Laboratoř termofyzikálních vlastností

Vedoucí: Ing. Václav Vinš, Ph.D.

Výzkumní pracovníci:
Ing. Miroslav Čenský, Ph.D.
Ing. Olga Prokopová, Ph.D.
Dr. Ing. Monika Součková

Postdoktorandi a doktorandi:
Ing. David Celný, Ph.D.
Ing. Jaroslav Pulec, Ph.D.

Bývalí členové:
Dr. Ali Aminian
Ing. Jaroslav Klomfar
RNDr. Jiří Hykl, Ph.D.
prom. fyz. Jaroslav Pátek, CSc. (předchozí vedoucí v důchodu)

Studenti:
Nicolas Hénin (Centrale Méditerranée), 2025 – stáž 6 měsíců
Gabriela Spilková (FJFI ČVUT v Praze), 2022 – studentka Bc. programu
Aleksandr Vasilev, MSc. (Technische Universität Dresden), 2021 – stáž 1,5 měsíce
Josefine Gatter (Technische Universität Dresden), 2019 – stáž 3 měsíce

Laboratoř termofyzikálních vlastností (LTP) se věnuje experimentálnímu a teoretickému výzkumu vlastností tekutin důležitých v širokém rozsahu technických aplikací. Zkoumané látky zahrnují vodné směsi, moderní elektricky nevodivé teplonosné kapaliny, alternativní chladiva, iontové kapaliny a vodné směsi s plyny tvořící hydráty. Cílem výzkumu je získání vysoce přesných experimentálních dat, která mohou posloužit jako reference jak při vývoji technických aplikací tak ve výzkumu. Experimenty jsou prováděny s využitím unikátních aparatur vlastního návrhu doplněných o měření pomocí komerčních přístrojů. Tým laboratoře vyvíjí přesné kalibrační metodiky s cílem získat přesně definované a spolehlivé odhady nejistot změřených dat. Vedle experimentů se laboratoř věnuje vývoji teoretických modelů popisujících termofyzikální vlastnosti látek, kdy jsou využívány semi-empirické modely, jako jsou například multiparametrické referenční stavové rovnice, rovnice typu SAFT doplněné o příspěvkové metody a modelování pomocí molekulárních simulací.

 

Měření hustoty, povrchového napětí a viskozity technických významných kapalin

Vlastnosti technických kapalin zahrnující stavové chování teplota–tlak–složení–hustota, povrchové napětí či viskozitu jsou zkoumány s využitím pečlivě kalibrovaných komerčních přístrojů. Závislost hustoty na teplotě, případně na složení u směsí, je měřena při atmosférickém tlaku pomocí hustoměru s vibrační trubicí Anton Paar DMA 5000 M. Hodnoty hustoty a stlačitelnosti v teplotním rozsahu -10 °C až 200 °C a tlacích až 70 MPa jsou měřeny pomocí vysokotlaké vibrační cely Anton Paar DMA HP doplněné o tlakový plnící systém vlastní konstrukce. Oba přístroje pracují na principu vybuzené oscilace U-trubice se vzorkem a nalezení její charakteristické (rezonanční) frekvence, která je v přímém vztahu k hustotě vzorku v U-trubici. Povrchové napětí je měřeno pomocí tenziometru Krüss K100 Mk2 využívajícího metody Wilhelmovy destičky a du Noüy prstýnku. Pomocí velmi přesného měření síly, resp. váhy umožňují tyto metody zjistit, jak působí hladina kapaliny na zanořený objekt. Měření lze provádět v teplotním rozmezí od -10 °C do 90 °C. Tenziometr umožňuje navíc kontrolní měření hustoty pomocí vztlakové síly působící na křemíkový monokrystal, a to až do hustoty 2000 kg/m³. Výhodou oproti vibračním U-trubicím je, že změřená hustota nezávisí na viskozitě kapaliny. Pro měření kinematické viskozity je používán nedávno pořízeným Stabingerův viskozimetru Anton Paar SVM 3001. Tento model umožňuje měření v širokém teplotním intervalu od -60 °C do 135 °C.

 

Povrchové napětí vodných směsí

V rámci spolupráce s mezinárodní asociací pro vlastnosti vody a vodní páry IAPWS se laboratoř LTP zabývá výzkumem vlastností vodných směsí například s alkoholy či solemi. Tyto systémy vykazují řadu zajímavých dosud pouze z části popsaných vlastností, které hrají důležitou roli jak v řadě technických aplikací, tak ve studiích životního prostředí zaměřených například na formování oblaků v atmosféře. Laboratoř se v tomto ohledu specializuje na výzkum chování vodných směsí při nižších teplotách, kdy je zkoumán zejména tzv. metastabilní podchlazený stav. V tomto stavu se vyskytuje látka po určitou dobu v kapalné fázi i přes to, že její teplota je výrazně pod bodem mrazu.

Spolu s Laboratoří fázových přechodů se laboratoř LTP podílí na provozu unikátní aparatury vlastní konstrukce schopné měřit povrchové napětí podchlazených vodných směsí v teplotním rozmezí od -30 °C do 50 °C. Hlavní motivací tohoto výzkumu je lepší popis anomálií studené a podchlazené vody. Prováděné experimenty se snaží objasnit zejména tzv. SIP (z angl. second inflection point) anomálii v teplotní závislosti povrchového napětí. Pomocí naší aparatury založené na metodě kapilární elevace v křemenné kapiláře o průměru okolo 0,3 mm se nedávno podařilo získat data až při -31,4 °C. Takto hluboký stupeň podchlazení je možné dosáhnout díky relativně malému objemu vzorku, efektivnímu procesu chlazení spojenému s rychlou stabilizací teploty a opatrnému zacházení s kapilárou a kapalným vzorkem. Na základě nových měření mohly být nedávno verifikovány mezinárodní standardy pro povrchové napětí vody [IAPWS R1-76(2014)] a mořské vody [IAPWS G14-19] v podchlazeném stavu.

 

Obr. 1. Povrchové napětí mořské vody se standardní salinitou 35 g/kg při teplotách pod bodem tuhnutí

 

Modelování hydrátů plynů

V rámci dlouhodobé spolupráce s Ruhr Universität Bochum (RUB) a Technische Universität Dresden (TUD) v Německu je vyvíjen termodynamický model hydrátů plynů, tj. krystalických směsí vody a plynu podobných ledu. V hydrátech tvoří voda základní krystalickou mříž s kavitami, uvnitř kterých jsou umístěny molekuly plynu. Hlavním cílem společného výzkumu je lepší popis chování směsí důležitých zejména pro návrh nových technologií CCS/U, tj. pro zachytávání, transport a skladování případně využití CO₂. Vyvíjený model je založen na přístupu van der Waalse a Platteeuwa v kombinaci s přesnými multiparametrickými stavovými rovnicemi pro další fáze (skupenství). Členové laboratoře se také částečně podílí na vývoji a postupném rozšiřování softwarového balíčku termodynamických vlastností TREND vyvíjeném na RUB.

Obr. 2. Fázový diagram směsi vody a dusíku tvořící při nízkých teplotách a vysokých tlacích hydráty plynů; porovnání vyvíjeného termodynamického modelu (červeně) s experimentálními daty (modře)

 

Modelování fázových rozhraní kapalina–pára

Kromě experimentálních měření, je povrchové napětí spolu s mezifázovými vlastnostmi modelováno pomocí stavových rovnic typu SAFT spojených s gradientní teorií hustoty. Vlastnosti širokého spektra systémů zahrnující například směsi s CO₂ či chladiva mohou být predikovány s dobrou přesností v porovnání s referenčními daty. Pro iontové kapaliny se naopak osvědčila příspěvková metoda založená na homologických řadách iontových kapalin.

 

Obr. 3. Povrchové napětí směsi CO₂ a n-butanu vypočtené pomocí stavové rovnice PCP-SAFT a gradientní teorie hustoty vs. experimentální data od Hsu a kol. [J. Chem. Eng. Data 30 (1985) 485]

Hlavní aparatury:

• Unikátní aparatura pro měření povrchového napětí podchlazených vodných směsí do -30 °C
• Hustoměr s vibrační trubicí Anton Paar DMA 5000 M s rozlišením 0,001 kg/m³  pro měření hustoty kapalin při atmosférickém tlaku a teplotách od 0 do 100 °C (standardní nejistota měření dosahuje obyčejně 0,03 kg/m³)
• Vysokotlaká vibrační cela Anton Paar DMA HP dosahující přesnosti až ± 0,1 kg/m³  při operačních teplotách od -10 do 200 °C a tlacích do 70 MPa (http://www.anton-paar.com/cz)
• Tenziometr Krüss K100 Mk2 pro měření povrchového napětí a hustoty kapalin při tlaku 0,1 MPa a v rozsahu teplot od -10 do 90 °C (http://www.kruss.de)
• Stabingerův viskozimetr Anton Paar SVM 3001 umožňující měření viskozity až 30000 mm a hustoty až 3000 kg/m³ 

 

Podpůrné vybavení:

• Analytické váhy Mettler-Toledo AB 304-S/FACT pro max. zatížením 320 g, s rozlišením 0,1 mg (http://us.mt.com/cz)
• Digitální odporové můstky pro měření teplot ASL CTR5000 s přesností ± 10 mK a ASL F700 s přesností ± 27 mK (http://www.aslltd.co.uk)
• Sada jednotek pro automatický sběr dat Keysight (Agilent, HP) 34970A s multiplexerovými kartami (http://www.keysight.com)
• Coulometr C20/C30 od firmy Mettler Toledo pro stanovení obsahu vody metodou Karl Fischera pro nízké obsahy vody menší než 50-100 ppm (https://www.mt.com/cz)
• Sada termostatických lázní Lauda pro regulaci teploty od -70 °C do 150 °C (https://www.lauda.de/en)

Studentské práce (bakalářská práce, diplomová práce):

ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav mechaniky tekutin a termodynamiky

Název: Viskozita a hustota teplosměnných kapalin na bázi hydrofluoretherů

Školitel: Ing. Václav Vinš, Ph.D.

Klíčová slova: teplosměnná kapalina, termofyzikální vlastnosti, hustota, viskozita, experiment, modelování

Popis: Členové Laboratoře termofyzikálních vlastností se dlouhodobě věnují experimentálnímu a teoretickému výzkumu vlastností tekutin potřebných pro efektivní návrh řady technických aplikací, např. chladící techniku a tepelná čerpadla, chlazení elektroniky či technická čistidla a mazadla. Vypsané téma studentské práce je zaměřeno na moderní kapaliny typu HFE (hydrofluorethery) známé též pod komerčním názvem Novec, které díky technicky zajímavým vlastnostem, např. nízké elektrické vodivosti, nalézají uplatnění kupříkladu v ponorném chlazení výkonné výpočetní techniky. Předmětem práce je:

• účast na experimentálních měřeních viskozity a hustoty kapalin typu HFE v součinnosti se členy Laboratoře,
• literární rešerše dostupných dat pro kapaliny typu Novec a jejich směsi,
• rešerše dostupných korelací pro dynamickou viskozitu, hustotu a případně kinematickou viskozitu kapalin zejména v závislosti na teplotě v technicky relevantním rozsahu zhruba −30 °C až +150 °C,
• implementace daných korelací do výpočetních algoritmů vyvíjených v Laboratoři v prostředí Matlab,
• vlastní analýza nových experimentálních dat a dat z literatury.

Odkaz: https://fs.cvut.cz/ustavy/sekce-ustav-mechaniky-tekutin-a-termodynamiky/ustav-mechaniky-tekutin-a-termodynamiky-12112/vyuka-12112/temata-praci-12112/bakalarske-12112/

 

Název: Povrchové napětí vodných směsí s alkoholy za nízkých teplot

Školitel: Ing. Václav Vinš, Ph.D.

Klíčová slova: povrchové napětí, hustota, vodná směs, experiment, modelování

Popis: V Laboratoři termofyzikálních vlastností je vyvíjena unikátní aparatura pro výzkum povrchového napětí vodných směsí s alkoholy a solemi umožňující měření v tzv. termodynamicky metastabilním stavu, tj. při teplotách pod bodem tuhnutí dané kapalné směsi. Nově získaná data mimo jiné napomohla rozšířit oblast platnosti mezinárodních standardů IAPWS pro povrchové napětí čisté vody a mořské vody. Studentská práce zapadá do dlouhodobého výzkumu Laboratoře a jejím předmětem je:

• výpomoc s experimentálními měřeními povrchového napětí vodných směsí s ethanolem a methanolem za nízkých teplot na aparatuře s kapilární elevací, a dále doplňující měření při vyšších teplotách a měření hustoty pomocí tenziometru,
• rešeršní studie dostupných experimentálních dat povrchového napětí a hustoty,
• rešerše dostupných korelací pro povrchové napětí a hustotu v závislosti na teplotě a složení,
• implementace daných korelací do stávajících vyhodnocovacích algoritmů vyvíjených v Laboratoři ve výpočetním prostředí Matlab.

Odkaz: https://fs.cvut.cz/ustavy/sekce-ustav-mechaniky-tekutin-a-termodynamiky/ustav-mechaniky-tekutin-a-termodynamiky-12112/vyuka-12112/temata-praci-12112/bakalarske-12112/

 

Název: Charakteristika kompresoru HVAC jednotky pro alternativní chladiva

Školitel: Ing. Václav Vinš, Ph.D. a Ing. Jozef Kordík, Ph.D.

Klíčová slova: tepelné čerpadlo, kompresor, chladivo, modelování

Popis: Členové odd. Termodynamiky se v rámci spolupráce se společností SOR Libchavy spol. s r.o. a FS ČVUT věnují zlepšenému návrhu jednotky tepelného čerpadla a klimatizace (HVAC) pro elektrobus a vodíkový autobus. V rámci experimentálních testů v klimatické komoře byla získána řada dat chování HVAC okruhu. Předmětem studentské práce je bližší analýza charakteristik HVAC kompresoru typu scroll. Dílčí cíle zahrnují:

• analýzu dostupných výkonnostních charakteristik, tj. závislostí hmotnostního průtoku chladiva, chladícího výkonu a isoentropické účinnosti z podkladů výrobce pro návrhové chladivo R407C,
• implementaci výpočetního modelu v prostředí Matlab s využitím balíčku TREND pro výpočet termofyzikálních vlastností chladiv a jejich směsí (poskytnou pracovníci ÚT AV ČR),
• porovnání modelu s vlastními výsledky z měření na HVAC jednotce pro vodíkový autobus s alternativními chladivy R454C a R513A provedenými pracovníky odd. Termodynamika na ÚT AV ČR.

Odkaz: https://fs.cvut.cz/ustavy/sekce-ustav-mechaniky-tekutin-a-termodynamiky/ustav-mechaniky-tekutin-a-termodynamiky-12112/vyuka-12112/temata-praci-12112/bakalarske-12112/

 

ČVUT v Praze, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, Katedra matematiky

Název: Vývoj algoritmů pro optimalizaci látkových parametrů stavové rovnice PC-SAFT

Školitel: Ing. Václav Vinš, Ph.D. a Ing. David Celný, Ph.D.

Klíčová slova: nelineární regrese, termodynamika, stavová rovnice, fázová rovnováha, chladicí kapalina

Popis: Pro vylepšený návrh řady technických aplikací od tepelných čerpadel a klimatizací, energetických okruhů, zpracování zemního plynu až po nové technologie pro zachytávání, ukládání a využití CO2 (CCS/U) je potřeba co možná nejpřesněji znát stavové chování tekutin za různých teplot, tlaků a v případě směsí i za různých složení. Tým Laboratoře termofyzikálních vlastností na Ústavu termomechaniky AV ČR se dlouhodobě věnuje jak experimentálnímu tak teoretickému výzkumu vlastností technicky zajímavých tekutin. Předmětem studentské práce je vývoj nelineárních algoritmů pro korelaci látkových parametrů stavové rovnice PC-SAFT, která poskytuje dobrý popis termofyzikálních vlastností a fázových rovnováh kapalina-pára širokého spektra látek. Cílem je ověřit různé přístupy, tak aby byly nalezeny optimální parametry korelované na dostupná experimentální data. V následném kroku lze pak implementovat model pro Helmholtzovu energii ideálního plynu, tak aby bylo možné modelovat i kalorické vlastnosti, např. tepelnou kapacitu při konstantním tlaku. Součástí práce je seznámení s fyzikálními základy řešené problematiky, se kterým napomohou pracovníci Laboratoře. Vlastní kód stavové rovnice PC-SAFT spolu se vstupními experimentálními daty jsou rovněž k dispozici. Výsledky studentské práce budou využity členy výzkumného týmu při modelování termofyzikálních vlastností tekutin. Zájemce o téma tak bude moci uplatnit své programátorské dovednosti ve vědeckém výzkumu.

Odkaz: https://km.fjfi.cvut.cz/ing-studium/temata-diplomovych-praci/587

 

Název: Algoritmy pro analýzu experimentálních dat a modelování termofyzikálních vlastností teplosměnných tekutin

Školitel: Ing. Václav Vinš, Ph.D.

Klíčová slova: teplosměnná kapalina, termodynamické vlastnosti, transportní vlastnosti, termodynamika, experimentální data

Popis: Tým Laboratoře termofyzikálních vlastností z Ústavu termomechaniky AV ČR se dlouhodobě věnuje výzkumu vlastností technicky zajímavých tekutin s aplikačním potenciálem např. pro chlazení elektroniky, klimatizace a tepelná čerpadla či jako technická rozpouštědla a čistidla. Pro efektivní a spolehlivý návrh technických řešení je nutné dobře znát vlastnosti tekutin jako je viskozita, vztah hustota-tlak-teplota či povrchové napětí. Náš tým se aktuálně zabývá jednak popisem vlastností elektricky nevodivých hydrofluoroetherů (HFE), které lze využít např. pro ponorné chlazení CPU, a dále vodných směsí se solemi.
Tématem studentské práce je vývoj výpočetních algoritmů pro analýzu experimentálních dat získaných týmem laboratoře a implementace modelů termofyzikálních vlastností pro ověření a porovnání nových výsledků. Tým laboratoře disponuje řadou kódů pro modelování vlastností tekutin, které jsou postupně vylepšovány a rozšiřovány o nové látky včetně jejich směsí. Dalším cílem je vývoj vlastních prediktivních modelů (například za pomoci gradientní teorie) a polo-empirických korelací vhodných jak pro technický návrh tak pro výzkum. Tým laboratoře má nad tímto tématem širší spolupráci s Technickou univerzitou v Drážďanech, VŠCHT v Praze či UJEP v Ústí nad Labem.

Odkaz: https://km.fjfi.cvut.cz/ing-studium/temata-diplomovych-praci/786

 

Název: Všechny chytit máš, aneb detekce clusterů v metastabilní oblasti tekutin

Školitel: Ing. David Celný, Ph.D. a Ing. Václav Vinš, Ph.D.

Klíčová slova: molekulární simulace, clustering, fázové přechody, stavová rovnice

Popis: Moderní inženýrské aplikace se dnes neobejdou bez přesného popisu termofyzikálních vlastností látek. Ať už se jedná o chladničku, elektrárnu nebo předpověď počasí, znalost termofyzikálních vlastností kapalin a plynů je klíčová pro správnou funkčnost daného modelu. Chování vlastností tekutin je možné popsat pomocí stavových rovnic (equation of state – EoS). V případě směsí látek pak vhodnou kombinací stavových rovnic. A právě v této oblasti je zapotřebí zpřesnit a rozšířit schopnosti stávajících stavových rovnic.
Tato práce se zaměřuje na využití nástrojů molekulárních simulací pro popis chování tekutin v experimentálně těžko dosažitelné, tzv. termodynamicky metastabilní oblasti. Při těchto podmínkách se v daném systému začínají v řádu microsekund utvářet shluky nové fáze (např. kapky v plynu). Díky molekulárním simulacím a algoritmům pro detekci těchto shluků (tzv. clusterů) jsme pak schopni chování látek v metastabilní oblasti blíže zkoumat.
Nabízené téma rozšíří již existující metodu o modelování jednoduchých plynů (např. argon, kyslík, dusík). Tento výzkum zapadá do širší spolupráce Laboratoře termofyzikálních vlastností na Ústavu termomechaniky AV ČR s Ruhr Universität Bochum a Technische Universität Berlin.

Odkaz: https://km.fjfi.cvut.cz/ing-studium/temata-diplomovych-praci/788

 

Vypsaná témata disertačních prací:

Technická Univerzita v Liberci, Fakulta strojní, Katedra energetických zařízení

Název: Vlastnosti teplosměnných kapalin na bázi vody v podchlazeném metastabilním stavu

Školitel: Ing. Václav Vinš, Ph.D.

Klíčová slova: chladicí kapalina, experiment, metastabilní stav, povrchové napětí, stavová rovnice, termofyzikální vlastnosti, voda

Popis: Předmětem práce bude experimentální a teoretický výzkum termofyzikálních vlastností teplosměnných kapalin na bázi vody, tj. směsí vody s alkoholy (např. etylen glykol, metanol) a solemi (NaCl, CaCl₂). Vlastnosti vybraných směsí budou studovány jednak v termodynamicky rovnovážném stavu a dále pak v metastabilním podchlazeném stavu při teplotách nižších než je teplota tuhnutí. V experimentální části bude měřeno zejména povrchové napětí a hustota. V teoretické části budou vyvíjeny korelace vybraných vlastností využitelné v praktickém návrhu chladících okruhů spolu s moderní stavovou rovnicí PC-SAFT spojenou s gradientní teorií umožňující modelování fázových rozhraní a nukleace. Zájemce o téma by měl mít kladný vztah jak k experimentálnímu výzkumu, tak k technickým výpočtům a programování.

 

Spolupracující pracoviště:

• Ruhr-Universität Bochum, Německo – oddělení Termodynamiky prof. Rolanda Spana
• Technische Universität Dresden, Německo – oddělení Tepelných energetických strojů a zařízení vedené dr. Andreasem Jägerem
• Technische Universität Chemnitz – Katedra aplikované termodynamiky prof. Markuse Richtera
• Technická univerzita v Liberci – Katedra energetických zařízení
• Vysoká škola chemicko technologická v Praze – Laboratoř aplikované termodynamiky