Master's Thesis

Assessment of the service life of solar power plant exchanger tubes

Final Thesis 8.96 MB

Author of thesis: Ing. Vítězslav Jurkovič

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Vosynek, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jan Poduška, Ph.D.

Abstract:

Master’s thesis deals with the determination of deformation–stress behavior and the subsequent prediction of the service life of heat receiver tubes in  olar power plants, taking into account creep deformation. The first part of the thesis focuses on a review of different types of solar power plants and heat receivers designs, followed by a description of creep deformation and methods for lifetime prediction. For the description of creep deformation, the Norton creep model was selected, and subsequently, a stress relaxation model was derived for this model. Numerical computational models were then developed using the finite element method in the Ansys Workbench environment, employing both Solid and Shell element types, in order to assess an appropriate level of geometric detail with respect to computational time requirements. For all models, a thermal analysis was performed, followed by a static structural analysis to obtain stress distributions. Based on the stress and temperature distributions, the critical location and the service life of the tube were determined, including the effect of stress relaxation. The thesis found that models using Shell elements may not be suitable for predicting the lifetime of the tubes. Based on the comparison of all model types, the most suitable model was determined to be the full tube model using Solid elements.

Keywords:

creep, heat exchangers, solar power plants, stress relaxation, prediction of the service life

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student ve vymezeném čase prezentoval svou závěrečnou práci. Následně byly přečteny posudky vedoucího a oponenta spolu s přiloženými dotazy k závěrečné práci, které byly studentem zodpovězeny. Po zodpovězení doplňujících dotazů bylo přistoupeno k odborné rozpravě. Popsat obrázek jedné z trubiček a zhodnotit redukované napětí. Pokud by byla čela ponechána jako volná, zmírnilo by to průhyb? Všechny numerické analýzy byly provedeny v softwaru ANSYS? Nešlo by je alespoň částečně řešit či porovnat s analytickým řešením? Jaké jsou okrajové podmínky v reálném výměníku? Byla práce tvořena na základě reálného projektu? Po zodpovězení všech dotazů bylo vystoupení hodnoceno jako: A – výborně.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Engineering Mechanics and Biomechanics (N-IMB-P)

Specialization

Engineering Mechanics (IME)

Composition of Committee

prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
Ing. Jaroslav Suchánek (člen)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Petr Vosynek, Ph.D.

Předkládaná diplomová práce se zabývá výpočtovým modelováním trubiček výměníku solární elektrárny. Práce je sepsána přehledně, stylisticky a graficky na pěkné úrovni a je vysázena pomocí LaTex-u.

Student pracoval na zadání pravidelně. Osvojil si na základě rešeršní studie způsoby modelování trubiček výměníku a postupně vytvářel a upravoval úroveň modelu dle společné diskuse nad změnami deformačně napěťových stavů, které jsou ovlivněny zvolenou úrovní geometrie a tím i volbou vhodných okrajových podmínek. Taktéž si dostatečně osvojil nutný teoretický vhled do problematiky teplotního tečení, což zvládl dále prakticky aplikovat na posouzení teplotně zatížených trubiček výměníku.

Výsledky práce kvantifikují rozdíly výsledků při použití různé úrovně geometrie, což hodnotím jako velký přínos pro praxi ve fázi konstrukčního návrhu a kontrolních pevnostních výpočtů.

Práci hodnotím známkou A a doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic B

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jan Poduška, Ph.D.

Autor se v práci zabývá modelovým příkladem posouzení creepu u trubiček výměníku solárních elektráren. V práci je zpracováno několik numerických modelů o různé složitosti a autor hodnotí jejich přesnost a využitelnost. Cíle DP považuji za převážně splněny, zejména co se týče výpočtové části tedy cílů 2 až 4. Za slabší považuji splnění prvního cíle, konkrétně jeho části „rešerše metod posouzení výměníků solární elektrárny“. Rešerše je spíše zaměřena na podklad pro vlastní výpočty než na širší a kritičtější přehled metod posouzení výměníků a modelování creepu obecně nejen u solárních elektráren. Popis některých přístupů z literatury se objevuje celkem nelogicky v Diskuzi.

Použité metody jsou pro řešený problém vhodné, jejich volba je však zdůvodněna jen částečně a bylo by vhodné lépe vysvětlit, proč byl zvolen právě Nortonův model a jaké existují alternativy.

Zpracovaný rozsah variant modelů je dost široký, což hodnotím kladně, ale také by bylo vhodné přehledněji porovnat jednotlivé modely z hlediska několika jasně definovaných parametrů například v tabulce. Práce je prakticky využitelná jako orientační podklad pro numerické modelování creepového chování trubiček, její závěry však mají omezenou obecnou platnost.

Text práce je z jazykového hlediska v pořádku. Grafické zpracování je spíše průměrné, většina obrázků je nepřehledná a špatně čitelná. Část výsledků by lépe vyzněla v tabulkové nebo grafické podobě místo často používaných obsáhlých popisů a výčtů v textu.

Celkově práci hodnotím stupněm C. 
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality C
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory C
Logical arrangement of thesis and its layout C
Grafic layout, used style and language level D
Work with used sources including quotations C
Topics for thesis defence:
  1. V části 7.1 na konci se píše: „Z jednotlivých výsledků a průběhů bylo vyhodnoceno, že analyticky určený průběh napětí lépe popisuje vliv relaxace napětí a z tohoto důvodu bude dále v této práci určována životnost trubiček pouze pomocí analyticky určeného průběhu napětí.“ Není ale jasné co bylo kritériem? Proč je ten analytický způsob lepší? Jen proto, že dává delší životnost?
  2. Proč model části trubičky (kap. 7) zanedbává vliv nerovnoměrného rozložení tepelného toku, což se píše v diskuzi? Jak se v tom liší od ostatních modelů?
  3. V části 6 se modeluje rovinný model trubky s podmínkou Plane Stress. Ale v části o omezení modelu relaxace se píše „Jedním z omezení bylo, že je v trubičce výměníku dosaženo zobecněné rovinné deformace“ Proč tedy nebyla použita rovinná deformace? V diskuzi se píše o rovinném modelu „Tento typ modelu ale může být přehnaně konzervativní, jelikož modeluje nejhorší možný stav uvnitř trubičky – rovinnou napjatost.“ Mohlo to být alespoň vyzkoušeno, jestli RD sedí s 3D modelem celé trubičky.

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová