Prof.dr hab.inż. Andrzej Teodorczyk Warszawa, 12 października 2015 Politechnika Warszawska
Wydział Mechniczny Energetyki i Lotnictwa ul. Nowowiejska 25, 00-665 Warszawa tel. 660-5226; fax. 8250-565
e-mail: ateod@itc.pw.edu.pl
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr inż. Przemysława Grzymisławskiego
pt. „Analiza procesu spalania niskokalorycznych paliw gazowych w modelowej komorze spalania turbiny gazowej ”
opracowana na zlecenie Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej
Recenzowana praca ma objętość 95 stron i zawiera 9 rozdziałów oraz literaturę (60 pozycji), 9 tablic, 63 rysunki i 2 załączniki.
1. Wybór tematu rozprawy
Temat rozprawy wybrano bardzo dobrze. Autor zajął się interesującym i aktualnym problemem wykorzystania do spalania w komorach spalania energetycznych turbin gazowych, gazów niskokalorycznych, o dużej zawartości azotu lub dwutlenku węgla.
W Polsce występują bogate złoża gazu ziemnego o dużej zawartości azotu, które powinny być odpowiednio wykorzystane. Dążenie do ograniczenia zużycia węgla kamiennego i brunatnego na cele energetyczne wymusza poszukiwanie innych nośników energii, w tym biogazów. W Polsce nadal słabo wykorzystane są w energetyce krajowe paliwa gazowe, takie jak gaz ziemny zaazotowany i biogazy powstające z odpadów organicznych. Jedną z przyczyn tego stanu jest duża zawartość składników inertnych (głównie azot i dwutlenek węgla) w tych gazach i wynikająca stąd konieczność opracowania takich palników i komór spalania, które przy minimalnych modyfikacjach byłyby w stanie spalać stabilnie i efektywnie gazy o różnej zawartości metanu i gazów inertnych. Biorąc powyższe pod uwagę uważam wybór tematu recenzowanej rozprawy doktorskiej za bardzo trafny i bardzo aktualny.
Wiedza i doświadczenia zebrane w trakcie prac nad rozprawą zaowocują być może w przyszłości we wprowadzaniu tej obiecującej technologii spalania gazu do polskiego przemysłu.
Celem naukowym pracy było zbadanie wpływu udziału gazów inertnych, takich jak azot i dwutlenek węgla w mieszaninie z metanem na proces spalania i emisję NOx i CO w silnie zawirowanym przepływie w modelowej komorze spalania turbiny gazowej. Celem praktycznym, według autora, było opracowanie procedur pozwalających na uzyskanie stabilnych numerycznie i jak najbliższych rzeczywistości wyników za pomocą dostępnych modeli wykorzystywanych we współczesnych programach do obliczeń numerycznych. Autor z sukcesem przeprowadził symulacje numeryczne badanych procesów spalania i zweryfikował je eksperymentalnie, ale recenzent nie
Wybór obszaru badawczego i tematu rozprawy uważam za trafny i w pełni uzasadniony oraz innowacyjny dla nauki i techniki w Polsce.
2. Zawartość rozprawy, elementy nowości, oryginalność
W rozdziale pierwszym autor przedstawił bardzo krótkie wprowadzenie uzasadniające podjęcie tematu rozprawy.
Rozdział 2 zawiera sformułowanie celu i tez pracy.
Podstawową nowością recenzowanej rozprawy jest zbadanie eksperymentalne spalania niskokalorycznych paliw gazowych w modelowej komorze spalania turbiny gazowej. Innowacyjność pracy i jej potencjał aplikacyjny polegają na wykazaniu możliwości wykorzystania przemysłowego krajowych zasobów gazów ziemnych zaazotowanych, a także różnych biogazów.
Na podstawie wiedzy literaturowej i wstępnych badań własnych doktorant sformułował trzy oryginalne tezy badawcze:
możliwe jest uzyskanie stabilnego płomienia podczas spalania paliw niskokalorycznych w szerokim zakresie parametrów operacyjnych, takich jak skład molowy paliwa oraz współczynnik nadmiaru powietrza.
Możliwe jest spalanie gazów ziemnych o różnym składzie molowym z wykorzystaniem jednej geometrii palnika, bez znaczących modyfikacji.
Możliwe jest zastosowanie obliczeń CFD do modelowania procesu spalania gazów niskokalorycznych w turbinach gazowych przy ograniczonej sprzętowo wersji oprogramowania.
W celu zweryfikowania postawionych tez autor przeprowadził badania eksperymentalne i symulacje numeryczne.
W rozdziale 3 doktorant opisał podstawowe wielkości opisujące proces spalania, tj.
współczynnik nadmiaru powietrza, temperatura zapłonu, temperatura spalania i prędkość spalania.
Przy omawianiu temperatury spalania autor popełnił szereg nieścisłości, które wymagają komentarza.
Po pierwsze, pojęcie adiabatycznej temperatury spalania dotyczy także spalin zdysocjowanych i niekoniecznie w warunkach izobarycznych, a także z dowolną ilością powietrza lub innego utleniacza.
Adiabatyczna temperatura spalania jest wielkością teoretyczną, gdy się ją oblicza, lub rzeczywistą, gdy się mierzy doświadczalnie w warunkach adiabatycznych (praktycznie niemożliwe). Do wyznaczenia teoretycznej adiabatycznej temperatury spalania konieczna jest znajomość składu mieszaniny palnej, warunków początkowych (temperatura, ciśnienie) oraz przyjęcie składu produktów spalania (od czego zależy wynik obliczeń). Do wyznaczenia tej temperatury konieczne jest także przyjęcie modelu spalania, izobarycznego lub izochorycznego, bo tylko dla nich można to zrobić.
Przez temperaturę płomienia autor chyba rozumie profil temperatury w płomieniu, który wyznacza się z równań zachowania masy pędu i energii dla przepływu z reakcjami chemicznymi. Na stronie 16 autor pisze, że „temperatura płomienia jest liczona za pomocą mechanizmu nierównowagowego (chyba modelu?), obejmującego tylko czas spalania mieszanki we froncie płomienia przy użyciu równań przedstawionych poniżej”. Po czym autor przedstawia model
stacjonarny (bez równania zachowania pędu?) z równaniami zachowania bez członów czasowych. O jakim więc czasie pisze tu autor?
Rozdział 4 zawiera krótki opis związków toksycznych oraz mechanizmów ich powstawania w procesie spalania, a rozdział 5 krótki opis podstawowych zagadnień związanych ze spalaniem w przepływie zawirowanym i przykłady palników wirowych.
W rozdziałach 3, 4 i 5 autor nie ustrzegł się kilku niedomówień i nieścisłości, do których odnoszą się uwagi szczegółowe nr 5-10.
Istotnym niedociągnięciem rozprawy jest brak przeglądu prac innych autorów w obszarze tematyki rozprawy, tzn. spalania gazów niskokalorycznych w przepływie, w tym, silnie zawirowanym.
Czy brak jest w literaturze badań na ten temat?
Rozdział 6 zawiera opis sprzętu do obliczeń numerycznych oraz stanowiska badawczego i aparatury pomiarowej. Brakuje analizy dokładności pomiarów.
W rozdziale 7 autor przedstawił wyniki własnych obliczeń numerycznych podstawowych parametrów fizycznych charakteryzujących proces spalania w zależności od współczynnika nadmiaru powietrza oraz temperatury substratów dla paliwa metanowego z dodatkiem azotu lub CO2. Obliczenia wykonane zostały przy użyciu zaawansowanego kodu komputerowego Cantera ze złożonym mechanizmem chemicznym GRI 3.0 i obejmowały adiabatyczną temperaturę spalania i laminarną prędkość spalania. Są to obliczenia standardowe w spalaniu, ale zaawansowane, wymagające wiedzy i umiejętności posługiwania się złożonym kodem komputerowym. Wnioski z obliczeń są generalnie poprawne jakościowo, ale bez weryfikacji z danymi doświadczalnymi. Pytania dotyczące tych obliczeń zawarte są w uwagach szczegółowych (nr 11-13).
W drugiej części rozdziału 7 autor przedstawił oryginalne wyniki symulacji numerycznych CFD badanych procesów spalania w modelowej komorze. Nie ma w rozprawie informacji o tym, czy wykonano badania wpływu wielkości siatki na wyniki obliczeń. Inne pytania i uwagi krytyczne do tych symulacji zawarte są uwagach szczegółowych (nr 14-21)
Rozdział 8 zawiera najbardziej wartościowe wyniki własnych badań doświadczalnych doktoranta dotyczące spalania mieszanin metanowo-azotowo-powietrznych w modelowej komorze spalania. Wielkościami mierzonymi były: rozkład temperatury i związków chemicznych w komorze spalania, emisja związków toksycznych w kanale wylotowym, a dla paliwa wysokometanowego (Metan-100) wykonano także pomiar rozkładu prędkości. Badania te potwierdziły możliwość stabilnego spalania paliw niskokalorycznych w szerokim zakresie parametrów operacyjnych.
Rozprawa zakończona jest syntetycznym podsumowaniem zawierającym wnioski końcowe oraz propozycje dalszych badań.
3. Ocena metodologiczna pracy
Zamierzony przez autora cel rozprawy wymagał zaprojektowania eksperymentu i użycia złożonego stanowiska laboratoryjnego, przeprowadzenia zaawansowanych badań doświadczalnych oraz przeanalizowania i opracowania wyników. Cel ten został w pełni osiągnięty i uzyskane wyniki doświadczalne stanowią wartościowy i oryginalny dorobek naukowy autora.
innowacyjny, wartość naukowa wyników obliczeń jest mniejsza, tym niemniej stanowią one bardzo wartościowe uzupełnienie rozprawy.
Praca dostarcza szeregu ważnych, oryginalnych informacji technicznych i interpretacji zjawisk, będących rezultatem solidnej i wytrwałej pracy naukowej. Autor zastosował standardowe, ale odpowiednie metody badawcze, eksperymentalne i numeryczne i wydaje się, że wydobył wszystkie informacje zawarte w wynikach. Dyskusja wyników jest pogłębiona i poprawna.
Tezy badawcze pracy zostały udowodnione.
Rozprawa napisana jest dobrym językiem polskim, z poprawną terminologią naukowo- techniczną. Jest zwięzła i konkretna, a zarazem bardzo obfita merytorycznie.
Oceniam pozytywnie postawienie problemu badawczego, metodologię przeprowadzonych badań oraz analizę i interpretację ich wyników. Rozprawa oprócz walorów naukowych ma wartość praktyczną.
4. Uwagi szczegółowe i edytorskie
1. W rozprawie jest sporo usterek edytorskich – wymienione zostały w Tabeli poniżej.
2. Autor w wielu miejscach rozprawy stosuje niedozwoloną jednostkę temperatury °C, zamiast jednostki SI – K.
3. Skale całkowa i Kolmogorowa turbulencji nie są bezwymiarowe, mają wymiar [m].
4. Rysunek 1.1 jest słabo czytelny.
5. Str.18 – laminarna prędkość spalania nie jest podstawowym parametrem przepływu laminarnego. Laminarna prędkość spalania określa prędkość spalania w warunkach laminarnych
6. Str.20, wzór (3.18) – w jaki sposób wyznacza się średnią szybkość reakcji W?
7. Str.22, rys.3.6 – brak legendy do legendy – co oznaczają skróty literowe?
8. Str.25, rys.3.7 – w prawym górnym rogu w ramce jest niepoprawnie napisane „Mała skala turbulencji”
9. Str.26 – Ballal i Lefebvre nie podali zależności między laminarną prędkością spalania a poziomem turbulencji, tylko między turbulentną prędkością spalania a poziomem pulsacji 10. Str.33 – w jaki sposób liczba kryterialna S opisuje silę zawirowania?
11. Str.51 – skąd pochodzą dane wartości opałowej w Tabeli 7.1?
12. Str.53 – ściśle biorąc, najwyższą temperaturę spalania uzyskuje się dla mieszanin lekko przebogaconych – dlaczego?
13. Czy określono granice palności mieszanin badanych w pracy: Metan-80, Metan-65, Metan-50, CO2-10 i CO2-20?
14. Na czym szczegółowo polegały uproszczenia geometryczne zawirowywacza?
15. Dlaczego okrągłe otwory powietrza chłodzącego w komorze spalania zastąpiono szczelinami?
16. Dlaczego główne wloty powietrza zmieniono w modelu z okrągłych na kwadratowe?
17. Str.57 – skąd pochodzi informacja, że siatka obliczeniowa w 70% wpływa na dokładność wyników? Pozostałe 30% to modele turbulencji, spalania, radiacji, itp. – jeśli tak mało wpływają na dokładność symulacji to po co się nimi zajmować.
18. Str.62 – jakie było kryterium zakończenia iteracji? Linie na rysunku 7.9 zmieniają się do końca.
19. W jaki sposób określono rozkład powietrza w komorze spalania przyjęty do symulacji?
20. Str.66, rys.7.14 – dlaczego pomiary dla różnych paliw wykonano dla niejednakowego współczynnika nadmiaru powietrza? Jak w tej sytuacji można porównywać wyniki?
21. Str.69 – dlaczego jest różna prędkość wtrysku różnych paliw? Czy ją mierzono?
22. Str.78-80 – bardziej przejrzyste byłoby pokazanie rys.8.1 obok 8.4, rys.8.2 obok 8.5 i rys.8.3 obok 8.6.
23. Str.81 – „najwyższą temperaturą spalania charakteryzują się gazy z mniejszą ilością gazów inertnych” – z rys.7.14 wynika co innego.
24. Str.82 – co oznacza zwrot „przepływ staje się pozytywny”?
Uwagi edytorskie:
Lp
Strona Wiersz g – od góry d – od dołu
Jest Powinno być
1 4 4g result results
2 4 11g, 13g, 6d calculation calculations
3 4 9d prepared prepare
4 5 5g Kl K
5 5 11g aktualna ilość powietrza strumień objętościowy powietrza
6 5 9d, 8d, 6d cm M
7 5 7d °C,K K
8 7 14d dywersyfikacja dywersyfikację
9 9 7d -może - może
10 9 5d za a
11 16 14d współczynnika dysocjacji stopnia dysocjacji
12 16 14d substratów produktów
13 16 12d reagentów substratów
14 23 6g zachowaniu zachowania
15 23 15g zdolność zdolności
16 24 6d destabilizujące destabilizująca
17 25 4d natomiast rysunku natomiast na rysunku
18 26 3d inerntych inertnych
19 29 14g reagentów substratów
20 29 8d W zależności od temperatury
może zachodzić w różny sposób.
W zależności od temperatury reakcja ta może zachodzić w różny
sposób.
21 34 Wzór (5.1) R r
22 36 2g ERC ERZ
23 36 1d na rysunku na rysunku 5.3
24 38 8d rozwiązaniem jest palników rozwiązaniem palników
26 53 4g inetrnych inertnych
27 53 7g inerntny inertny
28 53 9g ciepło a przez to ciepło, a przez to
29 55 1d znaczącą znacząco
30 56 2g spalana spalania
31 57 7g obliczeniowa obliczeniowej
32 64 7d temperatura ściany zostanie temperatura ściany zostanie
……….
33 65 3d dla paliwa Metan, Dla paliwa Metan-……,
34 69 4d Metan, Metan-….,
35 74 2d inetrnych inertnych
36 77 8d wykonanie wykonaniem
37 77 2d rozkład rozkłady
38 88 17d G.P. G.P. …………
Wymienione uwagi szczegółowe i edytorskie mają drugorzędne znaczenie dla oceny pracy.
Zachęcam autora, aby w przyszłości dokładał większej staranności w opracowywaniu wyników badań i pisaniu prac naukowych.
5. Wniosek końcowy
Podsumowując stwierdzam, że autor przeanalizował oryginalny problem naukowy, przeprowadził własne oryginalne badania doświadczalne, wykonał obliczenia numeryczne przy użyciu zaawansowanego kodu komputerowego oraz sformułował wnioski wynikające z badań doświadczalnych i numerycznych.
Doktorant wykazał opanowanie warsztatu naukowego i umiejętność prowadzenia samodzielnych badań naukowych, doświadczalnych i numerycznych, analizy wyników i wnioskowania.
Doktorant posiadł umiejętność pisania rozprawy naukowej z jasno sformułowanym tytułem, celem, tezami i zakresem pracy oraz zwięzłym, przejrzystym i precyzyjnym opisem metodologii badań i wyników.
Reasumując, pomimo wymienionych niedociągnięć uważam, że rozprawa spełnia wymagania stawiane przez obowiązującą Ustawę o stopniach i tytułach naukowych i stawiam wniosek o dopuszczenie jej do publicznej obrony.
