Detail předmětu
Experimentální metody
FSI-KEM Ak. rok: 2024/2025 Zimní semestr
V úvodu je prezentován smysl a význam předmětu a jsou ukázány praktické případy, kde se setkáme s nutností získání naměřených dat metodami, jež jsou popsány v dalších přednáškách a prakticky aplikovány ve cvičeních. Velká pozornost je věnována vazbě na konkrétní případy. Tzn. seznámení se s (často unikátními) experimentálními zařízeními, se specifikací měřených dat a vazbou na laboratorní úlohy.
(Nejen) procesní inženýři se při návrhu nových zařízení či úpravách existujících zařízení často spoléhají na výpočty či výpočtové nástroje. Jejich vstupní proměnné však nemusí být dostupné v literatuře a odhady na základě návrhových výpočtů mají omezenou přesnost, což vede k zatížení výsledků výpočtu značnými nejistotami. Experimentální metody umožňují takovéto výpočty ověřovat (model validation), případně přesněji stanovit hodnoty vstupních proměnných. Často měřené parametry jsou například termofyzikální a transportní vlastnosti, součinitele přestupu tepla a hmoty apod.
Laboratorní práce je ještě více profilující v oblasti výzkumu a vývoje. Experimentální metody provází celý cyklus vzniku nové technologie, od prvotního ověření konceptu v laboratorním měřítku, přes odstraňování objevených nedostatků a škálování do provozního měřítka, včetně řízení procesu, až po provozní zkoušky ověřující schopnost stabilně dosáhnout jmenovitých parametrů bez nadměrné údržby. Cílem předmětu je seznámit posluchače jak s jednotlivými úkony a fázemi experimentu, včetně jeho plánování a přípravy, tak s častými jednotkovými operacemi procesního inženýrství. Výuka je koncipována tak, aby doplnila teoretické znalosti z jiných předmětů (jedná se zejména o tepelné, hydraulické, difúzní a mechanické pochody) praktickými zkušenostmi.
Jazyk výuky
čeština
Počet kreditů
5
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Vstupní znalosti
Předpokládají se základní znalosti z relevantních předmětů a bsolvovaných během bakalářského studia na Fakultě strojního inženýrství VUT v Brně (např. fyzika, mechanika).
Pravidla hodnocení a ukončení předmětu
Předmět je zakončen zápočtem a zkouškou. Pro udělení zápočtu je nezbytná účast ve cvičeních a odpovídající zpracování protokolů z měření. Zkouška sestává ze dvou částí:
1. část: písemná – prokázaní znalostí přednesené látky,
2. část: ústní – prokázaní teoretických i praktických znalostí a dovedností při rozpravě
Účast na přednáškách je doporučená. Účast na cvičeních je povinná a je kontrolována.
Praktická část výuky je zaměřena na zpracování protokolů z experimentálních měření. Zameškaná výuka v praktických cvičeních je nahrazována. Protokoly a účast ve cvičeních jsou podmínkou pro udělení zápočtu. Úroveň znalostí z praktické části i přednesené látky jsou předmětem ústní zkoušky.
Učební cíle
V přednáškové části kurzu je cílem seznámit posluchače s měřením, v inženýrské praxi používanou měřicí technikou, strukturou a plánováním experimentu, prací s daty a jejich vyhodnocením. Důraz je kladen na význam experimentálních metod jako způsobu ověření teoretických poznatků, a naopak experimentu jako výchozího prvku pro rozvoj hypotéz a výpočtů v procesním inženýrství, což se odráží v laboratorní části výuky. Tento přístup je nezbytný např. pro návrh unikátních specifických zařízení, pro která neexistují relevantní výpočtové vztahy a postupy.
Posluchač si osvojí dovednosti nezbytné pro samostatnou experimentální činnost. Cílem je, aby absolvent byl schopen k experimentu přistoupit systematicky, od plánovacích a přípravných prací, přes samotnou experimentální činnost až po vyhodnocení a interpretaci výsledků. Důraz je kladen také na časovou efektivitu a maximalizaci potenciálu reálných dat – laboratorních, ale také provozních. Za tímto účelem je část výuky situována v laboratořích a zkušebnách, kde studenti mají možnosti si jednotlivé úlohy procesního inženýra při provádění experimentů prakticky vyzkoušet a seznámit se i s aktivitami v plně provozním měřítku.
Použití předmětu ve studijních plánech
Program N-PRI-P: Procesní inženýrství, magisterský navazující, povinný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
26 hod., nepovinná
Osnova
1. Úvod a motivace – význam experimentů a získání potřebných dat, vazba na reálné aplikace
2. Význam měření, chyby měření, nejistota měření, základní měřené parametry a přístrojová technika
3. Tlakoměry, hladinoměry – rozdělení dle principu a vodítek pro praktické nasazení
4. Teploměry – rozdělení dle principu a vodítek pro praktické nasazení
5. Průtokoměry, měřiče tepla – rozdělení dle principu a vodítek pro praktické nasazení
6. Struktura experimentu – definice problému, návrh experimentálního zařízení
7. Plánování experimentu – úvod
8. Plánování experimentu – praktické příklady
9. Představení jednotkových operací v úlohách Laboratoře energeticky náročných procesů
10. Práce s reálnými daty – tvorba regresních modelů, citlivostní analýza
11. Synergie experimentu a modelu – časová efektivita experimentu, validace a ladění modelu
12. Virtuální senzory v průmyslové praxi
13. Význam analytické chemie pro inženýrskou praxi – exkurze do specializovaných laboratoří
Laboratorní cvičení
26 hod., povinná
Osnova
1. Čerpací charakteristika
2. Výměník tepla
3. Míchání
4. Mletí
5. Hydraulické ztráty
6. Fluidizace
7. Kinetika proudu plynu
8. Dvoufázový tok
9. Sedimentace
10. Stripování amoniaku – validace modelu
11. Vakuum – automatické řízení
12. Tepelný výměník – optimalizace
13. Vaření piva v malém měřítku