Technické využití vzduchu v dopravě Semestrální práce z předmětu Životní prostředí

Transkript

1 UNIVERZITA PARDUBICE Dopravní fakulta Jana Pernera školní rok 2003/2004, letní semestr I. ročník KS Pardubice (obor DI-EZD) Drahomír Vrba Datum odevzdání: Technické využití vzduchu v dopravě Semestrální práce z předmětu Životní prostředí Prohlášení: Prohlašuji, že předložená práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Literaturu a další zdroje, z nichž jsem při zpracování semestrální práce čerpal, v práci řádně cituji. Anotace: Tato semestrální práce se zabývá problematikou využitím vzduchu v dopravě. Jsou zde uvedeny některé z mnoha použití vzduchu jako pohonu dopravních prostředků. Práce je zaměřena především na použití energie vzduchu pro dopravu a následný dopad na životní prostředí. Klíčová slova: energie vzduchu, termodynamika, kyslík, vzdušný obal, plyn, tekutina, znečištění ovzduší 1

2 Obsah: 1. Úvod Historie využití vzduchu jako pohonu dopravních prostředků Využití vzduchu jako tepelné energie Využití fyzikálních vlastností vzduchu v dopravě Energie získaná z tepla Tepelné motory v dopravních prostředcích Další využití tepelných motorů Dopad na životní prostředí Vzduch a spalování paliv Množství kyslíku ve vzduchu Spalování kyslíku ze vzduchu Vzduch a létání Princip létání Aerostatický vztlak Aerodynamický vznik vztlaku Vertikálně působící síly k umožnění létání Bezmotorové létání Letadla na sluneční pohon Vzduch jako hnací plyn a jeho další technické využití pro dopravu Využití vzduchu jako významného plynu v lehkých nafukovacích konstrukcích Vzduch jako tekutina vytvářející mazací a nosný film v ložiskách Vzduch ve zdravotnictví Vzduch jako nosná látka ve vznášedlech Vzduch jako pružící látka v mechanismech strojů Vzduch jako pružící látka v pneumatikách vozidel Vzduch jako chemická surovina Ekologický dopad při využívání dopravy Znečištění ovzduší Oxid uhličitý CO Oxidy dusíku NO, NO Oxid uhelnatý CO

3 Uhlovodíky CyHy Olovo Pb Prachové částice Ozón O Omezování emisí Hluk a vibrace Závěr

4 1 Úvod Vzduch je jedna ze základních složek životního prostředí. Umožňuje život člověka a jeho rostlinných i živočišných spoluobyvatel. Vedle této funkce má ovšem řadu dalších technických využití. Vzduch a vítr se dají využívat i jinak než k dýchání a v souvislosti z dopravou ho lze rozdělit do následujících oblastí: Využití fyzikálních vlastností vzduchu, především termodynamických Využití vzduchu (kyslíku v něm obsaženého) pro spalování paliv Využití vzduchu jako prostředí umožňující létání Vzduch jako nosná látka ve vznášedlech Vzduch jako tekutina využitá pro mazání ložisek Vzduch obsažený v pneumatikách ke zlepšení tlumení Vzduch má v dnešním technickém světě nezastupitelné místo a to především díky svému širokému použití a kladnému vztahu k životnímu prostředí [1]. 2 Historie využití vzduchu jako pohonu dopravních prostředků Vítr vzniká jako následek tepelných jevů v atmosféře Země vyvolaných zářením Slunce a rotace Země. Představuje formu krátkodobé akumulace sluneční energie a řadí se mezi obnovitelné zdroje energie a byl prvním druhem energie užívané člověkem. V historii byla tato energie využívána především k pohonu plachetních lodí, mlýnů a čerpadel. Zvláště u plachetnic nebylo vůbec jednoduché přeměnit vítr na energii s co největší energií a toto přeprava byla a je velmi pomalá. Obrovskou výhodou byl především ekonomický provoz a z dnešního pohledu i obrovsky kladný vztah k životnímu prostředí. K velkému zlomu došlo při využití tepelné energie ze vzduchu. Jako první typ tepelného motoru se v historii objevil parní stroj. Už v roce 1769 jej významně zdokonalil skotský inženýr James Watt a umožnil jeho další praktické využití. Vynález parního stroje byl významným mezníkem v naší civilizaci. Umožnil obrovský rozvoj průmyslu a dopravy a byl jeden z hlavních obratů průmyslové revoluce [1]. 3 Využití vzduchu jako tepelné energie Tepelná energie vzduchu je jedna z forem krátkodobě akumulované energie Slunce. V dnešní době slouží například k vytápění nebo ke klimatizaci domů. Využívání chladného vzduchu ke klimatizaci obydlí v horkých dnech bylo známo už v antickém Římě. Tehdy chladný vzduch, který byl akumulován v uměle vytvořené jeskyni a následně rozváděn kanály v podlaze do obytných místnostní. V dnešní době je využívání tepelné energie vzduchu především v zimě, kdy jsou teploty vzduchu nízké. Umožňují to tak zvaná tepelná čerpadla, která pracují na principu na principu obráceného oběhu kompresorové chladničky. Protože je k čerpání tepla ze vzduchu, vzhledem k poměrně nízkým součinitelům přestupu tepla mezi vzduchem a stěnou výměníku zapotřebí tepelného výměníku s velkou teplostěnnou plochou, dává se přednost čerpání tepla z vody ve vodních tocích čí z podzemní vody, což vychází mnohem levněji. Na podobném principu fungují i chladící a klimatizační zařízení v dopravních prostředcích, kde se často využívá vzduchu a jeho proudění. Starší vozy a mnoho dnešních motocyklů má motor chlazený pouze prouděním vzduchu [1]. 4

5 4 Využití fyzikálních vlastností vzduchu v dopravě Vzduch jako technický plyn je využíván pro jeho dostupnost a schopnost měnit energii tepelnou na mechanickou práci a vnitřní energii v rámci transformace. Toto vše je možné díky jeho stlačitelnosti. Termodynamický stav vzduchu je dán statickými stavovými veličinami a rychlostí při jeho proudění, která vyjadřuje jeho dynamický účinek. Statický stav vzduchu je vyjádřen jeho tlakem p a teplotou T. Třetí veličinou je objem vzduchu vztažený na množství, hmotnost vzduchu obsaženého v jednom metru krychlovém [1]. 4.1 Energie získaná z tepla Mechanická energie se získává z tepla tak, že se plyn (vzduch) přivede do tepelného motoru, kde se podrobí určitému sledu termodynamických změn. Vzduch se v prostoru motoru nejdříve stlačí aniž by k němu bylo přiváděno teplo. Toto se děje pohybem pístu spalovacího motoru, nebo aerodynamickým působením lopatek v kompresoru turbínového motoru. Dále se do něho přivede teplo uvolněné spálením paliva současně smíšeného se vzduchem. Horký vzduch se spalinami potom svým tlakem působí na pohyblivé stěny pracovního prostoru pístu nebo lopatky turbíny, které konají svým pohybem užitečnou práci. Touto expanzí se snižuje teplota i tlak vzduchu. Přínosná činnost tohoto oběhu je dána rozdílem práce vykonané plynem při jeho expanzi a práce nutné pro jeho stlačení (kompresi) [1]. Tento proces je nutné opakovat, aby mohl tepelný motor pracovat trvale. Je zapotřebí uzavřít tepelný oběh do cyklu tak, aby byl na jeho konci opět nachystán počáteční stav. Zde se do pracovního prostoru nasává studený vzduch. V praxi se spaliny i vzduch po ukončení expanzní práce vypustí do okolní atmosféry a do pracovní části motoru se přivede z atmosféry nový čistý vzduch. Proto se tento oběh nazývá otevřený. Oběh, kde je pracovní látka trvale uzavřena uvnitř motoru se nazývá uzavřený. Takto funguje například Stirlingův motor, kde je teplo do pracovního plynu přiváděno i odváděno prostřednictvím tepelných výměníků z vnějšího zdroje [1]. 4.2 Tepelné motory v dopravních prostředcích Tepelné motory se rozdělují podle způsobu, kterým dochází k uvolňování tepelné energie z paliva jeho spalováním v prostoru motoru. Rozlišujeme motory s přerušovaným periodickým oběhem a motory s plynulým (kontinuálním) oběhem. První skupinu tvoří spalovací motory pístové, které se často nazývají výbušné. Podle způsobu činnosti jsou buď čtyřdobé nebo dvoudobé a dle paliva či způsobu zapálení hořlavé směsi se vzduchem se dělí na benzinové (zážehové) a na naftové (podle vynálezce Diesela), čili vznětové. Druhou skupinu tvoří proudové motory, především motory turbínové. Spalovací turbíny jsou turbinové motory s vnitřním spalováním, kde pracovní látka je vzduch. Parní turbiny představují turbinové motory s vnějším spalováním, kde pracovní látka je voda, lépe řečeno vodní pára [1]. První typ tepelného motoru byl v historii parní stroj. Roku 1769 jej významně zdokonalil již v úvodu zmíněný skotský inženýr James Watt, který umožnil spoustu dalších praktických a technických využití. U parního stroje pohánějícího parní lokomotivu, který nemá kondenzaci výstupní páry, je tepelná účinnost velmi nízká a dosahuje maximálně hodnoty 10%. U pístových spalovacích motorů pro pohon motocyklů, lokomotiv, automobilů a lodí se pohybují celkové účinnosti transformace energie v palivu pro efektivní práci přibližně v rozmezí od 15% do 45% dle druhu a provedení stroje. Počínaje malým motocyklovým dvoudobým benzínovým motorem s vratným vyplachováním a konče velkým čtyřdobým naftovým motorem přeplňovaným výfukovým turbodmychadlem. V leteckých spalovacích turbínách jsou dosahovány účinnosti až 50%. Vyšší hodnoty účinnosti motorů s vnitřním spalováním jsou umožněny tím, že se teplo do pracovní látky uvolňuje spalováním přímo 5

6 v činném prostoru stroje a nepřestupuje tak do pracovní látky stěnou tepelného výměníku jak je tomu u parního stroje nebo u parní turbiny [1]. 4.3 Další využití tepelných motorů Nejvyšší hodnoty tepelné účinnosti (až 60%) dosahují v paroplynových elektrárnách. Tyto elektrárny se nazývají elektrárny s kombinovaným cyklem a využívají zpravidla zemní plyn. Spalují ho ve spalovacích komorách spalovacích turbin, které pracují s vysokými teplotami spalin a zároveň i s vysokými tlaky. Z toho plyne vysoká tepelná účinnost. Výhodou je, že odpadní teplo ve výfukových spalinách ze spalovacích turbín je s velkou účinností využito v parní turbíně. V České republice pracuje úspěšně paroplynová elektrárna ve Vřesové, která využívá unikátní progresivní technologii zplyňování a současně i odsiřování hnědého energetického uhlí těženého z krušnohorské uhelné pánve. Tento systém odsíření produkuje chemicky čistou kyselinu sírovou, která je velmi cennou surovinou pro chemický průmysl. Paroplynová elektrárna ve Vřesové je příkladem správného uplatnění současných špičkových technických a technologických znalostí při řešení problémů zásobení energií a negativního dopadu její výroby na životní prostředí. Zvýšená účinnost využití energie obsažené v uhlí sníží jeho spotřebu. Tím se sníží nejen produkce CO 2, ale hlavně se výrazně oddálí úplné vyčerpání uhelných ložisek v naší zemi [1]. 4.4 Dopad na životní prostředí Protože tepelné motory pracují s otevřeným oběhem, tak vypouštějí do ovzduší plyny. Tyto plyny obsahují zplodiny hoření paliva obsahující látky škodlivě působící na životní prostředí. Jejich množství a obsah ve spalinách je předmětem velmi přísných omezení v souladu s mezinárodními úmluvami. I přes nejpřísnější omezení zůstává zcela neřešena otázka emisí oxidu uhličitého. Je nazývaný také jako skleníkový plyn a jeho obsah ve vzduchu neustále roste. S největší pravděpodobností je zodpovědný za růst teploty ovzduší a s ním další a nové změny klimatu na naší planetě. Dále jeden z téměř neuvědomovaných negativních faktorů uvolňování energie je skutečnost, že veškeré energetické transformace jsou ukončeny nevratnou produkcí tepelné energie. Tato energie se podílí také na oteplování zemského povrchu včetně zemské atmosféry. To může již nyní v oblastech s intenzivní průmyslovou produkcí vyvolat místní klimatické změny. Během spalování se navíc spotřebovává i kyslík. 6

7 5 Vzduch a spalování paliv V předchozí kapitole bylo pojednáno, že v tepelných motorech je transformováno teplo uvolňované z chemické energie paliva jeho spalováním ve směsi se vzduchem uvnitř pracovního prostoru motoru případně mimo něj. Využívá se zde vzduchu jako okysličovadla pro uskutečnění oxidační reakce, tedy přesněji jedné z jeho složek - kyslíku. Život na naší planetě a především pak existence rostlin, jejichž buňky mají schopnost transformovat zářivou sluneční energii na chemickou při syntéze cukru z oxidu uhličitého a vody procesem fotosyntézy, umožnil dlouhodobou akumulaci sluneční energie ve formě zásob fosilních paliv uložených pod povrchem země. Přitom se v průběhu miliard let obohacovala zemská atmosféra o kyslík, který se při fotosyntéze uvolňuje [1]. 5.1 Množství kyslíku ve vzduchu V současné době je hmotnostní obsah kyslíku ve vzduchu σ 0 = 23,142%. Celkové množství kyslíku ve vzduchu M 0 lze překvapivě velmi snadno řádově určit ze znalosti velikosti povrchu Země S = ,10 km, tlaku vzduchu při hladině moře p 0 = Pa, gravitačního zrychlení g = 9,80665 m.s -2 a známé hodnoty σ 0 dle vztahu p0 18 M 0 = σ 0 S = 1,22 10 kg g Vztah vyjadřuje skutečnost, že nad každým centimetrem čtverečním povrchu naší planety je sloupec vzduchu, jehož výška není sice přesně známá a lze ji jen těžko odhadovat řádově asi 100 km zato však je přesně známá síla, kterou působí na povrch Země v důsledku gravitačního zrychlení. Ta je N. Hmota tohoto sloupce vzduchu je přibližně 1kg [1]. 5.2 Spalování kyslíku ze vzduchu Z chemické slučovací rovnice pro fotosyntézu cukru: 6CO 2 + H 2 O + zářivá energie C 6 H 12 O 6 + 6O 2 lze potom pro předpoklad, že veškerý kyslík v atmosféře Země vznikl uvedenou fotosyntézou, stanovit množství zásob fosilních paliv ve formě uhlí, ropy a zemního plynu a celkové množství energie, které by bylo možno jejich spálením uvolnit. Je to energie řádově 1, J až 2, J, což vyjádřeno v ekvivalentu uhlí je množství řádově 5, tun. Archeologický výzkum odhalil, že počátky uvědomělého využití ohně jako zdroje tepla sahají do období před více než lety. Kyslík ze vzduchu je využíván ve všech případech spalováním fosilních a recentních paliv pro výrobu elektrické energie, ve spalovacích motorech pohánějících automobily, motocykly, lokomotivy, lodě a letadla v proudových motorech civilních, dopravních a vojenských letadel, dále pak v průmyslové výrobě a při získávání tepla pro vytápění. Při spálení veškerých fosilních paliv by se spotřeboval veškerý kyslík nutný pro uchování života. Spalování fosilních paliv je spojeno s produkcí velkého množství škodlivého skleníkového plynu oxidu uhličitého CO 2, a také oxidu dusíku všeobecně označovanými chemickým vzorcem NO x. Oxidy dusíku představují vedle oxidu uhličitého vážné ohrožování života ne zemi, neboť chemicky napadají podobně jako freony ozónovou vrstvu ve stratosféře, která nás a vše živé chrání před zničujícími účinky ultrafialového záření. Kyslík spotřebovávaný spalováním je průběžně doplňován činností zelených rostlin, které společně s živočichy jimi se živícími akumulují ve svých tkáních ústrojné látky, nazývané biomasa. Ta v historii sloužila a stále slouží člověku jako palivo, nazývané pro jeho současný zvyk též recentní palivo, a to v různé formě, jako například dřevo, rostlinný a živočišný tuk a výrobky z nich [1]. 7

8 6 Vzduch a létání 6.1 Princip létání Vzdušný obal Země je prostor, do kterého pronikli někteří vhodně uzpůsobení živočichové, zejména ptáci, hmyz a někteří savci.člověk nemůže létat máváním křídel jako létaví živočichové, a to proto, že jeho svalová sila při dané hmotnosti není postačující pro tento způsob létání. Svalová síla je totiž úměrná průřezu svalu, tedy druhé mocnině velikosti létajícího živočicha, zatímco jeho hmotnost jeho objemu, tedy třetí mocnině velikosti. To vysvětluje, proč nejtěžším létajícím živočichem je drop o hmotnosti asi 17 kg, který létá dost špatně a nerad. Přestože člověk nemůže létat máváním křídel jako pták, dobyl vzduchu díky poznání fyzikálních zákonů a jejich technické aplikaci. Pro létání je zapotřebí, aby na létající stroj s užitečným nákladem byly vyvozovány síly, které jednak působí proti gravitační síle a nesou stroj a jednak působí ve směru letu a překonávají tak odpor vzduchu a umožňují stoupání i akceleraci stroje. Síla působící proti gravitaci se nazývá vztlak a síla působící ve směru letu a proti odporu se nazývá tah. Vztlak v zemské atmosféře může vzniknout na základě tří různých fyzikálních principů. Tyto principy jsou podrobněji popsány v následujících kapitolách [1] Aerostatický vztlak Prvním z nich je princip hydro či aerostatickému vztlaku, který působí na každé těleso ponořené do tekutiny v gravitačním poli Země, známý pod názvem Archimedův zákon. Tento zákon formuloval před více než 2200 lety jeden z největších geniů vědy řecký fyzik, matematik a vynálezce Archimédes ze Syracuse, města na Sicílii. Na základě technického využití tohoto zákona se poprvé v historii podařilo vzlétnout bratřím Montgolfierovým v roce 1783 v horkovzdušném balónu v blízkosti Paříže. Letadla lehčí než vzduch se nazývají aerostaty a dělí se na neřiditelné balóny unášené větrem a řiditelné vzducholodi vybavené motorovým pohonem. V období mezi světovými válkami došlo k prudkému rozvoji osobní dopravy vzducholoděmi zejména v Německu [1] Aerodynamický vznik vztlaku Obtékání těles vhodného aerodynamického tvaru (například křídla), vzduchem o určité hustotě a rychlosti proudění před křídlem, dojde v důsledku obtékání horní a dolní strany křídla různými rychlostmi k rozdílu tlaku na horní a dolním povrchu křídla, jehož působením pak vzniká síla směřující vzhůru. V důsledku tření působí vzduch na křídlo i jistou odporovou silou ve směru proudění, je vzhůru působící aerodynamická síla mírně skloněna ve směru proudění vzduchu. Tedy proti směru rychlosti letu. Aerodynamická síla je síla, kterou proud tekutiny působí na tělesa v něm ponořená. Rozkládáme ji obvykle na složku, působící ve směru proudu Q (odpor) a na složku, působící kolmo ke směru proudu Y (vztlak) [4]. Obr. 1 Rozložená aerodynamická síla [4] 8

9 Jako první na světě tento princip létání objevil anglický inženýr Sir George Cayley v roce 1799, který také navrhl a posléze i zkonstruoval letadlo, které bylo vybaveno všemi hlavními prvky umožňujícími let: Tedy křídlem, trupem s prostorem pro pilota, jakýmisi vesly obstarávajícími pohon, vodorovnou a svislou stabilizační plochou, které zajišťují jako kormidlo řízení směru letu a přistávajícím podvozkem. Letadla využívající aerodynamický princip letu mohou být a také jsou těžší než vzduch a nazývají se aerodyny. První skutečný motorový let uskutečnili až v roce 1903 bratři Wrightové v USA na letadle vlastní konstrukce Flyer. I poháněném spalovacím motorem a vrtulí rovněž vlastní konstrukce. Od této doby prodělalo letectví převratný vývoj a to zejména proto, že velmi záhy se letadlo osvědčilo jako nesmírně užitečná zbraň. Letadla již byla použita v první světové válce a jejich význam pak dále vzrostl zvláště ve druhé světové válce a v dalších regionálních válkách, které následovaly. Válka v Perském zálivu byla jednou z posledních [1] Vertikálně působící síly k umožnění létání Další možnost letu je, pokud vyvodíme potřebnou vertikální sílu, která je větší než je tíha stroje (letadla, rakety) pomocí tahu motoru.tento způsob je známý především u raket startujících kolmo vzhůru, jejichž motory vyvíjejí tah, tak že urychlují v hnací trysce vysoce stlačené hnací plyny vzniklé oxidační reakcí paliva a okysličovadla ve spalovací komoře motoru. Tlak i teplota těchto plynů jsou velmi vysoké a proto i rychlost hnací trysky je obrovská. V případě kyslíko-vodíkového motoru je kolem 3500 m/s U raketového motoru se vysokého tahu dosahuje velmi velkým urychlením poměrně malého množství propulzní látky. Propulzní látkou v tomto případě je palivo a okysličovadlo. Raketa si propulzní látku nesa s sebou a nevyužívá pro vlastní propulzi a spalování vzduch. Tah rakety není takto závislý na rychlosti letu ani na okolní atmosféře. Raketový motor může jako jediný typ reaktivního pohonu pracovat i ve vzduchoprázdnu a proto se využívá v kosmickém prostoru [1]. 6.2 Bezmotorové létání V důsledku ohřívání atmosféry Země slunečním zářením, dochází k intenzivnímu proudění vzduchu (vzniku větrů). To vytváří počasí. Při vhodných meteorologických podmínkách lze proudění vzduchu s výhodou využít k bezmotorovému létání. Mezi tento druh dopravy patří i let lidskou silou, který se uskutečnil v roce 1979 na šlapacím letadle přes kanál La Manche (42 km). Bezmotorové létání je sice velmi ekologický dopravní prostředek ovšem s velmi malou účinností [1]. 6.3 Letadla na sluneční pohon Zářivá energie Slunce prostupující atmosférou Země obsahuje elektromagnetické zařízení od krátkých vlnových délek počínaje ultrafialovým zářením, z vetší části odraženým zpět do vesmíru stratosférickým ozonem, viditelným světle a tepelným zařízením konče.světelné zařízení je možno fotovoltaickými články, transformovat na elektrickou energii, což je jedna z velice perspektivních množství využití sluneční energie jako jednoho z čistcích obnovitelných zdrojů energii na zemi. Letadlo, jehož povrch je potažen folií nesoucí fotovoltaickými články, léta poháněnou vrtulí a elektromotorem.v naši zeměpisné šířce dopadá na jeden metr čtvereční zemského povrchu zhruba 500 W zářivé sluneční energie. Fotovoltaickými články pracujícími s účinnosti 17 % tak lze z jednoho metru čtverečního získat až 85 W. Příkladem úspěšného letadla na sluneční pohon je možné uvést letadlo Icaré 2 německého konstruktéra Prof.Voit-Nitschmanna o rozpětí křídla 25 metru,o maximální vzletové hmotnosti 360 kilogramu a užitečném zatížení 90 kilogramů.sluneční články na křídle o celkové ploše 21,6 m 2 dávají výkon 1,8 kw. Pro start ze země je letadlo vybaveno nikl-kadmiovým akumulátorem, dávajícím elektromotoru výkon 14 kw po dobu více než 3 minuty. 9

10 Nejen letadla, ale především další malé stroje na pohon ze sluneční energie čeká budoucnost a má příznivý dopad na ekologii, a to především životní prostředí [1]. 7 Vzduch jako hnací plyn a jeho další technické využití pro dopravu Vzduch je využíván jako hnací plyn, kterým se fluidizují sypké a práškové hmoty. Například cement, mouka, obiloviny, seno a dopravují se v potrubích podobně jako kapalina. Stlačený vzduch ve sprejích, z kompresorů, nebo vzduch čerpaný ručními pumpičkami, balónky, či vyfukovaný ústy se využívá pro přípravu aerosolů různých kapalin, v rozprašování parfémů, deodorantů, laků, barev, insekticidů, a jiných látek. V poslední době se vzduchem nahrazují dříve hojně používané freony, které jsou nebezpečnou látkou ničící ozónovou ochrannou vrstvu v atmosféře [1]. 7.1 Využití vzduchu jako výztužného plynu v lehkých nafukovacích konstrukcích Mírně stlačený vzduch vyztužuje nafukovací nábytek, matrace a lehké stavby. Velké haly určené především pro sportovní účely a také například sklady je možné s výhodou řešit jako nafukovací. Ve světě je postavena celá řada sportovních stadionů zastřešených střechou z tkaniny, která je nesena mírným přetlakem vzduchu v prostoru stadionu, jako je tomu například u baseballového stadionu v areálu Syracuse University ve státě New York. Protože není možno zamezit úniku vzduchu z přetlakovaných prostor, je nutno neustále doplňovat ztrátu vzduchu ventilátory. Všeobecně známé je využití vzduchu v nafukovacích člunech a to jak ve člunech pro účely rekreační a sportovní, tak i například v záchranných člunech sladkovodních i námořních. V dopravním letectví jsou používány nafukovací záchranné skluzy pro evakuaci cestujících při nouzových přistáních a pro záchranu cestujících pro případ nouzového přistání na vodní hladinu také záchranné nafukovací vesty. Vzduch se používá rovněž i pro plnění reklamních objektů a také dětských hraček [1]. 7.2 Vzduch jako tekutina vytvářející mazací a nosný film v ložiskách Vzduch může být použit podobně jako olej v kluzných aerodynamických a aerostatických ložiskách. Protože má vzduch ve srovnání s mazacím olejem mnohem menší viskozitu, je potřebná tloušťka nosného a mazacího vzduchového filmu mnohem menší a tím i vůle mezi otáčejícím se hřídelem a ložiskovou pánví musí být menší, což klade velké požadavky na přesnost výroby vzduchových ložisek. Aby měl vzduchový film ve vzduchovém aerodynamickém ložisku dostatečnou účinnost, musí se hřídel otáčet v ložisku velmi vysokou rychlostí. Vzduchová ložiska se proto například používají pro uložení velmi rychle se otáčejících rotorů turbosoustrojí klimatizačních zařízení v dopravních letadlech, i v uložení rotorků turbinových zubních vrtaček kde je navíc do vzduchu rozprašována voda pro zajištění chlazení zubu při vrtání, které se stává právě díky chlazení v místě vyvrtávaného kazu a krátkému času vrtání bezbolestné [1]. 7.3 Vzduch ve zdravotnictví Vzduch je využíván také v různých přístrojích a speciálních zařízeních sloužících v nemocnicích a lékařské záchranné službě. Životy těžce zraněných osob pomáhají zachraňovat speciální pneumatické dlahy a transportní lehátka, která znehybňují pacienta při jeho převozu do nemocnice. Při operacích pomáhají zabraňovat vzniku embolií a trombózy speciální pneumatické punčochy, které zcela automaticky vyvolávají postupný tlak na nohou pacienta na operačním stole. Při dlouhodobém pobytu pacienta na lůžku je pacient ohrožen proleženinami, trombózou a emboliemi. Nejmodernější nemocniční lůžka pro dlouhodobě nemocné pacienty jsou vybavena velmi důmyslným automatickým pneumatickým polohovacím a odlehčovacím systémem, který jednak snižuje na minimální hodnotu tlak mezi tělem a podložkou a jednak mění polohu ležícího nemocného a postupně zbavuje na přechodnou dobu jednotlivé části jeho těla dotyku s podložkou [1]. 10

11 7.4 Vzduch jako nosná látka ve vznášedlech Vznášedla jsou speciální pozemní dopravní prostředky, které místo kol nebo pásů jsou neseny vzduchovým pláštěm. Vzduchový plášť je v prostoru pod vznášedlem vytvářen proudem vzduchu čerpaným do prostoru ventilátory. Aby se mohlo vznášedlo pohybovat i v nerovném terénu a aby se snížil únik vzduchu z polštáře, je na obvodu prostor vzduchového polštáře utěsněn poddajnou pryžovou manžetou, jejíž výška určuje i výšku vzduchového polštáře. Protože je nosná plocha vzduchového polštáře poměrně veliká, je pro vyvození vznosné síly překonávající tíhu stroje potřeba jen malého přetlaku vzduchu. Vzduch uniká jen malou štěrbinou mezi zemí a pryžovou obvodovou manžetou a je doplňován do prostoru pod vznášedlem ventilátory. Protože je tlak na zem malý, může na rozdíl od kolových či pásových vozidel vznášedlo jezdit i po málo únosných terénech a dokonce i po vodě. Protože však nemá mechanický dotyk se zemí, může být poháněno pouze proudovým pohonem, nejčastěji vrtulemi [1]. Obr. 2 Proudění vzduchu v prostoru vznášedla [3] Pro řízení a stabilizaci se používá podobně jako u letadel kombinace aerodynamického řízení kormidly a vektorové řízení tahu motorů. Vedle vojenského využití jsou vznášedla používána vznášedla pro přepravu automobilů a cestujících v trajektové přepravě mezi Anglií a Francií přes Lamanšský průliv z anglického přístavu Dover do francouzského přístavu Calais [1]. 7.5 Vzduch jako pružící látka v mechanismech strojů Pro snížení svalové námahy při otevírání různých svisle otevíraných dveří a poklopů se používá odlehčovacích vzduchových pružin, řešených nejčastěji jako válce plněným tlakovým vzduchem s pohyblivým pístem působícím silově jako posilovač výkonných členů těchto mechanismů [1]. 7.6 Vzduch jako pružící látka v pneumatikách vozidel Další oblastí širokého využití vzduchu jsou pneumatiky silničních vozidel a pro zajímavost také i pneumatiky kol a vagónů v některých systémech metra, jako například na některých linkách v Paříži a také na nejmodernějším plně automatizovaném systému metra jezdícího bez strojvedoucího, nazývaného VAL, které je provozováno například v Paříži pro dopravu cestujících na letiště v Orly a také v jihofrancouzském městě Toulouse, které je zde jmenováno proto, že je místem s největší koncentrací leteckého a kosmického výzkumu a výroby v Evropě, nazývaného také jako hlavní město evropského letectví. Pro zajímavost je možné uvést, že ale pneumatiky kol přistávacích podvozků dopravních letadel jsou plněny z bezpečnostních důvodů dusíkem [1]. 7.7 Vzduch jako chemická surovina Vzduch, který je směsí plynů, zejména kyslíku a dusíku, slouží také jako surovina, ze které se tyto plyny získávají pro chemické, průmyslové, technické, technologické i zdravotní využití. Oddělení obou plynů se technicky provádí zejména dvěma způsoby. První způsob je založen na zkapalnění vzduchu a oddělení plynů destilací. Druhý způsob je založen na oddělení plynů 11

12 na polopropustných membránách, kterým se též říká molekulová síta, aniž by bylo vzduch zkapalňovat [1]. 8 Ekologický dopad při využívání dopravy Z důsledků lidské činnosti na Zemi, zejména za posledních let, dospělo lidstvo k některým zásadám, které je třeba v technickém vývoji dodržovat. Řešení technického problému má dnes většinou charakter složitého souboru vazeb a působnost ve velmi širokém, někdy celosvětovém měřítku. Musí být uplatňována snaha o společné postupy, limity, normy apod. Například mezinárodní dohody o zákazu výroby tzv. freonů, používaných do sprejů a chladniček, jsou příčinou řídnutí ozonu v horních vrstvách atmosféry. To má za následek pronikání ultrafialového záření, ohrožujícího vše živé na Zemi. Energetiky se týká mezinárodní úsilí o snížení emisí oxidu siřičitého SO 2 (mimo jiné hlavního původce tzv. kyselých dešťů, které ničí vegetaci, zejména lesy), oxidů dusíku NO a naposledy i oxidu uhličitého CO 2, který je pravděpodobně hlavní příčinou skleníkového efektu, který má dopad na postupné oteplování naší planety. Vše má svůj zisk, ale i oběť. Například zápory automobilové dopravy, založené dnes hlavně na spalování benzinu a nafty v motorech automobilů, nedokázaly zatím lidstvo přimět k omezení výroby automobilů. Přitom emise výfukových plynů, které výrazně přispívají např. k vytváření dusivého smogu, často zcela neúnosný hluk projíždějících aut, zábor místa parkováním, ničení přírody stavbou nových silnic a přímé fyzické ohrožení lidí i zvířat jedoucími vozidly patří k nejtěžším dopadům na naše životní prostředí. Pokusy o ekologicky čistý pohon (elektromobily, automobily na vodíkový pohon apod.) nemají zatím naději na širší uplatnění. Úspěšnější je cesta zmírňování obtíží zavádění katalyzátorů, bezolovnatého benzinu, stále dokonalejších bezpečnostních úprav karosérie a brzdného systému, tomu však sotva dokáže čelit [2]. 8.1 Znečištění ovzduší Neustále se zvyšuje podíl dopravy na celkovém znečištění ovzduší. V ČR je díky celkově vyššímu znečištění ovzduší podíl dopravy stále ještě oproti průmyslovým zemím nízký. Ke znečištění ovzduší dochází vlivem nedokonalého spalování v motoru. Kdyby byl spalovací motor úplně dokonalý, všechno palivo by shořelo. Nespálené a částečně spálené palivo (uhlovodíky) a oxid uhelnatý jsou emitovány do ovzduší. Navíc kyslík a dusík spolu reagují a vytvářejí za vysokého tlaku a teploty při spalovacím procesu oxidy dusíku. Na znečištění ovzduší se nejvíce podílí silniční doprava, která produkuje 83-94% škodlivých emisí z dopravy. U železniční dopravy používáním motorové nafty se nejvíce vypouští SO2 a prachových částic. Těch se do ovzduší dostává přes 10% [2] Oxid uhličitý - CO2 Nemá vliv na lidské zdraví, ale jde o nejdůležitější skleníkový plyn, způsobující asi z 50% celkové oteplování atmosféry. Spálením jednoho litru benzínu vznikne 2,4 kg CO 2, zatímco spálením litru nafty vznikne 2,7 kg CO 2. Nejvíce CO 2 produkuje silniční doprava - téměř 80%. V současné době připadá na jednoho obyvatele Země asi čtyři tuny antropogenního CO 2 ročně, nicméně velmi vysoké hodnoty mají průmyslové státy Severu. Do ovzduší se dopravou v Evropské unii dostalo v roce 1986 celkem asi 577 miliónu tun CO 2, což představuje 22,5% celkového vypouštěného CO 2 v zemích Evropské unie (např. doprava v Rakousku se podílí již 32%). V České republice bylo v roce 1992 vyprodukováno 14,3 tun CO 2 na obyv./rok a v zemích OECD asi 12,1 t/obyv./rok. Podíl dopravy na tvorbě CO 2 v ČR tvoří podle odhadu kolem 6% z celkového množství. V roce 2000 se předpokládá, že doprava u nás vyprodukuje již přes 8 miliónů tun CO 2 takže šance dostihnout v brzké době průmyslové země tu stále existuje. Kromě toho velkým problémem emisí tohoto plynu je, že dosud neexistuje žádná technologie na jeho snížen [2]. 12

13 8.1.2 Oxidy dusíku - NO, NO 2 Tyto plyny hrají spolu s oxidy síry hlavní roli při tvorbě kyselého deště. V Evropě způsobují asi jednu třetinu okyselení dešťových srážek. Oxid dusičitý navíc způsobuje snižování odolnosti vůči virovým onemocněním, bronchitidě a zápalu plic [2] Oxid uhelnatý CO Tento plyn není považován za škodlivý vůči neživé přírodě, ale má vliv na živé organismy. Způsobuje zpomalování reflexů, zbavuje tělo kyslíku a zvyšuje výskyt bolestí hlavy [2] Uhlovodíky C x H y Benzínové motory vylučují mnohem větší množství těchto látek než odpovídající motory dieselové. Některé uhlovodíky (např. benzen) jsou karcinogenní, jiné způsobují ospalost, dráždění očí a kašel [2] Olovo Pb Je přidáváno do paliva jako antidetonátor. Je vysoce toxické, zejména pro děti a těhotné ženy. Emise olova z dopravy v ČR od roku 1989 klesaly z 405 tun/rok na 208 tun/rok v roce Je to způsobené 74 násobným zvýšením spotřeby bezolovnatého benzínu a snížením maximální koncentrace olova v benzínu v roce 1992 na hodnotu 0,15 g/l. Přesto jde stále o vysoké koncentrace. V roce 1994 bylo v ČR spotřebováno 24% bezolovnatého benzínu z celkové spotřeby tisíc tun benzínu, kdežto v roce 1989 šlo pouze o 0,3% z tisíc tun benzínu [2] Prachové částice Hlavním zdrojem jsou naftové motory. Jejich velikost se pohybuje v rozsahu 0,2-0, mm. Z chemického hlediska jde o různorodou směs organických a anorganických látek (40% uhlík, 25% nespálený olej, 14% sírany, 7% nespálené palivo, 13% ostatní). Jsou potencionálně karcinogenní [2] Ozón O 3 Vzniká fotochemickou oxidací oxidů dusíku a těkavých organických látek za přímého působení slunečních paprsků. Zatímco ozón ve stratosféře omezuje pronikání nebezpečného tvrdého ultrafialového záření, v přízemní vrstvě ničí vegetaci a poškozuje některé druhy materiálů. Ovlivňuje rovněž zdraví a způsobuje dráždivý kašel, dráždění plic a očí apod. Největší koncentrace jsou v poledních a odpoledních hodinách ve velkých městech a v průmyslových aglomeracích [2] Omezování emisí Výzkum byl především zaměřen na čištění výfukových plynů po opuštění motorů instalací katalyzátorů (hlavně tzv. trojcestného) do výfukového systému. Katalyzátory ve vozidlech odstraňují emise chemickou reakcí na povrchu jeho aktivní části - nespálené uhlovodíky se mění na oxid uhličitý, vodní páru a dusík. Dnešní řízené katalyzátory snižují emise NOx o 95%, CxHy o 90%, CO o 80%, zatímco neřízené zhruba o 50% až 70%. Řízené katalyzátory však neredukují emise efektivně za všech podmínek, zejména je-li motor studený. Problém je v tom, že téměř všechny emise jsou emitovány během prvních čtyř kilometrů jízdy. Na této vzdálenosti se odehrává většina jízd ve městech. Předpokládá se, že zhruba čtvrtina jízd je zde tak ukončena dříve než katalyzátor začne optimálně pracovat. V ČR bylo v roce 1994 podle odhadu asi 7,5% automobilů s namontovaným katalyzátorem, což je např. vůči SRN se 60% stále mizivě málo. Omezení škodlivosti automobilů lze provést zejména snížením rychlostních limitů (snížení o cca 10 km/hod znamená redukci CO 2 o zhruba 2%), odstraněním státní podpory 13

14 automobilismu zavedením placení externích nákladů, zlepšením technologické úrovně vozidel (emise CO 2 je možné do roku 2005 snížit až o 25%) a změnou dělby přepravní práce ve prospěch veřejné dopravy [2]. 8.2 Hluk a vibrace Zdrojem hluku z dopravy jsou pohonné jednotky motorových vozidel, styk vozidel s vozovkou a aerodynamické účinky karosérií. Rozhodujícími faktory, které ovlivňují hladinu hluku je urbanizace prostoru, hustota osídlení, struktura a hustota silniční sítě a stále rostoucí množství automobilů. Psychologické studie prokázaly, že zatěžování hlukem způsobené jedním nákladním automobilem se rovná hluku vyvolaném šesti osobními automobily. Největší podíl na nadměrném hluku z dopravy má automobilová doprava - přes 90%. Železniční doprava se podílí asi 10x méně. Přestože se výrobci snaží nadměrný hluk automobilů technicky omezovat, při stoupajícím množství vozidel jde o nesnadný úkol. Kromě toho je nutné zaměřit finanční zdroje na opravu stávajících komunikací (trvanlivější povrchy vozovek) více než na výstavbu nových. Rovněž omezování rychlosti ve městě na 50 km/hod má podstatně příznivý vliv. Celkové společenské náklady na odstranění následků nadměrného hluku činí asi 0,1% hrubého domácího produktu. Z této hodnoty připadá 64% na silniční dopravu, 26% na leteckou a 10% na kolejovou dopravu [2]. 9 Závěr: Využití vzduchu v dopravě je dnes nepostradatelné a neustále se zdokonaluje. Je zřejmé, že výrobci současných dopravních prostředků vyvíjejí stroje se stále menší spotřebou a produkcí emisí, kde se na tom i nemalou měrou podílí vzduch. Stále přísnější normy na množství škodlivin v ovzduší jsou příslibem lepší budoucnosti našeho životního prostředí a stále nutí firmy, aby své produkty zdokonalovaly i z tohoto hlediska. 14

15 Seznam použitých informačních zdrojů: [1] Kolektiv autorů. Vzduch jako jeden z živlů. Praha: Agentura KONIKLEC, s. ISBN [2] Patrik, M. Účinky dopravy na životní prostředí a zdraví obyvatel v ČR [online]. c1995, [cit ]. Dostupné z: < [3] Lifeline s.r.o. Představuje vznášedla [online], [cit ]. Dostupné z: < >. [4] Teorie aerodynamika nízkých rychlostí [online], [cit ]. Dostupné z: < 15

16 I. ročník KS Pardubice (obor DI-EZD) Drahomír Vrba Připomínky: Předmět zprávy, název souboru, název komprimovaného souboru nejsou podle pokynů! Chybí souhlas se zveřejněním Klíčová slova nejsou vhodně zvolena (energie vzduchu, termodynamika, kyslík, vzdušný obal, plyn, tekutina, znečištění ovzduší) SP Technické využití vzduchu v dopravě ne 15% do 45%, ale 15 % do 45 % (mezery) na mnoha místech práce Formulace Člověk nemůže létat máváním křídel jako létaví živočichové Přestože člověk nemůže létat máváním křídel jako pták nejsou vhodné do vysokoškolské práce Nevhodné formulace - Vše má svůj zisk, ale i oběť Údaje o olovu jsou totálně zastaralé a chybné! Zdroje 1 a 2 jsou zastaralé (údaje z r. 1994) a příliš populární málo odborné. Práce obsahuje řadu drobných formálních (zejména typografických) chyb. Celkové hodnocení: nezveřejňuje se JM 16