Strojní fakulty v Česku se nezastupitelnou měrou zapojují do výzkumu, rozvoje a inovací technologií a produktů využitelných v mnoha oblastech průmyslu. Zeptali jsme se, na čem zajímavém právě pracují. Na strojních fakultách technických univerzit vznikají každoročně stovky vědeckých projektů, jejichž cílem je buď zlepšování stávajících řešení výrobního procesu, nebo vývoj řešení zcela nových přímo v konkrétních firmách. Zároveň však s tímto aplikovaným výzkumem probíhá na vysokých školách i výzkum základní, který pak slouží jako podklad celosvětové akademické komunitě.
Tlakové vířivé trysky s obtokem
Na brněnské VUT momentálně probíhá primární výzkum například v oblasti tlakových vířivých trysek s obtokem. Projekt vznikl jako reakce na zvyšující se požadavky jak v oblasti funkčnosti, tak i v oblasti environmentální. „Tyto trysky se hojně využívají mimo jiné v automobilovém či leteckém průmyslu, v němž nyní hraje prim důraz na snižování emisí. Proto musíme zjistit, jaké vlastnosti a charakteristiky mají trysky mít, aby následně vyrobené motory splňovaly všechny legislativní požadavky,“ vysvětluje řešitel tohoto výzkumného projektu Jan Jedelský a dodává, že právě pochopení toho, jak trysky fungují, bylo motivací pro jeho práci. Do karet tomuto projektu hrál fakt, že současné technologie umožňují daleko širší možnosti výzkumu než v minulosti. Tehdy totiž chyběly zobrazovací metody, které by dokázaly osvětlit, co se děje uvnitř trysky. Vědci tak museli tyto děje odvozovat pouze od toho, co vidí z vnějšku. Tým pod vedením Jana Jedelského se proto ponořil do výzkumu, jehož základem byla unikátní výzkumná aparatura, na níž pak vědci prováděli experimenty. Při nich sledovali velikost, rychlost, koncentraci kapiček či charakter celkového spreje z trysky. K tomu sestavili též průhledný model, na němž pomocí vysokorychlostní kamery a optických měřicích metod sledovali, jak se chová proudění uvnitř trysky, a pro toto proudění následně sestavili i numerický model – digitální kopii experimentu – a ten poté zkoumali pomocí numerických simulací. „Výhodou tohoto přístupu byla možnost validace numerického modelu experimentem. Díky tomu je pak možné zkoumat i další, trochu jiné modifikace trysek, které už se nemusí fyzicky vyrábět,“ vysvětluje dále Jan Jedelský. Tým si tak vlastně zjednodušil práci, a navíc ušetřil nemalé finanční prostředky. Simulace totiž bývají levnější, rychlejší a dají se u nich snadno měnit parametry a lze na nich ověřit mnohé vlastnosti, které se experimentálně zjistit nedají. Pochopení dějů uvnitř trysky umožnilo vyvinout nové modifikace trysek, které se vyznačují lepší stabilitou spreje a regulačními charakteristikami než stávající řešení. Výzkum byl prováděn také ve větrném tunelu (na obrázku) při vystavení spreje proudícímu prostředí. To simuluje reálné podmínky trysek např. ve spalovacích komorách. Výsledky výzkumu pak vědci sestavili do formy impaktovaných publikací, které jsou veřejně dostupné a lze z nich čerpat pro aplikovaný výzkum.
