Summary
В данной статье описывается, как могут быть созданы три различных вихревых режима воды в гиперболической воронке Шаубергера, их наиболее важные характеристики и как можно рассчитать связанные с ними параметры, такие как скорости переноса кислорода.
Abstract
Свободные поверхностные вихри присутствуют в промышленности в регулировании потока, рассеивании энергии и выработке энергии. Несмотря на обширные исследования, детальные экспериментальные данные о вихрях свободной поверхности отсутствуют, особенно в отношении турбулентности на границе раздела. В настоящей работе рассказывается об особом типе свободного поверхностного вихря, впервые предложенном Вальтером Шаубергером в 1960-х годах, у которого объемный массоперенос кислорода превышает значение аналогичных систем. Этот особый тип вихря образуется в гиперболической воронке. Различные стабильные режимы могут быть стабилизированы с различными гидравлическими характеристиками. Другими преимуществами этой технологии являются ее энергоэффективность, простота конструкции и масштабируемость. Течение в этой гиперболической воронке характеризуется сильной турбулентностью и увеличенной площадью поверхности границы раздела воздух-вода. Локальное давление сильно колеблется вдоль поверхности, в результате чего образуется ярко выраженный волнистый пограничный слой воздух-вода. За счет спирального течения эти возмущения перемещаются внутрь, увлекая за собой пограничный слой. Результирующий градиент давления втягивает определенный объем воздуха в водный вихрь. В работе представлено построение базовой гиперболической воронки и оперативные примеры, в том числе высокоскоростная визуализация для трех различных устойчивых режимов.
Introduction
Наша жизнь тесно связана со спиральными структурами. Они существуют почти везде и всюду, включая строение раковин и аммонитов и образование ураганов, смерчей и водоворотов 1,2. В космологическом масштабе галактики формируются и развиваются по принципу логарифмической спирали3. Наиболее известными спиралями являются золотая спираль и спираль Фибоначчи4, которые имеют множество применений, начиная от описания роста растений и кристаллографической структуры некоторых твердых тел и заканчивая разработкой алгоритмов поиска в компьютерных базах данных. Последовательность Фибоначчи характеризуется как числовой ряд, который начинается с 0 и 1 и имеет последующие числа, соответствующие сумме двух предыдущих. Эту последовательность можно найти и при подсчете скорости размножения кроликов. Спирали являются одними из старейших геометрических фигур, нарисованных Homo sapiens, таких как концентрические круги, найденные в Колумбии и Австралии (40 000-20 000 гг. дон.э.). Леонардо да Винчи5 пытался создать летательный аппарат в форме вертолета, используя спиральную лопасть (от греческого слова ἕλιξ πτερόν, или helix pteron, что означает спиральное крыло). Следуя тому же принципу, авиаконструктор Игорь Сикорский построил первый вертолет, запущенный в серийное производство, спустя 450лет.
Многие другие примеры указывают на тот факт, что спиральные структуры могут быть очень эффективными и экономичными, потому что этот тип течения преимущественно встречается в природе. В начале 20 века это понял австрийский лесник и философ Виктор Шаубергер. Он сказал, что люди должны изучать природу и учиться у нее, а не пытаться ее исправить. Основываясь на своих идеях, он соорудил довольно необычные бревенчатые лотки для сплава древесины; Каналы шли не по прямому пути между двумя точками, а следовали по извилистым долинам и ручьям. Эта конструкция заставляла поток воды закручиваться по спирали вдоль своей оси, образуя таким образом вихрь, который тем самым уменьшал количество используемой воды и производил скорость переноса, которая значительно превышала то, чтосчиталось нормальным.
Следуя по стопам отца, сын Виктора Вальтер разработал новые технологии, используя водяной вихрь8 для различных целей: очистка питьевой воды, промышленные процессы, восстановление прудов и водотоков, насыщение прудов и небольших озер кислородом, регулирование и восстановление рек. Одна из таких идей в последнее время вызвала значительный интерес, а именно очистка воды с помощью гиперболической воронки8, в которой вихрь создается только потоком воды без каких-либо перемешивающих устройств. Доказано, что это очень эффективный метод окисления железа в подземных водах 9,10. Ограничением этой технологии является то, что она менее эффективна для воды с низким pH11.
