Tselen B. Development of Scientific Foundations of the Application of Hydrodynamic Cavitation in Liquid Treatment, Degassing, and Water Purification.

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Science (DSc)

State registration number

0525U000520

Applicant for

Specialization

  • 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

18-12-2025

Specialized Academic Board

Д 26.224.01

Institute of Engineering Thermophysics of NAS of Ukraine

Essay

The dissertation addresses tasks related to the development of scientific foundations for the application of hydrodynamic cavitation mechanisms in multiphase dispersed media during processes such as liquid degassing, water purification, and the production of alternative fuels, using both experimental and theoretical research methods. An analysis of the current state of research in the fields of cavitation, heat and mass transfer, and hydrodynamic processes in multiphase media has been conducted. The dynamic evolution of bubbles in liquid is considered as a specific realization of the discrete-pulse energy input principle, which naturally leads to the formation of cavitation phenomena. The equilibrium condition in the "vapor-gas bubbles – liquid" system during cavitation boiling is investigated, and the subsequent evolution of the bubble is described. A mathematical model has been developed to describe the dynamics of vapor-gas bubbles in a compressible liquid, considering the effects of spherical hydraulic shock. Mathematical models have also been created for calculating the Venturi nozzle and the rotor-pulsation apparatus as cavitation reactors to describe the pressure and velocity distribution in the liquid flow. A mathematical model describing the processes of deformation and breakup of dispersions in shear flows has been developed, and a criterion for their disintegration has been established. Experimental setups were constructed, and studies were conducted on the influence of hydrodynamic cavitation on the intensification of technological processes for liquid treatment, degassing, and water purification. Recommendations are provided for the practical application of the results obtained in technological processes of liquid purification and degassing, water treatment, and the production of coal-water suspensions.

Research papers

1. Obodovych Oleksandr M., Tselen Bogdan Ya., Sydorenko Vitalii V., Ivanytskyi Georgy K., Radchenko Natalia L. Application of the method of discrete-pulse energy input for water degassing in municipal and industrial boilers. Acta Periodica Technologica. 2022. Issue 53. P. 123–130.

2. Obodovych O., Sablii L., Sydorenko V., & Tselen B. Improving the efficiency of calcium hydrocarbonate removal and reducing water hardness through discrete pulse energy input. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2023. Vol. 4. No. 6 (124). P. 28–34.

3. Nedbailo Anna Ye., Ivanitsky Georgy K., Tselen Bogdan Ya, Obodovych Oleksandr M., Radchenko Natalia L. Evaluation of the efficiency of liquid degassing technology based on the principle of hydrodynamic cavitation. Acta Periodica Technologica. 2023. Issue 54. P. 237–244.

4. Bogdan Tselen, Georgiy Ivanitsky, Oleksandr Obodovych, Nataliya Radchenko, Anna Nedbailo, Liubov Gozhenko. Application Method of Hydrodynamic Cavitation in the Scope of Municipal Energy to Reduce the Use of Water Resources. Rocznik Ochrona Środowiska. 2023. Volume 25. P. 215–221.

5. Obodovych О., Tselen B., Stepanova O., Nedbailo A., & Bulii Y. Technology and Equipment for Obtaining of Universal Hydrocarbon Fuel. Energy Technologies & Resource Saving. 2024. Vol. 78, No. 1. P. 24–33.

6. Hozhenko Liubov P., Ivanitsky Georgiy К., Tselen Bogdan Ya., Radchenko Natalia L., Nedbailo Anna Ye. The application of hydrodynamic cavitation methods to increase the efficiency of the process of extracting biologically active substances from the walnut septums. Acta Periodica Technologica. 2024. Issue 55, P. 215–223.

7. Obodovych O. M., Tselen B. Ya., Nedbailo A. Ye., Ivanitsky G. K., Radchenko N. L., Hozhenko L. P. Comprehensive technology for utilization of acid condensate from flue gas after boiler units. Energy Technologies & Resource Saving. 2024. Vol. 81, No. 4. P. 124–133.

8. Щепкин В.И., Целень Б.Я., Радченко Н.Л. Исследование влияния кавитации на качество эмульсии при получении топливных композиций. Наукові праці ОНАХТ. 2014. Випуск 45, Т.3. С. 196–199.

9. Целень Б.Я., Яроцький С.М. Нейтралізація кислих водних розчинів методом дискретно-імпульсного введення енергії. Наукові праці ОНАХТ. 2014. Випуск 45, Т.3. С. 34–39.

10. Долинский А.А., Шурчкова Ю.А., Целень Б.Я. Технология и оборудование для нейтрализации кислых стоков. Промышленная теплотехника. 2014. Том 36, № 5. С. 98–105.

11. Яроцький С.М., Целень Б.Я. Перспектива використання способу дискретно-імпульсного введення енергії для нейтралізації кислих водних розчинів. Промышленная теплотехника. 2015. Том 37, № 4. С. 23–30.

12. Целень Б.Я. Спосіб безреагентної нейтралізації кислого конденсату продуктів згоряння природного газу. Наукові праці ОНАХТ. 2015. Випуск 47, Т.2. С. 109–111.

13. Долінський А.А., Целень Б.Я., Гартвіг А.П., Коник А.В., Радченко Н.Л., Щепкін В.І. Утворення кислого конденсату при глибокій утилізації теплоти продуктів згоряння природного газу і обладнання для його нейтралізації. Наукові праці ОНАХТ. 2016. Т.80, Вип. 1. С. 4 – 8.

14. Долінський А.А., Целень Б.Я., Іваницький Г.К., Коник А.В., Радченко Н.Л., Гартвіг А.П. Застосування способу дискретно-імпульсного введення енергії для нейтралізації конденсату продуктів згоряння природного газу. Наукові праці ОНАХТ. 2017. Т.81, Вип. 1. С. 9–14.

15. Долінський А.А., Коник А.В., Радченко Н.Л., Целень Б.Я., Гоженко Л.П. Перспективність та напрямки розвитку апаратів, принцип роботи яких ґрунтується на механізмах дискретно-імпульсного введення енергії. Промышленная теплотехника. 2017. Том 39, № 5. С. 7–11.

16. Иваницкий Г.К., Целень Б.Я., Недбайло А.Е., Коник А.В. Исследование дегазации жидкости в кавитационных течениях. Проблемы моделирования. Наукові праці ОНАХТ. 2019. Т.83, Вип. 1. С. 129–134.

17. Ivanitsky G.K., Tselen B.Ya., Nedbaylo A.E., Konyk A.V. Modeling the kinetics of cavitation boiling up of liquid. Фізика аеродисперсних систем. 2019. № 57. С. 136–146.

18. Ivanitsky G.K., Tcelen B.Ya., Nedbaylo, A.E., Gozhenko, L.P. The ways of producing an unified mathematical model for the cavitating flow in hydrodynamic cavitation reactors. Теплофізика та теплоенергетика. 2020. Том 42, № 2. С. 31–38.

19. Іваницький Г.К., Целень Б.Я., Радченко Н.Л., Гоженко Л.П. Аналітичне дослідження механізму деформування та руйнування крапель в зсувних течіях. Теплофізика та теплоенергетика. 2021. Том 43, № 1. С. 30–37.

20. Ivanitsky G.K., Tselen B.Ya., Radchenko N.L., Gozhenko L.P. Modeling of water hammer effect during the single cavitating bubble oscillation. Фізика аеродисперсних систем. 2022. № 60. С. 176–186.

21. Іваницький Г., Целень Б., Радченко Н. Використання гідродинамічної кавітації для підвищення ефективності процесу кристалізації лактози в молочній сироватці. Scientific Works. 2022. 86(1). С. 11–16.

22. Nedbailo A., Ivanytsky G., Tselen B. Y., Radchenko N., Gozhenko L., Shchepkin V. Застосування пульсаційного диспергатора як гідродинамічного кавітаційного реактора для готування водовугільного палива. Теплофізика та Теплоенергетика. 2023. 45(1). С. 28–34.

23. Obodovych O., Sydorenko V., Tselen B., Rezakova T. Спосіб зниження солей жорсткості води і тепломасообмінне обладнання для його реалізації. Теплофізика та Теплоенергетика. 2023. 45(2). С. 87–94.

24. Obodovych O., Sydorenko V., Tselen B. Y., Stepanova O. Ефект кавітації та його застосування при очищенні стічних вод об’єктів теплоенергетики, промисловості, побуту і сільського господарства. Теплофізика та Теплоенергетика. 2023. 45(4). С. 70–82.

25. Ivanitsky G. K., Tselen B. Ya., Nedbailo A. Ye., Radchenko N. L., Gozhenko L. P. Some problems of modeling the liquid cavitation degassing. I. Acoustic cavitation. Фізика аеродисперсних систем. 2023. № 61. С. 227–240.

26. Недбайло А., Іваницький Г., Целень Б., Радченко Н., Гоженко, Л. Використання кавітаційних технологій для нейтралізації кислих середовищ. Ефективність процесу. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Енергетичнi та теплотехнiчнi процеси й устаткування. 2023. (4). 60–63.

27. Obodovych O., Tselen B., Pereiaslavtseva О., Stepanova O. Дискретно-імпульсне введення енергії – ефективний метод видалення гідрокарбонату кальцію та зменшення жорсткості води. Теплофізика та Теплоенергетика. 2024. 46(3). С. 33–43.

28. Obodovych O., Tselen B. Y., Pereiaslavtseva O., Stepanova O. Кавітаційні технології та нове тепломасообмінне обладнання – перспективний напрямок приготування водовугільного палива. Теплофізика та Теплоенергетика. 2024. 46(3). С. 91–102.

29. Obodovych O. M., Sablii L. A., Nedbailo A. Ye., Tselen B. Ya., Stepanova O. O. Technologies and heat exchange equipment for treatment and utilization of wastewater from thermal power plants. Вода і водоочисні технології. Науково-технічні вісті. 2024. Том 38 № 1. С. 3–13.

30. Гоженко Л., Радченко Н., Іваницький Г., Лимар А., Сидоренко В., Целень Б., Ободович О. Дискретно-імпульсне введення енергії в технологіях підготовки води. Scientific Environment of Modern Human. 2021. 1(sua19-01). С. 47–62.

31. Obodovych O., Sydorenko V., Tselen B., Stepanova O., Rezakova, T. Application of discrete-pulse energy input for intensification of preparation of drinking and process water by aeration oxidation. European Science. 2023. 1(sge24-01). Р. 59–67.

32. Stepanova O., Tselen B., Sydorenko V., Obodovych, O. Wastewater treatment using cavitation effects. European Science. 2023. 2(sge20-02). Р. 35–42.

33. Buliy V., Obodovych O., Sablii L., Tselen B., Pereiaslavtseva O., Stepanova O. Technology and equipment for reducing water hardness through effective removal of calcium hydrocarbonate. European Science. 2024. 3(sge27-03). Р. 84–94.

34. Dolinskyi A.A., Obodovych O.M., Tselen B.Ya., Sydorenko V.V., Ivanytskyi H.K., Lymar A.Yu., Radchenko N.L. Intensification of water treatment technology by discrete-pulse energy input. SWorldJournal. 2022. Issue 11, Part 1. Р. 56–61.

35. Tselen B. Ya., Radchenko N.L., Ivanytskyi H.K., Pereiaslavtsev O.M., Shchepkin V.I., Shulyak V.V. Features of wastewater treatment in cavitation flows. Modern engineering and innovative technologies. 2022. Issue 19, Part 1. Р. 52–56.

36. Obodovych O.M., Ivanytsky G.K., Tselen B.Ya., Radchenko N.L., Nedbailo A.Y, Shulyak V.V. Mathematical simulation of fuels production processes based on water-oil emulsion by hydrodynamic cavitation method. Modern engineering and innovative technologies. 2022. Issue 24, Part 1. Р. 47–55.

37. Bogdan Tselen, Georgiy Ivanitsky, Anna Nedbaylo, Nataliya RADCHENKO. Prospects for the use of cavitation mechanisms in order to reduce the consumption of natural water in municipal energy. Journal of New Technologies in Environmental Science (JNTES). 2022. No. 2, Vol. 6. Р. 53–58.

38. Anna Nedbailo, Georgiy Ivanitsky, Bogdan Tselen, Oleksandr Obodovych, Nataliya Radchenko, Liubov Gozhenko. Neutralization of acidic condensate obtained after combustion of natural gas using the hydrodynamic cavitation method. features and efficiency of the process. Journal of New Technologies in Environmental Science (JNTES). 2024. No. 1, Vol. 8. Р. 12–17.

39. Иваницкий Г.К., Недбайло А.Е., Коник А.В., Целень Б.Я., Гоженко Л.П. Унифицированный подход к моделированию кавитационных реакторов. XVII Міжнародна наукова конференція «Удосконалення процесів і обладнання харчових та хімічних виробництв 2018». м. Одеса. 3 – 8 вересня 2018. С. 84–89.

40. Иваницкий Г.К., Целень Б.Я., Недбайло А.Е., Коник А.В. Исследование дегазации жидкости в кавитационных течениях. Проблемы моделирования. VII Міжнародна науково-практична конференція «Інноваційні енерготехнології». м. Одеса. 9 – 13 вересня 2019. С. 11–16.

41. Иваницкий Г.К., Целень Б.Я., Радченко Н.Л., Гоженко Л.П. Исследование процессов дегазации жидкостей с использованием эффектов кавитации. ХVII Міжнародна науково-технічна конференція «Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування». м. Харків, НТУ «ХПІ». 27–28 квітня 2021. С. 71–72.

42. Bogdan Tselen, Georgiy Ivanytskyi, Anna Nedbaylo, Nataliya Radchenko. Prospects for the use of cavitation mechanisms in order to reduce the consumption of natural water in municipal energy. VI International Scientific-Technical Conference “Actual Problems of Renewable Energy, Construction and Environmental Engineering”. Poland, Kielce University of Technology. 24–27 November 2022. P.28.

43. Целень Б.Я., Іваницький Г.К., Радченко Н.Л., Недбайло А.Є. Застосування кавітаційних механізмів для раціонального споживання води в енергетиці. XIII Міжнародна онлайн-конференція «Проблеми теплофізики та теплоенергетики». м. Київ. 7 – 8 листопада 2023. С. 21.

44. Долінський А.А., Шурчкова Ю.О., Целень Б.Я. Безреагентна нейтралізація кислого конденсату продуктів згоряння природного газу та обладнання для її нейтралізації. Микро- и наноуровневые процессы в технологиях ДИВЭ: Тематический сборник статей / под общей ред. А.А. Долинского; Институт технической теплофизики НАН Украины. – К.: Академпериодика, 2015. – 464 с. С. 343–350.

45. Патент 114374 України, МПК C02F 1/66, C02F 1/34, C02F 103/02. Спосіб обробки води / Долінський А.А., Целень Б.Я., Гартвіг А.П., Коник А.В., Радченко Н.Л.; власник Інститут технічної теплофізики НАН України. Держпатент України. – № a201602746; заявл. 11.07.2016 ; опубл. 25.05.2017, Бюл. № 10/2017.

46. Патент 115628 України, МПК C02F 1/20, C02F 1/34, C02F 1/36, C02F 1/66, C02F 9/08. Пристрій для дегазації, нейтралізації та коригування фізико-хімічних властивостей водних систем / Долінський А.А., Шурчкова Ю.О., Гартвіг А.П., Целень Б.Я., Коник А.В., Радченко Н.Л., Маркін О.В., Шуляк В.В.; власник Інститут технічної теплофізики НАН України. Держпатент України. – № a201606178; заявл. 07.06.2016 ; опубл. 27.11.2017, Бюл. № 22/2017.

47. Патент 118407 України, МПК B01F 7/28. Пристрій для обробки рідини / Долінський А.А., Гартвіг А.П., Целень Б.Я., Коник А.В., Радченко Н.Л.; власник Інститут технічної теплофізики НАН України. Держпатент України. – № a201705347; заявл. 31.05.2017 ; опубл. 10.01.2019, Бюл. № 1/2019.

48. Патент 99823 України, МПК B06B 1/10, B06B 1/18, B01F 7/12. Роторно-імпульсний апарат / Яроцький С. М., Целень Б. Я.; власники Яроцький С. М., Целень Б. Я. Держпатент України. – № u201414163; заявл. 30.12.14 ; опубл. 25.06.15, Бюл. № 12/2015.

49. Патент 124362 України, МПК C02F 1/12, C02F 1/34, C02F 1/66, C02F 1/20. Пристрій для дегазації, нейтралізації та коригування фізико-хімічних властивостей водних систем / Гартвіг А.П., Целень Б.Я., Коник А.В., Іваницький Г.К., Радченко Н.Л., Недбайло А.Є., Шуляк В.В.; власник Інститут технічної теплофізики НАН України. Держпатент України. – № a201910901; заявл. 04.11.2019 ; опубл. 01.09.2021, Бюл. № 35/2021.

50. Патент 127191 України, МПК B01 F27/94. Пристрій для змішування рідин / Гартвіг А.П., Целень Б.Я., Іваницький Г.К., Радченко Н.Л., Гоженко Л.П.; власник Інститут технічної теплофізики НАН України. Держпатент України. – № a202006177; заявл. 24.09.2020 ; опубл. 31.05.2023, Бюл. № 22/2023.

Files

Similar theses