Master's Thesis

Design of a cryogenic exchanger for process gas liquefaction

Final Thesis 2.64 MB Appendix 9.34 MB

Author of thesis: Bc. Richard Švéda

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Filip Toman, Ph.D.

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

Abstract:

Liquefied natural gas represents a key energy resource, the preparation of which requires highly efficient cryogenic equipment. This master's thesis deals with the comprehensive thermal, hydraulic, and mechanical design of a condenser, which is implemented as a spiral wound heat exchanger of the Giauque-Hampson type. The thesis is divided into several parts. The theoretical part contains research on the physical specifics of cryogenics and currently used types of heat exchangers. In the practical part, a detailed design of the device is presented, objectively comparing two different concepts of phase change location: methane condensation inside the spiral tubes and condensation in the shell space. For this purpose, a custom computational model was created in Python, using exact segmental discretization and connection to the CoolProp thermodynamic database. The main objective of the thesis is the optimization of the overall dimensions of the heat exchanger and the evaluation of the influence of the flow arrangement on the overall spatial and hydraulic efficiency of the device while ensuring safe and reliable operation.

Keywords:

Cryogenics, liquefied natural gas, condensation, spiral-wound heat exchanger, SWHE, segmental calculation.

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student odprezentoval obsah své diplomové práce. Otázky oponenta byly zodpovězeny. Pan docent Baláš se dotazuje - všechny trubky ve svazku mají stejnou délku, a tím pádem jste dosáhl rovnoměrné rozdělení - proč jste to svázal k sobě? Student zodpověděl. Pan profesor Hrdlička se ptá ke vstupním parametrům - methan - ohledně pevnosti výměníku? Student zodpověděl dotaz.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Energy Institute

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.

Práce se věnuje vysoce specializované a inženýrsky mimořádně náročné problematice z oblasti kryogenní techniky a fázových přeměn. Náročné zadání vyžadovalo hluboké teoretické zvládnutí termodynamiky nízkých teplot a pokročilých matematických modelů pro výpočet dvoufázového proudění a kondenzace s využitím Lockhart-Martinelliho modelu. Student splnil všechny body zadání na vynikající úrovni, úspěšně zpracoval rešerši současného stavu a provedl detailní termodynamické a hydraulické výpočty pro dvě odlišné konstrukční varianty kryogenního výměníku včetně podrobné analýzy rozpadu složek tlakových ztrát.

Bc. Richard Švéda projevoval po celou dobu řešení práce vhodnou míru samostatnosti, iniciativy a hluboký zájem o specifickou kryogenní tématiku. Na konzultace docházel vždy připraven, konstruktivně reagoval na podněty a prokázal skvělou schopnost práce s cizojazyčnou vědeckou literaturou. Odborná úroveň práce je na velmi dobré úrovni, přičemž oceňuji zejména  aplikaci empirických korelací pro stanovení součinitelů přestupu tepla při kondenzaci a důslednou analýzu vlivu geometrických parametrů svazku na celkovou tlakovou ztrátu. Textová část i rozsáhlé přehledové tabulky vykazují vysokou přesnost, logickou provázanost a minimální množství formálních či grafických pochybení, což svědčí o studentově inženýrské vyzrálosti a precizním přístupu.

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

Grade proposed by supervisor: A

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

Diplomová práce se zabývá návrhem kryogenního výměníku pro zkapalnění procesního plynu a svým rozsahem i odbornou náročností odpovídá požadavkům kladeným na diplomové práce na FSI VUT. Autor splnil zadání v plném rozsahu a zpracoval komplexní tepelný, hydraulický i pevnostní návrh zařízení. Oceňuji zejména vytvoření vlastního výpočetního algoritmu v prostředí Python s využitím databáze CoolProp a segmentové diskretizace výměníku, který umožnil objektivní porovnání dvou konstrukčních variant.

Mezi hlavní klady práce patří vysoká míra samostatnosti při zpracovávání náročného tématu, systematický postup řešení a schopnost kriticky interpretovat výsledky. Přínosná je zejména snaha o exaktní porovnání kondenzace metanu uvnitř trubek a v mezitrubkovém prostoru při zachování stejné geometrické topologie svazku. Práce vykazuje nadstandardní technickou úroveň a dobré propojení teorie s konstrukčním návrhem. Výkresová dokumentace je na dobré úrovni.

Některá tvrzení jsou formulována velmi kategoricky bez hlubší diskuse nejistot, například konstatování, že při účinnosti pod 85 % „zkapalňovač zcela přestává produkovat kapalnou fázi“ (str. 14). Formálně se v textu objevují drobné stylistické nepřesnosti.

Práce je logicky strukturovaná, graficky na velmi dobré úrovni a využívá relevantní odborné zdroje. Celkově ji hodnotím jako nadprůměrnou diplomovou práci s výrazným vlastním přínosem a praktickou využitelností. Doporučuji ji k obhajobě a navrhuji hodnocení A - výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Pro většinu kriteriálních rovnic v práci chybí uvedení podmínek platnosti. Existují podmínky platnosti pro užité kriteriální rovnice? Pokud ano, jaké?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová