Témata diplomových prací Studijní program Strojní inženýrství, obor Procesní technika Akademický rok: 2016/2017 Vedoucí práce Téma práce Míchání polydisperzních a průmyslových suspenzí Na základě systematických modelových experimentů s modelovými i průmyslovými polydisperzními suspenzemi bude navržena metodika pro návrh procesních charakteristik průmyslových míchaných systémů pro homogenizaci těchto suspenzí. Na základě vyhodnocení energetické náročnosti procesu bude navržena optimalizovaná geometrická konfigurace pro míchání a homogenizaci průmyslových polydisperzních suspenzí, např. suspenzí sádrovce a popílků. Práce bude finančně podpořena z vědecko-výzkumných projektů. Návrh hydrodynamicky optimalizovaných míchadel Práce bude zaměřena na návrh nových geometrií a experimentální stanovení základních procesních charakteristik (příkonová, homogenizační a suspendační charakteristiky) hydrodynamicky optimalizovaných míchadel určených pro standardní svařované ocelové i smaltované aparáty. Experimenty budou vyhodnoceny ve tvaru bezrozměrných charakteristik umožňujících výpočet provozních parametrů geometricky podobných průmyslových míchacích zařízení. V závěru poté porovnejte energetickou účinnost navrženého míchadla se standardizovanými i dalšími typy hydrofoil míchadel. Míchání v technologii výroby vodou ředitelných nátěrových disperzí Cílem práce bude navrhnout na základě modelových experimentů procesní parametry a basic-design zařízené pro míchání, dispergaci a homogenizaci surovin v technologii výroby vodou ředitelných nátěrových disperzí. Specifikem této technologie je omezená teplota, kterou je možné z důvodu vytvrzování nátěrovou hmotu během dispergace a homogenizace vystavit. Práce bude finančně podpořena z vědecko-výzkumných projektů. Dispergace v technologii výroby částicových nanokompozitů a nátěrových systémů Experimentální stanovení vlivu metody dispergace nanočástic v matrici na kvalitu užitných vlastností nanokompozitních materiálů. Na základě experimentů bude provedena energetická optimalizace procesu dispergace v míchané vsádce s rychloběžným míchadlem, s míchadlem statorrotor a pomocí ultrazvuku. Na základě získaných poznatků pak bude proveden koncepční návrh konstrukce dispergačního zařízení pro přípravu daného množství disperze. Práce bude finančně podpořena z vědeckovýzkumných projektů.
Technologie výroby moderních nátěrových systémů V první fázi se diplomant seznámí s technologiemi ve výrobě a zpracování barviv a provede rozbor technologií s ohledem na zařízení a procesy v nich probíhající. Pozornost pak bude věnována modifikaci technologií a zařízení pro výrobu moderních typů barviv vytvářející např. elektricky vodivý nátěr, nátěr senzitivní na teplotu, Završením práce bude provedení a vyhodnocení experimentů modelujících technologii výroby těchto barviv a návrh postupů pro jejich aplikaci v průmyslové praxi. Práce bude finančně podpořena z vědecko-výzkumných projektů. Tokové vlastnosti nátěrových hmot Experimentální stanovení vlivu složení a technologie výroby na reologické vlastnosti nátěrových hmot. Tokové vlastnosti budou vyhodnoceny pomocí vhodně zvoleného reologického modelu. V závěru práce bude diskutován vliv technologie výroby a složení nátěrových hmot na jejich tokové chování a užitné vlastnosti (např. aplikovatelnost, jakost povrchu, mechanické vlastnosti, odolnost proti opotřebení, ). Zařízení pro hnětení a homogenizaci visko-elastických hmot Práce bude zaměřena na studium procesu míchání, hnětení a homogenizaci visko-elastických látek, které se často vyskytují v potravinářském, gumárenském a stavebním průmyslu. Na základě popsání procesu bude zpracováno variantní řešení konstrukce mísícího zařízení. Po zhodnocení variant z hlediska provozní spolehlivosti, energetické náročnosti a investičních nákladů a scale-up zařízení bude vybrána konečná varianta technického řešení zařízení. Závěrem bude zpracování konstrukce zařízení pro konkrétní výkonnost včetně pevnostních výpočtů a zpracování výkresové dokumentace. Práce bude finančně podpořena z VaV projektů. Míchání fermentorů v technologii výroby bioetanolu Cílem práce bude optimalizace procesu míchání fermentorů o středních až velkých objemů v technologii výroby bioetanolu. Optimalizace bude probíhat na základě provedení modelových experimentů nebo pomocí numerických simulací. Práce bude finančně podpořena z VaV projektů. CFD simulace procesů probíhajících v míchaných reaktorech Numerické simulace procesů (tok míchané vsádky, homogenizace, přestup tepla, ) v míchaném reaktoru dané konstrukce. Vyhodnocení získaných dat z CFD simulací a jejich analýza z hlediska vlastností použitých numerických metod a zejména z hlediska porovnání s experimentálně získanými daty a údaji z průmyslových zařízení. Konzultant: Ing. Jan Skočilas, Ph.D. Laboratorní vícerotorové míchací zařízení Proveďte konstrukční návrh laboratorního vícerotorového míchacího zařízení, které bude umožňovat modelování procesů probíhajících v míchané vsádce míchané až třemi míchadly, tj. dvě souosá a jedno boční. Konstrukce musí umožnit použití různých geometrických konfigurací míchadel a jejich různé polohy. Dále navrhněte systém měření a regulace frekvence otáčení všech míchadel a měření příkonů na všech hřídelích. Práce bude finančně podpořena z vědecko-výzkumných projektů.
Laboratorní zařízení pro mísení partikulárních látek Proveďte konstrukční návrh laboratorního zařízení pro mísení partikulárních látek s horizontální stacionární komorou. Konstrukce musí umožňovat použití různých geometrických konfigurací míchadel. Dále navrhněte způsob regulace a měření frekvence otáčení a měření příkonu na hřídeli míchadla. Práce bude finančně podpořena z vědecko-výzkumných projektů. Scale-up a scale-down procesů probíhajících v míchané vsádce Vyhledejte v literatuře data a procesní parametry pro míchací procesy v geometricky podobných zařízeních různé velikost a proveďte jejich vyhodnocení na základě teoretické analýzy daného procesu a definujte scale-up a scale-down pravidla pro vybrané procesy. Práce bude finančně podpořena z vědecko-výzkumných projektů. prof. Ing. Rudolf Žitný, CSc. Scale-up míchání visko-plastických a pseuodoplastických materiálů Na základě literární a patentové rešerše vytipujte vhodné geometrické konfigurace míchacích zařízení pro míchání visko-plastických a pseudoplatstických materiálů a sumarizujte data pro stanovení procesních charakteristik. Pro vybranou geometrickou konfiguraci proveďte sadu experimentů v geometricky podobných míchacích zařízení o různé velikosti a definujete pravidla pro scale-up procesů probíhajících v takovéto míchané vsádce. Práce bude finančně podpořena z vědecko-výzkumných projektů. Proudění viskoelastických látek v kanálech Teoretický rozbor 2D laminárního proudění viskoelastických nestlačitelných tekutin v přímých kanálech. Předpokládá se numerické řešení (pravděpodobně s použitím konečných diferencí) a jeho implementace v Matlabu. Další podrobnosti jsou k dispozici na http://users.fs.cvut.cz/rudolf.zitny/rz10gaussmetznerwhiteeng.pptx. Nicméně diplomová práce by neměla být tak složitá, jak je uvedeno v odkazu a řešení by mělo být maximálně zjednodušeno, například předpokladem konstantní viskozity a aproximaci rychlostního pole. Konzultant: Ing. Martin Dostál, Ph.D. prof. Ing. Rudolf Žitný, CSc. CFD analýza toku viskoelastických látek v kanálech CFD analýza 2D proudění viskoelastických kapalin v přímých kanálech užitím software ANSYS Polyflow. Budou testovány různé modely viskoelastického chování implementované v Polyflow pro jednoduché geometrie přímých a konvergentních/divergentních kanálů. Cílem CFD řešení je vyhodnocení axiálních profilů napětí na stěnách kanálu při různých průtocích. Toto CFD řešení by mělo popsat souvislost mezi pozorovanými veličinami (jako je výstupní tlak a axiální gradient tlaku) a reologickými parametry. Predikce CFD může být porovnána s výsledky experimentů při extruzi kolagenu (tyto experimentální výsledky budou k dispozici). Konzultant: Ing. Jan Skočilas, Ph.D.
doc. Ing. Radek Šulc, Ph.D. (zadáno) doc. Ing. Radek Šulc, Ph.D. (zadáno) doc. Ing. Radek Šulc, Ph.D. (zadáno) Bilance děliče vzduchu Cílem této práce bude vytvoření simulačního modelu děliče vzduchu umožňujícího výpočet hmotové a entalpické bilance a dále stanovení provozních parametrů hlavních aparátů. Návrh linky na zpracování prášků Cílem této práce bude návrh linky na zpracování práškového materiálu a basic design hlavních aparátů. Přestup tepla v airlift reaktoru Experimentální práce. Měření přestupu tepla plyn kapalina v probublávaných reaktorech. Literární rešerše (vliv procesních podmínek na přenos tepla & hmoty, zádrž, velikost bublin, aplikace). Experimentální část. Vyhodnocení experimentů. doc. Ing. Radek Šulc, Ph.D. (zadáno) doc. Ing. Radek Šulc, Ph.D. CFD simulace v mechanicky míchané nádobě Cílem této práce bude numerická simulace proudění v mechanicky míchané nádobě při míchání newtonské kapaliny. Dispergace kapalina-kapalina v mechanicky míchaných nádobách Experimentální práce. Literární rešerše (vliv procesních podmínek na dispergaci kapalina- kapalina, velikost kapiček, metody měření velikosti kapiček, aplikace). Experimentální část. Vyhodnocení experimentů. Lignocelulózová biorafinerie Zpracujte rešerši zaměřenou na možnosti transformace lignocelulózových odpadů na chemicky ušlechtilé látky a biopaliva. Vytipujte perspektivní produkty vyrobitelné z odpadní lignocelulózové biomasy. Na základě tržního potenciálu, cen bioproduktů s nízkou a vysokou ekonomickou hodnotu navrhněte modelovou biorafinerii využívající biochemickou transformaci odpadů na vybrané druhy komodit. Vypracujte proudové technologické schéma, hmotové a energetické bilance, a ekonomické zhodnocení technologie ve vztahu k vývoji cen ekvivalentních produktů vyráběných z fosilních surovin. Vliv mechanické dezintegrace na účinnost hydrotermického zpracování odpadní biomasy Proveďte laboratorní experimenty zabývající se vlivem mechanické dezintegrace na účinnost hydrotermického zpracování a účinnost biochemického zpracování suroviny. Při experimentech pracujte s vybranými druhy lignocelulózových odpadů, které jsou typické pro výroby bioplynu a bioetanolu. Pro mechanickou dezintegraci využijte macerátor a pro hydrotermické zpracování laboratorní jednotky pro termickou a termicko-expanzní předúpravu. Na základě experimentálních dat vyhodnoťte vliv mechanické dezintegrace na účinnost následného zpracování včetně energetické bilance a vlivu na výtěžnost vybraného biopaliva.
Efektivní technologie a zařízení pro extrakci chemicky cenných látek z mikrořas Cílem experimentálně zaměřené diplomové práce je vyhodnotit vliv termicko-expanzní předúpravy, různých metod mechanické dezintegrace a ozařování na účinnost rozpadu buněčných stěn vodních řas a porovnat energetickou náročnost jednotlivých procesů. Efektivní těsnicí systém hřídelů tlakových nádob zpracovávajících abrazívní materiály Zpracujte patentovou, průmyslovou a literární rešerši zaměřenou na problematiku utěsňování hřídelů míchadel tlakových nádob, zpracovávajících abrazívní materiály, např. kafilernickou surovinu. Proveďte kritické zhodnocení možností utěsňování vzhledem k povaze suroviny a procesním podmínkám technologie a vypracujte basic design vhodných těsnicích systémů. Vypracujte projekční dokumentaci a potřebné pevnostní výpočty laboratorní jednotky pro ověření odolnosti vhodných těsnicích systémů vůči abrazi. Proveďte testování odolnosti vhodných těsnicích systémů z hlediska odolnosti vůči abrazi a vyhodnoťte získaná data z hlediska limitních procesních parametrů, životnosti, spolehlivosti a výrobních nákladů. Definujte metodiku scale-up a basic design efektivního těsnicího systému. Technologie a zařízení pro separaci ethylenglykolu z odpadního PET Seznamte se s technologickými možnostmi separace ethylenglykolu z odpadního PET. Navrhněte proudové technologické schéma poloprovozní technologie tohoto zpracování, vypracujte basic design expanzní hlavy extrudéru a nádobu pro separaci plynných a kapalných produktů včetně aparátů pomocných technologií pro následné zpracování vznikajících produktů. Proveďte potřebné hydrodynamické a pevnostní výpočty. Zúčastněte se provedení poloprovozních experimentů, vyhodnoťte získaná data, a spočítejte hmotové a energetické bilance včetně ekonomické analýzy procesu. Ing. Jan Skočilas, Ph.D. Software pro výpočet vlastních frekvencí kmitání hřídelů míchacích zařízení Zpracujte literární rešerši zaměřenou na problematiku stanovení kritických otáček hřídelů míchacích zařízení pro různá konstrukční uspořádání. S využitím teoretických znalostí proveďte demonstrativní analytický výpočet pro vybranou konfiguraci. Po ověření platnosti a spolehlivosti nalezených vztahů vytvořte program (Excel, Visual Basic) pro výpočet vlastních frekvencí kmitání hřídelů míchacích zařízení. Analýza toku taveniny extrudérem Při návrhu šneku pro dopravu taveniny např. v extruderu je důležité znát rychlostní pole v mezeře mezi závity šneku. Tavenina musí být správně promíchána i z hlediska přestupu tepla z vyhřívaného válce šneku. Pro
zadané geometrické parametry šneku, fyzikální parametry taveniny a operační parametry procesu, vytvořte model toku taveniny šnekem extruderu. Šnek bude mít konstantní otáčky a model nebude uvažovat přestup tepla. Výsledkem bude stanovení rychlostního pole uvnitř mezery šneku a alespoň řádové porovnání tlakové ztráty s výpočtem nebo hodnotami z literatury. Ing. Jan Skočilas, Ph.D. Ing. Jan Skočilas, Ph.D. Ing. Karel Petera, Ph.D. Ing. Karel Petera, Ph.D. Analýza vlivu rozmístění sušených objektů na proces sušení Konvektivním sušárny odstraňují vlhkost z materiálu prouděním teplého vzduchu okolo sušených objektů. Rozmístění objektů má ale vliv na rychlostní pole sušícího vzduchu a tím dochází k nerovnoměrnému sušení jednotlivých vzorků v sušící komoře. Proveďte analýzu vlivu vzdálenosti (rozteče) dvou sušených objektů v konvektivní sušárně na rychlost sušení. Vzorky jsou umístěné za sebou ve směru proudu sušícího vzduchu. Experiment proveďte na konvektivní sušárně v halových laboratořích fakulty. Vytvořte CFD model proudění vzduchu okolo sušených objektů a porovnejte výsledky modelu s experimentem. Simulace vytlačování kolagenní hmoty Pro stanovení viskoelastických parametrů kolagenní hmoty se používá kapilární reometr, který vytlačuje hmotu obdélníkovou kapilárou. Z naměřených parametrů experimentu lze stanovit základní charakteristiky reologického modelu popisující tok hmoty kapilárou. Proveďte simulaci toku kolagenní hmoty kapilárou včetně výtoku hmoty z ústí kapiláry do volného prostoru pro konstantní rychlost deformace. Model vytvořte v programu Ansys Polyflow. Porovnejte tlakovou ztrátu v kapiláře a tvar vyrobeného vzorku získaný simulací a experimentem. Optimalizujte parametry modelu na základě experimentálních dat. CFD simulace usazování v nádrži pro chov ryb Cílem této práce je modelování a numerické simulace proudění v nádrži pro chov ryb. Kromě samotného proudění bude obsahem práce také zkoumání distribuce částic krmiva, jeho usazování, vliv umístění vtoku či odtoku, rychlosti proudění atp. Chov ryb v umělých nebo přírodních nádržích tvoří důležitou část potravinářského průmyslu a optimálnější podmínky mohou přispět k vyšší efektivitě procesu. Prostředky CFD jsou dnes nezbytnými nástroji při návrhu průmyslových zařízení a stanovení optimálních provozních parametrů. CFD simulace přestupu tepla v míchané nádobě Cílem této práce je modelování a numerické simulace proudění a přestupu tepla v míchané nádobě. Podobnou konfiguraci lze nalézt v celé řadě průmyslových zařízení, kde je potřeba kromě samotného míchání zajistit i dobrý přestup tepla. Součástí této práce bude vytvoření modelu v programu ANSYS CFD a srovnání výsledků simulací s dostupnými experimentálními daty.
Ing. Martin Dostál, Ph.D. Ing. Martin Dostál, Ph.D. Ing. Jiří Moravec, Ph.D. Var Přestup tepla při varu. Sušení a sušárny Účel sušení, rozdělení a aplikace sušáren. Vlastnosti sušeného materiálu. Kinetika sušení a matematické modely. Matematický model pásové sušárny. Odsávání plynů z procesu pomocí parního ejektoru zadaná práce Ing. Jiří Moravec, Ph.D. Ing. Jiří Moravec, Ph.D. Ejektorové odsávání kondenzátu z odparky Cílem této práce bude navrhnout ejektor vhodný pro odsávání kondenzátu a inertních plynů z odparky o známých parametrech tlaku, teploty a množství vznikajících látek. V rámci práce bude třeba nejprve zpracovat rešerši na téma návrhových výpočtů ejektoru s vodou jako hnacím médiem a kapalinou či plynem jako hnaným médiem. Na základě vybraného výpočtového postupu pak budou stanoveny základní rozměry ejektoru a bude zpracována jeho kompletní výkresová dokumentace. Následně budou provedeny kontrolní numerické výpočty navrženého ejektoru a jejich výsledky budou porovnány s výsledky experimentálních měření na reálném zařízení s případným návrhem optimalizace navrženého ejektoru. Využití míchadel pro měření tokových vlastností látek Cílem této práce bude provést rešerši o možnostech měření reologických vlastností látek pomocí nestandardních zařízení se zaměřením na využití míchadel. Úkolem je zjistit, jaké typy míchadel jsou pro tato měření vhodná, stanovit metodiku měření a pro vybrané typy míchadel provést experimentální měření na různých látkách, ze kterých bude možné učinit závěry o možné využitelnosti a přesnosti měření. Rozsah práce bude stanoven individuálně dle možností a zájmu studenta. Součástí nemusí být jen experimentální měření, ale také návrh CFD modelu, který by mohl být použit pro porovnání se skutečným zařízením. Ing. Jaromír Štancl, Ph.D. Ing. Jaromír Štancl, Ph.D. Dielelektrické vlastnosti potravin Cílem této práce bude návrh elektrodového systému pro měření dielektrických vlastností vybraného vzorku potraviny a realizace měření těchto dielektrických vlastností v závislosti na vlhkosti a teplotě vzorku, případně dalších parametrech. Z naměřených dat bude identifikován jednoduchý model, popisující elektrické vlastnosti tohoto materiálu. konzultant: prof. Rudolf Žitný, prof. Jan Vrba (FEL ČVUT) Vliv deformace na elektrické vlastnosti biopolymeru Cílem této práce bude návrh úpravy stávajícího vytlačovacího reometru pro možnost měření elektrických vlastností během toku biopolymerního
materiálu (kolagenu) úzkou štěrbinou a realizace měření těchto elektrických vlastností v závislosti na deformaci vytlačovaného materiálu. Z naměřených dat bude identifikován jednoduchý model, popisující vliv deformace na elektrické vlastnosti tohoto materiálu. konzultant: prof. Rudolf Žitný, prof. Jan Vrba (FEL ČVUT) Ing. Bohuš Kysela, Ph.D. Modelování vícefázového proudění Práce bude zaměřena na numerické simulace vícefázového proudění, a to převážně na tvorbu emulze. Výchozím krokem by mělo být řešení proudění jednofázového systému např. v míchané nádobě. Následně by měl být zvolen způsob modelování dvou vzájemně nemísitelných tekutin. Modelování by mělo být provedeno pomocí sw. balíku OpenFoam (případně ANSYS Fluent). Výsledkem by měl být postup řešení a vyhodnocení distribuce a velikosti částic jedné nemísitelné tekutiny v druhé. Ing. Bohuš Kysela, Ph.D. Ing. Bohuš Kysela, Ph.D. Modelování obtékání lopatky míchadla Záměrem této práce je numerické modelování proudění za lopatkou míchadla. Použití identifikačních kritérií pro vyhodnocení vírových struktur tvořených za různými geometriemi lopatek (úhlů natočení, geometrie hran, opotřebením atp.) v závislosti jejich příkonu a distribuce disipace turbulentní kinetické energie. Modelování by mělo být provedeno pomocí sw. balíku OpenFoam (případně ANSYS Fluent). Výsledkem by měl být nástroj pro optimalizaci geometrie lopatek axiálních a radiálních rychloběžných míchadel. Měření LDA/PDA v jedno a vícefázovém systému Práce je zaměřena na měření rychlostního pole a velikosti částic pomocí lasser dopplerovské anemometrie. Měření bude prováděno v uzavřeném systému např. míchané nádoby, kde bude provedeno měření rychlostního na jednofázovém systému, které bude porovnáno s výsledky získanými při následných měřeních ve dvoufázovém systému dvou nemísitelných kapalin. Výsledkem by měly být podmínky použitelnosti dané metody (velikost částic, koncentrace atp.) pro měření dvoufázového systému. konzultant: Ing. Jiří Konfršt, Ph.D. Ing. Michal Netušil, Ph.D. Optimalizace taktové linky Cílem této práce bude optimalizace taktové linky pro nanášení povlaků. Optimalizace se zaměří na kvalitu přilnavosti povlaků a řešení minimalizace spotřeby chemikálií a energií. Hlavním úkolem bude identifikovat úzká místa linky a navrhnout řešení pro zvýšení kapacity produkce. Pro práci budou poskytnuta průmyslová data.