Témata závěrečných prací

Zaválcování trubek do trubkovnice je nejrozšířenější způsob spojení těchto komponent trubkového výměníku tepla, přičemž význam tohoto spoje je nejen spolehlivá funkce výměníku, ale také jeho bezpečný a bezproblémový provoz. To jsou důvody, proč je nutné tomuto spoji věnovat zvýšenou pozornost. Navíc v praxi se často tento spoj neřeší výpočtově, ale pouze ze zkušenosti jednotlivých firem, což může způsobit provozní problémy.

• Na základě provedené rešerše o spojích trubek a trubkovnic provedete výpočty tohoto spoje nejprve pomocí analytických metod a následně pomocí metody konečných prvků.
• Výpočty provedete pro různé tlaky zaválcování a následně budete hledat axiální sílu působící na trubky, při níž dojde k vytržení trubky z trubkovnice a tedy destrukci spoje.
• Nakonec navrhnete vhodný potup jak podobné analýzy provádět.

Získáte přehled v konstrukci trubkových výměníků tepla a zejména v konstrukci a výpočtech jednoho z klíčových uzlů tohoto zažízení, spoje trubky a trubkovnice. Zárověň prohloubíte znalosti z oblasti nelineární mechaniky, MKP výpočtů a jejich vyhodnocování.

Aditivní výroba (3D tisk) přináší revoluci do návrhu procesních zařízení, protože odstraňuje technologická omezení konvenčního obrábění a tváření. Umožňuje vyrábět tvarově extrémně komplexní vnitřní prvky a distributory, které dokážou precizně usměrňovat tok pracovních látek v procesních aparátech. Správná distribuce toku tekutiny je přitom kritická pro maximalizaci intenzity přestupu tepla a eliminaci nežádoucích tlakových ztrát. Tato práce se zapojuje do reálného vývoje inovativních tvarových prvků, hodnotí vliv různých geometrií na rovnoměrnost toku a posuzuje jejich limity v průmyslovém prostředí. Témata jsou flexibilní a lze je přizpůsobit vašim zájmům od experimentální práce po pokročilé modelování.

• Zmapujete současné metody úpravy toku a jejich konstrukční limity v procesních a energetických aparátech.
• Navrhnete inovativní geometrické tvary distributorů s využitím plného potenciálu aditivních technologií (3D tisku).
• Vyhodnotíte funkčnost a hydraulické charakteristiky navržených prvků a posoudíte vhodnost různých strukturovaných materiálů z pohledu přenosu tepla.

Propojíte moderní aditivní technologie s klasickou hydrodynamikou a procesním návrhem. Získáte praktické zkušenosti s CAD modelováním a prototypováním komponent na míru, což je vysoce žádaná kompetence v moderních vývojových odděleních.

Injektorové hořáky využívají ejekčního účinku za tryskou k přisávání spalovacího vzduchu, takže nepotřebují ventilátor. Díky jednodušší konstrukci nabízejí nižší provozní náklady, vysokou provozní spolehlivost a dobré předpoklady pro stabilní spalování s nízkými emisemi. Kvalita jejich návrhu však zásadně závisí na správném proudění a promísení paliva se vzduchem, které lze efektivně analyzovat pomocí CFD simulací.

• Navrhnete a porovnáte CFD modely různých geometrických variant injektorového hořáku.
• Vyhodnotíte množství spalovacího vzduchu přisávaného jednotlivými vstupy a posoudíte kvalitu promísení paliva se vzduchem.
• Ověříte vliv geometrie na proudění a podle rozsahu práce rozšíříte model o simulaci spalování pro posouzení provozních vlastností hořáku.

Získáte zkušenosti s pokročilým CFD modelováním proudění, směšování a případně i spalování, které patří mezi vysoce ceněné dovednosti v energetice i procesním průmyslu. Naučíte se navrhovat, analyzovat a kriticky vyhodnocovat technická řešení s využitím moderních simulačních nástrojů.

Masivní miniaturizace elektronických komponent, výkonových laserů a rozvoj kompaktních výměníků tepla v procesním inženýrství naráží na limity konvenčních chladicích metod. Odvod extrémních tepelných toků z malých ploch vyžaduje nasazení mini- a mikrokanálů, kde však přestávají platit běžné makroskopické inženýrské korelace. V těchto mikroskopických měřítkách začínají dominovat efekty jako drsnost povrchu, viskózní disipace či specifické režimy laminárního proudění. Tato práce se zaměřuje na teoretickou analýzu a matematické modelování hydrodynamických a tepelných jevů v těchto pokročilých strukturách.

• Prostudujete mezinárodní klasifikaci kanálů (např. dle Kandlikara) a zpracujete přehled jejich high-tech aplikací v procesním inženýrství.
• Provedete podrobný teoretický rozbor specifik proudění a přestupu tepla v malých rozměrech s důrazem na odchylky od konvenční teorie.
• Sestavíte matematický model pro predikci tlakové ztráty a součinitele přestupu tepla v mikrostrukturovaném výměníku a výsledky kriticky vyhodnotíte.

Získáte hluboké, expertní znalosti z oblasti mikrofluidiky a pokročilého přenosu tepla, které jsou klíčové pro high-tech sektory jako polovodičový průmysl, aerospace či moderní biotechnologie. Ovládnete tvorbu specializovaných výpočetních algoritmů pro mikrozařízení.

Zajištění bezpečnosti při odstavování, opravách nebo uvádění průmyslových chemických zařízení do provozu je naprosto kritický úkol, kde sebemenší chyba může způsobit explozi či požár. Klíčovým procesem je inertizace – vytěsnění hořlavého vzduchu ze zařízení pomalým proudem těžkého inertního plynu. V praxi však v aparátech vznikají tzv. mrtvé zóny proudění, kam plyn proniká obtížně a kde zůstávají nebezpečné kapsy kyslíku. Tato práce využívá pokročilé CFD simulace v softwaru ANSYS Fluent k odhalení těchto rizikových míst a optimalizaci celého procesu.

• Prostudujete fyzikální principy laminárního a turbulentního šíření plynů o různé hustotě a základy CFD modelování transportu složek.
• Sestavíte geometrický model průmyslového zařízení a definujete okrajové podmínky pro proces vytěsňování vzduchu inertním plynem.
• Provedete a vyhodnotíte numerickou simulaci v softwaru ANSYS Fluent, lokalizujete mrtvé zóny a určíte přesný čas nutný pro bezpečnou inertizaci.

Ovládnete špičkový průmyslový software ANSYS Fluent v oblasti vícesložkového proudění, což je vysoce ceněná inženýrská dovednost. Získáte hluboké kompetence v oblasti procesní bezpečnosti (Process Safety Management) uplatnitelné v petrochemii, energetice a chemickém průmyslu.

Horká káva, vychladlý čaj nebo příliš teplý džus dokážou zkazit zážitek z jinak kvalitního nápoje. Běžná řešení zvládají pouze ohřev nebo chlazení, nikoliv obojí v jednom kompaktním zařízení vhodném na kancelářský stůl či do firemní kuchyňky. Zapojíte se do návrhu zařízení, které udrží nápoje v optimálním teplotním rozmezí a zároveň splní požadavky na bezpečnost, rozměry a energetickou efektivitu.

• Zanalyzujete dostupné principy ohřevu a chlazení malých objemů nápojů a stanovíte technické požadavky na zařízení.
• Navrhnete konstrukční a procesní řešení zařízení včetně dimenzování klíčových komponent a tepelné bilance.
• Ověříte funkčnost navrženého konceptu sestavením prototypu nebo experimentálním vyhodnocením jeho výkonu, stability a energetické náročnosti.

Získáte zkušenosti s návrhem reálného procesního zařízení od prvotního konceptu až po funkční ověření. Rozvinete dovednosti v oblasti přenosu tepla, konstrukčního návrhu, experimentální práce i využití technických výpočtových a modelovacích nástrojů.

Průmyslové provozy dnes řeší tlak na vyšší tepelný výkon a současně nižší energetickou náročnost. Přidání nebo úprava výkonu čerpadla ve výměníkovém okruhu může výkon výrazně zvýšit, ale zároveň do systému přináší další aktivní prvek s vlastním příkonem. Správné nastavení proto není intuitivní – vyšší průtok nemusí znamenat vyšší celkovou účinnost. Projekt se zaměřuje na přesné vyhodnocení těchto vazeb.

• Provedete experimentální měření tepelného výkonu výměníku při různém výkonu čerpadla.
• Sestavíte matematický model systému výměník–čerpadlo podle termodynamických a hydraulických vztahů.
• Porovnáte naměřená data s modelem a vyhodnotíte optimální provozní bod z hlediska účinnosti i energetické náročnosti.

Získáte jistotu v práci s experimentálními daty, modelováním tepelných systémů a interpretací účinnosti technologických zařízení. Tyto dovednosti patří k základní výbavě procesních a energetických inženýrů v průmyslové praxi.

Sypké materiály dominují řadě průmyslových odvětví, od energetiky přes stavebnictví až po farmacii, avšak jejich chování při dopravě a míchání je vysoce komplexní. Nevhodný návrh míchacích zařízení vede k nehomogenitě produktů, zvýšené energetické náročnosti a provozním poruchám. Moderní numerické metody založené na metodě diskrétních prvků (DEM) umožňují sledovat pohyb milionů částic a optimalizovat konstrukci ještě před stavbou prototypu. Tento projekt se zaměřuje na pokročilé modelování procesů homogenizace pomocí špičkového softwaru Ansys Rocky.

• Osvojíte si práci v pokročilém simulačním prostředí Ansys Rocky pro modelování sypkých materiálů metodou diskrétních prvků (DEM).
• Provedete kalibraci fyzikálních modelů a materiálových vlastností pro dva vybrané reálné průmyslové materiály.
• Nasimulujete proces míchání ve vámi navrženém zařízení a vyhodnotíte vliv konstrukčních parametrů a vestaveb na kvalitu homogenizace.

Získáte vysoce expertní hard-skills v oblasti DEM simulací, které jsou v průmyslovém výzkumu a vývoji extrémně ceněné. Naučíte se řešit komplexní inženýrské problémy digitálního prototypování a optimalizace zařízení.

Potrubní řad surové vody je pro běžné kontroly těsnosti nedostupný, poněvadž je uložen v zemi. Jako jedna z kontrol je předepsaná periodická těsnostní zkouška. Ta se provádí na zaplněném potrubí, kdy voda uvnitř neproudí. Během zkoušky se sleduje výška hladiny v průhledném válci v nejvyšším místě potrubní trasy. Vzhledem k velkému objemu potrubí (průměr 1000 mm a délka cca 3 km) existují pochyby o věrohodnosti a přesnosti těsnostní zkoušky.

• Seznámíte se s problematikou zakopaných potrubí a provedete analýzu vlivů, které těsnostní zkoušku ovlivňují jako je například tuhost potrubí, podloží, vlastnosti zásypu, stlačitelnost vody uvnitř potrubí a pracovní tlak a teplota.
• Na základě provedené analýzy definujete parametry, které nejvíce ovlivňují věrohodnost těsnostní zkoušky.
• Vytvoříte MKP model potrubní trasy včetně okrajových podmínek a modelu porušení integrity stěny potrubí.
• Postupnými změnami definovaných parametrů výpočtu se budete snažit zjistit souvislost s výškou hladiny v průhledném válci.
• Podle potřeb použijete i numerickou simulaci proudění.
• Stanovíte minimální dobu těsnostní zkoušky (sledování hladiny v průhledném válci), ve které bude spolehlivě stanoven únik přes potrubní stěnu v řádech litrů za hodinu.

Získáte zkušenosti s problematikou zakopaných potrubí, monitoringem stavu a posuzováním zbytkové životnosti. Tyto zkušenosti jsou ceněny v energetických a procesních provozech, které se blíží ke konci projektové životnosti. Osvojíte si práci s mumerickými výpočty deformací, napjatostmi a pomalým prouděním v rozsáhlém tlakovém celku. Stanete se průkopníkem v řešení úlohy která je velmi originální a která s velkou pravděpodobností ještě nebyla řešena. Navážete kontakt s lidmi z Inženýringu ČEZ, kteří se zabývají jak hodnocením stávajícího stavu potrubních systémů v zemi, tak i problematikou zásobování vody NJZ (nových jaderných zdrojů ČR).

Moderní procesní průmysl vyžaduje dlouhodobě udržitelná a provozně bezpečná technická řešení dle konceptu „Safety and Sustainability by Design“ (SSbD), jehož cílem je u procesů a jejich zařízení již v koncepční fázi řešení maximalizovat bezpečnost a spolehlivost provozu a minimalizovat materiálové nároky, spotřebu energií a produkci emisí. V rámci tohoto tématu je nabízeno patnáct různých konkrétních zadání závěrečné práce spadajících do této oblasti (od řešení dílčích částí vybraných procesních zařízení až po systematické SSbD provedení celého procesu) z nichž si můžete dle svého zájmu a preference vybrat to svoje.

• Provedete u zvoleného konkrétního tématu nejprve celkové posouzení jeho obvyklého technického řešení ve vztahu k bezpečnosti a dlouhodobé udržitelnosti provozu.
• Aplikujete podle doporučení vedoucího práce vhodné metody řešení (grafické, výpočtové či jiné) pro dosažení moderního technického řešení splňujícího koncept SSbD.
• Zpracujete dosažený výsledek do podoby inženýrského návrhu technického řešení (tj. buď do podoby výkresu konkrétního dílu či zařízení nebo do podoby technologického schématu procesu – podle řešeného tématu).

Naučíte se aplikovat špičkovou metodologii SSbD, která se stává standardem pro mezinárodní i národní inženýrské společnosti. Propojíte teorii transportních dějů a znalosti navrhování s praktickými požadavky na bezpečnost provozu a ekonomiku investic v procesním průmyslu.

V metalurgickém průmyslu, zejména při zpracování hliníku, představují energetické náklady a nákup emisních povolenek dominantní podíl na provozních výdajích. Starší typy tavicích pecí pracují s velmi nízkou tepelnou účinností, protože obrovské množství energie uniká s horkými spalinami do komína. Modernizace pecí pomocí instalace rekuperačních nebo regenerativních hořáků pro předehřev spalovacího vzduchu slibuje masivní úspory paliva, vyžaduje však značné investice. Tato práce využívá špičkový chemicko-procesní software DWSIM k vytvoření přesné energetické bilance a nalezení optimální rovnováhy mezi CAPEX a OPEX modernizačního záměru.

• Analyzujete současný stav vybrané průmyslové tavicí pece a sestavíte hmotnostní a energetickou bilanci jejích toků.
• Vytvoříte termodynamický model pece v simulačním softwaru DWSIM a prozkoumáte vliv předehřevu vzduchu na adiabatickou teplotu plamene a spotřebu plynu.
• Provedete kompletní ekonomické srovnání investičních variant (doba návratnosti, NPV, IRR) a navrhnete optimální scénář modernizace.

Ovládnete práci v profesionálním procesním simulátoru DWSIM a naučíte se provádět techno-ekonomické analýzy průmyslových investic. Tyto dovednosti jsou klíčové pro pozice energetických auditorů, procesních inženýrů a investičních analytiků v těžkém průmyslu.

Zvyšování energetické účinnosti stávajících průmyslových výměníků tepla a kotlů je nejrychlejší cestou ke snížení provozních nákladů a uhlíkové stopy bez nutnosti stavby celých nových jednotek. Pasivní intenzifikace pomocí vložených turbulizátorů (např. šroubovicových pásků) generuje v trubkách sekundární proudění a víry, které dramaticky zvyšují přestup tepla, ale zároveň zvyšují tlakovou ztrátu. Klíčovou inženýrskou výzvou je nalézt optimální geometrii turbulizátoru pro vyvážení těchto dvou efektů. Tato práce kombinuje matematické modelování v Pythonu/Excelu s návrhem reálného experimentálního zařízení pro verifikaci modelů.

• Provedete rešerši mechanismů tvorby sekundárního proudění a vortexů u různých typů průmyslových turbulizátorů.
• Sestavíte matematický model v prostředí Python nebo Excel pro predikci Nusseltova čísla a třecího součinitele v závislosti na geometrii vložek.
• Zpracujete kompletní inženýrský návrh a hydraulický výpočet experimentálního okruhu určeného pro laboratorní ověření navržených korelací.

Vybudujete si silné hard-skills v programování inženýrských výpočtů (Python/Excel) a v procesním navrhování (process design) reálných experimentálních systémů. Tyto dovednosti jsou vysoce žádané v konstrukčních kancelářích a vývojových centrech energetických zařízení.

Lehké a pevné kompozitní díly dnes nacházejí uplatnění od letectví přes motorsport až po bezpilotní systémy. Kvalita výsledného dílu závisí na přesném řízení vakua, tlaku i teploty během výroby. Zapojíte se do návrhu zařízení, které umožní studentským týmům vyrábět kompozitní komponenty na profesionální úrovni a podpoří jejich účast v prestižních technických soutěžích.

• Provedete rešerši technologií vakuové laminace a vytvrzování kompozitů a stanovíte požadavky na provoz, bezpečnost a kvalitu výroby.
• Navrhnete zařízení zajišťující vytvoření a udržování vakua ve formě, přetlaku až 8 bar v okolí formy a temperování procesu na teploty kolem 80 °C; součástí může být i návrh alternativního konstrukčního uspořádání.
• Ověříte technickou proveditelnost navrženého řešení výpočty, modelováním nebo experimentálním hodnocením klíčových provozních parametrů.

Získáte zkušenosti s návrhem technologického zařízení kombinujícího přenos tepla, tlakové systémy a zpracování kompozitních materiálů. Rozvinete dovednosti v konstrukčním návrhu, technických výpočtech i využití moderních simulačních a návrhových nástrojů používaných ve vývoji pokročilých výrobních technologií. A dále získáte zajímavou položku do životopisu – zapojení do soutěžního týmu, kde vaše zařízení pomohlo k dosažení umístění na mezinárodní soutěži.