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

Preparazione di vortici d'acqua iperbolici a superficie libera

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

Questo articolo descrive come possono essere creati tre diversi regimi di vortice d’acqua in un imbuto di Schauberger iperbolico, le loro caratteristiche più importanti e come possono essere calcolati i parametri associati come le velocità di trasferimento dell’ossigeno.

Abstract

I vortici a superficie libera sono presenti nell’industria nella regolazione del flusso, nella dissipazione di energia e nella generazione di energia. Sebbene siano stati studiati in modo approfondito, mancano dati sperimentali dettagliati riguardanti i vortici a superficie libera, in particolare per quanto riguarda la turbolenza all’interfaccia. Il presente articolo riporta un tipo speciale di vortice a superficie libera proposto per la prima volta da Walter Schauberger negli anni ’60 che ha un coefficiente di trasferimento di massa volumetrico di ossigeno superiore al valore di sistemi simili. Questo particolare tipo di vortice si forma in un imbuto iperbolico. Diversi regimi stabili possono essere stabilizzati con diverse caratteristiche idrauliche. Altri vantaggi di questa tecnologia sono l’efficienza energetica, il design semplice e la scalabilità. Il flusso in questo imbuto iperbolico è caratterizzato da una forte turbolenza e da un aumento della superficie dell’interfaccia aria-acqua. La pressione locale varia fortemente lungo la superficie, risultando in uno strato limite aria-acqua ondulato pronunciato. A causa del flusso elicoidale, queste perturbazioni si spostano verso l’interno, trascinando con sé lo strato limite. Il gradiente di pressione risultante attira un certo volume d’aria nel vortice d’acqua. In questo lavoro vengono presentati la costruzione della configurazione di base dell’imbuto iperbolico e gli esempi operativi, inclusa la visualizzazione ad alta velocità per tre diversi regimi stabili.

Introduction

Le nostre vite sono strettamente connesse con strutture a spirale. Esistono in quasi tutto e ovunque, compresa la struttura delle conchiglie e delle ammoniti e la formazione di uragani, tornado e vortici ^1,2. Su scala cosmologica, le galassie si formano ed evolvono secondo il principio della spirale logaritmica³. Le spirali più conosciute sono le spirali auree e le spirali di Fibonacci 4, che hanno molte applicazioni che vanno dalla descrizione della crescita delle piante e della struttura cristallografica di alcuni solidi allo sviluppo di algoritmi^di ricerca in database informatici. La sequenza di Fibonacci è caratterizzata da una serie numerica che inizia con 0 e 1 e ha numeri successivi corrispondenti alla somma dei due precedenti. Questa sequenza può essere trovata anche quando si conta il tasso di riproduzione dei conigli. Le spirali sono tra le più antiche forme geometriche disegnate dall’Homo sapiens, come i cerchi concentrici trovati in Colombia e Australia (40.000-20.000 a.C.¹). Leonardo da Vinci⁵ cercò di creare una macchina volante a forma di elicottero utilizzando una lama a spirale (dalla parola greca ἕλιξ πτερόν, o elica pteron, che significa ala a spirale). Seguendo lo stesso principio, un progettista di aerei, Igor Sikorsky, costruì il primo elicottero in produzione in serie 450 anni dopo⁶.

Molti altri esempi indicano il fatto che le strutture a flusso elicoidale potrebbero essere molto efficienti e risparmiare sui costi perché questo tipo di flusso è preferibilmente visto in natura. All’inizio del XX secolo, il guardaboschi e filosofo austriaco Viktor Schauberger se ne rese conto. Ha detto che gli esseri umani dovrebbero studiare la natura e imparare da essa piuttosto che cercare di correggerla. Sulla base delle sue idee, costruì canali di tronchi piuttosto insoliti per far galleggiare il legname; I canali non prendevano il sentiero più rettilineo tra due punti, ma seguivano i meandri di valli e ruscelli. Questo progetto faceva scorrere l’acqua attorcigliando a spirale lungo il suo asse, formando così un vortice, che riduceva così la quantità di acqua utilizzata e produceva una velocità di trasporto che superava significativamente quella che era considerata normale⁷.

Seguendo le orme del padre, Walter, figlio di Viktor, sviluppò nuove tecnologie che utilizzavano il vortice d’acqua⁸ per vari scopi: il trattamento dell’acqua potabile, il processo industriale, il ripristino di stagni e corsi d’acqua, l’ossigenazione di stagni e laghetti, la regolazione e il ripristino dei fiumi. Una di queste idee ha recentemente riscosso un notevole interesse, ovvero il trattamento dell’acqua mediante un imbuto iperbolico⁸, in cui un vortice viene creato solo dal flusso dell’acqua senza alcun dispositivo di agitazione. È stato dimostrato che è un metodo molto efficace per ossidare il ferro nelle acque sotterranee ^9,10. Un limite di questa tecnologia è che è meno efficiente per l’acqua a basso pH¹¹.

Nei Paesi Bassi grandi quantità di acqua potabile sono ottenute da fonti sotterranee¹², in cui la concentrazione di ferro può raggiungere diverse decine di milligrammi per litro¹³, mentre 0,2 mg/L è considerato accettabile dalle norme¹⁴. La maggior parte degli impianti di acqua potabile utilizza l’aerazione come uno dei primi passi per ridurre la concentrazione di ferro nel processo di purificazione dell’acqua. Nella maggior parte dei casi, lo scopo dell’aerazione è quello di aumentare il contenuto di ossigeno disciolto, di rimuovere gas e altre sostanze correlate dall’acqua, o entrambi¹⁵. Esistono vari metodi con cui l’aerazione può introdurre ossigeno nei mezzi liquidi. Questi metodi includono l’agitazione della superficie del liquido utilizzando un miscelatore o una turbina e il rilascio di aria attraverso orifizi macroscopici o materiali porosi¹⁶.

Il processo chimico di ossidazione del ferro è stato dimostrato da van de Griend¹⁷, in cui una molecola di ossigeno prende un elettrone dal ferro ferroso e reagisce con un protone libero per formare acqua, mentre lo ione ferro viene ossidato (equazione [1]):

, (1)

Lo ione ferro precipita quindi come Fe(OH₎₃ a causa della sua reazione con l’acqua, che rilascia protoni (equazione [2]):

(2)

La reazione totale è data dall’equazione (3):

. (3)

Nell’aerazione, le tecniche più spesso applicate sono i sistemi di aerazione a cascata, a torre, a spruzzo e a piastra^18,19. Lo svantaggio di queste tecnologie è che consumano dal 50% al 90% di tutta l’energia 20 e fino al⁴⁰% del budget per il funzionamento e la manutenzione degli impianti di trattamento²¹.

L’utilizzo di un imbuto iperbolico per l’aerazione può ridurre significativamente i costi e aumentare l’efficienza di questo processo. Gli imbuti iperbolici sono meno sensibili all’intasamento grazie alla loro geometria e al fatto che non ci sono parti in movimento, il che significa che l’energia viene spesa solo per pompare l’acqua. Tale sistema può essere caratterizzato da diversi parametri, come la portata d’acqua dell’imbuto all’ora (φ), il tempo medio di permanenza (MRT), il tempo di ritenzione idraulica (HRT), il coefficiente di trasferimento di massa volumetrico dell’ossigeno (K_La 20) (corretto a una temperatura standardizzata di₂₀°C), il tasso di trasferimento dell’ossigeno standard (SORT) e l’efficienza di aerazione standard (SAE). La portata dell’imbuto è necessaria per calcolare il volume d’acqua che può essere processato in un certo tempo. L’MRT viene calcolato dal rapporto tra la portata dell’acqua e il suo volume nell’imbuto per un determinato regime utilizzando l’equazione (4):

(4)

dove V rappresenta il volume del liquido nel reattore.

La terapia ormonale sostitutiva può essere determinata sperimentalmente utilizzando tecnologie traccianti²²tramite la sua funzione di distribuzione del tempo di residenza. La terapia ormonale sostitutiva fornisce informazioni fondamentali sui processi di miscelazione, sugli hold-up e sui fenomeni di segregazione²³. È stato dimostrato da Donepudi²⁴ che più il getto d’acqua è lontano dall’ingresso, più velocemente si muove verso l’uscita. Nel momento iniziale, l’acqua viene pompata tangenzialmente alla parte cilindrica superiore dell’imbuto. Quindi, sotto l’influenza della gravità, insieme alla geometria del sistema, la velocità tangenziale diminuisce e la velocità assiale aumenta. Il coefficiente di trasferimento di massa volumetrica dell’ossigeno, K_La₂₀ (tempo reciproco unitario), indica la capacità di un sistema di facilitare il trasferimento di ossigeno alla fase liquida¹⁰. Può essere calcolato^25,26 secondo l’equazione (5):

(5)

dove C _out è la concentrazione di ossigeno disciolto (DO) nel liquido sfuso, C _deè la concentrazione di DO nel mangime, C_sè la concentrazione di DO alla saturazione e T è la temperatura dell’acqua.

Il valore SORT è la velocità standard dell’ossigeno trasferito alla fase liquida dal sistema ed è determinato dall’equazione (6)²⁷:

(6)

dove è l’ossigeno disciolto a saturazione per una temperatura di 20 °C. Il valore SOTR può essere definito per un determinato processo, nel qual caso il volume utilizzato nell’equazione (6) viene normalizzato assumendo 1 ora di tempo di trattamento (SOTR specifico del processo), in modo che i metodi di aerazione su scala pilota possano essere confrontati con i sistemi su scala reale. Per la capacità di un determinato regime nell’imbuto, è necessario calcolare il SOTR specifico del sistema, che utilizza il volume d’acqua all’interno dell’imbuto per un tempo di ritenzione idraulica (specifico del regime). Questo valore è importante quando si calcolano le effettive capacità di aerazione di un regime in un determinato imbuto.

Il SAE è il rapporto tra il SOTR e la potenza spesa per l’aerazione. Poiché l’energia viene spesa solo per pompare l’acqua nella parte superiore dell’imbuto e darle il flusso necessario per formare un vortice, viene calcolata come la somma dell’energia potenziale del volume d’acqua pompato all’ora ad un’altezza corrispondente alla lunghezza dell’imbuto e dell’energia cinetica necessaria all’acqua per creare un vortice²⁷ utilizzando l’equazione (7):

(7)

dove P _p è la potenza potenziale (in kW) necessaria per sollevare l’acqua pompata all’altezza dell’imbuto e P_kè la potenza cinetica (in kW) richiesta all’acqua pompata nella parte superiore dell’imbuto per ottenere un flusso sufficiente a creare un vortice. Normalmente, per l’equazione (7), dovrebbe essere utilizzato il SOTR specifico del sistema. Se invece si applica il SOTR specifico del processo, si ottiene il consumo energetico di un sistema (teorico) con 1 ora di tempo di ritenzione idraulica.

Questi parametri sono sufficienti per valutare l’efficacia e la fattibilità dell’utilizzo di questa tecnologia, ma non per descrivere il processo stesso. Va detto che i vortici sono tra i fenomeni meno compresi in fluidodinamica. Pertanto, molti sforzi di ricerca sono investiti in questa direzione. Una delle principali sfide nel trovare le leggi e le regole generali dei vortici in fluidodinamica è che ci sono sempre variazioni nelle condizioni geometriche al contorno, che influenzano lo sviluppo dei vortici e influenzano significativamente la loro formazione e dinamica. Pertanto, è ragionevole supporre che un vortice a superficie libera (FSV) non possa essere considerato analogamente a uno confinato di tipo di laboratorio. Tuttavia, è stato dimostrato da Mulligan et ^al.28 per il flusso di Taylor-Couette (TCF) che se il nucleo d’aria dell’FSV è considerato come un cilindro interno virtuale che ruota alla stessa velocità del nucleo d’aria, entrambi possono essere trattati in modo simile. In questo modo, le equazioni che rappresentano il campo di flusso del vortice a superficie libera possono essere sostituite con le condizioni di velocità angolare del cilindro virtuale, risultando in equazioni per il sistema TCF. È stato anche dimostrato che se la velocità di rotazione di un cilindro immaginario viene aumentata, ad un certo punto, i vortici di Taylor²⁸ appaiono come un campo di flusso secondario e poi scompaiono quando si avvicinano alle pareti.

Dopo che è stato dimostrato da Niemeijr 29 che è possibile ottenere tre diversi tipi di vortici d’acqua in un imbuto di Schauberger (attorcigliato, dritto e ristretto) (Figura 1 e Figura 2), che sono caratterizzati da altri parametri idraulici, Donepudi 24 ha utilizzato lo stesso approccio di Mulligan et ^al.28 per simulare i regimi di vortice utilizzando la fluidodinamica computazionale (CFD) e quindi analizzare l’organizzazione del loro campo di flusso per comprendere il sottostante meccanismi fisici. Il sistema è molto turbolento e il campo di flusso secondario è molto instabile ed è caratterizzato dalla comparsa di un gran numero di vortici di tipo Taylor. Il trasporto del gas dalla fase gassosa alla fase liquida è regolato dalla diffusione, dall’avvezione e dalla reazione. Pertanto, per aumentare l’efficienza di questo processo, è necessario aumentare il gradiente di concentrazione del gas o il moto volumetrico del liquido. Quest’ultimo dipende direttamente dalla turbolenza del sistema sotto forma di vortici di tipo Taylor, che facilitano il trasporto di elementi fluidi saturi dall’interfaccia al liquido sfuso. In un altro lavoro su questo argomento⁹, sono stati confrontati i parametri principali per diversi regimi di vortice, come la portata dell’acqua, K_La₂₀ e SOTR. Questo studio si è dimostrato molto promettente per questa tecnologia perché il sistema consente un trasferimento di gas molto veloce rispetto ad altri metodi utilizzati per l’aerazione dell’acqua.

Lo scopo di questo articolo è quello di fornire e dimostrare questo metodo per la creazione di diversi regimi di vortice d’acqua in imbuti Schauberger iperbolici (piccoli: 26 cm di altezza e 15 cm di diametro superiore; medi: 94 cm di altezza e 30 cm di diametro superiore; grandi: 153 cm di altezza e 59 cm di diametro superiore) con l’obiettivo di un’efficiente aerazione dell’acqua.

Protocol

1. Raccomandazioni generali Controllare che tutti i collegamenti dei tubi non presentino perdite prima di iniziare la configurazione. Verificare che il coperchio dell’imbuto sia in posizione e fissato. Pulisci l’imbuto prima e dopo ogni esperimento con una spazzola e un detergente per vetri, poiché potrebbe ingiallire a causa dell’alta concentrazione di ferro nelle acque sotterranee. 2. Configurazione sperimentale Sistema a vortice d’acqua (Figura 3)Fissare saldamente l’imbuto di vetro (Figura 4) in posizione verticale su un telaio speciale: una tavola con quattro gambe e una fessura al centro, che corrisponde al diametro della parte cilindrica dell’imbuto ed è abbastanza grande da consentire all’imbuto di entrare, ma non troppo grande da farla cadere. Fissare saldamente il telaio in modo che non tremi. Mettere una guarnizione in gomma tra il coperchio e l’imbuto per evitare perdite. Fissare il coperchio dell’imbuto e serrarlo utilizzando i bulloni. Collegare la pompa dell’acqua di falda all’ingresso tangenziale nella parte cilindrica superiore dell’imbuto utilizzando tubi flessibili e connettori per tubi flessibili. Collegare un’apposita valvola di controllo per regolare la portata d’acqua tra la pompa e l’imbuto. Collegare un misuratore di portata dell’acqua tra la valvola di controllo e l’imbuto. Collegare l’uscita dell’imbuto allo scarico con un tubo. Sul tubo di scarico, vicino all’uscita dell’imbuto, installare un clamp per creare contropressione durante il funzionamento dell’unità.NOTA: Il morsetto deve essere installato immediatamente dopo tutti gli altri adattatori e connettori necessari per gli esperimenti. Sistema per esperimenti con traccianti (Figura 3)Installare adattatori speciali per l’installazione di sonde vicino all’ingresso e all’uscita. Installare le sonde di pH in questi adattatori e collegarle al data logger. Installare i sensori il più vicino possibile all’imbuto per ridurre gli errori nei calcoli della terapia ormonale sostitutiva. Preparare 1 mL di soluzione di NaOH (concentrazione: 0,2 M) da utilizzare come tracciante chimico da iniettare nel flusso d’acqua del getto.NOTA: Poiché la soluzione acquosa di idrossido di sodio è una base forte, viene visualizzata come un aumento simile a un picco del pH30. Installare un adattatore con tre aperture per il collegamento del sistema di iniezione tracciante, costituito da una valvola e una siringa prima della sonda di pH vicino all’ingresso. Sistema per esperimenti di DO (Figura 3)Incollare due punti del sensore di ossigeno alla parete interna dei due diversi adattatori in vetro, posizionandoli il più vicino possibile all’ingresso e all’uscita dell’imbuto e collegandoli alla tubazione dell’acqua.NOTA: Durante il funzionamento, l’acqua deve coprire completamente gli adesivi. Installare l’adattatore per vetro con il punto del sensore di ossigeno vicino all’ingresso e all’uscita dell’imbuto e fissare la punta della fibra ottica polimerica (lunga 2 m) sull’adesivo sull’altro lato del vetro. Installare il sensore di temperatura dell’acqua vicino all’ingresso dell’imbuto nello stesso adattatore della sonda di pH. Assicurarsi che sia vicino alla fibra, poiché la temperatura dell’acqua viene utilizzata per correlare le misurazioni dell’ossigeno disciolto. Collegare la fibra ottica polimerica e il sensore di temperatura al trasmettitore di ossigeno in fibra ottica. Collegare il trasmettitore di ossigeno in fibra ottica a un computer portatile con un software speciale installato per visualizzare il segnale del sensore, che è correlato alla concentrazione di ossigeno disciolto e alla temperatura dell’acqua. 3. Funzionamento (imbuto medio) Regimi a vorticeAccendere il flussometro. Avviare la pompa dell’acqua sotterranea e aprire completamente la valvola di controllo. Assicurarsi che il flusso d’acqua sia significativamente superiore al flusso massimo richiesto per formare un vortice d’acqua (1338 L/h per l’imbuto medio). Regolare il valore desiderato del flusso d’acqua ruotando la valvola di controllo. Se necessario, premere il clamp vicino all’uscita dell’imbuto per consentire all’acqua di essere bloccata nell’imbuto, il che provoca l’aumento del livello dell’acqua nella parte cilindrica superiore dell’imbuto. Per impostare regimi diversi, regolare i valori del flusso d’acqua e del livello dell’acqua nella parte cilindrica superiore dell’imbuto (Tabella 1), in sequenza in un esperimento. Controllare la stabilità del vortice d’acqua per 15 min. In modalità stabile, il livello dell’acqua non dovrebbe cambiare.Per il regime twisted, regolare la portata a 1194 L/h e il livello dell’acqua a 2 cm e la portata a 1218 L/h e il livello dell’acqua a 5 cm. Per il regime rettilineo, regolare la portata a 1314 L/h e il livello dell’acqua a 11 cm e la portata a 1338 L/h e il livello dell’acqua a 11,7 cm. Per il regime ristretto, a differenza dei regimi ritorto e dritto, creare una contropressione stringendo il morsetto vicino all’uscita dell’imbuto. Impostare la portata a 882 L/h e il livello dell’acqua a 3 cm, la portata a 936 L/h e il livello dell’acqua a 9 cm. Esperimento del traccianteUtilizzando un data logger, calibrare le sonde di pH per garantire la validità e l’accuratezza dei dati ottenuti.Preparare due soluzioni standard, una con un pH superiore al pH dell’intervallo operativo (6-10) e una con un pH inferiore al pH dell’intervallo operativo. Impostare i loro valori nel data logger e misurarli uno per uno durante la calibrazione. Successivamente, il data logger calibra le sonde di pH. Installare le sonde di pH all’ingresso e all’uscita dell’imbuto, collegarle al data logger e avviare la modalità di registrazione. Avviare l’installazione.Avviare la configurazione e assicurarsi che il vortice d’acqua sia stabile. Riempire la siringa con la miscela tracciante preparata di NaOH e collegarla alla linea di iniezione del tracciante. Svitare rapidamente la valvola nel sistema di iniezione, iniettare il liquido tracciante, quindi avvitare rapidamente la valvola. Eseguire il salvataggio e l’analisi.Quando il pH si stabilizza, conservare i picchi di pH registrati durante il passaggio del liquido tracciante attraverso un imbuto di vetro. Analizzare i picchi di entrata e di uscita come descritto in un precedente lavoro22 per il calcolo della terapia ormonale sostitutiva. Per fare ciò, prendi il punto all’inizio del primo picco per il conto alla rovescia e prendi il punto sul secondo picco, che lo divide in due figure di uguale area, per la fine del conto alla rovescia. Esperimento DOCalibrare il sensore di ossigeno disciolto utilizzando il software con un laptop e il trasmettitore di ossigeno in fibra ottica. Utilizzare due fluidi: uno privo di ossigeno (mescolare 0,1 L di acqua e 1 g di solfito di sodio) e l’altro saturo di ossigeno (per farlo, aerare con aria per 15 min). Quindi, selezionare la funzione di calibrazione nel software e misurare entrambi i liquidi a turno. Eseguire l’installazione e la registrazione.Installare il sensore di OD all’ingresso e all’uscita dell’imbuto. Inoltre, installare il sensore di temperatura vicino all’ingresso dell’imbuto. Collegarli al trasmettitore di ossigeno in fibra ottica e avviare la modalità di registrazione. Avvia la configurazione e assicurati che il vortice d’acqua sia stabile. Raggiungere la modalità in cui il valore della concentrazione di DO è stabile e registrare i dati.NOTA: Se le letture non sono stabili, i dati non sono validi e l’esperimento deve essere ripetuto.

Representative Results

Il vortice d’acqua nell’imbuto iperbolico di Schauberger si forma in diversi regimi (attorcigliato, dritto e ristretto) (Figura 1). Di conseguenza, l’acqua si arricchisce di ossigeno atmosferico e viene favorita l’ossidazione delle specie chimiche presenti nell’acqua. Il sistema non richiede energia se non per pompare l’acqua nella parte superiore dell’imbuto iperbolico. Il regime attorcigliato ha una forma a doppia elica e la più grande interfaccia tra acqua e aria. Per la sua realizzazione è necessario applicare una portata d’acqua media (75-78 L/h per l’imbuto piccolo, 1.194-1.218 L/h per l’imbuto medio e 4.834-5.032 L/h per l’imbuto grande). La sua altezza nella parte cilindrica superiore dell’imbuto non deve essere superiore a 2 cm per l’imbuto piccolo, 7 cm per l’imbuto medio e 16 cm per l’imbuto grande. Il regime rettilineo ha una forma liscia e diritta e un’interfaccia più piccola tra acqua e aria. Questo regime richiede la massima portata d’acqua (93-100 L/h per l’imbuto piccolo, 1.314-1.338 L/h per l’imbuto medio e 5.102-5.289 L/h per l’imbuto grande). La sua altezza può raggiungere il coperchio di tutti gli imbuti. A seconda del livello dell’acqua, il regime ristretto può assumere la forma di vortici sia contorti che rettilinei. Tuttavia, la particolarità di questo regime è che la sua lunghezza cambia a seconda dell’applicazione della contropressione, a differenza delle modalità precedenti, per le quali non viene applicata alcuna pressione. Si forma anche nella parte superiore dell’imbuto; Tuttavia, con l’aumentare della contropressione, la sua coda inizia ad accorciarsi e il vortice scompare gradualmente dalla parte inferiore. Il suo flusso d’acqua è estremamente ridotto (58-70 L/h per l’imbuto piccolo, 882-936 L/h per l’imbuto medio e 2.351-2.634 L/h per l’imbuto grande) e la sua altezza può essere sia minima che massima a seconda della geometria dell’imbuto. I diversi regimi possono essere stabilizzati e trasformati l’uno nell’altro a seconda della portata dell’acqua, della contropressione e della geometria del sistema. Parametri come la portata dell’acqua, il coefficiente di trasferimento della massa volumetrica dell’ossigeno e la velocità di trasferimento dell’ossigeno standard caratterizzano l’efficienza di aerazione. Si può notare che per il vortice contorto con una bassa portata d’acqua, ilK L a 20 era il più alto (Figura 4), molte volte superiore al KLa20 per regimi rettilinei e ristretti e decine di volte superiore allo stesso indicatore per i sistemi convenzionali, che sono utilizzati anche per l’aerazione di laghi e fiumi (Air Jet, Girante, pagaia) e sono molto più energivori. Con ulteriori aumenti del flusso d’acqua, il KLa20 è diminuito gradualmente, ma il livello dell’acqua, cioè il volume dell’acqua nel sistema, è aumentato. Dopo un certo valore di soglia, il regime contorto è passato al regime rettilineo. Per ogni regime, c’erano condizioni stazionarie in cui il loro volume e i parametri idraulici non cambiavano. Tuttavia, confrontando regimi simili per imbuti di piccole, medie e grandi dimensioni, le differenze tra le portate e i volumi d’acqua dei sistemi erano significative. Tuttavia, allo stesso tempo, i rapporti dei valori KLa20 non sono cambiati molto. I valori massimi di 83 h-1 per l’imbuto piccolo, 60 h-1 per l’imbuto medio e 79 h-1 per l’imbuto grande sono stati raggiunti nel regime attorcigliato. Allo stesso tempo, quando il KLa20 diminuiva con l’aumentare del flusso d’acqua, l’MRT aumentava, indicando che l’acqua impiegava più tempo a passare attraverso l’imbuto, come descritto in dettaglio da Donepudi24. Tuttavia, per quanto riguarda KLa20, il valore di MRT era approssimativamente lo stesso per i regimi twisted e straight in diversi imbuti. L’MRT variava da 10 s a 43 s per l’imbuto piccolo, da 14 s a 30 s per l’imbuto medio e da 24 s a 43 s per quello grande (Tabella 1). Figura 1: Regimi di vortice d’acqua in un imbuto Schauberger iperbolico in vetro alto 26 cm. (A) Intrecciato (75 L/h), (B) dritto (100 L/h), (C) ristretto (70 L/h). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 2: Regimi di vortice d’acqua in un imbuto di Schauberger iperbolico in vetro alto 94 cm. (A) Intrecciato (1.194 L/h), (B) dritto (1.314 L/h), (C) ristretto (882 L/h). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 3: Schizzo della configurazione utilizzata per gli esperimenti descritti nei passaggi 3.1-3.3 del protocollo. (1) Pompa per acque sotterranee; (2) valvola di controllo; (3) misuratore di portata dell’acqua; (4, 5) fibre ottiche polimeriche per il rilevamento di OD; (6, 7) sonde di pH; (8) sensore di temperatura; (9) siringa con tracciante; (10) valvola; (11) Imbuto iperbolico di Schauberger; (12) trasmettitore di ossigeno a fibre ottiche; (13) computer portatile; (14) registratore di dati; (15) morsetto; (16) Scarico dell’acqua. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 4: Foto della configurazione del grande imbuto. (1) Serbatoio delle acque sotterranee; (2) pompa dell’acqua; (3) misuratore di portata dell’acqua; (4) siringa con tracciante; (5, 6) adattatori in vetro con il punto del sensore di ossigeno; (7), (8) sonde di pH; (9) Imbuto iperbolico di Schauberger; (10) Scarico dell’acqua. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Imbuto Regime φ (L/h) Terapia ormonale sostitutiva (s) MRT (s) KLa20 (h-1) V (L) Livello (cm) Cin (mg/L) Cout (mg/L) SOTR (g O2/h) SAE (g O2/kWh) Piccolo Torto 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 Diritto 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 Limitato 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 Medio Torto 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 Diritto 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 Limitato 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 Grande Torto 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 Diritto 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 Limitato 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 Tabella 1: Caratteristiche idrauliche di base e parametri di efficienza dell’aerazione per imbuti piccoli (Figura 1), medi (Figura 2) e grandi.

Discussion

Se la pompa dell’acqua di falda è troppo potente e il sistema non riesce a mantenere la pressione, è possibile aggiungere uno scarico aggiuntivo prima della valvola di controllo per ridurla. È molto importante calibrare i sensori per ottenere risultati affidabili e per l’esperimento del tracciante garantire sonde veloci. Se le sonde sono lente, ciò distorcerà le misurazioni della terapia ormonale sostitutiva. Inoltre, se la terapia ormonale sostitutiva è molto più piccola della terapia ormonale sostitutiva per il regime rettilineo, ciò può indicare che l’ingresso tangenziale all’imbuto è significativamente al di sotto del livello dell’acqua e che parte del liquido tracciante scende nello scarico dopo essere entrato nell’imbuto, causando così una diminuzione della terapia ormonale sostitutiva.

Il vortice d’acqua in un imbuto Schauberger iperbolico è molto sensibile alla portata dell’acqua. Più piccolo è il sistema, più dipende dalle variazioni di flusso. Se il regime è stabile, il livello dell’acqua nell’imbuto non dovrebbe cambiare nel tempo. In caso contrario, salirà o diminuirà. Pertanto, vale la pena prestare attenzione al livello dell’acqua per evitare traboccamenti dell’acqua, crepe dovute all’aumento della pressione all’interno dell’imbuto o un cambio di regime indesiderato.

Per determinare il regime del vortice (passaggi del protocollo 3.1.3.1-3.1.3.3) e la sua stabilità, è vantaggioso che l’imbuto sia trasparente. Per questo motivo, in questo lavoro è stato utilizzato un imbuto di vetro. È imperativo prestare molta attenzione durante il trasporto, la manipolazione e l’installazione e si dovrebbe prestare attenzione a non serrare troppo le viti del coperchio per non danneggiarlo (passaggio del protocollo 2.1.2).

Per determinare la terapia ormonale sostitutiva, i passaggi del protocollo 3.2.2-3.2.3 devono essere ripetuti il maggior numero di volte possibile (almeno 10 volte) perché, a causa dell’elevata turbolenza del sistema e della presenza di flussi secondari (vortici di tipo Taylor), il getto tracciante può separarsi e percorrere direzioni diverse attraverso l’imbuto. Ad esempio, è stato dimostrato da Donepudi et al.24 e Mulligan et ^al.28 che più lo strato d’acqua è vicino alla parete di vetro, più velocemente si sposterà verso lo scarico. Le sonde devono essere sempre lavate con acqua deionizzata e pulite per evitare di mescolare il campione e la soluzione di conservazione, che può rovinare i dati e deteriorare la qualità della conservazione degli elettrodi.

Per l’esperimento DO è importante ottenere un valore stabile di concentrazione di ossigeno all’uscita del sistema (fase 3.3.2.2 del protocollo). Se il regime non è stabile ma le fluttuazioni del sistema non sono significative, è necessario calcolare la media del valore ottenuto. È inoltre necessario avere un foro nel coperchio per la ventilazione per consentire il flusso d’aria nel sistema per un’ulteriore aerazione.

Nonostante gli elevati valori di K_La₂₀ e l’efficienza energetica di questo sistema, il valore SOTR è basso rispetto ad altri metodi²⁶ a causa delle basse portate d’acqua degli imbuti disponibili; Questa è attualmente una limitazione per l’uso industriale dell’imbuto iperbolico per l’aerazione dell’acqua. Tuttavia, è stato dimostrato che è possibile ottenere un’elevata efficienza del sistema per diverse scale con imbuti grandi, medi e piccoli. Da ciò si può concludere che modificando la geometria (dimensioni, diametri di ingresso e uscita, curvatura delle pareti), è possibile aumentare significativamente la velocità e il volume del trattamento dell’acqua senza ridurre l’efficienza di aerazione. Inoltre, nella Tabella 1, si può vedere che un aumento della lunghezza dell’imbuto di 1,1 m ha portato a un aumento di oltre 100 volte del SOTR. Tenendo conto del fatto che in alcuni impianti di trattamento delle acque, la differenza di livello dell’acqua può raggiungere diversi metri, l’aerazione (parziale) potrebbe essere ottenuta a costi molto inferiori rispetto a quelli attuali. Pertanto, determinare come i diversi parametri geometrici dell’imbuto influenzano la portata dell’acqua e K_La₂₀ per i regimi di vortice può fornire una tecnologia economica e competitiva per l’aerazione delle acque sotterranee. In alternativa, come mostrato da Schauberger³¹, l’aerazione può essere utilizzata per migliorare la qualità di bacini idrici, laghi e fiumi.

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato svolto nell’ambito della cooperazione del Centro Europeo di Eccellenza per la Tecnologia Sostenibile dell’Acqua (www.wetsus.eu) di Wetsus nell’ambito del tema Fisica Applicata dell’Acqua. Wetsus è co-fondata dal Ministero degli Affari Economici e dal Ministero delle Infrastrutture e dell’Ambiente dei Paesi Bassi, dalla Provincia della Frisia e dalle Province dei Paesi Bassi settentrionali. Questa ricerca ha ricevuto finanziamenti dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea nell’ambito dell’accordo di sovvenzione Marie Skłodowska-Curie n. 665874 e del laboratorio Gilbert-Armstrong. Apprezziamo molto il sostegno di Maarten V. van de Griend a questo lavoro.

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

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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).