Bachelor's Thesis

Bioreactor monitoring and control for optimal heat gain

Final Thesis 4.16 MB Appendix 5.82 MB

Author of thesis: Ing. Jan Hujňák

Acad. year: 2017/2018

Supervisor: doc. Ing. Petr Baxant, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jaroslav Bajko

Abstract:

This bachelor thesis deals with thermal energy generation in biodegradation processes, monitoring and control of these processes. In the theoretical part, it gives a brief overview of biodegradation processes, then focuses only on processes in which waste heat is produced. Mainly it focuses on the composting process, its stage, the ideal composition of the composting material, the composting methods, the control quantities and the metering devices. The practical part focuses on the improvement of the original bioreactor and the subsequent realization of the new bioreactor. The bioreactor is subsequently monitored using temperature sensors that describe the ongoing processes inside the compost using measured temperatures. The aim of the bachelor thesis is to connect the bioreactor with yurt, to realize thermal circulation and to control this circulation through the AMiNi system in order to achieve optimal heat recovery without negative effects on the course of biodegradation processes inside the bioreactor.

Keywords:

bioreactor, composting, control system AMiNi2DS, heat gain

Date of defence

12.06.2018

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaDznamka

Grading

D

Process of defence

Student seznámil v prezentaci komisi s výsledky své bakalářské práce na téma Monitorování a řízení bioreaktoru pro optimální získávání tepla. Vedoucí práce docent Baxant seznámil komisi s posudkem oponenta a vedoucího práce. Oponent ohodnotil práci 70b stupněm C. Vedoucí práce docent Baxant ohodnotil práci 75b stupněm C. Dále byly přečteny otázky k obhajobě. Student na otázky odpověděl pomocí snímků ve své prezentaci. Otázky obhajoby upřesnil docent Baxant. Student neodpověděl správně. Další dotaz položil docent Toman. Student nebyl schopen správně odpovědět. Doktor Ptáček položil otázku ohledně měření teploty v bioreaktoru. Student otázku zodpověděl. Ing. Potěšil se zeptal ohledně tepelného výkonu reaktoru. Ing. Kohout položil otázku ohledně tepelných ztrát reaktoru. Student nebyl schopen na tyto otázky přesně odpovědět.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Electrical, Electronic, Communication and Control Technology (EECC Bc.)

Field of study

Power Electrical and Electronic Engineering (B-SEE)

Composition of Committee

prof. Ing. Jiří Drápela, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Mastný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ilona Lázničková, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Karel Katovský, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Ptáček, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Radil, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Petr Baxant, Ph.D.

Student Jan Hujňák měl ve své práci řešit úkol monitorování a řízení bioreaktoru pro optimální získávání tepla. Cílem bylo rozšířit již realizované prototypy reaktorů o další kroky, zlepšit systém získávání tepla, snížit tepelné ztráty a vytvořit další variantu řídícího systému vlastní prací studenta.
Úkol řešil student přiměřeně aktivně během celého semestru, pouze s menšími vynecháními. Téma sleduje zadanou osnovu práce, ovšem kapitola o řídícím systému Amini je velmi stručná a zasloužila by větší pozornost. Částečně je doplněna až v praktické části, kde student popisuje své pokusy s řídícím systémem. Během řešení bylo patrné, že student vyžaduje větší dopomoc a jeho nejistota bránila větší kreativitě v řešení úkolu. Zadané úkoly však dokázal nakonec vyřešit, i když často s dopomocí. Po absolvování školení ve firmě Amit byl schopen naprogramovat vlastní měřicí algoritmus pro snímání teploty. Bohužel algoritmus pro měření tepla se mu zprovoznit nepodařilo.
Kladně mohu hodnotit jeho iniciativu při zprovozňování samotné technologie teplé vody, pomoc při svařování trubek a fyzického zakládání bioreaktoru, což jsou práce víceméně manuálního charakteru, ale vyžadovaly značné množství času a úsilí. V práci dobře provedl zdokumentování probíhajících činností. Za pozitivní lze hodnotit posun ve snižování ztrát reaktoru izolací dna.
Za dostatečné považuji i zpracovaná data z měření a jejich srovnání s daty z minulého roku, přestože nebyl doplněn výpočet tepla. To by však bylo zatíženo značnou chybou, protože z časových důvodů se nepodařilo dokončit chladicí okruh bojleru a ochlazování tak probíhalo jen v okruhu voda/vzduch. I tak je ale patrný vliv čerpání tepla na celkovou teplotu uvnitř reaktoru. Zde lze očekávat, že bez aktivního řízení nebude možné reaktory efektivně provozovat.
Přes uvedené nedostatky student a doporučuji práci k obhajobě u státní zkoušky. Points proposed by supervisor: 75
Display more

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. Jaroslav Bajko

Bakalářská práce studenta Jana Hujňáka pojednává o způsobech využití tepla z rozkladných procesů biomasy. V první části se věnuje obecnému popisu kompostování, anaerobní fermentaci a řízení těchto procesů. Literární rešerše je dostatečná a předkládané informace řádně citovány.

V praktické části je názorně graficky zdokumentován postup stavby kompostovacího bioreaktoru s izolací, včetně zapojení otopné soustavy a výsledků naprogramovaných funkcí v řídícím systému AMiNi2DS. Chybí však výkresy, ze kterých by byly jasně patrné rozměry reaktoru, způsob rozložení tepelného výměníku a přesné umístění čidel měřících teplotu.

K práci mám následující komentáře:
 Princip získávání tepla z kompostu pomocí metody J. Paina (Kap. 3.1.5) není uveden v souladu s prací: Pain, I. & Pain, J. (1972), The methods of Jean Pain: Another kind of garden. Citace [14] neodkazuje na původní text J. Paina.
 V kapitole 5.6 (Řízení systému) není uvedeno, na jakou práci autor navazuje, tj. co je již v řídícím systému implementováno. Chybí také jakákoli ukázka kódu nebo vývojového diagramu řídícího programu.
 Základní výpočet tepelných ztrát pro stěnu bioreaktoru o kruhovém půdorysu vychází ze vztahu pro přestup tepla ve složené válcové stěně, nikoli z přestupu tepla rovinnou plochou, jak je uvedeno v Kap. 5.8.
 Nelze obecně tvrdit, že vrstva poklesu teploty bioreaktoru je dána tloušťkou (Obr. 5-18), jelikož vývoj teplot v reaktoru je dynamickým jevem (ne vždy je jádro reaktoru nejteplejší), nicméně v závěru kapitoly autor na tyto nepřesnosti upozorňuje a správně vyhodnocuje, že výpočet je pouze orientační.

Z formálních nedostatků pak nutno zmínit:
 Chybné odkazování na obrázky v textu: Místo „Obr. 5-10“ má být „Obr. 5-15“ (Str. 40); Místo „Obr. 5-11“ má být „Obr. 5-16“ (Str. 41).
 Jednotky ve vztahu (5.1) nejsou jednoznačně přiřazeny k symbolům fyzikálních veličin.

Velkým přínosem práce je skutečná realizace bioreaktoru, včetně jeho zapojení do otopné soustavy a zprovoznění celého systému. Originální je provedení izolace bioreaktoru od země a porovnání s předchozí generací reaktorů bez této úpravy.

Po grafické, stylistické i gramatické stránce je práce na dobré úrovni. Celkově autor dobře zvládl multioborový charakter bioreaktorů, v dostatečné míře se věnoval procesům získávání, přenosu tepla, stejně tak jejich monitorování a řízení, čímž naplnil všechny cíle bakalářské práce.

Celkově práci doporučuji k obhajobě s hodnocením dobře / C. Topics for thesis defence:
  1. Jak vzniká teplo v kompostu? Jak by se změnila rychlost ochlazení, pokud by teplota v aktivní fázi přesáhla 70°C?
  2. Jak by se změnil výpočet tepelných ztrát, uvažujeme-li složenou válcovou stěnu se stejnými parametry jako v Kap. 5.8?
Points proposed by reviewer: 70
Display more

Grade proposed by reviewer: C

File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 217,35 kB