Návrh procesních zařízení

Od fyzikálního principu k bezpečnému, účinnému a spolehlivému zařízení

Návrh procesního zařízení nekončí vytvořením 3D modelu ani jedním výpočtem. Každé zařízení musí především správně plnit požadovanou procesní (tj. technologickou) funkci (např. zajistit požadovaný přenos tepla při daném proudění látek) a současně bezpečně odolávat tlaku, teplotě, provoznímu zatížení i jeho změnám v čase. Musí být také vyrobitelné, provozuschopné, energeticky efektivní a spolehlivé po celou dobu své životnosti.

V tomto tematickém okruhu se budete zabývat komplexním návrhem procesních a energetických zařízení – od prvotního technického konceptu a jeho bilančního výpočtu přes vlastní technologický (např. tepelně-hydraulický) a konstrukční návrh až po pevnostní posouzení, optimalizaci a ověření výsledného řešení. Jednotlivé práce mohou být zaměřeny například na výměníky tepla, tlaková zařízení, potrubní systémy, aparáty pro zpracování látek nebo další funkční celky procesního průmyslu.

Témata zpravidla vycházejí z konkrétních technických problémů a vznikají také ve spolupráci s průmyslovými partnery. Vedle klasických inženýrských výpočtů a postupů podle technických norem budete využívat moderní počítačové simulace, experimentální měření a případně také vlastní výpočtové nástroje.

Výzvy do budoucna

Procesní zařízení musí splňovat stále náročnější požadavky na bezpečnost, spolehlivost, energetickou účinnost a šetrné využívání materiálů. Současně jsou často provozována v proměnlivých podmínkách, pro které původně nebyla navržena. To může vést ke snížení výkonu, nerovnoměrnému proudění, lokálnímu přehřívání, únavovému poškození, ztrátě těsnosti nebo zkrácení životnosti zařízení.

Úkolem současného inženýra proto není pouze navrhnout zařízení, které „výpočtově vyhoví“. Musí porozumět vzájemným vazbám mezi jeho geometrií, prouděním, přenosem tepla, materiálovým řešením a mechanickým namáháním. Významnou roli přitom hrají numerické simulace, které umožňují chování zařízení podrobně prozkoumat ještě před jeho výrobou nebo úpravou.

Jak probíhá řešení v praxi

Při řešení práce můžete začínat pouze požadovanou funkcí zařízení a postupně vytvořit jeho návrh. Stanovíte provozní podmínky, navrhnete základní uspořádání a rozměry a ověříte, zda zařízení dosahuje požadovaného tepelného a hydraulického výkonu. Následně posoudíte jeho konstrukční proveditelnost, pevnost, stabilitu a předpokládanou životnost.

Jiná témata mohou vycházet z již provozovaného zařízení, u kterého je třeba zvýšit výkon, snížit energetickou náročnost nebo objasnit příčinu poruchy. Pomocí výpočtů, počítačových simulací a dostupných provozních dat nejprve popíšete skutečné chování zařízení a následně navrhnete a ověříte vhodná nápravná opatření.

Práce tak mohou zahrnovat například:

• koncepční a konstrukční návrh výměníků tepla, tlakových aparátů, potrubních systémů a dalších procesních zařízení;
• bilanční výpočty chování procesu nebo jeho části, v níž se řešené zařízení nachází;
• posouzení umístění zařízení v procesu z pohledu hospodárného řešení (tzv. integrovaný návrh procesu);
• technologický návrh potřebných rozměrů a dimenzí zařízení včetně celkové analýzy přestupu tepla, tlakových ztrát a kontroly směšování a rozdělení proudění;
• detailní CFD (Computational Fluid Dynamics) simulace proudění a přenosu tepla v zařízení, vyhodnocení problematických míst a optimalizaci geometrie zařízení;
• návrhové a kontrolní pevnostní výpočty podle technických norem;
• posouzení namáhání zařízení pomocí metody konečných prvků, včetně teplotních napětí, únavy, stability, těsnosti a zbytkové životnosti;
• analýzu příčin provozních poruch a návrh konstrukčních nebo provozních opatření (u úloh zaměřených na rekonstrukci zařízení a troubleshooting);
• experimentální ověření navrženého řešení a porovnání výsledků měření s výpočtovým modelem (u úloh zaměřených na vývoj nových zařízení);
• tvorbu vlastních výpočtových a softwarových nástrojů pro automatizaci návrhových postupů.

Konkrétní zaměření práce lze přizpůsobit tomu, zda vás více zajímá konstrukční návrh, pevnost a životnost, anebo spíše technologický návrh, proudění, přenos tepla a účinnost zařízení.

S čím budete pracovat

Při řešení bakalářské či diplomové práce můžete využívat moderní výpočtové a konstrukční nástroje, například:

• profesionální software pro 3D modelování a konstrukční návrh zařízení;
• numerické a profesionální simulační nástroje pro pevnostní, bilanční, teplotní a CFD simulace;
• výpočtové metody a technické normy pro návrh tlakových a procesních zařízení;
• programovací prostředí, například Python, pro tvorbu vlastních výpočtových postupů a automatizaci rutinních činností;
• experimentální zařízení, měřicí tratě a provozní data z průmyslové praxe.

Co získáte pro svou budoucí kariéru

Naučíte se přistupovat k návrhu zařízení jako ke komplexnímu inženýrskému problému. Budete schopni propojit požadovanou procesní funkci s tepelným, hydraulickým, konstrukčním a pevnostním řešením a své závěry podložit výpočtem, simulací nebo experimentem.

Získáte zkušenosti využitelné při vývoji procesních a energetických zařízení, v konstrukčních a výpočtových odděleních, inženýrských společnostech, technickém poradenství i aplikovaném výzkumu. Schopnost propojit konstrukční návrh s CFD, přenosem tepla a pevnostními simulacemi představuje v průmyslové praxi významnou odbornou výhodu.

Pro koho je okruh vhodný

Okruh je určen studentům, které baví řešit reálné technické problémy a hledat souvislosti mezi funkcí zařízení, jeho konstrukcí a chováním za provozu. Uplatní se v něm jak studenti se zájmem o 3D modelování, pevnostní výpočty, životnost a metodu konečných prvků, tak studenti zaměření na přenos tepla, proudění, procesní simulace a CFD simulace.

Vhodné téma lze nalézt pro zájemce o komplexní návrh nového zařízení i pro ty, kteří dávají přednost detailní analýze, optimalizaci nebo řešení konkrétního problému z průmyslové praxe.

Kontaktní/garantující osoby

Ing. Pavel Lošák, Ph.D.
Konstrukční řešení, pevnost a životnost zařízení, metoda konečných prvků (MKP)

prof. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D.
Technologický návrh zařízení, přenos tepla, simulační výpočty, proudění a CFD