Experimental investigation of the influence of hydrodynamic cavitation on heat generation
Authors:   , Bermejo Plana David 
Published: July 2024

(English) The fresh water scarcity has become a concern for societies as a result of the scientific evidence about climate change and the intensive human activities. Thermal separation is one of the best available techniques for waste water treatment where the pollutants are removed from wastewaters by evaporating the water at the expense of large amounts of energy. In many industries there is no access to heat waste, thus a clean source of energy is required.
The so-called hydrodynamic heat generators are claimed as high efficiency heating devices, avoiding scaling by warming liquids without transfer surfaces with the help of cavitation effects. However, neither the heat transfer mechanisms nor the amount of energy released to the surrounding liquid have been sufficiently understood yet.
Based on this, the objective of the thesis has been to investigate the effects of cavitation on heating processes confirm the generation of heat in cavitating hydraulic systems and quantify the energy released by cavitation. The produced knowledge about the heat transfer mechanisms and the behaviour of cavitation in heat processes helps to assess the design of hydrodynamic heat generators.
For that, an experimental approach has been adopted in a new test rig devoted to study the macroscale thermodynamic effects of attached sheet cavitation developed inside an ad hoc converging-diverging pipe with asymmetric rectangular cross section. This cavitation tunnel has been equipped with a control system to set a wide range of stable flow conditions by means of the centrifugal pump rotating speed and the opening ratio of a control valve. A pneumatic system has permitted to modify the reference pressure and a data acquisition system is used to record the operating parameters such as the pressures, temperatures and pump electrical power consumption and rotating speed.
Initially, a series of short-term tests at non-cavitating and cavitating regimes have been performed to map the operation of the test rig and the flow behaviour at the test section. During these tests, the cavitation morphology and dynamic behaviour has been identified and measured with the help of high-speed video recording. Then, a series of long-term tests have been conducted at homologous pump’s operating points at non-cavitating and cavitating regimes to compare the heat generation between them.
The obtained results have demonstrated that the cavitation flow behaviour inside the Venturi-like test section along the full operating range of the closed loop pumping system is in good agreement with previous studies. Moreover, the behaviour of the cavitating flow has been found similar to that exhibited by chocked compressible gas flows: the static pressure at the inlet section rises as flow rate increases while the cavitation number remains constant. Thus, the pressure at the inlet section becomes proportional to the dynamic pressure at the throat with the inception and development of cavitation. On the basis of these observations, a new flow coefficient has been derived which remains constant at any cavitating regime.
In relation to the temperature effects, the results have demonstrated a linear dependency of the rising temperature rate with the generated hydraulic power. However, no evidence has been found confirming that the presence of cavitation inside the test section influences significantly the rising temperature rates when homologous operating points at non-cavitating and cavitating regimes are compared. Contrarily, only the external temperature has been found to play an important role in the heating process.
(Català) L'escassetat d'aigua dolça s'ha convertit en una qüestió rellevant per a les societats com a resultat de l'evidència científica sobre el canvi climàtic i les activitats humanes intensives. La separació tèrmica és una de les millors tècniques disponibles per al tractament d'aigües residuals on els contaminants s'eliminen de les aigües residuals mitjançant l'evaporació de l'aigua mitjançant grans quantitats d'energia. En moltes indústries no hi ha accés a fonts de calor residuals, per tant es requereix una font d'energia neta.
Els anomenats generadors de calor hidrodinàmics es proclamen com a dispositius d'escalfament d'alta eficiència, que eviten la formació d'incrustacions escalfant sense superfícies de transferència amb l'ajuda de la cavitació. Tanmateix, encara no s'han descrit ni els mecanismes de transferència de calor ni la quantitat d'energia alliberada al líquid en aquest tipus de dispositius.
A partir d'això, l'objectiu de la tesi ha estat investigar els efectes de la cavitació en els processos de calefacció, confirmar la generació de calor en sistemes hidràulics cavitants i quantificar l'energia alliberada per la cavitació. El coneixement produït sobre els mecanismes de transferència de calor i el comportament de la cavitació en els processos de calor ajuda a avaluar el disseny de generadors de calor hidrodinàmics.
Sota aquesta situació, s'ha adoptat un enfocament experimental en una nova instal·lació experimental dedicada a estudiar els efectes termodinàmics a macroescala de la cavitació de làmina desenvolupada dins d'un tub ad hoc convergent-divergent amb secció transversal rectangular asimètrica. Aquest túnel de cavitació ha estat equipat amb un sistema de control per establir una àmplia gamma de condicions de cabal estable mitjançant la velocitat de rotació de la bomba centrífuga i l'obertura d'una vàlvula de control. Un sistema pneumàtic ha permès modificar la pressió de referència i s'utilitza un sistema d'adquisició de dades per enregistrar els paràmetres de funcionament com les pressions, temperatures i el consum d'energia elèctrica de la bomba i la velocitat de rotació.
Inicialment, s'han realitzat una sèrie de proves curtes en règims sense cavitació i amb cavitació per mapejar el funcionament del banc d'assaig i el comportament del flux a la secció de prova. Durant aquestes proves, s'ha identificat i mesurat la morfologia de la cavitació i el comportament dinàmic amb l'ajuda de la gravació de vídeo d'alta velocitat. A continuació, s'han realitzat una sèrie de proves de llarga durada als punts de funcionament de la bomba homòlogs en règims sense cavitació i amb cavitació per comparar la generació de calor entre ells.
Els resultats obtinguts han demostrat que el comportament del flux cavitant dins de la secció de prova de Venturi al llarg de tot el rang de funcionament del sistema de cirucit tancat està d'acord amb estudis anteriors. A més, s'ha trobat que el comportament del flux cavitant és similar al que presenten els fluxos bloquejats de gassos compressibles: la pressió estàtica a la secció d'entrada augmenta a mesura que augmenta el cabal mentre que el númbre de cavitació es manté constant. Així, la pressió a la secció d'entrada és proporcional a la pressió dinàmica a la gola amb l'inici i desenvolupament de la cavitació. A partir d'aquestes observacions, s'ha derivat un nou coeficient de flux que es manté constant en qualsevol règim cavitant.
En relació als efectes de la temperatura, els resultats han demostrat una dependència lineal del pendent d'augment de la temperatura amb l'energia hidràulica generada. Tanmateix, no s'ha trobat cap evidència que confirmi que la presència de cavitació dins de la secció d'assaig influeixi significativament en l'augment de les pendents de temperatura quan es comparen punts de funcionament homòlegs en règims sense cavitació i amb cavitació. En canvi, només s'ha trobat que la temperatura externa té un paper important en el procés d'escalfament.