Konstrukční návrhy a inovace procesních celků
Garant: Ing. Pavel Lošák, Ph.D.
Sekce konstrukce zařízení
Techniky sklizně mikrořas
Vedoucí práce: Ing. Pavel Lošák, Ph.D.
Charakteristika tématu:
Mikrořasy se vyznačují širokou škálou komerčních aplikací a v současnosti jsou v centru pozornosti. Přes svůj velký potenciál má však využití mikrořas v své, zejména, ekonomické omezení. Tím je kvůli vysokým nákladům zejména jejich sklízení. Pro sklizeň mikrořas je k dispozici široká škála technik. Volba metody sklízení se liší v závislosti na jejich aplikaci. Závěrečná práce se zaměří na literární rešerši z této oblasti se zaměřením na techniky sklizně mikrořas pro lidské a zvířecí potraviny, vysoce hodnotné produkty a čistění odpadních vod. V úvahu je potřeba vzít kvalitu biomasy, náklady, množství biomasy či dobu zpracování. Součástí práce bude navržení vhodné metody sklízení mikrořas pro aplikaci čištění spalin pomocí mikrořas, jejich zkoumání je součástí právě probíhajícího výzkumu.
Význam řešené problematiky:
Mikrořasy v poslední době přitahují značný zájem po celém světě díky svému rozsáhlému aplikačnímu potenciálu v odvětví obnovitelné energie, biofarmaceutickém a potravinářském průmyslu. Mikrořasy jsou obnovitelné, udržitelné a ekonomické zdroje biopaliv, bioaktivních léčivých přípravků a složek potravin.
Cíle, kterých má být dosaženo:
- Seznámení se s problematikou mikrořas a jejich sklizně
- Provedení literární rešerše dostupných metod sklizně a jejich systematizování
- Volba a zdůvodnění metody sklizně mikrořas z aplikace čištění odpadních plynů
- Diskuze nad dosaženými výsledky.
Zajímavosti:
Metody revizí tlakových nádob stabilních
Vedoucí práce: Ing. Pavel Lošák, Ph.D.
Charakteristika tématu:
Práce bude zaměřena na literární rešerši technických a legislativních možností revizí tlakových nádob v České republice. Součástí práce bude popis využívaných metod a jejich vhodnosti.
Význam řešené problematiky:
Správné určení zbytkové životnosti provozovaných zařízení hraje klíčovou roli jak v ekonomických úvahách provozovatele, tak také z hlediska bezpečnosti procesních zařízení.
Cíle, kterých má být dosaženo:
- Seznámení se s možnostmi revizí tlakových nádob
- Provedení literární rešerše dokumentující současné metody revizí tlakových nádob
- Shrnutí současného stavu požadavků v dané problematice v ČR
- Diskuze nad dosaženými výsledky
Výpočtové modelování přírubových spojů tlakových zařízení
Vedoucí práce: Ing. Tomáš Létal, Ph.D.
Charakteristika tématu:
Přírubové spoje jsou nejčastěji používanými rozebíratelnými spoji tlakových celků. Kromě nároků na pevnost a životnost, které jsou kladeny i na ostatní komponenty, je v případě přírubových spojů navíc významná také problematika těsnosti. Pro řešení všech zmíněných aspektů je významný popis mechanického chování spoje. Práce je zaměřena na využití analytických výpočtových modelů vhodných pro modelování mechanického chování přírubových spojů.
Význam řešené problematiky:
Se zpřísňujícími se požadavky na omezení úniku médií jsou na těsnost přírubových spojů kladeny stále větší nároky. Návrh přírubového spoje s požadovanou těsností vyžaduje popis mechanického chování přírubového spoje.
Cíle, kterých má být dosaženo:
- Seznámení se s charakterem zatěžování přírubových spojů při montáži a následném provozu.
- Seznámení se s vhodnými elementárními tělesy pružnosti vhodnými pro popis mechanického chování přírubového spoje.
- Sestavení obecného výpočtového modelu pro spoj vybraného typu.
- Použití modelu na vybraných příkladech.
Zajímavosti:
- Většina přírubových spojů v současných provozech je navržena metodou „Taylor-Forge“, používanou v různých úpravách již od 30. let minulého století, která dokáže řešit pevnost spoje, ale už ne jeho těsnost.
- Problém těsnosti přírubových spojů se již delší dobu snaží řešit European Sealing Association (EU) a Fluid Sealing Association (US), které společně vydaly zajímavou příručku Gasket Handbook.
Pružnost kolen potrubních systémů
Vedoucí práce: Ing. Tomáš Létal, Ph.D.
Charakteristika tématu:
Kolena potrubních systémů mají oproti rovným potrubím nižší tuhost než předpokládanou na základě jednoduchých teorií prutového chování. Výpočty v praxi tuto skutečnost zohledňují pomocí součinitelů pružnosti. Práce je zaměřena na srovnání přístupů používaných v praxi s numerickým řešení pomocí MKP.
Cíle, kterých má být dosaženo:
- Rešerše přístupů pro zohlednění tuhosti kolen potrubí a seznámení se s výpočty kolen podle EN 13480-3.
- Seznámit se s metodou konečných prvků a softwarem ANSYS.
- Provést analýzy části potrubí s kolenem.
- Provést srovnání analytických a empirických výpočtů s výsledky MKP analýz.
Bezpečnost válcového pláště tlakové nádoby při zatížení vnitřním tlakem
Vedoucí práce: Ing. Tomáš Létal, Ph.D.
Charakteristika tématu:
Evropská legislativa stanovuje základní bezpečnostní požadavky, neposkytuje však způsob kvantifikace bezpečnosti zvolené tloušťky. Práce je zaměřena na zmapování metod určení vnitřního tlaku média při roztržení a nejistot vstupních parametrů.
Význam řešené problematiky:
Válcové pláště tvoří velkou část tlakových zařízení. Minimalizace jeho tloušťky tak může vést k značné úspoře nákladů, na druhou stranu je třeba dát pozor na nebezpečí roztržení.
Cíle, kterých má být dosaženo:
- Rešerše mezních stavů spojených se zatěžováním válcového pláště vnitřním tlakem.
- Rešerše metod řešení deformací a napjatosti válcového pláště při zatížení vnitřním tlakem.
- Zohlednění nejistot materiálových charakteristik, geometrie a zatěžování válcového pláště.
- Vyhodnocení konkrétního případu.
Možnosti použití alternativního živného média pro růst mikrořas
Vedoucí práce: Ing. Martin Naď, Ph.D.
Charakteristika tématu:
Při růstu mikrořas jsou důležité tři klíčové vstupy, kterými jsou živiny obsažené v živném médiu, přístup CO2 a v neposlední řadě dostatek osvětlení. Jelikož osvětlení je často řešeno nejekonomičtější cestou a to využíváním slunečního světla, přísun CO2 je zajištěn často z odpadních plynů případně ze vzduchu, naskýtá se analýza možnosti využití alternativního živného média pro pěstování vybraných druhů mikrořas. Může jím být například lokální zdroj odpadních vod apod.
Význam řešené problematiky:
Úprava, zpracování a případné znovuvyužití odpadních vod je aktuálním tématem a nabízí . Jejich aplikace v případě pěstování mikrořas má značný potenciál, jelikož látky obsažené v odpadních vodách jsou využitelné při pěstování mikrořas. Potenciálem je tedy jednak čištění odpadních vod ale také pěstování mikrořas, jejichž další využití má mnoho podob od potravinářského průmyslu, farmacie, energetického průmyslu, výroby plastů a mnoha dalších.
Cíle, kterých má být dosaženo:
- Analýza potřeb živin pro správný růst zvolených mikrořas
- Analýza běžných typů využívaných médií (médiem BG11)
- Posouzení možnosti využití alternativního živného média z lokálního zdroje:
- Ekonomické zhodnocení
Zajímavost
Při experimentálním letu vyslali brněnští vědci loni na podzim do stratosféry kolem 70 vzorků mikrořas. Ve výšce 35 kilometrů zůstala sonda zhruba hodinu. Na mikrořasy působila radiace, záření, ale také změna teploty. Cestu do vesmíru nepřežilo pouze pět procent vzorků. Poukazuje to na rozsáhlé možnosti využití i ve vesmírném programu.
Návrh mechanizmu adaptívneho rozmiestnenia rastlín pri hydroponickom pestovaní
Vedoucí práce: Ing. Martin Naď, Ph.D.
Charakteristika tématu:
Hydroponická farma je vždy pokrytá niekoľkými svetelnými zdrojmi avšak využitie umelého osvetlenia sa v priebehu života rastliny mení, nakoľko v prípade, že sú rastliny ešte malé využívajú len zlomok vyžarovaného svetla. Z tohto dôvodu je žiaduce rastliny zoskupiť na menšiu plochu, viac tak využiť svetelný zdroj pričom niektoré svetelné zdroje by mohli ostať vypnuté. Následne po zväčšení objemu rastlín by sa zapli aj ostatné svetelné zdroje. Cieľom práce je teda navrhnúť mechanizmus pre pohyb rastlín a úpravu ich rozmiestnenia v priestore na základe ich veľkosti a nutnosti osvetlenia.
Význam řešené problematiky:
Novodobým trendom v potravinárstve je využívanie hydroponického pestovania. Ako pri každom procese je niekoľko cieľov ako minimalizovať náklady na pestovanie. Jedným z nich je minimalizácia spotreby elektrickej energie, ktorá je najmä v podobe napájania svetelných zdrojov.
Cíle, kterých má být dosaženo:
• Rešerš hydroponického pestovania a možností rozmiestnenia rastlín
• Návrh pohyblivého mechanizmu pre úpravu rozmiestnenia rastlín
• Tvorba 3D modelu návrhu s pohybovou štúdiou
Analýza zaválcování trubky v trubkovnici výměníku tepla se svazkem trubek v plášti
Vedoucí práce: Ing. Marek Pernica
Charakteristika tématu:
Práce bude zaměřena na podrobnou analýzu spojení trubky s trubkovnicí ve výměníku tepla se svazkem trubek v plášti, které je realizováno pomocí zaválcování, přičemž je cílem najít maximální sílu působící na trubky v axiálním směru, při které nedojde k porušení spoje. Pro řešení budou využity jak analytické výpočty, tak i numerické simulace (MKP). Úkolem bude nejprve provést podrobnou rešerši z oblasti trubkovnic a trubkových svazků výměníků tepla a spojování trubek s trubkovnicí pomocí zaválcování. Následně budou navrženy výpočtové postupy pro analýzu tohoto spoje a v poslední části bude proveden MKP výpočet zaválcování trubky v trubkovnici.
Význam řešené problematiky:
Zaválcování trubek do trubkovnice je nejrozšířenější způsob spojení těchto komponent trubkového výměníku tepla, přičemž význam tohoto spoje je nejen spolehlivá funkce výměníku a bezpečnost provozu. To jsou důvody proč je nutné tomuto spoji věnovat zvýšenou pozornost.
Cíle, kterých má být dosaženo:
- Rešerše z oblasti výměníků tepla a trubkovnic
- Rešerše z oblasti válcování trubek v trubkovnici
- Analytický výpočet maximální axiální síly, která může působit na trubku aniž by došlo k porušení válcovaného spoje
- MKP výpočet pro ověření analytického výpočtu
Zajímavosti:
Tvorba a porovnání výpočtových sítí trubkového výměníku tepla se zaměřením na oblast trubkovnice
Vedoucí práce: Ing. Marek Pernica, Ph.D.
Charakteristika tématu:
Cílem práce je prozkoumat a navrhnout možnosti řešení sítě modelu výměníku tepla s pevnými trubkovnicemi pro výpočet pomocí metody konečných prvků (MKP). Práce by měla obsahovat rešerši z oblasti MKP, zaměřenou zejména na tvorbu sítí, a to jak obecně, tak z hlediska procesních zařízení, kam spadají výměníky tepla se svazkem trubek v plášti. Praktická část bude zaměřena na tvorbu sítí se zaměřením na trubkovnice výměníků tepla, na skořepinových i objemových modelech a porovnání jejich kvality. Výpočty provedené na vytvořených sítích budou provedeny pro porovnání vlivu kvality sítě na výsledná napětí v trubkovnici a návazných komponentech, jako je plášť, trubky a komora.
Význam řešené problematiky:
Výměníky tepla se svazkem trubek v plášti jsou hojně používány v mnoha odvětvích průmyslu, a to zejména v chemickém, petrochemickém, energetickém a dalších, zejména pro svoji jednoduchost, robustnost a dobré možnosti čištění. Pro jejich pevnostní dimenzování se nejčastěji používají výpočty podle norem založené na výpočtech pomocí vzorců. Pro nestandardní konfigurace, výpočty životnosti, nebo při řešení provozních problémů je možné použít právě konečně prvkové výpočty. Správnost těchto výpočtů je podmíněna kvalitní výpočtovou sítí.
Cíle, kterých má být dosaženo:
- Podrobná rešerše z oblasti MKP zaměřená na tvorbu sítí
- Tvorba sítí na vybraných konfiguracích výměníků tepla
- Výpočet vybraných konfigurací výměníků tepla
- Porovnání kvality vytvořených sítí
- Porovnání výsledků na jednotlivých sítích
Zajímavosti:
Přestože počátky MKP sahají až k počátku 20. století, dodnes při jeho použití pro výpočty trubkových výměníků tepla vyvstává mnoho problémů, které mohou být způsobeny jednak použitým softwarem, ale také povahou zkoumaného zařízení, kdy je v poměrně malé oblasti trubkovnice vyvrtáno mnoho děr pro trubky, s čímž mají zejména síťovací softwary problémy.
Možnosti a omezení využití vodíku pro dekarbonizaci průmyslu
Vedoucí práce: Ing. Anežka Michálková
Charakteristika tématu:
Práce bude zaměřena na provedení rešerše o vodíku, jeho vlastnostech, degradačních mechanismech, které se s vodíkem pojí. Dále by součástí práce měla být základní rešerše o možnostech výroby, transportu, skladování a různých možnostech využití vodíku v průmyslu. Poslední částí práce bude jednoduchý příklad pro porovnání využití vodíku namísto zemního plynu. Navrhněte průměr potrubí pro daný tlak. Kolik vodíku musí protékat potrubím namísto zemního plynu, aby byla zachována celková přenesená energie? Jak se změní tlakové ztráty?
Význam řešené problematiky:
Jednou z možností, jak dosáhnout závazku uhlíkové neutrality do roku 2050, je využití vodíku ve větším měřítku jako paliva nebo jako prostředku k akumulaci elektrické energie. Procesní a energetická zařízení jako např. výměníky tepla, tlakové a skladovací nádoby, potrubní trasy nebo čerpadla budou s nástupem vodíkové technologie čelit novým výzvám, kterým je třeba řádně porozumět z hlediska zachování bezpečnosti a spolehlivosti stávajících a výroby nových zařízení.
Cíle, kterých má být dosaženo:
- Popsat základní vlastnosti vodíku; rizika, která se s ním pojí (např. vodíkové degradační mechanismy)
- Seznámit se s problematikou transportu, skladování a možnostech využití vodíku
- Porovnat chování vodíku se zemním plynem
- Zhodnocení získaných poznatků
Zajímavosti:
- Vzducholoď obsahovala zhruba 200 000 m³ plynu a byla schopná unést celkem 133 osob a náklad
- Maximální rychlost byla 135 km/h
Pevnostní analýzy osově symetrických plášťů tlakových nádob
Vedoucí práce: Ing. Anežka Michálková
Charakteristika tématu:
Práce je zaměřena na pevnostní výpočty osově symetrických plášťů tlakových nádob s využitím maticových metod.
Význam řešené problematiky:
Tlakové nádoby jsou nezbytnou součástí mnoha celků v procesním i energetickém průmyslu. Často mají osově symetrickou konstrukci, jejíž napěťově deformační charakteristiky lze velmi dobře modelovat s využitím osově symetrických modelů.
Cíle, kterých má být dosaženo:
- Seznámit se s metodou konečných prvků.
- Seznámit se osově symetrickými skořepinovými prvky.
- Vytvořit program umožňující obecné zadání obecné soustavy těchto prvků, aplikaci a zatížení a výpočet.
- Demonstrovat funkčnost programu na vybraných příkladech.