DFTPorositySintering

Abstrakt: 

Vyšetrovanie termofyzikálnych vlastností prírodných materiálov pomocou nových senzorov a metód. Tepelné vlastnosti hornín sú kritickým parametrom pre riešenie problémov sezónneho uskladnenia tepelnej energie v geologickom podloží okolo domov. Pre optimalizáciu procesu ukladania energie potrebujeme poznať termofyzikálne vlastnosti prostredia do ktorého sa energia ukladá. Pre numerické simulovanie javov transportu tepla pri prestupe z výmenníka tepla do materiálov geologického podložia (napr. vápenec a ílovité hliny) musíme poznať hodnoty koeficientov tepelnej teplotnej vodivosti a mernej tepelnej kapacity. V rámci projektu budú navrhnuté a vyrobené jedno-sondové termofyzikálne senzory a ich modifikácie pre in-situ merania. Nové senzory sa umiestnia do rúrkových vývrtov v rôznych podmienkach, teda hline a skalných masívoch. Pre nové jedno-sondové termofyzikálne senzory budú na báze doterajších skúseností vypracované nové modely tak, aby čo najpresnejšie popisovali experiment.

Odbor: 
thermophysics
Vedecká časť: 

Zámerom projektu je vývoj senzorov a metodiky merania termofyzikálnych vlastností prírodných materiálov z geologického podložia pod domami, kde je možné inštalovať systémy výmenníkov tepla pre sezónne ukladanie tepelnej energie. Takýto systém vyžaduje optimalizáciu procesu a preto treba poznať základné termofyzikálne parametre podložia pre výpočty procesu transportu tepla v daných geologických podmienkach. Na riešenie daného problému treba splniť nasledovné ciele:
Vyvinúť a otestovať nové termofyzikálne senzory pre prechodové metódy a aplikovať ich na meranie
tyermofyzikálnych (tepelných) vlastností prírodných materiálov.
Navrhnúť a vyrobiť jednosondové termofyzikálne senzory a ich modifikácie vhodné pre vkladanie do vývrtov v rôznych geologických podmienkach.
Navrhnúť a postaviť elektronickú jednotku s malou spotrebou energie, vhodnú na meranie v terénnych
podmienkach. Jednotka by umožňovala aj monitorovanie vlhkosti pomocou javu, kedy sa so zmenou obsahu vlhkosti v póroch menia hodnoty tepelných vlastností.
Nakalibrovať plošné termofyzikálne senzory na monitorovanie obsahu vlhkosti v poréznych kameňoch a hline v suchom a vodou nasýtenom stave. Následne ich použiť v reálnom experimente.
Vypracovať nové modely pre jednosondové termofyzikálne senzory skonštruované na báze doterajších
skúseností tak, aby čo najpresnejšie popisovali experiment.
V ďalších krokoch vykonať testovacie merania pre nové senzory. Merania vyhodnotiť pomocou nových aj existujúcich modelov [15, 7].
Pripraviť vzorky materiálov získaných z vývrtov geologického podložia pri budovaní sezónneho úložiska tepelnej energie.

Socioekonomický a technologický dopad: 

- Nové senzory a metódy merania termofyzikálnych parametrov pevných látok budú použiteľné prakticky vo všetkých oblastiach materiálového výskumu.
- Odvodené modely pomôžu rozšíriť metódy vyhodnocovania experimentov.
Testovanie modelov a ich analýza v rámci spomenutých metód umožní znížiť neurčitosť stanovenia meraných parametrov.
- Výstupy projektu sú použiteľné aj v rôznych oblastiach stavebníctva. V prípade zameranom na materiály geologického podložia v okolí budov bude možné vybudovaný systém metodicky použiť aj pri budovaní sezónnych úložísk tepelnej energie. V súčasnosti sme začali spoluprácu s firmou, ktorá sa danou problematikou už zaoberá a má záujem na takýchto meraniach a zariadeniach spolupracovať. Cieľom spolupráce je z nameraných termofyzikálnych vlastností prírodných materiálov vypočítať teplotné polia v okolí výmenníka tepla umiestneného v geologickom podloží okolia domov a optimalizovať režim akumulácie tepelnej energie v zemskom podloží.
- Vyvíjané senzory sú v prvom rade schopné merať základné termofyzikálne parametre. Pomocou efektu ich závislosti na zmene obsahu vlhkosti v poréznych materiáloch ich vieme použiť ako sekundárne senzory vlhkosti. Systémom ciachovania pre suchý a vodou saturovaný stav zistíme hornú a dolnú medzu pre obsah vlhkosti v rozmedzí približne 0 až 100 %, ktorý potom meriame v teréne. Podobný systém, založený na bodovej HotBall metóde sme vybudovali v múzeu skalných obydlí v Brhlovciach. V skalnom masíve sedimentárnych tufov boli inštalované 4 sondy v rôznych hĺbkach, ktoré monitorujú teplotno-vlhkostný režim vzhľadom na zmeny počasia. Systém je použiteľný na monitorovanie stavu ľubovolných budov a ohrozených kultúrnych pamiatok [1-5].

Technická časť: 

Výpočty budú realizované v troch oblastiach.
1, Vyhodnotenie nameraných dát teplotnej odozvy rôznych materiálov pomocou fitovania použitím rôznych modelov (v desktop PC trvajú vyše hodiny). Pripravené sú zdrojové kódy v gcc pre 15 modelov.
2, Výpočet transportu tepla v poréznych materiáloch ako sú prírodné kamene a pôdy.
3, Výpočet hustoty stavov v rôzne neusporiadaných štruktúrach (napr. pri spekaní keramík sme pozorovali anomáliu termofyzikálnych parametrov z dôvodu rozusporiadavania a usporiadavania štruktúry). Modelovaním rôznych defektov v štruktúre a výpočte hustoty stavov s následným prepočtom hmotnostnej teplenej kapacity by sme mali overiťteóriu mechanizmu procesov prítomných pri spekaní práškových materiálov.

Prepojenie s grantovými úlohami: 
VEGA 2/0192/17 Vývoj senzorov a metód pre prechodové metódy merania termofyzikálnych vlastností látok a ich aplikácia pre možnosti sezónneho uskladnenia tepelnej energie
Spolufinancovanie: 
1.00
Výstupy: 
- termofyzikálne parametre meraných materiálov charakterizujúcich vlastností hornín pre konkrétne použitie v praxi - model transportu trepla v poréznych štruktúrach pre zvolený typ porozity - nové poznatky pre procesy spekania (sintrovania) práškových materiálov