Original title:
Systémový návrh tepelných zařízení pro využití nízkopotenciálního tepla v podmínkách partikulárního zanášení
Translated title:
System design of heat transfer equipment for the use of low-potential heat in conditions of particulate fouling
Authors:
Daxner, Ján ; Krátký, Lukáš (referee) ; Variny, Miroslav (referee) ; Jegla, Zdeněk (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2026
Language:
slo Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství Abstract:
[slo][eng]
Efektívne využívanie nízkopotenciálneho tepla v priemyselných procesoch predstavuje kľúčovú výzvu, ktorej zvládnutie výrazne prispieva k úsporám energie, zníženiu environmentálnych dopadov, optimalizácií prevádzkových nákladov, a celkovému zvýšeniu efektívnosti výrobného procesu. Praktická aplikácia týchto riešení je ale v mnohých prípadoch náročná z dôvodu špecifických limitujúcich parametrov, akými sú množstvo a časová dostupnosť nízkopotenciálneho tepla, jeho teplotná úroveň, či prítomnosť partikulárnych zanášajúcich častíc obsiahnutých vo využívanom prúde. Cieľom tejto dizertačnej práce je vývoj a formulácia nového systémového prístupu návrhu priemyselných zariadení, určených na využívanie NPT v prostredí s partikulárnym zanášaním. Predkladaný systémový návrh tepelných zariadení na využitie nízkopotenciálneho tepla doplňuje doterajšie štandardné výpočtové metódy návrhu o jasne definovanú sekvenciu konkrétnych krokov na základe logického rozhodovacieho procesu. Pozornosť výskumu je venovaná predovšetkým plynným prúdom nízkopotenciálneho tepla, v ktorých sa vyskytuje partikulárne zanášanie s bližším zameraním na suché koloidné častice. Pri prítomnosti zanášania vzniká pri tepelnej výmene niekoľko spolu súvisiacich problémov. Hlavným je tvorba vrstvy nánosov, ktorá sa správa ako tepelná izolácia medzi teplosmennou plochou a pracovným médiom, čím sa prenos tepla stáva neefektívnym. Tým taktiež dochádza k zvýšeniu prevádzkových nákladov, s čím súvisí aj skrátená perióda čistenia nánosov. To má za následok nárast negatívneho environmentálneho dopadu zariadenia, ktoré je v takto zanášajúcom prostredí prevádzkované. Predstavený systémový návrh integruje do súčasného návrhového postupu nové výpočtové a prevádzkovo-experimentálne metódy, kde prvou z nich je environmentálne hodnotenie využívania nízkopotenciálneho tepla. V prípade, že nie je jasné, ako má byť nízkopotenciálne teplo využívané, použitie environmentálneho hodnotenia slúži ako východiskový bod návrhu. Ďalšiu časť tvoria metódy na získanie kritických parametrov zanášania. Jednou z nich je mobilné testovacie zariadenie, ktoré je vhodné pre priame experimentálne meranie kľúčových parametrov zanášania, ako je vývoj tlakovej straty, rýchlosti prúdenia cez zariadenie, hodnota súčiniteľa tepelného odporu, hodnota medznej rýchlosti zanášania, alebo priebeh teplôt v jednotlivých častiach zariadenia. Ďalšou časťou je matematický model, ktorý vhodný na použitie v prípade, že nie je možné prevádzať experimentálnu činnosť. Jeho aplikáciou je možné zistiť medznú rýchlosť zanášania pre konkrétne vlastnosti častíc. Výsledkom vyvinutého systémového prístupu je návrh zariadenia prispôsobeného konkrétnej aplikácii („na mieru“) s definovaným spôsobom využitia tepla, konkrétnou geometriou na základe tepelno-hydraulických výpočtov, zohľadňujúcich reálne prevádzkové podmienky danej priemyselnej aplikácie.
The efficient utilization of low-potential heat in industrial processes represents a key challenge, the mastery of which significantly contributes to energy savings, the reduction of environmental impacts, the optimization of operating costs, and an overall increase in the efficiency of the production process. However, the practical application of these solutions is often challenging due to specific limiting factors, such as the quantity and availability of low-potential heat,its temperature level, ort he presence of particulate matter in the steam being utilized. The aim of this doctoral thesis is to develop and formulate a new systematic approach to the design of industrial equipment intended for the use of low-potential heat in environments with particulate fouling. The proposed system design for thermal equipment utilizing low-potential heat supplements existing standard design calculation methods with a clearly defined sequence of specific steps based on a logical decision-making process. The research focuses primarily on gaseous low-potential heat streams in which particulate fouling occurs, with a closer focus on dry colloidal particles. When fouling occurs, several interrelated problems arise during heat transfer. The main issue is the formation of a fouling layer, which acts as thermal insulation between the heat transfer surface and the working fluid, thereby making heat transfer inefficient. This also leads to an increase of operating costs, which are also associated with shorter cleaning intervals. Consequently, the negative environmental impact of equipment operated in such a fouling environment increases. The presented system design integrates new computational and operational-experimental methods into the current design process, the first of which is an environmental assessment of the use of low-potential heat. When it is unclear how low-potential heat should be utilized, the environmental assessment serves as a starting point for the design. The next section covers methods for determining critical fouling parameters. One of these is a mobile testing device suitable for the direct experimental measurement of key fouling parameters, such as pressure loss development, flow velocity through the device, the thermal resistance coefficient, the critical fouling velocity, or temperature profiles in individual parts of the device. Another component is a mathematical model suitable for use when experimental testing is not feasible. Its application allows for determining the critical fouling velocity for specific particle properties. The result of the developed systematic approach is the design of a device tailored to a specific application (“custom-made”) with a defined method of heat utilization and specific geometry based on thermal-hydraulic calculations that take into account the actual operating conditions of the given industrial application.
Keywords:
environmental assessment; heat exchange; heat exchanger; industry; low-potential heat; optimization; particulate fouling; sustainability; testing device
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/259974
guest ::
