RECENZJA mgr inż. Artura Chomy Metoda zabezpieczenia pomp ośrodkowych przed skutkami wystąpienia zjawiska uderzenia hydraulicznego

Transkrypt

1 dr hab. inż. Tadeusz Siwiec, prof. SGGW Warszawa Zakład Wodociągów i Kanalizacji Katedra Inżynierii Budowlanej Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie ul. Nowoursynowska Warszawa RECENZJA rozprawy doktorskiej mgr inż. Artura Chomy pt. Metoda zabezpieczenia pomp ośrodkowych przed skutkami wystąpienia zjawiska uderzenia hydraulicznego Podstawa opracowania Zlecenie Pana Dziekana Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej Pana prof. dra hab. Witolda Stępniewskiego z dnia r. opatrzone numerem Ś/245/2017. Ogólne omówienie rozprawy Tematyka podjęta w rozprawie doktorskiej jest istotnej wagi, ze względu na aspekt zarówno naukowy jak i praktyczny. Związana jest z wszelkiego rodzaju systemami pompowymi, a co za tym idzie nieuchronnie występującymi uderzeniami hydraulicznymi. Trudno byłoby wyobrazić sobie funkcjonujące systemy wodociągowe i kanalizacyjne bez różnego rodzaju pomp, które umożliwiają dopływ wody do dowolnych odbiorców, lub odbiór od nich ścieków w miejscach o zróżnicowanej, nierzadko niekorzystnej konfiguracji terenu. W systemach kanalizacyjnych uderzenia hydrauliczne zdarzają się rzadko, gdyż w przypadku zastosowania kanalizacji grawitacyjnej odcinki ciśnieniowe są zazwyczaj krótkie (tylko do pokonania różnic rzędnych), a w kanalizacji ciśnieniowej znaczna liczba rozgałęzień skutecznie może spłaszczać wysokości ciśnień fali uderzeniowych. W sieciach podciśnieniowych, gdzie przepływy są bardzo gwałtowne i mogłyby być podatne na uderzenia hydrauliczne obecność dużej ilości powietrza skutecznie eliminuje ten problem. Oczywiście w tym przypadku na uderzenia hydrauliczne będą podatne długie odcinki przerzutowe mogące występować zarówno w sieciach grawitacyjnych jak i innych, np.

2 2 odcinki zapewniające transport ścieków ze stacji próżniowo-tłocznej do kolejnej zlewni, lub oczyszczalni ścieków. Zdecydowanie częściej uderzenia hydrauliczne mogą występować w systemach wodociągowych. Związane są z każdorazowym uruchomieniem i zatrzymaniem pompy współpracującej z sieciami. Szczególnie dotyczy to przypadków, gdy pompy uruchamiane są bez spowolnionego rozruchu (przetwornica częstotliwości, soft start itp.), i współpracują z długimi odcinkami rurociągów (tranzytowymi), oraz mogą występować zatrzymania pompy bez powolnego zmniejszania liczby obrotów. Dotyczy to, na przykład niespodziewanego wyłączenia prądu. Analizie skuteczności zapobiegania skutkom uderzeń hydraulicznych podczas uruchamiania i zatrzymywania pomp została poświęcona rozprawa doktorska mgra inż. Artura Chomy. Merytoryczną część pracy stanowi 9 rozdziałów, z których pierwszy jest krótkim wprowadzeniem czytelnika we właściwą tematykę, a drugi zawiera cel, tezy oraz zakres pracy. Trzeci rozdział, podzielony na sześć podrozdziałów stanowi przegląd literatury dotyczącej uderzeń hydraulicznych. Wyodrębniono w tym rozdziale przyczyny i skutki występowania uderzeń, metody zapobiegania oraz aktualne kierunki badań opisane w literaturze światowej. Istotną częścią tego rozdziału jest przedstawiony matematyczny opis przebiegu uderzenia hydraulicznego, metody rozwiązywania wyprowadzonych równań oraz warunki brzegowe i początkowe. Bardzo ważny jest, kolejny rozdział 4, który w tytule trochę zbyt mało eksponuje niezmiernie ważne osiągnięcie Doktoranta, jakim jest Jego droga dochodzenia do rozwiązania problemu spłaszczania pików ciśnień powstających przy uruchamianiu i zatrzymywaniu pomp. Ten rozdział pokazuje dojrzałość Doktoranta w samodzielnym myśleniu i analizowaniu zjawisk oraz pomysłowość w konstruowaniu urządzenia mającego spełnić rolę tłumienia fali uderzeniowej. Efektem tych osiągnięć było uzyskanie przez mgra inż. Artura Chomy wraz ze współautorami dwóch patentów na urządzenia do tłumienia fali uderzeniowej. Rozdział 5 to ogólne zaplanowanie działań zarówno modelowania matematycznego jak i badań eksperymentalnych. Od rozdziału 6 zaczyna się właściwa praca twórcza Doktoranta. Rozdział 6 obejmuje obliczenia numeryczne założonego modelu przez przyjęcie odpowiednich danych oraz warunków brzegowych i początkowych. Obliczenia numeryczne pozwoliły na zobrazowanie zmian ciśnienia po stronnie ssawnej jak i tłocznej w warunkach uruchamiania i zatrzymywania pompy. Z kolei badania eksperymentalne zostały zaprezentowane w rozdziałach 7 i 8, z których w rozdziale 7

3 3 są zademonstrowane pomiary w warunkach laboratoryjnych (na wybudowanych stanowiskach), uwzględniając te same parametry, jakie wykorzystywano w eksperymencie numerycznym. Z kolei w rozdziale 8 znajdujemy podobne badania przy wykorzystaniu istniejącej pompowni w warunkach rzeczywistych rozbiorów wody. Rozdział 9 zawiera wnioski końcowe. Rozprawa obejmuje 112 stron spójnego tekstu, 21 stron spisu piśmiennictwa, 1 strona streszczenia w języku polskim i 1 w języku angielskim, a także 3 strony obejmujące spis najważniejszych oznaczeń. W tekście spójnym znajduje się 14 tabel oraz 74 rysunki. Literatura obejmuje 271 pozycji, z których 151 to pozycje angielskojęzyczne, 101 polskojęzyczne, 6 w języku włoskim, 4 francuskim, 4 niemieckim, 3 czeskim i 2 rosyjskim. W wyżej wymienionym spisie piśmiennictwa oprócz klasycznych publikacji naukowych znajdują się 3 normy, 18 stron internetowych dotyczących katalogów firmowych i innych informacji, a także 3 patenty i 1 zgłoszenie patentowe. Główny cel pracy i hipotezy badawcze skierowane były na uzasadnienie faktu iż zastosowanie zaworu różnicowego według konstrukcji Doktoranta wraz z zespołem pozwala na spłaszczenie fali uderzenia hydraulicznego. Uważam, że cel został osiągnięty. Wykonane przez Doktoranta badania uważam za wartościowe zważywszy na ich zakres i wnikliwość. Na podkreślenie zasługują osiągnięcia Doktoranta w pokonywaniu trudności, jakie powstają podczas wszelkich badań eksperymentalnych, a które wymagają zaangażowania, dokładności i pracowitości. Na podkreślenie zasługuje przyznanie się przez Autora rozprawy do niepowodzenia w pierwszej konstrukcji urządzenia i opisanie sposobu rozwiązania problemu. Czasem w opracowaniach naukowych autorzy ukrywają zdarzające się niepowodzenia, co jest błędem. W procesie doktoryzowania rozprawa doktorska nie jest celem samym w sobie, lecz ma być wyeksponowaniem i podkreśleniem zdobytych wcześniej własnych kompetencji. I w tym przypadku przyznanie się do niepowodzenia i opisanie wprowadzanych zmian, które maja wyeliminować niedoskonałości jest właśnie przykładem kreatywnego myślenia Doktoranta i potwierdzeniem zdobytych kompetencji. Dodatkowym potwierdzeniem są uzyskane patenty na konkretne rozwiązania. Do najważniejszych osiągnięć Doktoranta zaliczam. 1. Wykazanie, że zastosowanie autorskiego pomysłu przyczynia się do zmniejszenia skoków ciśnienia zarówno po stronie ssawnej jak i tłocznej w warunkach uruchamiania i zatrzymywania pomp.

4 4 2. Wykazanie, że możliwe jest zastosowanie urządzenia, które będzie działać samoczynnie bez potrzeby korzystania z zewnętrznych źródeł energii. To osiągniecie jest szczególnie cenne w warunkach wodociągów wiejskich, gdzie zdarzają się wyłączenia prądu z przyczyn losowych, czy konserwacyjnych. Takie wyłączenia przy współpracy pompowni z długimi odcinkami rurociągów mogą prowadzić do uszkodzeń. 3. Wykazanie możliwości modelowania przebiegu zjawiska uderzenia hydraulicznego przy zadanych parametrach rurociągu i pompy. 4. Wykazanie możliwości zastosowania układu tłumiącego uderzenie hydrauliczne do różnej wielkości instalacji, w tym przypadku modelowanej długością pętli rurociągów oraz uzupełnionych o zbiornik otwarty stanowiący element bezwładnościowy. Jeśli chodzi ostatni element, to w pracy znajduje się informacja, że zbiornik ma pojemność 1 m 3, która nie jest zbyt istotna przy analizowaniu wyników, natomiast bardziej przydatna byłaby informacja o wysokościowym usytuowaniu zwierciadła wody w zbiorniku względem króćców pompy. Wydaje mi się, że w tym rozwiązaniu konstrukcyjnym pompa pracuje z napływem 58 cm, co wywnioskowałem z wykresu na rys Na szczególne podkreślenie zasługuje fakt, że podjęto się badań w warunkach naturalnych, funkcjonującej przepompowni. Takie badania są zdecydowanie trudniejsze do analizy i interpretacji, gdyż uwzględniają zmienności i nierównomierności rozbiorów wody. Takie badania są zawsze kłopotliwe wiążą się z trudnościami dokładnego zaplanowania terminów oraz niedogodnościami wynikającymi z występowania zjawisk i sytuacji trudnych do przewidzenia. Wyniki tak prowadzonych badań dają końcowe wnioski bardzo wartościowe. Dyskusyjne uwagi merytoryczne Uwagi zawarte poniżej jak widać po podtytule są dyskusyjnymi, a wyniknęły podczas studiowania rozprawy. Powstały po przemyśleniach samej pracy i zostały wyeksponowane dla zachęty do kontynuowania badań i uszczegółowienia wyników, które mogą następnie być opublikowane w dobrym czasopiśmie. Również liczę na wartościową dyskusję merytoryczną z Doktorantem podczas obrony rozprawy. 1. W eksperymencie laboratoryjnym została zastosowana pompa Wilo, która wykazywała, patrząc na wykresy nietypowe wysokości podnoszenia, i tak z Rys. 7.6 można odczytać 12,8 m; i dalej, odpowiednio Rys i ,6 m; Rys i ,6 m; Tabela 7.3 ok. 1,1 m, Rys i ,8 m. Można by

5 5 wywnioskować, że dość znacznie zmieniały się natężenia przepływu, ale jest to też nietypowe, gdyż Rys. 7.6 dotyczył V = 1,6 m/s, czyli wysokość podnoszenia powinna być mała (prawa część charakterystyki pompy), natomiast jest największa. Rys. 7.12, 7.13, 7.14 i 7.15 dotyczyły V=0,8 m/s, tabela 7.3 V=0,8 m/s, a Rys. 7,27 i 7.28 V=0,6 m/s. Przy prędkościach niskich, a więc 0,5 m/s i 0,6 m/s, a więc małych także natężeniach przepływu wody wysokości podnoszenia powinny być duże (mamy do czynienia z pompą odśrodkową). Czy moje wnioskowanie jest prawidłowe? 2. Nie zostało podane w metodyce jak długo pracował układ do jego zatrzymania po uruchomieniu pompy? Czy nie zmieniała się temperatura wody? Czy ten czas był jednakowy we wszystkich seriach? Czy czas ten był ustalony z góry, czy występował jakiś parametr kontrolny, który determinował czas zatrzymywania pompy. W obiegach zamkniętych z reguły pompa podgrzewa wodę. 3. Czy próbował Pan skonstruować wykres bardziej uniwersalny, w którym na osi poziomej nie byłaby prędkość, lecz pęd, to jest iloczyn masy wody i prędkości. Być może funkcje regresji udałoby się inaczej opisać. W obecnym czasie różnicowanie obiegów długością rurociągów nie daje możliwości złożenia ich razem. Oczywiście dotyczy to badań na stanowisku 2, gdyż nie wiem jak zachowałby się układ w stanowisku 3, czyli w stanowisku ze zbiornikiem. Niestety nie podano w metodyce szczegółów konstrukcyjnych i połączenia zbiornika z instalacją np. czy wlot do zbiornika był swobodnym wypływem, czy był zatopiony. 4. Wydaje mi się, że wyniki obliczeń pokazane w nawiasach (tabela 8.3, str. 108) nie powinny mieć miejsca. Nie powinno się wykonywać obliczeń korzystając z wyników nieporównywalnych, gdyż w tym przypadku dotyczyły różnych instalacji, a nie udało się udowodnić, że są podobne. 5. Polemizowałbym z Autorem, który stwierdził na str. 108 pod tabelą 8.2, że pobierający wodę mieszkańcy zakłócali pomiary. Uważam, że to były pomiary mający bardzo dobry wymiar praktyczny. Tylko w takich warunkach należałoby wykonać odpowiednio długą serię odczytów, aby opracowanie statystyczne dawało wiarygodny wynik. W rozprawie nie podano liczby wykonanych pomiarów. 6. W pracy zabrakło porównania eksperymentu numerycznego z laboratoryjnym. Bardzo interesujące byłoby wpisanie do programu komputerowego danych odpowiadających konkretnemu eksperymentowi i odniesienie do wyników pomiarów. Byłaby to znakomita weryfikacja modelu numerycznego.

6 6 7. Zasadniczą uwagą do rozprawy jest zdecydowanie zbyt oszczędny opis metodyki. Prawdopodobnie przy szczegółowym opisie metodyki zawierającym podstawowe informacje np. co i jak było mierzone, ile razy, w jakim czasie, jak mierzono, jak odczytywano itd. uwag i wątpliwości w niniejszej recenzji byłoby znacznie mniej. Na przykład z pracy nie udało mi się zorientować, jakie były liczebności pomiarów. Na wielu wykresach jest w legendzie próba 1, próba 2, próba 3, średnia, rozumiem, że były 3 próby pomiarowe. Z wykresu 7.18 wynika, że było 14 pomiarów przy różnych prędkościach. A ile razy powtarzano pomiary przy tych samych warunkach, np. tej samej prędkości, aby można było zastosować narzędzia statystyczne? Jeśli liczebność pomiarów jest odpowiednia wówczas podaje się, przynajmniej średnią, medianę, odchylenie standardowe i wartość maksymalną i minimalną. Czasem dodatkowo skośność i kurtozę. Wówczas wnioskowanie jest daleko bogatsze. Daje również możliwość wychwycenia wartości odstających i ewentualnego ich wyeliminowania korzystając z różnych metod, np. kryterium Chauveneta, testy Dixona, Grubbsa, Gaussa 3 itp.). Dotyczy to, przede wszystkim wskaźnika skuteczności działania zaworu R. Uwagi edytorskie Str. 18 Rys. 3.4 Czy wykresy pochodzą z literatury, czy z badań? Z podpisu oraz lokalizacji (rozdział 3. Przegląd literatury) wynika, że pochodzą z jakiejś pozycji piśmiennictwa. W takim przypadku powinien być odnośnik do literatury. Str wiersz od góry nie ilość równań, a liczba równań. Liczba dotyczy rzeczy policzalnych. To samo dotyczy str wiersz od góry Łączna ilość prób.., str wiersz od dołu ilości powtórzeń. Str. 56 Rys w zaworze zwrotnym przepływ powinien być od jasnego do ciemnego Str wiersz od dołu niezręczność stylistyczna pierwsze z trzech stanowisko badawcze Przy wyliczaniu po dwukropkach powinno się pisać małą literą. W niektórych miejscach jest dobrze a w innych nie, np. str. 47, 50, 51, 57, 58. Str wiersz od góry co oznaczają te numery 216 i 108? Wydaje się, że liczba prób. Jeśli tak to z przemnożenia, jakich liczb uzyskano te wartości? W przypadku

7 7 stanowiska 1, które nie miało znaczenia badawczego wyjaśniono, natomiast w przypadku stanowisk 2 i 3, które są bardziej istotne zabrakło takowego wyjaśnienia. Str. 85 Podrozdział pierwsze zdanie ma nico zwichrowany styl. Str i 8 wiersz od góry jest błąd wyjaśnieniu Str wiersz od góry nie można rozpoczynać nowego akapitu podmiotem domyślnym z poprzedniego akapitu. Nowy akapit to nowa myśl. Wniosek końcowy Rozprawę doktorską mgr inż. Artura Chomy uznaję za sumienne, wnikliwe i konsekwentnie przeprowadzone opracowanie podjętego problemu badawczego. Cel pracy został osiągnięty, a tezy badawcze udowodnione. Doktorant wykazał należyte przygotowanie teoretyczne i praktyczne, znajomość współczesnej literatury dotyczącej tematu pracy, oraz umiejętność zaplanowania i przeprowadzenia badań. Autor pokazał, że potrafi prawidłowo zinterpretować uzyskane wyniki. Należy także dodać, że praca napisana jest bardzo dobrze pod względem językowym, tak, że nawet trudne wywody czyta się przyjemnie i z łatwością śledzi myśl Doktoranta. Mając, zatem na uwadze podaną wyżej pozytywną ocenę osiągnięć Autora rozprawy stwierdzam, że praca pt. Metoda zabezpieczenia pomp odśrodkowych przed skutkami wystąpienia zjawiska uderzenia hydraulicznego spełnia warunki obowiązującej ustawy o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki z dnia 14 marca 2003 r. (Dz. U. Nr 65, poz. 595), z późniejszymi zmianami (z 2011 r. Nr 84, poz. 455, z 2014 r. poz i jako załącznik do Obwieszczenia Marszałka Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 3 czerwca 2016 r. Dz. Ust 2016, poz. 882), dlatego wnioskuję o jej przyjęcie, jako rozprawy doktorskiej i dopuszczenie mgr inż. Artura Chomy do publicznej obrony przed Radą Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej.. dr hab. inż. Tadeusz Siwiec, prof. SGGW