Кавітаційні пристрої для нагрівання рідин

Abstract

В статті показано зв’язок теплового ефекту гідродинамічної кавітації з перетворенням енергії при зіткненні з кумулятивними мікрострумками, що виникають у воді при захлопуванні кавітаційних бульбашок. За результатами проведеного аналізу й теоретичних досліджень запропоновано нові конструкції пристроїв для нагрівання рідин. В дослідженні застосовано використання фізико-механічних ефектів гідродинамічної кавітації як перспективний метод генерування теплоти за рахунок внутрішньої енергії рідини. У роботі детально розкрито фізику процесу: тепловий ефект пов’язаний із перетворенням енергії при колапсі (захлопуванні) кавітаційних бульбашок, що супроводжується виникненням кумулятивних мікрострумків, інтенсивними імпульсами тиску (до 10³ МПа) та локальним підвищенням температури до 500–800 °С. Доведено, що ефективність нагрівання безпосередньо залежить від структури кавітаційного поля: збільшення концентрації бульбашок в одиниці об’єму веде до зростання коефіцієнта перетворення енергії. Описано два варіанти пристроїв: система з підвищеним гідростатичним тиском, де використання додаткового насоса та допоміжної ємності дозволяє збільшити силу ударно-хвильового впливу при захлопуванні бульбашок; Пристрій із конічним кавітатором та системою інжекції, де підігріта частина потоку подається безпосередньо в каверну, що підвищує частоту відриву бульбашок та інтенсифікує теплообмін. Практичне значення роботи підтверджено результатами досліджень, які показали, що швидкість нагрівання суттєво залежить від конструктивних параметрів апарата. Наприклад, при об’ємі 0,35 м³ приріст температури становить від 0,24 °С до 0,69 °С. Окрім систем опалення, запропоновані рішення є високоефективними для харчової промисловості: кавітаційне нагрівання цукрових сиропів лише на 10 °С дозволяє збільшити концентрацію цукру до 30 мас. % без зовнішнього підведення теплоносія. Запропоновані технічні рішення дозволяють спростити апаратурне оформлення технологічних процесів та розширити можливості автономних систем нагрівання.Abstract The article demonstrates the relationship between the thermal effect of hydrodynamic cavitation and energy conversion upon collision with cumulative microjets arising in water when cavitation bubbles collapse. Based on the results of the analysis and theoretical studies, new designs for liquid heating devices are proposed. The study utilises the physical and mechanical effects of hydrodynamic cavitation as a promising method for generating heat using the internal energy of the fluid. The paper provides a detailed explanation of the physics of the process: the thermal effect is associated with the conversion of energy during the collapse of cavitation bubbles, accompanied by the formation of cumulative microjets, intense pressure pulses (up to 10³ MPa) and a local temperature rise to 500–800 °C. It has been demonstrated that the heating efficiency directly depends on the structure of the cavitation field: an increase in the concentration of bubbles per unit volume leads to an increase in the energy conversion coefficient. Two types of devices are described: a system with increased hydrostatic pressure, in which the use of an additional pump and an auxiliary tank allows the shock wave force to be increased when the bubbles collapse; A device with a conical cavitator and an injection system, where a heated portion of the flow is fed directly into the cavity, which increases the bubble detachment frequency and intensifies heat exchange. The practical significance of the work is confirmed by research results, which showed that the heating rate depends significantly on the design parameters of the apparatus. For example, for a volume of 0.35 m³, the temperature rise ranges from 0.24 °C to 0.69 °C. In addition to heating systems, the proposed solutions are highly effective for the food industry: cavitation heating of sugar syrups by just 10 °C allows the sugar concentration to be increased to 30% by mass without an external heat transfer medium. The proposed technical solutions simplify the instrumentation of technological processes and expand the capabilities of autonomous heating systems.