Název projektu
Specifický výzkum ve vybraných oblastech energetických procesů
Kód
SP2023/094
Předmět výzkumu
Projekt je rozdělen do tří oblastí (Oblast I–III)
Oblast I – Transformace druhotných surovin s energetickým potenciálem
Současná energetická situace nás nutí hledat nové potenciální energetické zdroje, které by přispěly k náhradě části primárních zdrojů i ke snížení finančních nákladů.
Potenciálním zdrojem mohou být druhotné suroviny, což jsou vedlejší produkty výroby, nezpracované vytěžené suroviny, výrobky s ukončenou životností a využitelné odpady, které po úpravě splňují požadavky vstupní suroviny pro další výrobní procesy. Jejich úprava na kvalitu vstupní suroviny pro další výrobu je v mnoha případech úspornější než získávání vstupních surovin z primárních zdrojů. Významným přínosem druhotných surovin je snížení ekonomické, energetické, environmentální a materiálové náročnosti snad ve všech výrobních sférách.
Předložený projekt má za cíl zabývat se problematikou transformace vybraných druhotných surovin se zaměřením na jejich energetický potenciál a využití.
Oblast I – Specifikace a cíle projektu
Předkládaný projekt bude rozvíjet vědecko – výzkumnou činnost v oblasti transformace druhotných surovin. Zejména pak na základě využití různých energetických metod prosoudit změny závislostí, vlastností a kvalitativních parametrů u zvolených druhotných surovin před a po jejich transformaci (např. pro TAP a PAT). Na základě těchto poznatků najít procesní cesty a vhodnou synergii v náhradě některých primárních energetických zdrojů a druhotnými surovinami.
Praktické experimenty budou prováděny na stávajících zařízení a ve spolupráci s výzkumnými organizacemi.
Aktivity prováděné v rámci předloženého projektu rovněž podpoří závěrečné kvalifikační práce studentů na Fakultě strojní, Katedře energetiky při bakalářském, magisterském i doktorském studiu. Studenti se v rámci tohoto projektu budou podílet na výzkumných aktivitách, které budou v souladu s tématy jejich závěrečných prací.
Souhrn oblastí, kterých se bude výzkum týkat:
- Transformace druhotných surovin
- Termické procesy,
- Druhotné suroviny, alternativní paliva,
- Realizace závěrečných kvalifikačních prací a příprava publikací.
Oblast I – Časový plán
01–02/2023
Studium současných literárních zdrojů se zaměřením na výzkumnou problematiku projektu. Zjištění vhodnosti vybraných druhů materiálů a porovnání jejich pro jejich následné experimenty.
Zpracování harmonogramu pracovních postupů.
03–05/2023
Nákup pracovních pomůcek a materiálů nezbytných pro provedení experimentálních měření.
Předúprava materiálů.
Transformace materiálů do lisovacích forem.
Příprava a tvorba experimentů.
Vlastní experimentální měření.
05–07/2023
Vyhodnocování a interpretování naměřených dat zejména pro potřeby kvalifikačních prací.
08–11/2023
Dokončení odborných prací v laboratoři.
Zhodnocení získaných výsledků na základě přípravy odborné publikace.
Účast na konferencích.
12/2023
Zhodnocení výstupů projektu. Ekonomické a organizační ukončení projektu.
Oblast II – Optimalizace geometrie dýz pro experimentální činnost s proudovými stroji
Jedná se o minoritní část projektu, která se bude navazovat na dosavadní výzkumné aktivity v problematice návrhu a optimalizace proudových strojů, kterými jsou ejektory. Tedy sekundární energetické dynamické stroje, ve kterých zdroj energie – primární pohonné médium expanduje v trysce. Tím je v hlavě zařízení generován podtlak umožňující nasávání sekundárního média. Tato dvě, minimálně parametrově různá, média se následně smísí ve směšovací komoře. Po ustálení rychlostního profilu, proudí směs do výstupního difuzoru, kde dochází k závěrečné kompresi.
Každý výše popsaný děj má svá specifika a možnosti optimalizace. Tato část projektu se bude konkrétně zaměřovat na hnací dýzy. Každá dýza je navržena na určité konkrétní design podmínky. Cílem této části projektu je spočítat, navrhnout a vyrobit několik dýz různých geometrií, případně různými metodami výroby, např. konvenčně či pomocí 3D tisku. Vyrobené trysky budou podrobeny řadě experimentů a CFD simulací, kde bude sledováno chování dýz v pracovním procesu při různých provozních podmínkách.
Konečný dopad této části projektu bude v rozšíření znalostí o výstupních proudových kuželech, o jejich tvarech, fyzikálních parametrech, pozici šikmých rázových vln, atd. Zjištěné informace budou posléze využity k publikační činnosti, inovaci výuky i v navazujících výzkumných aktivitách.
Oblast II – Specifikace a cíle projektu
Předkládaný projekt bude rozvíjet vědecko-výzkumnou činnost zaměřenou na studium sekundárních energetických strojů. Bude také navázáno na minulou a stávající vědecko-výzkumnou činnost v oblasti návrhu a optimalizace ejektorů.
Dosavadní experimenty a simulace ukázaly, že je nutné zkoumat ejektory nejen jako celek, ale je třeba se zaměřit i na dílčí procesy, které v těchto energetických strojích probíhají.
Pracoviště je vybaveno výkonnými pracovními stanicemi s 3D CAD softwarem pro vytváření geometrií, softwarem ANSYS pro realizaci CFD simulací i laboratořemi s moderními diagnostickými přístroji a zařízeními. Tímto bude zajištěna excelentnost získaných výsledků a potenciál jejich publikování v kvalitních vědeckých časopisech.
Konkrétní cíle projektu v rámci této minoritní aktivity týkající se proudění dýzami, lze shrnout v následujících bodech:
1. Provést servisní úkony a případné rozšíření měřicích možností na šroubovém kompresoru, jenž bude sloužit jako zdroj energie pro experimenty – definovat limity,
2. Pomocí analytických výpočtů, v softwaru EES (Engineering Equation Solver), navrhnout dle možností pohonného kompresoru několik geometrií dýz v jejich nominálních provozních stavech s důrazem na jejich hlavní rozměry,
3. V 3D CAD softwaru vytvořit inverzní modely vnitřních objemů dýz z jejich hlavních rozměrů,
4. V ANSYS realizovat CFD simulace navržených dýz při různých provozních podmínkách,
5. Porovnat výsledky analytických výpočtů a simulací a z vybraných variant vytvořit konstrukční modely a výkresy určené pro realizaci,
6. Vyrobené varianty dýz otestovat na experimentálních standech,
7. Analyzovat zjištěné výsledky a poznatky publikovat ve vědeckých časopisech.
Souhrn oblastí, kterých se bude výzkum týkat:
• Sekundární energetické proudové stroje – ejektory, dýzy
• Optimalizace geometrie dýz,
Oblast II – Časový plán
01–02/2022
• Studium současných literárních zdrojů, k nimž se projekt vztahuje,
• Souhrn dosavadních znalostí z realizovaných experimentů a simulací,
• Vymezení limitů současné měřicí aparatury a pohonného šroubového kompresoru, jakožto okrajových podmínek pro návrhové výpočty,
• Analytické návrhové výpočty v softwaru EES – zisk hlavních rozměrů.
03–04/2022
• Tvorba CFD simulací navržených variant v prostředí ANSYS,
• Sumarizace a analýza výsledků CFD simulací a analytických návrhových výpočtů,
• Volba variant geometrií pro realizaci.
05–06/2022
• Tvorba konstrukčních 3D modelů a výkresové dokumentace pro realizaci,
• Tvorba technické specifikace pro poptávku výroby,
• Poptávky, nabídkové řízení.
07/2022
• Výroba dýz,
• Nákup případného příslušenství a spojovacího materiálu pro úpravu současné měřicí aparatury na experimenty,
• Příprava experimentů.
08/2022
• Experimentální činnost – testování geometrií vyrobených dýz,
• Analýza výsledků a porovnání s daty získanými ze simulací,
• Příprava podkladů pro publikaci.
09–12/2022
• Tvorba publikací,
• Vytváření podkladů pro výuku – zakomponování experimentů do praktické výuky.
• Výběr dat pro následující výzkumné aktivity.
Oblast III – Vlastnosti ejektorů, clon a dýz při použití materiálů různých drsností
Tato minoritní část projektu se bude zaměřovat na problematiku proudění vzdušiny s důrazem na vlivy různých drsností použitých materiálů na provozní vlastnosti zařízení a komponent používaných pro dopravu vzdušin v oblasti energetiky. Tato část projektu bude navazovat na dosavadní výzkumné aktivity týkajících se proudových strojů, ejektorů a aktivity týkající se zařízení sloužících k měření průtoku, clon a dýz. Tato část projektu se bude zaměřovat na dvě oblasti. První oblastí bude výzkum vlivu použitého materiálu a jeho drsnosti na návrhové a provozní parametry ejektorů sloužících k dopravě vzdušiny, pro stanovení empirických vztahů a konstant použitelných při jejich návrhu a pro určení odchylky od návrhových parametrů při jiné hodnotě drsnosti povrchu materiálu. Druhou oblastí bude výzkum zabývající se vlivem použitého materiálu a jeho drsnosti na návrhové a provozní parametry clon nebo dýz k měření průtoku vzdušiny, pro stanovení empirických vztahů a konstant použitelných při návrhu těchto průtokoměrů a pro určení změny vlastností zařízení při záměně materiálu o jiné drsnosti. Různé drsnosti materiálu bude dosaženo různým způsobem výroby, ať už konvenčním, či pomocí 3D tisku s využitím různých metod (SLS, MJF, FDM, SLA) a materiálů (např. různé typy plastu, případně z kovu, či keramiky). Konečný dopad této části projektu bude mimo jiné spočívat v přispění ke znalostem o chování ejektorů, clon nebo dýz, v rozšíření možností jejich návrhu a výrobních metod. Budou rovněž rozšířeny znalosti o chování rázových jevů ve spojitosti s měněnými zkoumanými vlastnostmi zařízení. Výstupní zjištění budou využita pro publikační činnost, rozšíření možností výuky a v následných aktivitách.
Oblast III – Specifikace a cíle projektu
Předkládaná část projektu bude rozvíjet vědecko-výzkumnou činnost věnující se sekundárním energetickým strojům a zařízením pro měření průtoku. Projekt bude dále rozvíjet minulou a stávající vědecko-výzkumnou činnost v oblasti ejektorů, clon a dýz.
Z dřívějších provedených experimentů vyplynulo, že vliv drsnosti povrchu na provozní vlastnosti je u ejektorů, clon a dýz markantní, proto je důležité se věnovat této problematice pro další snížení výrobních nákladů a zvýšení přesnosti návrhů a provozních parametrů.
Experimenty budou probíhat na stávajících měřicích tratích, po provedení dílčích úprav, využitých při dřívějších experimentech. Tyto měřicí tratě disponují moderními diagnostickými přístroji a zařízeními. Současně je pracoviště vybaveno výkonnými pracovními stanicemi s instalovaným 3D CAD softwarem k vytváření geometrií a softwarem ANSYS pro provedení CFD simulací. Pracoviště disponuje 3D tiskárnou pro realizaci potřebných modelů a přidružených komponent. Pro dosažení parametrů a využití materiálů, které neumožňuje toto zařízení budou poptány služby dalších pracovišť v rámci VŠB-TUO (Protolab), případně jiné externí subjekty, u kterých bude zajištěna rovněž konvenční výroba. Výše popsané skutečnosti zajišťují, že bude dosaženo vysoké kvality získaných výsledků. Díky tomu bude zajištěn vyšší potenciál publikovatelnosti výstupů v kvalitních vědeckých časopisech.
Konkrétní cíle projektu v rámci této části týkající se proudění ejektory, clonami a dýzami v souvislosti s drsností povrchu a jeho materiálem lze shrnout v následujících bodech:
1. Provést patřičné dílčí úpravy měřicích tratí pro specifické potřeby měření (univerzální úchyty apod.)
2. Úpravy stávajících konstrukčních návrhů pro účely konkrétní výrobní metody a tvorba nových konstrukčních návrhů, realizace výrobních výkresů pro konvenční výrobu
3. Provedení CFD analýz pomocí ANSYS pro nové konstrukční návrhy
4. Výroba experimentálních vzorků (vlastní 3D tiskárna, další pracoviště, či extérní subjekt), výroba z různých druhů plastu, případně kovu a keramiky
5. Provedení experimentů na měřicích tratích a následná analýza dat
6. Výstupy a poznatky z experimentů publikovat ve vědeckých časopisech
Souhrn oblastí, kterých se bude výzkum týkat:
• Sekundární energetické proudové stroje – ejektory, měření průtoku – clony, dýzy
• Vliv rozdílného projevu proudění vzdušiny v závislosti na materiálu a drsnosti povrchu na provozní a návrhové vlastnosti ejektorů, clon a dýz
Oblast III – Časový plán
01/2023
• Studium současných literárních zdrojů, k nimž se projekt vztahuje a dosavadních znalostí z realizovaných experimentů a simulací
• Návrh úprav měřicí trati, návrh dodatečných komponent
02–03/2023
• Úpravy stávajících konstrukčních návrhů pro účely konkrétní výrobní metody a tvorba nových konstrukčních návrhů, realizace výrobních výkresů pro konvenční výrobu
• Začátek rešeršní činnosti pro budoucí publikace
04-06/2023
• Provedení CFD analýz pomocí ANSYS pro nové konstrukční návrhy
• Poptávky výroby, nabídkové řízení
• Nákup potřebných komponent (spojovací materiál)
• Provedení dílčích úprav měřicí trati
• Výroba zkoumaných vzorků
07-09/2023
• Experimentální testy – testování jednotlivých vyrobených vzorků
• Analýza naměřených dat
• Srovnání výstupů měření s výstupy CFD analýz
10-12/2023
• Vyhodnocování a interpretace získaných dat
• Tvorba publikací
Rok zahájení
2023
Rok ukončení
2023
Poskytovatel
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Kategorie
SGS
Typ
Specifický výzkum VŠB-TUO
Řešitel