Nový způsob výroby středotlakých šoupátek pro elektrárny a průmysl
I na Fakultě strojní VŠB-TUO se řeší celá řada dalších zajímavých projektů. V rámci těch, které se zaměřují na aplikaci v praxi, byl v minulých letech řešen na FS VŠB-TUO projekt Ministerstva průmyslu a obchodu zaměřený na vývoj nové řady kryogenních kulových kohoutů, na inovativní technologii jejich výroby a jejich zkoušení při kryogenních teplotách, a to ve spolupráci se společností Armatury Group. Na tento výzkum, který skončil v roce 2018, navazuje nyní další projekt, jenž se zabývá vývojem nové řady středotlakých šoupátek, jejich výroby a zkoušení za různých podmínek simulujících 60 let životnosti. Tento druh armatur se využívá zejména v jaderných i klasických elektrárnách, chemickém, hutním či ropném průmyslu. „Naše řešení spočívá ve využití tvářených polotovarů, které jsou svařeny v jeden celek. Na rozdíl od dosud používaných řešení, armatur litých nebo kovaných, se jedná o výrazně levnější variantu, se kterou je možné mnohem pružněji reagovat na požadavky zákazníků,“ říká hlavní řešitel a spolupříjemce projektu Robert Čep. Přínosem tohoto provedení je také vyšší bezpečnost oproti stávajícím řešením, protože armatura je díky své koncepci lehčí než lité nebo kované provedení. Tím dosahuje vyšší odolnosti vůči zemětřesení a dalším přírodním živlům. Těmto požadavkům musí být přizpůsobena nejen tato konstrukce a metodika zkoušení, ale u nového typu armatur se musí také ověřit funkčnost po celou dobu životnosti. Protože s takovýmto způsobem provozu nejsou zkušenosti, musí se vyvinout metodika, která bude simulovat 60 let provozu. Součástí projektu je i vývoj zkušebny, simulující 60 let životnosti armatury, a to za pomoci tří oblastí zkoušek. „Studené zkoušky se zaměřují na vysoký průtok a objem vody, při kterých musí být armatura plně funkční. K dispozici je nutný obrovský bazén a výkonná čerpadla, kterými je možné zkoušet zařízení při těchto parametrech. Seismicitu a vibrace budeme pravděpodobně testovat s Vojenským opravárenským závodem, protože disponují příslušným zařízením pro testování ve třech směrech a dá se na něm simulovat zemětřesení. A na horké zkoušky vyvíjíme vlastní novou zkušebnu, v níž budeme šoupátka testovat při teplotách vody v rozmezí 250–350 °C a tlaku až 200 barů,“ popisuje dále Robert Čep a dodává, že takové parametry teploty a tlaku mohou v elektrárně za určitých situací skutečně nastat a armatura je musí ustát bez sebemenšího poškození.
Využití odpadního tepla pro redukci objemu průsakových vod
Zajímavé výzkumy momentálně probíhají i na ČVUT v Praze. Letos se například bude dokončovat projekt redukce průsakových vod skládky, na němž Fakulta strojní spolupracuje s brněnskou společností, která na skládky dodává kogenerační jednotky. Při skládkování komunálního odpadu ze skládky vytéká pomocí drenážního systému v průběhu času odpadní voda, jejímž zdrojem je srážkový úhrn nad tělesem skládky a zároveň výtlak vlhkosti skladovaného odpadu. Tato voda je legislativně chápaná jako nebezpečný odpad, proto se z tělesa skládky jímá do sběrných nádrží a následně se musí cisternou transportovat do čističky odpadních vod. A celý tento proces likvidace průsakové vody je samozřejmě energeticky a finančně velice náročný. Vlivem chemických procesů v tělese skládky vzniká skládkový plyn, který se následně využívá jako palivo pro kogenerační jednotky umístěné v areálu skládky. Tyto jednotky produkují elektrickou energii, dodávanou do rozvodné sítě a vedlejším produktem tohoto procesu výroby elektrické energie je odpadní teplo, které je v současné době zcela nevyužité. „My k tomuto nyní navrhujeme nové technické řešení, jak co nejlépe využít odpadní teplo z kogenerační jednotky tak, aby se co nejvíce zredukoval objem průsakové vody a firmy, které provozují skládky, nemusely do čističek vozit tak obrovské objemy nebezpečného odpadu,“ objasňuje smysl výzkumu jeho řešitel Jiří Kyncl. Pro redukci objemu průsakových vod odpařováním se využívá výfukový plyn z kogenerační jednotky, do jehož proudu se v odpařovací komoře voda vstřikuje. V rámci aktuálního zkušebního provozu probíhají autorizovaná měření emisí nového zařízení, na základě jejichž výsledků lze konstatovat, že jsou splněny všechny legislativní limity pro emise do ovzduší. Přesto existuje ještě jedna varianta, jak s výparem naložit tak, aby se nedostával do ovzduší. „Pára se může poslat do kondenzační jednotky, kde vznikne kondenzát, který lze využívat pro následné procesy spojené s provozem skládky komunálního odpadu. Vývoj nového technického řešení redukce průsakových vod skládky vede ke snížení ekologické zátěže při provozování skládky,“ říká na závěr Jiří Kyncl. /Kristina Kadlas Blümelová/
