Master's Thesis

Alternative design of steam condenser

Final Thesis 2.09 MB Appendix 5.34 kB

Author of thesis: Bc. Petr Jílek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Marek Pernica, Ph.D.

Reviewer: Ing. Dušan Vincour, Ph.D.

Abstract:

The aim of this thesis is to design a U-tube steam condenser. Prior to the actual calculations and design, a literature review is conducted on various methods of heat exchanger construction. Additionally, a review is provided on thermohydraulic calculations and the standards used for structural analysis of heat exchangers.
The following section describes the thermal-hydraulic analysis performed using the HTRI software. Based on the results from this chapter, a structural analysis is conducted. The complete structural analysis was performed using Matlab 2024R2 and complied with the applicable standard ČSN EN 13445 for unheated pressure vessels. The final computational section was an analysis of the tube bundle for the specified operating parameters.
The end of the thesis includes a comparison and overall evaluation of the final results.

Keywords:

Heat exchanger, U-tubes, steam condenser, MKP analysis, strength calculation, tube bundle, thermal-hydraulic calculation, heat transfer.

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Byla předvedena prezentace závěrečné práce a zodpovězeny otázky oponenta práce. Dotaz na terminologii použitou v prezentaci práce (součinitel přestupu tepla), bylo zodpovězeno. Diskuse o možných hodnotách součinitele prostupu tepla v kontextu závěrečné práce. Dotaz na zařazení popsaného výměníku do kategorií a modulů dle směrnice PED, bylo zodpovězeno. Dotaz na způsob volby materiálů v kontextu práce, bylo zodpovězeno. Otázka na dimenzování čerpadla dle tlakové ztráty a charakteristik potrubí, bylo zodpovězeno.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Process Engineering (N-PRI-P)

Composition of Committee

prof. Dr. Ing. Marcus Reppich (předseda)
doc. Ing. Martin Pavlas, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Petr Stehlík, CSc., dr. h. c. (člen)
prof. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Skryja, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Lošák, Ph.D. (člen)
Mgr. Ing. Marek Vondra, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Marek Pernica, Ph.D.

Student Petr Jílek odevzdal diplomovou práci na téma Alternativní konstrukce kondenzátoru páry. V první části práce je provedena obecná rešerše k výměníkům tepla, která se následně zaměřuje na řešený typ výměníku tepla, tedy na výměník tepla se svazkem trubek v plášti. Rešerše diskutuje jednotlivé typy výměníků tepla, ale věnuje se i přenosu tepla v jednotlivých konfiguracích výměníků tepla a možným konstrukčním řešením výměníků tepla se svazkem trubek v plášti. Část provedené rešerše se zaměřuje i na řešené kondenzátory vodní páry. Druhá kapitola je již úzce zaměřena na konstrukční řešení předmětného výměníku tepla. Jsou zde diskutovány možné konstrukční varianty hlavních komponent používaných právě pro tento typ výměníků, jako jsou trubkový svazek, trubkovnice, plášť, komora, přepážky a další. Následně je ještě popsán postup výpočtu výměníku tepla se svazkem trubek v plášti, kde student shrnuje základní poznatky k tepelně-hydraulickému výpočtu, pevnostnímu výpočtu pomocí vzorců podle evropských norem a numerickým simulacím pomocí metody konečných prvků.

V praktické části měl student za úkol provést kompletní návrh trubkového kondenzátoru páry s u-trubkami jako alternativu ke konstrukčnímu řešení s pevnými trubkovnicemi. Nejprve byl tedy proveden tepelně-hydraulický výpočet podle zadaných parametrů ve specializovaném softwaru. Z tohoto výpočtu vyplynuly základní parametry a dimenze řešeného výměníku tepla, které bylo možné použít pro následné pevnostní dimenzování. Pevnostní výpočet byl proveden dvěma způsoby, nejprve pomocí vzorců podle normy EN 13445 a následně byl proveden výpočet části řešeného výměníku tepla pomocí metody konečných prvků, kde student musel použít řadu zjednodušení. Tato zjednodušení jsou poměrně vhodně popsána. Výpočet kondenzátoru pomocí metody konečných prvků je proveden nejprve s uvažováním zatížení pouze od tlaku a následně i s uvažováním působení tlaku a teplotního zatížení médií. Výpočty jsou vyhodnoceny pomocí kategorizace napětí, přičemž jsou výsledky v závěru kapitoly porovnány.

Cíle práce jsou splněny, práci považuji za poměrně zdařilou, ale myslím si, že problém mohl být řešen v širším rozsahu, zejména co se týče numerických analýz a jejich vyhodnocení. Student se ale pravidelně účastnil konzultací a projevoval zájem o danou problematiku. Z výše uvedených důvodů hodnotím práci známkou C a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry D
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací D
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. Dušan Vincour, Ph.D.

Cíle uvedené v zadání byly splněny ale požadovaná diskse k výsledkům není úplná. Například použití výrazů "by mohla představovat" v závěrech není příliš vhodné.
Postup řešení a použité metody jsou uvedeny v zadání a diplomant se jimi řídil. Na diplomovou práci je to však málo. Chybí kritický postoj diplomanta k metodám řešení.
 Vlastní přínos a originalita není v práci příliš patrná. V textu je uvedeno množství velmi neobvyklých slovních obratů. Je podezření na využívání automatických generátorů trextu ačkoliv autor v čestném prohlášení deklaruje, že automaticky probíhala pouze korekce a úprava textu ke zlepšení jeho čitelnosti. Na příklad  v kapitole 4.1.1. je uvedena gramaticky i věcně nejasná věta "...což ušetřený výpočetní výkon umožňuje investovat do výrazného zjemnění sítě...". (Několik dalších slovních obratů je uvedeno v připomínkách a otázkách.)
Interpretace výsledků a závěrů není příliš působivá. V závěru jsou popsány výsledky výpočtu výměníku s U-trubkami zatíženého pouze silovým zatížením a i s teplotním vlivem. Výměník je však zatěžován komplexně takže závěry nejsou příliš vypovídající.
Využití v praxi je minimální protože chybí porovnání zatížení výměnáku s pevnými trubkovnicemi s kompenzátorem (původní konstrukce) a výměníku s U-trubkami.

Logickému uspořádání práce nelze nic podstatného vytknout ale popis obsahu normy ČSN EN 13445 v kapitole 3 je zbytečný. Norma je platná již několik desítek let a je odborné veřejnosti dostatečně známá.
Jediný výkres řešeného výměníku je na Obr.11 (případně na Obr.10). Ostatní obrázky se týkají dílčích komponent. Pro čtenáře je obtížné si představit jak vlastně celý výměník vypadá. Obrázky jsou pravděpodobně ilustrativní, protože obsahují spoustu nesrovnalostí: Hluchý prostor pod vstupním hrdlem do mezitrubkováho prostoru, podpory výměníku jsou velmi blízko u sebe, hrdla komor jsou nepřirozeně veliká. Komentář k obrázkům chybí.
Citace jsou na první pohled uvedeny ale není zřejmé ktrerých kapitol v citovyných dokumentech problematika týká.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita D
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii E
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis E
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Kapitola 2.4.: Uvádíte pojem "kanály pro proudění média" týkající se trubkového svazku. Prosím upřesněte, co jste těmi kanály měl na mysli.
  2. Kapitola 3.2.1.: Zde uvádíte pojem "veškeré matematické aparáty". Co tím přesně myslíte?
  3. Kapitola 2.2.: Vysvětlete pojem "žebrované trubky". Uvádíte, že lze trubku opatřit žebrováním a žebrování rozebírat. Prosím o podrobnější vysvětlení.
  4. Kapitola 2.3.: Uvádíte, že trubkovnice může být rozebiratelná. Prosím upřesněte.
  5. Často používáte pojem "konvekční přestup tepla". Vámi řešený výměník je ale kondenzační. Použil jste správné koeficienty?
  6. Na obrázcích č. 28 až 31 jsou mimo jiné uvedeny průběhy ohybových napětí po tloušťce stěny, které na vnitřní i vnější stěně dosahují kladných (maximálních) hodnot. Vysvětlete, jak jste k těmto průběhům dospěl.

Grade proposed by reviewer: D

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová