Serbest Yüzeyli Hiperbolik Su Girdaplarının Hazırlanması

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 (_{KLA20) (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.