Denne artikkelen beskriver hvordan tre forskjellige vannvirvelregimer i en hyperbolsk Schaubergertrakt kan opprettes, deres viktigste egenskaper og hvordan tilknyttede parametere som oksygenoverføringshastigheter kan beregnes.
Frie overflatevirvler er til stede i industrien innen strømningsregulering, energispredning og energiproduksjon. Selv om det er grundig undersøkt, mangler detaljerte eksperimentelle data om frie overflatevirvler, spesielt med hensyn til turbulensen ved grenseflaten. Dette papiret rapporterer om en spesiell type fri overflatevirvel først foreslått av Walter Schauberger på 1960-tallet som har en oksygenvolumetrisk masseoverføringskoeffisient som overstiger verdien av lignende systemer. Denne spesielle typen virvel dannes i en hyperbolsk trakt. Ulike stabile regimer kan stabiliseres med forskjellige hydrauliske egenskaper. Andre fordeler med denne teknologien er dens energieffektivitet, enkel design og skalerbarhet. Strømmen i denne hyperbolske trakten er preget av sterk turbulens og økt overflateareal av luft-vanngrensesnittet. Det lokale trykket varierer sterkt langs overflaten, noe som resulterer i et markert bølgende luft-vann grenselag. På grunn av den spiralformede strømmen beveger disse forstyrrelsene seg innover og trekker grenselaget med seg. Den resulterende trykkgradienten trekker et visst luftvolum inn i vannvirvelen. Konstruksjonen av det grunnleggende hyperbolske traktoppsettet og operasjonelle eksempler, inkludert høyhastighetsvisualisering for tre forskjellige stabile regimer, presenteres i dette arbeidet.
Våre liv er nært knyttet til spiralstrukturer. De finnes i nesten alt og overalt, inkludert strukturen av skjell og ammonitter og dannelsen av orkaner, tornadoer og boblebad 1,2. På kosmologisk skala dannes og utvikler galakser seg i henhold til prinsippet om den logaritmiske spiralen3. De mest kjente spiralene er de gyldne og Fibonacci-spiralene4, som har mange bruksområder som spenner fra å beskrive plantevekst og den krystallografiske strukturen til visse faste stoffer til å utvikle datadatabasesøkealgoritmer. Fibonacci-sekvensen er karakterisert som en numerisk serie som starter med 0 og 1 og har påfølgende tall som tilsvarer summen av de to foregående. Denne sekvensen kan også bli funnet når man teller reproduksjonshastigheten til kaniner. Spiraler er blant noen av de eldste geometriske formene tegnet av Homo sapiens, for eksempel de konsentriske sirklene funnet i Colombia og Australia (40.000-20.000 f.Kr.1). Leonardo da Vinci5 prøvde å lage en helikopterformet flygende maskin ved hjelp av et spiralblad (fra det greske ordet ἕλιξ πτερόν, eller helix pteron, som betyr spiralvinge). Etter samme prinsipp konstruerte en flydesigner, Igor Sikorsky, det første helikopteret i serieproduksjon 450 år senere6.
Mange andre eksempler peker på det faktum at spiralformede strømningsstrukturer kan være svært effektive og kostnadsbesparende fordi denne typen strømning fortrinnsvis ses i naturen. I begynnelsen av det 20. århundre innså den østerrikske skogbrukeren og filosofen Viktor Schauberger dette. Han sa at mennesker bør studere naturen og lære av den i stedet for å prøve å korrigere den. Basert på sine ideer bygde han ganske uvanlige tømmerrenner for å flyte tømmer; Rennene tok ikke den retteste stien mellom to punkter, men fulgte buktningen av daler og bekker. Denne utformingen fikk vannet til å strømme ved å vri seg i en spiral langs sin akse, og dannet dermed en virvel, som dermed reduserte mengden vann som ble brukt og produserte en transporthastighet som betydelig oversteg det som ble ansett som normalt7.
Etter sin fars fotspor utviklet Viktors sønn Walter ny teknologi ved hjelp av vannvirvel8 til ulike formål: behandling av drikkevann, industriell prosess, restaurering av dammer og vassdrag, oksygenering av dammer og små innsjøer, og elvregulering og restaurering. En av disse ideene har nylig fått stor interesse, nemlig vannbehandling ved hjelp av en hyperbolsk trakt8, hvor en virvel bare opprettes av vannstrømmen uten omrøringsenheter. Det har vist seg å være en svært effektiv metode for å oksidere jern i grunnvann 9,10. En begrensning av denne teknologien er at den er mindre effektiv for vann med lav pH11.
Store mengder drikkevann i Nederland er hentet fra underjordiske kilder12, hvor konsentrasjonen av jern kan nå flere titalls milligram per liter 13, mens 0,2 mg / L anses akseptabelt av standardene14. De fleste drikkevannsanlegg bruker lufting som et av de første trinnene for å redusere jernkonsentrasjonen i vannrenseprosessen. I de fleste tilfeller er formålet med lufting å øke innholdet av oppløst oksygen, for å fjerne gasser og andre relaterte stoffer fra vannet, eller begge deler15. Det finnes ulike metoder ved hvilke lufting kan introdusere oksygen i flytende medier. Disse metodene inkluderer omrøring av væskeoverflaten ved hjelp av en mikser eller turbin og frigjøring av luft gjennom enten makroskopiske åpninger eller porøse materialer16.
Den kjemiske prosessen med jernoksidasjon ble demonstrert av van de Griend17, hvor et oksygenmolekyl tar et elektron fra jernholdig jern og reagerer med et fritt proton for å danne vann, mens jernionet oksideres (ligning [1]):
, (1)
Jernionet felles da ut som Fe(OH)3 på grunn av dets reaksjon med vann, som frigjør protoner (ligning [2]):
(2)
Den totale reaksjonen er gitt ved ligning (3):
. (3)
I lufting er teknikkene oftest brukt kaskader, tårn, spray og plateluftingssystemer18,19. Ulempen med disse teknologiene er at de forbruker fra 50% til 90% av all energi 20 og opptil40% av budsjettet for drift og vedlikehold av renseanleggene21.
Bruk av en hyperbolsk trakt for lufting kan redusere kostnadene betydelig og øke effektiviteten i denne prosessen. Hyperbolske trakter er mindre følsomme for tilstopping på grunn av deres geometri og det faktum at det ikke er noen bevegelige deler, noe som betyr at energien bare brukes på å pumpe vann. Et slikt system kan karakteriseres av flere parametere, for eksempel vannstrømningshastigheten til trakten per time (φ), gjennomsnittlig oppholdstid (MRT), hydraulisk retensjonstid (HRT), oksygenvolumetrisk masseoverføringskoeffisient (KLa 20) (korrigert til en standardisert temperatur på20 ° C), standard oksygenoverføringshastighet (SORT) og standard luftingseffektivitet (SAE). Traktens strømningshastighet er nødvendig for å beregne volumet av vann som kan behandles på en viss tid. MRT beregnes ut fra forholdet mellom vannstrømningshastigheten og dens volum i trakten for et bestemt regime ved hjelp av ligning (4):
(4)
hvor V representerer væskevolumet i reaktoren.
HRT kan bestemmes eksperimentelt ved hjelp av sporingsteknologi22via sin oppholdstidsfordelingsfunksjon. HRT gir grunnleggende innsikt i blandingsprosesser, hold-ups og segregeringsfenomener23. Det ble vist av Donepudi24 at jo lenger unna vannstrålen er fra innløpet, desto raskere beveger den seg mot utløpet. I det første øyeblikket pumpes vann tangentielt til den øvre sylindriske delen av trakten. Da, under påvirkning av tyngdekraften, sammen med systemets geometri, reduseres tangentiell hastighet, og aksialhastigheten øker. Den oksygenvolumetriske masseoverføringskoeffisienten, KLa20 (enhet gjensidig tid), indikerer evnen til et system for å lette oksygenoverføringen til væskefasen10. Det kan beregnes25,26 i henhold til ligning (5):
(5)
hvor C ut er konsentrasjonen av oppløst oksygen (DO) i bulkvæsken, C i er DO-konsentrasjonen ifôret, Cser DO-konsentrasjonen ved metning, og T er vanntemperaturen.
SORT-verdien er standardhastigheten for oksygen som overføres til væskefasen av systemet og bestemmes av ligning (6) 27:
(6)
hvor er DO ved metning for en temperatur på 20 °C. SOTR-verdien kan defineres for en bestemt prosess, i hvilket tilfelle volumet som brukes i ligning (6) normaliseres ved å anta 1 time behandlingstid (prosessspesifikk SOTR), slik at luftemetoder i pilotskala kan sammenlignes med virkelige systemer. For evnen til et bestemt regime i trakten, må den systemspesifikke SOTR beregnes, som bruker volumet av vann inne i trakten for en (regimespesifikk) hydraulisk retensjonstid. Denne verdien er viktig når man beregner de faktiske luftingsegenskapene til et regime i en gitt trakt.
SAE er forholdet mellom SOTR og kraften som brukes til lufting. Siden energi bare brukes på å pumpe vann til toppen av trakten og gi den den nødvendige strømmen for å danne en virvel, beregnes den som summen av den potensielle energien til volumet av vann pumpet per time i en høyde som tilsvarer lengden på trakten og den kinetiske energien som trengs av vannet for å lage en virvel27 ved hjelp av ligning (7):
(7)
hvor P p er den potensielle kraften (i kW) som kreves for å løfte vannet pumpet til traktens høyde, og Pker kinetisk kraft (i kW) som kreves for at vannet pumpes på toppen av trakten for å få nok strøm til å skape en virvel. Normalt, for ligning (7), bør den systemspesifikke SOTR brukes. Hvis den prosessspesifikke SOTR brukes i stedet, gir den energiforbruket til et (teoretisk) system med 1 time hydraulisk retensjonstid.
Disse parametrene er tilstrekkelige til å vurdere effektiviteten og gjennomførbarheten av å bruke denne teknologien, men ikke for å beskrive selve prosessen. Det skal nevnes at virvler er blant de minst forståtte fenomenene i fluiddynamikk. Derfor investeres det mye forskningsinnsats i denne retningen. En av hovedutfordringene med å finne de generelle lovene og reglene for virvler i fluiddynamikk er at det alltid er variasjoner i de geometriske grensebetingelsene, som påvirker utviklingen av virvler og påvirker deres dannelse og dynamikk betydelig. Det er derfor rimelig å anta at en fri overflatevirvel (FSV) ikke kan betraktes analogt med en laboratorietype begrenset. Imidlertid ble det vist av Mulligan et al.28 for Taylor-Couette-strømmen (TCF) at hvis luftkjernen til FSV betraktes som en virtuell indre sylinder som roterer med samme hastighet som luftkjernen, kan begge behandles på samme måte. Ved å gjøre dette kan ligninger som representerer virvelstrømningsfeltet med fri overflate erstattes med vinkelhastighetsforholdene til den virtuelle sylinderen, noe som resulterer i ligninger for TCF-systemet. Det ble også demonstrert at hvis rotasjonshastigheten til en imaginær sylinder økes, vises Taylor-lignende virvler28 på et tidspunkt som et sekundært strømningsfelt og forsvinner deretter når de nærmer seg veggene.
Etter at det ble vist av Niemeijr 29 at det er mulig å oppnå tre forskjellige typer vannvirvler i en Schauberger-trakt (vridd, rett og begrenset) (figur 1 og figur 2), som er preget av andre hydrauliske parametere, brukte Donepudi 24 samme tilnærming som Mulligan et al.28 for å simulere virvelregimer ved hjelp av beregningsfluiddynamikk (CFD) og derved analysere organisasjonen av deres strømningsfelt for å forstå det underliggende fysiske mekanismer. Systemet er veldig turbulent, og det sekundære strømningsfeltet er svært ustabilt og er preget av utseendet til et stort antall Taylor-lignende virvler. Gasstransport fra gassfasen til væskefasen styres av diffusjon, adveksjon og reaksjon. Derfor, for å øke effektiviteten av denne prosessen, er det nødvendig å enten øke gasskonsentrasjonsgradienten eller væskens volumetriske bevegelse. Sistnevnte avhenger direkte av turbulensen i systemet i form av Taylor-lignende virvler, noe som letter transporten av mettede væskeelementer fra grensesnittet til bulkvæsken. I et annet arbeid på dette emnet9 ble hovedparametrene for forskjellige hvirvelregimer, som vannstrømningshastigheten, KL a20 og SOTR, sammenlignet. Denne studien viste stort løfte om denne teknologien fordi systemet muliggjør svært rask gassoverføring sammenlignet med andre metoder som brukes til vannlufting.
Hensikten med denne artikkelen er å gi og demonstrere denne metoden for å lage forskjellige vannvirvelregimer i hyperbolske Schauberger-trakter (liten: 26 cm høy og 15 cm toppdiameter; medium: 94 cm høy og 30 cm toppdiameter; stor: 153 cm høy og 59 cm toppdiameter) med mål om effektiv vannlufting.
Hvis grunnvannspumpen er for kraftig og systemet ikke kan holde trykket, kan et ekstra avløp legges til før reguleringsventilen for å redusere det. Det er svært viktig å kalibrere sensorene for pålitelige resultater og for sporingseksperimentet for å sikre raske sonder. Hvis sondene er trege, vil dette forvrenge HRT-målingene. Videre, hvis HRT er mye mindre enn MRT for det rette regimet, kan dette indikere at tangentiell inngang til trakten er betydelig under vannstanden, og at en del av sporvæsken går ned til avløpet etter å ha kommet inn i trakten, og dermed forårsaker en reduksjon i HRT.
Vannvirvelen i en hyperbolsk Schauberger-trakt er svært følsom for vannstrømningshastigheten. Jo mindre systemet er, desto mer avhenger det av strømningsendringer. Hvis regimet er stabilt, bør vannstanden i trakten ikke endres med tiden. Hvis dette ikke er tilfelle, vil det stige eller falle. Derfor er det verdt å ta hensyn til vannstanden for å unngå vannoverløp, sprekker på grunn av økt trykk inne i trakten eller et uønsket regimeskifte.
For å bestemme virvelens regime (protokolltrinn 3.1.3.1-3.1.3.3) og dens stabilitet, er det fordelaktig at trakten er gjennomsiktig. Av denne grunn ble en glasstrakt brukt i dette arbeidet. Det er viktig å være veldig forsiktig når du transporterer, håndterer og installerer den, og man bør være oppmerksom på ikke å stramme skruene på lokket for mye for ikke å skade det (protokoll trinn 2.1.2).
For å bestemme HRT, bør protokolltrinn 3.2.2-3.2.3 gjentas så mange ganger som mulig (minst 10x) fordi sporingsstrålen på grunn av systemets høye turbulens og tilstedeværelsen av sekundære strømmer (Taylor-lignende virvler) kan skille og reise forskjellige veier gjennom trakten. For eksempel ble det vist av Donepudi et al.24 og Mulligan et al.28 at jo nærmere vannlaget er glassveggen, desto raskere vil det bevege seg til avløpet. Sondene skal alltid vaskes med avionisert vann og tørkes for å unngå å blande prøven og lagringsløsningen, noe som kan ødelegge dataene og forringe kvaliteten på elektrodelagringen.
For DO-eksperimentet er det viktig å oppnå en stabil oksygenkonsentrasjonsverdi ved utgangen av systemet (protokolltrinn 3.3.2.2). Hvis regimet ikke er stabilt, men svingningene i systemet ikke er signifikante, bør den oppnådde verdien gjennomsnittliggjøres. Det er også nødvendig å ha et hull i lokket for ventilasjon for å tillate luftstrøm inn i systemet for videre lufting.
Til tross for de høye verdiene til KLa20 og energieffektiviteten til dette systemet, er SOTR-verdien lav sammenlignet med andre metoder26 på grunn av de lave vannstrømningshastighetene til de tilgjengelige traktene; Dette er for tiden en begrensning for industriell bruk av den hyperbolske trakten for vannlufting. Det har imidlertid vist seg at høy effektivitet av systemet kan oppnås for forskjellige skalaer med store, mellomstore og små trakter. Herfra kan vi konkludere med at ved å endre geometrien (dimensjoner, diametre på innløpet og utløpet, krumning av veggene), er det mulig å øke hastigheten og volumet av vannbehandling betydelig uten å redusere luftingseffektiviteten. Videre kan man i tabell 1 se at en økning i traktlengden med 1,1 m førte til en mer enn 100 ganger økning i SOTR. Tatt i betraktning det faktum at vannstandsforskjellen i enkelte vannbehandlingsanlegg kan nå flere meter, kan (delvis) lufting oppnås til mye lavere kostnader enn i dag. Dermed kan bestemmelse av hvordan forskjellige geometriske parametere i trakten påvirker vannstrømningshastigheten og KLa20 for hvirvelregimer gi en billig og konkurransedyktig teknologi for lufting av grunnvann. Alternativt, som vist av Schauberger31, kan lufting brukes til å forbedre kvaliteten på vannreservoarer, innsjøer og elver.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble utført i samarbeidsrammeverket til Wetsus European Center of Excellence for Sustainable Water Technology (www.wetsus.eu) innenfor temaet anvendt vannfysikk. Wetsus er medstiftet av det nederlandske departementet for økonomiske saker og departementet for infrastruktur og miljø, provinsen Friesland og de nordlige nederlandske provinsene. Denne forskningen har mottatt finansiering fra EUs Horizon 2020 forsknings- og innovasjonsprogram under Marie Sklodowska-Curie-tilskuddsavtalen nr. 665874 og Gilbert-Armstrong-laboratoriet. Vi setter stor pris på Maarten V. van de Griends støtte til dette arbeidet.
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 |