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

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Ingénierie

Serbest Yüzeyli Hiperbolik Su Girdaplarının Hazırlanması

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

Bu makale, hiperbolik bir Schauberger hunisinde üç farklı su girdabı rejiminin nasıl oluşturulabileceğini, bunların en önemli özelliklerini ve oksijen transfer hızları gibi ilişkili parametrelerin nasıl hesaplanabileceğini açıklamaktadır.

Abstract

Serbest yüzey girdapları endüstride akış regülasyonu, enerji dağılımı ve enerji üretiminde bulunur. Kapsamlı bir şekilde araştırılmasına rağmen, özellikle arayüzdeki türbülans ile ilgili olarak, serbest yüzey girdapları ile ilgili ayrıntılı deneysel veriler eksiktir. Bu makale, ilk olarak 1960’larda Walter Schauberger tarafından önerilen, benzer sistemlerin değerini aşan bir oksijen hacimsel kütle transfer katsayısına sahip özel bir serbest yüzey girdabı türü hakkında bilgi vermektedir. Bu özel girdap türü hiperbolik bir hunide oluşur. Farklı kararlı rejimler, farklı hidrolik özelliklerle stabilize edilebilir. Bu teknolojinin diğer avantajları, enerji verimliliği, basit tasarımı ve ölçeklenebilirliğidir. Bu hiperbolik hunideki akış, güçlü türbülans ve hava-su arayüzünün artan yüzey alanı ile karakterize edilir. Yerel basınç, yüzey boyunca güçlü bir şekilde değişir ve belirgin bir dalgalı hava-su sınır tabakası ile sonuçlanır. Sarmal akış nedeniyle, bu bozulmalar içe doğru hareket eder ve sınır tabakasını onlarla birlikte çeker. Ortaya çıkan basınç gradyanı, su girdabına belirli bir hava hacmi çeker. Bu çalışmada, üç farklı kararlı rejim için yüksek hızlı görselleştirme de dahil olmak üzere temel hiperbolik huni kurulumunun ve operasyonel örneklerin oluşturulması sunulmaktadır.

Introduction

Hayatlarımız sarmal yapılarla yakından bağlantılıdır. Kabukların ve ammonitlerin yapısı ve kasırgaların, kasırgaların ve girdapların oluşumu da dahil olmak üzere hemen hemen her şeyde ve her yerde bulunurlar ^1,2. Kozmolojik ölçekte, galaksiler logaritmik spiral³ ilkesine göre oluşur ve gelişir. En iyi bilinen spiraller, bitki büyümesini ve belirli katıların kristalografik yapısını tanımlamaktan bilgisayar veritabanı arama algoritmaları geliştirmeye kadar birçok uygulamaya sahip olan altın ve Fibonacci spiralleri^4’tür. Fibonacci dizisi, 0 ve 1 ile başlayan ve önceki ikisinin toplamına karşılık gelen sonraki sayılara sahip sayısal bir dizi olarak karakterize edilir. Bu dizi, tavşanların üreme hızını sayarken de bulunabilir. Spiraller, Kolombiya ve Avustralya’da (MÖ 40.000-20.000¹) bulunan eşmerkezli daireler gibi Homo sapiens tarafından çizilen en eski geometrik şekillerden bazılarıdır. Leonardo da Vinci⁵, spiral bir bıçak kullanarak helikopter şeklinde bir uçan makine yaratmaya çalıştı (Yunanca ἕλιξ πτερόν veya sarmal pteron, spiral kanat anlamına gelir). Aynı prensibi takiben, bir uçak tasarımcısı olan Igor Sikorsky, 450 yıl sonra seri üretimde ilk helikopteri inşa^{etti 6}.

Diğer birçok örnek, sarmal akış yapılarının çok verimli ve masraf tasarrufu sağlayabileceğine işaret etmektedir, çünkü bu tür akış doğada tercihen görülmektedir. 20. yüzyılın başında Avusturyalı ormancı ve filozof Viktor Schauberger bunu fark etti. İnsanların doğayı düzeltmeye çalışmak yerine onu incelemesi ve ondan öğrenmesi gerektiğini söyledi. Fikirlerine dayanarak, keresteyi yüzdürmek için oldukça sıra dışı kütük oluklar inşa etti; Kanallar iki nokta arasındaki en düz yolu izlemedi, vadilerin ve akarsuların kıvrımlarını takip etti. Bu tasarım, suyun kendi ekseni boyunca spiral şeklinde bükülerek akmasını sağladı, böylece bir girdap oluşturdu, bu da kullanılan su miktarını azalttı ve normal kabul edileni önemli ölçüde aşan bir taşıma hızı üretti⁷.

Babasının ayak izlerini takip eden Viktor’un oğlu Walter, su girdabı^8’i çeşitli amaçlar için kullanarak yeni teknolojiler geliştirdi: içme suyunun arıtılması, endüstriyel süreç, göletlerin ve su yollarının restorasyonu, göletlerin ve küçük göllerin oksijenlenmesi ve nehir düzenlemesi ve restorasyonu. Bu fikirlerden biri son zamanlarda büyük ilgi görmüştür, yani bir girdabın herhangi bir karıştırma cihazı olmadan sadece su akışıyla oluşturulduğu hiperbolik bir huni⁸ kullanılarak su arıtma. Yeraltı sularında demiri oksitlemek için çok etkili bir yöntem olduğu kanıtlanmıştır ^9,10. Bu teknolojinin bir sınırlaması, düşük pH’lı su için daha az verimli olmasıdır¹¹.

Hollanda’da büyük miktarlarda içme suyu, demir konsantrasyonunun litre başına birkaç on miligrama^{ulaşabildiği yeraltı} kaynaklarından^{12 elde edilir 13}, oysa 0,2 mg/L standartlar tarafından kabul edilebilir¹⁴ olarak kabul edilir. Çoğu içme suyu tesisi, su arıtma işlemindeki demir konsantrasyonunu azaltmak için ilk adımlardan biri olarak havalandırmayı kullanır. Çoğu durumda, havalandırmanın amacı çözünmüş oksijen içeriğini arttırmak, gazları ve diğer ilgili maddeleri sudan uzaklaştırmak veya her ikisini birden yapmaktır¹⁵. Havalandırmanın oksijeni sıvı ortama sokabileceği çeşitli yöntemler vardır. Bu yöntemler, bir karıştırıcı veya türbin kullanarak sıvı yüzeyinin çalkalanmasını ve makroskopik deliklerden veya gözenekli malzemelerden havanın serbest bırakılmasını^{içerir 16}.

Demir oksidasyonunun kimyasal süreci, bir oksijen molekülünün demirli demirden bir elektron aldığı ve demir iyonu oksitlenirken su oluşturmak için serbest bir protonla reaksiyona girdiği van de Griend¹⁷ tarafından gösterilmiştir (denklem [1]):

, (1)

Demir iyonu daha sonra Fe(OH₎₃ protonları serbest bırakan su ile reaksiyonu nedeniyle çökelir (denklem [2]):

(2)

Toplam reaksiyon denklem (3) ile verilir:

. (3)

Havalandırmada en sık uygulanan teknikler kaskad, kule, sprey ve plakalı havalandırma sistemleridir^18,19. Bu teknolojilerin dezavantajı, arıtma tesislerinin işletilmesi ve bakımı için tüm enerjinin %50 ila %90’ını 20 ve bütçenin %^40’ına kadarını tüketmeleridir²¹.

Havalandırma için hiperbolik bir huni kullanmak, maliyetleri önemli ölçüde azaltabilir ve bu işlemin verimliliğini artırabilir. Hiperbolik huniler, geometrileri ve hareketli parça olmaması nedeniyle tıkanmaya karşı daha az hassastır, yani enerji sadece su pompalamak için harcanır. Böyle bir sistem, huninin saat başına su akış hızı (φ), ortalama kalma süresi (MRT), hidrolik tutma süresi (HRT), oksijen hacimsel kütle transfer katsayısı (_KLA_{20) (20}°C’lik standart bir sıcaklığa düzeltilmiş), standart oksijen transfer hızı (SORT) ve standart havalandırma verimliliği (SAE) gibi çeşitli parametrelerle karakterize edilebilir. Belirli bir sürede işlenebilecek su hacmini hesaplamak için huninin akış hızına ihtiyaç vardır. MRT, denklem (4) kullanılarak belirli bir rejim için su akış hızının hunideki hacmine oranından hesaplanır:

(4)

burada V , reaktördeki sıvı hacmini temsil eder.

HRT, kalma süresi dağılım fonksiyonu aracılığıyla izleyici teknolojiler²² kullanılarak deneysel olarak belirlenebilir. HRT, karıştırma süreçleri, bekletmeler ve ayrışma fenomenleri hakkında temel bilgiler sağlar²³. Donepudi²⁴ tarafından, su jeti girişten ne kadar uzaktaysa, çıkışa doğru o kadar hızlı hareket ettiği gösterilmiştir. İlk anda, huninin üst silindirik kısmına teğet olarak su pompalanır. Daha sonra yerçekiminin etkisi altında sistemin geometrisi ile birlikte teğetsel hız azalır ve eksenel hız artar. Oksijen hacimsel kütle transfer katsayısı,_KLA20 (birim karşılıklı zaman), bir sistemin sıvı faz_10’a oksijen transferini kolaylaştırma yeteneğini gösterir. Denklem (^25,26)’e göre⁵ hesaplanabilir:

(5)

burada C _çıkışı, dökme sıvıdaki çözünmüş oksijen (DO) konsantrasyonudur, C _girişi, beslemedeki çözünmüş oksijen konsantrasyonudur, C_s, doygunluktaki çözünmüş oksijen konsantrasyonudur ve T, su sıcaklığıdır.

SORT değeri, sistem tarafından sıvı faza aktarılan standart oksijen oranıdır ve denklem (6)²⁷ ile belirlenir:

(6)

20 °C’lik bir sıcaklık için doygunlukta DO’nun olduğu yer. SOTR değeri belirli bir proses için tanımlanabilir, bu durumda denklem (6)’da kullanılan hacim, 1 saatlik işlem süresi (prosese özgü SOTR) varsayılarak normalleştirilir, böylece pilot ölçekli havalandırma yöntemleri gerçek ölçekli sistemlerle karşılaştırılabilir. Hunide belirli bir rejimin kabiliyeti için, (rejime özgü) bir hidrolik tutma süresi için huni içindeki su hacmini kullanan sisteme özel SOTR hesaplanmalıdır. Bu değer, belirli bir hunideki bir rejimin gerçek havalandırma kapasitelerini hesaplarken önemlidir.

SAE, SOTR ile havalandırma için harcanan güç arasındaki orandır. Enerji sadece huninin tepesine su pompalamak ve ona bir girdap oluşturmak için gerekli akışı vermek için harcandığından, huninin uzunluğuna karşılık gelen bir yükseklikte saatte pompalanan su hacminin potansiyel enerjisinin toplamı olarak hesaplanır ve denklem (7) kullanılarak bir girdap²⁷ oluşturmak için suyun ihtiyaç duyduğu kinetik enerji:

(7) buyurmuştur.

burada P _p, pompalanan suyu huninin yüksekliğine kaldırmak için gereken potansiyel güçtür (kW cinsinden) ve P_k, huninin tepesine pompalanan suyun bir girdap oluşturmak için yeterli akış elde etmesi için gereken kinetik güçtür (kW cinsinden). Normalde, denklem (7) için sisteme özel SOTR kullanılmalıdır. Bunun yerine prosese özel SOTR uygulanırsa, 1 saatlik hidrolik tutma süresine sahip (teorik) bir sistemin enerji tüketimini verir.

Bu parametreler, bu teknolojiyi kullanmanın etkinliğini ve fizibilitesini değerlendirmek için yeterlidir, ancak sürecin kendisini tanımlamak için yeterli değildir. Girdapların akışkanlar dinamiğinde en az anlaşılan fenomenler arasında olduğu belirtilmelidir. Bu nedenle, bu yönde birçok araştırma çabasına yatırım yapılmaktadır. Akışkanlar dinamiğinde girdapların genel yasalarını ve kurallarını bulmadaki temel zorluklardan biri, girdapların gelişimini etkileyen ve oluşumlarını ve dinamiklerini önemli ölçüde etkileyen geometrik sınır koşullarında her zaman farklılıkların olmasıdır. Bu nedenle, serbest yüzeyli bir girdabın (FSV) laboratuvar tipi kapalı bir girdaba benzer şekilde düşünülemeyeceğini varsaymak mantıklıdır. Bununla birlikte, Mulligan ve ^ark.28 tarafından Taylor-Couette akışı (TCF) için, FSV’nin hava çekirdeği, hava çekirdeği ile aynı hızda dönen sanal bir iç silindir olarak düşünülürse, her ikisinin de benzer şekilde ele alınabileceği gösterilmiştir. Bunu yaparak, serbest yüzey girdap akış alanını temsil eden denklemler, sanal silindirin açısal hız koşullarıyla ikame edilebilir ve bu da TCF sistemi için denklemlerle sonuçlanabilir. Ayrıca, hayali bir silindirin dönme hızı arttırılırsa, bir noktada Taylor benzeri girdapların²⁸ ikincil bir akış alanı olarak göründüğü ve daha sonra duvarlara yaklaşırken kaybolduğu gösterilmiştir.

Niemeijr²⁹ tarafından, diğer hidrolik parametrelerle karakterize edilen bir Schauberger hunisinde (bükülmüş, düz ve sınırlı) (Şekil 1 ve Şekil 2) üç farklı tipte su girdabı elde etmenin mümkün olduğu gösterildikten sonra, Donepudi²⁴, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) kullanarak girdap rejimlerini simüle etmek ve böylece altta yatan bilgileri anlamak için akış alanlarının organizasyonunu analiz etmek için Mulligan ve ^diğerleri28 ile aynı yaklaşımı kullandı. fiziksel mekanizmalar. Sistem çok çalkantılıdır ve ikincil akış alanı çok kararsızdır ve çok sayıda Taylor benzeri girdabın ortaya çıkmasıyla karakterize edilir. Gaz fazından sıvı faza gaz taşınması, difüzyon, adveksiyon ve reaksiyon tarafından yönetilir. Bu nedenle, bu işlemin verimliliğini artırmak için, ya gaz konsantrasyonu gradyanını ya da sıvının hacimsel hareketini arttırmak gerekir. Sonuncusu doğrudan, doymuş sıvı elemanlarının arayüzden dökme sıvıya taşınmasını kolaylaştıran Taylor benzeri girdaplar şeklinde sistemin türbülansına bağlıdır. Bu konuyla ilgili başka bir çalışmada⁹, su akış hızı,_KLA₂₀ ve SOTR gibi farklı girdap rejimleri için ana parametreler karşılaştırıldı. Bu çalışma, bu teknoloji için büyük umut vaat etti, çünkü sistem, su havalandırma için kullanılan diğer yöntemlere kıyasla çok hızlı gaz transferi sağlıyor.

Bu makalenin amacı, verimli su havalandırma amacıyla hiperbolik Schauberger hunilerinde (küçük: 26 cm yüksekliğinde ve 15 cm üst çapı; orta: 94 cm yüksekliğinde ve 30 cm üst çapı; büyük: 153 cm yüksekliğinde ve 59 cm üst çapında) farklı su girdabı rejimleri oluşturmak için bu yöntemi sağlamak ve göstermektir.

Protocol

1. Genel öneriler Kuruluma başlamadan önce tüm boru bağlantılarında sızıntı olup olmadığını kontrol edin. Huni kapağının yerinde ve sağlam olduğunu kontrol edin. Yeraltı suyundaki yüksek demir konsantrasyonu nedeniyle sararabileceğinden, her deneyden önce ve sonra huniyi bir fırça ve cam temizleyici ile temizleyin. 2. Deney düzeneği Su girdabı sistemi (Şekil 3)Cam huniyi (Şekil 4) özel bir çerçeve üzerinde dikey konumda güvenli bir şekilde sabitleyin – dört ayaklı bir tahta ve ortada bir yuva, huninin silindirik kısmının çapına karşılık gelir ve huninin sığabileceği kadar büyük, ancak düşemeyecek kadar büyük değil. Çerçeveyi sallanmayacak şekilde güvenli bir şekilde sabitleyin. Sızıntıları önlemek için kapak ile huni arasına lastik bir conta koyun. Huni kapağını takın ve cıvataları kullanarak sıkın. Yeraltı suyu pompasını, hortumları ve hortum bağlantılarını kullanarak huninin üst silindirik kısmındaki teğetsel girişe bağlayın. Pompa ve huni arasındaki su akış hızını ayarlamak için özel bir kontrol vanası bağlayın. Kontrol vanası ile huni arasına bir su debimetresi bağlayın. Huninin çıkışını bir hortumla gidere bağlayın. Drenaj hortumuna, huninin çıkışına yakın bir yerde, ünitenin çalışması sırasında geri basınç oluşturmak için bir kelepçe takın.NOT: Kelepçe, deneyler için gerekli diğer tüm adaptör ve konektörlerden hemen sonra takılmalıdır. İzleyici deneyleri için sistem (Şekil 3)Probları giriş ve çıkışın yakınına takmak için özel adaptörler takın. pH problarını bu adaptörlere takın ve bunları veri kaydediciye bağlayın. HRT hesaplamalarında hatayı azaltmak için sensörleri huniye mümkün olduğunca yakın kurun. Jetin su akışına enjekte edilen kimyasal izleyici olarak kullanılmak üzere 1 mL NaOH çözeltisi (konsantrasyon: 0.2 M) hazırlayın.NOT: Sodyum hidroksit sulu çözeltisi güçlü bir baz olduğundan, pH30’da tepe benzeri bir artış olarak gösterilir. Girişin yakınındaki pH probundan önce bir valf ve bir şırıngadan oluşan izleyici enjeksiyon sistemini bağlamak için üç açıklığı olan bir adaptör takın. Çözünmüş oksijen deneyleri için sistem (Şekil 3)İki oksijen sensörü noktasını iki farklı cam adaptörün iç duvarına yapıştırın, huninin giriş ve çıkışına mümkün olduğunca yakın yerleştirin ve su boru hattına bağlayın.NOT: Çalışma sırasında su, etiketleri tamamen örtmelidir. Cam adaptörü, oksijen sensörü noktası huninin giriş ve çıkışına yakın olacak şekilde takın ve polimer optik fiberin ucunu (2 m uzunluğunda) camın diğer tarafındaki etiketin üzerine sabitleyin. Su sıcaklık sensörünü, pH probu ile aynı adaptördeki huni girişinin yanına kurun. DO ölçümlerini ilişkilendirmek için su sıcaklığı kullanıldığından, fibere yakın olduğundan emin olun. Polimer optik fiber ve sıcaklık sensörünü fiber optik oksijen vericisine bağlayın. Fiber optik oksijen vericisini, çözünmüş oksijen konsantrasyonu ve su sıcaklığı ile ilgili sensörden gelen sinyali görüntülemek için özel yazılımın yüklü olduğu bir dizüstü bilgisayara bağlayın. 3. Operasyon (orta huni) Girdap rejimleriAkış ölçeri açın. Yeraltı su pompasını çalıştırın ve kontrol vanasını tamamen açın. Su akışının, bir su girdabı oluşturmak için gereken maksimum akıştan önemli ölçüde daha yüksek olduğundan emin olun (orta huni için 1338 L/s). Kontrol vanasını çevirerek su akışının istenen değerini ayarlayın. Gerekirse, hunide suyun tıkanmasına izin vermek için kelepçeyi huninin çıkışına yakın bir yerde sıkın, bu da huninin üst silindirik kısmında su seviyesinin yükselmesine neden olur. Farklı rejimler ayarlamak için, huninin üst silindirik kısmındaki su akışının ve su seviyesinin değerlerini ayarlayın (Tablo 1), bir deneyde sırayla. Su girdabının stabilitesini 15 dakika boyunca kontrol edin. Kararlı modda, su seviyesi değişmemelidir.Bükümlü rejim için debiyi 1194 L/s’ye, su seviyesini 2 cm’ye, debiyi 1218 L/s’ye ve su seviyesini 5 cm’ye ayarlayın. Düz rejim için akış hızını 1314 L/s’ye, su seviyesini 11 cm’ye, akış hızını 1338 L/s’ye ve su seviyesini 11,7 cm’ye ayarlayın. Kısıtlı rejim için, bükülmüş ve düz rejimlerin aksine, kelepçeyi huninin çıkışına yakın bir yerde sıkarak geri basınç oluşturun. Akış hızını 882 L/s’ye, su seviyesini 3 cm’ye, akış hızını 936 L/s’ye ve su seviyesini 9 cm’ye ayarlayın. İzleyici deneyiBir veri kaydedici kullanarak, elde edilen verilerin geçerliliğini ve doğruluğunu sağlamak için pH problarını kalibre edin.Biri çalışma aralığının pH’ından (6-10) daha yüksek bir pH’a ve diğeri çalışma aralığının pH’ından daha düşük bir pH’a sahip iki standart çözelti hazırlayın. Değerlerini veri kaydedicide ayarlayın ve kalibrasyon sırasında tek tek ölçün. Bundan sonra, veri kaydedici pH problarını kalibre eder. pH problarını huninin girişine ve çıkışına takın, veri kaydediciye bağlayın ve kayıt modunu başlatın. Kurulumu başlatın.Kurulumu başlatın ve su girdabının sabit olduğundan emin olun. Şırıngayı hazırlanan izleyici NaOH karışımı ile doldurun ve izleyici enjeksiyon hattına bağlayın. Enjeksiyon sistemindeki valfi hızla sökün, izleyici sıvıyı enjekte edin ve ardından valfi hızla vidalayın. Kaydetme ve analiz işlemlerini gerçekleştirin.PH stabilize olduğunda, izleyici sıvının bir cam huniden geçişi sırasında kaydedilen pH tepe noktalarını kaydedin. HRT hesaplaması için önceki bir çalışmada22 açıklandığı gibi giriş ve çıkış tepe noktalarını analiz edin. Bunu yapmak için, geri sayım için ilk zirvenin başındaki noktayı alın ve geri sayımın sonu için onu eşit alanlı iki şekle bölen ikinci zirvedeki noktayı alın. Deney yapBir dizüstü bilgisayar ve fiber optik oksijen vericisi ile yazılım kullanarak çözünmüş oksijen sensörünü kalibre edin. İki sıvı kullanın: biri oksijensiz (0,1 L su ve 1 g sodyum sülfit karıştırın) ve diğeri oksijene doymuş (bunu yapmak için 15 dakika hava ile havalandırın). Ardından, yazılımda kalibrasyon işlevini seçin ve her iki sıvıyı da sırayla ölçün. Kurulumu ve kaydı gerçekleştirin.Çözünmüş oksijen sensörünü huninin girişine ve çıkışına takın. Ek olarak, sıcaklık sensörünü huni girişinin yakınına kurun. Bunları fiber optik oksijen vericisine bağlayın ve kayıt modunu başlatın. Kurulumu başlatın ve su girdabının sabit olduğundan emin olun. DO konsantrasyonunun değerinin sabit olduğu moda ulaşın ve verileri kaydedin.NOT: Okumalar kararlı değilse, veriler geçerli değildir ve deney tekrarlanmalıdır.

Representative Results

Schauberger hiperbolik hunisindeki su girdabı farklı rejimlerde (bükülmüş, düz ve sınırlı) oluşur (Şekil 1). Sonuç olarak, su atmosferik oksijenle zenginleştirilir ve sudaki kimyasal türlerin oksidasyonu teşvik edilir. Sistem, hiperbolik huninin üst kısmına su pompalamak dışında enerji gerektirmez. Bükülmüş rejim, çift sarmal bir şekle ve su ile hava arasındaki en büyük arayüze sahiptir. Oluşturulması için ortalama bir su akışı uygulamak gerekir (küçük huni için 75-78 L/s, orta huni için 1.194-1.218 L/s ve büyük huni için 4.834-5.032 L/s). Huninin üst silindirik kısmındaki yüksekliği küçük huni için 2 cm’den, orta huni için 7 cm’den ve büyük huni için 16 cm’den fazla olmamalıdır. Düz rejim, pürüzsüz düz bir şekle ve su ile hava arasında daha küçük bir arayüze sahiptir. Bu rejim maksimum su akışı gerektirir (küçük huni için 93-100 L/s, orta huni için 1.314-1.338 L/s ve büyük huni için 5.102-5.289 L/s). Yüksekliği tüm hunilerin kapağına ulaşabilir. Su seviyesine bağlı olarak, kısıtlı rejim hem bükülmüş hem de düz girdaplar şeklini alabilir. Bununla birlikte, bu rejimin özelliği, basınç uygulanmayan önceki modlardan farklı olarak, uzunluğunun geri basınç uygulamasına bağlı olarak değişmesidir. Ayrıca huninin tepesinde oluşur; Bununla birlikte, artan geri basınçla kuyruğu kısalmaya başlar ve girdap yavaş yavaş alt kısımdan kaybolur. Su akışı son derece küçüktür (küçük huni için 58-70 L/s, orta huni için 882-936 L/s ve büyük huni için 2.351-2.634 L/s) ve yüksekliği huni geometrisine bağlı olarak hem minimum hem de maksimum olabilir. Farklı rejimler, su akış hızına, karşı basınca ve sistem geometrisine bağlı olarak stabilize edilebilir ve birbirine dönüştürülebilir. Su akış hızı, oksijen hacimsel kütle transfer katsayısı ve standart oksijen transfer hızı gibi parametreler havalandırma verimliliğini karakterize eder. Düşük su akış hızına sahip bükülmüş girdap için, KLA 20’nin en yüksek olduğu (Şekil 4), düz ve kısıtlı rejimler içinKLA20’den birkaç kat daha yüksek ve göllerin ve nehirlerin havalandırılması için de kullanılan geleneksel sistemler için aynı göstergeden onlarca kat daha yüksek olduğu görülebilir (Air Jet, Çark, Kürek) ve çok daha fazla enerji yoğundur. Su akışındaki artışlarla birlikte,KLA20 kademeli olarak azaldı, ancak su seviyesi, yani sistemdeki su hacmi arttı. Bir eşik değerinden sonra, bükülmüş rejim düz rejime geçti. Her rejim için, hacimlerinin ve hidrolik parametrelerinin değişmediği sabit koşullar vardı. Bununla birlikte, küçük, orta ve büyük huniler için benzer rejimleri karşılaştırırken, sistemlerin su akış hızları ve hacimleri arasındaki farklar önemliydi. Bununla birlikte, aynı zamanda, KL a20 değerlerinin oranları çok fazla değişmedi. Bükümlü rejimde küçük huni için maksimum 83 h-1, orta huni için 60 h-1 ve büyük huni için 79 h-1 değerlerine ulaşıldı. Aynı zamanda,KLA20 artan su akışıyla azaldığında, MRT arttı, bu da Donepudi24 tarafından ayrıntılı olarak açıklandığı gibi, suyun huniden geçmesinin daha fazla zaman aldığını gösteriyor. Bununla birlikte, KLa20’ye gelince, MRT’nin değeri, farklı hunilerdeki bükümlü ve düz rejimler için yaklaşık olarak aynıydı. MRT, küçük huni için 10 sn ila 43 s, orta huni için 14 s ila 30 s ve büyük huni için 24 s ila 43 s arasında değişmiştir (Tablo 1). Şekil 1: 26 cm yüksekliğinde bir cam hiperbolik Schauberger hunisindeki su girdabı rejimleri. (A) Bükülmüş (75 L/s), (B) düz (100 L/s), (C) kısıtlı (70 L/s). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 2: 94 cm yüksekliğinde bir cam hiperbolik Schauberger hunisindeki su girdabı rejimleri. (A) Bükülmüş (1.194 L/s), (B) düz (1.314 L/s), (C) kısıtlı (882 L/s). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 3: Protokol adımları 3.1-3.3’te açıklanan deneyler için kullanılan kurulumun taslağı. (1) Yeraltı suyu pompası; (2) kontrol vanası; (3) su debimetresi; (4, 5) çözünmüş oksijen tespiti için polimer optik fiberler; (6, 7) pH probları; (8) sıcaklık sensörü; (9) izleyicili şırınga; (10) valf; (11) Schauberger hiperbolik hunisi; (12) fiber optik oksijen vericisi; (13) dizüstü bilgisayar; (14) veri kaydedici; (15) kelepçe; (16) su tahliyesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 4: Büyük huni kurulumunun fotoğrafı. (1) Yeraltı suyu rezervuarı; (2) su pompası; (3) su debimetresi; (4) izleyicili şırınga; (5, 6) oksijen sensörü spotlu cam adaptörler; (7), (8) pH probu; (9) Schauberger hiperbolik hunisi; (10) su tahliyesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Huni Rejim φ (Sol/saat) HRT (ler) MRT (ler) KLa20 (h-1) V (L) Seviye (cm) Cgirişi (mg/L) Cçıkışı (mg/L) SOTR (g O2/h) SAE (g O2/kWh) Küçük Bükülmüş 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 Düz 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 Sınırlı 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 Orta Bükülmüş 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 Düz 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 Sınırlı 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 Büyük Bükülmüş 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 Düz 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 Sınırlı 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 Tablo 1: Küçük (Şekil 1), orta (Şekil 2) ve büyük huniler için temel hidrolik özellikler ve havalandırma verimliliği parametreleri.

Discussion

Yeraltı suyu pompası çok güçlüyse ve sistem basıncı tutamıyorsa, azaltmak için kontrol vanasından önce ek bir tahliye eklenebilir. Güvenilir sonuçlar için sensörlerin kalibre edilmesi ve hızlı problar sağlamak için izleyici deneyi çok önemlidir. Problar yavaşsa, bu HRT ölçümlerini bozacaktır. Ayrıca, HRT, düz rejim için MRT’den çok daha küçükse, bu, huniye teğetsel girişin su seviyesinin önemli ölçüde altında olduğunu ve izleyici sıvının bir kısmının huniye girdikten sonra drenaja indiğini ve böylece HRT’de bir azalmaya neden olduğunu gösterebilir.

Hiperbolik bir Schauberger hunisindeki su girdabı, su akış hızına çok duyarlıdır. Sistem ne kadar küçükse, akış değişikliklerine o kadar bağlıdır. Rejim stabil ise, hunideki su seviyesi zamanla değişmemelidir. Aksi takdirde, yükselecek veya düşecektir. Bu nedenle, su taşmasını, huni içindeki artan basınç nedeniyle çatlakları veya istenmeyen bir rejim değişikliğini önlemek için su seviyesine dikkat etmeye değer.

Girdabın rejimini (protokol adımları 3.1.3.1-3.1.3.3) ve kararlılığını belirlemek için huninin şeffaf olması avantajlıdır. Bu nedenle bu çalışmada cam huni kullanılmıştır. Taşırken, taşırken ve kurarken çok dikkatli olunması zorunludur ve kapağın vidalarını zarar vermemek için çok fazla sıkmamaya dikkat edilmelidir (protokol adımı 2.1.2).

HRT’yi belirlemek için, 3.2.2-3.2.3 protokol adımları mümkün olduğunca çok kez (en az 10x) tekrarlanmalıdır, çünkü sistemin yüksek türbülansı ve ikincil akışların (Taylor benzeri girdaplar) varlığı nedeniyle, izleyici jet huni boyunca farklı şekillerde ayrılabilir ve hareket edebilir. Örneğin, Donepudi ve ark.24 ve Mulligan ve ^ark.28 tarafından su tabakasının cam duvara ne kadar yakın olursa, gidere o kadar hızlı hareket edeceği gösterilmiştir. Problar her zaman deiyonize su ile yıkanmalı ve numunenin ve saklama çözeltisinin karışmasını önlemek için silinmelidir, bu da verileri bozabilir ve elektrot depolamanın kalitesini bozabilir.

Çözünmüş oksijen deneyi için, sistemin çıkışında sabit bir oksijen konsantrasyonu değeri elde etmek önemlidir (protokol adımı 3.3.2.2). Rejim istikrarlı değilse, ancak sistemdeki dalgalanmalar önemli değilse, elde edilen değerin ortalaması alınmalıdır. Daha fazla havalandırma için sisteme hava akışına izin vermek için havalandırma için kapakta bir delik olması da gereklidir.

Bu sistemin K_La₂₀ yüksek değerlerine ve enerji verimliliğine rağmen, mevcut hunilerin düşük su akış hızları nedeniyle SOTR değeri diğer yöntemlere²⁶ göre düşüktür; Bu, şu anda su havalandırması için hiperbolik huninin endüstriyel kullanımı için bir sınırlamadır. Bununla birlikte, büyük, orta ve küçük hunilerle farklı ölçekler için sistemin yüksek verimliliğinin elde edilebileceği gösterilmiştir. Bundan, geometriyi değiştirerek (boyutlar, giriş ve çıkış çapları, duvarların eğriliği), havalandırma verimliliğini düşürmeden su arıtmanın hızını ve hacmini önemli ölçüde artırmanın mümkün olduğu sonucuna varabiliriz. Ayrıca, Tablo 1’de, huni uzunluğundaki 1,1 m’lik bir artışın SOTR’de 100 kattan fazla bir artışa yol açtığı görülebilir. Bazı su arıtma tesislerinde su seviyesi farkının birkaç metreye ulaşabileceği gerçeği göz önüne alındığında, (kısmi) havalandırma şu anda olduğundan çok daha düşük maliyetlerle sağlanabilir. Bu nedenle, huninin farklı geometrik parametrelerinin su akış hızını nasıl etkilediğini ve girdap rejimleri için_KLA_{a 20’nin} belirlenmesi, yeraltı suyunun havalandırılması için ucuz ve rekabetçi bir teknoloji sağlayabilir. Alternatif olarak, Schauberger³¹ tarafından gösterildiği gibi, su rezervuarlarının, göllerin ve nehirlerin kalitesini artırmak için havalandırma kullanılabilir.

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, Wetsus Avrupa Sürdürülebilir Su Teknolojisi Mükemmeliyet Merkezi (www.wetsus.eu) işbirliği çerçevesinde Uygulamalı Su Fiziği teması kapsamında gerçekleştirilmiştir. Wetsus, Hollanda Ekonomik İşler Bakanlığı ve Altyapı ve Çevre Bakanlığı, Friesland Eyaleti ve Kuzey Hollanda Eyaletleri tarafından ortaklaşa kurulmuştur. Bu araştırma, Avrupa Birliği’nin Horizon 2020 araştırma ve inovasyon programından, Marie Sklodowska-Curie hibe sözleşmesi No. 665874 ve Gilbert-Armstrong laboratuvarı kapsamında fon almıştır. Maarten V. van de Griend’in bu çalışmaya verdiği desteği çok takdir ediyoruz.

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

References

Tsuji, K., Muller, S. C. . Spirals and Vortices in Culture, Nature, and Science. , (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. , (1997).
Da Vinci, L., Manuscript B, L. P. a. r. i. s. Paris Manuscript B. Folio 83v. Collection of Institute de France. , (2023).
Johnson, W. . Helicopter Theory. , (1980).
Johansson, L., Ovesen, M., Hallberg, C. Self-organizing flow technology In Viktor Schauberger’s footsteps. Institute of Ecological Technology Scientific and Technical Reports. , (2002).
Sarafzadeh, M. Design and analysis of sustainable ways for water purification. Polytechnic University of Turin, Italy. , (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. , (2021).
Sharma, K. S. Adsorptive iron removal from groundwater. Wageningen University. , (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. Vortex impeller-based aeration of groundwater. Water. 14 (5), 795 (2022).
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. , (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. , (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. , (2021).
Benjamin, M. M., Lawler, D. F. . Water Quality Engineering – Physical/Chemical Treatment Processes. , (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. , (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. , (2019).
Fabienne, A. Design and characterization of a rotating bed system bioreactor for tissue engineering applications. Biotechnology Progress. 24, 140-147 (2008).
Hyperbolic Cone Fountains and Spiral Pipes. TrueSpring Available from: https://truespring.wordpress.com/w013/05/10/hyperbolice-cone-fountain-and-spiral-pipes/ (2013)

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).