Laboratoř termofyzikálních vlastností

Oddělení:   Oddělení D 2 – Termodynamika
 Vedoucí:   Ing. Václav Vinš, Ph.D.

Laboratoř termofyzikálních vlastností se věnuje výzkumu termodynamických vlastností tekutin zahrnujících popis stavového chování teplota–tlak–složení–hustota, fázových rovnováh kapalina–pára–tuhá fáze a transportních vlastností zejména povrchového napětí a viskozity. Přesný popis těchto vlastností napomáhá jak při vlastním návrhu, tak k následnému zvýšení účinnosti a spolehlivosti širokého spektra technických aplikací zahrnujících například chladící techniku, procesy v energetickém průmyslu, či zacházení se směsmi bohatými na CO2 v plánovaných CCS/U technologiích (z angl. carbon capture and storage/utilization). Zkoumané látky tvoří perspektivní technicky významné tekutiny, zejména pak teplonosné kapaliny, alternativní chladiva, iontové kapaliny a referenční látky a standardy pro výzkum termofyzikálních vlastností. Laboratoř se specializuje na vývoj a implementaci přesných laboratorních metod pro měření vlastností tekutin na metrologické úrovni přesnosti. Vedle experimentálního výzkumu jsou v laboratoři vyvíjeny matematické popisy vlastností zkoumaných látek, které jsou ověřovány jak pomocí vlastních experimentálních dat, tak s využitím dat z literatury. Takto získané modely založené na semi-empirických stavových rovnicích, příspěvkových metodách či molekulárních simulacích jsou určeny pro použití v průmyslu a v různých oblastech výzkumu a vývoje.
Fázový diagram kapalina–pára čistého H2O2

Fázový diagram kapalina–pára čistého H2O2

 


Vedoucí: Ing. Václav Vinš, Ph.D.

Výzkumní pracovníci:
Dr. Ali Aminian
Ing. David Celný, Ph.D.
Ing. Miroslav Čenský, Ph.D.
Ing. Olga Prokopová, Ph.D.
Dr. Ing. Monika Součková

Doktorandi:
Ing. Jaroslav Pulec

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

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

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.

 

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

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.

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

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.

 

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]

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)

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.

 

Studentské práce (bakalářská práce, diplomová práce):

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 [2-4]. 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

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