Přístupnostní navigace
E-přihláška
Vyhledávání Vyhledat Zavřít
Detail oboru
FSIZkratka: D-KPIAk. rok: 2017/2018Zaměření: Procesní inženýrství
Program: Stroje a zařízení
Délka studia: 4 roky
Akreditace od: 1.1.1999Akreditace do: 31.12.2020
Profil
Tento obor připravuje studenty na samostanou tvůrčí práci v konstrukční praxi a klade důraz na komplexní znalosti, integrování poznatků vědy, techniky a také umění v procesu projektování. Studenti , kteří se soustředí na problémy oblasti procesního inženýrství, jsou vedeni k samostatnosti při řešení vývoje, optimálního vedení, efektivního navrhování a projekce procesů v různých průmyslových oblastech.
Garant
prof. Ing. Václav Píštěk, DrSc.
Vypsaná témata doktorského studijního programu
Téma práce je zaměřeno na potřeby průmyslových podniků nebo objektů z komunální sféry, u nichž má být snížena spotřeba energie. U těchto subjektů převažují energetické systémy, jejichž elektrický, popř. tepelný výkon se pohybují v rozsahu desítek kW až jednotek MW. Potenciál pro snižování spotřeb primárních zdrojů energie je v této oblasti významný. Z pohledu provozovatelů energetických systémů je hlavní otázkou způsob výběru a zavádění konkrétních úsporných opatření. Dostupnost efektivních postupů je velmi omezená. Mezi nejvyužívanější praktické metody pro dosahování úspor lze zařadit tzv. systém energetického managementu hospodaření s energií (EM) a energetické služby se zárukou (Energy Performance Contracting, EPC). Základní součástí těchto metod je vždy energetický audit provozu. Součástí energetických systémů průmyslových podniků jsou nejrůznější technologie a procesy, které vyžadují vysokou odbornou specializaci. Snaha o maximálně efektivní provoz systému má v těchto případech charakter výzkumné činnosti a je obvykle mimo rozsah výše zmíněných metod. Výstupem práce by měl být soubor postupů a nástrojů, který povede k efektivnímu řešení složitějších projektů energetických úspor. Mezi nejnovější trendy v oblasti energetické efektivity průmyslových provozů patří vyhodnocování energetické náročnosti pomocí detailní analýzy provozních dat a širší vyžívání matematického modelování s dopadem na řízení procesů. Toto jsou hlavní oblasti, kterými se bude práce zabývat. Cíle, kterých má být dosaženo: - úvodní rešerše: teorie účinnosti zdrojů tepla, spotřeba tepla, elektřiny, vody a stlačeného vzduchu v procesním průmyslu, integrace procesů, analýza provozních parametrů vybraných spotřebičů, přenos tepla a tepelné ztráty, dostupné metody pro řešení projektů energetických úspor, - sběr a zpracování experimentálních dat se zaměřením na výrobu a spotřebu energií v průmyslové a komunální sféře, - modelování a simulace vybraných systémů s cílem optimalizovat spotřebu energie, - návrh efektivních postupů pro řešení složitějších projektů energetických úspor pro průmysl a komunální sféru - aplikace navržených nástrojů a postupů při optimalizaci vybraného systému (případová studie)
Školitel: Máša Vítězslav, doc. Ing., Ph.D.
Práce bude zaměřena na získávání vysoce spolehlivých a přesných dat z laboratorních experimentů při zkoušení inovativních průmyslových hořáků do 2 MW. Součástí práce bude analýza chyb měření, statistické vyhodnocování dat a zpracování dat pro validaci simulačních programů. Pozornost bude věnována také konstrukčnímu řešení experimentálních zařízení a měřících postupů, preciznímu řízení procesu a monitorování okrajových podmínek při experimentálním výzkumu hoření. Proudění v moderních hořácích s nízkými emisemi NOx má složitou strukturu s významnou tangenciální složkou rychlosti a jeho experimentální analýza má velký význam pro získání spolehlivých dat, která umožní ověření numerických modelů. Jedná se o problematiku, která je klíčová pro konstrukci plynových i kapalinových hořáků, ohřevných pecí a spalovacích komor v řadě různých průmyslových odvětví, především v petrochemii a energetice.
Školitel: Hájek Jiří, doc. Ing., Ph.D.
Téma práce je orientováno na návrh procesních zařízení, zejména výměníků tepla, tlakových nádob, kondenzátorů, ale i dalších. V konvenčně prováděných výpočtech budou analyzovány nejistoty návrhu v souvislosti s využívanými metodami. Motivací pro pokročilé návrhy těchto zařízení jsou obvykle potenciální ekonomické úspory. Pro jejich dosažení je nezbytné navrhnout přístupy či metodiku pro návrh těchto zařízení na základě detailní znalosti strukturní odezvy zařízení při dodržení požadavků příslušné legislativy. Zvláštní pozornost bude věnována zařízením pracujícím při specifických provozních podmínkách vyvolávajících nerovnoměrné strukturní odezvy a jejich návrh není pokryt návrhem dle analytických vztahů. Pro tyto případy bývá legislativně umožněno využít návrhy na základě analýzy. V práci bude diskutován přístup návrhu na základě kategorizace napětí a návrh dle mezních stavů. Výsledky práce jsou klíčové pro dosažení konkurenceschopných návrhů zařízení při dosažení bezpečnosti, která je u těchto zařízení klíčová.
Školitel: Jegla Zdeněk, doc. Ing., Ph.D.
Výzkum bude zahrnovat odhalení podstaty dusíkové stopy a hlavních faktorů, které ji způsobují, následované interakcí se stopami skleníkových plynů. Úsilí bude zaměřeno na vytvoření efektivních a adekvátních modelů popisujících utváření stop a jejich vztah k nákladům, obratům a ziskům spojeným se systémem. Toto bude následováno identifikací hlavních faktorů (stupňů volnosti) a síťových cest, které je spojují s náklady a stopami, a vývojem metod pro targeting výkonnosti systémů a jejich optimalizaci.
Školitel: Klemeš Jiří, prof. Ing. Dr. habil., DrSc., dr. h. c.
Vývoj metodologie pro další minimalizaci stop skleníkových plynů (včetně uhlíkové stopy). Základem tohoto vývoje budou znalosti týkající se efektivity využití energií a vody získané během řešení předchozích čtyř témat. Budou popsány součásti stop a studovány inherentní interakce mezi nimi a základními systémové faktory. Dále bude formulována hierarchie opatření podobná dobře známé hierarchii nakládání s odpady, která umožní minimalizaci stop při minimálních nákladech a minimálním vlivu na ostatní stopy. Modely systému pak budou vyhodnocovány a vylepšovány za účelem odhalení podstatných interakcí v rámci procesních sítí a odpovídajících stupňů volnosti svázaných těmito interakcemi s náklady a stopami. Shromážděné znalosti budou použity k formulaci relevantních postupů a inženýrských nástrojů pro zvýšení výkonnosti nových i stávajících systémů v oblasti stop.
Studium a návrhy opatření pro minimalizaci virtuálních stop – včetně stop skleníkových plynů, dusíku a vody. Koncepty virtuálních stop budou revidovány a detailně formulovány na řádné konceptuální bázi. Budou zkoumány hlavní třídy problému, fáze životního cyklu a příslušné objekty.
Vývoj metodologie pro minimalizaci vodních stop (označených jako modrá, zelená a šedá stopa). Hlavním zde využitým principem bude opět hierarchie opatření, začínající těmi nejméně nákladnými. Výzkum bude zaměřen na poskytnutí kompletní sady nástrojů řešících návrh nových systémů, optimalizaci jejich provozu a problémy týkající se modernizací. Modely spojující stupně volnosti se stopami a ekonomikou procesů budou formulovány a využity v optimalizačních metodách.
Rozšíření metodologie na minimalizaci spotřeby vody a produkce odpadních vod a minimalizaci spotřeby vody a energie. Doposud byly tyto metody vyvíjeny zejména na úrovni jednotlivých procesů. Zcela zřejmě však existují výhody plynoucí z jejich rozšíření také na úroveň provozu a využití architektury pro výměnu materiálů a energie identické s architekturou využitou pro energii při integraci typu Total Site. Přístup, který by měl být vyvinut, zahrnuje návrh jednotných indikátorů výkonnosti založených na termodynamice a je využívající návrhové a modernizační metody pro targeting, čímž dojde k provázání tohoto vývoje se současným modelem systému utilit zohledňujícím pouze energii. Následně bude řešena modernizace existujících vodních systémů, čímž dojde k doplnění patřičné sady nástrojů pro toto pole výzkumu a její zpřístupnění průmyslovým partnerům. Další důležitou součástí výzkumu v této oblasti je jeho vazba na ostatní témata řešená v rámci centra. Například tepelný rozměr odpadních vod může být propojen s rozhraní pro interakce s průmyslem, zatímco mnohé z organických látek znečišťujících odpadní vody mohou obsahovat hodnotné složky vhodné k extrakci a opětovnému využití nebo materiály vhodné pro získávání energie z odpadů – obzvláště formou fermentace nebo anaerobní digesce.
Rozšíření metodologie na integraci elektrické energie na úrovni Total Site a regionu. Výzkum tohoto tématu započal nedávno, nicméně již nyní jsou k dispozici základní koncepty a několik souvisejících jednoduchých příkladů. Plánovaný vývoj zahrnuje formulaci souhrnné konceptuální základny kombinované se sadou nástrojů pro optimální návrh a stanovení kapacity, optimalizaci provozu a modernizaci stávajících systémů. V současné době zahrnuje existující výzkum zejména časový rozměr a management výkonu, částečně pak stanovení kapacity. Je zapotřebí vývoj územního rozměru.
Komplexní analýza stávajícího stavu výzkumu a vývoje v následujících oborech a jejich kombinacích: integrace tepla, integrace vody, zásobovací řetězce, integrace a využití obnovitelných zdrojů a energie a produktů z odpadů, plány investic (pro nové provozy i modernizaci stávajících provozů) a optimální provoz procesů. Stanovená koncepce bude sestávat z detailní rešerše dostupné literatury spolu s interními workshopy a workshopy pořádanými společně s mezinárodními partnery centra v rámci specifických akcí nebo mezinárodních konferencí. Rozsah analýzy v inženýrské oblasti bude zahrnovat články publikované v odborných časopisech, konferenční příspěvky, knihy, patenty a existující výpočtové a návrhové nástroje. Rozsah rešerše týkající se aplikační sféry bude zahrnovat identifikaci různých činitelů a nejpodstatnějších aktivit, produktů a služeb ve zmíněných oblastech. Tyto budou sloužit jako základ pro určení životního cyklu každé identifikované aktivity, produktu nebo služby.
Systém rekuperace tepla v jednotkách pro zařízení na výrobu energie z odpadů může být bez jakýchkoli pochybností považován za jednu z nejdůležitějších částí takových procesů. Výměníky tepla jsou velmi důležitou součástí systému rekuperace energie zařízení na výrobu energie z odpadů a výběr vhodných typů výměníků tepla představuje primární význam pro návrh těchto systémů. Je třeba provést návrh tepelných výměníků s maximálním stupněm kompaktnosti ve vztahu k parametrům procesu, jako je teplota, složení provozních kapalin, blízkost k znečištění a potenciální provozní problémy. Správný návrh jednotlivých klíčových součástí zařízení a vhodný výběr technologií je nedílnou součástí komplexního přístupu.
Rozšíření a vývoj pokročilých metod a nástrojů pro optimální plánování provozu za účelem maximalizace efektivity systému utilit a maximálního využití jeho kapacity a investic. Hlavními cíli u tohoto tématu jsou získání spolehlivých prognóz týkajících se požadavků na utility a provozních charakteristik součástí systému utilit – jako jsou kotle, plynové a parní turbíny, redukční stanice, chladicí věže nebo součásti systémů dodávky procesních vod. Výzkum bude dále analyzovat a optimalizovat provozní plány pro požadované relevantní časové úseky za účelem minimalizace provozních nákladů a dopadu na životní prostředí posuzovaného pomocí příslušných stop (skleníkové plyny, voda, dusík atd.). Za účelem maximalizace efektivity při předem neznámých fluktuacích dodávek zdrojů a požadavků na utility bude také proveden výzkum týkající se skladování nosičů energie, vody a meziproduktů.
Práce bude zaměřena na analýzu a modelování procesů v rotačních sušárnách a kalcinačních pecích. Součástí práce bude provádění měření, statistické vyhodnocování dat a zpracování dat pro validaci simulačních programů. Pozornost bude věnována také konstrukčnímu řešení experimentálních zařízení a měřících postupů, preciznímu řízení procesu a monitorování okrajových podmínek. Modelování procesů v rotační bubnové sušárně a kalcinační resp. sintrovací peci má k sobě velmi blízko a cílem práce bude proto univerzální model pro tato zařízení.
Rozšíření a vývoj pokročilé metodologie pro integraci na úrovni Total Site a integraci tepla na úrovni regionu. Rozšíření metodologie bude zahrnovat výzkum a vývoj ve dvou rozměrech. První se zabývá vývojem kompletní sady nástrojů pro každou z podoblastí: konceptuální základ, modelování, simulace, targeting výkonnosti, optimální návrh nových systémů, optimalizace provozu, optimální modernizace. Druhý rozměr si klade za cíl rozšíření principů a metod užívaných při integraci na úrovni procesů a provozů na úroveň obcí a regionů. Zmíněné rozšíření zahrnuje v porovnání s integrací na úrovni procesů a provozů výraznou složku územního rozvoje a posílený finanční management.
Rozšíření metodiky na elektřinu (silovou) na Total Site a regionální integrace. Výzkum v této oblasti byl zahájen nedávno ale již obsahuje formulované základní pojmy následované několika případovými studiemi. Plánovaný vývoj zahrnuje formulaci komplexní koncepční základny kombinované se sadou nástrojů pro optimální návrh a dimenzování systému, provozní optimalizaci a modernizaci stávajících systémů. Momentálně se stávající výzkum zaměřuje především na časovou dimenzi a řízení výkonu s prvky dimenzování zařízení. Je potřeba dále rozvíjet prostorovou dimenzi na integraci na úrovni regionu.
K přenosu tepla a látky v porézním prostředí dochází při celé řadě prakticky využívaných procesů – od pálení vápna, přes katalytické reaktory a roštové spalování, až po sušení porézních materiálů. Modelování těchto procesů je proto užitečným nástrojem pro navrhování a analýzu mnoha široce využívaných zařízení. V rámci této práce bude doktorand vyvíjet a implementovat simulační nástroj pro modelování procesů a zařízení, ve kterých hraje přenos tepla a látky v porézním prostředí klíčovou roli. Již existující výpočtové postupy budou dále rozvíjeny a adaptovány pro konkrétní procesy a zařízení.
Studium a návrhy opatření pro redukci dopadu toků energií a vody na životní prostředí. Půjde o výzkum navazující na virtuální stopy, který bude zaměřen na odhalování kompletních životních cyklů různých globálních energetických a vodních toků. Dále bude provedena analýza fází životních cyklů a jejich přispívání k celkovému dopadu na životní prostředí následovaná odhadem celkového dopadu na životní prostředí a analýzou možných opatření pro jeho redukci založenou na přispívání jednotlivých fází.
Práce bude zaměřena na výpočtové modelování a analýzu proudění a distribuce toku pracovních látek v procesních zařízeních. Záměrem je analytické i komplexní vícerozměrné modelování a analýza problematiky distribuce toku a chování pracovních látek (nestlačitelných i stlačitelných) ve vybraných typech a provedeních procesních zařízení za účelem identifikace a formulace konstrukčních a projekčních zásad pro dosažení rovnoměrné distribuce toku látky v těchto zařízeních. Práce bude navazovat na aktuální výsledky výzkumu a vývoje v této oblasti dosažené na Ústavu procesního inženýrství. Součástí práce bude také formulace zjištěných poznatků, závěrů, doporučení a vztahů pro zpřesnění současných projekčních výpočtových postupů pro analýzu distribuce toku v procesních zařízeních. Ve vybraných řešených případech procesních zařízení bude práce rovněž zahrnovat konfrontaci vypočtených hodnot s výsledky jejich provozního měření nebo experimentálního ověření, zejména hodnot jejich výkonových parametrů a tlakových ztrát.
Studijní plán oboru není zatím pro tento rok vygenerován.