Большое количество питьевой воды в Нидерландах получают из подземныхисточников12, в которых концентрация железа может достигать нескольких десятков миллиграммов на литр13, тогда как 0,2 мг/л считается приемлемой по стандартам14. Большинство заводов по производству питьевой воды используют аэрацию в качестве одного из первых шагов по снижению концентрации железа в процессе очистки воды. В большинстве случаев целью аэрации является повышение содержания растворенного кислорода, удаление из воды газов и других связанных с ними веществ, или и то, и другое15. Существуют различные методы, с помощью которых аэрация может вводить кислород в жидкие среды. Эти методы включают перемешивание поверхности жидкости с помощью смесителя или турбины и выпуск воздуха либо через макроскопические отверстия, либо через пористые материалы16.
Химический процесс окисления железа был продемонстрирован ван де Гриндом17, в котором молекула кислорода забирает электрон у двухвалентного железа и реагирует со свободным протоном с образованием воды, в то время как ион железа окисляется (уравнение [1]):
, (1)
Затем ион железа выпадает в осадок в виде Fe(OH)3 из-за реакции с водой, которая высвобождает протоны (уравнение [2]):
(2) См.
Общая реакция определяется уравнением (3):
. (3) См.
В аэрации наиболее часто применяются каскадные, башенные, распылительные и пластинчатые системы аэрации18,19. Недостатком этих технологий является то, что они потребляют от 50% до 90% всейэнергии20 и до 40% бюджета на эксплуатацию и обслуживание очистных сооружений21.
Использование гиперболической воронки для аэрации позволяет значительно снизить затраты и повысить эффективность этого процесса. Гиперболические воронки менее чувствительны к засорению благодаря своей геометрии и отсутствию движущихся частей, то есть энергия расходуется только на перекачку воды. Такая система может быть охарактеризована несколькими параметрами, такими как расход воды в воронке в час (φ), среднее время пребывания (MRT), время гидравлического удержания (HRT), коэффициент объемного массообмена кислорода (KLa 20) (с поправкой на стандартизированную температуру20 °C), стандартная скорость переноса кислорода (SORT) и стандартная эффективность аэрации (SAE). Расход воронки нужен для расчета объема воды, который можно обработать за определенное время. МРТ рассчитывается из отношения расхода воды к ее объему в воронке для определенного режима с помощью уравнения (4):
(4) См.
где V — объем жидкости в реакторе.
ЗГТ может быть определена экспериментально с использованием трассерных технологий22с помощью функции распределения времени пребывания. ЗГТ дает фундаментальное представление о процессах смешивания, задержаниях и явлениях сегрегации23. Исследование Donepudi24 показало, что чем дальше струя воды находится от входного отверстия, тем быстрее она движется к выходу. В начальный момент вода перекачивается по касательной к верхней цилиндрической части воронки. Затем под действием силы тяжести вместе с геометрией системы тангенциальная скорость уменьшается, а осевая увеличивается. Объемный массообменный коэффициент кислорода, KLa20 (единица обратного времени), указывает на способность системы облегчать перенос кислорода в жидкую фазу10. Его можно вычислить25,26 по уравнению (5):
(5) См.
где C out — концентрация растворенного кислорода (DO) в объемной жидкости, C in— концентрация растворенного кислорода в загружаемом материале, Cs— концентрация растворенного кислорода при насыщении, T — температура воды.
Величина SORT представляет собой стандартную скорость кислорода, переносимого системой в жидкую фазу, и определяется уравнением (6)27:
(6) См.
где 
– РК при насыщении для температуры 20 °С. Значение SOTR может быть определено для определенного процесса, и в этом случае объем, используемый в уравнении (6), нормируется путем принятия 1 ч времени обработки (SOTR для конкретного процесса), чтобы методы аэрации в пилотном масштабе можно было сравнить с реальными системами. Для обеспечения определенного режима в воронке необходимо рассчитать специфичный для системы SOTR, который использует объем воды внутри воронки для (зависящего от режима) времени гидравлического удержания. Эта величина важна при расчете фактических возможностей аэрации режима в данной воронке.
SAE – это отношение между SOTR и мощностью, затрачиваемой на аэрацию. Поскольку энергия затрачивается только на закачку воды в верхнюю часть воронки и придание ей необходимого потока для образования вихря, она вычисляется как сумма потенциальной энергии объема воды, перекачиваемой за час на высоте, соответствующей длине воронки, и кинетической энергии, необходимой воде для создания вихря27 по уравнению (7):
(7)
где P — потенциальная мощность (в кВт), необходимая для подъема перекачиваемой воды на высоту воронки, а Pk— кинетическая мощность (в кВт), необходимая для того, чтобы вода, перекачиваемая в верхней части воронки, набрала достаточный поток для создания вихря. Как правило, для уравнения (7) следует использовать системно-специфичный SOTR. Если вместо этого применять SOTR для конкретного процесса, то это дает энергопотребление (теоретической) системы с 1 ч времени гидравлического удержания.
Этих параметров достаточно для оценки эффективности и целесообразности использования данной технологии, но не для описания самого процесса. Следует отметить, что вихри являются одним из наименее изученных явлений в гидродинамике. Поэтому в это направление вкладывается много исследовательских усилий. Одна из основных проблем при нахождении общих законов и правил вихрей в гидродинамике заключается в том, что всегда существуют вариации геометрических граничных условий, которые влияют на развитие вихрей и существенно влияют на их формирование и динамику. Таким образом, резонно предположить, что вихрь со свободной поверхностью (ВИХРЬ) не может рассматриваться аналогично замкнутому вихрю лабораторного типа. Тем не менее, Mulligan et al.28 показали для течения Тейлора-Куэтта (TCF), что если воздушный сердечник FSV рассматривать как виртуальный внутренний цилиндр, вращающийся с той же скоростью, что и воздушный сердечник, то оба могут рассматриваться аналогично. Таким образом, уравнения, представляющие вихревое поле течения на свободной поверхности, могут быть заменены условиями угловой скорости виртуального цилиндра, в результате чего получаются уравнения для системы TCF. Также было показано, что при увеличении скорости вращения воображаемого цилиндра в какой-то момент тейлороподобные вихри28 появляются как вторичное поле потока, а затем исчезают при приближении к стенкам.
После того, как Niemeijr 29 показал, что в воронке Шаубергера можно получить три различных типа водных вихрей (скрученные, прямые и ограниченные) (рис. 1 и рис. 2), которые характеризуются другими гидравлическими параметрами, Donepudi 24 использовал тот же подход, что и Mulligan et al.28, для моделирования вихревых режимов с помощью вычислительной гидродинамики (CFD) и, таким образом, анализа организации их поля течения для понимания лежащих в их основе физических механизмов. Система очень турбулентна, а вторичное поле потока очень нестабильно и характеризуется появлением большого количества тейлороподобных вихрей. Транспортировка газа из газовой фазы в жидкую регулируется диффузией, адвекцией и реакцией. Поэтому для повышения эффективности этого процесса необходимо либо увеличивать градиент концентрации газа, либо объемное движение жидкости. Последнее напрямую зависит от турбулентности системы в виде тейлороподобных вихрей, облегчающих транспортировку насыщенных жидких элементов от границы раздела в объемную жидкость. В другой работе по данной теме9 сравнивались основные параметры для различных вихревых режимов, такие как расход воды, KLa20 и SOTR. Это исследование показало большие перспективы для этой технологии, потому что система обеспечивает очень быстрый перенос газа по сравнению с другими методами, которые используются для аэрации воды.
Целью данной статьи является предоставление и демонстрация данного метода создания различных вихревых режимов воды в гиперболических воронках Шаубергера (маленькие: высота 26 см и верхний диаметр 15 см; средние: высота 94 см и верхний диаметр 30 см; большие: высота 153 см и верхний диаметр 59 см) с целью эффективной аэрации воды.
Protocol
1. Общие рекомендации
- Перед началом настройки проверьте все соединения труб на наличие утечек.
- Убедитесь, что крышка воронки на месте, и закрепите.
- Очищайте воронку до и после каждого эксперимента щеткой и средством для мытья стекол, так как она может пожелтеть из-за высокой концентрации железа в грунтовых водах.
2. Экспериментальная установка
- Вихревая система воды (рис. 3)
- Надежно закрепите стеклянную воронку (рисунок 4) в вертикальном положении на специальной раме – доске с четырьмя ножками и прорезью посередине, которая соответствует диаметру цилиндрической части воронки и достаточно велика, чтобы воронка поместилась, но не слишком велика, чтобы она провалилась. Надежно закрепите раму, чтобы она не тряслась.
- Поставьте резиновую прокладку между крышкой и воронкой, чтобы избежать протечек. Прикрепите крышку воронки, и затяните ее с помощью болтов.
- Подсоедините насос грунтовых вод к тангенциальному входу в верхней цилиндрической части воронки с помощью шлангов и соединителей шлангов.
- Подключите специальный регулирующий клапан для регулировки расхода воды между насосом и воронкой. Подсоедините расходомер воды между регулирующим клапаном и воронкой.
- Соедините выходное отверстие воронки со сливом шлангом. На дренажном шланге, возле выхода воронки, установите хомут для создания противодавления во время работы агрегата.
ПРИМЕЧАНИЕ: Зажим следует устанавливать сразу после всех остальных адаптеров и разъемов, необходимых для экспериментов.
- Система для трассерных экспериментов (рис. 3)
- Установите специальные переходники для установки щупов возле входа и выхода. Установите датчики pH в эти адаптеры и подключите их к регистратору данных.
- Устанавливайте датчики как можно ближе к воронке, чтобы уменьшить погрешность в расчетах ЗГТ.
- Приготовьте 1 мл раствора NaOH (концентрация: 0,2 М) для использования в качестве химического индикатора, который впрыскивается в поток воды струи.
ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку водный раствор гидроксида натрия является сильным основанием, он отображается в виде пикообразного повышения pH30. - Установите переходник с тремя отверстиями для подключения системы трассер-впрыск, которая состоит из клапана и шприца перед рН-зондом возле входного отверстия.
- Система для экспериментов с растворенным кислородом (рис. 3)
- Приклейте две точки датчика кислорода к внутренней стенке двух разных стеклянных адаптеров, расположив их как можно ближе ко входу и выходу воронки и соединив их с водопроводом.
ПРИМЕЧАНИЕ: Во время работы вода должна полностью покрывать наклейки. - Установите стеклянный адаптер так, чтобы датчик кислорода был точечным рядом с входом и выходом воронки, и закрепите кончик полимерного оптического волокна (длиной 2 м) над наклейкой с другой стороны стекла.
- Установите датчик температуры воды рядом с входным отверстием воронки в том же адаптере, что и для датчика pH. Убедитесь, что он находится близко к волокну, так как температура воды используется для корреляции измерений растворенного кислорода.
- Подключите полимерное оптическое волокно и датчик температуры к волоконно-оптическому трансмиттеру кислорода.
- Подключите волоконно-оптический датчик кислорода к ноутбуку с установленным специальным программным обеспечением для отображения сигнала с датчика, который связан с концентрацией растворенного кислорода и температурой воды.
- Приклейте две точки датчика кислорода к внутренней стенке двух разных стеклянных адаптеров, расположив их как можно ближе ко входу и выходу воронки и соединив их с водопроводом.
3. Операция (средняя воронка)
- Вихревые режимы
- Включите расходомер. Запустите подземный водяной насос и полностью откройте регулирующий клапан. Убедитесь, что расход воды значительно превышает максимальный расход, необходимый для формирования водяного вихря (1338 л/ч для средней воронки).
- Отрегулируйте нужное значение расхода воды, повернув регулирующий клапан. При необходимости сожмите хомут возле выходного отверстия воронки, чтобы обеспечить блокировку воды в воронке, что вызывает повышение уровня воды в верхней цилиндрической части воронки.
- Для задания различных режимов последовательно в одном опыте регулируют значения расхода воды и уровня воды в верхней цилиндрической части воронки (табл. 1). Проверьте водяной вихрь на стабильность в течение 15 минут. В стабильном режиме уровень воды изменяться не должен.
- Для закрученного режима отрегулируйте расход до 1194 л/ч, уровень воды до 2 см, расход до 1218 л/ч и уровень воды до 5 см.
- Для прямого режима отрегулируйте расход до 1314 л/ч, уровень воды до 11 см, расход до 1338 л/ч и уровень воды до 11,7 см.
- Для ограниченного режима, в отличие от скрученного и прямолинейного режимов, создают противодавление, сжимая хомут возле выходного отверстия воронки. Установите расход 882 л/ч, уровень воды 3 см, расход 936 л/ч и уровень воды 9 см.
- Эксперимент с трассером
- С помощью регистратора данных откалибруйте датчики pH, чтобы убедиться в достоверности и точности полученных данных.
- Приготовьте два стандартных раствора: один с рН выше, чем рН рабочего диапазона (6-10), а другой с рН ниже, чем рН рабочего диапазона. Установите их значения в регистраторе данных и измеряйте их одно за другим во время калибровки. После этого регистратор данных калибрует датчики pH.
- Установите pH-зонды на входе и выходе воронки, подключите их к регистратору данных и запустите режим записи.
- Запустите настройку.
- Запустите настройку и убедитесь, что водяной вихрь стабилен.
- Наполните шприц подготовленной трассирующей смесью NaOH и подсоедините ее к линии введения индикатора. Быстро открутите клапан в системе впрыска, впрыскивайте трассерную жидкость, а затем быстро закрутите клапан.
- Выполните сохранение и анализ.
- Когда рН стабилизируется, сохраняют пики рН, зафиксированные при прохождении индикаторной жидкости через стеклянную воронку.
- Проанализируйте пики входа и выхода, как описано в предыдущей работе22 для расчета ЗГТ. Для этого возьмем точку в начале первого пика для обратного отсчета, а точку на втором пике, которая делит его на две фигуры равной площади, для конца отсчета.
- С помощью регистратора данных откалибруйте датчики pH, чтобы убедиться в достоверности и точности полученных данных.
- Проводите эксперименты
- Откалибруйте датчик растворенного кислорода с помощью программного обеспечения с ноутбуком и оптоволоконным трансмиттером кислорода. Используйте две жидкости: одну бескислородную (смешайте 0,1 л воды и 1 г сульфита натрия), а другую насыщенную кислородом (для этого проветривайте ее воздухом в течение 15 мин). Затем выберите функцию калибровки в программном обеспечении и измеряйте обе жидкости по очереди.
- Выполните установку и запись.
- Установите датчик растворенного кислорода на входе и выходе воронки. Дополнительно установите датчик температуры возле входного отверстия воронки. Подключите их к оптоволоконному кислородному передатчику и запустите режим записи.
- Запустите настройку и убедитесь, что водяной вихрь стабилен. Дойдите до режима, в котором значение концентрации РК стабильно и запишите данные.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если показания нестабильны, данные недействительны, и эксперимент необходимо повторить.
Representative Results
Вихрь воды в гиперболической воронке Шаубергера формируется в различных режимах (закрученном, прямолинейном и ограниченном) (рис. 1). В результате вода обогащается кислородом воздуха, что способствует окислению химических веществ в воде. Система не требует энергии, кроме закачки воды в верхнюю часть гиперболической воронки.
Скрученный режим имеет форму двойной спирали и самую большую границу раздела между водой и воздухом. Для его создания необходимо применять средний расход воды (75-78 л/ч для малой воронки, 1,194-1,218 л/ч для средней воронки и 4,834-5,032 л/ч для большой воронки). Его высота в верхней цилиндрической части воронки не должна быть более 2 см для малой воронки, 7 см для средней воронки и 16 см для большой воронки.
Прямой режим имеет гладкую прямую форму и меньшую границу раздела между водой и воздухом. Этот режим требует максимального расхода воды (93-100 л/ч для малой воронки, 1 314-1 338 л/ч для средней воронки и 5 102-5 289 л/ч для большой воронки). Его высота может достигать крышки для всех воронок.
В зависимости от уровня воды ограниченный режим может принимать форму как закрученных, так и прямых вихрей. Однако особенность этого режима заключается в том, что его длина изменяется в зависимости от приложения противодавления, в отличие от предыдущих режимов, для которых давление не прикладывается. Он также образуется в верхней части воронки; Однако при увеличении противодавления его хвост начинает укорачиваться, а вихрь постепенно исчезает из нижней части. Расход воды в ней крайне мал (58-70 л/ч для малой воронки, 882-936 л/ч для средней воронки и 2 351-2 634 л/ч для большой воронки), а ее высота может быть как минимальной, так и максимальной в зависимости от геометрии воронки.
Различные режимы могут быть стабилизированы и преобразованы друг в друга в зависимости от расхода воды, противодавления и геометрии системы. Такие параметры, как расход воды, объемный массообменный коэффициент кислорода и стандартная скорость переноса кислорода, характеризуют эффективность аэрации. Видно, что для закрученного вихря с малым расходом воды K L a 20 был самым высоким (рис. 4), в несколько раз превышающим KLa20 для прямого и ограниченного режимов и в десятки раз превышающим тот же показатель для обычных систем, которые также используются для аэрации озер и рек (Air Jet, Крыльчатка, лопасти) и являются гораздо более энергоемкими. С дальнейшим увеличением расхода воды KLa20 постепенно уменьшался, но уровень воды, то есть объем воды в системе, увеличивался. После некоторого порогового значения скрученный режим переходил в прямолинейный. Для каждого режима существовали стационарные условия, когда их объем и гидравлические параметры не изменяются.
Однако при сравнении аналогичных режимов для малых, средних и больших воронок различия между расходами и объемами воды в системах были значительными. Однако в то же время соотношения значений KLи20 практически не изменились. Максимальные значения 83 ч-1 для малой воронки, 60 ч-1 для средней воронки и 79 ч-1 для большой воронки были достигнуты в закрученном режиме.
В то же время, когда KLa20 уменьшался с увеличением потока воды, MRT увеличивалась, указывая на то, что воде требуется больше времени для прохождения через воронку, как подробно описано в Donepudi24. Однако, что касается KLa20, то значение MRT было примерно одинаковым для скрученного и прямого режимов в разных воронках. МРТ варьировала от 10 с до 43 с для малой воронки, от 14 с до 30 с для средней воронки и от 24 с до 43 с для большой (табл. 1).
Рисунок 1: Вихревые режимы воды в стеклянной гиперболической воронке Шаубергера высотой 26 см. (A) Скрученный (75 л/ч), (B) прямой (100 л/ч), (C) ограниченный (70 л/ч). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Вихревые режимы воды в стеклянной гиперболической воронке Шаубергера высотой 94 см. (А) Скрученный (1 194 л/ч), (Б) прямой (1 314 л/ч), (В) ограниченный (882 л/ч). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Схема установки, используемой для экспериментов, описанных в шагах протокола 3.1-3.3. (1) Насос грунтовых вод; (2) регулирующий клапан; (3) расходомер воды; (4, 5) полимерные оптические волокна для детектирования растворенного кислорода; (6, 7) датчики pH; (8) датчик температуры; (9) шприц с трассером; (10) клапан; (11) гиперболическая воронка Шаубергера; (12) волоконно-оптический передатчик кислорода; (13) ноутбук; (14) регистратор данных; (15) струбцина; (16) Слив воды. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Фотография установки большой воронки. (1) Резервуар грунтовых вод; (2) водяной насос; (3) расходомер воды; (4) шприц с трассером; (5, 6) стеклянные адаптеры с точкой лямбда-зонда; (7), (8) датчики pH; (9) гиперболическая воронка Шаубергера; (10) Слив воды. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
| Воронка | Режим | φ (л/ч) | ЗГТ (с) | МРТ (с) | КЛа20 (ч-1) | V (Л) | Уровень (см) | Cдюйм (мг/л) | С на выходе (мг/л) | СОТР (г O2/ч) | SAE (г O2/кВтч) |
| Маленький | Витой | 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 | ||
| Прямой | 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 | ||
| Ограниченный | 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 | ||
| Терпимая | Витой | 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 | ||
| Прямой | 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 | ||
| Ограниченный | 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 | ||
| Большой | Витой | 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 | ||
| Прямой | 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 | ||
| Ограниченный | 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 |
Таблица 1: Основные гидравлические характеристики и параметры эффективности аэрации для малых (рисунок 1), средних (рисунок 2) и больших воронок.
Discussion
Если насос грунтовых вод слишком мощный и система не может выдерживать давление, перед регулирующим клапаном можно добавить дополнительный слив, чтобы уменьшить его. Очень важно откалибровать датчики для получения надежных результатов, а для эксперимента с индикаторами — для обеспечения быстрых зондов. Если зонды работают медленно, то это искажает результаты измерений ЗГТ. Кроме того, если ЗГТ значительно меньше, чем МРТ для прямого режима, это может свидетельствовать о том, что тангенциальный вход в воронку находится значительно ниже уровня воды и что часть индикаторной жидкости после попадания в воронку уходит в канализацию, тем самым вызывая снижение ЗГТ.
Водяной вихрь в гиперболической воронке Шаубергера очень чувствителен к скорости потока воды. Чем меньше система, тем больше она зависит от изменений расхода. Если режим стабильный, то уровень воды в воронке не должен меняться со временем. Если это не так, он будет расти или падать. Поэтому стоит обращать внимание на уровень воды, чтобы избежать перелива воды, трещин из-за повышенного давления внутри воронки или нежелательной смены режима.
Для определения режима вихря (шаги протокола 3.1.3.1-3.1.3.3) и его устойчивости воронка должна быть прозрачной. По этой причине в данной работе была использована стеклянная воронка. Крайне важно быть очень осторожным при транспортировке, обращении и установке, и следует следить за тем, чтобы не затягивать винты крышки слишком сильно, чтобы не повредить ее (шаг протокола 2.1.2).
Для определения ЗГТ шаги протокола 3.2.2-3.2.3 следует повторять как можно больше раз (не менее 10 раз), так как из-за высокой турбулентности системы и наличия вторичных потоков (тейлороподобных вихрей) струя трассера может разделяться и проходить по воронке в разных направлениях. Например, Donepudi et al.24 и Mulligan et al.28 показали, что чем ближе слой воды к стеклянной стенке, тем быстрее он будет двигаться в канализацию. Зонды всегда следует промывать деионизированной водой и протирать, чтобы избежать смешивания образца и раствора для хранения, что может привести к порче данных и ухудшению качества хранения электродов.
Для эксперимента с растворенным кислородом важно достичь стабильного значения концентрации кислорода на выходе системы (шаг протокола 3.3.2.2). Если режим нестабилен, но колебания в системе незначительны, то полученное значение следует усреднить. Также необходимо иметь отверстие в крышке для вентиляции, чтобы обеспечить поступление воздуха в систему для дальнейшей аэрации.
Несмотря на высокие значения KLa20 и энергоэффективность этой системы, значение SOTR является низким по сравнению с другими методами26 из-за низких расходов воды имеющихся воронок; В настоящее время это является ограничением для промышленного использования гиперболической воронки для аэрации воды. Тем не менее, было показано, что высокая эффективность системы может быть достигнута для различных масштабов с большими, средними и малыми воронками. Из этого можно сделать вывод, что за счет изменения геометрии (размеров, диаметров входного и выходного отверстия, кривизны стенок) можно значительно увеличить скорость и объем водоподготовки без снижения эффективности аэрации. Более того, из таблицы 1 видно, что увеличение длины воронки на 1,1 м привело к более чем 100-кратному росту СОТР. Принимая во внимание тот факт, что на некоторых водоочистных сооружениях перепад уровня воды может достигать нескольких метров, (частичная) аэрация может быть достигнута с гораздо меньшими затратами, чем в настоящее время. Таким образом, определение того, как различные геометрические параметры воронки влияют на расход воды и KLa20 для вихревых режимов, может обеспечить дешевую и конкурентоспособную технологию аэрации подземных вод. В качестве альтернативы, как показано на рисунке Шаубергера31, аэрация может быть использована для улучшения качества водоемов, озер и рек.
Disclosures
Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в этой статье.
Acknowledgments
Данная работа была выполнена в рамках сотрудничества с Европейским центром передового опыта в области устойчивых водных технологий (www.wetsus.eu) Wetsus в рамках темы «Прикладная физика воды». Компания Wetsus основана Министерством экономики и Министерством инфраструктуры и окружающей среды Нидерландов, провинцией Фрисландия и провинциями Северные Нидерланды. Это исследование получило финансирование в рамках программы исследований и инноваций Европейского Союза «Горизонт 2020» в рамках грантового соглашения No 665874 Марии Склодовской-Кюри и лаборатории Гилберта-Армстронга. Мы высоко ценим поддержку этой работы со стороны Маартена В. ван де Гринда.
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).
