Matematické modelování přenosových jevů na rozhraní dvou tekutin využívaných v procesních systémech

Ondřej Štukavec

Doctoral thesis

Mathematical modelling of transfer phenomena at the interface of two liquids using in process systems

Abstract:

Podstatou předkládané disertační práce je výzkum procesů probíhajících v horkovodním akumulátoru, kde dochází ke styku dvou kapalin o různých teplotách. Během tohoto procesu dochází k degradačním procesům, které snižují účinnost akumulace energie ve formě horké vody. Disertační práce je strukturována do několika částí, jejichž návaznost tvoří ucelený postup vedoucí k naplnění hlavních cílů práce. První část je zaměřena na současnou energetickou politiku EU a současný stav akumulačních zařízení. Dále je kladen důraz na pochopení obecných souvislostí navrženého projektu decentralizované energetické jednotky, je představeno inovativní řešení vnitřní instalace včetně rešerše obdobných zařízení a jsou uvedeny obecné poznatky z hydromechaniky, termomechaniky, pružnosti a pevnosti a numerického modelování, které jsou nezbytné pro pochopení problematiky. Druhá část této disertační práce se zabývá vývojem numerického modelu simulujícího přenos tepla přes pohyblivou membránu. Pro tento účel bylo nutné vyvinout zcela novou metodiku přístupu k tomuto fyzikálnímu problému, protože obdobný problém nebyl dosud v literatuře popsán. Proto je uveden podrobný popis numerického modelu a nastavení parametrů pro tzv. dynamickou síť. Dále je uveden pokus o odvození metodiky validace numerického modelu pomocí bezrozměrných kritérií. Třetí část je věnována návrhu funkčního vzorku horkovodního akumulátoru v laboratoři a návrhu měřicí tratě. Je uvedeno řešení měření teploty uvnitř akumulátoru pomocí DTS systémů a nakonec jsou prezentovány výsledky práce a jejich vyhodnocení. Je shrnut přínos disertační práce pro obor a praxi a jsou navržena doporučení pro další výzkum v dané problematice.

Abstract:

The essence of the presented dissertation is the research of processes taking place in a hot-water accumulator, where two fluids of different temperature come into contact. During this process, degradation processes occur which reduce the efficiency of energy storage in the form of hot water. The dissertation is structured into several parts, the continuity of which forms a coherent procedure leading to the fulfilment of the main objectives of the thesis. The first part focuses on the current EU energy policy and the current status of storage devices. Furthermore, the emphasis is placed on understanding the general context of the designed decentralised energy unit project, presents an innovative solution for the internal installation, including a search of similar installations, and presents the general knowledge of hydromechanics, thermomechanics, elasticity and strength and numerical modelling necessary for understanding the problem. The second part of the present dissertation deals with the development of a numerical model simulating heat transfer through a moving membrane. For this purpose, a completely new methodology had to be developed to approach this physical problem, since a similar problem has not been described in the literature before. Thus, a detailed description of the numerical model is given as well as the parameter settings for the so-called dynamic network. Furthermore, an attempt to derive a methodology for validating the numerical model using dimensionless criteria is presented. The third part is devoted to the design of a functional sample of a hot water battery in the laboratory, the design of the measurement line. A solution for measuring the temperature inside the battery using DTS systems is presented and finally the results of the work and their evaluation are presented. The contributions of the dissertation to the discipline and to practice are summarized, and recommendations for further research on the subject are suggested.

Keywords

Akumulátor, membrána, akumulace, modelování, disipace

Keywords

Reservoir, membrane, accumulation, modelling, dissipation

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 3. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 4. 6. 2024
• Supervisor: Ladislav Vilimec
• Reader: Tomáš Blejchař, Richard Lenhard, Michal Hoznedl

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Energetické stroje a zařízení