Master's Thesis

Design of heat exchanger

Final Thesis 3.17 MB Appendix 10.02 MB

Author of thesis: Bc. Michal Pavlík

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Filip Toman, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Marek Baláš, Ph.D.

Abstract:

This master’s thesis deals with a shell and tube heat exchanger design with partly different structural configurations. First, general research of heat exchangers is presented with a more focused approach towards shell and tube heat exchangers and their standardization according to TEMA. The second part focuses on the thermal and hydraulic design for specified operating parameters and application, where one design contains a shell and tube heat exchanger with straight tubes and the other two designs are focused on a shell and tube heat exchanger with U-tubes and slightly different construction parameters. In the last part, all the important values of the designed heat exchangers were compared against each other, and the one most suitable design has been selected. The attachments for this thesis include technical documentation, a source code of the calculations as well as a summary of all the resulting values for each design.

Keywords:

Shell and tube heat exchanger, shell and tube heat exchanger with tube bundle, straight-tube heat exchanger, U-tube heat exchanger, thermal design, hydraulic design, pressure drop, TEMA standardization

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student odprezentoval obsah své diplomové práce. Otázky oponenta byly zodpovězeny. V průběhu obhajoby byly položeny následující doplňující otázky. Pan profesor Hrdlička se ptá k nejvhodnější variantě, na základě čeho byla zvolena. Student otázku zodpověděl. Jak byste nejvhodnější variantu optimalizoval? Na základě parametrů? Zvýšení rochlosti plynu. Kde by se to projevilo? Zmenšila by se potřebná plocha, ale zvýšila by se tlaková ztráta. Jak moc by se zvedly součinitelé přestupu tepla? Otázky byly zodpovězeny. Pan doktor Milčák se dotazoval k výpočtu vodivosti a vizkozity. Zda by mohl být výpočet zjednodušen? Čím si vysvětlujete že rozdíl v zjednodušeném výpočtu a přesném není velký? Parametry. Otázky byly teméř zodpovězeny. O jaký plyn se jedná - z vysoké pece? Otázka byla zodpovězena. Pan docent Baláš se dotazuje k ekonomické stránce provozu. Dotaz byl zodpovězen. Proč jste nevolil žebrované trubky? Student dotaz téměř zodpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Power and Thermo-fluid Engineering (N-ETI-P)

Specialization

Power Engineering (ENI)

Composition of Committee

doc. Ing. Marek Baláš, Ph.D. (předseda)
Ing. Pavel Milčák, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Alojz Boko (člen)
Ing. Pavel Křemínský (člen)
prof. Ing. Jan Hrdlička, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Filip Toman, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá vysoce aktuálním inženýrským tématem v oblasti zpětného získávání tepla v průmyslu. Náročné zadání vyžadovalo hluboké teoretické zvládnutí konstrukčních standardů TEMA a komplexní výpočetní návrh tří odlišných variant svazkových výměníků tepla. Student splnil všechny body zadání, úspěšně zpracoval literární rešerši a provedl detailní tepelné a hydraulické výpočty pro variantu s přímými trubkami a dvě varianty s U-trubkami. Součástí odevzdaného díla je rovněž plně funkční výpočetní kód v programu EES a odpovídající výkresová dokumentace, což potvrzuje komplexní inženýrský přístup autora.

Bc. Michal Pavlík projevoval po celou dobu řešení aktivní zájem o téma a k úkolům přistupoval samostatně, přičemž pravidelně docházel na konzultace ( v letním semestru ) a konstruktivně reagoval na připomínky. Drobnou výhradu lze mít k časovému plánování v samotném závěru studia, kdy finální ladění textové části a grafických příloh probíhalo pod mírným tlakem, což se projevilo v ojedinělých překlepech a v méně detailním vykreslení některých prvků výkresů. Odborná úroveň práce je však velmi dobrá a autor prokázal schopnost zralého technického uvažování, když správně identifikoval výhody a limity jednotlivých řešení, jako je eliminace problémů s tepelnou roztažností u U-trubek či riziko abraze materiálu při vysokých rychlostech plynu. Výběr třetí varianty výměníku jako nejvhodnějšího řešení je logicky i fyzikálně podložen a výsledky práce jsou prakticky využitelné.

Předložená diplomová práce splňuje veškeré požadavky kladené na inženýrské závěrečné práce na FSI VUT v Brně, a proto ji doporučuji k obhajobě s celkovým hodnocením B – velmi dobře. 
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
doc. Ing. Marek Baláš, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Michala Pavlíka „Tepelně-hydraulický návrh výměníků pro ohřev technologické vody“ se zabývá návrhem a porovnáním několika variant svazkových výměníků tepla pro využití odpadního tepla procesního plynu. Student splnil základní cíle zadání a provedl tepelný i hydraulický návrh navržených zařízení včetně vzájemného porovnání variant.

Pozitivně hodnotím rozsah provedených výpočtů a postup při návrhu jednotlivých variant výměníků. Praktická část práce obsahuje vlastní výpočty termofyzikálních vlastností směsi, tepelnou bilanci, dimenzování teplosměnné plochy i výpočet tlakových ztrát. Výsledky jsou přehledně prezentovány a umožňují základní technické porovnání navržených řešení. V přílohách práce jsou vloženy výkresy a modely tří základních variant a výpočtové kódy.

Teoretická část je velmi rozsáhlá a převážně kompilační, přičemž značná část textu pouze popisuje známé konstrukce a standardy výměníků bez hlubší technické analýzy či kritického zhodnocení. Například podkapitoly 1.11.4–1.11.6 (str. 21–23) obsahují převážně přehled výhod a nevýhod jednotlivých konfigurací TEMA převzatých z literatury. Není zde vlastní přínos autora, není jasné, jak na tuto část práce navazuje praktická část. Vlastní přínos autora je soustředěn zejména do výpočtové části, kde však chybí podrobnější optimalizace návrhu. V práci bych zestručnil obšírné výkladové pasáže. V kapitole 6 je porovnání výměníků naopak provedeno poměrně stručně a závěry mohly být rozpracovány podrobněji.

K práci mám jednu zásadní připomínku: Při návrhu prvního výměníku bylo rozhodnutí o umístění plynu do trubek zdůvodněno mj. snazším čistěním přímých trubek oproti mezitrubkovému prostoru. Toto ale u U-trubek neplatí, přesto toto rozhodnutí nebylo revidováno. Navíc byl jako hlavní parametr vybrán počet trubek svazku, i když to vedlo k tomu, že jednotlivé varianty výměníků jsou naprosto neporovnatelné. Tyto kroky zásadně snižují kvalitu práce.

Formální úroveň práce je dobrá, pro příště bych doporučil přehodnotit strukturu – nemusí každý odstavec či vzorec mít svoji vlastní kapitolu s nadpisem. Uniká mi význam některých do angličtiny přeložených výrazů (fin, baffle…), když se s tím dále nijak nepracuje. V záhlaví tabulek jsou označení plynu uvedena bez indexů. Tab. 13 asi nebudou „vlastnosti“ výměníku, ale „parametry“. Na výkresech není razítko Energetického ústavu.

I přes výše uvedené připomínky práci doporučuji k obhajobě a hodnotím známkou C – dobře.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Proč při výběru variant byl kladen důraz na počet trubek, svazku? Jaký byl důvod? Který parametr by byl pro závěrečné porovnání výměníků vhodnější?
  2. Jak lze čistit vnitřní stranu zanesených U-trubek?
  3. Vysvětlete význam grafu na Obrázku 21 (str. 62).

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová