Merkur perfekt Challenge Studijní materiály

Merkur perfekt Challenge Studijní materiály T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 1 / 13

Název úlohy: Automatizovaná třídička odpadů Anotace: Úkolem týmu je nastudovat problematiku základních elektrických obvodů stejnosměrného napětí. Navrhnout a realizovat funkční třídičku odpadů ze stavebnice MERKUR a dodaného materiálu, aby byla schopna třídit vzorky základních druhů odpadů. Všechny odpady se budou jednotně za sebou vkládat na vstupní pozici každé linky a hlavním úkolem soutěžících bude roztřídit co nejvíce druhů odpadů do jednotlivých košů. Vše bude realizováno automaticky na základě navržené metodiky každého soutěžního týmu. Garantující ústav: Ústav teoretické a experimentální elektrotechniky Laboratoř: Technická 12, SC4.81 (budova C, čtvrté patro) Foto předlohy: T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 2 / 13

Zadání: Z připravených komponent realizujte funkční třídičku odpadů pro vzorky základních druhů odpadů (kov, plast a papír). Pro stavbu třídičky máte k dispozici stavebnici MERKUR, motor, ventilátor, zdroj a silné magnety. Teoretický rozbor úlohy: Automatizovaná třídička bude třídit tři druhy odpadů: kov, plast a papír. Všechny odpady se budou jednotně za sebou vkládat na vstupní pozici každé linky. Linka sama vytřídí odpady dle druhu do košů, které tým připraví. Každý soutěžní tým obdrží základní vzorky odpadů, které budou použity pro vyhodnocení soutěže. Hlavním úkolem soutěžících bude roztřídit co nejvíce druhů odpadů do jednotlivých košů. Pro rozlišení týmů, které se umístí na stejném místě, bude připraven další odpad, který nebude před vyhodnocením zveřejněn. Vše bude realizováno automaticky na základě zvoleného postupu každého soutěžního týmu. Má to smysl, třiďte odpad! 27 km 2 přírody bylo v loňském roce zachráněno právě díky třídění odpadu. Dosáhlo se toho tím, že se zrecyklovalo a znovu využilo 77% celkové produkce obalových materiálů! Recyklát pak při výrobě nových výrobků nahradil přírodní zdroje, které se tak nemusely vytěžit. Tím se také podařilo snížit zátěž životního prostředí, protože díky třídění odpadu je v atmosféře o 1 000 000 tun CO2 ekvivalentu méně. Má to smysl, třiďte odpad! T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 3 / 13

2 100 000 stromů nebylo v lese zbytečně pokáceno právě díky tomu, že se vytřídilo 526 000 tun papíru! 1 tuna vytříděného papíru dokáže uspořit až 2 tuny dřeva. Česká domácnost v minulém roce vytřídila 46 kilogramů papíru a celková míra recyklace papírových obalů dosáhla 94%. Díky tomu se třeba noviny tisknou na papír, který je až z 98% recyklovaný. A to má smysl! Obr. 1: Třídící linky současnosti [2]. T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 4 / 13

Lidé, kteří odpady třídí, nepatří mezi menšinu. Naopak! Již 72% obyvatel České republiky aktivně třídí odpad. Od roku 2000 se tak řady aktivních třídičů rozšířily o 34%. Za poslední rok se opět procento vytříděného odpadu zvýšilo. Podle údajů evropského statistického úřadu Eurostat se Česká republika v míře recyklace obalových odpadů drží v rámci Evropy na špici. V průměru vytřídila v loňském roce každá česká domácnost skoro 46 kg papíru, 28 kg plastů a 28 kg skla. Dohromady se tak podařilo recyklovat 77% celkové produkce obalových materiálů. A díky tomu necháváme většinu evropských zemí za sebou! Průměrná vzdálenost ke kontejnerům na tříděný odpad se každoročně snižuje. Zatímco v minulé dekádě bylo ambiciózním cílem přiblížit kontejnery na 200 m, nyní je to pouhých 96 m. K barevným nádobám nám tak průměrně stačí pouhé 2 minuty volné chůze. Je to dáno stále se zvyšujícím počtem barevných kontejnerů a menších nádob na tříděný odpad, kterých je aktuálně v celé ČR k dispozici více než 307 000. Díky tomu má možnost třídit již 10,5 milionu obyvatel, což je 99% obyvatel České republiky. Třídit teď může opravdu každý! Téměř v celé ČR se plasty třídí do žlutých kontejnerů nebo pytlů. Jedná se o nejrozšířenější kontejnery na tříděný odpad. Do kontejnerů se třídí prakticky veškeré plasty, se kterými se doma setkáte. Vždy je potřeba se řídit instrukcemi na nálepkách na kontejneru. Dotřiďování plastů dle jednotlivých druhů materiálů probíhá na linkách v ČR ručně. Svezený odpad se nakládá na dopravník, který prochází vyvýšenou kabinou. V ní stojí podél pásu 4-8 pracovníků, kteří vybírají jednotlivé druhy odpadů. Nežádoucí nečistoty, které projdou skrz kabinu, se odváží obvykle na energetické využití. Většina z Vás asi ví, že se sklo třídí do zelených kontejnerů. Pokud jsou k dispozici i nádoby bílé, třídíme do nich pouze čiré sklo. Někdy se můžete setkat s kontejnery zelenobílými, kam třídíme odpad dle pravidel: do zelené části barevné sklo a do bílé části čiré sklo. Užitečným rádcem na třídicích kontejnerech jsou samolepky, které obsahují podrobnější a konkrétní informace o třídění. Viz literatura [1] a [2]. Stabilizovaný zdroj NG1620 Jedná se o laboratorní zdroj s plynulou regulací napětí v rozsahu 0 až 15 V s možnosti nastavení omezení proudu od 0 do 2 A. Je vybaven měřicími přístroji zvlášť pro indikaci napětí i proudu. Technické údaje: Výstupní napětí: 0 až 15 V Výstupní proud: 0 až 2 A T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 5 / 13

Zvlnění typické: 1 mv nebo 3mA Třída přesnosti měřicích přístrojů: 2,5 1. Displej měřidla proudu (A) 2. Displej měřidla napětí (V) 3. Výstupní svorky 4. Regulace výstupního proudu 5. Regulace výstupního napětí 6. Zapnutí/vypnutí zdroje Obr. 2: Ovládání zdroje. Magnety Magnet je objekt, který v prostoru ve svém okolí vytváří magnetické pole [3]. Může mít formu permanentního magnetu nebo elektromagnetu. Permanentní magnety nepotřebují k vytváření magnetického pole vnější vlivy. Vyskytují se přirozeně v některých horninách, ale dají se také vyrobit. Elektromagnety potřebují k vytvoření magnetického pole elektrický proud - když se zvětší proud, zvětší se i magnetické pole. Obr. 3: Magnetické pole znázorněné siločarami [3]. Materiály, které mohou vytvářet za určitých podmínek magnetické pole, se nazývají magnetika a dělí se do 4 skupin: T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 6 / 13

Feromagnetika (železo, nikl, kobalt nebo některé slitiny) - silně magnetická se spontánní magnetizací, vysoká permeabilita. Ferimagnetika (sloučeniny Fe2O3 s oxidy jiných kovů jako mangan, baryum) - různé krystalické podmřížky mohou mít různou magnetizaci, která jim zůstává. Paramagnetika (hliník, vápník, kyslík, uran) - magnetická slaběji a pouze v přítomnosti vnějšího pole. Diamagnetika (uhlík, měď, síra, zlato, voda) - chovají se jako paramagnetika, ale vnější magnetické pole je vždy odpuzuje. Elektromagnety (veškeré elektricky vodivé materiály) - pro maximalizaci magnetické síly jsou používány cívky z vodičů o malém odporu s jádry s paramagnetickými jádry. Vinutí elektromagnetu lze udělat z jakékoliv látky, která vede elektrický proud. Materiály jádra dělíme podle chování na magneticky měkké, tj. po vypnutí proudu pole ihned ztrácejí a magneticky tvrdé, které si magnetické pole uchovávají a tedy po vypnutí proudu jsou z nich permanentní magnety. Všechny magnety podléhají své Curieově teplotě Curieova teplota je charakteristická vlastnost feromagnetických a piezoelektrických látek, kterou popsal francouzský fyzik Pierre Curie. Nad Curieovou teplotou ztrácí látka své feromagnetické (či piezoelektrické) vlastnosti. Neodymové magnety: Překvapí ohromující magnetickou silou. Neodymové magnety, přesněji NdFeB, jsou směsí neodymu, železa a boru [4]. Tyto magnety nabízejí nejlepší poměr ve srovnání užitných vlastností a ceny. Ještě do nedávné doby byly nejsilnějšími známými permanentní magnety materiály na bázi samaria a kobaltu. V roce 1982 však byly překonány materiálem, jehož chemické složení je Nd2Fe14B. Tento materiál je v současnosti nejnovějším a nejsilnějším typem magnetu s vynikajícími magnetickými vlastnostmi a vůbec nejvyšší vnitřní energií jako je remanence a energetická hustota. Magnety uvedeného typu jsou schopny unést více než tisícinásobek vlastní hmotnosti a magnet o velikosti malé mince, tak může udržet železný předmět o hmotnosti kolem 10 kg. Díky permanentnímu magnetizmu poráží i známého siláka z říše hmyzu. Mravenec unese jen 50násobek své hmotnosti. Zajímavé je, že i výrobní cena těchto magnetů je nižší než u Samarium-kobaltových magnetů. Vzhledem ke své síle jsou poměrně levné a malé. Velice snadno korodují, proto je potřeba u nich provést povrchovou úpravu nejčastěji niklováním, zinkováním nebo pryskyřicí. Jejich další nevýhodou je malá tepelná odolnost oproti magnetům Samarium-kobaltovým. Naopak magnety NdFeB mají dobrou odolnost proti působení vnějšího demagnetizačního pole kvůli jejich vysoké koercitivitě. Proto jsou tyto magnety obzvláště vhodné pro elektromechanické aplikace. V současné době jsou tyto magnety prakticky používány v počítačové technice v záznamových hlavách harddisků nebo při výrobě malých mikrofonů T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 7 / 13

a reproduktorů ve sluchátkách a obdobných elektrotechnických aplikacích. Neodymové magnety ztrácejí magnetické vlastnosti již při teplotě nad 80 C, zatímco běžné feritové magnety jsou použitelné i při teplotách kolem 300 C. Jejich vysoká magnetická síla může způsobit vymazání dat na magnetických záznamových mediích (disketa, pevný disk, VHS), ale i na bankovních kartách, nebo poškodit obrazovky počítačových monitorů typu CRT. Aerodynamika Aerodynamika je obor fyziky, speciálně mechaniky, zabývající se studiem pohybu plynů (obvykle vzduchu) a jejich interakcí s pevnými objekty, jako je například křídlo letadla [5], [6] a [7]. Fyzikální principy jsou zcela identické i v opačném případě, a to při pohybu pevných těles v plynném prostředí. Na principu relativního pohybu se následně provádí analýza fyzikálních jevů. Většinou v případě, kdy je objekt v klidu a proudí kolem něj vzduch. Aerodynamika má největší význam v letectví, automobilismu a architektuře. Pochopení pohybu vzduchu kolem objektu umožňuje výpočet sil a momentů působících na objekt. V mnoha aerodynamických problémech jsou zkoumány síly právě základními silami letu: Vztlak Aerodynamický odpor Tah Tíha Z nich jsou vztlak a odpor aerodynamickými sílami, tj. síly vyvolané prouděním vzduchu kolem pevného tělesa. Výpočet těchto veličin je často založen na předpokladu, že pole proudění se chová jako kontinuum. Pole proudění kontinua je charakterizováno vlastnostmi jako rychlost, tlak, hustota a teplota, které mohou být funkcí prostorové polohy a času. Viskozita: Viskozita souvisí s vnitřním třením v proudícím vzduchu, což představuje sílu, která působí proti směru proudění částic vzduchu. V některým proudových polích jsou vlivy viskozity velmi malé a řešení výpočtů je mohou zanedbávat. Tyto aproximace se nazývají neviskózní proudy. Proudy vzduchu, u kterých není zanedbaný vliv viskozity, se nazývají viskózní proudy. Prostředí proudění: Nakonec mohou být aerodynamické problémy klasifikovány prostředím proudění: Vnější aerodynamika je studiem proudění kolem pevných objektů různých tvarů (např. okolo křídla letadla) T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 8 / 13

Vnitřní aerodynamika se zabývá studiem proudu vzduchu přes průchody v pevných objektech (např. skrz proudový motor letadla). Proudění vzduchu je relativní. To znamená, že na těleso působí stále stejné síly, pokud je těleso vůči okolí v klidu a vzduch kolem něj obtéká nebo naopak. Při obtékání těles proudem vzduchu se na jeho jednotlivých površích více či méně tento vzduch stlačuje a tím se vytváří nerovnoměrné tlakové pole, které způsobuje silovou nerovnováhu. Tlak vzduchu lze uvažovat třemi způsoby: Statický tlak lze naměřit ve chvíli, kdy se vzduch nepohybuje. Dynamický tlak lze naměřit za pohybu vzduchu jako pokles statického tlaku. Celkový tlak je součet statického a dynamického tlaku. Součet statického a dynamického tlaku je konstantní, a proto, pokud se těleso vůči okolnímu vzduchu nepohybuje, je statický tlak maximální a dynamický tlak nulový. V případě pohybu pak stoupá dynamický tlak a statický o tutéž hodnotu klesá. S rostoucí rychlostí roste i dynamický tlak. Pokud je ofukované těleso asymetrické, proudění vzduchu kolem něj bude také asymetrické a na jedné straně bude rychlost obtékání větší než na straně druhé, na straně, kde bude vyšší rychlost, bude vyšší dynamický a nižší statický tlak. Nerovnováha statického tlaku způsobí vznik aerodynamické síly. Aerodynamická síla umožňuje létat letadlům těžším než vzduch. Zákon zachovaní mechanické energie pro pohyb kapalin a plynů ve vodorovné trubici říká, že součet tlakové a pohybové energie je stálý. Mírou tlakové energie je staticky tlak p, který se projevuje tlakem na stěny trubice. Mírou pohybové energie je dynamicky tlak q, jeho velikost závisí na hustotě proudícího vzduchu a čtverci rychlosti proudu. Obdobně jako mechanice těles platí, že součet statického a dynamického tlaku je stálý a nazývá se celková tlak. Zvětší-li se rychlost proudu v trubici, staticky tlak v daném místě klesne a naopak, viz Obr. 4. Částice vzduchu se spojují do proudnic (dráha vybrané částice vzduchu) a ty se spojují do tzv. proudového svazku, existují 3 typy proudění: laminární (ustálené) proudnice jsou zhruba rovnoběžné (jejich dráhy se nekříží), částice se posouvají, ale nerotují. turbulentní (vířivé) proudnice se vlivem prostředí roztáčejí a následně se začínají křížit. vírové proudění - krouživý pohyb tekutiny okolo určité křivky, která tvoří jeho osu. Směrem k ose víru dochází zpočátku k růstu rychlosti a poklesu tlaku. V blízkosti osy T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 9 / 13

víru (vírového jádra) dochází vlivem vazkosti (vnitřního tření) k poklesu rychlosti, která je v ose víru nulová. Obr. 4: Tlak a rychlost při proudění v trubici proměnného průřezu [7]. Aerodynamický tvar: Aerodynamický tvar má nejmenší součinitel odporu ve srovnání se součiniteli pro jiné tvary. Svým tvarem připomíná kapku. Aerodynamický tvar je tvar, který bývá vpředu zakulacený a vzadu do špičky. Je to tvar, který v maximálně možné míře zachovává laminární proudění plynu nebo kapaliny kolem sebe, při kterém je odpor prostředí mnohem menší než při turbulentním proudění. Velmi důležité pro dosažení nižšího odporu vzduchu je, aby vzduch obtékal plynule a bez náhlých změn směru a rychlosti. Odpor závisí na tvaru tělesa, které tvoří překážku, viz Obr. 5. Obr. 5: Vznik tlakového odporu [7]. T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 10 / 13

Motor Elektromotor je elektrický stroj, který slouží k přeměně elektrické energie na mechanickou práci [8]. Drtivá většina současných elektromotorů využívá silové účinky magnetického pole. Bylo by však možné využít i jiné jevy, např. piezoelektrický jev, nebo silové účinky elektrostatického pole. Současné elektromotory jsou většinou realizovány jako točivé elektrické stroje. Méně obvyklé jsou netočivé elektromotory, např. lineární elektromotor. Jako motory jsou nejběžněji používány indukční točivé elektrické stroje - asynchronní motory. Stejnosměrný elektromotor je točivý stroj, napájený stejnosměrným proudem [9]. Jeho princip objevil v roce 1873 Zénobe Gramme, je tedy nejstarším typem motoru. Motor využívá principu minimální energie. Ve vnitřním magnetickém poli se nachází smyčka, kterou protéká proud. Ten indukuje magnetické pole, které je vždy orientováno stejně jako vnější magnetické pole; toho je dosaženo díky komutátoru, který změní směr proudu smyčkou pokaždé, kdy dojde k překlopení. Energie této soustavy bude nižší, pokud budou magnetická pole orientována proti sobě. Proto působí na smyčku moment, který se ji snaží překlopit. Protože po překlopení se změní směr proudu protékajícího smyčkou, pokračuje toto pak dále. Další možné, ekvivalentní vysvětlení: Proud protékající smyčkou se chová stejně jako permanentní magnet, který se může otáčet. Díky komutátoru se navíc dvakrát za otáčku změní jeho polarita. Jelikož souhlasné póly magnetů se odpuzují, tak pokud je komutátor nastavený tak, že se polarita magnetů změní v okamžiku, kdy jsou si jejich opačné póly nejblíže, tak budou na pohyblivý magnet neustále působit síly, které ho budou nutit k pohybu. Výhody této konstrukce motoru snadné řízení - změnou budícího napětí na rotoru, lineární charakteristika závislosti otáček na budícím napětí na rotoru. Nevýhody této konstrukce motoru komutátor - nutná údržba kluzných kontaktů (uhlíkových kartáčů). Vzniká zde také jiskření, které v kombinaci s průmyslovým prachem může zapříčinit výbuch, konstrukčně náročné, rozměrné. Přestože stejnosměrné motory vlivem zmíněného rozvoje techniky přenechávají své místo konstrukčně jednodušším, levnějším a rozměrově menším střídavým motorům, jsou stále využívány v těžkém strojírenství jako motory s cizím buzením a v trakci jako motory sériové. Řízení stejnosměrných motorů Otáčky stejnosměrných motorů jsou závislé na napětí a magnetickém toku podle vztahu n~ U s. Z tohoto vztahu plyne, že otáčky můžeme řídit buď změnou svorkového napětí Us nebo změnou magnetického toku Φ, tj. změnou buzení [10] T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 11 / 13

Změnou svorkového napětí Us můžeme řídit otáčky od nuly do jmenovitých otáček neboť výkon motoru P se stále zvětšuje až na maximální hodnotu, zatímco moment M je stálý. Tato regulace je ale nehospodárná, v předřadném reostatu vznikají ztráty teplem, zejména při malých otáčkách a větším zatížení. Řízení otáček změnou magnetického toku Φ (změnou budícího proudu statoru) používáme především při zvětšování otáček. Motor je zpravidla vyroben tak, že při jmenovitých otáčkách je zcela magneticky využit a nelze už o mnoho zvětšovat buzení a tím zmenšovat jeho otáčky. Čím menší je magnetický tok Φ tím větší jsou jeho otáčky. Změna smyslu otáčení, reverzace stejnosměrných elektromotorů změny smyslu otáčení stejnosměrných motorů se dosáhne záměnou vodičů na přívodu ke kartáčům, neboť tím obrátíme smysl proudu v kotvě, zatímco v budícím vinutí zůstane původní smysl proudu. Parametry: Elektrický motorek s převodovkou napětí: 9 14 V DC (typ. 12V) jmenovité zatížení: 18 ot/min, kroutící moment 5254 g/cm, proud 145 ma chod naprázdno (bez zatížení): 21 ot/min, 20 ma rozběh: 1050 ma, 43386 g/cm rozměry: d = 24,4 mm x 57,9 mm Ventilátor SUNON rozměry: 120x120x38, napájení: 12 V/421 ma, Příkon = 5,10 W, Otáčky = 2600 RPM, Ložisko = kuličkové, Průtok vzduchu = 116,00 CFM/ 197,08 m 3 /h, Hlučnost = 44,00 dba Auto restart = ano Snímání otáček = ne Detekce rotace = ano Rezistor metaloxidový (keramika) 27, 39, 56, 68, 100 pouzdro KERAM Pz = 5 W Tol. = 5 % TK = 300 ppm/k T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 12 / 13

Partneři soutěže Literatura: [1] Jak třídit.cz [online]. Praha: EKO-KOM, a.s., 2016 [cit. 2017-10-04]. Dostupné z: http://www.jaktridit.cz/ [2] Samosebou [online]. Praha: EKO-KOM, a.s., 2016 [cit. 2017-10-04]. Dostupné z: http://samosebou.cz/ [3] Magnet. Wikipedie [online]. Wikipedie, 2016 [cit. 2016-07-29]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/magnet [4] Neodymový magnet. Wikipedie [online]. Wikipedie, 2016 [cit. 2016-07-29]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/neodymov%c3%bd_magnet [5] Aerodynamika. Wikipedie [online]. Wikipedie, 2016 [cit. 2016-07-29]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/aerodynamika [6] OSLIZLO, Aleš. Principy kontstrukce aerodynamického tvaru karoserie vozidel. Brno, 2008. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně. Vedoucí práce Ing. Marián Laurinec. [7] ZÁRYBNICKÝ, Vít. Aerodynamika. Praha, 1990. Pomůcka pro výuku předmětu Aerodynamika a mechanika letu. [8] Elektromotor. Wikipedie [online]. 2017 [cit. 2017-10-07]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.orsg/wiki/elektromotor [9] Stejnosměrný motor. Wikipedia [4.10.2017]. 2017 [cit. 2017-10-07]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/stejnosm%c4%9brn%c3%bd_motor [10] VALA, Zdeněk. [online]., 4 [cit. 2017-10-07]. DOI: 1 Spouštění stejnosměrných elektromotorů. ISSN 1802-4785,. Dostupné z: http://www.sossoukyjov.cz/data/file/vy_32_inovace_6a16.pdf T: 541 146 120 IČ: 00216305, DIČ: CZ00216305 / www.feec.vutbr.cz/merkur / steffan@feec.vutbr.cz 13 / 13