to stężenie DO przy nasyceniu, a T to temperatura wody.

Wartość SORT to standardowa szybkość transferu tlenu do fazy ciekłej w systemie, którą wyznacza się zgodnie z równaniem (6)27:

Równanie równowagi statycznej; wzór SOTR; metoda analizy szybkości transferu tlenu.     (6)

gdzie Schemat symbolu chemicznego \( ^{20}_{10}\text{Ne} \), przedstawiający zapis izotopowy w chemii. czy DO przy nasyceniu dla temperatury wynosi 20 °CWartość SOTR można określić dla konkretnego procesu, w takim przypadku objętość użyta w równaniu (6) jest normalizowane przy założeniu 1 h czasu traktowania (SOTR specyficzne dla procesu), aby metody napowietrzania w skali pilotażowej można było porównać z systemami w skali rzeczywistej. W celu określenia wydajności danego reżimu w lejku należy obliczyć SOTR specyficzne dla systemu, przy czym wykorzystuje się objętość wody wewnątrz lejka dla (specyficznego dla reżimu) czasu retencji hydraulicznej. Wartość ta jest istotna podczas obliczania rzeczywistych możliwości napowietrzania danego reżimu w konkretnym lejku.

SAE jest stosunkiem SOTR do energii zużytej na napowietrzanie. Ponieważ energia jest wydatkowana jedynie na pompowanie wody na górną część lejka oraz nadanie jej przepływu niezbędnego do utworzenia wiru, oblicza się ją jako sumę energii potencjalnej objętości wody pompowanej na godzinę na wysokości odpowiadającej długości lejka oraz energii kinetycznej potrzebnej wodzie do wytworzenia wiru27 zgodnie z równaniem (7):

Równania wydajności napowietrzania statycznego, wzór SAE, wydajność transferu tlenu, obliczenia naukowe.     (7)

gdzie Pp to moc potencjalna (w kW) wymagana do podniesienia wody pompowanej na wysokość lejka, a Pk to moc kinetyczna (w kW) wymagana, aby woda pompowana na górze lejka uzyskała przepływ wystarczający do stworzenia wiru. Zazwyczaj w przypadku równania (7) należy stosować SOTR specyficzny dla systemu. Jeśli zamiast tego zastosuje się SOTR specyficzny dla procesu, otrzymany zostanie wynik zużycia energii dla (teoretycznego) systemu o hydraulicznym czasie retencji wynoszącym 1 h.

Parametry te są wystarczające do oceny skuteczności i wykonalności zastosowania tej technologii, ale nie do opisania samego procesu. Należy wspomnieć, że wiry należą do najmniej zrozumiałych zjawisk w dynamice płynów, dlatego w tym kierunku inwestuje się wiele wysiłków badawczych. Jednym z głównych wyzwań w poszukiwaniu ogólnych praw i reguł dotyczących wirów w dynamice płynów jest fakt, że zawsze występują zmienne geometryczne warunki brzegowe, które wpływają na rozwój wirów oraz znacząco oddziałują na ich formowanie i dynamikę. Zatem zasadne jest założenie, że wir z wolną powierzchnią (FSV) nie może być rozpatrywany analogicznie do wiru zamkniętego typu laboratoryjnego. Jednak Mulligan i wsp.28 wykazali w przypadku przepływu Taylora-Couette'a (TCF), że jeśli rdzeń powietrzny FSV zostanie uznany za wirtualny wewnętrzny cylinder obracający się z taką samą prędkością jak rdzeń powietrzny, oba zjawiska można traktować podobnie. Dzięki temu równania reprezentujące pole przepływu wiru z wolną powierzchnią można zastąpić warunkami prędkości kątowej wirtualnego cylindra, co prowadzi do równań dla systemu TCF. Wykazano również, że jeśli prędkość obrotowa wyimaginowanego cylindra zostanie zwiększona, w pewnym momencie pojawiają się wiry typu Taylora28 jako wtórne pole przepływu, a następnie znikają one w pobliżu ścianek.

Po wykazaniu przez Niemeijra29, że w lejku Schaubergera możliwe jest uzyskanie trzech różnych typów wirów wodnych (skręconego, prostego i ograniczonego) (Rycina 1 i Rycina 2), które charakteryzują się odmiennymi parametrami hydraulicznymi, Donepudi24 zastosował to samo podejście co Mulligan i współpracownicy28 w celu symulacji reżimów wirowych przy użyciu obliczeniowej mechaniki płynów (CFD), a tym samym analizy organizacji ich pola przepływu, aby zrozumieć leżące u podstaw mechanizmy fizyczne. System jest bardzo turbulentny, a wtórne pole przepływu jest bardzo niestabilne i charakteryzuje się pojawieniem się licznej ilości wirów typu Taylora. Transport gazu z fazy gazowej do fazy ciekłej jest sterowany przez dyfuzję, adwekcję i reakcję. Aby zatem zwiększyć wydajność tego procesu, konieczne jest zwiększenie albo gradientu stężenia gazu, albo ruchu objętościowego cieczy. Ten drugi bezpośrednio zależy od turbulencji systemu w postaci wirów typu Taylora, które ułatwiają transport nasyconych elementów płynu z powierzchni międzyfazowej do wnętrza cieczy. W innej pracy na ten temat9 porównano główne parametry dla różnych reżimów wirowych, takie jak natężenie przepływu wody, KLa20 oraz SOTR. Badanie to wykazało duży potencjał tej technologii, ponieważ system ten umożliwia bardzo szybki transfer gazu w porównaniu z innymi metodami stosowanymi do napowietrzania wody.

Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie i zademonstrowanie metody tworzenia różnych reżimów wirów wodnych w hiperbolicznych lejach Schaubergera (mały: 26 cm wysokości i 15 cm średnicy górnej; średni: 94 cm wysokości i 30 cm średnicy górnej; duży: 153 cm wysokości i 59 cm średnicy górnej) w celu efektywnego napowietrzania wody.

Protokół

1. Ogólne zalecenia

  1. Przed rozpoczęciem konfiguracji sprawdź wszystkie połączenia rurowe pod kątem wycieków.
  2. Sprawdź, czy pokrywa lejka jest na swoim miejscu i zabezpiecz
    3. .
  3. Wyczyść lejek przed i po każdym eksperymencie szczotką i środkiem do czyszczenia szkła, ponieważ może on zmienić kolor na żółty z powodu wysokiego stężenia żelaza w wodach gruntowych.

2. Konfiguracja eksperymentalna

  1. System wirów wodnych (Rysunek 3)
    1. Bezpiecznie zamocuj szklany lejek (Rysunek 4) w pozycji pionowej na specjalnej ramie - desce z czterema nogami i szczeliną pośrodku, która odpowiada średnicy cylindrycznej części lejka i jest wystarczająco duża, aby lejek się zmieścił, ale nie za duża, aby mógł przepaść. Bezpiecznie przymocuj ramę, aby się nie trzęsła.
    2. Umieść gumową uszczelkę między pokrywą a lejkiem, aby uniknąć wycieków. Załóż pokrywę lejka i dokręć ją za pomocą.
    3. Podłącz pompę wody gruntowej do stycznego wlotu w górnej cylindrycznej części lejka za pomocą węży i złączek do węży.
    4. Podłącz specjalny zawór sterujący, aby wyregulować natężenie przepływu wody między pompą a lejkiem. Podłącz przepływomierz wody między zaworem sterującym a lejkiem.
    5. Podłącz wylot lejka do odpływu za pomocą węża. Na wężu odpływowym, w pobliżu wylotu lejka, zainstaluj zacisk, aby wytworzyć ciśnienie zwrotne podczas pracy urządzenia.
      UWAGA: Clamp powinien być zainstalowany natychmiast po wszystkich innych adapterach i złączach wymaganych do eksperymentów.
  2. System do eksperymentów ze znacznikami (Rysunek 3)
    1. Zainstaluj specjalne adaptery do instalacji sond w pobliżu wlotu i wylotu. Zainstaluj sondy pH w tych adapterach i podłącz je do rejestratora danych.
    2. Zainstaluj czujniki jak najbliżej lejka, aby zmniejszyć błąd w obliczeniach HRT.
    3. Przygotować 1 ml roztworu NaOH (stężenie: 0,2 M) do użycia jako znacznik chemiczny, który jest wstrzykiwany do strumienia wody.
      UWAGA: Ponieważ wodny roztwór wodorotlenku sodu jest mocną zasadą, jest wyświetlany jako pikowy wzrost pH30.
    4. Zainstaluj adapter z trzema otworami do podłączenia systemu wtrysku znacznikowego, który składa się z zaworu i strzykawki przed sondą pH w pobliżu wlotu.
  3. System do eksperymentów DO (Rysunek 3)
    1. Przyklej dwie plamki czujnika tlenu do wewnętrznej ścianki dwóch różnych szklanych adapterów, umieszczając je jak najbliżej wlotu i wylotu lejka i podłączając je do wodociągu.
      UWAGA: Podczas pracy woda musi całkowicie zakryć naklejki.
    2. Zamontuj szklany adapter z miejscem czujnika tlenu w pobliżu wlotu i wylotu lejka i przymocuj końcówkę światłowodu polimerowego (o długości 2 m) na naklejce po drugiej stronie szkła.
    3. Zamontuj czujnik temperatury wody w pobliżu wlotu lejka w tym samym adapterze, co w przypadku sondy pH. Upewnij się, że znajduje się blisko światłowodu, ponieważ temperatura wody jest używana do korelacji pomiarów DO.
    4. Podłącz światłowód polimerowy i czujnik temperatury do światłowodowego przetwornika tlenu.
    5. Podłącz światłowodowy przetwornik tlenu do laptopa z zainstalowanym specjalnym oprogramowaniem do wyświetlania sygnału z czujnika, który jest związany ze stężeniem rozpuszczonego tlenu i temperaturą wody.

3. Operacja (średni lejek)

  1. Reżimy wirowe
    1. Włącz przepływomierz. Uruchom podziemną pompę wodną i całkowicie otwórz zawór sterujący. Upewnij się, że przepływ wody jest znacznie wyższy niż maksymalny przepływ wymagany do utworzenia wiru wodnego (1338 l/h dla lejka pożywki).
    2. Wyreguluj żądaną wartość przepływu wody, przekręcając zawór sterujący. W razie potrzeby ściśnij zacisk w pobliżu wylotu lejka, aby umożliwić zablokowanie wody w lejku, co powoduje podniesienie się poziomu wody w górnej cylindrycznej części lejka.
    3. Aby ustawić różne reżimy, dostosuj wartości przepływu wody i poziomu wody w górnej cylindrycznej części lejka (Tabela 1), kolejno w jednym doświadczeniu. Sprawdzaj stabilność wiru wodnego przez 15 minut. W trybie stabilnym poziom wody nie powinien się zmieniać.
      1. W przypadku reżimu skręconego należy dostosować natężenie przepływu do 1194 l/h i poziom wody do 2 cm, a natężenie przepływu do 1218 l/h, a poziom wody do 5 cm.
      2. W przypadku trybu prostego należy ustawić natężenie przepływu na 1314 l/h i poziom wody na 11 cm, a natężenie przepływu na 1338 l/h, a poziom wody na 11,7 cm.
      3. W przypadku reżimu ograniczonego, w przeciwieństwie do reżimu skręconego i prostego, wytwórz ciśnienie wsteczne, ściskając zacisk w pobliżu wylotu lejka. Ustaw natężenie przepływu na 882 l/h i poziom wody na 3 cm, a natężenie przepływu na 936 l/h, a poziom wody na 9 cm.
  2. Eksperyment ze smugą
    1. Za pomocą rejestratora danych skalibruj sondy pH, aby zapewnić ważność i dokładność uzyskanych danych.
      1. Przygotować dwa roztwory wzorcowe, jeden o pH wyższym niż pH zakresu roboczego (6-10), a drugi o pH niższym niż pH zakresu roboczego. Ustaw ich wartości w rejestratorze danych i mierz je jeden po drugim podczas kalibracji. Następnie rejestrator danych kalibruje sondy pH.
      2. Zainstaluj sondy pH na wlocie i wylocie lejka, podłącz je do rejestratora danych i uruchom tryb nagrywania.
    2. Rozpocznij instalację.
      1. Rozpocznij konfigurację i upewnij się, że wir wodny jest stabilny.
      2. Napełnić strzykawkę przygotowaną mieszaniną znakującą NaOH i podłączyć ją do przewodu iniekcyjnego znacznika. Szybko odkręć zawór w układzie wtryskowym, wstrzyknij płyn znacznikowy, a następnie szybko przykręć zawór.
    3. Wykonaj zapis i analizę.
      1. Gdy pH się ustabilizuje, zachowaj szczyty pH zarejestrowane podczas przechodzenia cieczy znakującej przez szklany lejek.
      2. Przeanalizuj szczyty wejścia i wyjścia zgodnie z opisem w poprzednim work22 dla obliczenia HRT. Aby to zrobić, weź punkt na początku pierwszego szczytu do odliczania i weź punkt na drugim szczycie, który dzieli go na dwie figury o równej powierzchni, na koniec odliczania.
  3. WYKONAJ eksperyment
    1. Skalibruj czujnik tlenu rozpuszczonego za pomocą oprogramowania z laptopem i światłowodowym przetwornikiem tlenu. Użyj dwóch płynów: jednego beztlenowego (wymieszaj 0,1 l wody i 1 g siarczynu sodu), a drugiego nasyconego tlenem (w tym celu napowietrzaj go powietrzem przez 15 min). Następnie wybierz funkcję kalibracji w oprogramowaniu i zmierz po kolei obie ciecze.
    2. Wykonaj instalację i nagrywanie.
      1. Zamontuj czujnik tlenu rozpuszczonego na wlocie i wylocie lejka. Dodatkowo zamontuj czujnik temperatury w pobliżu wlotu lejka. Podłącz je do światłowodowego przetwornika tlenu i uruchom tryb nagrywania.
      2. Rozpocznij konfigurację i upewnij się, że wir wodny jest stabilny. Osiągnij tryb, w którym wartość stężenia tlenu rozpuszczonego jest stabilna i zapisz dane.
        UWAGA: Jeśli odczyty nie są stabilne, dane są nieważne i eksperyment należy powtórzyć.

