2010 - Instytut Maszyn Przepływowych PAN

SPRAWOZDANIEz prac prowadzonychw Ośrodku Termomechaniki Płynów IMP PANw roku 2010REFERENT / RECENZENTPROF. MARIAN TRELAGdańsk, 18 stycznia 2011

Temat O2 / T3Temat O2 / T2Temat O2 / T1LISTA TEMATÓWTemat / ZadanieKierownikZakładPrac.LiczbaetatówProblemy aeromechaniki, eksploatacji, diagnostyki maszyni urządzeń energetycznychProf. dr hab. inżPiotr DoerfferZadanie 1: Zagadnienia aeromechaniki, eksploatacjii diagnostyki cieplno-przepływowej turbin parowychZadanie 2: Przepływy pod- i naddźwiękowe z silnymi oddziaływaniamiProcesy ekologicznego spalania w urządzeniach energetycznych,także z wykorzystaniem biomasyProf. dr hab. inż.Piotr LampartProf. dr hab. inżPiotr DoerfferDr inż.Dariusz KardaśZ1 5.5Z2 7.5Zadanie 1: Modele procesów proekologicznego spalania w urządzeniachenergetycznychZadanie 2: Transport energii i spalanie w przepływiez wykorzystaniem odnawialnych źródeł energiiProblemy cieplno-przepływowe w urządzeniach niskotemperaturowejenergetyki cieplnej, także z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energiiProf. dr hab. inż.Janusz BadurDr inż.Dariusz KardaśProf. dr hab. inż.Marian TrelaZ3 3.1Z4 6Zadanie 1: Mikrosiłownie na czynniki organiczneZadanie 2: Obiegi skojarzone lewobieżne oraz prawobieżne z wykorzystaniemekologicznych czynników roboczychZadanie 3: Zastosowanie procesów elektrohydrodynamicznych oraznanotechnologii w zagadnieniach cieplno-przepływowych energetykiProf. dr hab. inż.Jarosław MikielewiczProf. dr hab. inż.Marian TrelaProf. dr hab. inż.A. JaworekZ5 5.4Z6 5.5Z7 4razem etatów: 372

OSIĄGNIĘCIA OŚRODKA1. Książki – autorstwo rozdziału w monografii (3)• Głuch J., Trela M., Kwidziński R., Butrymowicz D., Wykorzystanie własnościstrumienicowych regeneracyjnych wymienników ciepła do poprawienia efektywności irozplanowania siłowni nadkrytycznych bloków energetycznych.Rozdział 5.4 w monografii “Systemy, technologie i urządzenia energetyczne”,red. J. Taler, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2010, tom 2,str. 755-764, ISBN 978-83-7242-543-0 (nr arch. IMP PAN 550/2010)• Kwidziński R., Trela M., Butrymowicz D., Karwacki J., Problemy wykorzystaniastrumienic dwufazowych w energetyce cieplnej.Rozdział 1.10 w monografii “Systemy, technologie i urządzenia energetyczne”,red. J. Taler, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2010, tom 1,str. 143-152, ISBN 978-83-7242-543-0 (nr arch. IMP PAN 494/2010)• Trela M., Kwidziński R., Głuch J., Butrymowicz D., Koncepcja strumienicowegoukładu regeneracyjnego.Rozdział 4.2 w monografii “Obiegi cieplne nadkrytycznych bloków węglowych”,red. T. Chmielniak i A. Ziębik. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2010, str. 133-165+ bibl. str. 208-210, ISBN 978-83-7335-680-1 (nr arch. IMP PAN 181/2010)3

OSIĄGNIĘCIA OŚRODKA1. Książki – redakcja naukowa monografii• Doerffer P. (Editor), Progress in Hybrid RANS-LES Modelling – Paperscontributed to the 3rd Symposium onHybrid RANS-LES Methods, Gdansk,Poland, June 2009, Springer series – Notes on Numerical Fluid Mechanics andMultidisciplinary Design (NNFM 111), 2010, ISBN 978-3-642-14167-6,także autorstwo rozdziałów: Description of Test Section and Measurement ina Nozzle for Shock Upstream Mach Number M=1.45, UFAST Project –Unsteady Effects in Shock Wave Induced Separation, pp. 339-347• Doerffer P. (Editor), Unsteady Effects of Shock Wave Induced Separation,Springer series – Notes on Numerical Fluid Mechanics and MultidisciplinaryDesign (NNFM 114), 2010, ISBN 978-3-642-03003-1,także autorstwo rozdziału 7. Natural Shock Unsteadiness in Nozzle,pp.183-218• Doerffer P. (Editor), UFAST Experiments – Data Bank,IMP PAN Publishers, 2009, ISBN 978-83- 88237-46-14

OSIĄGNIĘCIA OŚRODKA2. Publikacjea) publikacje recenzowane – 30 (33)w tym publikacje z listy filadelfijskiej – 9 (13)b) zaproszone wykłady – 3 (13)c) referaty na konferencjach międzynarodowych – 15 (46)d) referaty na konferencjach krajowych – 21 (15)3. Prace doktorskie (2)dr Tomasz Hajdukdr inż. Marcin Szostak(promotor prof. Dariusz Butrymowicz)(promotor prof. Janusz Badur)(x) – dane z poprzedniego roku5

OSIĄGNIĘCIA OŚRODKA4. Działalność w instytucjach (programach) krajowychMikielewicz J. – prezes Oddziału PAN w GdańskuMikielewicz J. – wiceprzewodniczący Komitetu Energetyki PANMikielewicz J. – członek Komitetu Termodynamiki i SpalaniaMikielewicz J. – koordynator ze strony PAN d/s współpracy naukowejz ChinamiDoerffer P. – przewodniczący Podsekcji Przepływów Wewnętrznych, SekcjaMechaniki Płynów Komitetu Mechaniki PANDoerffer P. – członek Rady Naukowej TASK jako przedstawiciel PANDoerffer P. – nominowany do Społecznej Rady Redukcji Emisjiprzy Premierze RPTrela M. – członek Komitetu Termodynamiki i Spalania PAN6

OSIĄGNIĘCIA OŚRODKA5. Działalność w instytucjach (programach) międzynarodowych (1)Butrymowicz D. – członek Międzynarodowego Instytutu Chłodnictwa wParyżu, Komisja B1 - Thermodynamics and Heat Transfer ProcessesDoerffer P. – członek ERCOFTAC (European Research Community On Flow,Turbulence And Combustion) Management Bard and Industry AdvisoryCommitteeDoerffer P. – członek komitetu naukowego czasopisma Journal of ThermalSciences (Springer-Verlag GmbH, Pekin)Doerffer P. – redaktor kwartalnika TASK QuarterlyDoerffer P. – członek Międzynarodowego Komitetu KonferencyjnegoInternational Symposium on Aerothermodynamics of Internal Flows (ISAIF)7

OSIĄGNIĘCIA OŚRODKA5. Działalność w instytucjach (programach) międzynarodowych (2)Głuch J. – członek American Society of Mechanical Engineers (ASME)Lampart P. – członek International Gas Turbine Institute TurbomachineryCommittee, ASMEMikielewicz J. – członek Wessex Institute of Technology Southampton, UKMikielewicz J. – członek International Centre of Heat and Mass TransferMikielewicz J. – członkostwo w jury konkursu o nagrodę SIEMENSA.Wierciński Z. – członek Geselschaft für Angewandte Mathematik und MechanikWierciński Z. – członek EUROMECHWierciński Z. – uczestnik The ERCOFTAC SIG 10 on Transition Modelling8

OSIĄGNIĘCIA OŚRODKA6. Uzyskane nagrody i wyróżnieniaProf. J. Mikielewiczmgr inż. O. Szulcstatuetka “Apollo”, za wkład do dziedzinyEnergetyka, Politechnika WrocławskaI nagroda za najlepszą pracę z Mechaniki Płynówim. Elsnera, na Krajowej Konferencji MechanikiPłynów 2010Wykłady na zaproszenieDoerffer P. - Unsteady loads due to shock wave unsteadiness,, 5 th InternationalConference “Supply on the Wings”, Frankfurt, 2-4.XI.2010Badur J. - Nierówność Clausiusa-Duhema, referat na posiedzeniu KomitetuMechaniki PAN, Politechnika Gdańska, Gdańsk, 15.VI.2010Badur J. - Od nierówności entropijnej Clausiusa do nierówności energetycznejDuhema, referat na Posiedzeniu Komitetu Mechaniki PAN, AkademiaGórniczo-Hutnicza, 17.XI.20109

OSIĄGNIĘCIA OŚRODKA7. WdrożeniaOptymalizacja systemu dysz OFA do kotła OP-230autorzy: D. Kardaś, T. Kamiński, I. Wardach.Zaproponowano nowy, symetryczny układ dysz OFA, który bardziejrównomiernie rozdziela powietrze, przez co poprawia się efektywnośćspalania pyłu węglowego. Wartość wdrożenia dla jednego kotła – około300 000 złotych rocznie (zlecenie C2 42/2010 dla EC Wybrzeże).8. Organizacja konferencjiBiogazownie dla Pomorza, Gdańsk, 10-12.V.2010współorganizator: Zakład Energii Odnawialnych(D. Kardaś)10

