Summary
تصف هذه الورقة كيف يمكن إنشاء ثلاثة أنظمة دوامة مائية مختلفة في قمع شوبرغر الزائدي ، وأهم خصائصها ، وكيف يمكن حساب المعلمات المرتبطة بها مثل معدلات نقل الأكسجين.
Abstract
توجد دوامات سطحية حرة في الصناعة في تنظيم التدفق وتبديد الطاقة وتوليد الطاقة. على الرغم من التحقيق على نطاق واسع ، إلا أن البيانات التجريبية التفصيلية المتعلقة بالدوامات السطحية الحرة غير موجودة ، لا سيما فيما يتعلق بالاضطراب في الواجهة. تقدم هذه الورقة تقريرا عن نوع خاص من الدوامة السطحية الحرة التي اقترحها والتر شوبرغر لأول مرة في ستينيات القرن العشرين والتي تحتوي على معامل نقل كتلة الأكسجين الحجمي الذي يتجاوز قيمة الأنظمة المماثلة. يتشكل هذا النوع الخاص من الدوامة في قمع زائدي. يمكن تثبيت الأنظمة المستقرة المختلفة بخصائص هيدروليكية مختلفة. المزايا الأخرى لهذه التقنية هي كفاءة الطاقة والتصميم البسيط وقابلية التوسع. يتميز التدفق في هذا القمع الزائدي باضطراب قوي وزيادة مساحة سطح واجهة الهواء والماء. يختلف الضغط المحلي بشدة على طول السطح ، مما يؤدي إلى طبقة حدودية متموجة واضحة من الهواء والماء. بسبب التدفق الحلزوني ، تتحرك هذه الاضطرابات إلى الداخل ، وتسحب الطبقة الحدودية معها. يسحب تدرج الضغط الناتج حجما معينا من الهواء إلى دوامة الماء. يتم عرض بناء إعداد القمع الزائدي الأساسي والأمثلة التشغيلية ، بما في ذلك التصور عالي السرعة لثلاثة أنظمة مستقرة مختلفة ، في هذا العمل.
Introduction
ترتبط حياتنا ارتباطا وثيقا بالهياكل الحلزونية. وهي موجودة في كل شيء تقريبا وفي كل مكان ، بما في ذلك هيكل الأصداف والأمونيت وتشكيل الأعاصير والأعاصير والدوامات 1,2. على المستوى الكوني ، تتشكل المجرات وتتطور وفقا لمبدأ اللولب اللوغاريتمي3. أشهر اللوالب هي اللوالب الذهبية وفيبوناتشي4 ، والتي لها العديد من التطبيقات التي تتراوح من وصف نمو النبات والبنية البلورية لبعض المواد الصلبة إلى تطوير خوارزميات البحث في قاعدة بيانات الكمبيوتر. يتميز تسلسل فيبوناتشي بأنه سلسلة عددية تبدأ ب 0 و 1 ولها أرقام لاحقة تتوافق مع مجموع الرقمين السابقين. يمكن أيضا العثور على هذا التسلسل عند حساب معدل تكاثر الأرانب. اللوالب هي من بين بعض أقدم الأشكال الهندسية التي رسمها الإنسان العاقل ، مثل الدوائر متحدة المركز الموجودة في كولومبيا وأستراليا (40000-20000 قبل الميلاد1). حاول ليوناردو دافنشي5 إنشاء آلة طيران على شكل طائرة هليكوبتر باستخدام شفرة حلزونية (من الكلمة اليونانية ἕλιξ πτερόν ، أو الحلزون pteron ، والتي تعني الجناح الحلزوني). باتباع نفس المبدأ ، قام مصمم الطائرات ، إيغور سيكورسكي ، ببناء أول طائرة هليكوبتر في سلسلة الإنتاج بعد 450 عاما6.
تشير العديد من الأمثلة الأخرى إلى حقيقة أن هياكل التدفق الحلزونية قد تكون فعالة للغاية وموفرة للنفقات لأن هذا النوع من التدفق ينظر إليه بشكل تفضيلي في الطبيعة. في بداية القرن 20 ، أدرك الحراج النمساوي والفيلسوف فيكتور شوبرغر هذا. وقال إن البشر يجب أن يدرسوا الطبيعة ويتعلموا منها بدلا من محاولة تصحيحها. بناء على أفكاره ، قام ببناء مجاري خشبية غير عادية إلى حد ما لتعويم الأخشاب. لم تتخذ المجاري الطريق الأكثر استقامة بين نقطتين ولكنها اتبعت تعرج الوديان والجداول. جعل هذا التصميم تدفق المياه عن طريق التواء في دوامة على طول محورها ، وبالتالي تشكيل دوامة ، مما قلل من كمية المياه المستخدمة وأنتج معدل نقل تجاوز بشكل كبير ما كان يعتبرطبيعيا 7.
على خطى والده ، طور والتر نجل فيكتور تقنيات جديدة باستخدام دوامة المياه8 لأغراض مختلفة: معالجة مياه الشرب ، والعملية الصناعية ، وترميم البرك ومجاري المياه ، وأكسجة البرك والبحيرات الصغيرة ، وتنظيم الأنهار وترميمها. اكتسبت إحدى هذه الأفكار مؤخرا اهتماما كبيرا ، وهي معالجة المياه باستخدام قمع زائدي8 ، حيث يتم إنشاء دوامة فقط من خلال تدفق المياه دون أي أجهزة تحريك. لقد ثبت أنها طريقة فعالة للغاية لأكسدة الحديد في المياه الجوفية 9,10. أحد قيود هذه التقنية هو أنها أقل كفاءة للمياه منخفضة الأس الهيدروجيني11.
يتم الحصول على كميات كبيرة من مياه الشرب في هولندا من مصادر تحت الأرض12 ، حيث يمكن أن يصل تركيز الحديد إلى عدة عشرات من المليغرام لكل لتر 13 ، في حين أن 0.2 ملغم / لتر يعتبر مقبولا وفقا للمعايير14. تستخدم معظم محطات مياه الشرب التهوية كواحدة من الخطوات الأولى لتقليل تركيز الحديد في عملية تنقية المياه. في معظم الحالات ، يكون الغرض من التهوية هو زيادة محتوى الأكسجين المذاب ، لإزالة الغازات والمواد الأخرى ذات الصلة من الماء ، أو كليهما15. هناك طرق مختلفة يمكن للتهوية من خلالها إدخال الأكسجين في الوسائط السائلة. تشمل هذه الطرق تقليب سطح السائل باستخدام خلاط أو توربين وإطلاق الهواء إما من خلال فتحات عيانية أو مواد مسامية16.
تم توضيح العملية الكيميائية لأكسدة الحديد بواسطة van de Griend17 ، حيث يأخذ جزيء الأكسجين إلكترونا من الحديد الحديدي ويتفاعل مع بروتون حر لتكوين الماء ، بينما يتأكسد أيون الحديد (المعادلة [1]):
، (1)
ثم يترسب أيون الحديد ك Fe (OH) 3 بسبب تفاعله مع الماء ، مما يؤدي إلى إطلاق البروتونات (المعادلة [2]):
(2)
يتم إعطاء التفاعل الكلي بواسطة المعادلة (3):
. (3)
في التهوية ، التقنيات الأكثر تطبيقا هي الشلالات ، والبرج ، والرش ، وأنظمة تهويةالألواح 18,19. عيب هذه التقنيات هو أنها تستهلك من 50 ٪ إلى 90 ٪ من جميع الطاقة 20 وما يصل إلى40 ٪ من الميزانية لتشغيل وصيانة مرافق المعالجة21.
يمكن أن يؤدي استخدام قمع زائدي للتهوية إلى تقليل التكاليف بشكل كبير وزيادة كفاءة هذه العملية. القمع الزائدي أقل حساسية للانسداد بسبب هندستها وحقيقة أنه لا توجد أجزاء متحركة ، مما يعني أن الطاقة تنفق فقط على ضخ المياه. يمكن تمييز هذا النظام بعدة معلمات ، مثل معدل تدفق المياه للقمع في الساعة (φ) ، ومتوسط وقت الإقامة (MRT) ، ووقت الاحتفاظ الهيدروليكي (HRT) ، ومعامل نقل كتلة الأكسجين الحجمي (KLa 20) (تم تصحيحه إلى درجة حرارة قياسية تبلغ20 درجة مئوية) ، ومعدل نقل الأكسجين القياسي (SORT) ، وكفاءة التهوية القياسية (SAE). هناك حاجة إلى معدل تدفق القمع لحساب حجم المياه التي يمكن معالجتها في وقت معين. يتم حساب MRT من نسبة معدل تدفق المياه إلى حجمها في القمع لنظام معين باستخدام المعادلة (4):
(4)
حيث يمثل V حجم السائل في المفاعل.
يمكن تحديد العلاج التعويضي بالهرمونات تجريبيا باستخدام تقنيات التتبع22عبر وظيفة توزيع وقت الإقامة. يوفر العلاج التعويضي بالهرمونات نظرة ثاقبة أساسية لعمليات الخلط ، وحالات التأخير ، وظواهر الفصل23. وقد أظهر Donepudi24 أنه كلما ابتعدت نفاثة الماء عن المدخل ، زادت سرعة تحركها نحو المخرج. في اللحظة الأولية ، يتم ضخ المياه بشكل عرضي إلى الجزء الأسطواني العلوي من القمع. ثم ، تحت تأثير الجاذبية ، جنبا إلى جنب مع هندسة النظام ، تنخفض السرعة العرضية ، وتزداد السرعة المحورية. يشير معامل نقل كتلة الأكسجين الحجمي ، KLa20 (وحدة الوقت المتبادل) ، إلى قدرة النظام على تسهيل نقل الأكسجين إلى الطور السائل10. يمكن حسابه25,26 وفقا للمعادلة (5):
(5)
حيث C out هو تركيز الأكسجين المذاب (DO) في السائل السائب ، C في هو تركيز الأكسجين المذاب فيالتغذية ، Csهو تركيز الأكسجين المذاب عند التشبع ، و T هي درجة حرارة الماء.
