Preparation of Free-Surface Hyperbolic Water Vortices

Roman Klymenko; Harmen Nanninga; Esther de Kroon; Luewton L. F. Agostinho; Elmar C. Fuchs; Jakob Woisetschl&#228;ger; Wilfred F. L. M. Hoeben

doi:10.3791/64516

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Ingénierie

자유 표면 쌍곡선 물 와류의 제조

Published: July 28, 2023

doi:

10.3791/64516

Roman Klymenko^1,5, Harmen Nanninga², Esther de Kroon¹, Luewton L. F. Agostinho^1,2, Elmar C. Fuchs^1,3, Jakob Woisetschläger⁴, Wilfred F. L. M. Hoeben⁵

¹Wetsus – Centre of Excellence for Sustainable Water Technology, ²Water Technology Research Group,NHL Stenden University of Applied Sciences, ³Optical Sciences Group, Faculty of Science and Technology (TNW),University of Twente, ⁴Institute for Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics,Graz University of Technology, ⁵Department of Electrical Engineering, Electrical Energy Systems group,Eindhoven University of Technology

Summary

이 논문에서는 쌍곡선 Schauberger 깔때기에서 세 가지 다른 물 소용돌이 영역을 생성하는 방법, 가장 중요한 특성 및 산소 전달 속도와 같은 관련 매개 변수를 계산하는 방법에 대해 설명합니다.

Abstract

자유 표면 와류는 흐름 조절, 에너지 소산 및 에너지 생성에 산업에서 존재합니다. 광범위하게 조사되었지만 자유 표면 소용돌이에 관한 자세한 실험 데이터, 특히 계면의 난류와 관련하여 부족합니다. 본 논문은 1960 년대 Walter Schauberger가 처음 제안한 특수 유형의 자유 표면 소용돌이에 대해보고하며, 이는 유사한 시스템의 값을 초과하는 산소 체적 질량 전달 계수를 가지고 있습니다. 이 특별한 유형의 소용돌이는 쌍곡선 깔때기에서 형성됩니다. 상이한 안정 체제는 상이한 수력학적 특성으로 안정화될 수 있다. 이 기술의 다른 장점은 에너지 효율성, 단순한 설계 및 확장성입니다. 이 쌍곡선 깔때기의 흐름은 강한 난류와 공기-물 계면의 표면적 증가가 특징입니다. 국부 압력은 표면을 따라 강하게 변하여 뚜렷한 물결 모양의 공기-물 경계층을 만듭니다. 나선형 흐름으로 인해 이러한 섭동은 안쪽으로 이동하여 경계층을 끌어 당깁니다. 결과적인 압력 구배는 특정 공기량을 물 소용돌이로 끌어들입니다. 이 작업에서는 세 가지 다른 안정적인 체제에 대한 고속 시각화를 포함한 기본 쌍곡선 깔때기 설정 및 작동 예제의 구성을 제시합니다.

Introduction

우리의 삶은 나선형 구조와 밀접하게 연결되어 있습니다. 그들은 껍질과 암모나이트의 구조와 허리케인, 토네이도 및 소용돌이 ^1,2의 형성을 포함하여 거의 모든 곳과 모든 곳에 존재합니다. 우주론적 규모에서 은하들은 대수나선(logarithmic spiral)³의 원리에 따라 형성되고 진화한다. 가장 잘 알려진 나선은 황금 나선과 피보나치 나선4^{으로, 식물} 성장과 특정 고체의 결정학적 구조를 설명하는 것부터 컴퓨터 데이터베이스 검색 알고리즘 개발에 이르기까지 다양한 응용 분야를 가지고 있다. 피보나치 수열은 0과 1로 시작하고 이전 두 개의 합에 해당하는 후속 숫자를 갖는 숫자 계열로 특징 지어집니다. 이 순서는 토끼의 번식률을 계산할 때도 찾을 수 있습니다. 나선은 콜롬비아와 호주에서 발견되는 동심원(기원전 40,000-20,000년¹)과 같이 호모 사피엔스가 그린 가장 오래된 기하학적 모양 중 하나입니다. 레오나르도 다빈치 5 (Leonardo da Vinci⁵)는 나선형 블레이드 (그리스어 ἕλιξ πτερόν 또는 나선형 날개를 의미하는 나선 프테론에서 유래)를 사용하여 헬리콥터 모양의 비행 기계를 만들려고했습니다. 같은 원칙에 따라 항공기 설계자 인 이고르 시코 르 스키 (Igor Sikorsky)는 450 년 후⁶ 시리즈 생산에서 최초의 헬리콥터를 제작했습니다.

다른 많은 예는 나선형 흐름 구조가 이러한 유형의 흐름이 자연에서 우선적으로 보이기 때문에 매우 효율적이고 비용을 절감할 수 있다는 사실을 지적합니다. 20세기 초, 오스트리아의 산림 관리인이자 철학자인 Viktor Schauberger는 이것을 깨달았습니다. 그는 인간이 자연을 바로잡으려고 하기보다는 자연을 연구하고 자연으로부터 배워야 한다고 말했습니다. 그의 아이디어를 바탕으로 그는 목재를 띄우기 위해 다소 특이한 통나무 수로를 만들었습니다. 수로는 두 지점 사이의 가장 직선적인 길을 택하지 않고 계곡과 개울의 구불구불한 길을 따랐습니다. 이 설계는 축을 따라 나선형으로 비틀어 물을 흐르게 하여 소용돌이를 형성하여 사용되는 물의 양을 줄이고 정상적인 것으로 간주되는 것을 크게 초과하는 수송 속도를 생성했습니다⁷.

아버지의 뒤를 이어 빅토르의 아들 월터는 식수 처리, 산업 공정, 연못과 수로 복원, 연못과 작은 호수의 산소 공급, 하천 조절 및 복원 등 다양한 목적으로 물 소용돌이⁸을 사용하는 새로운 기술을 개발했습니다. 이러한 아이디어 중 하나는 최근에 상당한 관심을 얻었는데, 즉 쌍곡선 깔때기(⁸)를 사용한 수처리로, 교반 장치 없이 물의 흐름에 의해서만 소용돌이가 생성됩니다. 지하수 ^9,10에서 철을 산화시키는 매우 효과적인 방법임이 입증되었습니다. 이 기술의 한계는 pH가 낮은 물(¹¹)에 대해 덜 효율적이라는 것이다.

네덜란드에서 많은 양의 음용수는 지하수원¹²에서 얻어지는데, 철분의 농도는 리터당 수십 밀리그램에 달할 수 있다.13, 0.2 mg/L는 표준¹⁴에 의해 허용되는 것으로 간주된다^. 대부분의 식수 공장은 정수 과정에서 철 농도를 줄이기 위한 첫 번째 단계 중 하나로 폭기를 사용합니다. 대부분의 경우, 폭기의 목적은 용존 산소 함량을 증가시키거나, 물로부터 가스 및 기타 관련 물질을 제거하거나, 또는 둘 다를 제거하는 것이다¹⁵. 폭기가 액체 매체에 산소를 도입할 수 있는 다양한 방법이 있습니다. 이러한 방법은 혼합기 또는 터빈을 사용하여 액체 표면을 교반하고 거시적 오리피스 또는 다공성 재료⁽¹⁶)를 통해 공기를 방출하는 것을 포함한다.

철 산화의 화학적 과정은 van de Griend¹⁷에 의해 입증되었는데, 여기서 산소 분자는 철철에서 전자를 가져와 자유 양성자와 반응하여 물을 형성하고 철 이온은 산화됩니다 (방정식 [1]).

, (1)

그런 다음 철 이온은 양성자를 방출하는 물과의 반응으로 인해 Fe(OH)₃로 침전됩니다(방정식 [2]).

(2개)

총 반응은 식 (3)으로 주어진다 :

. (3)

폭기에서 가장 자주 적용되는 기술은 캐스케이드, 타워, 스프레이 및 플레이트 폭기 시스템^18,19입니다. 이러한 기술의 단점은 모든 에너지(20)의 50% 내지 90%를 소비하고 처리 시설⁽²¹)의 운영 및 유지를 위한 예산의 최대⁴⁰%를 소비한다는 것이다.

폭기에 쌍곡선 깔때기를 사용하면 비용을 크게 절감하고이 공정의 효율성을 높일 수 있습니다. 쌍곡선 깔때기는 기하학적 구조와 움직이는 부품이 없기 때문에 막힘에 덜 민감하며, 이는 에너지가 물을 펌핑하는 데만 소비된다는 것을 의미합니다. 이러한 시스템은 시간당 깔때기의 물 유량(φ), 평균 체류 시간(MRT), 수압 체류 시간(HRT), 산소 체적 질량 전달 계수₍_KLA20)(20°C의 표준화된 온도로 보정됨), 표준 산소 전달 속도(SORT) 및 표준 폭기 효율(SAE)과 같은 여러 매개변수로 특성화될 수 있습니다. 깔때기의 유속은 특정 시간에 처리 할 수있는 물의 양을 계산하는 데 필요합니다. MRT는 방정식 (4)를 사용하여 특정 영역에 대한 깔때기의 부피에 대한 물 유량의 비율에서 계산됩니다.

(4개)

여기서 V 는 반응기 내의 액체 부피를 나타낸다.

HRT는 체류 시간 분포 함수를 통해 추적자 기술⁽²²)을 사용하여 실험적으로 결정될 수 있다. HRT는 혼합 공정, 홀드업 및 분리 현상에 대한 기본적인 통찰력을 제공합니다²³. Donepudi²⁴는 워터 제트가 입구에서 멀어 질수록 출구쪽으로 더 빨리 이동한다는 것을 보여주었습니다. 초기 순간에 물은 깔때기의 상부 원통형 부분으로 접선으로 펌핑됩니다. 그런 다음 중력의 영향으로 시스템의 형상과 함께 접선 속도가 감소하고 축 속도가 증가합니다. 산소 체적 질량 전달 계수_인_KLA20(단위 역수 시간)은 액상⁽¹⁰)으로의 산소 전달을 용이하게 하는 시스템의 능력을 나타낸다. 식 (5)에 따라^25,26으로 계산할 수 있습니다.

(5개)

여기서 C _out은 벌크 액체의 용존 산소 (DO) 농도이고, C_de은 공급물의 DO 농도이고, _Cs는 포화 상태의 DO 농도이며, T는 수온입니다.

SORT 값은 시스템에 의해 액상으로 전달되는 산소의 표준 비율이며 방정식 (6)²⁷에 의해 결정됩니다.

(6개)

여기서 DO는 20 °C의 온도에 대한 포화 상태에서입니다. SOTR 값은 특정 공정에 대해 정의할 수 있으며, 이 경우 방정식 6에 사용된 부피는 1시간의 처리 시간(공정별 SOTR)을 가정하여 정규화되므로 파일럿 규모 폭기 방법을 실제 규모 시스템과 비교할 수 있습니다. 깔때기에서 특정 정권의 기능을 위해서는 (정권별) 유압 유지 시간 동안 깔때기 내부의 물의 양을 사용하는 시스템별 SOTR을 계산해야 합니다. 이 값은 주어진 깔때기에서 정권의 실제 폭기 능력을 계산할 때 중요합니다.

SAE는 SOTR과 폭기에 소비되는 전력 간의 비율입니다. 에너지는 깔때기 상단으로 물을 펌핑하고 와류를 형성하는 데 필요한 흐름을 제공하는 데만 소비되기 때문에 깔때기의 길이에 해당하는 높이에서 시간당 펌핑되는 물의 부피와 물이 필요한 운동 에너지의 합으로 계산됩니다.

(7)

여기서 _Pp는 깔때기의 높이까지 펌핑된 물을 들어 올리는 데 필요한 전위 전력(kW)이고, _Kk는 깔때기 상단에서 펌핑된 물이 와류를 생성하기에 충분한 흐름을 얻는 데 필요한 운동 전력(kW)입니다. 일반적으로 식 (7)의 경우 시스템별 SOTR을 사용해야 합니다. 대신 공정별 SOTR을 적용하면 1시간의 유압 유지 시간으로 (이론적) 시스템의 에너지 소비를 산출합니다.

이러한 매개변수는 이 기술 사용의 효과와 타당성을 평가하기에 충분하지만 프로세스 자체를 설명하기에는 충분하지 않습니다. 소용돌이는 유체 역학에서 가장 잘 이해되지 않는 현상 중 하나라는 점을 언급해야합니다. 따라서 이 방향에 많은 연구 노력이 투자됩니다. 유체 역학에서 소용돌이의 일반 법칙과 규칙을 찾는 데있어 주요 과제 중 하나는 소용돌이의 발달에 영향을 미치고 형성과 역학에 큰 영향을 미치는 기하학적 경계 조건에 항상 변화가 있다는 것입니다. 따라서 자유 표면 소용돌이 (FSV)는 실험실 유형의 제한된 소용돌이와 유사하게 간주 될 수 없다고 가정하는 것이 합리적입니다. 그러나 Taylor-Couette 흐름(TCF)에 대한 Mulligan et ^al.28 은 FSV의 공기 코어가 공기 코어와 동일한 속도로 회전하는 가상 내부 실린더로 간주되는 경우 둘 다 유사하게 처리될 수 있음을 보여주었습니다. 이렇게 하면 자유 표면 와류 유동장을 나타내는 방정식을 가상 실린더의 각속도 조건으로 대체할 수 있으며, 그 결과 TCF 시스템에 대한 방정식이 생성됩니다. 또한, 가상 실린더의 회전 속도가 증가하면, 어느 시점에서, 테일러-라이크 와류(²⁸ )가 2차 유동장으로서 나타나고, 그 후 벽에 접근할 때 사라진다는 것이 증명되었다.

Niemeijr 29가 Schauberger 깔때기(꼬임, 직선 및 제한)에서 세 가지 다른 유형의 물 와류(꼬임, 직선 및 제한)를 얻을 수 있음을 보여준 후(그림 1 및 그림 2), 다른 유압 매개변수로 특징지어지며, Donepudi 24는 Mulligan et al.28과 동일한 접근 방식을 사용하여 전산 유체 역학(CFD)을 사용하여 와류 영역을 시뮬레이션하고 유동장의 구성을 분석하여 기본을 이해합니다 물리적 메커니즘. 시스템은 매우 난류이며 2 차 유동장은 매우 불안정하며 많은 수의 테일러와 같은 소용돌이가 나타나는 것이 특징입니다. 기체 상태에서 액상으로의 기체 수송은 확산, 이류 및 반응에 의해 제어됩니다. 따라서 이 공정의 효율성을 높이려면 기체 농도 구배 또는 액체의 체적 운동을 증가시켜야 합니다. 후자는 테일러와 같은 소용돌이 형태의 시스템의 난류에 직접적으로 의존하며, 이는 계면에서 벌크 액체로의 포화 유체 요소의 수송을 용이하게합니다. 이 주제⁹에 대한 또 다른 연구에서, 물의 유속_{, KLA}₂₀ 및 SOTR과 같은 상이한 와류 영역에 대한 주요 파라미터를 비교하였다. 이 연구는 이 시스템이 물 폭기에 사용되는 다른 방법에 비해 매우 빠른 가스 전달을 가능하게 하기 때문에 이 기술에 대한 큰 가능성을 보여주었습니다.

이 기사의 목적은 효율적인 물 폭기를 목표로 쌍곡선 Schauberger 깔때기(소형: 높이 26cm, 상단 직경 15cm, 중간: 높이 94cm, 상단 직경 30cm, 대형: 높이 153cm, 상단 직경 59cm)에서 다양한 물 소용돌이 체제를 생성하기 위한 이 방법을 제공하고 시연하는 것입니다.

Protocol

1. 일반적인 권장 사항 설정을 시작하기 전에 모든 파이프 연결에 누출이 있는지 확인하십시오. 깔때기 뚜껑이 제자리에 있고 고정되어 있는지 확인하십시오. 지하수에 철분 농도가 높기 때문에 노란색으로 변할 수 있으므로 각 실험 전후에 브러시와 유리 세정제로 깔때기를 청소하십시오. 2. 실험 설정 물 소용돌이 시스템(그림 3)유리 깔때기 (그림 4)를 특수 프레임의 수직 위치에 단단히 고정하십시오 – 깔때기의 원통형 부분의 직경에 해당하는 4 개의 다리와 중간에 슬롯이있는 보드는 깔때기가 들어갈 수있을만큼 충분히 크지 만 너무 크지 않습니다. 프레임이 흔들리지 않도록 단단히 고정하십시오. 누출을 방지하기 위해 뚜껑과 깔때기 사이에 고무 개스킷을 넣으십시오. 깔때기 뚜껑을 부착하고 볼트를 사용하여 조입니다. 호스와 호스 커넥터를 사용하여 지하수 펌프를 깔때기 상단 원통형 부분의 접선 입구에 연결합니다. 특수 제어 밸브를 연결하여 펌프와 깔때기 사이의 유량을 조정하십시오. 제어 밸브와 깔때기 사이에 유량계를 연결합니다. 깔때기의 출구를 호스로 배수구에 연결하십시오. 깔때기 출구 근처의 배수 호스에 cl을 설치하십시오.amp 장치 작동 중에 배압을 생성합니다.알림: 클amp 실험에 필요한 다른 모든 어댑터와 커넥터 바로 뒤에 설치해야 합니다. 추적자 실험용 시스템(그림 3)입구와 출구 근처에 프로브를 설치하기 위한 특수 어댑터를 설치하십시오. 이 어댑터에 pH 프로브를 설치하고 데이터 로거에 연결합니다. HRT 계산의 오류를 줄이기 위해 깔때기에 가능한 한 가깝게 센서를 설치하십시오. 제트의 물 흐름에 주입되는 화학 추적자로 사용할 NaOH 용액 1mL(농도: 0.2M)를 준비합니다.참고: 수산화나트륨 수용액은 강염기이기 때문에 pH30에서 피크와 같은 증가로 나타납니다. 입구 근처의 pH 프로브 앞에 밸브와 주사기로 구성된 추적기 주입 시스템을 연결하기 위한 3개의 구멍이 있는 어댑터를 설치합니다. DO 실험을 위한 시스템(그림 3)두 개의 서로 다른 유리 어댑터의 내벽에 두 개의 산소 센서 스팟을 붙이고 깔때기의 입구와 출구에 최대한 가깝게 배치하고 수도관에 연결합니다.알림: 작동 중에는 물이 스티커를 완전히 덮어야 합니다. 깔때기의 입구와 출구 근처에 산소 센서 스폿이 있는 유리 어댑터를 설치하고 유리 반대쪽의 스티커 위에 폴리머 광섬유(길이 2m)의 끝을 고정합니다. pH 프로브와 동일한 어댑터의 깔때기 입구 근처에 수온 센서를 설치합니다. 수온은 DO 측정의 상관 관계를 파악하는 데 사용되므로 섬유에 가까운지 확인하십시오. 폴리머 광섬유와 온도 센서를 광섬유 산소 트랜스미터에 연결합니다. 광섬유 산소 트랜스미터를 특수 소프트웨어가 설치된 노트북에 연결하여 용존 산소 농도 및 수온과 관련된 센서의 신호를 표시합니다. 3. 작동(중형 깔때기) 소용돌이 정권유량계를 켭니다. 지하수 펌프를 시작하고 제어 밸브를 완전히 엽니다. 물의 흐름이 물 와류를 형성하는 데 필요한 최대 흐름(중간 깔때기의 경우 1338L/h)보다 훨씬 높은지 확인하십시오. 제어 밸브를 돌려 원하는 물 흐름 값을 조정하십시오. 필요한 경우 깔때기 출구 근처의 클램프를 짜서 깔때기에서 물이 막히도록 하여 깔때기의 상부 원통형 부분에서 수위가 상승합니다. 다른 체제를 설정하려면 한 실험에서 깔때기의 상부 원통형 부분(표 1)의 물 흐름 값과 수위 값을 순차적으로 조정합니다. 15분 동안 물 소용돌이의 안정성을 확인하십시오. 안정 모드에서는 수위가 변하지 않아야합니다.트위스트 방식의 경우 유량을 1194L/h로, 수위를 2cm로, 유속을 1218L/h로, 수위를 5cm로 조정합니다. 직선 방식의 경우 유량을 1314L/h, 수위를 11cm, 유속을 1338L/h, 수위를 11.7cm로 조정합니다. 제한된 정권의 경우, 꼬이고 직선 정권과 달리 깔때기 출구 근처에서 클램프를 눌러 배압을 생성합니다. 유량을 882L/h, 수위를 3cm, 유속을 936L/h, 수위를 9cm로 설정합니다. 추적자 실험데이터 로거를 사용하여 pH 프로브를 교정하여 얻은 데이터의 유효성과 정확성을 보장합니다.작동 범위(6-10)의 pH보다 높은 pH와 작동 범위의 pH보다 낮은 pH의 표준 용액 두 개를 준비합니다. 데이터 로거에서 값을 설정하고 교정 중에 하나씩 측정합니다. 그 후, 데이터 로거는 pH 프로브를 교정합니다. 깔때기의 입구와 출구에 pH 프로브를 설치하고 데이터 로거에 연결한 후 기록 모드를 시작합니다. 설정을 시작합니다.설정을 시작하고 물 소용돌이가 안정적인지 확인하십시오. 준비된 NaOH의 추적자 혼합물로 주사기를 채우고 추적자 주입 라인에 연결합니다. 주입 시스템의 밸브를 빠르게 풀고 추적액을 주입한 다음 밸브를 빠르게 조입니다. 저장 및 분석을 수행합니다.pH가 안정화되면 유리 깔때기를 통해 추적자 액체가 통과하는 동안 기록된 pH 피크를 저장합니다. HRT 계산을 위해 이전 작업(22 )에서 설명한 대로 진입 및 출구 피크를 분석한다. 이렇게하려면 카운트 다운을 위해 첫 번째 피크의 시작 부분에있는 지점을 가져 와서 카운트 다운이 끝날 때까지 동일한 면적의 두 숫자로 나눈 두 번째 피크의 지점을 가져옵니다. 실험하기노트북과 광섬유 산소 트랜스미터가 있는 소프트웨어를 사용하여 DO 센서를 교정합니다. 무산소 (물 0.1L와 아황산 나트륨 1g 혼합)와 산소로 포화 된 유체 (15 분 동안 공기로 통기)의 두 가지 유체를 사용하십시오. 그런 다음 소프트웨어에서 보정 기능을 선택하고 두 액체를 차례로 측정합니다. 설치 및 녹음을 수행합니다.깔때기의 입구와 출구에 DO 센서를 설치합니다. 또한 깔때기 입구 근처에 온도 센서를 설치하십시오. 광섬유 산소 트랜스미터에 연결하고 녹음 모드를 시작합니다. 설정을 시작하고 물 소용돌이가 안정적인지 확인하십시오. DO 농도 값이 안정적인 모드에 도달하여 데이터를 기록합니다.참고: 판독값이 안정적이지 않으면 데이터가 유효하지 않으며 실험을 반복해야 합니다.

Representative Results

Schauberger 쌍곡선 깔때기의 물 소용돌이는 서로 다른 영역(꼬임, 직선 및 제한)으로 형성됩니다(그림 1). 그 결과, 물은 대기 중 산소로 풍부 해지고 물 속의 화학 종의 산화가 촉진됩니다. 이 시스템은 쌍곡선 깔때기의 상부로 물을 펌핑하는 것을 제외하고는 에너지가 필요하지 않습니다. 꼬인 정권은 이중 나선 모양과 물과 공기 사이의 가장 큰 경계면을 가지고 있습니다. 생성을 위해서는 평균 물 흐름(소형 깔때기의 경우 75-78L/h, 중형 깔때기의 경우 1,194-1,218L/h, 큰 깔때기의 경우 4,834-5,032L/h)을 적용해야 합니다. 깔때기의 상부 원통형 부분의 높이는 작은 깔때기의 경우 2cm, 중간 깔때기의 경우 7cm, 큰 깔때기의 경우 16cm를 넘지 않아야합니다. 직선 체제는 부드러운 직선 모양과 물과 공기 사이의 더 작은 경계면을 가지고 있습니다. 이 체제는 최대 물 흐름(소형 깔때기의 경우 93-100L/h, 중간 깔때기의 경우 1,314-1,338L/h, 큰 깔때기의 경우 5,102-5,289L/h)이 필요합니다. 높이는 모든 깔때기의 덮개에 도달 할 수 있습니다. 수위에 따라 제한된 체제는 꼬인 소용돌이와 직선 소용돌이의 형태를 취할 수 있습니다. 그러나 이 체제의 특징은 압력이 가해지지 않는 이전 모드와 달리 배압의 적용에 따라 길이가 변한다는 것입니다. 깔때기 상단에도 형성됩니다. 그러나 배압이 증가함에 따라 꼬리가 짧아지기 시작하고 소용돌이가 바닥 부분에서 점차 사라집니다. 물의 흐름이 매우 작으며(소형 깔때기의 경우 58-70L/h, 중형 깔때기의 경우 882-936L/h, 큰 깔때기의 경우 2,351-2,634L/h) 깔때기 형상에 따라 높이가 최소 및 최대가 될 수 있습니다. 서로 다른 체제는 물의 유속, 배압 및 시스템 형상에 따라 안정화되고 서로 변형될 수 있습니다. 물 유속, 산소 체적 질량 전달 계수 및 표준 산소 전달 속도와 같은 매개변수는 폭기 효율을 특성화합니다. 낮은 유속의 꼬인 소용돌이의 경우 KLA 20이 가장 높았으며(그림 4), 직선 및 제한 영역의경우 KLA20보다 몇 배 높았고 호수와 강의 폭기에도 사용되는 기존 시스템의 동일한 지표보다 수십 배 높았습니다(Air Jet, Impeller, Paddle)이며 훨씬 더 에너지 집약적입니다. 물의 흐름이 더 증가함에 따라,KLA20은 점차 감소하지만, 수위, 즉 시스템 내의 물의 양은 증가하였다. 어느 정도 문턱 값이 지나면 뒤틀린 정권이 직선 정권으로 전환되었습니다. 각 정권마다 부피와 유압 매개 변수가 변하지 않는 정지 상태가있었습니다. 그러나 소형, 중형 및 대형 깔때기에 대해 유사한 체제를 비교할 때 시스템의 물 유속과 부피 간의 차이가 상당했습니다. 그러나, 동시에,KLa20 값의 비율은 크게 변하지 않았다. 작은 깔때기의 경우 83 h-1, 중간 깔때기의 경우 60 h-1, 큰 깔때기의 경우 79 h-1의 최대값이 꼬인 영역에서 달성되었습니다. 동시에, 물의흐름이 증가함에 따라 KLA20이 감소할 때, MRT가 증가하여, Donepudi(24)에 의해 상세히 기술된 바와 같이, 물이 깔때기를 통과하는 데 더 많은 시간이 걸렸음을 나타낸다. 그러나, KL a20에 관해서는, MRT의 값은 상이한 깔때기에서 꼬인 및 직선 정권에 대해 거의 동일하였다. MRT는 소형 깔때기의 경우 10초에서 43초, 중형 깔때기의 경우 14초에서 30초, 큰 깔때기의 경우 24초에서 43초까지 다양했습니다(표 1). 그림 1: 26cm 높이의 유리 쌍곡선 Schauberger 깔때기의 물 소용돌이 영역. (A) 트위스트(75L/h), (B) 직선(100L/h), (C) 제한(70L/h). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 2: 94cm 높이의 유리 쌍곡선 Schauberger 깔때기에서 물 소용돌이 체제. (A) 꼬임(1,194L/h), (B) 직선(1,314L/h), (C) 제한(882L/h). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 3: 프로토콜 단계 3.1-3.3에 설명된 실험에 사용된 설정 스케치. (1) 지하수 펌프; (2) 제어 밸브; (3) 물 유량계; (4, 5) DO 검출용 고분자 광섬유; (6, 7) pH 프로브; (8) 온도 센서; (9) 추적자가 있는 주사기; (10) 밸브; (11) Schauberger 쌍곡선 깔때기; (12) 광섬유 산소 송신기; (13) 노트북; (14) 데이터 로거; (15) 클램프; (16) 물 배수구. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 4: 대형 깔때기 설정 사진. (1) 지하수 저수지; (2) 워터 펌프; (3) 물 유량계; (4) 추적자가 있는 주사기; (5, 6) 산소 센서 스폿이 있는 유리 어댑터; (7), (8) pH 프로브; (9) Schauberger 쌍곡선 깔때기; (10) 물 배수구. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 깔때기 정권 φ (L/h) HRT (들) MRT (들) KLa20 (h-1) 브이(L) 레벨(cm) C입력 (mg/L) C출력 (mg/L) SOTR (g O2 / h) SAE (g O2/kWh) 작다 꼬인 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 곧장 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 제한 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 보통 꼬인 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 곧장 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 제한 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 큰 꼬인 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 곧장 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 제한 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 표 1: 소형(그림 1), 중형(그림 2) 및 대형 깔때기에 대한 기본 유압 특성 및 폭기 효율 매개변수.

Discussion

지하수 펌프가 너무 강력하고 시스템이 압력을 유지할 수 없는 경우 제어 밸브 앞에 추가 배수구를 추가하여 압력을 낮출 수 있습니다. 신뢰할 수 있는 결과를 위해 센서를 교정하고 빠른 프로브를 보장하기 위해 추적 실험을 수행하는 것이 매우 중요합니다. 프로브가 느리면 HRT 측정이 왜곡됩니다. 또한, HRT가 직선 영역에 대한 MRT보다 훨씬 작다면, 이는 깔때기로의 접선 입구가 수위보다 현저히 낮고 추적자 액체의 일부가 깔때기에 들어간 후 배수구로 내려가고 있음을 나타낼 수 있으며, 따라서 HRT의 감소를 유발합니다.

쌍곡선 Schauberger 깔때기의 물 소용돌이는 물의 유속에 매우 민감합니다. 시스템이 작을수록 흐름 변화에 더 많이 의존합니다. 정권이 안정적이라면 깔때기의 수위는 시간이 지남에 따라 변하지 않아야합니다. 그렇지 않으면 상승하거나 하락합니다. 따라서 물 넘침, 깔때기 내부의 압력 증가로 인한 균열 또는 원치 않는 정권 변경을 피하기 위해 수위에주의를 기울일 필요가 있습니다.

와류의 영역(프로토콜 단계 3.1.3.1-3.1.3.3)과 그 안정성을 결정하기 위해서는 깔때기가 투명한 것이 유리합니다. 이러한 이유로이 작업에는 유리 깔때기가 사용되었습니다. 운반, 취급 및 설치 시 각별한 주의가 필요하며, 뚜껑이 손상되지 않도록 뚜껑의 나사를 너무 세게 조이지 않도록 주의해야 합니다(프로토콜 단계 2.1.2).

HRT를 결정하기 위해 프로토콜 단계 3.2.2-3.2.3은 시스템의 높은 난류와 2차 흐름(테일러와 같은 소용돌이)의 존재로 인해 추적자 제트가 깔때기를 통해 분리되어 다른 방식으로 이동할 수 있기 때문에 가능한 한 여러 번(최소 10배) 반복해야 합니다. 예를 들어, Donepudi et al.24 및 Mulligan et ^al.28은 수층이 유리벽에 가까울수록 배수구로 더 빨리 이동한다는 것을 보여주었습니다. 프로브는 항상 탈이온수로 세척하고 닦아야 s가 혼합되지 않도록 samp데이터와 저장 용액은 데이터를 손상시키고 전극 저장 품질을 저하시킬 수 있습니다.

DO 실험의 경우 시스템 출력에서 안정적인 산소 농도 값을 달성하는 것이 중요합니다(프로토콜 단계 3.3.2.2). 체제가 안정적이지 않지만 시스템의 변동이 크지 않은 경우 얻은 값을 평균화해야 합니다. 또한 추가 통기를 위해 시스템으로 공기가 흐를 수 있도록 환기를 위해 뚜껑에 구멍이 있어야 합니다.

_KLA20의 높은값 및 이 시스템의 에너지 효율에도 불구하고, SOTR 값은 이용가능한 깔때기의 낮은 물 유속으로 인해 다른 방법(²⁶)에 비해 낮다; 이것은 현재 물 폭기를위한 쌍곡선 깔때기의 산업적 사용에 대한 한계입니다. 그러나 시스템의 높은 효율은 대형, 중형 및 소형 깔때기를 가진 다양한 규모에 대해 달성 될 수 있음이 입증되었습니다. 이로부터 우리는 형상 (입구와 출구의 치수, 직경, 벽의 곡률)을 변경함으로써 폭기 효율을 감소시키지 않고 수처리의 속도와 부피를 크게 증가시킬 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다. 또한, 표 1을 보면 깔때기 길이가 1.1m 증가하면 SOTR이 100배 이상 증가한 것을 알 수 있다. 일부 수처리 플랜트에서 수위차가 수 미터에 달할 수 있다는 사실을 고려하면 현재보다 훨씬 저렴한 비용으로 (부분) 폭기를 달성 할 수 있습니다. 따라서, 깔때기의 상이한 기하학적 파라미터가 와류 체제에 대한 물의 유량_및_KLA20에 어떻게 영향을 미치는지를 결정하는 것은 지하수의 폭기를 위한 저렴하고 경쟁력 있는 기술을 제공할 수 있다. 대안적으로, Schauberger³¹에 의해 보여지는 바와 같이, 폭기는 저수지, 호수 및 강의 수질을 개선하는데 사용될 수 있다.

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 작업은 Applied Water Physics 주제 내에서 Wetsus European Center of Excellence for Sustainable Water Technology (www.wetsus.eu)의 협력 프레임 워크에서 수행되었습니다. Wetsus는 네덜란드 경제부와 인프라 환경부, 프리슬란트 주 및 네덜란드 북부 주가 공동 설립했습니다. 이 연구는 Marie Sklodowska-Curie 보조금 계약 No. 665874 및 Gilbert-Armstrong 연구소에 따라 유럽 연합의 Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램으로부터 자금을 지원받았습니다. 이 작업에 대한 Maarten V. van de Griend의 지원에 감사드립니다.

Materials

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

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Citer Cet Article

Klymenko, R., Nanninga, H., de Kroon, E., Agostinho, L. L. F., Fuchs, E. C., Woisetschläger, J., Hoeben, W. F. L. M. Preparation of Free-Surface Hyperbolic Water Vortices. J. Vis. Exp. (197), e64516, doi:10.3791/64516 (2023).