OSIĄGNIĘCIA OŚRODKA9. Współpraca międzynarodowa Współpraca w ramach projektów europejskich, w tym koordynacjaprojektów europejskich IAPP (Industry–Academia Partnership) i ITN(Initial Training Network) przez prof. P. Doerffera. Współpraca z Instytutem Technicznej Ciepłofizyki (ITTF) NarodowejAkademii Nauk Ukrainy w Kijowie w badaniach przejścia laminarnoturbulentnegoindukowanego śladami spływowymi(prof. Z. Wierciński). Współpraca z Universitet Catholique de Louvain (UCL), Facult dessciences appliqués, Unit TERM (Belgia) w zakresie badań nadstrumienicami jedno- i dwufazowymi do wykorzystania ich wzagadnieniach energii odnawialnych, zgodnie z umową o współpracynaukowej i naukowo – technicznej z zagranicą na lata 2008-2010(prof. D. Butrymowicz).11

PROJEKTY BADAWCZE W OŚRODKU1. PROJEKTY MNiSWLiczba projektów: realizowanych – 18 (19), w tym uzyskane w 2010 – 6 (7)lp Kierowniknr grantu1 H. BielińskiN51218803392 D. ButrymowiczN5134891393 P. DoerfferN5022094384 Z. DrożyńskiN5123561375 J. KarwackiN5133347386 A. KrupaN5234169377 R. KwidzińskiN513485239Tytuł projektuAnaliza wymiany ciepła i ruchu płynu w miniimikrokanałach obiegu dwufazowego z cyrkulacjąnaturalną i wymuszonąBadania dwufazowej pompy strumieniowej dlaobiegów z czynnikami łatwowrzącymiNowa koncepcja generatora wirów wzdłużnych(RGV) do przeciwdziałania oderwaniu w przepływachpod i naddźwiękowychAnaliza możliwości chłodzenia przy pomocycyrkulacji w obiegu rury cieplnejBadania pompowania kapilarnego wmikrokanałowych wymiennikach ciepłaBadanie właściwości filtracyjnych nanowłókninwytwarzanych metodą elektrohydrodynamicznąBadania własności przepływu w okołokrytycznejstrumienicy parowo-wodnejNr i datarozp. umowy1880/B/T02/07/3317.10.20074891/B/T02/10/3910.09.20102094/B/T02/10/3803.03.20103561/B/T02/09/3722.09.20093347/B/T02/10/3822.03.20104169/B/T02/09/3726.08.20094852/B/T02/10/3923.09.2010Terminzakończenia16.10.201009.09.201302.03.201321.09.201221.03.201325.02.201222.09.2013c.d.n.12

PROJEKTY BADAWCZE W OŚRODKUprojekty MNiSW (ciąg dalszy)lpKierowniknr grantu8 M. LackowskiN5133969369 R. MatyskoN513 419034910 T. OchrymiukN50136713411 M. SzymaniakN51331273512 J. ŚwirydczukN51202132/407613 M. TrelaN512318138Tytuł projektuZastosowanie dielektroforezy do regulacji przepływu wmikrokanałach w energetyce rozproszonejBadania poprawy efektywności energetycznej układówchłodniczych poprzez odzysk ciepła przegrzaniaSkuteczność chłodzenia łopatek turbinowych przy różnychkonfiguracjach wydmuchu chłodziwaKompleksowe badanie wpływu ukształtowania geometriikanałów łopatkowych w obrębie upustów na strukturę isprawność przepływu ostatnich stopni turbin parowychAnaliza numeryczna 3D wzajemnego oddziaływaniakoherentnych struktur wirowych w wieńcu wirnikowymstopnia turbinowegoBadanie zmodyfikowanego obiegu kaskadowego zużyciem dwutlenku węglaNr i datarozpoczęciaumowy3969/B/T02/09/3615.04.20094190/B/T02/08/3409.05.20083671/B/T02/08/3405.05.20083127/B/T02/08/3512.09.20084076/T02/07/3203.04.20073181/B/T02/10/3822.03.2010Terminzakończenia14.10.201108.05.201109.05.201111.11.201002.02.201021.03.2013c.d.n.13

PROJEKTY BADAWCZE W OŚRODKUprojekty MNiSW (dokończenie)lpKierowniknr grantuTytuł projektuNr i datarozpoczęciaumowyTerminzakończ.Projekty badawcze habilitacyjne14 H.BielińskiN51235603715 A. KrupaN51135203716 R. SzwabaN502265837Uogólnienie modelu termosyfonu z cyrkulacją czynnika wpętli z przemianami fazowymi w obecności pól masowychBadanie wpływu wyładowania wstecznego na procesodpylania elektrostatycznegoAplikacja strumieniowych generatorów wirów wzdłużnychdo redukcji oderwania w przepływie naddźwiękowym3560/B/T02/09/3722.09.20093520/B/T02/09/3728.08.20092658/B/T02/09/3712.10.200921.09.201127.02.201111.10.2011Projekty badawcze promotorskie17 D. Butrymowicz(K.Śmierciew)N513 39733618 Z. Wierciński(J. Jurkowska)N501 225439Badania eksperymentalne i teoretyczne strumienicnapędowych w układach klimatyzacji solarnejJednoczesny wpływ intensywności i skali turbulencjistrumienia zewnętrznego na parametry przejścialaminarno-turbulentnego typu by-pass w warstwieprzyściennej3973/B/T02/09/3623.04.20092254/B/T02/10/3930.09.201015.03.201129.09.201214

PROJEKTY BADAWCZE W OŚRODKUlpKierowniknr grantuTytuł projektuDatarozpoczęciaTerminzakończ.1 D. ButrymowiczPOIG-01.03.01.-20-137/09-002 P. DoerfferW. OstachowiczPOIG.01.01.02.00-015/08-003 M. TrelaP. LampartPBZ/MEiN-4/2/20064 D. MikielewiczSP/E/1/67484/10(Zero Emisji)Projekt rozwojowyNowoczesne technologie naukowe sektora rolnospożywczegoprzy ograniczeniu emisji gazówcieplarnianychProjekt kluczowyNowoczesne technologie materiałowe stosowane wprzemyśle lotniczym (koordynator P. Rzeszowska)AERONET - Dolina LotniczaProjekt zamawianyNadkrytyczne bloki węglowe:Zadanie 1.2.1 C, Zadanie 1.2.1 D, Zadanie III.4.3(koordynator: Politechnika Śląska – Prof. T. Chmielniak)Projekty strategicznyZaawansowane technologie pozyskiwania energii.Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zeroemisyjnych“bloków węglowych zintegrowanych zwychwytem CO2 ze spalin (konsorcjum)10.09.2009 31.12.201301.07.2008 30.06.201330.01.2007 01.03.201005.05.201015

PR 7 PR 6PROJEKTY BADAWCZE W OŚRODKU2. PROJEKTY ZAGRANICZNE – 7 (6)lpKierownikKoordynator1 P. DoerfferSnecmaMoteurs2 P. DoerfferRolls-RoyceTytuł projektuTLC – Towards Lean Combustion (W kierunku ubogiegospalania), koordynator Snecma MoteursERICKA – Engine Representative Internal CoolingKnowledge and Applications3 P. Doerffer FACTOR - Full Aero-thermal Combustor-Turbineinteraction Research4 P. Doerffer STADYWICO - Static and Dynamic Piezo-drivenStreamwlse Hortex Generators for Active Flow Control5 P. Doerffer MARE - Nowe materiały i niezawodność w małouciążliwej dla środowiska technologii morskich turbinwiatrowych6 P. Doerffer IMESCON - Innowacyjne metody sterowania oderwaniemw aeronautyce7 P. Lampart Rozwój energetyczny gmin w zgodzie z naturą (FundacjaPoszanowania Energii)Nr i data rozp.umowy118/6PRUE/2005/730.03.2006ACP8-GA-2009-2337992008ACPO-GA-2010-26598501.12.2010Nr 2513091.10.20102010FP7-People-2010 –ITNNr 2646722010Norway Grants2010Terminzakończ.31.03.2010201201.12.201420.09.201416

ZLECENIA ZEWNĘTRZNE C2Liczba prac w C2 – 13 (15)LpKierownik umowyZleceniodawca1 J. Badur ALSTOM PowerSp. z o.o., Elbląg2 P. Doerffer Rolls-Royce,NiemcyTytułObliczenia pracy układu spalania turbiny GT8Cdla gazu GZ50 z dodatkami azotuSymulacja chłodzenia strugowego przy pomocymetody LESNrumowy45/0817/093 J. Badur WAT Opracowanie numerycznego modelu pracytermo-katalitycznego układu oczyszczaniapowietrza64/094 P. Doerffer Instytut Lotnictwa,WarszawaObliczeniowa analiza aeroakustyczna dwóchwirników nośnych śmigłowca (etap I)68/095 P. Doerffer LMS InternationalN.V., BelgiaBadanie zastosowania strug syntetycznych (cz. 1) 4/106 P. Doerffer CTO, Gdańsk Analizy obliczeniowe projektu tuneluaerodynamicznego7 D. Butrymowicz Magnetic, USA Charakterystyki pracy układu klimatyzacjisolarnej z izobutanem jako czynnikiem roboczymwspółpracującym z kolektorami solarnymic.d.n.14/1023/1017

ZLECENIA ZEWNĘTRZNE C2(dokończenie)LpKierownikumowyZleceniodawca8 J. Badur PGE Elektrownie,Opole9 D. Kardaś ElektrociepłownieWybrzeże S.A.,GdańskTytułWyznaczenie charakterystyk dynamicznej sondytemperaturowej 18K 370Wykonanie dokumentacji remontu generalnego,analizy pracy i zleceń remontowych dla kotła nr 7w elektrociepłowni gdańskiej10 P. Doerffer Energa – Obrót S.A. Badania mikroelektrowni wiatrowej IFVE-2000Ww tunelu aerodynamicznym w zakresie prędkościod 2 do 80 m/s11 M. Szymaniak Posteor Sopot Zastosowanie w turbinie 225 MW blok nr 3rozwiązania patentowego Nr 160805 i patentudodatkowego nr 17021512 D. Kardaś MOREMASKINERA.S.Wykonanie badań polegających na weryfikacjimożliwości osiągnięcia przez spaliny w reaktorzeCHP Xenergo 1,5 MW temperatury spalania napoziomie 1100ºC przez co najmniej 2 sekundy13 J. Badur Urząd Miasta Gdynia Ekspertyza w zakresie filtracji wody gruntowej iopadowej wokół budynku MMGNrumowy36/1042/1045/1050/1074/1076/1018

Temat O2 / T1Problemy aeromechaniki,eksploatacji, diagnostyki maszyni urządzeń energetycznychKierownik tematu: Prof. Piotr Doerffer19

Temat O2/T1, Zadanie 1Zagadnienia aeromechaniki,eksploatacji i diagnostykicieplno-przepływowejturbin parowychWykonawcy:Prof. dr hab. inż. P. Lampart , kierownik zadaniaProf. dr hab. inż. J. ŚwirydczukProf. dr hab. inż. J. GłuchProf. dr hab. inż. A. Piętakdr inż. M. Szymaniakdr inż. J. Żabskimgr inż. Ł. Jędrzejewskimgr inż. A. NastałekProf. dr hab. inż. A. Gardzilewicz - emerytProf. dr hab. inż. J. Krzyżanowski - emeryt20

Przedmiot badańBadanie wybranych zagadnień aerodynamiki turbin parowych dużejmocy oraz rozwój metod analizy numerycznej przepływu przez układyłopatkowe turbinBadanie turbin / mikroturbin i układów kogeneracyjnych pracującychw zakresie energetyki rozproszonej, opartych o źródła biomasyi biogazuPrace badawczo-rozwojowe i wdrożenia przemysłowe, w tymmodernizacje elementów konstrukcji turbin oraz układów diagnostykicieplno-przepływowej aparatów siłowni cieplnych21

Uzyskane rezultaty Wdrożono rozwiązanie licencyjne stopnia przed upustem (patent P160-805) w Elektrowni Połaniec - turbozespół 225 MW w części NP z wylotemND41 na bloku nr 3. Zbadano wpływ modelu turbulencji na jakościowy i ilościowy charakterwyników obliczeń niestacjonarnego przepływu w stopniach maszynprzepływowych. Wyznaczono niejednorodności obwodowe wynikające z przepływu parydo upustu regeneracyjnego. Przeprowadzono analizę numeryczną wariantu podstawowegoi rozszerzonego procesu nagrzewania turbiny przeciwprężnej o mocy30 MW w trakcie rozruchu. Rozwinięto model numeryczny przepływu przez wirnik turbiny tarczowejTesli oraz turbiny wiatrowej Savoniusa. Opracowano szereg wytycznych do strategii rozwoju energetycznego gmin Rozbudowano program optymalizacji sprawnościowej układówłopatkowych turbin Opti_turb o procedury optymalizacji kształtu profilułopatkowego.22

Publikacjełącznie w ramach zadania i projektów – 15:Lampart P., Kosowski K., Piwowarski M., Jędrzejewski Ł., Design analysis of a Tesla microturbineoperating on a low-boiling medium, Polish Maritime Research, Vol. 16 (2009), SpecialIssue No. 1, pp. 28-33Szymaniak M., Doerffer P., Świrydczuk J., Unsteady flow past a vertical axis wind turbinerotor, Materiały Krajowej Konferencji Mechaniki Płynów 2010Rządkowski R., Lampart P., Kwapisz L., Szymaniak M., Drewczyński M., Transientthermodynamic, thermal and structure analysis of a steam turbine during its start-up, TurbineTechnical Conference & Exposition - Turbo Expo, Glasgow 14-18.VI.2010, ASME Pap.GT2010-22813Kiciński J., Lampart P., Cogeneration in a large and small scale, Acta Energetica (Eng.), Vol.1 (2009), No 2, pp. 20-28Projekty badawcze 2 własne MNiSW, PBZ – Nadkrytyczne Bloki Węglowe (koordynator: Politechnika Śląska), NCBiR – Program strategiczny „Zadanie Badawcze Nr 4”, POIG: 3.1. Science2Business, NORWAY GRANTS – Rozwój Energetyczny Gmin w zgodzie z Naturą, POIG: 1.1 – „Modelowe kompleksy agroenergetyczne...”, INTERREG: „BioENERGY PROMOTION” , NORWAY GRANTS – „Energy Conservation without Borders”,23

Wdrożenie nowego rozwiązania przed upustem regeneracyjnymw części NP turbiny 225 MW blok nr 3 w elektrowni Połaniecdr inż. M. Szymaniak, prof. dr hab. inż. Andrzej GardzilewiczPorównanie linii prądu:a) przed modernizacją, b) po modernizacjiZalety: eliminacja zawirowań za stopniem w płaszczyźniemerydionalnej i obwodowej eliminacja mieszania dwóch strumieni przepływugłównego z przeciekiem wykorzystanie wyższej energii przecieku nad łopatkowegow upuście regeneracyjnym zmniejszenie erozji przez efektywną separację kropel wody24

Badania sprawności przepływu w mikroturbinie TesliModel wielodyskowy turbinyCiśnienie statyczne i linie prądu w turbinie TesliElementy płynu wykonują co najmniej kilka obrotów wokół osi w obszarze międzytarczowym.W dół przepływu za dyszami obserwuje się fale uderzeniowe.Na modelu o średnicy 320 mm, przy prędkości obrotowej 9000 obr/min, układ przepływowycharakteryzuje się sprawnością oscylującą wokół 50%.25

Redukcja niestacjonarnych obciążeń stopnia regulacyjnego turbinyKontury ciśnieniaSiły niestacjonarne– typowy stopień regulacyjnySiły niestacjonarne – stopień regulacyjny nowej konstrukcji26

Nagrzewanie turbiny parowej przy rozruchuTemperatura w płynie i metalu (oraz izolacji) - faza 6 rozruchu turbinySchemat nagrzewania turbinyStrumień ciepła na powierzchni korpusów27

Temat O2/T1, Zadanie 2Przepływy pod- i naddźwiękowez silnymi oddziaływaniamiWykonawcy:Prof. dr hab. inż. Piotr Doerffer, kierownik zadaniadr inż. Ryszard Szwabamgr inż. Oskar Szulcmgr inż. Jan Artur Szumskimgr inż. Tomasz Lewandowskimgr inż. Janusz TelegaProf. dr hab. inż. Zygmunt Wiercińskimgr inż. J. Jurkowska28

Przedmiot badańPrzeciwdziałanie oderwaniu na podciśnieniowej stronie łopatki turbinowejprzez zastosowanie generatorów strumieniowych (Flaszyński, Szwaba)Likwidacja fali uderzeniowej przez pasywną wentylację (Szulc)Numeryczne i eksperymentalne określenie charakterystyk przepływu przezperforowane ściany o różnej porowatości (Lewandowski, Szumski)Doskonalenie metody pomiaru ciśnienia przy pomocy farby (PSP)(Szumski, Telega, Szwaba)Badania eksperymentalne mikroprzepływów (Ochrymiuk, Szwaba)Badania innowacyjnej koncepcji wykorzystania wirnika Savoniusa (Telega)Badania wymiany ciepła przy pomocy ciekłych kryształów (Telega,Szwaba)Badanie przejścia laminarno-turbulentnego (PLT) typu by-pass,spowodowanego podwyższona turbulencją strumienia zewnętrznego,a w szczególności wpływu intensywności i skali turbulencji na PLT(Wierciński)29

Uzyskane rezultatyA: Przepływy pod- i naddźwiękowe z silnymi oddziaływaniami Określono efektywność przeciwdziałania oderwaniu na łopatce zchłodzeniem przy pomocy generatorów wirów wzdłużnych Określono niestacjonarne efekty oddziaływania fali uderzeniowejz warstwą przyścienną przy różnych liczbach Macha Wyznaczono charakterystyki przepływów przez perforowane ścianyo różnych geometriach perforacji Wykonano pierwsze badania na nowym stanowisku pomiarowym dobadania mikro-przepływów Przebadano nową koncepcję wiatraka o osi pionowejB: Przejście laminarno-turbulentne w maszynach przepływowych Uzupełniono badania eksperymentalne przejścia laminarno-turbulentnego(PLT) typu by-pass o dwa kolejne generatory turbulencji Wyznaczono trójparametrową korelację początku PLT, z uwzględnieniemjednoczesnego wpływu intensywności i skali turbulencji Opracowano nowe korelacje dotyczące wpływu dyssypatywnej skaliturbulencji Lu na PLT30

PublikacjeA: Przepływy pod- i naddźwiękowe z silnymi oddziaływaniamiłącznie – 16, w tym najważniejsze:redakcja naukowa 3 monografii:‣ Doerffer P. (Editor), UFAST Experiments – Data Bank, IMP PAN Publishers, 2009ISBN 978-83- 88237-46-1‣ Doerffer P. (Editor), Progress in Hybrid RANS-LES Modelling, Springer series – Notes on Numerical FluidMechanics and Multidisciplinary Design (NNFM111), 2010,ISBN 978-3-64214167-6‣ Doerffer P. (Editor), Unsteady effects in shock wave induced separation, Springer series – Notes onNumerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design (NNFM114), 2010,ISBN 978-3-642-03003-1Szwaba R., Comparison of the influence of different air-jet vortex generators on the separation region,Aerospace Science and Technology, AESCTE:2545, ELSEVIER 2010Lewandowski T., Ochrymiuk T., Czerwińska J., Modeling of Heat Transfer in Microchannels Gas Flow,Journal of Heat Transfer ASME, Vol. 133 (2010), No. 2Doerffer P., Szulc O., Passive control of shock wave applied to helicopter rotor high-speed impulsive noisereduction, TASK QUARTERLY, Vol. 14 (2010), No. 3, pp. 301-309Szwaba R., Doerffer P., Jet Vortex Generators Effect on Spatial and Temporal Features of Shock InducedSeparation, 3AF, Proceedings of 45th Symposium of Applied Aerodynamics, Marsylia, March 2010Szulc O., Doerffer P., Application of the passive control of shock wave to the reduction of high-speedimpulsive noise, 3AF, Proceedings of 45th Symposium of Applied Aerodynamics, Marsylia, March 2010Szulc O., Doerffer P., Validation of the perforated wall boundary condition for transonic flows, Proceedingof Iftomm - International Symposium on dynamics of Steam and Gas Turbines, 2009, pp. 107-10831

PublikacjeB: Przejście laminarno-turbulentne w maszynach przepływowychłącznie - 7, w tym najważniejsze: Z. Wierciński, J. Jurkowska, Influence of turbulence scale on laminar-turbulenttransition in a Bondary layer, 8 th Int. Symposium on Engineering, Turbulence,Modelling and Measurements – ETMM8, Marseille, France, 9-11 June 2010 Z. Wierciński, A. Skotnicka-Siepsiak, Quasi-steady exergy variations in aheating season for traditional and passive single family houses, CLIMA 2010,9-12 May 2010, Antalya, TurcjaJ. Żabski, Z. Wierciński, Phase-averaged velocity profile measurements in theinduced by wakes boundary layer, Proceedings of XIX Polish National FluidDynamics Conference, Poznań, September 2010Z. Wierciński, J. Jurkowska, Simultaneous impact of intensity and turbulencescale to the beginning of laminar-turbulent transition, Proceedings of XIXPolish National Fluid Dynamics Conference, Poznań, September 2010 Z. Wierciński, Analiza układu łopatkowego wentylatorów tunelu wiatrowego waspekcie zmiany kąta ustawienia łopat, Pozycja planu: C2-14/2010, odbiorca:ZIPO Gdańsk, listopad 201032

Projekty badawczeMNiSW – 2: habilitacyjny – dr inż. R. Szwaba, ”Aplikacja strumieniowych generatorówwirów wzdłużnych do redukcji oderwania w przepływie naddźwiękowym”własny – prof. P. Doerffer, „Nowa koncepcja generatora wirówwzdłużnych (RVG) do przeciwdziałania oderwaniu w przepływachpod- i naddźwiękowych”7 PR UEkooperacjaAkronimProjektuERICKAFACTORTytułKoordynatorEngine Representative Internal Cooling Knowledge and ApplicationsRolls RoyceFull Aerothermal Combustor – Turbine interactiOn ResearchSNECMA7PR UEMarie-CurieKoordynator IMP PAN Akronim ProjektuSTA-DY-WI-COIAPP (ind-acad)IMESCONITN (Init. Train.Network)TytułSTAtic and DYnamic piezo-driven StreamWIse vortex generatorsfor active flow COntrolInnovative MEthods of Separated Flow CONtrol in Aeronautics33

Projekty badawczeB: Przejście laminarno-turbulentne w maszynach przepływowychProjekty badawcze na lata 2010-2012:grant promotorski Nr NN501 225439 pt.: „Jednoczesny wpływ intensywnościturbulencji i skali turbulencji strumienia zewnętrznego na parametry przejścialaminarno-turbulentnego typu by-pass w warstwie przyściennej”, z MNiSW nabadania eksperymentalne związane z doktoratem mgr inż. Joanny JurkowskiejInne wydarzenia:Otwarcie przewodu doktorskiego: mgr inż. Aldona Skotnicka-Siepsiak, asystentkaWNT UWM, wszczęcie doktoratu RN IMP PAN,1.12.2010 nt.: Badanie histerezy efektu Coandy34

Budowa i uruchomienie nowego stanowiskapomiarowego z układem chłodzeniado badania wymiany ciepła w palisadach turbinowychFolia z ciekłymikryształamielektrodyŚlad strumienia chłodzącegoOtwory chłodząceWidok stanowiska pomiarowegoPrzykładowy wynik pomiaru temperatury35

Budowa i uruchomienie nowego stanowiskapomiarowego do badania mikroprzepływówprzez perforowaną płytkę1234567Widok stanowiska pomiarowego36

Przejście laminarno-turbulentne: jednoczesny wpływ intensywnościi skali turbulencjiWyznaczenie jednoczesnego wpływu intensywności i skali turbulencji na parametry PLT jest wciążotwartym problemem mechaniki płynów i maszyn przepływowych, brak jest wciąż korelacjidotyczących wpływu skali turbulencji Lu z jednoczesnym uwzględnieniem intensywności.Tworzymy dwa nowe bezwymiarowe średnie całkowe parametry ITu i ILu:ITum1xtx t0TudxILu**, m1xtx t0Lu**granice całek: 0 - krawędź natarcia płyty, x t –początek PLTKorelacja trójparametrowa na liczbę Reynoldsapoczątku przejścia laminarno-turbulentnego :Re**t k ITum1m ILum2**, mdxSzkic stanowiska badawczegoZnajdujemy metodą regresji wartości trzechwspółczynników:Dane siatek:k, m1 i m2,G1G2G3G4d=0.3 mm, M=1 mm,d=0.6 mm, M=3 mm,d=1.6 mm, M=4 mm,d=3.0 mm, M=10 mm37

Przejście laminarno-turbulentne: jednoczesny wpływ intensywnościi skali turbulencjiKorelacja początku PLT Re t**w zależności od średniego całkowego poziomuturbulencji ITu m i całkowej bezwymiarowej skali turbulencji ILu δ**,m - jako rzutykorelacji trójparametrowej na płaszczyzny Re t**- ITU oraz Re t**- ILU38

Przejście laminarno-turbulentne: jednoczesny wpływ intensywnościi skali turbulencjiKorelacja początku PLT Re**t w zależności od poziomu turbulencji Tu m nakrawędzi natarcia płyty - porównanie badań własnych i danych literaturowych39

Temat O2 / T2Procesy ekologicznego spalaniaw urządzeniach energetycznych,także z wykorzystaniem biomasyKierownik tematu: Dr inż. Dariusz Kardaś40

Temat O2/T2, Zadanie 1Modele procesów proekologicznegospalania w urządzeniachenergetycznychWykonawcy:Prof. dr hab. inż. Janusz Badur, kierownik zadaniadr inż. Michał Karczdr inż. Marcin Lemańskimgr inż. Witold ZakrzewskiLucjan Nastałek (doktorant)Daniel Sławiński (doktorant)41

Przedmiot badańModelowanie proekologicznego i elektrochemicznego spalania paliwPrzepływy, wymiana ciepła i reakcje chemiczne w mikrokanałachZasady zrównoważonej konwersji energii ze szczególnymuwzględnieniem energii chemicznejUzyskane rezultatyZdefiniowanie nowych warunków brzegowych dla przepływówz poślizgiem nieliniowymOpracowanie metodologii obliczeń i zaprojektowanie mikroreaktoratermokatalitycznej dekompozycji gazów bojowychOpracowanie podstaw wzmożonego transportu masy, pędui energii42

Publikacjełącznie w ramach zadania – 11, w tym najważniejsze: J. Badur, M. Karcz, M. Lemański, Generalization of the Navier-Stokes slip layerconcept involving interfacial mobility, Archives of Mechanics (po recenzjach) M. Karcz, S. Kowalczyk, J. Badur, On the influence of geometric microstructuralproperties of porous materials on the modeling of a tubular fuel cell, Chemical andProcess Engineering, 31 (2010), pp. 489-503 J. Badur, M. Karcz, M. Lemański, On the mass and momentum transfer In the navier-Stokes slip layer, Microfluidics and Nanofluidics (wysłane)Projekty badawczeKBN – 0inne – 1 (TLC)Prace dla przemysłuALSTOM – 1, WAT – 1MERCOR – 1, UM Gdynia – 1DoktoratyMarcin Szostak, Analiza termodynamiczno -wytrzymałościowa nowego stopniaregulowanego na przykładzie turbinyprzemysłowej 34 MW, IMP PAN, Gdańsk2010promotor: Prof. Janusz Badur43

Modele oporów przepływuTarcie zewnętrzne o ściankę (skin friction)a) Coulomb, 1800fu su20 2 sTarcie wewnętrzne warstw płynu (wall stress)b) 22 Rumford, 1790wdu0 drWarunek poślizgu na brzeguc) Navier, 1822f du 2 dr w 0A2ddru244

Warunki brzegowe z poślizgiem nieliniowymWzmożenie przepływu w mikrokanałach z poślizgiem nieliniowymHamowanie przepływu w mikrorurce - mechanizm ruchliwości termicznej45

Mikroreaktor termokatalitycznyKonstrukcja reaktoraPrzykładowe wyniki obliczeń – stężenie substancjiszkodliwych w funkcji długości reaktora46

Modelowanie przepływu kondensującej paryWizualizacja linii prądu w króćcuwylotowymRozkład zawartości fazy ciekłej w parzedla dwóch wartości ciśnieniaObliczenie pełnej części niskoprężnej turbiny 200 MW ze stopniem Baumannazweryfikowane wcześniejszymi pomiarami IMP PAN47

Modelowanie pracy wentylatora podczas oddymianiaWyznaczanie wytrzymałości wentylatora po dwugodzinnym oddymianiu wtemperaturze t = 600°C (pełzanie wysokotemperaturowe).Strzałki wskazują miejsca o największym wytężeniu materiału.48

Temat O2/T2, Zadanie 2Transport energii i spalaniew przepływie z wykorzystaniemodnawialnych źródeł energiiWykonawcy:dr inż. Dariusz Kardaś, kierownik zadaniadr inż. Sylwia Polesek-Karczewskadr inż. Tomasz Ochrymiukmgr inż. Izabela Wardach-Święcickamgr inż. Tomasz Kamińskimgr inż. Jacek Kluska49

Przedmiot badań Modelowanie procesów cieplno-przepływowych w kotłachenergetycznych Badanie i modelowanie procesu pirolizy i spalania biomasyoraz węgla kamiennego Optymalizacja geometrii układu zasilania kotłów i zgazowarek Opis i modelowanie zjawisk fizyko-chemicznych w złożu porowatymUzyskane rezultaty Opracowanie efektywnych metod modelowania procesów cieplnoprzepływowych(korozja, odsiarczanie) Własne oprogramowanie dotyczące modelowania pirolizy Projekty układu powietrza dysz OFA i zgazowarek na biomasę i odpady Rozwój oprogramowania procesów fizyko-chemicznych w złożuporowatym50

Publikacjełącznie w ramach zadania – 5 (+ ponad 20 raportów): Kardaś D., Modelowanie procesów cieplno-przepływowych w kotłach energetycznych,Zeszyty Naukowe IMP PAN, nr 553/1512/2010 Lewandowski T., Ochrymiuk T., Czerwińska J., Modeling of heat transfer inmicrochannel gas flow, Journal of Heat Transfer, Vol.132 (2010) Kluska J., Kardaś D., Modeling of chemical and physical processes in reactive porousbed, Zeszyty Kopernikańskie, 2010 Wardach-Święcicka I., Kardaś D. Modeling of single solid fuel particle combustion ina free stream flue gases, XIX Polish National Fluid Dynamics ConferenceKKMP2010, Poznań University of Technology, Poznań, 5-9 September 20 Kardaś D., Polesek-Karczewska S., Simulation of heat and mass transfer in a retortbiomass burner, przyjęty do publikacji w „Inżynieria Chemiczna i Procesowa” Kamiński T., Kardaś D., Modelowanie procesu spalania i wymiany ciepła wwężownicowym kotle na biomasę, Konferencja ENERGETYKA 2010, 3-5.XI.2010WrocławProjekty badawczeMNiSW – 1Uczestnictwo w przygotowywaniui prowadzeniu kilku projektów IMP PANPrace dla przemysłuIChPW – 1EC Wybrzeże – 1Moremaskiner -151

Modelowanie procesów cieplno-przepływowychw kotłach energetycznychPraca habilitacyjnaZagadnienia teoretyczne• opis mieszanin wieloskładnikowychi mieszanin dwufazowych w warunkachnierównowagi termodynamicznej• badania własności falowych równańbilansowych powstałych w oparciu orozszerzoną termodynamikęnierównowagową• zastosowanie metod objętościkontrolnych i różnic skończonych wrozwiązywaniu układów równańbilansowych i ewolucyjnych• modelowaniu przepływów ciepła wmateriałach porowatych, złożachupakowanych i mieszaninachdwufazowych• modelowania i badania eksperymentalnesyntezy dwuskładnikowej w przepływieZastosowanie modelowania w praktyce• badania eksperymentalne i numeryczneprzepływów pyłu węglowego w palnikuwirowym• analiza spalania i aerodynamikimieszanek węgla w kołachenergetycznych oraz wpływ ich składu naefektywność pracy kotła• opis spalania osadów ściekowych w kotleenergetycznym• badanie i wielowariantowe modelowaniesuchego odsiarczania węgla w kotle dużejmocy• opis metod i analiza numerycznaskuteczności ochrony instalacjipowietrznych przed wysokotemperaturowąkorozją siarkową52

Szybkość pirolizy biomasyZ mm 0dZdtZmiana stopnia pirolizy H( Z Ze)k(Z Ze)Z – bieżący stopień pirolizyPiroliza jest procesem jednokierunkowymZ e – równowagowy stopień pirolizyH – Funkcja Heaviside’a, k – funkcja szybkości pirolizy53

Symulacje numeryczne – spalanie węglaRozkład zmiany gęstości węgla w zależności odtemperatury – dane eksperymentalne (IChPW Zabrze)Udział części lotnych – porównanie modeliUdział masowy CO (rozkładpłaszczyźnie poziomej):po lewej – model standardowy,po prawej – UDF (zmiennagęstość)54

Modelowanie spalania biomasy w kotle wężownicowymPole prędkościPodstawy modelowania:•szybkość pirolizy drewna w funkcji:1. Różnicy stopnia pirolizy i równowagowegostopnia pirolizy2. stałej szybkości pirolizy (z eksperymentów)• skład gazów pirolitycznych z równowagi chemicznej(potencjał Gibbsa mieszaniny)• spalanie gazów wg różnych modeli, m.in.:1. Saxena-Wiliams 35 równań2. Grimech 150 równań3. Pressumed PDF 2 równania (stopieńzmieszania i wariancja stopnia zmieszania)Pole temperaturUdział masowy tlenu

Opracowanie wytycznych projektowych dla dysz OFA i zgazowarekOptymalizacja pracy dysz powietrzanadpłomieniowego (OFA) w kotle pyłowymDwa kotły (K9 i K10) o mocy 200 MWc,podobnej konstrukcji:• Wyższa efektywność spalania w K9• Duża zawartość części palnych w K10Rezultaty analizy• Zasilanie palników i dysz OFAw powietrze w K10 jest niesymetryczne.• Stosunek ilości powietrza pomiędzy lewą i prawąstroną 40:60 w K10Zgazowarka do utylizacji odpadów i biomasy.Warunki pracy i eksploatacji• Moc cieplna 1.5 MW,• Temperatura powyżej 1100°C,• Czas przebywania cząstek pow. 2 sek.Konstrukcja• Rozdział obszaru pirolizy i spalania,• Zawirowanie spalin,• Zastosowanie nowych, wysokotemperaturowychmateriałów.Modelowaniespalaniasyngazuo składzie:- CO 20%,- H2 20%,- CO2 12%,- CH4 2.5%Kocioł K10– rozkład prędkościTrajektoria cząsteczki spalinw reaktorze56

Modelowanie transportu ciepła na ruszcie kotłasstWT = 1godz usss utgggq xW QqT q txT = 2godzqbrzp T4płT4brzNa brzegu złoża transportciepła przez promieniowanie.Paliwo na ruszcie tworzy złoże porowate.T = 4godz57

Modelowanie palnika retortowegodssdx sdsdTdT dxW A V du sssdTdTdxTq s xmsZ ms,0AVdqdxWQVWA ks,0s,0kss s,0sA er,0 E a RT Ze Rozkład temperatury wzdłuż palnika retortowego dlaróżnych wartości wydatku objętościowegoZmiana objętościowego udziału paliwa wzdłuż palnikaretortowego dla różnych wartości wydatku objętościowegoRozkład ilości gazów pirolitycznych wzdłuż palnikaretortowego dla różnych wartości wydatku objętościowego58

T [oC]Przetwarzanie biomasy i odpadów4500,0454000,043503000,0352502000,03Tw[st.C]p [bar]Test palności próbka gazu zebranaz pirolizy PET150100500,0250,0200 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100t [min]Zmiany temperatury i ciśnienia wtrakcie pirolizy PET0,015Skropliny pirolizy bawełnySkropliny pirolizy drewna

Temat O2 / T3Problemy cieplno-przepływowew urządzeniach niskotemperaturowejenergetyki cieplnej, także z wykorzystaniemodnawialnych źródeł energiiKierownik tematu: Prof. Marian Trela60

Temat O2/T3, Zadanie 1Mikrosiłownie na czynniki organiczneWykonawcy:Prof. dr hab. inż. Jarosław Mikielewicz, kierownik zadaniadr inż. Zbigniew Drożyńskidr inż. Eugeniusz Ihnatowiczdr inż. Henryk Bielińskidr inż. Robert Matyskomgr inż. Sebastian Bykućmgr Witold Rybińskimgr inż.Tomasz Kaczmarczykmgr inż. Bartosz Żarnowski61

Przedmiot badańmikrosiłowne kogeneracyjnetermosyfon dwufazowy w zastosowaniu do mikrosiłownikondensacja pary wodnej z mieszaniny parowo-powietrznejw skraplaczach energetycznych i skraplaczach mikrosiłowniUzyskane rezultaty (mikrosiłownie kogeneracyjne)Opracowano algorytmy i programy obliczeniowe dla mikrowymienników ciepła(skraplacza i parownika) typu mikrokanalikowego, płytowego i płaszczoworurkowego.Przeprowadzono symulację pracy parownika i skraplacza w warunkachnominalnych.Przeprowadzono analizę pracy skraplacza i parownika przy częściowym obciążeniucieplnym skraplacza mikrosiłowni.Przeprowadzono analizę stanów dynamicznych skraplacza i parownika.W Katedrze Techniki Cieplnej Politechniki Gdańskiej we współpracy z IMP PANbadano prototyp mikrosiłowni ORC z różnymi ekspanderami rotacyjnymi typuwyporowego.62

Uzyskane rezultaty (termosyfon)Opracowano teoretyczny model rozdzielony przepływu dwufazowego wymianyciepła i ruchu płynu w minikanałowym termosyfonie z cyrkulacją wspomaganąminipompą.Sprawdzono jego funkcjonowanie na termosyfonie z ogrzewaniem bocznej pionowejgałęzi i chłodzeniem na górnym odcinku poziomym.Opracowano programy numeryczne rozkładu masowej prędkości czynnikadwufazowego w funkcji gęstości strumienia ciepła dostarczanego do obiegu,z uwzględnieniem korelacji Zhang-Webb’a dla określenia lokalnego współczynnikatarcia w odcinkach adiabatycznych i Trana’a dla określenia lokalnego współczynnikatarcia w odcinkach nieadiabatycznych oraz korelacji El_Hajala dla określenia stopniazapełnienia (void fraction).Dla minikanałowego termosyfonu dwufazowego uzyskano rozkład współczynnikaprzejmowania ciepła dla wrzenia w przepływie i kondensacji wg uogólnionejkorelacji Mikielewicza (2007), także dla wrzenia wg korelacji Saitoh’a (2007), a dlakondensacji wg korelacji Shah’a.63

Uzyskane rezultaty (kondensacja pary wodnej)Kontynuowano badania polegające na określeniu rozkładu koncentracji gazówinertnych w trójwymiarowej przestrzeni skraplaczy obiegów cieplnych.Prowadzono obliczenia dla pęczków pierwszego oraz drugiego biegówkondensatora, dla powierzchni z wymuszoną i swobodną konwekcją. Uzyskanewyniki pozwalają zlokalizować obszary w których zaleganie tych gazów jestnajwiększe.Porównano dwa stosowane powszechnie sposoby odsysania gazów inertnych zeskraplaczy:a) Pierwszy z nich to rozwiązanie (Siemensa) stosowane w kondensatorach z„wstęgowym” układem rurek. Niekondensujące się gazy odsysane są w czterechpunktach skraplacza, za chłodnicami powietrza, tuż przy zimnym końcu urządzenia.Są to skraplacze współpracujące w podstawowych w Polsce obiegach z turbinamio mocy 200 MW.b) Drugim, nowszym rozwiązaniem, jest układ (BBC) z pęczkami rurek w kształcie„church window”. W rozwiązaniu tym gazy inertne odsysane są wzdłuż całejdługości skraplaczy, z chłodnic umieszczonych w środkach tych trójkątnychpęczków.64

Publikacjełącznie w ramach zadania - 18, w tym najważniejsze:Mikielewicz D., Mikielewicz J., A thermodynamic criterion for selection of working fluid forsubcritical and supercritical domestic micro CHP, Applied Thermal Engineering, Vol. 30(2010), No. 16, 2357-2362 (nr arch. IMP PAN 530/2010)Mikielewicz J., Micro heat and power plants working in organic Rankine cycle, Polish Journalof Environmental Studies, Vol. 19 (2010), No. 3, 499-505 (nr arch. IMP PAN 529/2010)Mikielewicz D., Mikielewicz J., Wajs J., Experiences from operation of different expansiondevices application in domestic micro CHP, Archives of Thermodynamics, Vol. 31 (2010), No.4, pp. 3-14 (nr arch. IMP PAN 650/2010)Projekty badawcze• 7 projektów• projekt kluczowy POIG.01.01.02-00-016/08 – 28 prac, w tym najważniejsze:Mikielewicz D., Mikielewicz J., Ihnatowicz E., Muszyński T., Gliński M., Porównanie pod względemkompaktności różnych rozwiązań konstrukcyjnych parownika i skraplacza pracujących w obiegumikrosiłowni (nr arch. IMP PAN 573/2010, zad. 5.6).Mikielewicz D., Mikielewicz J., Ihnatowicz E., Gliński M., Bykuć S., Porównanie pod względem termicznoprzepływowymoraz opłacalności różnych rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń ekspansyjnych w obiegumikrosiłowni z mikroturbiną (nr arch. IMP PAN 574/2010, zad. 5.6)Mikielewicz J., Rybiński W., Matysko R., Analiza pracy różnych rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń obieguORC przy zmiennych obciążeniach cieplnych mikrosiłowni (nr arch. IMP PAN 572/2010, zad. 5.1)65

Publikacjepoza tematem - najważniejsze:Mikielewicz J., Stąsiek J., Rola termodynamiki w rozwoju cywilizacji, Technika Chłodnicza iKlimatyzacyjna 9/2010, 360-369 (nr arch. IMP PAN 629/2010)Mikielewicz J., Mikielewicz D., Gumkowski S., A model of fluid liquid film breakdown formeddue impingement of a two-phase jet on a horizontal surface, Elsevier, International Journal ofHeat and Mass Transfer 53 (2010), 5456-5464 (nr arch. IMP PAN 531/2010)Mikielewicz D., Mikielewicz J., Plata M., Muszyński T., Piwnik J., Experimental andtheoretical investigation of microjet cooling in metalurgical heat transfer and renewablesources of energy, Proceedings of the XIIIth International Symposium on Heat Transfer andRenewable Sources of Energy – HTRSE-2010, ZUT Szczecin, 2010, WydawnictwoUczelniane ZUT w Szczecinie, 577, 445-452, ISBN 978-83-7663-035-9 (całość), ISBN 978-83-7663-054-4 (nr arch. IMP PAN 692/2010)Mikielewicz D., Mikielewicz J., Wajs J., Ihnatowicz E., Experimental investigation of ORC fordomestic micro CHP, Developements in Mechanical Engineering, Gdańsk University ofTechnology Publishers, Gdańsk, 2010, 256, Vol 4, Chapter 14, 153-160, ISBN 978-83-7348-301-9 (Nr arch. IMP PAN 637/2010).66

Mikrosiłownia kogeneracyjna1p 1, T 1, h 1p 2, T 2, h 2w T2p 4, T 4, h 4w pDomowa mikrosiłownia kogeneracyjna4p 3, T 3, h 3Schemat obiegutermodynamicznego mikrosiłownikogeneracyjnej367

Mikrosiłowna z systemem sterowaniaSprawnośd turbinySchemat układuSprawnośd pompySprawność pompy i mikroturbiny jest niższa gdy moc dostarczana jest poniżej warunkównominalnych. Warunki nominalne dla pompy i mikroturbiny odpowiadają maksimum naprzedstawionych charakterystykach sprawności w funkcji mocy. 68

Różne konstrukcje wymienników ciepła poddane analizieWężownica spiralna (rura w rurze)Wężownica płaskaMałe wymienniki płaszczowo-rurowe69

Stanowisko laboratoryjne ORC70

Wyniki badań eksperymentalnych różnych urządzeń ekspansyjnychEkspander spiralnyRunm R123 Q evap Q cond N i t =N i/( i Q evap) C i bkg/s kW kW kW % % % %1 0.034 8.14 7.69 0.473 5.8 29.2 29.0 19.92 0.040 9.12 8.70 0.456 5.0 26.2 25.2 19.13 0.041 9.01 8.12 1.050 11.7 28.1 52.1 41.64 0.043 10.13 9.22 0.959 9.5 30.6 42.9 31.0Silnik pneumatyczny – wiertarka pneumatycznaRunm R123 Q evap N i N eff t C i bkg/s kW kW kW % % % %1 0.025 6.41 0.820 0.127 12.8 32.5 81.4 39.42 0.031 8.23 0.713 0.153 8.9 32.9 60.8 27.13 0.029 7.39 0.703 0.138 9.5 31.2 57.5 30.54 0.028 7.13 0.771 0.106 10.8 31.9 68.8 33.95 0.021 5.44 0.626 0.102 11.5 32.1 75.3 35.8Silnik pneumatyczny – klucz pneumatycznyNo.m etanol Q par N t N el t =N t / Q evap C i bkg/s kW kW kW % % % %1 0,013 14,79 0,759 0,121 5,13 30,01 67,10 17,092 0,014 15,96 0,769 0,130 4,82 30,32 73,68 15,903 0,014 16,01 0,907 0,085 5,66 32,61 82,35 17,374 0,014 15,84 0,881 0,057 5,56 33,50 78,52 16,5971

Analiza wymienników kanalikowych pracujących w mikrosiłowniSchemat obiegu ORC i przebiegi temperatur w wymiennikach72

Uogólniony model minikanałowegotermosyfonu dwufazowegoSSS1083S2L CPL HHSL7HPSLCCSS7P 6PB4LP0SS65W ANALIZIE ZASTOSOWANO:STOPIEŃ ZAPEŁNIENIA(VOID FRACTION) WEDŁUG KORELACJI:EL-HAJAL (2003)LOKALNY WSPÓŁCZYNNIK TARCIAPRZEPŁYWU DWUFAZOWEGO:ODCINKI ADIABATYCZNEWEDŁUG KORELACJI:ZHANG -WEBB (2003),ODCINKI NIEADIABATYCZNEWEDŁUG KORELACJI:TRAN (2000).73

Kondensacja pary wodnej z mieszaniny parowo-powietrznejw rzeczywistych skraplaczachp[kPa]p gm ( l )p v m ( l ) = p s (t m) (l)popvo = ps(to)p v i ( l ) = p s (t c i)(l )WODACHŁODZĄCAt[°C]t m (l)t oVvpWILGOTNEPOWIETRZEDO POMPPRÓŻNIOWYCHc gt w ( l )m wt w i (l )t c i (l)t w o (l)c g m = c (l)VvVvtKOMORAPOWIETRZNAKOMORAPAROWASKRAPLACZA[ - ]c g oc g eTHERMAL BOUNDARY LAYERCONDENSATE FILMTBL GAS SUBLAYERKONDENSATKANAŁODSYSANIAMIESZANINYPAROWO-POWIETRZNEJSzkic do modelu koncentracjigazów inertnych na powierzchniachwymiany ciepłaNowy, aktywny sposóbewakuacji gazów inertnych zpowierzchni wymiany ciepła74

Temat O2/T3, Zadanie 2Obiegi skojarzone lewobieżneoraz prawobieżne zwykorzystaniem ekologicznychczynników roboczychWykonawcy:Prof. dr hab. inż. Marian Trela, kierownik zadaniaProf. dr hab. inż. Dariusz Butrymowiczdr Jarosław Karwackidr inż. Roman Kwidzińskimgr inż. Kamil Śmierciewinż. Tomasz Przybyliński75

Przedmiot badańpoprawa sprawności obiegów lewobieżnych poprzezzastosowanie strumienic gazowych (parowych)poprawa sprawności prawobieżnego obiegu Rankinaprzez wykorzystanie strumienic dwufazowychmodelowanie pracy komory przechowalniczejwspółpracującej ze sprężarkowym układemchłodniczym76

Uzyskane rezultatyWykonano symulacje numeryczne przepływu 3D w strumienicy gazowej,uzyskując dobrą zgodność z danymi eksperymentalnymiOpracowano model matematyczny strumienicy ze stożkowo-cylindrycznąkomorą mieszaniaWykonano obliczenia CFD mikro-strumienicy powietrznejOpracowano własną metodę charakterystyk dla określenia punktu pracystrumienicy będącej częścią obiegu termodynamicznegoWykonano symulacje numeryczne strumienic stosowanych w urządzeniachchłodniczych wykorzystujących ciepło odpadowe i energię słonecznąZastosowano strumienicę dwufazową w roli nadprężarki, która pracując przywysokim ciśnieniu, zmniejsza pracę konieczną do napędu sprężarkiZaprojektowano układ strumienicowych podgrzewaczy regeneracyjnych dlaczęści NP nadkrytycznego bloku węglowego 600 MW oraz określono jegowpływ na parametry pracy blokuPrzedstawiono zarys najważniejszych problemów związanych z modelowaniemzjawisk cieplno-przepływowych w komorze przechowalniczej modułowejchłodni warzyw77

Publikacjełącznie w ramach tematu - 17, w tym najważniejsze:Kwidziński R., Trela M., Butrymowicz D., Karwacki J., Problemy wykorzystania strumienicdwufazowych w energetyce cieplnej. Rozdział 1.10 w monografii “Systemy, technologie iurządzenia energetyczne”, red. J. Taler, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2010,tom 1, str. 143-152, ISBN 978-83-7242-543-0 (nr arch. IMP PAN 494/2010).Kwidziński R., Control-volume-based model of the steam-water injector flow. Archives ofThermodynamics, Vol. 31 (2010), No. 1, pp. 45-59 (nr arch. IMP PAN 191/2010).Butrymowicz D., Karwacki J., Śmierciew K., Elektrohydrodynamiczne metody intensyfikacjiwymiany ciepła, Chemia Przemysłowa, cz. 1 – Nr 2 (2010), str. 54-60; cz. 2 – No. 3 (2010), str.39-43.Kołodziejczyk M., Butrymowicz D., Modelowanie procesów cieplno-przepływowych wkomorze przechowalniczej warzyw, Chłodnictwo, tom XLV (2010), nr 8, str. 36-43.Mizera G., Butrymowicz D., Adamicki F., Uwagi o stabilności temperatury i wilgotnościpowietrza w aspekcie jakości warzyw po okresie przechowywania, Chłodnictwo 9/2010.Bergander M., Butrymowicz D., Śmierciew K., Karwacki J., Refrigeration cycle with ejectorfor second step compression, 2010 Purdue Compressor Engineering, Refrigeration and Air-Conditioning and High Performance Buildings Conferences, Purdue University, West Lafayette,USA, paper no 2211 (nr arch. IMP PAN 648/2010).Butrymowicz D., Śmierciew K., Karwacki J., Bergander M., Investigation of ejector for secondstep compression, Proc. of XIII th Int. Symposium on Heat Transfer and Renewable Sources ofEnergy, Międzyzdroje 2010, pp. 397-404 (nr arch. IMP PAN 649/2010).78

Projekty badawczeMNiSW – 5: Badania eksperymentalne i teoretyczne strumienic napędowych w układach klimatyzacjisolarnej, N513 397336, D.Butrymowicz (K. Śmierciew), okres realizacji 2009-2011 Badania zmodyfikowanego obiegu kaskadowego z użyciem dwutlenku węgla,N512 318138, M. Trela , okres realizacji 2010-2013 Badania pompowania kapilarnego w mikro-kanałowych wymiennikach ciepła,N513 334738, J. Karwacki, okres realizacji 2010-2013 Badania własności przepływu w okołokrytycznej strumienicy parowo-wodnej,N513 485239, R. Kwidziński, okres realizacji 2010-2013 Badania dwufazowej pompy strumienicowej dla obiegów z czynnikami łatwo wrzącymi,N513 489139, D.Butrymowicz, okres realizacji 2010-2013Inne – 3: PBZ-MEiN-4/2/2006 Nadkrytyczne Bloki Węglowe, Zadanie 1.2.1 (M. Trela) Projekt badawczy POIG.01.03.01/20/137/09-00, Nowoczesne technologie dla sektora rolnospożywczegoprzy ograniczaniu emisji gazów cieplarnianych (D. Butrymowicz) Projekt strategiczny Zawansowane technologie pozyskiwania energii – Zadanie 1:Opracowanie technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych” bloków węglowychzintegrowanych z wychwytem ze spalin (D. Butrymowicz, koordynator: Pol. Śląska).Publikacje i opracowania wykonane w ramach projektów – 4079

