Detail předmětu

Navrhování procesních a energetických systémů

FSI-KNP Ak. rok: 2027/2028 Zimní semestr

Předmět se zabývá navrhováním procesních a energetických systémů tak, jak se v současnosti provádí v projekčních inženýrských kancelářích. Přednášky i cvičení se soustředí na praktický technologický a rozměrový návrh procesních a energetických systémů a jejich zařízení se zřetelem na jejich udržitelnost a provozní bezpečnost („safety and sustainability by design“), a to ve fázi koncepčního návrhu a studie proveditelnosti i ve fázi základního technologického a rozměrového návrhu systému a jednotlivých zařízení (basic design). Probírají se procesní a energetické systémy se základními trubkovými typy zařízení (trubka v trubce, svazky trubek s přepážkami), se základními deskovými typy zařízení (hladké, profilované, spirálové), se zařízeními se změnou fáze pracovních látek (kondenzátory, reboilery, odparky), se spalovacími zařízeními (procesní trubkové pece, kotle) a s integrovanými a regeneračními zařízeními, včetně vlivu provozních aspektů (zanášení, tepelné ztráty), provozní dynamiky a neustálených stavů provozu. Výuka probíhá v počítačové učebně; teoretický výklad je kombinován s praktickými ukázkami a s řešením úloh ve výukových verzích profesionálních programů a softwarových nástrojů pro navrhování procesních a energetických zařízení. Součástí výuky je týmový projekt zaměřený na aktuální trend návrhu a využívání aditivně vyráběných prvků na bázi TPMS (trojitě periodických minimálních ploch) v zařízeních procesních a energetických systémů: studenti navrhnou měřicí trať, na zkušebním okruhu změří tepelně-hydraulické charakteristiky prvku a vyhodnotí je. Měřicí část projektu probíhá mimo počítačovou učebnu (laboratoř se zkušebním okruhem).

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

prof. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav procesního inženýrství

Vstupní znalosti

Student musí umět:

  • sestavit hmotnostní a energetickou bilanci zařízení a vypočítat tepelný výkon, střední logaritmický teplotní spád a teplosměnnou plochu výměníku tepla,
  • vypočítat součinitel přestupu a prostupu tepla a tlakovou ztrátu při proudění v potrubí a v trubkovém svazku,
  • vypočítat spalování paliva (spotřebu vzduchu, množství a složení spalin),
  • popsat konstrukci základních procesních zařízení (výměníky tepla, tlakové nádoby),
  • pracovat s termodynamickými vlastnostmi látek a směsí a převádět jednotky SI,
  • zpracovat bilančně naměřená data a stanovit nejistotu měření.

Tyto znalosti studenti získají v předmětech Tepelné pochody, Hydraulické pochody, Inženýrská termodynamika, Energie a emise, Konstrukce procesních zařízení I a Bilancování procesních a energetických systémů, které mají absolvované.

Způsob zakončení předmětu a pravidla hodnocení studentů

Předmět je ukončen zkouškou (klasifikace stupnicí ECTS). Součástí hodnocení je zápočet ze cvičení. Udělení zápočtu je podmínkou pro vykonání zkoušky.

Přednášky: účast je nepovinná (doporučená).

Cvičení: účast je povinná a kontrolovaná vyučujícím na každém cvičení. Povolené jsou dvě absence bez náhrady. Každá další absence musí být řádně zdůvodněna a student vypracuje příklady, které zameškal; zameškanou část projektové výuky nahradí po dohodě s vyučujícím.

Zápočet (podmínky udělení):

  1. pravidelná a aktivní účast na cvičeních,
  2. vypracování všech příkladů zadaných na cvičeních,
  3. odevzdání protokolu o měření z projektové výuky, ve kterém každý člen týmu ústně vysvětlí svou část (ověřuje učební cíl 5).

Zkouška má dvě části:

  1. Písemná část: výpočtové příklady k návrhu zařízení (ověřuje učební cíle 1–4), maximálně 30 bodů. Student, který získá alespoň 50 % bodů, tj. alespoň 15 bodů, postupuje k ústní části.
  2. Ústní část: odborná rozprava s vyučujícím navazující na výsledky písemné části, ověřuje teoretické znalosti z přednášek (zejména učební cíl 6), maximálně 20 bodů; je splněna při dosažení alespoň 10 bodů.

Výsledná klasifikace: součet bodů z písemné a ústní části, maximálně 50 bodů. A: 45–50, B: 40–44, C: 35–39, D: 30–34, E: 25–29, F: 0–24.

Učební cíle

Student po absolvování předmětu umí:

  1. vybrat pro danou aplikaci procesního nebo energetického systému vhodný typ zařízení na výměnu tepla (trubkové, deskové, regenerační ve statickém nebo pohyblivém provedení) a provést jeho technologický a rozměrový návrh v dané fázi projekčního návrhu (koncepční návrh, studie proveditelnosti, basic design),
  2. sestavit bilanci zařízení se změnou fáze jedné pracovní látky a vícestupňového systému zařízení se změnou fáze obou pracovních látek, stanovit optimální pracovní parametry zařízení v jednotlivých stupních a provést jejich návrh v profesionálním programu,
  3. vybrat vhodný typ spalovacího zařízení (procesní pec, kotel) pro systém přímého nebo nepřímého ohřevu a navrhnout jeho hlavní (obrysové) rozměry s ohledem na bezpečný a spolehlivý provoz,
  4. sestavit jednoduchý model neustáleného provozu zařízení a vyčíslit vliv neustálených stavů provozu, zanášení teplosměnných ploch a tepelných ztrát na velikost a provozní bezpečnost zařízení a zahrnout je do návrhu,
  5. navrhnout v týmu zapojení měřicí tratě pro stanovení tepelně-hydraulických charakteristik aditivně vyrobeného prvku TPMS, vyhodnotit naměřená data (součinitel přestupu tepla, tlaková ztráta) a zpracovat protokol o měření,
  6. popsat stupně návrhu procesních a energetických systémů (koncepční návrh, studie proveditelnosti, basic design), postup rozměrového návrhu spalovacích ohřívačů (procesních pecí a kotlů) a principy a techniky návrhu integrovaných zařízení.

Studijní opory

Prezentace z přednášek, zadání příkladů ze cvičení, podklady k projektu a návody k používaným programům poskytují vyučující studentům průběžně během semestru v e-learningovém kurzu předmětu (Moodle), na sdíleném disku nebo ve skupině předmětu v MS Teams; prostředí dohodnou vyučující se studenty na začátku semestru. Zapsaní studenti k nim mají přístup.

Použití předmětu ve studijních plánech

Program N-PRI-P: Procesní inženýrství, magisterský navazující, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Osnova


  1. Úvod do navrhování procesních a energetických systémů a zařízení (stupně návrhu, příklady technologií, strategie návrhových postupů a možnosti nástrojů pro navrhování) z pohledu udržitelnosti a provozní bezpečnosti („safety and sustainability by design“).

  2. Navrhování systémů tvořených zařízeními se svazky trubek s přepážkami z pohledu udržitelného a provozně spolehlivého a bezpečného návrhu.

  3. Udržitelné a provozně bezpečné navrhování procesních a energetických systémů využívajících zařízení deskových typů (hladké, profilované, spirálové).

  4. Specifika a úskalí udržitelného a bezpečného navrhování zařízení se změnou fáze jedné pracovní látky (reboilery, kondenzátory).

  5. Postupy pro udržitelné a provozně bezpečné navrhování vícestupňových systémů zařízení se změnou fáze obou pracovních látek (vícestupňové odpařovací procesní a energetické systémy).

  6. Návrhové techniky využívané v jednotlivých fázích návrhu spalovacích zařízení (procesní pece, kotle) pro bezpečné a spolehlivé řešení systémů přímého a nepřímého ohřevu.

  7. Způsoby modelování a zohledňování provozní dynamiky a neustálených stavů provozu v udržitelném a bezpečném návrhu procesních a energetických systémů.

  8. Možnosti a způsoby zohledňování provozních aspektů procesních a energetických zařízení (zanášení, ztráty tepla) v návrhu bezpečných a provozně spolehlivých systémů.

  9. Principy a techniky udržitelného a provozně bezpečného návrhu integrovaných zařízení a systémů a využití regeneračních zařízení ve statickém i pohyblivém provedení.

  10. Podklady k projektu: popis a technologické charakteristiky aditivně vyráběných prvků TPMS pro procesní a energetická zařízení.

  11. Podklady k projektu: možnosti měření a regulace zkušebního okruhu pro získání tepelně-hydraulických charakteristik aditivně vyrobených prvků TPMS.

  12. Podklady k projektu: zásady navrhování měřicích tratí a výběr klíčových komponent.

  13. Podklady k projektu: postup zpracování a vyhodnocování naměřených dat na měřicí trati.

Cvičení s počítačovou podporou

26 hod., povinná

Osnova


  1. Aplikace návrhové strategie „safety and sustainability by design“ na návrh procesního a energetického systému s trubkovými zařízeními typu trubka v trubce.

  2. Aplikace vybraných výpočtových technik a nástrojů pro návrh systémů tvořených zařízeními se svazky trubek s přepážkami využívaných v jednotlivých fázích návrhu.

  3. Aplikace vybraných výpočtových metod pro návrh jednotlivých typů deskových zařízení (hladké, profilované, spirálové) pro procesní a energetické systémy.

  4. Aplikace softwarových nástrojů při návrhu a kontrole technologického chování zařízení se změnou fáze jedné pracovní látky.

  5. Aplikace profesionálního programu na bezpečný a spolehlivý návrh průmyslového zařízení se změnou fáze obou pracovních látek.

  6. Aplikace vybraných návrhových technik pro výběr vhodného typu, výchozí koncepční návrh a studii proveditelnosti spalovacích zařízení (procesní pece, kotle) a pro určení jejich hlavních (obrysových) rozměrů ve fázi basic design.

  7. Aplikace základních způsobů modelování provozní dynamiky a neustálených stavů provozu na vybraných případech procesních a energetických zařízení a systémů.

  8. Aplikace vybraných výpočtových postupů zohledňování provozních aspektů (zanášení, ztráty tepla) při návrhu vybraných procesních a energetických zařízení.

  9. Aplikace návrhových technik pro basic design regeneračních procesních a energetických zařízení ve statickém a pohyblivém provedení.

  10. Projektová výuka: seznámení se zkušebním okruhem a procesem měření tepelně-hydraulických charakteristik.

  11. Projektová výuka: návrh zapojení měřicí tratě a výběr klíčových komponent nutných pro měření aditivně vyrobených prvků TPMS.

  12. Projektová výuka: sestavení měřicí tratě a měření tepelně-hydraulických charakteristik aditivně vyrobených prvků TPMS.

  13. Projektová výuka: vyhodnocení měření a vytvoření protokolu o měření. Zápočet.