Summary
Denna artikel beskriver hur tre olika vattenvirvelregimer i en hyperbolisk Schauberger-tratt kan skapas, deras viktigaste egenskaper och hur associerade parametrar som syreöverföringshastigheter kan beräknas.
Abstract
Fria ytvirvlar finns inom industrin i flödesreglering, energiavledning och energiproduktion. Även om det har undersökts i stor utsträckning saknas detaljerade experimentella data om fria ytvirvlar, särskilt när det gäller turbulensen vid gränsytan. Den här artikeln rapporterar om en speciell typ av fri ytvirvel som först föreslogs av Walter Schauberger på 1960-talet och som har en volymetrisk massöverföringskoefficient för syre som överstiger värdet för liknande system. Denna speciella typ av virvel bildas i en hyperbolisk tratt. Olika stabila regimer kan stabiliseras med olika hydrauliska egenskaper. Andra fördelar med denna teknik är dess energieffektivitet, enkla design och skalbarhet. Flödet i denna hyperboliska tratt kännetecknas av stark turbulens och en ökad yta på gränsytan mellan luft och vatten. Det lokala trycket varierar kraftigt längs ytan, vilket resulterar i ett uttalat vågigt gränsskikt mellan luft och vatten. På grund av det spiralformade flödet rör sig dessa störningar inåt och drar med sig gränsskiktet. Den resulterande tryckgradienten drar in en viss luftvolym i vattenvirveln. Konstruktionen av den grundläggande hyperboliska trattuppställningen och operationella exempel, inklusive höghastighetsvisualisering för tre olika stabila regimer, presenteras i detta arbete.
Introduction
Våra liv är nära förbundna med spiralstrukturer. De finns i nästan allt och överallt, inklusive strukturen hos skal och ammoniter och bildandet av orkaner, tornados och virvlar 1,2. På en kosmologisk skala bildas och utvecklas galaxer enligt principen för den logaritmiska spiralen3. De mest kända spiralerna är den gyllene spiralen och Fibonacci-spiralen4, som har många tillämpningar, allt från att beskriva växttillväxt och den kristallografiska strukturen hos vissa fasta ämnen till att utveckla sökalgoritmer för datordatabaser. Fibonacci-sekvensen karakteriseras som en numerisk serie som börjar med 0 och 1 och har efterföljande tal som motsvarar summan av de två föregående. Denna sekvens kan också hittas när man räknar reproduktionshastigheten hos kaniner. Spiraler är bland några av de äldsta geometriska formerna ritade av Homo sapiens, såsom de koncentriska cirklarna som finns i Colombia och Australien (40 000-20 000 f.Kr.1). Leonardo da Vinci5 försökte skapa en helikopterformad flygmaskin med hjälp av ett spiralblad (från det grekiska ordet ἕλιξ πτερόν, eller helix pteron, som betyder spiralvinge). Enligt samma princip konstruerade en flygplanskonstruktör, Igor Sikorsky, den första helikoptern i serieproduktion 450år senare.
Många andra exempel pekar på det faktum att spiralformade flödesstrukturer kan vara mycket effektiva och kostnadsbesparande eftersom denna typ av flöde företrädesvis ses i naturen. I början av 1900-talet insåg den österrikiske skogvaktaren och filosofen Viktor Schauberger detta. Han sa att människan borde studera naturen och lära sig av den snarare än att försöka korrigera den. Baserat på sina idéer byggde han ganska ovanliga timmerrännor för att flotta timmer; Rännorna tog inte den rakaste vägen mellan två punkter utan följde dalarnas och bäckarnas slingrande vägar. Denna konstruktion fick vattnet att flöda genom att vrida sig i en spiral längs sin axel och på så sätt bilda en virvel, vilket därigenom minskade mängden vatten som användes och gav en transporthastighet som avsevärt översteg vad som ansågs normalt7.
I sin fars fotspår utvecklade Viktors son Walter ny teknik med hjälp av vattenvirveln8 för olika ändamål: behandling av dricksvatten, industriell process, restaurering av dammar och vattendrag, syresättning av dammar och små sjöar samt reglering och restaurering av floder. En av dessa idéer har nyligen väckt stort intresse, nämligen vattenbehandling med hjälp av en hyperbolisk tratt8, där en virvel endast skapas genom vattenflöde utan några omrörningsanordningar. Det har visat sig vara en mycket effektiv metod för att oxidera järn i grundvatten 9,10. En begränsning med denna teknik är att den är mindre effektiv för vatten med lågt pH11.
Stora mängder dricksvatten i Nederländerna erhålls från underjordiska källor12, där koncentrationen av järn kan nå flera tiotals milligram per liter 13, medan 0,2 mg/L anses vara acceptabelt enligt standarderna14. De flesta dricksvattenanläggningar använder luftning som ett av de första stegen för att minska järnkoncentrationen i vattenreningsprocessen. I de flesta fall är syftet med luftning att öka halten av löst syre, att avlägsna gaser och andra relaterade ämnen från vattnet, eller båda15. Det finns olika metoder genom vilka luftning kan införa syre i flytande medier. Dessa metoder inkluderar omrörning av vätskeytan med hjälp av en mixer eller turbin och utsläpp av luft genom antingen makroskopiska öppningar eller porösa material16.
Den kemiska processen för järnoxidation demonstrerades av van de Griend17, där en syremolekyl tar en elektron från järnhaltigt järn och reagerar med en fri proton för att bilda vatten, medan järnjonen oxideras (ekvation [1]):
, (1)
Järnjonen fälls sedan ut som Fe(OH)3 på grund av dess reaktion med vatten, vilket frigör protoner (ekvation [2]):
Nej (2)
Den totala reaktionen ges av ekvation (3):
. Nej (3)
Vid luftning är de tekniker som oftast används kaskader, torn-, spray- och plattluftningssystem18,19. Nackdelen med dessa tekniker är att de förbrukar mellan 50 och 90 procent av all energi 20 och upp till40 procent av budgeten för drift och underhåll av reningsanläggningarna21.
Att använda en hyperbolisk tratt för luftning kan avsevärt minska kostnaderna och öka effektiviteten i denna process. Hyperboliska trattar är mindre känsliga för igensättning på grund av sin geometri och det faktum att det inte finns några rörliga delar, vilket innebär att energin endast spenderas på att pumpa vatten. Ett sådant system kan karakteriseras av flera parametrar, såsom trattens vattenflöde per timme (φ), den genomsnittliga uppehållstiden (MRT), den hydrauliska retentionstiden (HRT), den volymetriska massöverföringskoefficienten för syre (KLa 20) (korrigerad till en standardiserad temperatur på20 °C), den normala syreöverföringshastigheten (SORT) och den vanliga luftningseffektiviteten (SAE). Trattens flödeshastighet behövs för att beräkna volymen vatten som kan bearbetas under en viss tid. MRT beräknas utifrån förhållandet mellan vattenflödet och dess volym i tratten för en viss regim med hjälp av ekvation 4:
Nej (4)
där V representerar vätskevolymen i reaktorn.
HRT kan bestämmas experimentellt med hjälp av spårteknik22via dess uppehållstidsfördelningsfunktion. HRT ger grundläggande insikter om blandningsprocesser, uppehåll och segregationsfenomen23. Det visades av Donepudi24 att ju längre bort vattenstrålen är från inloppet, desto snabbare rör den sig mot utloppet. I det första ögonblicket pumpas vatten tangentiellt till den övre cylindriska delen av tratten. Sedan, under påverkan av gravitationen, tillsammans med systemets geometri, minskar den tangentiella hastigheten och den axiella hastigheten ökar. Den volymetriska massöverföringskoefficienten för syrgas, KLa20 (enhet reciprok tid), indikerar ett systems förmåga att underlätta syreöverföring till vätskefas10. Den kan beräknastill 25,26 enligt ekvation 5:
Nej (5)
där C ut är koncentrationen av löst syre (DO) i bulkvätskan, C in är DO-koncentrationen i fodret, C sär DO-koncentrationen vid mättnad och T är vattentemperaturen.
SORT-värdet är standardhastigheten för syre som överförs till vätskefasen av systemet och bestäms av ekvation (6)27:
Nej (6)
där 
är DO-värdet vid mättnad vid en temperatur på 20 °C. SOTR-värdet kan definieras för en viss process, i vilket fall volymen som används i ekvation (6) normaliseras genom att anta 1 timmes behandlingstid (processspecifik SOTR), så att luftningsmetoder i pilotskala kan jämföras med system i verklig skala. För kapaciteten hos en viss regim i tratten måste den systemspecifika SOTR beräknas, som använder vattenvolymen inuti tratten för en (regimspecifik) hydraulisk retentionstid. Detta värde är viktigt vid beräkning av den faktiska luftningskapaciteten för en regim i en given tratt.
SAE är förhållandet mellan SOTR och den effekt som förbrukas för luftning. Eftersom energi endast spenderas på att pumpa vatten till toppen av tratten och ge den det nödvändiga flödet för att bilda en virvel, beräknas den som summan av den potentiella energin för den volym vatten som pumpas per timme på en höjd som motsvarar trattens längd och den kinetiska energi som vattnet behöver för att skapa en virvel27 med hjälp av ekvation (7):
Nej (7)
där Pp är den potentiella effekt (i kW) som krävs för att lyfta det vatten som pumpas upp till trattens höjd, och Pkär den kinetiska effekt (i kW) som krävs för att vattnet som pumpas i toppen av tratten ska få tillräckligt med flöde för att skapa en virvel. Normalt bör den systemspecifika SOTR användas för ekvation (7). Om den processspecifika SOTR istället tillämpas ger den energiförbrukningen för ett (teoretiskt) system med 1 timmes hydraulisk retentionstid.
Dessa parametrar är tillräckliga för att bedöma effektiviteten och genomförbarheten av att använda denna teknik, men inte för att beskriva själva processen. Det bör nämnas att virvlar är bland de minst förstådda fenomenen inom vätskedynamik. Därför satsas mycket forskning i denna riktning. En av de största utmaningarna med att hitta de allmänna lagarna och reglerna för virvlar i vätskedynamik är att det alltid finns variationer i de geometriska randvillkoren, vilket påverkar utvecklingen av virvlar och avsevärt påverkar deras bildning och dynamik. Det är därför rimligt att anta att en virvel med fri yta (FSV) inte kan betraktas analogt med en avgränsad virvel av laboratorietyp. Det visades dock av Mulligan et al.28 för Taylor-Couette-flödet (TCF) att om luftkärnan i FSV betraktas som en virtuell inre cylinder som roterar med samma hastighet som luftkärnan, kan båda behandlas på samma sätt. Genom att göra det kan ekvationer som representerar virvelflödesfältet med fri yta ersättas med vinkelhastighetsvillkoren för den virtuella cylindern, vilket resulterar i ekvationer för TCF-systemet. Det visades också att om rotationshastigheten för en imaginär cylinder ökas, vid någon tidpunkt, uppträder Taylor-liknande virvlar28 som ett sekundärt flödesfält och försvinner sedan när de närmar sig väggarna.
Efter att det visats av Niemeijr 29 att det är möjligt att erhålla tre olika typer av vattenvirvlar i en Schaubergertratt (vriden, rak och begränsad) (Figur 1 och Figur 2), som kännetecknas av andra hydrauliska parametrar, använde Donepudi 24 samma tillvägagångssätt som Mulligan et al.28 för att simulera virvelregimer med hjälp av beräkningsströmningsdynamik (CFD) och därigenom analysera organisationen av deras flödesfält för att förstå den underliggande fysikaliska mekanismer. Systemet är mycket turbulent och det sekundära flödesfältet är mycket instabilt och kännetecknas av uppkomsten av ett stort antal Taylor-liknande virvlar. Gastransport från gasfasen till vätskefasen styrs av diffusion, advektion och reaktion. Därför, för att öka effektiviteten i denna process, är det nödvändigt att antingen öka gaskoncentrationsgradienten eller vätskans volymetriska rörelse. Det senare beror direkt på turbulensen i systemet i form av Taylor-liknande virvlar, vilket underlättar transporten av mättade vätskeelement från gränssnittet till bulkvätskan. I ett annat arbete om detta ämne9 jämfördes huvudparametrarna för olika virvelregimer, såsom vattenflödeshastigheten, KLa20 och SOTR. Denna studie visade sig vara mycket lovande för denna teknik eftersom systemet möjliggör mycket snabb gasöverföring jämfört med andra metoder som används för vattenluftning.
Syftet med denna artikel är att tillhandahålla och demonstrera denna metod för att skapa olika vattenvirvelregimer i hyperboliska Schauberger-trattar (liten: 26 cm hög och 15 cm toppdiameter; medium: 94 cm hög och 30 cm toppdiameter; stor: 153 cm hög och 59 cm toppdiameter) med målet att effektivt lufta vatten.
Protocol
1. Allmänna rekommendationer
- Kontrollera alla röranslutningar för läckor innan du påbörjar installationen.
- Kontrollera att trattlocket är på plats och säkert.
- Rengör tratten före och efter varje experiment med en borste och glasrengöringsmedel, eftersom den kan bli gul på grund av den höga koncentrationen av järn i grundvattnet.
2. Experimentell uppställning
- Vattenvirvelsystem (figur 3)
- Fäst glastratten (Figur 4) säkert i vertikalt läge på en speciell ram - en bräda med fyra ben och en slits i mitten, som motsvarar diametern på den cylindriska delen av tratten och är tillräckligt stor för att tratten ska passa in men inte för stor för att den ska falla igenom. Fäst ramen ordentligt så att den inte skakar.
- Sätt en gummipackning mellan locket och tratten för att undvika läckor. Fäst trattlocket och dra åt det med bultarna.
- Anslut grundvattenpumpen till det tangentiella inloppet i den övre cylindriska delen av tratten med hjälp av slangar och slangkopplingar.
- Anslut en speciell reglerventil för att justera vattenflödet mellan pumpen och tratten. Anslut en vattenflödesmätare mellan reglerventilen och tratten.
- Anslut trattens utlopp till avloppet med en slang. På dräneringsslangen, nära trattens utlopp, installera en clamp för att skapa mottryck under enhetens drift.
OBS: Clamp bör installeras omedelbart efter alla andra adaptrar och kontakter som krävs för experimenten.
- System för spårämnesexperiment (figur 3)
- Installera speciella adaptrar för installation av sonder nära inlopp och utlopp. Installera pH-sonder i dessa adaptrar och anslut dem till dataloggern.
- Installera sensorer så nära tratten som möjligt för att minska fel i HRT-beräkningarna.
- Bered 1 ml NaOH-lösning (koncentration: 0,2 M) för användning som ett kemiskt spårämne som injiceras i strålens vattenflöde.
OBS: Eftersom natriumhydroxidvattenlösning är en stark bas, visas den som en toppliknande ökning av pH30. - Installera en adapter med tre öppningar för anslutning av spårämnesinjektionssystemet, som består av en ventil och en spruta före pH-sonden nära inloppet.
- System för DO-experiment (figur 3)
- Limma fast två syresensorpunkter på insidan av de två olika glasadaptrarna, placera dem så nära trattens inlopp och utlopp som möjligt och anslut dem till vattenledningen.
OBS: Under drift måste vattnet helt täcka klistermärkena. - Installera glasadaptern med syresensorns plats nära trattens inlopp och utlopp och fäst spetsen på den optiska polymerfibern (som är 2 m lång) över klistermärket på andra sidan av glaset.
- Installera vattentemperatursensorn nära trattens inlopp i samma adapter som för pH-sonden. Se till att den är nära fibern, eftersom vattentemperaturen används för att korrelera DO-mätningarna.
- Anslut den polymeroptiska fiber- och temperatursensorn till den fiberoptiska syresändaren.
- Anslut den fiberoptiska syresändaren till en bärbar dator med speciell programvara installerad för att visa signalen från sensorn, som är relaterad till koncentrationen av upplöst syre och vattentemperaturen.
- Limma fast två syresensorpunkter på insidan av de två olika glasadaptrarna, placera dem så nära trattens inlopp och utlopp som möjligt och anslut dem till vattenledningen.
3. Drift (medium tratt)
- Vortex-regimer
- Slå på flödesmätaren. Starta den underjordiska vattenpumpen och öppna reglerventilen helt. Se till att vattenflödet är betydligt högre än det maximala flöde som krävs för att bilda en vattenvirvel (1338 L/h för mediumtratten).
- Justera önskat värde på vattenflödet genom att vrida på reglerventilen. Om det behövs, kläm clamp nära trattens utlopp så att vatten kan blockeras i tratten, vilket gör att vattennivån stiger i den övre cylindriska delen av tratten.
- För att ställa in olika regimer, justera värdena för vattenflödet och vattennivån i den övre cylindriska delen av tratten (tabell 1), sekventiellt i ett experiment. Kontrollera vattenvirveln för stabilitet i 15 min. I stabilt läge bör vattennivån inte ändras.
- För den vridna regimen, justera flödeshastigheten till 1194 L/h och vattennivån till 2 cm och flödeshastigheten till 1218 L/h och vattennivån till 5 cm.
- För den raka regimen, justera flödeshastigheten till 1314 L/h och vattennivån till 11 cm och flödeshastigheten till 1338 L/h och vattennivån till 11.7 cm.
- För den begränsade regimen, i motsats till de vridna och raka regimerna, skapa mottryck genom att klämma klämman nära trattens utlopp. Ställ in flödet på 882 L/h och vattennivån på 3 cm och flödet på 936 L/h och vattennivån på 9 cm.
- Experiment med spårämnen
- Använd en datalogger för att kalibrera pH-sonderna för att säkerställa giltigheten och noggrannheten hos de erhållna uppgifterna.
- Bered två standardlösningar, en med ett pH som är högre än pH för driftsområdet (6-10), och en med ett pH som är lägre än pH för driftsområdet. Ställ in deras värden i dataloggern och mät dem en efter en under kalibreringen. Därefter kalibrerar dataloggern pH-sonderna.
- Installera pH-sonder vid trattens inlopp och utlopp, anslut dem till dataloggern och starta inspelningsläget.
- Starta installationen.
- Starta installationen och se till att vattenvirveln är stabil.
- Fyll sprutan med den beredda spårämnesblandningen av NaOH och anslut den till injektionsslangen för spårämne. Skruva snabbt loss ventilen i insprutningssystemet, injicera spårvätskan och skruva sedan snabbt fast ventilen.
- Utför sparandet och analysen.
- När pH-värdet stabiliseras, spara de pH-toppar som registrerats under spårämnesvätskans passage genom en glastratt.
- Analysera ingångs- och utgångstopparna som beskrivits i ett tidigare arbete22 för HRT-beräkning. För att göra detta, ta punkten i början av den första toppen för nedräkningen och ta punkten på den andra toppen, som delar den i två lika stora area, för slutet av nedräkningen.
- Använd en datalogger för att kalibrera pH-sonderna för att säkerställa giltigheten och noggrannheten hos de erhållna uppgifterna.
- DO experiment
- Kalibrera DO-sensorn med hjälp av programvara med en bärbar dator och den fiberoptiska syresändaren. Använd två vätskor: en syrefri (blanda 0,1 liter vatten och 1 g natriumsulfit) och den andra mättad med syre (för att göra detta, lufta den med luft i 15 minuter). Välj sedan kalibreringsfunktionen i programvaran och mät båda vätskorna i tur och ordning.
- Utför installationen och inspelningen.
- Installera DO-sensorn vid trattens inlopp och utlopp. Installera dessutom temperatursensorn nära trattens inlopp. Anslut dem till den fiberoptiska syresändaren och starta inspelningsläget.
- Starta installationen och se till att vattenvirveln är stabil. Nå det läge där värdet på DO-koncentrationen är stabilt och registrera data.
OBS: Om avläsningarna inte är stabila är data inte giltiga och experimentet måste upprepas.
Representative Results
Vattenvirveln i Schaubergers hyperboliska tratt bildas i olika regimer (vriden, rak och begränsad) (figur 1). Som ett resultat berikas vattnet med atmosfäriskt syre och oxidation av kemiska ämnen i vattnet främjas. Systemet kräver ingen energi förutom för att pumpa in vatten i den övre delen av den hyperboliska tratten.
Den vridna regimen har en dubbelspiralform och det största gränssnittet mellan vatten och luft. För att skapa den är det nödvändigt att applicera ett genomsnittligt vattenflöde (75-78 L/h för den lilla tratten, 1 194-1 218 L/h för den medelstora tratten och 4 834-5 032 L/h för den stora tratten). Dess höjd i den övre cylindriska delen av tratten bör inte vara mer än 2 cm för den lilla tratten, 7 cm för den medelstora tratten och 16 cm för den stora tratten.
Den raka regimen har en jämn rak form och ett mindre gränssnitt mellan vatten och luft. Denna regim kräver maximalt vattenflöde (93-100 l/h för den lilla tratten, 1 314-1 338 l/h för den medelstora tratten och 5 102-5 289 l/h för den stora tratten). Dess höjd kan nå locket för alla trattar.
Beroende på vattennivån kan den begränsade regimen ta formen av både vridna och raka virvlar. Det speciella med denna regim är dock att dess längd ändras beroende på appliceringen av mottryck, till skillnad från i de tidigare lägena, för vilka inget tryck appliceras. Det bildas också i toppen av tratten; Men med ökande mottryck börjar svansen förkortas och virveln försvinner gradvis från den nedre delen. Dess vattenflöde är extremt litet (58-70 l/h för den lilla tratten, 882-936 l/h för den medelstora tratten och 2 351-2 634 l/h för den stora tratten), och dess höjd kan vara både minimal och maximal beroende på trattgeometrin.
De olika regimerna kan stabiliseras och omvandlas till varandra beroende på vattenflödet, mottrycket och systemgeometrin. Parametrar som vattenflödeshastighet, syrevolymetrisk massöverföringskoefficient och standard syreöverföringshastighet kännetecknar luftningseffektiviteten. Man kan se att för den vridna virveln med låg vattenflödeshastighet var K L a 20 den högsta (figur 4), flera gånger högre än KLa20 för raka och begränsade regimer och dussintals gånger högre än samma indikator för konventionella system, som också används för luftning av sjöar och floder (Air Jet, Impeller, Paddle) och är mycket mer energikrävande. Med ytterligare ökningar av vattenflödet minskade KLa20 gradvis, men vattennivån, det vill säga vattenvolymen i systemet, ökade. Efter ett visst tröskelvärde övergick den vridna regimen till den raka regimen. För varje regim fanns det stationära förhållanden när deras volym och hydrauliska parametrar inte ändras.
Men när man jämförde liknande system för små, medelstora och stora trattar var skillnaderna mellan systemens vattenflödeshastigheter och volymer betydande. Men samtidigt förändrades inte förhållandena mellan KLa20-värdena mycket. De maximala värdena på 83 h-1 för den lilla tratten, 60 h-1 för den medelstora tratten och 79 h-1 för den stora tratten uppnåddes i den tvinnade regimen.
Samtidigt, när KLa20 minskade med ökande vattenflöde, ökade MRT, vilket indikerar att vattnet tog längre tid att passera genom tratten, vilket beskrivs i detalj av Donepudi24. Men som för KLa20 var värdet på MRT ungefär detsamma för de vridna och raka regimerna i olika trattar. MRT varierade från 10 s till 43 s för den lilla tratten, från 14 s till 30 s för den medelstora tratten och från 24 s till 43 s för den stora (tabell 1).
Figur 1: Vattenvirvelregimer i en 26 cm hög glashyperbolisk Schauberger-tratt. (A) Vriden (75 L/h), (B) rak (100 L/h), (C) begränsad (70 L/h). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Vattenvirvelregimer i en 94 cm hög glashyperbolisk Schauberger-tratt. (A) Vriden (1 194 l/h), (B) rak (1 314 l/h), (C) begränsad (882 l/h). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Skiss över den uppställning som används för experimenten som beskrivs i protokollsteg 3.1-3.3. (1) Grundvattenpump; 2. Reglerventil. 3. Vattenflödesmätare. (4, 5) Optiska polymerfibrer för DO-detektion. (6, 7) pH-sonder; (8) temperaturgivare; 9. Spruta med spårämne. 10. Ventil. (11) Schauberger hyperbolisk tratt; 12. Fiberoptisk syresändare. (13) bärbar dator; 14. Datalogger. (15) klämma; (16) Avlopp för vatten. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Foto av den stora trattinställningen . (1) Grundvattenreservoar. 2. Vattenpump. 3. Vattenflödesmätare. 4. spruta med spårämne, (5, 6) glasadaptrar med syrgassensorns punkt; (7), (8) pH-sonder; (9) Schauberger hyperbolisk tratt; (10) Avlopp för vatten. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| Tratt | Regim | φ (L/h) | HRT (s) | MRT (s) | KLa20 (h-1) | V (L) | Nivå (cm) | Ci (mg/L) | Cut (mg/L) | SOTR (g O2/h) | SAE (g O2/kWh) |
| Liten | Skruvad | 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 | ||
| Rak | 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 | ||
| Begränsad | 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 | ||
| Medium | Skruvad | 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 | ||
| Rak | 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 | ||
| Begränsad | 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 | ||
| Stor | Skruvad | 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 | ||
| Rak | 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 | ||
| Begränsad | 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 |
Tabell 1: Grundläggande hydrauliska egenskaper och parametrar för luftningseffektivitet för små (figur 1), medelstora (figur 2) och stora trattar.
Discussion
Om grundvattenpumpen är för kraftfull och systemet inte kan hålla trycket kan ett extra avlopp läggas till före reglerventilen för att minska det. Det är mycket viktigt att kalibrera sensorerna för tillförlitliga resultat och för att spårämnesexperimentet ska säkerställa snabba sonder. Om sonderna är långsamma kommer detta att förvränga HRT-mätningarna. Vidare, om HRT är mycket mindre än MRT för den raka regimen, kan detta tyda på att den tangentiella ingången till tratten är betydligt under vattennivån och att en del av spårvätskan går ner till avloppet efter att ha kommit in i tratten, vilket orsakar en minskning av HRT.
Vattenvirveln i en hyperbolisk Schauberger-tratt är mycket känslig för vattenflödet. Ju mindre systemet är, desto mer beror det på flödesförändringar. Om regimen är stabil bör vattennivån i tratten inte ändras med tiden. Om så inte är fallet kommer den att stiga eller sjunka. Därför är det värt att vara uppmärksam på vattennivån för att undvika vattenöversvämning, sprickor på grund av ökat tryck inuti tratten eller ett oönskat regimbyte.
För att bestämma virvelns regim (protokollsteg 3.1.3.1-3.1.3.3) och dess stabilitet är det fördelaktigt att tratten är transparent. Av denna anledning användes en glastratt i detta arbete. Det är absolut nödvändigt att vara mycket försiktig när man transporterar, hanterar och installerar den, och man bör vara uppmärksam på att inte dra åt skruvarna på locket för mycket för att inte skada det (protokollsteg 2.1.2).
För att bestämma HRT bör protokollsteg 3.2.2-3.2.3 upprepas så många gånger som möjligt (minst 10x) eftersom spårstrålen på grund av systemets höga turbulens och närvaron av sekundära flöden (Taylor-liknande virvlar) kan separeras och färdas på olika sätt genom tratten. Till exempel visades det av Donepudi et al.24 och Mulligan et al.28 att ju närmare vattenskiktet är glasväggen, desto snabbare kommer det att röra sig till avloppet. Sonderna ska alltid tvättas med avjoniserat vatten och torkas av för att undvika att blanda sample och lagringslösningen, vilket kan förstöra data och försämra kvaliteten på elektrodlagringen.
För DO-experimentet är det viktigt att uppnå ett stabilt syrekoncentrationsvärde vid systemets utgång (protokollsteg 3.3.2.2). Om regimen inte är stabil men fluktuationerna i systemet inte är signifikanta, bör det erhållna värdet beräknas som ett medelvärde. Det är också nödvändigt att ha ett hål i locket för ventilation för att tillåta luftflöde in i systemet för ytterligare luftning.
Trots de höga värdena på KLa20 och energieffektiviteten i detta system är SOTR-värdet lågt jämfört med andra metoder26 på grund av de låga vattenflödena i de tillgängliga trattarna; Detta är för närvarande en begränsning för industriell användning av den hyperboliska tratten för vattenluftning. Det har dock visat sig att hög effektivitet i systemet kan uppnås för olika skalor med stora, medelstora och små trattar. Av detta kan vi dra slutsatsen att genom att ändra geometrin (dimensioner, inlopps- och utloppsdiametrar, väggarnas krökning) är det möjligt att avsevärt öka hastigheten och volymen på vattenbehandlingen utan att minska luftningseffektiviteten. I tabell 1 kan man dessutom se att en ökning av trattlängden med 1,1 m ledde till en mer än 100-faldig ökning av SOTR. Med tanke på att vattennivåskillnaden i vissa vattenreningsverk kan uppgå till flera meter kan (partiell) luftning uppnås till mycket lägre kostnader än för närvarande. Att bestämma hur olika geometriska parametrar i tratten påverkar vattenflödet och KLa20 för virvelregimer kan därför ge en billig och konkurrenskraftig teknik för luftning av grundvatten. Alternativt, som visas av Schauberger31, kan luftning användas för att förbättra kvaliteten på vattenreservoarer, sjöar och floder.
Disclosures
Författarna förklarar att de inte har några kända konkurrerande ekonomiska intressen eller personliga relationer som skulle kunna ha påverkat det arbete som redovisas i denna uppsats.
Acknowledgments
Detta arbete utfördes inom ramen för samarbetet mellan Wetsus European Center of Excellence for Sustainable Water Technology (www.wetsus.eu) inom temat Tillämpad vattenfysik. Wetsus är ett samarbete mellan det nederländska ekonomiministeriet och infrastruktur- och miljöministeriet, provinsen Friesland och provinserna i norra Nederländerna. Denna forskning har fått finansiering från EU:s forsknings- och innovationsprogram Horizon 2020 inom ramen för Marie Sklodowska-Curie Grant Agreement No. 665874 och Gilbert-Armstrong lab. Vi uppskattar verkligen Maarten V. van de Griends stöd för detta arbete.
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).