Wyniki

Wir wodny w hiperbolicznym lejku Schaubergera tworzy się w różnych reżimach (skręconym, prostym i ograniczonym) (Rysunek 1). W rezultacie woda zostaje wzbogacona w tlen atmosferyczny, co sprzyja utlenianiu związków chemicznych w wodzie. System nie wymaga energii poza pompowaniem wody do górnej części lejka hiperbolicznego.

Reżim skręcony ma kształt podwójnej helisy i największą powierzchnię styku wody z powietrzem. Do jego uzyskania konieczne jest zastosowanie średniego przepływu wody (75-78 L/h dla małego lejka, 1 194-1 218 L/h dla lejka średniego oraz 4 834-5 032 L/h dla dużego lejka). Jego wysokość w górnej cylindrycznej części lejka nie powinna przekraczać 2 cm dla małego lejka, 7 cm dla lejka średniego oraz 16 cm dla dużego lejka.

Reżim prostoliniowy charakteryzuje się gładkim, prostym kształtem i mniejszą powierzchnią styku wody z powietrzem. Reżim ten wymaga maksymalnego przepływu wody (93-100 L/h dla małego lejka, 1 314-1 338 L/h dla średniego lejka i 5 102-5 289 L/h dla dużego lejka). Jego wysokość może sięgać pokrywy we wszystkich lejkach.

W zależności od poziomu wody, reżim ograniczony może przyjmować formę wirów zarówno skręconych, jak i prostych. Charakterystyczną cechą tego reżimu jest jednak to, że jego długość zmienia się w zależności od zastosowanego ciśnienia wstecznego, w przeciwieństwie do poprzednich trybów, w których ciśnienie nie było stosowane. Formuje się on również w górnej części lejka; jednak wraz ze wzrostem ciśnienia wstecznego jego ogon zaczyna się skracać, a wir stopniowo znika z dolnej części. Przepływ wody jest w tym przypadku niezwykle mały (58-70 L/h dla małego lejka, 882-936 L/h dla średniego lejka i 2,351-2,634 L/h dla dużego lejka), a jego wysokość może być zarówno minimalna, jak i maksymalna, w zależności od geometrii lejka.

Różne reżimy mogą być stabilizowane i przekształcać się jeden w drugi w zależności od natężenia przepływu wody, ciśnienia wstecznego oraz geometrii układu. Parametry takie jak natężenie przepływu wody, objętościowy współczynnik przeniesienia masy tlenu oraz standardowa szybkość transferu tlenu charakteryzują wydajność napowietrzania. Widać, że dla wiru skręconego przy niskim natężeniu przepływu wody wartość KLa20 była najwyższa (Rysunek 4), kilkukrotnie wyższa niż KLa20 dla reżimów prostego i ograniczonego oraz kilkunastokrotnie wyższa niż ten sam wskaźnik dla systemów konwencjonalnych, które są również stosowane do napowietrzania jezior i rzek (Air Jet, Impeller, Paddle) i są znacznie bardziej energochłonne. Przy dalszym zwiększaniu przepływu wody KLa20 stopniowo spadało, ale poziom wody, czyli objętość wody w układzie, wzrastał. Po przekroczeniu pewnej wartości progowej reżim skręcony zmienił się w reżim prosty. Dla każdego reżimu istniały warunki stacjonarne, w których ich objętość i parametry hydrauliczne nie ulegały zmianie.

Jednakże, przy porównywaniu podobnych reżimów dla lejów małych, średnich i dużych, różnice między natężeniami i objętościami przepływu wody w systemach były znaczące. Jednocześnie stosunki wartości KLa20 nie zmieniły się istotnie. Maksymalne wartości wynoszące 83 h-1 dla małego leja, 60 h-1 dla średniego leja oraz 79 h-1 dla dużego leja osiągnięto w reżimie skręconym.

Jednocześnie, gdy KLa20 spadało wraz ze wzrostem przepływu wody, MRT rosło, co wskazywało na to, że woda potrzebowała więcej czasu na przejście przez lejek, jak szczegółowo opisano w pracy Donepudi24. Jednakże, podobnie jak w przypadku KLa20, wartość MRT była w przybliżeniu taka sama dla reżimów skręconego i prostego przepływu w różnych lejkach. MRT wynosiło od 10 s do 43 s dla małego lejka, od 14 s do 30 s dla średniego lejka oraz od 24 s do 43 s dla dużego lejka (Tabela 1).

Hydrodynamika, przepływ wirowy, eksperyment porównawczy pokazujący zmienność dynamiki płynów, schemat.
Rycina 1: Reżimy wirów wodnych w szklanym hiperbolicznym lejku Schaubergera o wysokości 26 cm. (A) Skręcony (75 L/h), (B) prosty (100 L/h), (C) ograniczony (70 L/h). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Równowaga statyczna; sekwencja formowania się wiru; eksperyment z dynamiki płynów; analiza ruchu cieczy.
Rycina 2: Reżimy wirów wodnych w szklanym hiperbolicznym lejku Schaubergera o wysokości 94 cm. (A) Skręcony (1,194 L/h), (B) prosty (1,314 L/h), (C) ograniczony (882 L/h). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat procesu oczyszczania wód gruntowych; pomiar pH, DO, temperatury; schemat systemu filtracji.
Rycina 3: Schemat układu wykorzystanego w eksperymentach opisanych w krokach protokołu 3.1-3.3. (1) pompa do wód gruntowych; (2) zawór sterujący; (3) przepływomierz wody; (4, 5) polimerowe światłowody do detekcji DO; (6, 7) sondy pH; (8) czujnik temperatury; (9) strzykawka z markerem; (10) zawór; (11) hiperboliczny lejek Schaubergera; (12) światłowodowy nadajnik tlenu; (13) laptop; (14) rejestrator danych; (15) zacisk; (16) odpływ wody. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Układ przetwarzania chemicznego, system transportu płynów, ponumerowane komponenty; eksperyment badawczy w przemyśle.
Rysunek 4: Zdjęcie dużego układu z lejkiem. (1) Zbiornik z wodą gruntową; (2) pompa wodna; (3) przepływomierz wody; (4) strzykawka z markerem; (5, 6) szklane adaptery z punktem pomiarowym czujnika tlenu; (7), (8) sondy pH; (9) hiperboliczny lejek Schaubergera; (10) odpływ wody. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

LejekReżimφ (L/h)HRT (s)MRT (s)KLa20 (h-1)V (L)Poziom (cm)Cin (mg/L)Cout (mg/L)SOTR (g O2/h)SAE (g O2/kWh)
MałySkręcony751015830.20.50.01.80.22801
782024410.420.01.90.22932
Prosty933124250.840.01.80.22688
1004332181.260.01.70.22635
Ograniczony581823140.310.00.60.0872
70533121.050.00.30.0459
ŚredniSkręcony11941413604.520.01.82.4784
12181919376.350.01.62.1667
Prosty131429291810.7110.01.21.8509
133830311811.011.70.01.21.8500
Ograniczony8822124175.130.00.90.8348
936373659.790.00.50.4180
DużySkręcony483424237932110.74.122.91113
503234265248160.64.022.61054
Prosty51023829315419.50.73.015.0690
52894330196422.50.62.310.8479
Ograniczony23515843163870.62.65.5557
26349550770190.62.04.2380

Tabela 1: Podstawowe charakterystyki hydrauliczne i parametry wydajności napowietrzania dla lejów małych (Rycina 1), średnich (Rycina 2) i dużych. 

Dyskusja

Jeśli pompa wody gruntowej jest zbyt mocna i system nie jest w stanie utrzymać ciśnienia, przed zaworem sterującym można dodać dodatkowy odpływ, aby je zmniejszyć. Bardzo ważne jest, aby skalibrować czujniki w celu uzyskania wiarygodnych wyników, a eksperyment ze znacznikiem zapewnił szybkie sondy. Jeśli sondy są wolne, spowoduje to zniekształcenie pomiarów HRT. Ponadto, jeśli HRT jest znacznie mniejsza niż MRT dla reżimu prostego, może to oznaczać, że styczne wejście do lejka znajduje się znacznie poniżej poziomu wody i że część cieczy znacznikowej spływa do odpływu po wejściu do lejka, powodując w ten sposób spadek HRT.

Wir wodny w hiperbolicznym lejku Schaubergera jest bardzo wrażliwy na natężenie przepływu wody. Im mniejszy system, tym bardziej zależy od zmian przepływu. Jeśli reżim jest stabilny, poziom wody w lejku nie powinien się zmieniać z czasem. Jeśli tak nie jest, wzrośnie lub spadnie. Dlatego warto zwrócić uwagę na poziom wody, aby uniknąć przelania się wody, pęknięć spowodowanych zwiększonym ciśnieniem wewnątrz lejka lub niepożądanej zmiany reżimu.

Aby określić reżim wiru (kroki protokołu 3.1.3.1-3.1.3.3) i jego stabilność, korzystne jest, aby lejek był przezroczysty. Z tego powodu w tej pracy użyto szklanego lejka. Konieczne jest zachowanie szczególnej ostrożności podczas transportu, przenoszenia i instalacji, a także należy zwrócić uwagę, aby nie dokręcać pokrywy zbyt mocno, aby jej nie uszkodzić (krok protokołu 2.1.2).

Aby określić HRT, kroki protokołu 3.2.2-3.2.3 należy powtórzyć tak wiele razy, jak to możliwe (co najmniej 10x), ponieważ ze względu na duże turbulencje systemu i obecność przepływów wtórnych (wirów podobnych do Taylora), strumień znacznikowy może się rozdzielać i przemieszczać w różny sposób przez lejek. Na przykład Donepudi i wsp.24 oraz Mulligan i wsp.28 wykazali, że im bliżej szklanej ścianki znajduje się warstwa wody, tym szybciej będzie się ona przemieszczać do odpływu. Sondy należy zawsze myć wodą dejonizowaną i wycierać, aby uniknąć mieszania próbki i roztworu do przechowywania, co może zepsuć dane i pogorszyć jakość przechowywania elektrod.

W doświadczeniu DO ważne jest osiągnięcie stabilnej wartości stężenia tlenu na wyjściu systemu (krok protokołu 3.3.2.2). Jeśli reżim nie jest stabilny, ale wahania w systemie nie są znaczące, uzyskaną wartość należy uśrednić. Konieczne jest również posiadanie otworu w pokrywie do wentylacji, aby umożliwić przepływ powietrza do systemu w celu dalszego napowietrzania.

Pomimo wysokich wartości KLa20 i efektywności energetycznej tego systemu, wartość SOTR jest niska w porównaniu z innymi metodami26 ze względu na niskie natężenia przepływu wody w dostępnych lejkach; Jest to obecnie ograniczenie dla przemysłowego zastosowania lejka hiperbolicznego do napowietrzania wody. Wykazano jednak, że wysoką wydajność systemu można osiągnąć dla różnych skal z dużymi, średnimi i małymi lejkami. Z tego możemy wywnioskować, że zmieniając geometrię (wymiary, średnice wlotu i wylotu, krzywiznę ścianek), można znacznie zwiększyć szybkość i objętość uzdatniania wody bez zmniejszania wydajności napowietrzania. Ponadto w tabeli 1 widać, że zwiększenie długości leja o 1,1 m doprowadziło do ponad 100-krotnego wzrostu SOTR. Biorąc pod uwagę fakt, że w niektórych stacjach uzdatniania wody różnica poziomów wody może sięgać kilku metrów, (częściowe) napowietrzenie można osiągnąć przy znacznie niższych kosztach niż obecnie. W ten sposób określenie, w jaki sposób różne parametry geometryczne lejka wpływają na natężenie przepływu wody i KLa20 dla reżimów wirowych, może zapewnić tanią i konkurencyjną technologię napowietrzania wód gruntowych. Alternatywnie, jak wykazano w Schauberger31, napowietrzanie można zastosować do poprawy jakości zbiorników wodnych, jezior i rzek.

Oświadczenia

Autorzy oświadczają, że nie są im znane żadne konkurencyjne interesy finansowe ani powiązania osobiste, które mogłyby mieć wpływ na pracę opisaną w tym artykule.

Podziękowania

Ta praca została wykonana w ramach współpracy Europejskiego Centrum Doskonałości dla Zrównoważonej Technologii Wodnej Wetsus (www.wetsus.eu) w ramach tematu Stosowana Fizyka Wody. Wetsus jest współzałożony przez holenderskie Ministerstwo Gospodarki oraz Ministerstwo Infrastruktury i Środowiska, Prowincję Fryzja i Prowincje Północnych Niderlandów. Badania te otrzymały dofinansowanie z programu Unii Europejskiej Horyzont 2020 w zakresie badań naukowych i innowacji w ramach umowy grantowej nr 665874 działania "Maria Skłodowska-Curie" oraz laboratorium Gilberta-Armstronga. Jesteśmy bardzo wdzięczni za wsparcie Maartena V. van de Grienda dla tej pracy.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Przetwornik 1-/2-kanałowyEndress+HauserCM442Rejestrator danych
Zawór sterujący+ GF+625DN20Typ514
Endress+HauserCM442
Światłowodowy przetwornik tlenuLiquiline PreSensSACN0002000005Fibox 3
Szklane złącze kolankoweWykonany na zamówienieadapter do rurociąg
Pompa wód gruntowychSAER3637899H/150
Laptopdowolnydowolny Windows 10 lub nowszy
Duży szklany lejekWykonane na zamówienie94 cm
wysokości Kalkulator tlenuPreSensv. 3.1.1Oprogramowanie
Czujnik tlenu SpotyPreSensNAU-D5-YOPSP-PSt3
Złącze pHWykonane na zamówienie-Adapter do sondy pH
Czujnik pHEndress+HauserCPS11Orbisint CPS11
Polimerowe światłowódPreSensPOF-L2.5-2SMAOXY-1 SMA
Uszczelka gumowaERIKS11535207141x197x2mm
Uszczelka gumowaERIKS12252766273x340x3mm
Mały szklany lejekWykonane na zamówienie- wysokości 26 cm
Endress+HauserP7066819000Picomag
Przepływomierz wodyKobolt5NA15AC34PMIK
Złącze temperatury wody
- Miernik przepływu wody o PreSens-Pt100

Bibliografia

  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).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Wiry powierzchniowehiperboliczny wir wodnynapowietrzanie wodytransfer tlenucharakterystyka hydraulicznaregulacja przepływu wodywarstwa przyściennaeksperyment z markeremoczyszczanie ściekówwyładowanie plazmowe
Przygotowanie hiperbolicznych wirów wodnych o swobodnej powierzchni
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.