Browse
Recent Submissions
Now showing 1 - 5 of 20
- ItemProcess Design and Optimisation supported by Life Cycle Assessment for a Sustainable Plastic Value Chain(Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství, ) Si, Chunyan; Fan, Yee Van; JIA, Xuexiu; Aviso, Kathleen B.Výzvy udržitelnosti napříč hodnotovým řetězcem plastů – od těžby surovin až po nakládání na konci životního cyklu – zůstávají zásadní překážkou pro rozvoj oběhového hospodářství. Ačkoli je posuzování životního cyklu (LCA) široce využíváno k vyčíslování environmentálních dopadů, často nedokáže postihnout dynamickou, víceaktérovou a vícerozměrnou povahu rozhodovacích procesů. Tato dizertační práce řeší tuto mezeru vývojem integrovaného metodologického rámce, který kombinuje LCA s doplňkovými analytickými nástroji na podporu kontextově specifických rozhodnutí o udržitelnosti. Rámec je strukturován podle klíčových fází hodnotového řetězce plastů: výroba surovin, výroba produktů, spotřeba a užívání, a nakládání na konci životního cyklu (EOL). Ve fázi výroby surovin byla provedena systematická rešerše literatury a metaanalýza 130 recenzovaných studií hodnocení životního cyklu (LCA), aby byly identifikovány výkonnostní kompromisy bioplastů ve srovnání s plasty na bázi fosilních paliv. Fáze výroby produktů je zkoumána pomocí modelu systémové dynamiky, který simuluje časovou zpětnou vazbu mezi tokem materiálu, environmentálními dopady a zásahy do produktových strategií. Zapojení spotřebitelů je řešeno pomocí Stackelbergova herního modelu, který zkoumá interakci mezi regulátory a spotřebiteli v rámci různých motivačních schémat. Ve fázi konce životnosti (EOL) je použit kooperativní herní přístup k spravedlivějšímu rozdělení environmentálních zátěží mezi zúčastněné strany v systému nakládání s plastovým odpadem, aby se zvýšil jejich podíl na recyklaci plastů. Posouzení sociálních dopadů je provedeno v celém hodnotovém řetězci a komplexní hodnocení udržitelnosti je vytvořeno integrací environmentálních, ekonomických a sociálních dimenzí za účelem podpory vyváženého rozhodování. Klíčová zjištění ukazují na značnou variabilitu environmentální výkonnosti bioplastů, která je ovlivněna typem surovin a metodickými volbami; nelineární dopady zásahů do produktových strategií na dlouhodobé přechody materiálových toků; zásadní roli sladění pobídek při snižování úniku plastů a podpoře udržitelné spotřeby; a důležitost přijatelných mechanismů rozdělování zátěží pro podporu dlouhodobé spolupráce mezi aktéry v oblasti recyklace plastů. Hodnocení sociálních dopadů dále identifikuje zranitelnost specifických skupin zúčastněných stran, zatímco integrované hodnocení udržitelnosti umožňuje lepší pochopení kompromisů a synergických efektů mezi environmentálními, ekonomickými a sociálními dimenzemi. Tato dizertace přispívá jak k teoretickému, tak praktickému rozvoji tím, že integruje LCA s dynamickými a strategickými modelovacími nástroji a nabízí přenositelný rámec pro řešení složitých problémů udržitelnosti v materiálových systémech. Získané poznatky mají za cíl podpořit výzkumníky, tvůrce politik a průmyslové aktéry při vývoji adaptivnějších a inkluzivnějších strategií pro udržitelné řízení plastů a dalších oblastí.
- ItemRenewable Energy System Design for Sustainable Buildings(Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství, ) Pan, Ting; Varbanov, Petar Sabev; JIA, Xuexiu; Hon Loong, LamSolární systém pro kombinovanou výrobu chladu, tepla a elektřiny (S-CCHP) nabízí významné příležitosti pro dosažení nulových emisí v budovách, přičemž hlavním zdrojem energie je sluneční záření. Rozšířené nasazení těchto systémů však nevyhnutelně vede k produkci souvisejících komponent, jako jsou fotovoltaické panely a tepelná čerpadla, což způsobuje zapouzdřené emise skleníkových plynů během celého životního cyklu systému. Proto je nezbytné spravedlivé a komplexní posouzení životního cyklu těchto emisí. Navíc přirozená přerušovanost obnovitelných zdrojů energie (např. slunečního záření), spolu s kolísající poptávkou po energii a dynamickými podmínkami na trhu, vyžaduje pokročilé optimalizační strategie k udržení rovnováhy mezi nabídkou a poptávkou. Tato dizertační práce navrhuje komplexní rámec hodnocení a optimalizace s cílem zlepšit udržitelnost systémů S-CCHP v průběhu jejich životního cyklu, přičemž jako případová studie slouží projekt RESHeat – Obnovitelný energetický systém pro vytápění a výrobu elektřiny v obytných budovách“. Hlavní přínosy dizertační práce zahrnují: (1) Vypracování komplexní metodiky posouzení životního cyklu (LCA) pro integrované energetické systémy, která zahrnuje jak zapouzdřené, tak provozní environmentální dopady včetně nakládání s odpady na konci životnosti systému. (2) Návrh optimalizačního rámce z pohledu nabídky i poptávky, který zahrnuje strategie řízení poptávky a stupňovitý systém obchodování s uhlíkem ke zvýšení flexibility systému a snížení emisí skleníkových plynů. (3) Provádění srovnávací analýzy hybridních technologií akumulace energie, včetně olověných baterií (PbA), lithium-železo-fosfátových baterií (LFP) a redoxních průtokových baterií s vanadem (VRF), pro rezidenční a komunitní využití, s cílem vyhodnotit technicky proveditelná a ekonomicky výhodná řešení pro zvýšení účinnosti, odolnosti a nákladové efektivity. (4) Zhodnocení dopadu energetických pobídek a systémů obchodování s uhlíkem na výkonnost systému jako základ pro politická doporučení podporující širší zavádění a integraci systémů S-CCHP na trhu. Výsledky LCA ukazují, že systém RESHeat snižuje potenciál globálního oteplování a nedostatek fosilních zdrojů o více než 60 % ve srovnání s tradičními plynovými kotli. V závěrečné fázi životního cyklu strategie opětovného využití snižují nedostatek minerálních zdrojů o 32,31–38,73 %. Díky spolupracující optimalizaci systém dosahuje snížení nákladů o 16,15 % a emisí o 57,49 %. Fotovoltaické panely pokrývají většinu letní spotřeby elektřiny, zatímco tepelná čerpadla dominují zimnímu vytápění. Mezi technologiemi akumulace energie vykazují baterie VRF nejvyšší ekonomické výnosy, zatímco baterie LFP mají nejnižší environmentální dopad. Analýzy scénářů zdůrazňují úspory nákladů a emisí prostřednictvím obchodování s uhlíkem a řízení poptávky, i když za cenu určitého snížení komfortu. Analýza bodu zvratu určuje minimální cenu uhlíkových kreditů potřebnou pro zajištění ziskovosti systému na trhu.
- ItemTeoretické studium magnetických stavů ve slitinách s odlišnou úrovní uspořádání(Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství, ) Papež, Pavel; Friák, Martin; Černý, Miroslav; Holec, DavidTato práce se zabývá studiem magnetismu pomocí ab initio metod. Tyto metody umožňují jednoduchý přístup k materiálovým vlastnostem bez nutnosti experimentálních měření. Ab initio výpočty v této práci byly provedeny programem Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) pomocí projektovaných přidružených vln (PAW) zatímco výpočty molekulové dynamiky byly provedeny programem LAMMPS v kombinaci s univerzálním potenciálem GRACE. Výpočty byly provedeny na třech materiálech, slitině s vysokou entropií CoCrNi, intermetaliku YMn2 a základnímu alotropu prvku alfa-Mn. Pro slitinu CoCrNi byly výpočty použity k popisu vlivů uspořádání na krátkou vzdálenost na magnetické momenty a přenos náboje v materiálu. Dále pak byly tyto získané výsledky provázány s fázovou stabilitou této slitiny, jejíž teplotní závislost byla dále simulována pomocí molekulové dynamiky. Také proběhlo porovnání získaných výsledků pomocí ab initio metod s univerzálními potenciály k zjištění jejich přesnosti. Pro intermetalikum YMn2 byly výpočty provedeny pro několik možných uspořádání magnetických momentů s cílem získat základní stav. Tyto výpočty byly provedeny s nekolineárními magnetickými momenty. Po úspěšném popisu komplikované magnetické struktury čistého Mn pomoci metaGGA funkcionálu byl následně použit na intermetalikum YMn2 k zisku experimentálně měřených magnetických struktur.
- ItemVyužití kritického délkového parametru pro predikce únavové životnosti vrubovaných těles(Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství, ) Kozáková, Kamila; Klusák, Jan; Horníková, Jana; Trško, LiborÚnavová životnost je klíčovým aspektem při návrhu geometrie cyklicky namáhaných vrubovaných součástí. Přesná predikce je však stále výzvou a tyto přístupy se dodnes vyvíjí. Jedním z těchto přístupů je teorie kritických vzdáleností, která byla v dizertační práci využita. Cílem práce bylo navrhnout predikční metodu pro únavovou životnost kovových vzorků s vrubem založenou na teorii kritických vzdáleností, experimentálně ověřit vhodnost této metody pro predikci únavové životnosti a navrhnout její modifikaci směřující k přesnějším výsledkům. Byly provedeny únavové zkoušky hladkých a vrubovaných vzorků různých materiálů za použití ultrazvukového pulsátoru. Na základě těchto experimentálních dat a numerických analýz byly určeny hodnoty kritické vzdálenosti. Tato kritická vzdálenost, včetně její navržené modifikace, byla využita k predikci únavové životnosti vrubovaných vzorků v oblasti vysokocyklové a gigacyklové únavy, přičemž výsledky byly srovnány s experimentálními daty. Bylo zjištěno, že se kritická vzdálenost s rostoucím počtem cyklů zmenšuje. Významně také závisí na velikosti poloměru vrubu, proto je nutné délkový parametr před predikcí vždy modifikovat. Práce rozšiřuje aplikaci teorie kritických vzdáleností do oblasti vysokocyklové a gigacyklové únavy, přináší analýzu kritického parametru různých vrubů a navrhuje modifikaci teorie kritických vzdáleností vedoucí k přesnějším predikcím.
- ItemAdditive manufacturing of topologically optimised parts(Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství, ) Vaverka, Ondřej; Koutný, Daniel; Ayas, Can; Herzog, DirkDisertační práce se zabývá technologií Laser Powder Bed Fusion (LPBF) v kontextu efektivní produkce topologicky optimalizovaných (TO) dílů. Její hlavní zaměření je na výrobní možnosti a limity LPBF a na důsledky, které z toho plynou pro návrh dílů a jejich post-procesing. Práce se zaměřuje na tři obecné problémy LPBF: zbytkové napětí ve vyrobených dílech, nutnost použití podpůrných struktur a na vlastnosti strukturovaného materiálu vyrobeného pomocí LPBF. Zbytková napětí jsou neoddělitelným problémem technologie LPBF, který je většinou řešen post-procesingovým tepelným zpracování. Nicméně pro Al-Si slitiny je jednostupňové žíhání vždy kompromis mezi nízkou hodnotou zbytkového napětí a pevnostními vlastnostmi. Nejslibněji se jeví zpracování T6, které se skládá z rozpouštěcího žíhání s chlazením ve vodě následovaného umělým stárnutím. Toto zpracování je schopné zachovat pevnostní vlastnosti a tato práce ukázala, že zároveň dokáže úplně eliminovat zbytková napětí způsobená výrobou pomocí LPBF. Nicméně chlazení ve vodě indukuje nové tlakové napětí, které způsobuje deformace dílů. Tento efekt je nutné brát do úvahy během přípravy výroby při zvolení správné orientace dílu na platformě a při návrhu podpůrných struktur. Potřeba podpůrných struktur je řešena dvěma přístupy. Tím prvním je integrace návrhových pravidel pro aditivní výrobu do návrhového procesu s využitím jednoúrovňové TO. Cílem je snížit počet podpůrných struktur pomocí změny tvaru určitých tvarových prvků. Druhým přístupem je víceúrovňová optimalizace s předdefinovanými mikro-prutovými strukturami. Nutným vstupem do optimalizace je znalost mechanických vlastností pro celý rozsah relativních hustot. Tenké pruty jsou včetně defektů a mechanických vlastností rozsáhle studovány v literatuře. Výzkum v této disertační práci se zaměřil na statistické ověření těchto poznatků pomocí analýzy změn tvaru prutů. Tato analýza proběhla pomocí výpočetní tomografie na strukturovaných vzorcích s počtem prutů mezi 2700 a 500. Výsledky ukazují, že tvar prutů je ovlivněn blízkostí platformy, ale po první řadě buněk se dá tvar prutů považovat za konstantní. Na druhou stranu, v současném stavu poznání chybí mikro-prutové struktury s vysokou relativní hustotou. Porovnání šesti základních mikro-prutových struktur ukázalo, že je velice důležité, která buňka je použita pro víceúrovňovou TO, protože rozdíl ve váze dvou buněk se stejnou tuhostí může být až 40 %. Orientace dílu má také významný vliv na vhodnost jednotlivých buněk pro TO. Výsledky ukazují, že vhodnost není přímočará a že absence horizontálně orientovaných prutů automaticky neznamená nižší tuhost v horizontálním směru v porovnání s vertikálním. Navíc byla pozorována anizotropie efektivních elastických vlastností způsobená zpracováním T6, což zatím nebylo nikde popsáno. Všechny výše zmíněné poznatky je potřeba brát do úvahy při vytváření víceúrovňových návrhů pomocí TO pro technologii LPBF. Další práce by se měla zaměřit na vývoj víceúrovňové metody s více buňkami, která dokáže brát zřetel na všechny výše zmíněné poznatky.