Poprawa sprawności obiegów lewobieżnychp gp ep cSchemat obiegu strumienicowego urządzenia chłodniczego, wykorzystującegoenergię słoneczną lub ciepło odpadowe dla celów klimatyzacji i chłodnictwa80

Modelowanie strumienicy gazowejz powietrzem jako czynnikiem roboczymGeometria modelowanej strumienicyPole prędkości w płaszczyźnie symetrii strumienicy(wynik obliczeń 3D)81

static pressure [bar]compression ratioBadania strumienicy gazowej pracującej z izobutanemEksperymentalnacharakterystyka strumienicyPorównanie zmierzonego(EXP) i obliczonego (CFD)ciśnienia statycznego wzdłużścianki strumienicy3.63.35EXPCFDppcg pe pe0.10.0950.090.0850 0.1 0.2 0.3 0.4 m 0.5eU entrainment ratio Umg3.12.852.6 0.05 0.01 0.03 0.07 0.11 0.15length [m]82

Modelowanie charakterystyk mikrostrumienicypowietrznejCharakterystyki mikrostrumienicy powietrznej dla różnych ciśnień napędowych83

Badania strumienicy parowej zasilanejniskotemperaturowym źródłem ciepła0.100.090.080.2 0.4 0.6 0.8UWyznaczenie punktu pracy izentropowegostrumienicowego urządzenia chłodniczegoOkreślony eksperymentalnie sprężstrumienicy w funkcji współczynnikazasysania (czynnik roboczy R123)84

COP ratioStrumienica dwufazowa jako nadprężarkaw urządzeniu chłodniczym10.90.80.70.60.50.40 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05Schemat układua)compression ratioStosunek COP układu z nadprężarką strumienicowąi klasycznego układu sprężarkowego w funkcji sprężub)Charakterystyki strumienicy z komorą mieszania o średnicy 4 mm (a) i 6 mm (b)85

Zastosowanie strumienic do regeneracji ciepła wobiegu Rankina1202500100806040PSWPR200015001000WPR20500PS0kubatura [m3]0koszty inwestycyjne [tys. PLN]1003000Schemat jednego blokustrumienicowych podgrzewaczy wodyzasilającej dla części NPnadkrytycznego bloku węglowego 600MW, złożonego z 11 strumienicpracujących w układzie 4-stopniowym.Cały układ podgrzewaczy tworzącztery takie bloki pracujące równolegle.806040200PSmasa [ton]WPR2500200015001000Porównanie rozmiarów i kosztów podgrzewaczystrumienicowych i wymienników klasycznych wczęści NP5000PS86WPRpole powierzchni wymiany ciepła [m2]PS – podgrzewacze strumienicoweWPR – wymienniki płaszczowo-rurowe

Modelowanie komory przechowalniczej współpracującejze sprężarkowym układem chłodniczymSchemat komory przechowalniczej z pośrednim obiegiem cieczy chłodząceji sprężarkowym układem chłodniczym87

Temat O2/T3, Zadanie 3Zastosowanie procesówelektrohydrodynamicznychoraz nanotechnologii w zagadnieniachcieplno-przepływowych energetykiWykonawcy:Prof. dr hab. inż. Anatol Jaworek, kierownik zadaniadr Tadeusz Czechdr inż. Andrzej Krupadr Marcin Lackowskimgr Arkadiusz Sobczyk88

Przedmiot badańUzyskane rezultatyBadanie procesu elektrohydrodynamicznego wytwarzania nanocząstekw celu nanoszenia powłok o dużej porowatości (ogniwa paliwowe,katalizatory i inne)Badanie nanostruktur o dużej powierzchni właściwej do zastosowańw energetyce odnawialnejOkreślenie możliwości zastosowania wytworzonych strukturw ogniwach paliwowych, ogniwach fotowoltaicznych lub w katalizatorachOpracowanie nowej metody wytwarzania nanocząstekOpracowanie metody nanoszenia warstw o dużej porowatościdla nowych zastosowań technologicznychOptymalizacja układu elektrorozpylania pod względem maksymalizacjipola elektrycznego na wylocie dyszy kapilarnejZbadanie mechanizmów powstawania nanostruktur węglowych o dużejporowatości w plazmie elektrycznego wyładowania prądu stałego89

Projekty badawczeWłasne i promotorskie MNiSW - 4: Zastosowanie dielektroforezy do regulacji przepływu w mikrokanałachw energetyce rozproszonej (Projekt MNiSW 3969/T02/2009/36 - kierownikdr M. Lackowski) Badanie właściwości filtracyjnych nanowłóknin wytworzonych metodąelektrohydrodynamiczną (Projekt MNiSW 4169/T02/2009/37 - kierownik drA. Krupa) Badanie wpływu wyładowania wstecznego na proces odpylaniaelektrostatycznego (Projekt habilitacyjny MNiSW 3520/B/T02/2009/37 -kierownik dr A. Krupa) Badanie procesów fizycznych podczas oczyszczania gazów powstałychze spalania biomasy (Projekt MNiSW3180/B/T02/2010/38, kierownik: T.Czech)90

Publikacje: 7W zadaniach statutowych - 2:1. Jaworek A., Krupa A., Lackowski M., Sobczyk A.T., Czech T., Novel electrostatictechnologies for functional nanomaterials production.Przegląd Elektrotechniczny 86 (2010), No 7, 81-832. Czech T., Sobczyk A.T., Jaworek A., Optical diagnostics of electrical discharges fortechnology applications. Przegląd Elektrotechniczny 86 (2010), No 7, 98-100W projektach badawczych – 5, najważniejsze:1. Sobczyk A.T., Jaworek A., Carbon deposit formation in normal-pressure electricaldischarges in hydrocarbons. Acta Physica Polonica A 116 (2009), Suppl. 1, 136-1382. Lackowski M., Krupa A., Jaworek A., Corona discharge ion sources for fine particlecharging. European Physical Journal D 56 (2010), 377-3823. Jaworek A., Krupa A., Phase-shift detection for capacitance sensor measuring voidfraction in two-phase flow. Sensors and Actuators A 160 (2010) 78-86Referaty konferencyjne - 691

Elektrohydrodynamiczna metoda wytwarzania nanocząstekdo nakładania cienkich warstw o dużej porowatości.Zdjęcie SEM mikrocząstek MgOwytworzonych z zawiesiny koloidalnejw metanolu (0.6% masowo).Napięcie 5.7 kV DC + 1.5 kV p-p ,f=314 Hz, kapilara 450 μm o.d.,250 μm i.d., natężenie przepływu1.5 ml/h.Zdjęcie SEM mikrocząstek TiO 2wytworzonych z prekursora(butoksytytan w metanolu).Stężenie roztworu prekursora: 3.5%.Napięcie 12 kV DC , kapilara 450 μm o.d.,250 μm i.d., natężenie przepływu0.68 ml/h. 92

Elektrohydrodynamiczna metoda wytwarzania nanocząstekdo nakładania cienkich warstw o dużej porowatości.Zdjęcie SEM mikrocząstek srebrawytworzonych z prekursora AgNO 3 wmieszanini wody i metanolu (20%masowo). Napięcie 7.5 kV DC , kapilara450 μm o.d., 250 μm i.d., natężenieprzepływu 0.75 ml/h, czas nanoszeniawarstwy 10 min, odległość 25 mm.Zdjęcia SEM depozytu węglowego.Plazma wyładowania elektrycznegow Ar: C 6 H 12 (98:2), polaryzacjadodatnia, i=4 mA, U=21.4 kV.93

WnioskiOpracowane metody elektrohydrodynamicznego wytwarzania nanocząstekmogą być przydatne w celu nanoszenia warstw o dużej porowatości, któreznajdują zastosowanie do wytworzonych struktur w ogniwach paliwowych,ogniwach fotowoltaicznych lub jako materiał katalityczny.94

UWAGI KOŃCOWE1. Wszystkie zadania zostały wykonane zgodniez zaplanowanym harmonogramem.2. Prezentacja pozwoliła wyrobić sobie poglądo rezultatach osiągniętych w poszczególnych tematach.3. Wyróżniono temat badawczy Prof. J. Mikielewicza:„Badania teoretyczne i eksperymentalneelementów obiegu ORC”.(osobna prezentacja)95