diplomová práce

Deformace a poškozování kolen trubkových svazků výměníků tepla vlivem teploty

Text práce 2.92 MB

Autor práce: Ing. Anežka Michálková

Ak. rok: 2021/2022

Vedoucí: Ing. Tomáš Létal, Ph.D.

Oponent: Ing. Marek Pernica, Ph.D.

Abstrakt:

Tato diplomová práce se zabývá problematikou určování teplotního zatížení kolen příčně obtékaného trubkového svazku přehřívače páry. První část práce se zabývá teoretickým základem výpočtové dynamiky tekutin, metody konečných prvků a možnými způsoby vyhodnocení creepového poškození, jelikož bylo předpokládáno, že poškození creepem je nejvýznamnějším mechanismem poškození. Praktická část práce se věnuje popisu simulací v programech ANSYS Fluent pro určení součinitelů přestupu tepla a ANSYS Mechanical pro určení teplotního pole a působícího napětí, na jejichž základě je poté proveden výpočet creepové životnosti dle normy ČSN EN 12952-4. Poté je provedena kontrola creepového poškození v čase 200 000 hod dle normy ČSN EN 13445-3. Výsledkem je zjištění, že v řešeném případě nejsou kolena ve srovnání s přímými úseky trubek nebezpečným místem.

Klíčová slova:

CFD, MKP, creepové poškození, kolena trubkových svazků, teplotní zatížení

Termín obhajoby

14.06.2022

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaAznamka

Klasifikace

A

Průběh obhajoby

Studentka představila práci na téma Deformace a poškozování kolen trubkových svazků výměníků tepla vlivem teploty. Po úvodní motivaci byl představen vybraný příklad trubkového svazku, který byl řešen výpočtem a zvolená metodika řešení. První metodou byl analytický výpočet a následně numerický výpočet. Studentka popsala provedenou teplotní a deformačně-napěťovou analýzu a vyhodnocení creepového poškození a životnosti. Posledním krokem byla kontrola creepového poškození. Otázky oponenta byly zodpovězeny uspokojivě. Komise položila následující doplňující otázky, které byly také zodpovězeny uspokojivě: Doplňující otázka k modelování v softwaru SolidWorks. Jak norma řeší extrapolaci? Jak byla získána kokální hodnota koeficientu přestupu tepla?

Jazyk práce

čeština

Fakulta

Ústav

Studijní program

Procesní inženýrství (N-PRI-P)

Složení komise

prof. Dr. Ing. Marcus Reppich (předseda)
prof. Ing. Petr Stehlík, CSc., dr. h. c. (místopředseda)
doc. Ing. Jaroslav Jícha, CSc. (člen)
prof. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vojtěch Turek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Martin Pavlas, Ph.D. (člen)
Ing. Dušan Hrabec, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Lošák, Ph.D. (člen)
Ing. Tomáš Pařízek, Ph.D. (člen)

Posudek vedoucího
Ing. Tomáš Létal, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Anežky Michálkové byla zaměřena na poškozování kolen trubkových svazků vlivem teploty. Konkrétně řešený případ byl přehřívák páry v kotli na zemní plyn, kde byl jako významný mechanismus poškození předpokládán creep. Vzhledem k vysoké citlivosti creepu na teploty a napětí bylo nutno provést detailní analýzy teplotního pole a napjatosti v kolenech trubkového svazku a jejich okolí.
První kapitola práce je z velké části věnována numerickým simulacím proudění (CFD) a vedení tepla a pevnosti (MKP), které jsou dále v práci hojně využívány. Zbývající část je věnována creepu, matematickým modelům pro jeho popis a vyhodnocování.
V následující kapitole je krátce představen konkrétně řešený případ přehříváku páry, navazující poslední kapitola se pak věnuje samotnému řešení daného případu. Jak je u podobných případů časté, teoreticky by bylo možné všechny potřebné veličiny pro hodnocení creepu nasimulovat najednou, v praxi by ovšem toto řešení bylo výpočetně neúnosně náročné. Proto bylo třeba volit vhodná zjednodušení pro vyšší efektivitu řešení za cenu přijatelných odchylek. Bc. Anežka Michálková se s tímto problémem vypořádala využitím série navazujících analytických výpočtů i numerických analýz proudění, vedení tepla a napětí zaměřených na jednu řadu trubek.
Výsledkem byly detailní informace o proudění a teplotním poli v kolenech a jejich okolí se zohledněním vlivu lokálních změn tlouštěk stěn kolen vyrobených ohybem rovných trubek. Tyto informace pak byly použity v hodnocení creepové životnosti, která byla ve výsledku v kolenech vyšší než v rovných úsecích trubek.
Práci Bc. Anežky Michálkové hodnotím jako výbornou a doporučuji ji k obhajobě.
Kritérium hodnocení Známka
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 A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Známka navržená vedoucím: A

Posudek oponenta
Ing. Marek Pernica, Ph.D.

Studentka Anežka Michálková předložila diplomovou práci na téma deformace a poškozování kolen trubkových svazků výměníku tepla vlivem teploty. V úvodní části provedla studentka podrobnou rešerši, která je základem pro následné praktické výpočty kolen trubkových svazků. Rešerše zahrnuje poznatky o metodě výpočtového modelování dynamiky tekutin, metodě konečných prvků a poškozování vlivem teploty. Rešerši lze označit za velmi podrobnou.
V další části studentka popisuje řešený problém, řešený na trubkovém svazeku přehřívače. V této kapitole je také proveden výpočet změny tloušťky trubky v oblasti kolene, který je zásadní zejména pro následně vykonané pevnostní analýzy. V kapitole čtvrté je uvedena struktura výpočtu, kdy studentka použila nejprve analytických výpočtů pro určení součinitelů přestupu tepla v trubce na vnější i vnitřní straně pro účely zadávání okrajových podmínek následně provedených numerických simulací. Následný CFD výpočet je proveden v několika stupních na zjednodušené geometrii, omezené pouze na řadu periodicky se opakujících trubek, z které jsou pro analýzy vybrány dvě trubky. Nejprve je řešena vnější strana trubky, pro získání okrajových podmínek pro výpočet součinitelů tepla a teplotního pole na vnitřní stěně trubky. Takto získaná teplotní pole na trubkách jsou potom aplikována v pevnostním výpočtu, který je zaměřen především na namáhání kolen trubkového svazku, stejně jako na závěr provedený výpočet creepové životnosti. Zvýšené namáhání v oblasti kolen trubkového svazku se nepodařilo prokázat, což lze z pohledu bezpečnosti považovat za velmi pozitivní výsledek. 
Práce je velmi vhodně členěna, všechny provedené výpočty jsou podrobně popsány a případná zjednodušení odůvodněna. Překlepy a podobné nedostatky se v práci téměř neobjevují, pouze na straně 15 by měl být název normy na jednom řádku, na straně 28 použití slova tuhosti na místo vodivosti. Za průměrnou by se dala označit kvalita některých obrázků. Cíle práce jsou splněny, práci hodnotím velmi pozitivně. Vzhledem k použití kombinace sofistikovaných numerických simulací lze také rozsah považovat za nadstandardní. Práci hodnotím známkou A a doporučuji ji k obhajobě.
Kritérium hodnocení Známka
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 B
Práce s literaturou včetně citací A
Otázky k obhajobě:
  1. Na straně 46 uvádíte, že po sérii simulací jste určila počet buněk u stěny na 5. Vysvětlete, co vedlo k určení právě tohoto počtu a jaké by mělo případné navýšení vliv na výpočtový čas.
  2. Na straně 48 uvádíte, že pro výpočet teplotní pole na vnější straně spalin používáte model turbulence 𝑘−𝜀 s enhanced wall treatment. Vysvětlete důvod použití tohoto modelu a diskutujte případný vliv na výsledky v případě použití jiného modelu turbulence.

Známka navržená oponentem: A

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová