Recenzja rozprawy doktorskiej

Transkrypt

1 WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA POLITECHNIKI BIAŁOSTOCKIEJ BIAŁYSTOK, UL. WIEJSKA 45E tel.: ( 85) , fax: wbiis@pb.edu.pl prof. dr hab. inż. Mirosław Żukowski Białystok dn r. Katedra Ciepłownictwa, Ogrzewnictwa i Wentylacji Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechnika Białostocka Recenzja rozprawy doktorskiej mgr inż. Justyny Gołębiowskiej pt. Ocena możliwości zastosowania układu chłodząco-grzewczego wykorzystującego moduły termoelektryczne i ogniwa fotowoltaiczne Podstawa formalna recenzji Podstawą opracowania recenzji było pismo Pana Dziekana Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej prof. dr hab. Witolda Stępniewskiego (Ś-141/2018) z dnia oraz umowa o dzieło w przewodzie doktorskim (37/WIŚ/2018). Ogólna charakterystyka rozprawy Praca doktorska mgr inż. Justyny Gołębiowskiej zatytułowana Ocena możliwości zastosowania układu chłodząco-grzewczego wykorzystującego moduły termoelektryczne i ogniwa fotowoltaiczne liczy 113 stron. Autorka podzieliła całą rozprawę na cztery rozdziały, po których zamieściła podsumowanie i wnioski. Wykaz piśmiennictwa obejmuje 86 pozycji literaturowych oraz dwa akta prawne. Pracę kończy spis rysunków oraz tabel.

2 Rozprawa doktorska mgr inż. Justyny Gołębiowskiej dotyczy oceny możliwości zastosowania modułów termoelektrycznych w układach łączących funkcje chłodnicze i grzewcze. Tytuł rozprawy sugeruje, że będą analizowane również ogniwa fotowoltaiczne. Okazało się jednak, że Autorka traktuje je tylko jako alternatywne źródło zasilania w analizie środowiskowej. Nie są one integralną częścią obiektu badań, zatem, moim zdaniem, tytuł nie powinien zawierać zwrotu i ogniwa fotowoltaiczne. Na początku pracy znajduje się Spis treści, którego elementami są Podsumowanie i Literatura - zostały im przypisane numery. Moim zdaniem te części pracy nie są typowymi rozdziałami i nie powinny być numerowane. Rozprawę poprzedza spis oznaczeń, które również powtarzane są w tekście w celu ułatwienia czytania pracy. Należy jednak zauważyć, że w sposobie oznaczania zmiennych są pewne niekonsekwencje, które wyszczególniłem w dalszej części oceny. We wstępie, poprzedzającym zasadniczą część rozprawy, Autorka wykazuje oryginalność rozwiązywanego problemu oraz aktualność i konieczność zajmowania się alternatywnymi źródłami energii. Cel i zakres rozprawy doktorskiej stanowi treść pierwszego rozdziału, w którym Autorka podaje, że jej badania obejmowały ocenę skuteczności działania układu chłodzącogrzewczego wyposażonego w ogniwo termoelektryczne oraz opracowanie wskaźników oddziaływania środowiskowego zaproponowanego rozwiązania technicznego. Zostały sformułowane cztery tezy, z których trzecia mogłaby być bardziej uogólniona. Autorka zaprezentowała również zakres przeprowadzonych badań mający na celu udowodnienie postawionych tez. Drugi rozdział rozprawy doktorskiej został poświęcony przeglądowi literatury na temat systemów chłodzących zasilanych energią słoneczną, charakterystyce ogniw termoelektrycznych, podstaw teoretycznych efektów Peltiera i Joule a oraz opisowi narzędzi diagnostycznych wykorzystywanych w procesie zarządzania środowiskiem. Autorka w dość szczegółowy, ale jednocześnie zwięzły sposób scharakteryzowała stan wiedzy w zakresie obejmującym tematykę pracy. Zacytowała rezultaty licznych eksperymentów zrealizowanych na świecie, również tych najnowszych, które dotyczą badań ogniw termoelektrycznych. W trzecim rozdziale rozprawy doktorskiej mgr inż. Justyna Gołębiowska prezentuje stanowiska badawcze: jedno do testowania ogniwa z radiatorem i wentylatorem po stronie chłodzącej i gorącej oraz drugie wyposażone w układ odbioru i magazynowania ciepła 2/8

3 po stronie gorącej ogniwa. Autorka przedstawia również metodykę wykonywania badań eksperymentalnych wraz z zależnościami służącymi do określenia współczynnika wydajności układu (COP) oraz wzory i parametry służące do wyznaczenia niepewności pomiarowej. Sposób określania wpływu analizowanych rozwiązań technicznych na środowisko bazujący na technikach Ecoindicator 99 i Global Warming Potential 100a kończy opis części badawczej. Informacje zawarte w czwartym rozdziale rozprawy doktorskiej mgr inż. Justyny Gołębiowskiej, pod względem poznawczym, można uznać za najważniejszy i najbardziej wartościowy element rozprawy. W pierwszej części przedstawia on omówienie wyników badań eksperymentalnych obu typów analizowanych rozwiązań odbioru energii z modułu termoelektrycznego. Drugą część stanowią rezultaty bardzo szczegółowo przeprowadzonej dwuwariantowej oceny środowiskowej. Pracę kończy podsumowanie oraz wnioski. Znajdujemy tam streszczenie rozprawy, najbardziej istotne rezultaty będące efektem wykonanej pracy i siedem wniosków, które potwierdziły postawione na wstępie tezy. Ocena merytoryczna rozprawy doktorskiej W rozprawie doktorskiej mgr inż. Justyna Gołębiowska zajęła się oceną ogniwa termoelektrycznego, potocznie zwanego ogniwem Peltiera, pod kątem jego wykorzystania do produkcji chłodu ze szczególnym uwzględnieniem potencjalnych możliwości aplikacyjnych w chłodzeniu pomieszczeń. W celu udowodnienia zaproponowanych tez oraz zrealizowania założonego zakresu pracy Autorka przeprowadziła badania eksperymentalne dwóch układów różniących się wymianą ciepła po stronie gorącej: w pierwszym przypadku konwekcja wymuszona była generowana pracą wentylatora zintegrowanego z radiatorem, w drugim rozwiązaniu odbiór ciepła odbywał się przy zastosowaniu wymiennika wodnego. Należy podkreślić, że Autorka wykazała się dużą umiejętnością w projektowaniu i prowadzeniu eksperymentów. Metodyka zastosowana w badaniach była prawidłowa. Moim zdaniem rezultaty obu serii testów są najbardziej wartościowym pod względem poznawczym elementem przedstawionej mi do zaopiniowania rozprawy doktorskiej. Odrębną częścią pracy mgr inż. Justyny Gołębiowskiej jest ocena cyklu życia obu wariantów odbioru ciepła oraz dwóch sposobów zasilania ogniwa termoelektrycznego: 3/8

4 energią z sieci elektrycznej i z instalacji fotowoltaicznej. W swojej analizie Autorka posługiwała się techniką Ecoindicator 99 i Global Warming Potential 100a. Analiza została zrealizowana prawidłowo i z dbałością o szczegóły a wyniki oceny środowiskowej przedstawiono w formie wskaźników, które swoją ilością wręcz przytłaczają czytelnika. W przedstawionej do oceny rozprawie doktorskiej mgr inż. Justyny Gołębiowskiej natrafiłem na elementy, które wzbudziły moje wątpliwości i wywołały chęć polemiki. Prezentuję je w skróconej formie poniżej. Wykonywanie badań w bardzo małej skali z wykorzystaniem techniki bilansu energii ma dużą zaletę, gdyż stanowiska zajmują mało miejsca a koszt ich budowy jest niewielki. Jednak generalna wada takiego rozwiązania to duże prawdopodobieństwo oddziaływania wielu czynników zewnętrznych, które wpłyną na dokładność bilansu ciepła oraz trudności w ocenie parametrów pracy testowanego rozwiązania w warunkach rzeczywistych. Moim zdaniem przy bardzo małej mocy chłodniczej, na przykład 5 W dla prądu 4 A, duży wpływ na bilans energii mają straty ciepła przez obudowę komory, przewody, zbiornik i nieizolowany wodomierz. Szkoda, że Autorka nie oceniła ich wartości, chociażby wykorzystując do tego celu kamerę termowizyjną. Uwzględnienie strat ciepła z pewnością przyczyniłoby się do zwiększenia wartości współczynników COP opisujących efektywność energetyczną testowanych modułów. Trochę więcej komentarzy na ten temat zamieściłem w części zawierającej uwagi szczegółowe. Z pewnością ten mankament rozprawy można wytłumaczyć stosunkowo małym doświadczeniem w prowadzeniu badań eksperymentalnych. Określając energię odebraną z komory badawczej QK przy wyznaczaniu współczynnika wydajności układu COP Autorka użyła zależności (29), w której występuje różnica temperatury medium TK na końcu i na początku eksperymentu. Równanie to można zastosować, gdy nie mamy wewnętrznego źródła ciepła i strat ciepła. W przypadku, gdy w komorze były symulowane wewnętrzne zyski ciepła wartość QK należało wyznaczyć z bilansu energii, gdyż przy prądzie 4 A TK była prawie równa 0 (rys. 4.4). W tabeli 4.10 podano całkowitą energię uzyskaną w procesie chłodzenia komory przy wymienniku powietrznym i prądzie 4 A równą 0.53 Wh. W tym przypadku moc chłodnicza była równa mocy wewnętrznego źródła ciepła, czyli 5 W. Mnożąc tę wartość przez czas eksperymentu (1.5 h) i nie uwzględniając strat otrzymamy 7.5 Wh. Wpłynie to zdecydowanie na zwiększenie współczynnika wydajności układu. Autorka włożyła bardzo dużo pracy w wykonanie oceny cyklu życia badanych układów. Udowodniła, że doskonale posługuje się narzędziami diagnostycznymi stosowanymi w procesie zarządzania środowiskiem. Moim zdaniem ta część pracy mogłaby być 4/8

5 wyodrębniona jako oddzielny rozdział. Cała analiza wykonana przez mgr inż. Justynę Gołębiowską bazuje na energii uzyskanej w procesie chłodzenia komory i podgrzewu wody w warunkach laboratoryjnych w skali mikro. Moim zdaniem większy sens miałaby ocena układu chłodzenia zaprojektowanego na przykład dla typowego budynku jednorodzinnego. W tym przypadku można byłoby ocenić konieczną powierzchnię paneli fotowoltaicznych, ewentualną potrzebę stosowania hybrydowego układu zasilania w energię elektryczną oraz, co ważne, czy ilość ciepła odpadowego nie przekroczyłaby zapotrzebowania na ciepło do podgrzewu wody. Praca byłaby również bardziej interesująca, gdyby Autorka wykonała równolegle ocenę środowiskową nowoczesnego sprężarkowego systemu chłodzenia częściowo zasilanego energią elektryczną pochodzącą z paneli fotowoltaicznych. Porównanie obu przypadków pozwoliłoby w sposób jednoznaczny określić, która technologia jest w rzeczywistości większym obciążeniem dla środowiska. Uwagi bardziej szczegółowe dotyczące opiniowanej rozprawy doktorskiej zamieszczam poniżej. 1) (str. 6) W wykazie oznaczeń występuje Qcd ciepło przewodzone ze strony gorącej na stronę zimną modułu TE w danym czasie, W, z jednostki wynika, że jest to moc cieplna, ponieważ ciepło przewodzone w czasie ma jednostkę energii a nie mocy. 2) (str. 6) Brak konsekwencji w oznaczeniach, przez Q oznaczana jest moc i energia, zamiast QK powinno być WK, a zamiast QZB powinno być WZB. 3) (str. 7) Współczynnik przewodzenia ciepła w oznaczeniach ma symbol λ a w tekście rozprawy pojawia się również symbol k, który jest bardziej poprawnym zapisem. 4) (str. 10) Zwrot ocena skuteczności działania jest pojęciem bardzo ogólnym z technicznego punktu widzenia, powinno się raczej zastosować zwrot na przykład ocena efektywności energetycznej. 5) (str. 10) Zwrot Efekty chłodzenia w pierwszej tezie są również pojęciem mało precyzyjnym z technicznego punktu widzenia. 6) (str. 11) dokonanie Oceny cyklu życia nie można zaliczyć do badań eksperymentalnych. 7) (str. 17) Autorka stwierdziła, że chłodziarki adsorpcyjne mogą współpracować z kolektorami płaskimi, raczej powinno być napisane z kolektorami termicznymi. 8) (str. 24 i inne) Słowo temperatura w pracy pojawia się często w liczbie mnogiej, co jest błędem, gdyż słowo to w języku polskim występuje tylko w liczbie pojedynczej. 5/8

6 9) (str. 28) Na wykresie (rys. 2.15) zaprezentowano zależność wydajności procesu chłodzenia od współczynnika ZT ogniwa termoelektrycznego, którego definicji wcześniej nie podano. W podpisie pod rysunkiem powinno pojawić się odwołanie do równania (21) znajdującego się na str. 30. Poza tym Autorka podaje zależności dla parametru ZT równego 4 i 10, przy których współczynnik COP osiąga bardzo dużą wartość. Wprowadza to czytelnika w błąd, ponieważ wyprodukowanie ogniwa o takiej charakterystyce jest bardzo trudne. 10) (str. 30) wszystkie wartość raczej wszystkie wartości. 11) (str. 32) W Tabela 2.1. Właściwości wybranych materiałów termoelektrycznych występuje temperatura, ale nie wiadomo czego ona dotyczy. 12) (str. 33) Autorka wymienia zalety i wady technologii termoelektrycznej nie wspominając, czy w trakcie eksploatacji zmienia się charakterystyka ogniw TE i jaka jest ich średnia żywotność. 13) (str. 35) Stwierdzenie pozyskanie W energii umożliwiającej kontrolę powietrza wewnętrznego powinno być skomentowane przez autorkę. Przy takiej mocy to raczej niczego nie możemy kontrolować, ponieważ sam człowiek emituje około 100 W mocy. 14) (str. 43) Pojemność komory chłodniczej wyniosła 0,125 cm 3, chyba 0,125 m 3. 15) (str. 46) Czy górna przykrywa komory była sklejona ze ścianami bocznymi? Ze zdjęcia na rys. 3.6 i 3.12 widać, że raczej nie. Mogło to powodować infiltrację powietrza, która wpływa na bilans energii. 16) (str. 48) Autorka podaje współczynniki przewodzenia ciepła zastosowanych izolacji nie podając ich grubości. 17) (str. 49) Na rys widać, że przewody nie zostały zaizolowane, chociaż taka informacja pojawia się w tekście. Wodomierz również nie został zaizolowany. Przy tak małych mocach jakie są mierzone nawet niewielkie straty ciepła mogą mieć znaczący wpływ na ogólny bilans energii. Poza tym czy nie lepiej było zastosować licznik ciepła zamiast wodomierza? 18) (str. 54) Parametry fizyczne powietrza i wody Autorka wyznaczała z dosyć skomplikowanych zależności obowiązujących dla bardzo szerokiego przedziału zmiany temperatury na przykład od -100 C do 2000 C w przypadku gęstości powietrza. Czy nie prościej byłoby samemu zaproksymować te parametry na podstawie danych tabelarycznych dla przedziału temperatury, który w eksperymencie był bardzo wąski? 6/8

7 19) (str. 64) Wartość temperatury strony zimnej i powietrza w komorze przy prądzie 8 A przedstawione na rys. 4.1 i 4.2 nie zgadzają się. Tendencja jest odwrotna. 20) (str. 65) Straty ciepła komory można było oszacować na podstawie wykresu na rys Jak można zauważyć przy różnicy temperatury 15 o C (35 o C -20 o C) tracona moc to 5 W, czyli stosunkowo dużo w porównaniu do zakresu mocy chłodniczych otrzymywanych w eksperymencie. Przeprowadzając analogiczne badanie przy zmienionej mocy wewnętrznego źródła ciepła otrzymamy zależność liniową, która pozwoliłaby na dokładną ocenę strat ciepła przy dowolnej różnicy temperatury pomiędzy wnętrzem a otoczeniem komory. 21) (str. 66) Na wykresie (rys. 4.4) przy natężeniu prądu 8A zachodzi bardzo dziwna anomalia. Można zaobserwować gwałtowny spadek temperatury powietrza w komorze podczas pierwszych pięciu minut eksperymentu. Czym to może być spowodowane? W tym okresie źródło chłodu ma wyższą temperaturę od powietrza w komorze. 22) (str. 67) Wartości temperatury strony ciepłej ogniwa przy natężeniu prądu 6 i 7 A na rys. 4.4 i 4.5 nie są zgodne. Różnica sięga nawet kilkudziesięciu stopni. Poza tym nie ma zgodności temperatury strony zimnej oraz powietrza w komorze przy prądzie 7 A na obu rysunkach. 23) (str. 68) Temperatura na radiatorze po stronie gorącej na rys. 4.6 jest częściowo niezgodna z temperaturą na wykresach na rys. 4.4 i ) (str. 70) W tabeli 4.3 Autorka zaprezentowała wyniki obliczeń współczynnika COP podając wcześniej jedynie energię potrzebną do zasilania ogniwa termoelektrycznego. Nie została podana energia chłodnicza i potrzebna do zasilania wentylatorów. Jak wspomniałem wcześniej, w tym przypadku prawidłową wartość COP należałoby obliczyć na podstawie oszacowania mocy chłodniczej a nie zależności (29) na str ) (str. 71) Autorka nie podała, czy podczas eksperymentu z wymiennikiem wodnym stosowała dodatkowe źródło ciepła w komorze. 26) (str. 78) Autorka podała tylko jeden z pięciu składników bilansu energii przy obliczaniu współczynnika COP, zatem trudno było mi ocenić prawidłowość jego określenia. Innych, mniej znaczących pomyłek i uwag postanowiłem nie zamieszczać w recenzji. Podsumowanie oceny merytorycznej rozprawy doktorskiej zawarłem w kilku poniżej przedstawionych punktach. 7/8

8 Tematyka przedstawionej mi do recenzji rozprawy jest jak najbardziej aktualna oraz ważna z praktycznego i naukowego punktu widzenia. Treść pracy odpowiada tytułowi a jej układ jest przejrzysty i logiczny. Jasno sformułowany cel pracy został osiągnięty, także postawione na wstępie rozprawy tezy zostały udowodnione. Autorka wykazała się starannością podczas redagowania rozprawy, choć nie ustrzegła się pewnych błędów natury formalnej. Zabrakło mi między innymi podania bardziej szczegółowych wyników badań związanych z tworzeniem bilansu energii. Sposób cytowania oraz wybór pozycji bibliograficznych dowodzi dużej znajomości poruszanej tematyki i świadczy, że Autorka potrafi dokonać przeglądu literatury naukowej w sposób prawidłowy. Na podstawie analizy wyników badań i obliczeń Autorka w sposób prawidłowy sformułowała wnioski, chociaż można byłoby jeszcze popracować nad ich uogólnieniem. Wniosek końcowy Pomimo wymienionych powyżej uwag natury polemicznej i krytycznej stwierdzam, że mgr inż. Justyna Gołębiowska wykazała się umiejętnością rozwiązywania zagadnień o charakterze naukowym, w tym samodzielnego prowadzenia badań eksperymentalnych, posiada dużą wiedzę teoretyczną, zrealizowała założony cel i udowodniła postawione tezy. Przedstawiona do zaopiniowania rozprawa doktorska pt. Ocena możliwości zastosowania układu chłodząco-grzewczego wykorzystującego moduły termoelektryczne i ogniwa fotowoltaiczne charakteryzuje się dużym stopniem oryginalności, jest interesująca pod względem poznawczym, a jej tematyka mieści się w dyscyplinie inżynieria środowiska. Reasumując, recenzowana rozprawa doktorska spełnia warunki zawarte w Ustawie o stopniach i tytule naukowym oraz stopniach i tytule naukowym w zakresie sztuki z dnia 14 marca 2003 roku (Dz. U. z 2003 r. Nr 65, poz. 595, z późniejszymi zmianami), wnoszę więc o jej dopuszczenie do publicznej obrony przed Radą Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej. prof. dr. hab. inż. Mirosław Żukowski 8/8