قيمة SORT هي المعدل القياسي للأكسجين المنقول إلى الطور السائل بواسطة النظام ويتم تحديده بواسطة المعادلة (6) 27:
(6)
حيث 
هو الأكسجين المذاب عند التشبع لدرجة حرارة 20 درجة مئوية. يمكن تعريف قيمة SOTR لعملية معينة ، وفي هذه الحالة يتم تطبيع الحجم المستخدم في المعادلة (6) بافتراض 1 ساعة من وقت العلاج (SOTR الخاص بالعملية) ، بحيث يمكن مقارنة طرق تهوية النطاق التجريبي بالأنظمة ذات النطاق الحقيقي. من أجل قدرة نظام معين في القمع ، يجب حساب SOTR الخاص بالنظام ، والذي يستخدم حجم الماء داخل القمع لوقت الاحتفاظ الهيدروليكي (الخاص بالنظام). هذه القيمة مهمة عند حساب قدرات التهوية الفعلية لنظام ما في قمع معين.
SAE هي النسبة بين SOTR والطاقة المستهلكة للتهوية. نظرا لأن الطاقة تنفق فقط على ضخ المياه إلى أعلى القمع وإعطائها التدفق اللازم لتشكيل دوامة ، يتم حسابها على أنها مجموع الطاقة الكامنة لحجم المياه التي يتم ضخها في الساعة على ارتفاع يتوافق مع طول القمع والطاقة الحركية التي يحتاجها الماء لإنشاء دوامة27 باستخدام المعادلة (7):
(7)
حيث P p هي الطاقة الكامنة (بالكيلوواط) المطلوبة لرفع المياه التي يتم ضخها إلى ارتفاع القمع ، و Pkهي القدرة الحركية (بالكيلوواط) المطلوبة للمياه التي يتم ضخها في الجزء العلوي من القمع للحصول على تدفق كاف لإنشاء دوامة. عادة ، بالنسبة للمعادلة (7) ، يجب استخدام SOTR الخاص بالنظام. إذا تم تطبيق SOTR الخاص بالعملية بدلا من ذلك ، فإنه ينتج استهلاك الطاقة لنظام (نظري) مع 1 ساعة من وقت الاحتفاظ الهيدروليكي.
هذه المعلمات كافية لتقييم فعالية وجدوى استخدام هذه التكنولوجيا ولكن ليس لوصف العملية نفسها. تجدر الإشارة إلى أن الدوامات هي من بين الظواهر الأقل فهما في ديناميات السوائل. لذلك ، يتم استثمار الكثير من الجهود البحثية في هذا الاتجاه. أحد التحديات الرئيسية في العثور على القوانين والقواعد العامة للدوامات في ديناميات الموائع هو أن هناك دائما اختلافات في ظروف الحدود الهندسية ، والتي تؤثر على تطور الدوامات وتؤثر بشكل كبير على تكوينها وديناميكياتها. وبالتالي ، فمن المعقول أن نفترض أن دوامة السطح الحر (FSV) لا يمكن اعتبارها مماثلة لدوامة محصورة من نوع المختبر. ومع ذلك ، فقد أظهر Mulligan et al.28 لتدفق Taylor-Couette (TCF) أنه إذا تم اعتبار قلب الهواء ل FSV بمثابة أسطوانة داخلية افتراضية تدور بنفس سرعة قلب الهواء ، فيمكن التعامل مع كلاهما بالمثل. من خلال القيام بذلك ، يمكن استبدال المعادلات التي تمثل مجال تدفق دوامة السطح الحر بظروف السرعة الزاوية للأسطوانة الافتراضية ، مما ينتج عنه معادلات لنظام TCF. وقد ثبت أيضا أنه إذا زادت سرعة دوران أسطوانة وهمية ، في مرحلة ما ، تظهر الدوامات الشبيهةبتايلور 28 كحقل تدفق ثانوي ثم تختفي عند الاقتراب من الجدران.
بعد أن أظهر Niemeijr 29 أنه من الممكن الحصول على ثلاثة أنواع مختلفة من دوامات المياه في قمع Schauberger (ملتوي ومستقيم ومقيد) (الشكل 1 والشكل 2) ، والتي تتميز بمعلمات هيدروليكية أخرى ، استخدم Donepudi 24 نفس النهج مثل Mulligan et al.28 لمحاكاة أنظمة الدوامة باستخدام ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) وبالتالي تحليل تنظيم مجال التدفق الخاص بهم لفهم الأساس الآليات المادية. النظام مضطرب للغاية ، ومجال التدفق الثانوي غير مستقر للغاية ويتميز بظهور عدد كبير من الدوامات الشبيهة بتايلور. يخضع نقل الغاز من الطور الغازي إلى الطور السائل للانتشار والتفاعل والتفاعل. لذلك ، لزيادة كفاءة هذه العملية ، من الضروري إما زيادة تدرج تركيز الغاز أو الحركة الحجمية للسائل. هذا الأخير يعتمد بشكل مباشر على اضطراب النظام في شكل دوامات تشبه تايلور ، والتي تسهل نقل عناصر السوائل المشبعة من الواجهة إلى السائل السائب. في عمل آخر حول هذا الموضوع9 ، تمت مقارنة المعلمات الرئيسية لأنظمة الدوامة المختلفة ، مثل معدل تدفق المياه ، KLa20 ، و SOTR. أظهرت هذه الدراسة وعدا كبيرا لهذه التقنية لأن النظام يتيح نقل الغاز بسرعة كبيرة مقارنة بالطرق الأخرى المستخدمة لتهوية المياه.
الغرض من هذه المقالة هو توفير وتوضيح هذه الطريقة لإنشاء أنظمة دوامة مائية مختلفة في قمع Schauberger الزائدي (صغير: ارتفاع 26 سم وقطر علوي 15 سم ؛ متوسط: ارتفاع 94 سم وقطر علوي 30 سم ؛ كبير: ارتفاع 153 سم وقطر علوي 59 سم) بهدف تهوية المياه بكفاءة.
Protocol
1. توصيات عامة
- تحقق من جميع وصلات الأنابيب بحثا عن التسريبات قبل بدء الإعداد.
- تأكد من أن غطاء القمع في مكانه وآمن.
- نظف القمع قبل وبعد كل تجربة باستخدام فرشاة ومنظف زجاج ، حيث قد يتحول إلى اللون الأصفر بسبب التركيز العالي للحديد في المياه الجوفية.
2. الإعداد التجريبي
- نظام دوامة المياه (الشكل 3)
- قم بتثبيت القمع الزجاجي بشكل آمن (الشكل 4) في وضع رأسي على إطار خاص - لوح بأربعة أرجل وفتحة في المنتصف ، والتي تتوافق مع قطر الجزء الأسطواني من القمع وهي كبيرة بما يكفي لتناسب القمع ولكن ليس كبيرا جدا بحيث لا يمكن أن يسقط من خلاله. اربط الإطار بإحكام حتى لا يهتز.
- ضع حشية مطاطية بين الغطاء والقمع لتجنب التسربات. نعلق غطاء القمع ، وشده باستخدام البراغي.
- قم بتوصيل مضخة المياه الجوفية بالمدخل العرضي في الجزء الأسطواني العلوي من القمع باستخدام الخراطيم وموصلات الخراطيم.
- قم بتوصيل صمام تحكم خاص لضبط معدل تدفق المياه بين المضخة والقمع. قم بتوصيل مقياس تدفق المياه بين صمام التحكم والقمع.
- قم بتوصيل مخرج القمع بالتصريف بخرطوم. على خرطوم الصرف ، بالقرب من مخرج القمع ، قم بتثبيت مشبك لخلق ضغط خلفي أثناء تشغيل الوحدة.
ملاحظة: يجب تثبيت المشبك مباشرة بعد جميع المحولات والموصلات الأخرى المطلوبة للتجارب.
- نظام تجارب التتبع (الشكل 3)
- قم بتثبيت محولات خاصة لتثبيت المجسات بالقرب من المدخل والمخرج. قم بتثبيت مجسات الأس الهيدروجيني في هذه المحولات ، وقم بتوصيلها بمسجل البيانات.
- قم بتثبيت مستشعرات في أقرب وقت ممكن من القمع لتقليل الخطأ في حسابات العلاج التعويضي بالهرمونات.
- تحضير 1 مل من محلول هيدروكسيد الصوديوم (تركيز: 0.2 م) لاستخدامه كمتتبع كيميائي يتم حقنه في تدفق المياه للنفاثة.
ملاحظة: نظرا لأن المحلول المائي لهيدروكسيد الصوديوم هو قاعدة قوية ، فإنه يتم عرضه كزيادة تشبه الذروة في الرقم الهيدروجيني30. - قم بتركيب محول بثلاث فتحات لتوصيل نظام حقن التتبع ، والذي يتكون من صمام وحقنة قبل مسبار الأس الهيدروجيني بالقرب من المدخل.
- نظام لتجارب الأكسجين المذاب (الشكل 3)
- قم بلصق نقطتي مستشعر الأكسجين على الجدار الداخلي للمحولين الزجاجيين المختلفين ، ووضعهما بالقرب قدر الإمكان من مدخل ومخرج القمع وتوصيلهما بخط أنابيب المياه.
ملاحظة: أثناء التشغيل ، يجب أن يغطي الماء الملصقات بالكامل. - قم بتثبيت المحول الزجاجي مع بقعة مستشعر الأكسجين بالقرب من مدخل ومخرج القمع ، وقم بتثبيت طرف الألياف الضوئية البوليمرية (التي يبلغ طولها 2 متر) فوق الملصق الموجود على الجانب الآخر من الزجاج.
- قم بتثبيت مستشعر درجة حرارة الماء بالقرب من مدخل القمع في نفس المحول الخاص بمسبار الأس الهيدروجيني. تأكد من أنه قريب من الألياف ، حيث يتم استخدام درجة حرارة الماء لربط قياسات الأكسجين المذاب.
- قم بتوصيل الألياف الضوئية البوليمرية ومستشعر درجة الحرارة بجهاز إرسال الأكسجين من الألياف البصرية.
- قم بتوصيل جهاز إرسال الأكسجين بالألياف الضوئية بجهاز كمبيوتر محمول مع تثبيت برنامج خاص لعرض الإشارة من المستشعر ، والذي يرتبط بتركيز الأكسجين المذاب ودرجة حرارة الماء.
- قم بلصق نقطتي مستشعر الأكسجين على الجدار الداخلي للمحولين الزجاجيين المختلفين ، ووضعهما بالقرب قدر الإمكان من مدخل ومخرج القمع وتوصيلهما بخط أنابيب المياه.
3. عملية (قمع متوسط)
- أنظمة دوامة
- قم بتشغيل مقياس التدفق. ابدأ تشغيل مضخة المياه الجوفية ، وافتح صمام التحكم بالكامل. تأكد من أن تدفق المياه أعلى بكثير من الحد الأقصى للتدفق المطلوب لتشكيل دوامة مائية (1338 لتر / ساعة للقمع المتوسط).
- اضبط القيمة المطلوبة لتدفق المياه عن طريق تدوير صمام التحكم. إذا لزم الأمر ، اضغط على المشبك بالقرب من مخرج القمع للسماح بسد الماء في القمع ، مما يؤدي إلى ارتفاع مستوى الماء في الجزء الأسطواني العلوي من القمع.
- لتعيين أنظمة مختلفة ، اضبط قيم تدفق المياه ومستوى الماء في الجزء الأسطواني العلوي من القمع (الجدول 1) ، بالتتابع في تجربة واحدة. تحقق من دوامة الماء للتأكد من ثباتها لمدة 15 دقيقة. في الوضع المستقر ، يجب ألا يتغير مستوى الماء.
- بالنسبة للنظام الملتوي ، اضبط معدل التدفق على 1194 لترا / ساعة ومستوى الماء على 2 سم ومعدل التدفق على 1218 لترا / ساعة ومستوى الماء على 5 سم.
- بالنسبة للنظام المستقيم ، اضبط معدل التدفق على 1314 لتر / ساعة ومستوى الماء على 11 سم ومعدل التدفق على 1338 لتر / ساعة ومستوى الماء على 11.7 سم.
- بالنسبة للنظام المقيد ، على عكس الأنظمة الملتوية والمستقيمة ، قم بإنشاء ضغط خلفي عن طريق الضغط على المشبك بالقرب من مخرج القمع. اضبط معدل التدفق على 882 لتر / ساعة ومستوى الماء على 3 سم ومعدل التدفق على 936 لتر / ساعة ومستوى الماء على 9 سم.
- تجربة التتبع
- باستخدام مسجل البيانات ، قم بمعايرة مجسات الأس الهيدروجيني لضمان صحة ودقة البيانات التي تم الحصول عليها.
- قم بإعداد حلين قياسيين ، أحدهما برقم هيدروجيني أعلى من الرقم الهيدروجيني لنطاق التشغيل (6-10) ، والآخر برقم هيدروجيني أقل من الرقم الهيدروجيني لنطاق التشغيل. قم بتعيين قيمها في مسجل البيانات وقياسها واحدة تلو الأخرى أثناء المعايرة. بعد ذلك ، يقوم مسجل البيانات بمعايرة مجسات الأس الهيدروجيني.
- قم بتثبيت مجسات الأس الهيدروجيني عند مدخل ومخرج القمع ، وقم بتوصيلها بمسجل البيانات ، وابدأ وضع التسجيل.
- ابدأ الإعداد.
- ابدأ الإعداد ، وتأكد من استقرار دوامة الماء.
- املأ المحقنة بخليط التتبع المحضر من هيدروكسيد الصوديوم وقم بتوصيله بخط حقن التتبع. قم بفك الصمام بسرعة في نظام الحقن ، وحقن سائل التتبع ، ثم قم بربط الصمام بسرعة.
- إجراء الحفظ والتحليل.
- عندما يستقر الرقم الهيدروجيني ، احفظ قمم الأس الهيدروجيني المسجلة أثناء مرور سائل التتبع عبر قمع زجاجي.
- تحليل قمم الدخول والخروج كما هو موضح في عمل سابق22 لحساب العلاج التعويضي بالهرمونات. للقيام بذلك ، خذ النقطة في بداية القمة الأولى للعد التنازلي ، وخذ النقطة على القمة الثانية ، والتي تقسمها إلى رقمين متساويين في المساحة ، لنهاية العد التنازلي.
- باستخدام مسجل البيانات ، قم بمعايرة مجسات الأس الهيدروجيني لضمان صحة ودقة البيانات التي تم الحصول عليها.
- تجربة DO
- قم بمعايرة مستشعر الأكسجين المذاب باستخدام برنامج مع كمبيوتر محمول وجهاز إرسال الأكسجين بالألياف الضوئية. استخدم سائلين: أحدهما خال من الأكسجين (امزج 0.1 لتر من الماء و 1 غرام من كبريتيت الصوديوم) ، والآخر مشبع بالأكسجين (للقيام بذلك ، قم بتهويته بالهواء لمدة 15 دقيقة). بعد ذلك ، حدد وظيفة المعايرة في البرنامج ، وقم بقياس كلا السائلين بدورهما.
- قم بإجراء التثبيت والتسجيل.
- قم بتثبيت مستشعر الأكسجين المذاب عند مدخل ومخرج القمع. بالإضافة إلى ذلك ، قم بتثبيت مستشعر درجة الحرارة بالقرب من مدخل القمع. قم بتوصيلها بجهاز إرسال الأكسجين بالألياف الضوئية ، وابدأ وضع التسجيل.
- ابدأ الإعداد ، وتأكد من استقرار دوامة الماء. الوصول إلى الوضع الذي تكون فيه قيمة تركيز الأكسجين المذاب مستقرة وتسجيل البيانات.
ملاحظة: إذا كانت القراءات غير مستقرة ، فإن البيانات غير صالحة ، ويجب تكرار التجربة.
Representative Results
تتشكل دوامة الماء في قمع شوبرغر الزائدي في أنظمة مختلفة (ملتوية ومستقيمة ومقيدة) (الشكل 1). نتيجة لذلك ، يتم إثراء الماء بالأكسجين الجوي ، ويتم تعزيز أكسدة الأنواع الكيميائية في الماء. لا يتطلب النظام طاقة باستثناء ضخ المياه في الجزء العلوي من القمع الزائدي.
النظام الملتوي له شكل حلزوني مزدوج وأكبر واجهة بين الماء والهواء. لإنشائها ، من الضروري تطبيق متوسط تدفق المياه (75-78 لتر / ساعة للقمع الصغير ، 1,194-1,218 لتر / ساعة للقمع المتوسط ، و 4,834-5,032 لتر / ساعة للقمع الكبير). يجب ألا يزيد ارتفاعه في الجزء الأسطواني العلوي من القمع عن 2 سم للقمع الصغير ، و 7 سم للقمع المتوسط ، و 16 سم للقمع الكبير.
النظام المستقيم له شكل مستقيم ناعم وواجهة أصغر بين الماء والهواء. يتطلب هذا النظام أقصى تدفق للمياه (93-100 لتر / ساعة للقمع الصغير ، 1,314-1,338 لتر / ساعة للقمع المتوسط ، و 5,102-5,289 لتر / ساعة للقمع الكبير). يمكن أن يصل ارتفاعه إلى الغطاء لجميع مسارات التحويل.
اعتمادا على مستوى المياه ، يمكن أن يتخذ النظام المقيد شكل دوامات ملتوية ومستقيمة. ومع ذلك ، فإن خصوصية هذا النظام هي أن طوله يتغير اعتمادا على تطبيق الضغط الخلفي ، على عكس الأوضاع السابقة ، التي لا يتم تطبيق أي ضغط عليها. يتم تشكيلها أيضا في الجزء العلوي من القمع ؛ ومع ذلك ، مع زيادة الضغط الخلفي ، يبدأ ذيله في التقصير ، وتختفي الدوامة تدريجيا من الجزء السفلي. تدفق المياه صغير للغاية (58-70 لتر / ساعة للقمع الصغير ، 882-936 لتر / ساعة للقمع المتوسط ، و 2,351-2,634 لتر / ساعة للقمع الكبير) ، ويمكن أن يكون ارتفاعه ضئيلا وأقصى اعتمادا على هندسة القمع.
يمكن تثبيت الأنظمة المختلفة وتحويلها إلى بعضها البعض اعتمادا على معدل تدفق المياه والضغط الخلفي وهندسة النظام. معلمات مثل معدل تدفق المياه ، ومعامل نقل كتلة الأكسجين الحجمي ، ومعدل نقل الأكسجين القياسي تميز كفاءة التهوية. يمكن ملاحظة أنه بالنسبة للدوامة الملتوية ذات معدل تدفق المياه المنخفض ، كان K L a 20 هو الأعلى (الشكل 4) ، أعلى بعدة مرات من KLa 20 للأنظمة المستقيمة والمقيدة وعشرات المرات أعلى من نفس المؤشر للأنظمة التقليدية ، والتي تستخدم أيضا لتهوية البحيرات والأنهار (Air Jet ، المكره ، مجداف) وأكثر كثافة في استخدام الطاقة. مع زيادة تدفق المياه ، انخفض KLa 20 تدريجيا ، لكن مستوى الماء ، أي حجم الماء في النظام ، زاد. بعد بعض قيمة العتبة ، تحول النظام الملتوي إلى النظام المستقيم. لكل نظام ، كانت هناك ظروف ثابتة عندما لا يتغير حجمها ومعلماتها الهيدروليكية.
ومع ذلك ، عند مقارنة الأنظمة المماثلة للممرات الصغيرة والمتوسطة والكبيرة ، كانت الاختلافات بين معدلات تدفق المياه في الأنظمة وأحجامها كبيرة. ومع ذلك ، في الوقت نفسه ، لم تتغير نسب قيم KLa 20 كثيرا. تم تحقيق القيم القصوى البالغة 83 h-1 للقمع الصغير ، و 60 h-1 للقمع المتوسط ، و 79 h-1 للقمع الكبير في النظام الملتوي.
في الوقت نفسه ، عندما انخفض KLa 20 مع زيادة تدفق المياه ، زاد MRT ، مما يشير إلى أن الماء استغرق وقتا أطول للمرور عبر القمع ، كما هو موضح بالتفصيل بواسطة Donepudi24. ومع ذلك ، بالنسبة ل KLa 20 ، كانت قيمة MRT هي نفسها تقريبا بالنسبة للأنظمة الملتوية والمستقيمة في مسارات مختلفة. تراوح MRT من 10 s إلى 43 s للقمع الصغير ، ومن 14 s إلى 30 s للقمع المتوسط ، ومن 24 s إلى 43 s للقمع الكبير (الجدول 1).
الشكل 1: أنظمة دوامة الماء في قمع شوبرغر الزائدي الزجاجي بارتفاع 26 سم. (أ) ملتوية (75 لتر/ساعة)، (ب) مستقيمة (100 لتر/ساعة)، (ج) مقيدة (70 لتر/ساعة). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: أنظمة دوامة الماء في قمع شوبرغر الزجاجي الزائدي بارتفاع 94 سم. (أ) ملتوية (1194 لتر/ساعة)، (ب) مستقيمة (1314 لتر/ساعة)، (ج) مقيدة (882 لتر/ساعة). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: رسم تخطيطي للإعداد المستخدم للتجارب الموضحة في خطوات البروتوكول 3.1-3.3. (1) مضخة المياه الجوفية؛ (2) صمام التحكم. (3) مقياس تدفق المياه ؛ (4 ، 5) ألياف بصرية بوليمر للكشف عن الأكسجين المذاب ؛ (6 ، 7) مجسات الأس الهيدروجيني ؛ (8) مستشعر درجة الحرارة. (9) حقنة مع التتبع. (10) صمام. (11) قمع شوبرغر الزائدي ؛ (12) جهاز إرسال الأكسجين بالألياف الضوئية ؛ (13) كمبيوتر محمول ؛ (14) مسجل البيانات ؛ (15) المشبك. (16) تصريف المياه. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: صورة لإعداد القمع الكبير. (1) خزان المياه الجوفية؛ (2) مضخة مياه. (3) مقياس تدفق المياه ؛ (4) حقنة مع التتبع. (5 ، 6) محولات زجاجية مع بقعة مستشعر الأكسجين ؛ (7) ، (8) مجسات الأس الهيدروجيني ؛ (9) قمع شوبرغر الزائدي ؛ (10) تصريف المياه. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| قمع | نظام | φ (لتر/ساعة) | العلاج التعويضي بالهرمونات (ق) | مترو الأنفاق (ق) | كوالا لمبورa20 (ح - 1) | الخامس (L) | المستوى (سم) | جفي (ملغم / لتر) | مخرج C (ملغم / لتر) | SOTR (ز O2 / ساعة) | SAE (ز O2 / كيلوواط ساعة) |
| صغير | فتيل | 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 | ||
| مستقيم | 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 | ||
| مقيد | 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 | ||
| متوسط | فتيل | 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 | ||
| مستقيم | 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 | ||
| مقيد | 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 | ||
| كبير | فتيل | 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 | ||
| مستقيم | 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 | ||
| مقيد | 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 |
الجدول 1: الخصائص الهيدروليكية الأساسية ومعلمات كفاءة التهوية للقمع الصغير (الشكل 1) والمتوسط (الشكل 2) والكبير .
Discussion
إذا كانت مضخة المياه الجوفية قوية جدا ولا يستطيع النظام تحمل الضغط ، فيمكن إضافة تصريف إضافي قبل صمام التحكم لتقليله. من المهم جدا معايرة المستشعرات للحصول على نتائج موثوقة ولتجربة التتبع لضمان تحقيقات سريعة. إذا كانت المجسات بطيئة ، فسيؤدي ذلك إلى تشويه قياسات العلاج التعويضي بالهرمونات. علاوة على ذلك ، إذا كان العلاج التعويضي بالهرمونات أصغر بكثير من MRT للنظام المستقيم ، فقد يشير ذلك إلى أن المدخل العرضي للقمع أقل بكثير من مستوى الماء وأن جزءا من سائل التتبع ينزل إلى البالوعة بعد دخول القمع ، مما يتسبب في انخفاض في العلاج التعويضي بالهرمونات.
دوامة المياه في قمع Schauberger الزائدي حساسة للغاية لمعدل تدفق المياه. كلما كان النظام أصغر ، زاد اعتماده على تغيرات التدفق. إذا كان النظام مستقرا ، فلا ينبغي أن يتغير مستوى الماء في القمع بمرور الوقت. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فسوف يرتفع أو ينخفض. لذلك ، يجدر الانتباه إلى مستوى الماء لتجنب فيضان المياه أو الشقوق بسبب زيادة الضغط داخل القمع أو تغيير النظام غير المرغوب فيه.
لتحديد نظام الدوامة (خطوات البروتوكول 3.1.3.1-3.1.3.3) واستقرارها ، من المفيد أن يكون القمع شفافا. لهذا السبب ، تم استخدام قمع زجاجي في هذا العمل. من الضروري توخي الحذر الشديد عند نقله والتعامل معه وتثبيته ، ويجب الانتباه إلى عدم إحكام ربط مسامير الغطاء كثيرا حتى لا تتلفه (خطوة البروتوكول 2.1.2).
لتحديد العلاج التعويضي بالهرمونات ، يجب تكرار خطوات البروتوكول 3.2.2-3.2.3 عدة مرات قدر الإمكان (على الأقل 10x) لأنه بسبب الاضطراب الشديد للنظام ووجود تدفقات ثانوية (دوامات تشبه تايلور) ، يمكن لطائرة التتبع أن تنفصل وتسافر بطرق مختلفة عبر القمع. على سبيل المثال ، أظهر Donepudi et al.24 و Mulligan et al.28 أنه كلما اقتربت طبقة الماء من الجدار الزجاجي ، زادت سرعة انتقالها إلى الصرف. يجب دائما غسل المجسات بالماء منزوع الأيونات ومسحها لتجنب خلط العينة ومحلول التخزين ، مما قد يفسد البيانات ويؤدي إلى تدهور جودة تخزين القطب الكهربائي.
بالنسبة لتجربة الأكسجين المذاب ، من المهم تحقيق قيمة تركيز أكسجين مستقرة عند خرج النظام (خطوة البروتوكول 3.3.2.2). إذا كان النظام غير مستقر ولكن التقلبات في النظام ليست كبيرة ، فيجب حساب متوسط القيمة التي تم الحصول عليها. من الضروري أيضا وجود فتحة في الغطاء للتهوية للسماح بتدفق الهواء إلى النظام لمزيد من التهوية.
على الرغم من القيم العالية ل KLa 20 وكفاءة الطاقة لهذا النظام ، فإن قيمة SOTR منخفضة مقارنة بالطرق الأخرى26 بسبب انخفاض معدلات تدفق المياه في مسارات التحويل المتاحة ؛ هذا حاليا قيد للاستخدام الصناعي للقمع الزائدي لتهوية المياه. ومع ذلك ، فقد ثبت أنه يمكن تحقيق كفاءة عالية للنظام لمقاييس مختلفة مع مسارات تحويل كبيرة ومتوسطة وصغيرة. من هذا ، يمكننا أن نستنتج أنه من خلال تغيير الهندسة (الأبعاد ، أقطار المدخل والمخرج ، انحناء الجدران) ، من الممكن زيادة سرعة وحجم معالجة المياه بشكل كبير دون تقليل كفاءة التهوية. علاوة على ذلك ، في الجدول 1 ، يمكن ملاحظة أن الزيادة في طول القمع بمقدار 1.1 متر أدت إلى ارتفاع أكثر من 100 ضعف في SOTR. مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أنه في بعض محطات معالجة المياه ، يمكن أن يصل فرق مستوى المياه إلى عدة أمتار ، ويمكن تحقيق تهوية (جزئية) بتكاليف أقل بكثير مما هي عليه في الوقت الحاضر. وبالتالي ، فإن تحديد كيفية تأثير المعلمات الهندسية المختلفة للقمع على معدل تدفق المياه و KLa 20 لأنظمة الدوامة يمكن أن يوفر تقنية رخيصة وتنافسية لتهوية المياه الجوفية. بدلا من ذلك ، كما هو موضح في Schauberger31 ، يمكن استخدام التهوية لتحسين جودة خزانات المياه والبحيرات والأنهار.
Disclosures
يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة معروفة أو علاقات شخصية يمكن أن يبدو أنها تؤثر على العمل المذكور في هذه الورقة.
Acknowledgments
تم تنفيذ هذا العمل في إطار التعاون بين مركز Wetsus الأوروبي للتميز لتكنولوجيا المياه المستدامة (www.wetsus.eu) ضمن موضوع فيزياء المياه التطبيقية. شارك في تأسيس Wetsus وزارة الشؤون الاقتصادية الهولندية ووزارة البنية التحتية والبيئة ومقاطعة فريزلاند ومقاطعات شمال هولندا. تلقى هذا البحث تمويلا من برنامج البحث والابتكار Horizon 2020 التابع للاتحاد الأوروبي بموجب اتفاقية منحة ماري سكلودوفسكا كوري رقم 665874 ومختبر جيلبرت أرمسترونغ. ونحن نقدر تقديرا عاليا دعم مارتن ف. فان دي غريند لهذا العمل.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1-/2-channel transmitter | Endress+Hauser | CM442 | Data logger |
| Control valve | +GF+ | 625DN20 | Typ514 |
| Data Logger | Endress+Hauser | CM442 | Liquiline |
| Fiber Optic Oxygen Transmitter | PreSens | SACN0002000005 | Fibox 3 |
| Glass Elbow Connector | Custom made | - | Adapter for the pipeline |
| Groundwater pump | SAER | 3637899 | H/150 |
| Laptop | any | any | Windows 10 or higher |
| Large glass funnel | Custom made | - | 94 cm high |
| Oxygen Calculator | PreSens | v. 3.1.1 | Software |
| Oxygen Sensor Spots | PreSens | NAU-D5-YOP | SP-PSt3 |
| pH connector | Custom made | - | Adapter for the pH probe |
| pH sensor | Endress+Hauser | CPS11 | Orbisint CPS11 |
| Polymer Optical Fiber | PreSens | POF-L2.5-2SMA | OXY-1 SMA |
| Rubber gasket | ERIKS | 11535207 | 141x197x2mm |
| Rubber gasket | ERIKS | 12252766 | 273x340x3mm |
| Small glass funnel | Custom made | - | 26 cm high |
| Water flow meter | Endress+Hauser | P7066819000 | Picomag |
| Water flow meter | Kobolt | 5NA15AC34P | MIK |
| Water Temperature Connector | PreSens | - | Pt100 |
References
- 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.
- 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).
