Témata
Reklama

Od matematických modelů k domácí elektrárně

Technici znají organický Rankinův cyklus (ORC) již od 19. století, ale až donedávna se nedařilo pro něj nalézt praktické využití. V posledních letech se na využití principu ORC zaměřili v Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT (UCEEB). Výzkum tepelných cyklů s nízkým výkonem se jevil jako perspektivní v oblasti mikrokogenerace a využití odpadního tepla. Zvýšený zájem o ORC souvisel především s vývojem „domácí“‎ mikroelektrárny WAVE, která nyní již úspěšně „běží“‎ ve zkušebním provozu.

Jednou z hlavních komponent v cyklech jako ORC je expandér. (Zdroj: UCEEB)Jednou z hlavních komponent v cyklech jako ORC je expandér. Výzkumu a vývoji lamelového expandéru se na Fakultě strojní ČVUT v Praze věnuje Václav Vodička již od svých bakalářských studií. Vloni v disertační práci předložil experimentálně ověřený matematický model lamelového expandéru. Na následujících řádcích popisuje některé detaily z vývoje tohoto zařízení.

Rozdíly tepelného oběhu v teplárnách a ORC

Oba tepelné oběhy fungují prakticky na stejném principu, ale zásadní rozdíl je v použití organických látek namísto vody. Organických pracovních látek je celá řada a můžeme z nich vybírat podle aktuálních požadavků. Různá chladiva mohou mít výrazně nižší výparné teploty, proto se dají nasadit v aplikacích, kde chceme využívat teplo o nižších teplotách. Na UCEEB se naopak zaměřují na vysokoteplotní ORC, kde jsou vhodnější teplotně stabilnější organické látky, např. siloxany. Další odlišností univerzitního ORC je naprosté zjednodušení celého cyklu, minimalizace počtu komponent a výrazně nižší tepelný i elektrický výkon. Jedním z cílů UCEEB je vývoj technologie ORC malého výkonu, která je mobilní, zcela autonomní a má příznivou investiční návratnost.

Reklama
Reklama

Řez expandérem. (Zdroj: UCEEB)

Nový model lamelového expandéru

Lamelový expandér pro ORC není komerčně dostupné zařízení. V komerčních aplikacích se můžeme s lamelovými expandéry setkat např. v podobě pneumatických motorů pro ruční nářadí. Zde jsou však na ně kladeny zcela jiné požadavky. Lamelový expandér pro ORC byl vyvinut prakticky od nuly a v současné době se jedná již o několikátou verzi návrhu. Ruku v ruce s vývojem po stránce konstrukce šel i vývoj vlastních používaných matematických modelů, které sloužily k popisu chování expandéru i k jeho návrhu. Aktuální nejpokročilejší model se liší od ostatních dosud známých modelů především zohledněním možnosti dočasné ztráty kontaktu lamel se statorem a také přesnější predikcí tohoto jevu. Jedná se o jev typický pouze u lamelových expandérů, který však dokáže zásadně negativně ovlivnit účinnost nejen samotného expandéru, ale také celého cyklu. O tento matematický model se opírá i vlastní sestavená metodika termodynamického návrhu lamelového expandéru pro tepelné cykly s nízkým výkonem.

Model rotoru s lamelou. (Zdroj: UCEEB)

Role matematických modelů při vývoji

Význam matematických modelů při vývoji expandéru byl zásadní. Je pravda, že úplně první model byl natolik zjednodušený, že zanedbal jeden z nejdůležitějších parametrů (objemovou účinnost stroje) a byl v určitých ohledech příliš optimistický, což nakonec vedlo ke špatnému návrhu expandéru, který jsme na UCEEB nebyli schopni ani rozběhnout. Důvodem byla tehdy i jeho samotná konstrukce. Druhá verze expandéru byla již v mnoha ohledech lepší. Samotný matematický model, který jsem dlouho používal v návrhu i při zpětné analýze, však nahlížel na expandér zvenčí. Aktuální model je již podstatně pokročilejší a popisuje děje probíhající uvnitř expandéru. Uvažuje se všemi vnitřními netěsnostmi a pomocí bilančního modelu pracovní komory predikuje tlak v komoře v závislosti na úhlovém natočení rotoru. Součástí tohoto výpočtu je také zjednodušený model třecích ztrát lamel a ložisek. Na tento termodynamický model musel autor navázat ještě vlastním dynamickým modelem lamel. Ten popisuje a bilancuje veškeré síly, které na lamelu během otáčení rotoru působí. Tento dynamický model pak umožňuje analyzovat chování lamel v expandéru. Modely byly ještě doplněny zjednodušeným modelem interakce mezi lamelovým expandérem a výměníkem pro přívod tepla do cyklu. Podobný přístup k analýze objemových expandérů není běžný, ale zase má blíže k reálné aplikaci. Kvalitní matematický model tak pomáhá neustále zlepšovat parametry expandéru i celého zařízení s ORC.

Ověření výsledků z modelů

Pro ověření výsledků z matematických modelů proběhla série experimentálních měření na konstrukci lamelového expandéru, který jsem navrhl. Expandér se provozoval v rámci experimentálního kogeneračního zařízení s ORC na UCEEB. Matematické modely musely být nejdříve kalibrovány, což znamená nalezení určitých obecných parametrů, které nejsou předem známé. Následné experimenty pak potvrdily, že je model schopen s dobrou přesností predikovat chování expandéru i v oblastech mimo kalibrační data. Už během kalibrace byla indikována ztráta kontaktu lamel a statoru, a tak se další experimenty zaměřily také na tuto oblast a ověřily prediktivní možnosti dynamického modelu lamel.

Schéma proudění v lamelovém expandéru. (Zdroj: UCEEB)

Pokračování disertační práce

Práce na vývoji lamelového expandéru rozhodně nekončí. Navrhl jsem obecný postup pro návrh lamelového expandéru s využitím matematických modelů, který bude dál využíván. Samotný matematický model lamelového expandéru bude dál rozvíjen, neboť práce v oblasti ORC nekončí. Jako výzkumný pracovník univerzitního centra (UCEEB) se budu dál podílet na vývoji zařízení WAVE. Aktuálně je ve stavbě jednotka s tepelným výkonem 120 kW při elektrickém výkonu cca 7 kW. WAVE pokládám za perspektivní zdroj tepla s bonusem v podobě výroby elektřiny v souladu s trendem decentralizované energetiky.

Ladislav Lašek

https://www.fs.cvut.cz/

Reklama
Vydání #3
Kód článku: 200302
Datum: 04. 03. 2020
Rubrika: Servis / Vývoj a inovace
Autor:
Firmy
Související články
Reflexe EMO Milano 2015

Italské výstaviště Fieramilano se první říjnový týden stalo středem pozornosti strojařů především evropské provenience. Po šesti letech, kdy vrcholila hospodářská krize, se prestižní veletrh EMO vrátil do italského průmyslového regionu s „budovatelským“ mottem: Let’s build the future. Na ploše 120 000 m2 ve dvanácti výstavních halách se prezentovalo přes 1 600 vystavovatelů, z toho na 500 tuzemských. Podle závěrečné zprávy navštívilo akci přes 155 tisíc návštěvníků (145 tis. EMO Hannover 2013), polovina ze zahraničí. (Pozn. V neděli před zahájením EMO navštívilo vedlejší Expo přes 260 tisíc návštěvníků. Z České republiky do Milána vycestovalo 2 160 strojařů (2 300 na EMO Hannover 2013). Každý z návštěvníků si domů patrně odvezl svůj osobní rekord v nachozených kilometrech po výstavišti.

S uranem v podpalubí

V březnovém vydání MM Průmyslového spektra jsme publikovali článek pod názvem Jaderné ledoborce pro Severní cestu. Jelikož tento text vzbudil zájem řady čtenářů, rozhodli jsme se na toto téma připravit další podrobnější příspěvek.

Experimentální zařízení pro měření dynamického chování radiálního vodního čerpadla

Součástí nabídkového řízení velkých vodních čerpadel je i přejímací test zmenšeného modelu čerpadla, na němž jsou zákazníkovi předvedeny jeho hydraulické charakteristiky a současně jsou testovány reakční síly v čerpadle. Tyto údaje jsou velmi důležité pro finální dimenzování stavby vodního díla.

Související články
Více propojujme vysoké školy s praxí

Profesor Jaroslav Kopáček patří zcela bez pochyb mezi nestory oboru hydrauliky a pneumatiky v naší zemi ve druhé polovině 20. století, a proto mu byla na Mezinárodním strojírenském veletrhu 2019 v Brně udělena po zásluze Zlatá medaile za celoživotní tvůrčí technickou práci a inovační činy. Při příležitosti ocenění práce pana profesora jsme připravili malý medailonek tohoto skromného a entuziastického člověka. Pan profesor nám při této příležitosti sdělil i několik svých zajímavých postřehů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Firmy oceňují studentskou mezioborovou spolupráci

Už po patnácté se na Západočeské univerzitě v Plzni uskutečnil ojedinělý výukový projekt DESING, v němž studenti z několika zdejších fakult pracují v multioborových týmech na tématech zadaných průmyslovými podniky. Vyvrcholením jeho, již 15. ročníku, byl jubilejní 10. mezinárodní workshop, který proběhl začátkem dubna ve Vědeckotechnickém parku Plzeň. Čtyři nejúspěšnější plzeňské a dva bavorské studentské týmy tu v anglicky vedených prezentacích představily návrhy svých technických produktů.

Budoucnost výroby tkví v inovacích, Část 3. Inovační workshop

Jsme zemí s průmyslovou tradicí, díky níž jsme se z provincie stali jednou ze předních ekonomik světa. Dnes ale nedokážeme plně využít inovační potenciál a zaostáváme za vyspělou Evropou. Co nás brzdí? Seriál, který připravují odborníci společnosti Autodesk, se na příkladech dobré praxe snaží nastínit možné cesty, jak by firmy a jedinci mohli zvýšit svůj potenciál a tížený efekt.

Spolu (nejen) pro informační bezpečnost

Jedním z komerčních subjektů, které dlouhodobě spolupracují s českými univerzitami, je společnost Gordic. Tento tvůrce softwaru, především pro veřejnou správu a bankovnictví, se dlouhodobě zabývá dnes tak žhavou problematikou kybernetické bezpečnosti. Jedním z jeho důležitých partnerů na poli akademickém je Fakulta podnikatelská brněnského VUT. Ohledně názorů na tuto spolupráci tentokrát proběhla diskuze ve třech. Zúčastnila se doc. Ing. Zdeňka Konečná, proděkanka fakulty, Ing. Viktor Ondrák, Ph.D., pracovník Ústavu informatiky, a Ing. Jaromír Řezáč, generální ředitel společnosti Gordic.

Jízdní kola z vesmírného inkubátoru

V České republice existuje celá řada firem, které se svými produkty prosadily po celém světě. Často nejsou ani tak známé doma jako spíš za hranicemi naší země, kde v ojedinělých případech vytvořily dokonce nový segment trhu. Seriál formou stručného příběhu představuje čtenářům cestu, po které se podnikatel se svojí firmou vydal, jaké milníky jej provázely a jakých úspěchů a uznání na světovém trhu dosáhl.

Najít dveře do budoucnosti

Již 20. ročník Ceny Wernera von Siemense vyvrcholil 22. února slavnostním večerem v pražské Betlémské kapli. Za své práce zde převzalo ocenění celkem 25 nejlepších mladých vědců, studentů a pedagogů. Werner Siemens prý řekl: „Lepší než bušit hlavou do zdi je najít v ní očima dveře.“ Z mladých lidí, kteří převzali ocenění nesoucí jeho jméno, by měl jistě radost. Všichni totiž dokázali nejen najít dveře, ale otevřít je do budoucnosti.

Aplikace moderních postupů a technologií v obrábění

Společnost Hofmeister pravidelně svým zákazníkům představuje novinky a inovace nejen vlastní, ale také svých obchodních partnerů. Účast na listopadových zákaznických dnech svědčí o velkém zájmu.

Zlatá medaile MSV

Současná podoba udělování Zlatých medailí na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně, o něž se v soutěži ucházejí přihlášení vystavovatelé se svými exponáty, odráží snahu nalézt taková objetivizující pravidla, která odpovídají hlavnímu záměru soutěže – tedy oceňovat inovativní produkty. Tím se rozumí výrobky, technologie nebo služby, které jsou mimořádně významné svým progresivním řešením, technickými parametry a technologickými možnostmi a ocenění si zaslouží, poněvadž snesou srovnání se špičkovými řešeními přinejmenším na evropské úrovni, ještě lépe na úrovni světové.

Letem technickým světem VI

Každý den nás překvapuje zprávami z vědeckotechnické sféry, která je nám sice ve své podstatě blízká, ale přesto někdy v detailech vzdálená, protože stačíme sledovat jen svůj obor. V tomto letošním seriálu stíráme hranice úzkého zaměřeni a zlehka se dotkneme překvapivých novinek odjinud. Kdo chce vědět víc, snadno si podrobnosti najde.

Diskutovaný Průmysl 4.0

Fenomén Průmysl 4.0, nastínění možných směrů vývoje a příprava společnosti na změny způsobené novými technologiemi – to jsou diskutovaná témata konferencí a seminářů současnosti. Podpora výzkumu a vývoje se musí soustřeďovat na technologicky významné oblasti vycházející z potřeb české průmyslové praxe. Odborníci zdůrazňují potřebu vzdělávání a zvyšování kvalifikace zaměstnanců.

Supravodič, to je 8 200 vláken o průměru pět mikrometrů

Poměrně dobře je známo, že Velký hadronový urychlovač v CERNu používá supravodivé magnety a že je bude používat i tokamak ITER. Jak je to však s použitím supravodičů v dalších vědeckých zařízeních? Kdy byl použit supravodič poprvé?

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit