Інженерні рішення

Пристрої, технології

Проект «Захист берегових споруд від руйнування морськими хвилями» –  © Савченко Вікторія (10 клас), 2018 р.

Запобігання руйнівної дії води на гідротехнічні споруди залишається чи не головною  проблемою функціонування цих конструкцій, особливо хвилеломів. Емпірично встановлено, що енергія морської хвилі приблизно дорівнює 1.6*Н2 [кДж/м2], де Н – висота хвилі, тобто вдвічі вища хвиля має вчетверо більшу енергію. Та і це не є головною проблемою захисних берегових споруд.

Самі по собі морські хвилі, що зазвичай створюють тиск у 10-20 тон на 1 м2 бетону, не можуть порушити міцність самого бетону. Навіть удари в шторм з тиском 35 тон на 1 м2  площі є втричі меншими від тиску, необхідного для руйнування так званих «легких» бетонів,  і в 30 раз менше за межу міцності на стиск для гідротехнічних бетонів.   Але на практиці усе стає значно гіршим.

Не допомагають насипи з масивними бетонними блоками чи великим камінням, тому що через зміни напрямку вітру морські хвилі інтерферують між собою (вода ж практично не стискається), і відповідно час від часу формуються потужні сумарні хвилі, що здатні зруйнувати будь-який хвилелом. Вкривання цих споруд залізобетонними «їжаками» для розсікання хвилі на фрагменти і одержання замість одного потужного удару декількох слабших також не дають бажаного ефекту, оскільки дуже малий простір між елементами, що покривають греблю хвилелому, швидко заповнює водою передній фронт хвилі. Морська хвиля не «помічає» окремих елементів, які б мали розсікати її на окремі фрагменти, та наносить потужний удар, здатний зруйнувати хвилелом чи вибити з нього частину елементів.

Однак набагато небезпечнішим є те, що при підході до берега  хвиля, взаємодіючи з дном, піднімає з  дна пісок і дрібне каміння. Тиск води на хвилелом подібний до дії гартованого долота електроперфоратора, при цьому у захисну споруду одночасно б’ють  «долота» хоч меншого калібру, але у необмеженій кількості. У бетоні виникають тріщинки, куди під тиском надходить вода, яка почне бетон не стискати, а розривати. Загальновідомо, що міцність бетону на  розривання у десятки раз є меншою від міцності на стискання. Тріщина стає концентратором напружень з механізмом дії ефекту Ребіндера. В результаті бетон руйнується від систематичних ударів навіть легких хвиль. 

Завданням проекту стала розробка надійного і безпечного в експлуатації способу дисипації енергії хвиль, що потребував би мінімального догляду. Гіпотеза. Якщо  надати хвилелому форму половинки  циліндра, діаметром у 1.5-2 рази більшим, ніж висота найвищих хвиль і розміщенням таким чином, що нижній край напівциліндра був занурений у воду, тоді хвиля не завдаватиме хвилелому гідроударів, що могло би рано чи пізно його зруйнувати,   а плавно  розвертатиметься і вдарятиме у наступні хвилі.  

                   Хвил-1 Хвил-2 Хвил-3

Таким чином, удар води об камінь чи бетон буде замінено ударом води об воду. Відбуватиметься взаємна дисипація кінетичної і теплової енергії хвиль без загрози для міцності морських споруд.

Експериментальна перевірка на діючих моделей показала повну працездатність запропонованого способу.

Варіанти конструкцій розвертачів хвиль:

           Хвил-4 Хвил-5 Хвил-6

                а) береговий — для похилого дна;                    б) удар хвилі об набережну;                           в) хвиля  у лінійному розвертачі;

        Хвил-7 Хвил-8 Хвил-9 Хвил-10   

                       г) зигзагоподібний;                                            д) для відкритого моря;                     е) розвертання хвилі;         є) розвертач викидів

Експерименти на усіх діючих моделях розвертачів хвиль підтвердили правильність обраної гіпотези.  Береговий, лінійний, зигзагоподібний хвилерозвертачі також легко справляються з розворотом хвилі. Перевірка ефективності роботи розвертача для відкритого моря на моделі сталої глибини також засвідчила те, що хвиля  розвертається плавно і наносить удар не у хвилеріз, а в наступну хвилю. Запропонований принцип дисипації високоенергетичних потоків і хвиль реалізовано у розробці конструкції хвилерозвертача як імпульсного гасія імпульсних потоків високоенергетичних промислових викидів. Цей спосіб розсіювання енергії водних хвиль і потоків цілком придатний може бути використаний  й у перепадних колодязях для узгодження рівнів у каналізаційних мережах.

 Висновки. Винайдено принципово новий спосіб протистояння руйнівній дії морських хвиль.  За рахунок дисипації енергії хвилі за рахунок удару води об воду забезпечується максимально довговічна експлуатація інженерних конструкцій. Плавно розвертаючи передній фронт хвилі та пускаючи її назустріч наступній хвилі, можна  гарантовано уникати  перенапружень, які б могли привести до руйнування берегових споруд. Оскільки імпульсне навантаження на хвилерозвертач буде  в рази  меншим від навантаження на стандартний хвилелом, його будівництво потребуватиме набагато меншого і дешевшого фундаменту.

Проект «Побутова теплоізоляція з вживаної алюмопластикової упаковки» –  © Шикітка Марія (10 клас), 2018 р.

Актуальність проблеми. Сучасна цивілізація щодня (!) залишає по собі таку кількість побутових відходів, яка за об’ємом є співрозмірною з сумарним об’ємом давньоєгипетських пірамід. Надзвичайно актуальну проблему утилізації твердих відходів у світі до певної міри вирішують їх спалювання, часткової переробки та захоронення на полігонах. З масовим поширенням упаковки з фольгованого пластику проблема  сортування і переробки побутового сміття ще більше ускладнилася. До якої категорії віднести фольгований пластик, за якою технологією його переробляти, як врешті розділити метал і полімер? На ці питання відповіді досі немає. Тому було вирішено розробити проект повторного застосування алюмопластикового матеріалу упаковки для цілей теплоізоляції, тобто перетворити  шкідливі для довкілля властивості (при його переробці чи захороненні)  на корисні.

Відомо, що високими теплоізоляційними властивостями відзначаються пористі матеріали,  структура   яких  заповнена пухирцями повітря, зокрема спінений поліетилен, мінеральна вата тощо. Добрим теплоізолятором також є віконний склопакет з двох листів скла з герметичним зазором між ними в 1-2 см. Така товщина повітряного проміжку має доволі малу теплопровідність, не допускаючи водночас виникнення у ньому конвективного перенесення тепла.

        Алюм-1   Алюм-2  Алюм-3

Гіпотеза дослідження.  Фізико-хімічні   властивості алюмопластику також дозволяють  формувати  з  нього  теплозахисні  структури, зокрема для теплоізоляції труб, для чого конструктивно треба сформувати повітряні мішки. Ідея дещо  подібна до структури вспіненого пластику, але з дуже великим розміром порожнин у матеріалі. Пропонований нами спосіб забезпечує практично таку ж саму теплоізоляцію, але на порядки меншою буде гігроскопічність самого ізолятора. Навіть якщо конденсат збереться у теплоізоляторі з великими внутрішніми комірками, він практично не змінить їх теплопровідність. Упаковка з фольгованого пластику розрізається на окремі смужки з подальшим їх гофруванням.  Потім гофрований пластик кількома краплями клею приклеюється до лінійного листа пластику. Якщо такий теплоізолятор скрутити у трубу, то ним можна утеплювати циліндричні трубопроводи.

   Алюм-4 Алюм-5 Алюм-6

Переваги над наявними утеплювачами. Досить ефективним цей спосіб термозахисту виглядає при ізолюванні водопровідних труб. Головною перевагою проекту є можливість зробити в домашніх умовах таку корисну  для побуту річ як утеплювач. Принагідно зазначимо, що для теплоізоляції  труб стандартними утеплювачами необхідно витратити багато часу і немало  коштів для їх придбання.

Якщо, наприклад, потрібно лише 2 метри і 20 см утеплювача, то все одно доведеться купувати 4 метри, тому що матеріал продається довжиною 2 метри за одиницю товару. Саме незначними кількостями таких матеріалів переважно оперують житлово-експлуатаційні служби, а мешканці приватного сектору при герметизації водопровідних комунікацій у підвалах будівель. Тож надміру придбаний і невикористаний дорогий утеплювач лежатиме десь  без потреби і врешті згодом буде викинутий на смітник.

Висновки. Використання вживаної алюмопластикової упаковки для теплоізоляції комунікацій сприяє цілям захисту довкілля, а саме вилученню з відходів важкого    для переробки фольгованого пластику. Крім цього, виготовлення з нього якісних теплоізоляційних матеріалів вирішує завдання      економного  господарювання, заощаджуючи значні кошти, які потрібно було б витратити на придбання стандартних і дорогих утеплювачів.

Проект «Утилізація каналізаційних жировмісних сполук – середовища патогенних мікроорганізмів»  –  © Іващишин Ярина (9 клас), 2018 р.

Інтенсивне замулювання труб і колекторів жировмісними сполуками різного походження є однією з найбільш відчутних больових точок сучасного каналізаційного господарства.

Відведення стоків каналізацією відбувається за постійних змін їх складу і рівня, що об’єктивно спричиняє налипання на стінках труб первинних плям жировмісних сполук. Жирові відкладення полімеризуються, робочий переріз у трубі для проходження стоків неминуче і відчутно звужується, аж до повного жирового блокування труби.  Крім цього,  жировмісна органіка у каналізаційних стоках є потужним живильним середовищем для патогенної мікрофлори.

   Жир-1 Жир-2 Жир-3 Жир-4

Промисловість  пропонує      широкий  асортимент якісних, а тому й досить дорогих технологій та обладнання для каналізаційного господарства. Але на практиці все виглядає не так оптимістично, як у рекламних  проспектах. Проблема не  лише у високій вартості нових технологій.   Куди,    наприклад,  зливати жировмісний осад?  В інший, поки що не замулений, колектор?

Гіпотеза дослідження. Превентивна      сепарація каналізаційних  стоків шляхом виділення з них жировмісних сполук дозволить суттєво заощадити матеріальні та людські    ресурси, а також поліпшити    санітарний стан каналізації, оскільки жировмісна органіка є середовищем для розмноження патогенних мікроорганізмів.

Миючі засоби, що містяться у побутових стоках, утворюють з брудом, особливо з жирами, нестійкі флокулянти, основна маса яких при подальшому переміщенні у трубах осідає на дні і стінках каналізаційних колекторів. Пропонується здійснювати сепарацію флокулянтів і осаджувати їх на пластинчатих  фільтрах ще до входу в каналізаційні труби.

Заповнені осадом пластини встановлюються у сушарку, де з них випаровується вода, а вже сухий осад легко сходить з пластин за рахунок  взаємного тертя частинок. Через сито галтувального барабану сушарки     висушений осад просипиться у  контейнер. Очищені пластини    можна буде використовувати в якості фільтрувального елемента, а  одержаний осад — як паливо для сушарки, що дозволить заощадити енергоресурси.

              Жир-5  Жир-7 Жир-6

У колекторах, де каналізування будинків  під’єднане  до міської мережі, встановлюються  картриджі з  пластинами фільтрів  з подрібненого вторинного пластику. Для жировмісних сполук  рух щілинами у пластику є еквівалентним довшому руху по магістральному колектору, тому вони досить скоро почнуть осідати на пластинах. Спеціалізована машина з маніпулятором регулярно міняє картриджі, відвозить заповнені жировмісним осадом пластини на сушарку, у колектори ж встановлюватимуться нові пластини.

Потрібно зауважити, що процедура відмивання від  осаду каналізаційних колекторів і труб завжди потребували значних енергетичних затрат і людських ресурсів. Адже сам процес відмивання супроводжується утворенням жировмісної пульпи, що містить 90-95% води, яку також потрібно випарувати, щоб не виливати назад у каналізацію. Відомо, що енергетичні витрати  на випаровування 1  літра  води складають 2.7 МДж. Для того, щоби отримати кілограм сухого осаду, потрібно випарувати як мінімум 9 кг води, і затрати тепла складатимуть вже  більше 42.3 МДж. Експериментально перевірено,  що осад на пластинчатому фільтрі може вмістити води не більше своєї ваги. Отже, для отримання сухого осаду потрібно буде затратити не 40-80 Мдж, а всього 3-4 МДж на кілограм.

Висновки. Гіпотеза дослідження підтверджена теоретично та експериментально. Проект економічно вигідний та екологічно доцільний. Пропонована технологія очищення каналізації від жировмісних сполук забезпечує їх належне осідання на стінках трубопроводів та інших ємностей, тому жировмісну органіку вигідно затримувати на  картриджах фільтрів, які у подальшому можна буде легко очищувати при мінімальних витратах для цього енергії.  Виготовлення картриджів з  вторинного пластику, використання осаду як палива суттєво  економить енергетичних і матеріальних  ресурсів, а також сприяє захисту довкілля і стану промсанітарії.

Проект «Автоматичний дозатор-оптимізатор синтетичних миючих засобів для пральних машин» © Лівочка Анастасія (11 клас), 2017 р.

Дозатор-1 Актуальність і мета дослідження. Життя  суспільства нерозривно пов’язане з широким використанням синтетичних мийних засобів (СМЗ) для прання виробів з тканин, миття посуду та інших побутових потреб. Однак засоби побутової хімії, на виробництво яких витрачаються значні природні, енергетичні, матеріальні ресурси, потрапляють врешті  через очисні споруди у ґрунти, річки та озера, тим самим посилюючи негативне навантаження на довкілля з непередбачуваними поки що до кінця екологічними наслідками.  Зрозуміло, що перевитрачання доволі вартісних у наш час цих засобів тільки посилить тиск на природу, не кажучи про затрати матеріальних, енергетичних ресурси на виробництво мийного засобу для фактично його зливання у каналізацію. Недостатня ж кількість прального порошку у мийному розчині також є даремним його витрачанням. Через недостатню коагуляцію бруду в тканині залишатимуться частинки бруду, імовірно навіть з хвороботворними мікробами.

Не знаючи, скільки бруду реально містить тканина  виробу, який потрібно випрати, непросто визначити оптимальну кількість  необхідного для цього миючого засобу.  Тому зазвичай його  додають у воду навмання, тобто з так званим запасом, який майже завжди перевищує його потребу для якісного прання у декілька разів (!). Тож користуючись звичним принципом  «кілька ковпачків на процес» і не маючи  об’єктивних норм  дозування пральних порошків, люди купують і витрачають у побуті зазвичай надлишкову їх кількість.

Мета і робоча гіпотеза дослідження. Для вирішення актуальної проблеми визначення оптимальних кількостей СМЗ для машинного  прання було поставлено завдання розробити просту та об’єктивну методику дозування пральних порошків і мийних розчинів, яка б дозволила швидко й однозначно визначити  і забезпечити необхідну їх концентрацію для процесу якісного прання тканин.

За робочу гіпотезу було взято припущення, що якщо поступово збільшувати вміст прального порошку у мийному розчині, то з часом його концентрація у розчині досягне  оптимального рівня для коагуляції і повного видалення усього бруду з тканини, і будь-яке подальше додавання  нових порцій порошку не матиме жодного позитивного ефекту, а тільки призводитиме до  надаремного його перевитрачання (рис. 1).

                                                 Дозатор-2

                                               Рис.1 Графік емпірично встановленої залежності чистоти випраної тканини від концентрації прального розчину 

Теоретичні засади. Для коагуляції у водному розчині  N молекул бруду на тканині та подальшого його видалення потрібно М молекул прального порошку.  Для різних видів забруднень (N1, N2, N3, …, Ni), а також для різних порошків  (М1, М2, М3, …, Мi) пропорції Nii  будуть різними, але усі вони матимуть спільну закономірність – недостатня кількість прального порошку призводить до того, що не усі молекули бруду будуть відірвані від тканини та коагульовані у водному розчині. Крім цього, у процесі прання завжди настає момент, коли додавання додаткової порції порошку вже не призводить до збільшення чистоти тканини, тому що повна  коагуляція бруду та видалення відбулися раніше.

Хід дослідження. Для експериментальної перевірки гіпотези було виготовлено  діючу модель пральної машини з плоским активатором, який мав реверсивний привод для того, щоби можна було реалізовувати  практично будь-які режими прання, а також шнековий дозатор подачі прального порошку. Контроль прозорості прального розчину здійснювався у додатковій камері сертифікованим датчиком яскравості ВН1750.

    Дозатор-3 Дозатор-4 Дозатор-5

                    Фото 2. Випробування плоского активатора                        Фото 3. Дозування забезпечує шнековий дозатор                     Фото 4. Підготовка шнекового дозатора до роботи

Для експериментів використовувалися невеличкі шматочки тканини розмірами приблизно як носова хусточка. Тканина штучно забруднювалася шляхом протирання різних, сильно запилених предметів або поверхонь.

Прання здійснювалося за таким алгоритмом: на електродвигун приводу активатора періодично подавалася напруга різної полярності, що спричиняла обертання двигуна в прямому і зворотному напрямах. Такий режим прання запобігав можливому закручуванню зразків тканин у пральній машині. Оптимальним виявився режим з 30-секундною тривалістю обертання активатора в ту чи іншу сторону  і 10-секундною паузою перед зміною напряму обертання. Під час роботи машини у мийний розчин  невеличкими порціями досипався пральний порошок, кількість якого у порції задавалася часом роботи двигуна шнекового дозатора. Контроль якості прання здійснювався візуально.

Для автоматизації процесу прання застосовано програматор Arduino UNO з додатковим блоком силових реле, які здійснювали безпосереднє керування двигунами активатора і дозатора.

                               Дозатор-6 Дозатор-7

                                              Рис. 2. Структурна схема пристрою                               Фото 5. Блок керування дозатором та активатором

Два аналогові входи Arduino А4 і А5 були використані для підключення системи контролю прозорості прального розчину. До складу системи входять джерело світла і два фоторезистори, один з яких призначений для сприймання прямого світлового сигналу від джерела світла, а інший фоторезистор сприймає світло, що відбивається від скоагульованого бруду у пральному розчині. Така схема ввімкнення цих приладів підвищує точність функціонування та гарантує температурну стабільність системи контролю прозорості.

                                   Дозатор-8  Дозатор-9             

                                                Фото 6. Підключення блоку керування до Arduino UNO           Рис. 3. Схема контролю прозорості  прального  розчину                                                  

Для того, щоб роботу датчиків не порушувала наявна у воді тканина,  збоку від основної робочої камери пральної машини було змонтовано додаткову камеру, куди могла потрапляти вода, але не могла потрапити тканина. Для гарантії швидкого водообміну додаткової та основної камер  вхідні отвори було розташовано у зоні дії активатора.

У процесі прання різних тканин з різними типами забруднення була встановлена чітка залежність чистоти випраної тканини від кількості прального порошку.

                            Дозатор-10 Дозатор-11

                                 Фото 7.  Додаткова камера контролю прозорості  прального розчину                Фото 8. Прання сильно забрудненої тканини  (дозатор за кадром)                                       

Для усіх торгових марок пральних порошків, що використовувалися під час експериментів, встановлено одну і ту саму чітку закономірність – у процесі прання завжди настає момент, коли додавання додаткової порції порошку не призводить до поліпшення чистоти випраної тканини. Якщо у цей момент зупинити пральну машину, то тканина виглядатиме цілком чистою, а навіть якщо на тканині залишилися якісь плями, то вони не будуть виведені навіть при багатократному збільшенні концентрації прального розчину. Видалення таких плям потрібно здійснювати іншими хімічними засобами і технологіями. Ті ж плями, яких тканина позбувається під час прання, видаляються тоді, коли нова порція прального порошку навіть не змінює прозорості прального розчину. Бруд вже є відірваним від тканини і зкоагульований молекулами прального порошку,  і подальше додавання СМЗ стає зайвим.

        Дозатор-12 Дозатор-13 Дозатор-14

             Фото 9. Зайвий  порошок лише  піну збільшує                        Рис.4. Циклограма роботи пральної машини                       Рис 5. Перспективна схема нової пральної машини  

Висновки. Експериментально  підтверджено гіпотезу дослідження про те, що для усіх СМЗ є певна межа досягнення ефективно дієвої їх концентрації у воді, а подальше збільшення якої не підвищуватиме якість прання, а спричинятиме лише перевитрати мийного засобу.

Винайдений дозатор дозволяє для кожного конкретного випадку   підібрати оптимальну, а точніше економну, але достатню потребу в СМЗ для якісного прання. Зменшення наявності  реактивів побутової хімії у природних та штучних водоймах  покращить екологічний стан довкілля. Пристрій може бути впроваджений у серійне виробництво.

В питаннях вибору концентрації миючих засобів не можна безоглядно довіряти надто вже узагальненим рекомендаціям виробників. Власне. розроблена методика є цілком придатною для незалежного від суб’єктивних чинників аналізу ефективності синтетичних миючих засобів, що використовуються у побуті. Особливістю методики є її наочна доказовість, а покази об’єктивні та неспростовні. 

Проект «Колісна система валізи для безшумного руху бруківкою» © Шикітка Марія (10 клас), 2017 р. 

Ретроспектива проблеми. 1970 рік. Бернард Девід Садоу (Barnard D. Sadow), повертаючись з сім’єю з відпустки з двома важкими чемоданами і прямуючи від літака до митниці, побачив як поруч вантажник з аеропорту неквапно і легко штовхає перед собою величезний візок, повністю навантажений такими ж валізами. Вже вдома Садоу відкручує коліщата від пересувної шафи і прикріплює до великої валізи для подорожей, а щоби тягнути її, додає спереду лямку. Так з’явився перший чемодан на чотирьох (!) коліщатах. Бернард Дэвид Садоу одержує патент під номером 3 653 474 від 5 квітня 1972 року. У графі «вид винаходу» значиться: «багаж, який котиться».

              Трикол-7  Патент-1  Трикол-2

Дивно, що людство спочатку  злітало на Місяць, а тільки після цього додумалося виготовляти чемодани, які можна було б без надриву котити, хоча ще прадавній винахід колеса переконливо довів, котити завжди легше, ніж тягнути. Мабуть таки треба було дочекатися 70-х років XX століття, щоби пересвідчитися у тому, що тертя кочення все ж менше за тертя ковзання.

Гідна подиву й подальша наполегливість винахідника: у наступні 40 років він запатентував ще два десятки корисних винаходів, більшість з яких – вдосконалення конструкцій та дизайну чемодану.

Однак, і він не здогадався додати до валізи висувну ручку замість лямки. Минуло ще 15 років, поки Роберт Плат, пілот Боїнга-747 компанії Northwest Airlines мабуть втомився тягати свій чемоданчик у частих поїздках між домом, аеропортами та готелями и, особливо, довгими коридорами терміналів, приробив до нього два коліщатка і телескопічну висувну ручку. Через три роки після успішної апробації цього ноу-хау серед усіх своїх знайомих Роберт одержав патент на свій винахід, у 1991 році.

              Патент-2  Патент-3 Трикол-3

Далі були різні удосконалення, слава, гроші  та успішна діяльність заснованої ним компанії. Плат тонко відчув перспективу, адже рейси літаками усе більше стають доступною буденністю для найширших верств населення, короткі бізнес-польоти з невеличкими валізами — звичними подорожами, а відстані у терміналах аеропортів  —  навпаки кілометровими.

        Трикол-1 Чемодан-1 Трикол-6 Трикол-5

Проте, повсюдне поширення валіз з коліщатами  породило й нові проблеми. Наприклад, декілька років тому влада Венеції вирішила заборонити використовувати валізи з пластиковими коліщатками, і з травня 2015 року кожна особа, що подорожуватиме з такими «гучними»  чемоданами, буде платити штраф у розмірі від 500 до 620 євро.

Таке рішення, звісно,  створило багато незручностей для чисельних гостей міста, яким необхідно добиратися з великим багажем до готелів, розташованих  на вулицях, де заборонено рух автотранспорту, а таких вулиць тут чимало. Венецію  ж щорічно відвідують 22 млн. туристів, суттєво поповнюючи міську скарбницю. Тим не менш місцеві чиновники доречно вважають, що шум від  руху туристів з такими валізами спричиняє не менший дискомфорт для мешканців цієї туристичної перлини Італії, ніж щорічні повені тут. Населення міста тривалий час скаржилося на постійний подразливий шум на вулицях, що не припиняється навіть уночі, коли люди намагаються відпочити. Крім цього, коліщата з твердих матеріалів руйнують мармурові сходи, аутентичне покриття пішохідних містків і старовинну бруківку. Як бачимо, у цивілізованому світі діє трохи інша шкала цінностей, і тепер  за новими правилами, багаж можна  буде транспортувати тільки на «тихих» коліщатах з м’якого матеріалу.

Актуальність завдання. Отож, у такого корисного винаходу як валіза з коліщатами виявився серйозний противник – бруківка, вірніше, навіть не сама бруківка, а стики між її елементами. Коліщата на кожному стику спочатку провалюються у стик, а потім з нього вискакують. І весь цей процес супроводжується неодмінним  ритмічним гуркотом, який чути на декілька кварталів. Валіза – не велосипед, до неї не прилаштуєш колеса великого діаметру, щоби у такий спосіб зменшити цей неприємний шум.

Тому, щоби позбутися цього явища, намагаються зробити пом’якшене покриття на колесах, але це допомагає мало, істотно зменшуючи при цьому довговічність таких коліс. М’які колеса мають знижену бокову жорсткість і при наїзді на перепону посилюються розхитування з можливим перевертанням багажу. Така механічна нестійкість виникає головним чином через те, що обидва колеса закріплені на одній осі і відбувається взаємне накладання поступового і обертального рухів валізи.

 Робоча гіпотеза і хід дослідження. Якщо розташувати в одній площині осі трьох паралельних коліс  із взаємним зміщенням в 1/3 – 1/4 від діаметра колеса, можна буде  одержати систему для переміщення валізи без ударів через тріщини в дорожньому покритті або стики у бруківці та зберегти у прийнятних межах   загальні габарити конструкції. 

 Щоби малогабаритне колесо змогло проїхати через стики у бруківці без гуркотливого шуму,  було вирішено використати  моноблок з трьох коліщат. Якщо три таких коліщата послідовно закріпити у жорсткій рамі, то при русі такої конструкції через стики, тріщини та інші розриви на суцільній поверхні дороги, усі коліщата почергово перескочать через розрив без гуркоту, оскільки два з трьох коліщат гарантовано будуть надійно контактувати з поверхнею. Однак така конструкція має значні лінійні габарити, що є малоприйнятним для використання у валізах, до того ж вона може   просто зламатися при поворотах.

На наступному етапі дослідження було винайдено ступінчасту вісь, на яку встановлено три колеса, причому вісь середнього колеса співпадає з загальною віссю системи, а праве і ліве колеса зміщені відповідно вперед і назад. Ступінчаста вісь є по суті монолітною конструкцією, а система з трьох коліс, встановлених на ній працює як одне суцільне колесо, але з трьома рознесеними зонами контакту з дорогою.

    Трикол-8 Трикол-9 Трикол-10

Експериментальна перевірка. Спочатку було створено систему з монолітною центральною віссю, що гарантує надійність конструкції, та можливість адаптації до різних типів дорожнього покриття. 

Потім було спроектовано систему  з розрізною центральною віссю. Ця система є більш прийнятною для масового виробництва і стійкішою проти бруду, але на її виготовлення витрачається більше матеріалів, щоби забезпечити належну міцність при стрибках на східцях. Виготовлені і випробувані прототипи конструкції показали високі експлуатаційні характеристики, а тому можуть бути впроваджені у виробництво.

    Трикол-11 Трикол-12 Трикол-13 Трикол-14

Висновки. Гіпотеза підтверджено. Моноблок з трьох паралельних коліс зі зміщеними на 1/3 діаметра колеса осями, переїжджає через  тріщини в 1/3 діаметра колеса без ударів і гуркоту. Розміри системи з трьох коліс дуже незначно збільшують загальні габарити, вагу  і ціну валізи. 

Проект «Вентильована рукавиця» © Грант Світлана (9 клас), 2017 р. 

Актуальність завдання. Дуже часто робітникам доводиться працювати у спеціальних рукавицях. Але, захищаючи руки людини від зовнішнього впливу, рукавиці можуть створювати внутрішній дискомфорт, особливо при роботі в умовах підвищеної вологості та температури. Рукавиці повинні бути достатньо герметичними, щоби надійно захищати руки від зовнішньої вологи, але тоді вони утруднюють висихання поту на самих руках. Як наслідок – руки людини починають нібито «варитися у власному соку».

             Рукавиця-1 Рукавиця-2 Рукавиця-3 Рукавиця-4

Недоліки наявних рішень. Щоби запобігти такому явищу, у рукавицях іноді роблять дрібну перфорацію або вшивають вставки з паропроникної тканини. Однак  для працівників більшості професій таке рішення є неприйнятним, наприклад, для косметологів, які фарбують жіноче волосся  чи роблять манікюр, користуючись тоненькими, але абсолютно герметичними рукавичками з нітрилу або поліетилену.

  Рукавиця-5 Рукавиця-6 Рукавиця-7

Натомість зварювальникам чи ливарникам потрібні досить товсті, багатошарові,   повністю герметичні рукавиці, у яких досить забезпечити внутрішню циркуляцію повітря.

Гіпотеза. Пропонується розв’язати проблему дискомфорту рук у герметичних рукавицях шляхом їх  примусової вентиляції.

Конструктивне рішення. Було розроблено і виготовлено пристрій для вентиляції таких рукавиць, що складається з компресора,  акумулятора, двох повітропроводів і кнопки вмикання. Компресор, що розміщується у невеличкому рюкзаку на спині працівника, нагнітає повітря до рукавиць гнучкими повітропроводами. Живлення компресора здійснюється від також розташованого у  рюкзаку малогабаритного акумулятора, що забезпечує повну автономність роботи пристрою.

                                         Рукавиця-8 Рукавиця-9

Для працівників, які працюють, сидячи у кріслі, та періодично опираються на спинку крісла, компресор і акумулятор можуть знаходитися на боковій поверхні спецодягу  або взагалі  на підлозі. Для роботи з пристроєм підходять як стандартні рукавиці, так й спеціально модифіковані чи оснащені додатковими повітряними  каналами.

Експериментальна  перевірка. Для перевірки  примусової вентиляції було виготовлено кілька діючих макетів, які повністю підтвердили працездатність запропонованого пристрою.

Висновки. Гіпотеза підтвердилася. Пристрій примусової вентиляції рукавиць може бути впроваджений у виробництво і використовуватися за призначенням. 

Проект «Екологічно безпечна мультициклова  термопереробка побутових відходів» © Кобрин Тетяна (8 клас), 2016 р. 

Актуальність проблеми. Гори нагромадженого по Україні сміття швидко набувають ознак техногенної катастрофи.  Десятками років на звалища скидалося докупи усе: промислові відходи, барвники, несправні прилади, електрокабелі з важкими металами, люмінесцентні лампи з ртуттю, апаратура з радіоактивними елементами. У процесі спалювання побутових відходів особливо небезпечними є реакції з наявними у них хімічно агресивними включеннями. Хто знає, які хімічні реакції відбуваються у цих рукотворних вулканах, отруюючи землю і воду та викидаючи з димом у повітря смертельну  отруту після систематичних на них займань. 

Забезпечити ж гарантоване сортування усього, що потрапляє в топку,  поки що не реально як з технічної,  так і з економічної точок зору. Адже роздільне сортування побутових відходів  навіть у кращому випадку обмежується  п’ятьма-шістьма їх категоріями. Якщо у контейнер з написом «Пластик» потрапить вкритий пластиком картон, то що у подальшому робити з таким видом відходів, адже технології  переробки картону і пластику різні. Часто недопустимим є спільне переплавляння навіть самих пластмас, які різняться між собою за хімічним складом.

Принагідно зазначимо, що дискутування щодо спалювання чи переробки сміття в Україні до певної міри має іронічне забарвлення: лише два сміттєспалювальних заводи і жодного сміттєпереробного підприємства (у маленькій Швейцарії – 65 заводів!).                           

Зате димлять від самозаймання майже сім тисяч так званих полігонів, а фактично безгосподарних звалищ загальною площею у 7 тис. гектарів землі з майже мільярдом кубометрів твердих побутових відходів. Скільки ж нам потрібно таких заводів, щоби переробити цей мільярд, який швидко «розбухає», тому що кожного року додається по 12 млн. тон нового сміття. 

                Мульти-сміття-1 Мульти-сміття-2 мульти-сміття-4

Ще одні промовисті цифри, які надто контрастують з нашою дійсністю. Завод з утилізації сміття Шпітеллау (Відень, Австрія), що за рік утилізує 250 тис.тон сміття: генерує 120 тис.МВт* год. електроенергії та  500 тис. МВт* год. теплової енергії;  утворює 6 тис. тон металобрухту і 60 тис. тон вторсировини; забезпечує енергією 60 тис. домогосподарств.

Гіпотеза. При спалюванні побутового сміття можна одержувати як корисний продукт активоване вугілля, яке, будучи завантаженим у топку з наступними порціями сміття, поглинатиме агресивні газоподібні викиди, що утворюються при його термопереробці.

Теоретичні засади. Під час роботи над проектом нашу увагу привернув спосіб перетворення окремих видів побутового сміття  на активоване вугілля.  Для цього відходи закладають у піч, розпалюють і коли вміст печі добре розгориться, потрібно різко зменшити подачу кисню. В результаті з органічних сполук вигорає увесь водень, але залишиться більшість вуглецю. Після обробки такого вуглецю перегрітою водяною парою він «розпушується» і перетворюється на активоване вугілля.

Мульти-сміття-3 Послідовність технологічного циклу: 1) у піч засипаються побутові відходи; 2) відходи запалюються. При цьому весь дим проходить через фільтр з активованого вугілля, одержаного з попереднього завантаження відходів; 3) при розгорянні  відходів набагато зменшується подача повітря в зону горіння і з них починає утворюватися деревне вугілля; 4) деревне вугілля активується перегрітою парою до стану активованого вугілля; 5) активоване вугілля виймається з печі та використовується для поглинання диму при наступному завантаженні печі; 6) тверді відходи захоронюються без викидів газоподібних радикалів в атмосферу.

За такої технології можна досягти поглинання практично усіх газоподібних викидів і перевести ці викиди у твердий стан. Такий шлам екологічно є набагато «чистішим» як за вмістом своїх складників, так і з міркувань  безпечного захоронення на полігонах.

Висновки. Можна з впевненістю стверджувати, що запропонований спосіб мультициклової  термопереробки побутових відходів є достатньо логічним і доцільним, оскільки він водночас інтенсифікує природній процес окислення побутових відходів атмосферним киснем, так і запобігає потраплянню в атмосферу   отруйних радикалів в процесі цього окислення. Тим самим спалення побутових відходів залишається безпечним навіть при відносно недбалому їх сортуванні. 

Проект «Високорентабельне синтезоване дзеркало для сонячної енергетики»  – © Подибайло Мирослава (11 клас), 2016 р.  

Для того, щоб сфокусувати сонячні промені у малу високоенергетичну пляму, зазвичай використовують сферичні або параболічні дзеркала, в зв’язку з чим гостро постає питання рентабельності процесу виробництва через великі затрати на виготовлення таких систем. Між тим, промисловість сьогодні здатна продукувати доволі дешеві листові дзеркальні матеріали, з яких можна відносно просто робити циліндричні дзеркала. Однак циліндричне дзеркало фокусує сонячні промені не в маленьку пляму, а в протяжну лінію, чого в принципі досить для нагрівання води, але не достатньо для потреб теплових машин.

У сонячній енергетиці потрібно концентрувати лише потоки фотонів, відповідно й вимоги до таких дзеркал є набагато нижчими, ніж до параболоїдів для оптики чи радіолокації. Тому цілком можливо обійтися дзеркалами, синтезованими з окремих фрагментів, що власне й використовується на усіх великих станціях сонячної енергетики.

Гіпотеза дослідження базувалась на припущенні, що можна з достатньою для потреб енергетики точністю сконцентрувати потік сонячного випромінювання за допомогою двох ортогональних циліндричних дзеркал.  Конструктивно це можна реалізувати таким чином, коли одне дзеркало буде збирати випромінювання у «світловий клин», а впоперек до нього стоятиме друге дзеркало з ортогональною віссю і фокусною відстанню, приблизно в два рази меншою.

Хоча циліндричне дзеркало фокусує сонячні промені гірше, ніж параболічне, все ж не слід забувати, що Сонце не є ідеальним точковим джерелом світла. Воно має кутовий розмір у ½ градуса, тому ідеальне його фокусування в точку не є реальним взагалі, а для технічних потреб цілком достатньо апроксимації параболи дугою кола.

                             s-dzerk-1  s-dzerk-2  s-dzerk-3

Вибір саме циліндричної форми зумовлений ше й тим, що його профіль легко вирізається за допомогою розкрійного циркуля, а сама дзеркальна поверхня легко формується із звичайного листа полірованого листового алюмінію.

Для експериментів було виготовлено декілька комплектів синтезованих дзеркал.

Оскільки в якості покриття використовувалась дзеркальна плівка з неідеальною оптичною індикатрисою, світлова пляма була трохи більш розмитою порівняно з розрахунками. Але й така розмита пляма миттєво запалювала папір та швидко доводила деревину до піролізу.

Гіпотеза повністю підтвердилася. За допомогою двох ортогональних циліндричних дзеркал можна сконцентрувати потік сонячної енергії в десять тисяч разів. Самі ж дзеркала легко виготовляються в умовах домашньої майстерні.

Проект «Помпа для стоків з твердими включеннями» – © Сумало Марта (11 клас), 2016 р.  

При перекачування рідин з включенням твердих частинок ресурс роботи практично усіх насосів і помп падає до катастрофічно низького рівня.  Робочий елемент насоса є  своєрідним аналогом крила, а точніше плавника риби, який рухається у воді, будучи нахиленим по відношенню до напрямку руху.  Завдяки цим  нахилам створюється зусилля, яке штовхає воду. Робоче ж колесо насоса є не чим іншим, як системою таких «плавників».

 Власне, різні геометричні розміри  цих елементів робочого колеса та швидкість їх обертання і задають параметри продуктивності насоса та створюваний ним тиск.  Незалежно від того, як  геометрично сформовані робочі колеса, скільки вони мають робочих лопаток, і під якими кутами  вони розміщені, при наявності у воді  чи в іншій рідині   забруднення  передні кромки лопаток періодично вдаряються  об тверді включення.

Оскільки для створення тиску в системі робочі лопатки повинні рухатись значно швидше, ніж потік, який вони перекачують, такі зіткнення з часом призводять до серйозного зношування і навіть поламок  робочого колеса насоса.

Виготовлення робочих коліс з твердосплавних матеріалів лише відтягує час їх поламки, оскільки удари лопаток об тверді включення відбуваються у воді, яка практично не стискається, а тому тільки підсилює руйнівний ефект від таких зіткнень. Крім цього, робочі колеса з твердих сплавів є надзвичайно дорогими у виготовленні.

Усіх цих недоліків позбавлена винайдена свого часу Ніколою Тесла турбіна, що являє собою пакет дисків, які обертаються  у циліндричній камері з вхідним і вихідним патрубками. Особливістю винаходу є те, рух води у камері забезпечується не створенням реактивної сили на лопатці турбіни, а силами поверхневого натягу. Однак ця турбіна не може створити високий тиск за рахунок лише поверхневих сил, і в цьому полягає її основний недолік.

                                     tesla-1 tesla-2 tesla-3

Домогтися підвищення сумарного тиску на виході шляхом  послідовного об’єднання декількох турбін, як це, наприклад, здійснюється у вхідних контурах  авіаційних реактивних двигунів, для турбіни Тесла є неприйнятним, оскільки тоді її конструкція  стане  надто складною.

Тому виникла ідея  в декілька разів збільшити кількість дисків в турбіні Тесла, а відносно вузьку робочу камеру розмістити у вигляді кількох витків спіралі поверх дисків. На нашу думку,  така конструкція дозволяє зберегти загальний динамічний баланс турбіни, оскільки всі диски стоять симетрично на одній осі і  балансуються як єдине ціле.

Хоча на витку спіралі й будуть певні втрати тиску, але через відносний нахил руху поверхонь дисків і потоку рідини, загальний тиск поступово зросте в декілька разів  порівняно з класичною турбіною Тесла. Наявні у потоку рідини тверді включення зможуть лише по дотичній зіткнутися з дисками чи стінками, не завдавши їм шкоди. Абразивне зношування у цьому випадку, звісно, матиме місце, але воно буде на порядки меншим, ніж при ударному викришуванні.

Експерименти з виготовленою діючою моделлю модифікованої турбіни Тесла повністю підтвердили робочу гіпотезу проекту. Запропонована конструкція може успішно використовуватись для перекачування промислових, каналізаційних та інших стоків.

Проект «Використання енергії дощової води для очищення каналізаційних колекторів» Подкопаєва Єлизавета (10 клас), 2014 р. 

   Актуальність дослідження. Наслідками відсутності постійного моніторингу технічного стану каналізаційних систем є численні неполадки   магістралей. Належному тривалому функціонуванню  каналізаційних колекторів перешкоджає накопичення у них намулу, що відкладається біля великих скупчень твердого сміття, яке  потрапляє у каналізацію. Пропускна спроможність колектора з часом настільки зменшується, що навіть унеможливлює його роботу. На практиці таке сміття з намулом зазвичай змивають потужними струменями води. Для подолання цього явища ще у XIX ст. пропонувалось накопичувати каналізаційні стоки в окремих резервуарах з подальшим  раптовим  їх спуском в каналізацію. Проте, така система не набула поширення, оскільки накопичувальний резервуар ставав джерелом антисанітарії, а сифонний перелив був ненадійним при  швидкому зливанні інтенсивного потоку забрудненої води.

                  Ківш-1                      Ківш-2

          Фото 1. Робітник видаляє тверде сміття з каналізаційного колектора        Фото 2. Патент США на пріоритет ідеї накопичувально-імпульсного промивання каналізації

Метою проекту є розробка системи очищення каналізаційних колекторів імпульсами накопиченої дощової води, яка б надійно працювала у повністю автономному режимі і була безпечною з  міркувань промислової санітарії.

Гіпотеза. Енергії дощової води повинно бути достатньо для промивання каналізаційних колекторів, якщо вода попередньо потраплятиме у каналізаційний колодязь через проміжний резервуар, що після заповнення автоматично відкривається, створюючи  короткі  інтенсивні потоки, які за декілька циклів змиють утворені шари намулу з твердим сміттям.

Матеріали та методи дослідження. На першому етапі дослідження було розроблено проект сифонної системи переливу дощової води, виготовлено і випробувано роботу діючого макета системи. Виявилося, що при дуже інтенсивних  потоках вона працює вкрай ненадійно, особливо при значному вмісті сміття і намулу в каналізаційних стоках. Тому від сифонної системи довелося відмовитися.

Наступний етап дослідження полягав у теоретичному обґрунтуванні та перевірці роботи двохпоплавкової схеми очищення колектора. Принцип дії цієї системи полягає у тому, що слабка, але тривала  течія може сформувати короткі й потужні імпульсні потоки, дещо подібні до мікроцунамі.

                         Ківш-3     Ківш-4

                                    Рис 1. Схема дії поплавкового переривача потоку                         Фото 3. Експериментальна перевірка поплавкового переривача потоку 

 Експерименти засвідчили, що система в цілому є досить працездатною, але  вона потребує попередньої фільтрації дощової води, від дрібних механічних забруднень, зокрема,  від осіннього листя.

На третьому етапі роботи над проектом було вирішено випробувати систему асиметричного ковша. На відміну від попередніх ця схема не потребує ущільнення – важливого і  відповідального вузла, якому до того ж властива певна функціональна нестабільність. В цілому система виявилася значно простішою у виготовленні та надійнішою в роботі.

                         Ківш-5  Ківш-6

                     Рис 2. Схема роботи асиметричного ковша в якості переривача потоку                          Фото 4. Діючий макет асиметричного ковша

Аналіз результатів. Практична перевірка роботи  асиметричного ковша після випробувань  виготовленого діючого макета підтвердила обрану гіпотезу дослідження. Стабільний, але не інтенсивний потік дощової води дійсно не може вимити механічні забруднення та намул з колектора. Якщо потік такої ж інтенсивності попередньо надходить в асиметричний ківш, що після заповнення швидко перекидається,  а тому різко виливає воду в колектор, то забруднення (в експериментах – гайки, шайби) вимивалось з магістралі за декілька імпульсів.

    Ківш-7 Ківш-8 Ківш-9

         Фото 5. Запуск експериментальної діючої моделі                    Фото 6. Момент перекидання асиметричного ковша                Фото  7.За два-три імпульси води засмічення змивається

Висновки. Розробка є вдалою, логічно обґрунтованою, а також технологічно нескладною для серійного виготовлення  навіть в умовах майстерні.   Система придатна для використання на комунікаціях підприємств водопровідно-каналізаційного господарства. До суттєвих переваг пристрою належить те, що він може працювати всередині каналізаційного колектора дуже тривалий час  без потреби технічного  нагляду і профілактики.

У подальшому доцільно розробити конструкцію, що дозволяла б її зручний монтаж/демонтаж у наявних каналізаційних комунікаціях безпосередньо через верхній люк. Бажано передбачити й спосіб забезпечення імпульсних зливних потоків певними дозами дезінфікувальних засобів для  додаткового промивання можливих місць накопичення патогенної флори у колекторах, зокрема, на менш вологих стінках труб. 

Науково-дослідницький проект «Імпульсний сантехнічний модуль для очищення каналізаційних колекторів»  – © Подкопаєва Єлизавета (11 клас), 2016 р.    

Ліза-Тбілісі-1 З історії каналізації. Системи видалення стічних вод були відомі від давніх часів, зокрема, у Стародавньому Єгипті. У VI ст. до н.е. у Римі був збудований перший каналізаційний колектор, що частково зберігся і навіть використовується дотепер.

Інтенсивне будівництво каналізації в Європі почалося лише у XIX ст.. Лідирувала у цій ділянці цивілізаційного поступу людства Англія, у якій до 1833 року вже було каналізовано 50 британських міст, тоді як обладнання каналізацією такої ж кількості  міст у Німеччині відбулося лише у 1870 році [9, С.4].

Потрібно зауважити, що тодішні системи відведення стічних вод взагалі не передбачали їх попереднього очищення. У творі “Знедолені” Віктор Гюго писав:  «В історії клоак народжується історія людства. Клоака – це совість міста». Навіть видатний мікробіолог Луї Пастер пропонував відмовитися від переробки каналізаційних вод, а стоки скидати по трубам прямо у море. До речі, Майкл Фарадей порівнював Темзу з відкритою каналізацією. Такий ненормальний стан тривав ще чверть століття. В англійську історію 1858 рік ввійшов під іменем Великого смороду (The Great Stink), коли у парламенті усі штори просочувалися хлором. Врешті було прийнято закон про очищення стоків перед їх скиданням у ріки і створено знамениту лондонську накопичувально-пульсуючу каналізацію, що досі вважається одним із семи чудес індустріального світу [3] .

Різке зростання чисельності людей у містах об’єктивно спричиняє споживання води. Тільки у житлових будинках з санітарно-технічним обладнанням та гарячим водопостачанням витрати води на одну людину за добу досягає 250-350 літрів [2, С.70].  Багато потребує води й промислове виробництво. Забір  води для господарсько-побутових і промислових потреб  спричиняє утворення стічних вод з великим вмістом різних мінеральних  сполук (піску, глини, руд, шлаків, солей, розчинів кислот та лугів),  органічних забруднень (побутового сміття, різних нечистот,  фекалій, стоків з переробних підприємств, продуктів взаємодії атмосферних опадів з димовими відходами та іншими  хімічними сполуками).

Внаслідок цього навантаження на каналізаційні канали зростає настільки, що унеможливлює природне самоочищення приймальних водойм шляхом розбавлення стічної води при змішуванні її з водою водойми. Значна концентрація великих нерозчинних домішок,  що осідають на дно, утруднюють седиментацію дисперсної фази забруднень водними організмами.

Актуальність проблеми. До числа специфічних особливостей функціонування водоканалізаційного господарства належать майже хрестоматійна неспроможність комунікацій впоратися з весняними повенями і потоками води під час сильних тривалих дощів, а також настільки часті, можна сказати, вже традиційні локальні прориви у водопровідних магістралях і закупорювання та інші неполадки каналізації, які чомусь їх називають неочікуваними.  Якщо для мешканців зливи, забиті стічні труби, перекрита на тиждень вода у декількох кварталах є дійсно форс-мажорним лихом, що суттєво ускладнює звичний уклад і ритм життя, то для підприємства, що забезпечує водопостачання та відведення стоків, не є особливим секретом, що навесні щороку сніг таки буде танути і за обсягами снігового покриву можна реально передбачити інтенсивність весняної води.  Подібно й належна ревізія і профілактика каналізаційних труб, колекторів, запірної арматури зведе до мінімуму можливі авральні ситуації, і не потрібно буде у більшості випадків для виправдання  виробничої недбалості якоюсь неочікуваністю аварій.

Належному тривалому функціонуванню  колекторів перешкоджає накопичення у них намулу через відкладання біля великих скупчень цього намулу твердого сміття, що  потрапляє у каналізацію. Пропускна спроможність колектора з часом настільки зменшується, що навіть унеможливлює його роботу. Таке сміття з намулом зазвичай змивають потужними струменями води.

Доцільно було б превентивно промивати колектори потужними потоками накопиченої стічної води, але на практиці здійснити це доволі непросто, оскільки необхідні для цього накопичувальні резервуари води об’єктивно  стають джерелами антисанітарії. Відсутність системи періодичного очищення міської каналізації призводить до утворення стійких складних металоорганічних комплексів з органічних забруднень і солей різних металів, які внаслідок аеробних і анаеробних процесів продукують сморід, що погіршує стан середовища.

Отже, через брак коштів і матеріально-технічних ресурсів, застарілі підходи щодо обслуговування каналізаційного господарства, відсутність постійного моніторингу технічного стану цих складних інженерних споруд  систематично мають місце авральні роботи з ліквідації численних неполадок  та аварій у каналізації. Аналіз патентів з проблеми очищення колекторів. Люди давно помітили, що при змиванні потоком води  сміття в каналі інтенсивність процесу змивання залежить не стільки від кількості води, скільки від її швидкості. Можна було вилити цілу бочку води на камінь у жолобі, але він так би і залишався на місці. В той же час достатньо було лише відра води, але вилитого одним різким рухом, щоб легко вимити той самий камінь з жолоба. [10]. Ці прості емпіричні істини знали і будівничі перших каналізаційних систем, тому в місцях, де не могли прокласти  каналізаційні колектори з достатнім кутом ухилу почали будувати накопичувачі, в яких спочатку повільно збирали каналізаційні стоки, а потім різко їх виливали в колектори малого ухилу [11]. Слід зауважити, що такий підхід іноді використовується  навіть і у наш час.

Ще  на самому початку минулого століття будівельники дбали про автоматизацію процесу регулярного промивання каналізаційних колекторів  [11, Fig. 5]. Ця тенденція простежується вже у найперших запатентованих винаходах [12-17]. Для забезпечення різкого старту процесу зливу ємності намагалися використовувати прості у виготовленні сифонні  переливи.  Зокрема, перший патент на спосіб накопичувально-імпульсного промивання каналізації було видано 1886 року в США, однак ця пропозиція  не набула поширення, оскільки накопичувальний резервуар ставав джерелом антисанітарії, а сифонний перелив був не надійним при  швидкому зливанні інтенсивного потоку забрудненої води. До його недоліків можна віднести  замулювання кутів [17],  складність монтажу та обслуговування  [15-16],  постійну потребу в нагляді та очищенні [14]Такі системи потребують дуже різкого старту для ефективного зливу, якого дуже важко досягти на сифонах великого прохідного перерізу, і згодом були створені системи внутрішнього інжекторного старту [18-19].  Але й такі новації не гарантували надійного старту переливу, тому сифони почали обладнувати системами зовнішнього інжекторного старту високого тиску [20-22]. Проте, одержана у такий спосіб підвищена надійність роботи потребувала постійного моніторингу обслуговуючим персоналом стану накопичувача, а також необхідності ручного запуску переливу. Більше того, сифони працювали взагалі дуже ненадійно, стартові інжектори забивались брудом зканалізаційних стоків, і для старту іноді вимушено використовували чисту, водопровідну воду [23-24]. Тим не менше ця система використовувалась дуже довго [25] і навіть до нашого часу, будучи суттєво дооснащеною відповідними засобами  промислової автоматики [26 -27], хоча її ефективність різко знижується  при значних забрудненнях у стоках [28-29], що потребує досить складних проміжних фільтрацій та очищення [30-37].

У процесі патентного пошуку було знайдено велику кількість винаходів, у яких використовується перекидний ківш для формування  змивного потоку в унітазі [38-49].

Враховуючи те, що вдосконалення цього ковша йде вже друге століття [50-51],  а також  те, що ця конструкція поширена практично на усіх континентах [52-54], було вирішено зробити її  детальніший аналіз. Зокрема, було встановлено, що якщо точку підвісу ковша  змістити вгору і в бік, а початкове положення ковша забезпечити системою балансира та упору [42], то ківш буде  автоматично перекидатись по досягненню рівня води в ньому вище заданої відмітки. Зрештою цей факт також було підтверджено  й на перших етапах нашого дослідження,  а тому було вирішено відмовитися від нестабільного сифонного переливу і перейти до системи створення потоку за допомогою  асиметричного ковша [55] з тією суттєвою різницею, що імпульси для промивання формуються не з каналізаційних стоків, а дощової води, що потрапляє у каналізацію [56].

В основу вихідних положень дослідження було покладено висновки з попереднього нашого проекту «Використання енергії дощової води для очищення каналізаційних колекторів» (2014 р.), зокрема, підтверджено гіпотезу, що енергії дощової води буде достатньо для промивання каналізаційних колекторів, якщо цю воду попередньо накопичувати в проміжних резервуарах і в подальшому її зливати короткими, але інтенсивними потоками. Експериментальна перевірка змодельованих процесів промивання колекторів змусила відмовитися від ряду привабливих на перший погляд технологічних  

Випробування роботи  виготовленого діючого макету сифонної системи переливу дощової води з поплавковим переривачем потоку показало, що при дуже інтенсивних  потоках вона працює вкрай ненадійно, особливо коли було змодельовано стік води з наявністю у значних кількостях у ній сміття і намулу.

Значно кращою у роботі виявилася наступна діюча модель двохпоплавкової схеми очищення колектора, у якій слабка, але тривала  течія формує короткі й потужні імпульсні потоки, дещо подібні до своєрідного мікроцунамі.  Але й ця, досить працездатна система  потребує попередньої фільтрації дощової води  від дрібних механічних забруднень.

Найбільш вдалою стала розробка простішої у виготовленні та надійнішої в роботі системи асиметричного ковша, що  на відміну від попередніх, не потребує ущільнення – важливого і  відповідального вузла, якому до того ж властива певна функціональна нестабільність. Експерименти засвідчили, що стабільний, але не інтенсивний потік дощової води дійсно не може вимити механічні забруднення та намул з колектора.  Однак, якщо потік такої ж інтенсивності попередньо надходить в асиметричний ківш, який після заповнення швидко перекидається, а тому різко виливає воду в колектор, відповідно забруднення  вимивалось з магістралі буквально за декілька імпульсів.

    Ліза-1 Ліза-2 Ліза-2 Ліза-4

               Фото 1. Постійний потік води      Фото 2. Один імпульс води не змиває забруднення       Фото 3. Двома імпульсами канал очищено   Фото 4.  Перевірка метода в реальних умовах

Метою проекту стала розробка конструкції сантехнічного модуля для імпульсного промивання колекторів дощовою водою, який можна було б легко монтувати у наявні конструкції каналізаційних колодязів.

Технологічні обмеження. Оскільки запроектований імпульсний сантехнічний модуль призначений для встановлення у наявні стандартизовані каналізаційні колодязі,  конструкція цього пристрою повинна передбачати можливість зручного і швидкого монтажу і демонтажу його елементів,  щоби при потребі забезпечити доступ ремонтних бригад до усіх місць у колекторі.

          Ліза-8 Ліза-5 Ліза-6

                                                                                               Рис 1. Місця ймовірного розташування опор модуля   Рис 2. Стандартизована схема каналізаційного колодязя 

Блок-схема імпульсного сантехнічного модуля. Асиметричний ківш через L-подібні опори спирається на поворотне кільце, за допомогою якого  його вісь перевертання може бути повернута так, щоб  імпульс води був спрямований у заданий колектор. Поворотне кільце фіксується поверх силового кільця, яке через систему висувних стрижнів та приставних ніжок фіксується в каналізаційному колекторі. Усі елементи конструкції є розбірними і при монтажі/демонтажі поелементно проходять крізь каналізаційний люк.

                                                                                    Ліза-7

                                                                                                                 Рис 3. Схема монтажу імпульсного сантехнічного модуля

Вода для промивання колодязя дозовано подається з дощового колектора, що дозволяє використовувати конструкцію у системах роздільного збору каналізаційних стоків. Дно асиметричного ковша має декілька каліброваних дренажних отворів, які убезпечують його від застоювання води у міждощовий період.

Висновки. Ковшова система формування водяного імпульсу, основу якої складає врівноважений баластною противагою асиметричний ківш виявилася вдалою  і простою в реалізації.  При наборі води центр ваги ковша зміщується і він перекидається, тим самим створюючи потужний промивний імпульс води. Експерименти показали, що стабільний потік води не вимиває механічні забруднення з колектора,  однак, якщо вода спершу накопичується в ковші, а потім різко виливається у колектор, то такі забруднення вимиваються з нього буквально за два-три імпульси.

Перевірку роботи системи здійснено на виготовленому діючому макеті імпульсного сантехнічного модуля для очищення каналізації. Конструкція модуля легко складається і розбирається, відповідно забезпечує доступ до необхідних елементів колодязя. Пристрій може ефективно працювати тривалий час без необхідності її профілактичного і технічного обслуговування. 

Список  використаних  джерел

1. Андрей Ваганов. Стойкий запах прогресса. http://www.ng.ru/science/2006-12-27/14_progress.html

2. Ванханен В.Д., Суханова Г.А. Гигиена. Учебник для мед.  училищ. – К.: Вища шк. Головное изд-во, 1986. – 352 с.  

3.Великий смрад, или у истоков лондонской канализации. http://dkphoto.livejournal.com/106495.html

4. Войналович О., Моргунюк В. Російсько-український словник наукової і технічної мови (термінологія процесових понять). – К.: Вирій, Сталкер, 1997. – 256 с.

5. Горский В.А. Техническое конструирование. М.: ДОСААФ, 1977.– 128 с., ил.

6. Ехонович А.С. Физика. Техника. Производство: Краткий справочник. – М.: Госучпедиздат Минпроса РСФСР, 1962.- 576 с.

7. Меніович С.Н. Короткий політехнічний довідник / За ред. В.Ф.Кілессо. – 2-е вид., переробл., доп. – К.: Рад.школа, 1981. – 239 с., іл.

8. Правильная вода и пути ее получения. Сборник статей под. ред. д.т.н. Митченко Т.Е. – К.: Спринт-Принт., 2012. -98 с.

9. Яковлев С.В., Ласков Ю.М. Канализация. Учебник для техникумов. Изд. 6-е, перераб. И доп. М., Стройиздат, 1978. 224 с., ил.

10. Рatent US284976 – W. E. .PARFITT- LATRINERAND WATERV GLOSET.

11. Рatent US697369A – Isaac Shone, Edwin Ault – Mode of and meansfor ventilating and flushing house-drains or other drains and sewers.

12. Рatent US222885A –  Rogers FieId –  Siphon for Sewage

13. Рatent US373885A – Fbiedbich Cuntz – FLUSH-TANK

14. Рatent US601794A –  Joseph W. Hershberger  – Catch-basin for sewers

15. Рatent US629277  –  W.J. SLACK – CISTERN

16.Рatent US763641A – Isaac Shone, Edwin Ault – Means for flushingdrains and sewers.

17. Рatent US1297280A – Thomas I Weston – Siphon construction.

18. Рatent US818875A – Reverdy Clement De La Hunt – Flushing-tank for sewers.

19. Рatent US343853 A –   Andeew Eosewatee  – FLUSHlNG-TANK

20. Рatent US373885A – Fbiedbich Cuntz – FLUSH-TANK

21. Рatent US848696A – WILLIAM S. SHIELDS –SIPHОN

22. Рatent US871427A – SIDNEY W. MILLER – CONTROLLING DEVICE FOR DEEP-SEAL SIPHONS

23. Рatent US871427-S. W. MILLER. – Controlling device for deep-seal siphons.

24. Рatent US848696 – WILLIAM S. SHIELDS – SIPHON.

25. Рatent US5898375A – Donald J. Patterson  -Siphon alarm and restarting mechanism – perzapusk.

26. Рatent US8740576B2 – Madhav Shrinivas Konnur- Pumping system for pumping liquid from a lower level to anoperatively higher level.

27. Рatent. WO 2009/063501A2 – Madhav Shrinivas Konnur  – A pumping system for pumping liquid from a lower level to an operatively higher level

28. Рatent EP 0871529B1 – John Michael Hart – Liquid filter

29. Рatent US803423B2 – Saad A. Ghalib – Waste water storage and treatment system

30. Рatent JPS62237916A –  SHISHIDO MASAAKI;SAWADA SHIGEKI; HIRUKAWA HIROYASU; KANENIWA HATSUMI – METHOD FOR BACKWASHING FILTER.

31. Рatent US8034238 – Ghalib Saad A -Waste waterstorage and treatment system.

32. Рatent Application DE102009007537A1 – HobasEngineering Gmbh Kanalvorrichtung zur Abtrennung ungelösterSubstanzen.

33. Рatent US6315897B1 –  Kevin Maxwell –  Rainwater run-off filtering system. 

34. Рatent US7001527B2 – R. Russell Stever, BenR. Urbonas, Jonathan E. Jones, Andrew Earles, Edward Scott Sarratt,Eric Richard Schneider, Steven C. Phelps, – Stormwater treatmentapparatus and method.

35. Рatent AU199967492 B2 – Roger D. Aines  –  A  system    higher level

36. Рatent DE69611310T2 – John Michael Hart – Flüssigkeitsfilter

37. Рatent US7001527B2 – R. Russell Stever, Ben R. Urbonas, Jonathan E. Jones, Andrew Earles, Edward Scott Sarratt, Eric Richard Schneider, Steven C. Phelps – Stormwater treatment apparatus and method

38. Рatent US577021A  – William Groszmann – PLUSHING TANK.

39. Рatent US644882A  – Friedrich Wangelin – Flushing apparatus for water-closets.

40. Рatent GB441374(A) – CROSS, R.C.- Improvements in flushing apparatus.

41. Рatent  US1230053 A  – Henry Stoffel –  Flushing-tank.

42. Рatent FR2942818(A1)  –  JUHERE YANNICK [FR]; DAUTAIS JEAN PIERRE [FR] – CUVE A AUGET BASCULANT DESTINEE A DISTRIBUER UN EFFLUENT.

43. Рatent        AU2007283451 (B2)  – ENGLAND SAM ROBERTSON – Tipping bucket cistern. mechanism & method.

44. Рatent  US2199068A  – Egenas Severin L – Flush tank.

45. Рatent  US1670975A  –  Mccleery Martin B – Closet-flushing tank.

46. Рatent  CN1620538(A)  –       ARNOLD HENNESSY [CA]; PHILLIP HENNESSY [CA]; MYRON AMENT [CA] – Dump bucket toilet with controlled discharge and return.

47. Рatent  US 5666674A  – Arnold Hennessy  –  Dump bucket toilet.

48. Рatent  US 5887293A   – Arnold Hennessy  – Simplified dump bucket toilet.

49. Рatent  US6611967B1 – Arnold Hennessy, Philip Hennessy, Myron Ament – Dump bucket toilet with controlled discharge and return.

50. Рatent  US5666674A – Arnold Hennessy – Dump bucket toilet 

51. atent  US5887293А – Arnold Hennessy – Simplified dump bucket toilet

52. Рatent  FR2948818A – Goto Meguro-Ku Eiichi – Resonator circuits

53. Рatent  CN1272511C – MYRON HENNESSY ARNOLD HENNESSY –  Dump bucket toilet with controlled discharge and return

54.Patent  US 843976A – Miya M, Nemoto S, Otsuka M   – Method of and an apparatus for saving water used in toilets

55. Рatent  US8860269 В2 – Hyeung-sik Choi, Han-il Park – Watertight apparatus for an underwater motor 

56. Рatent US6315897В1 – Kevin Maxwell – Rain water run-off filtering system

Проект «Стерильна теплоізоляція водопровідних мереж у харчовій промисловості» –   © Дунець Олена (9 клас), 2016 р. 

Актуальність завдання. Проблема теплоізоляції продуктопроводів, труб водопостачання, паропровідних мереж є надзвичайно актуальною на підприємствах харчової промисловості. В окремих цехах дуже складно облаштувати надійну теплоізоляцію мереж, оскільки практично всі теплоізоляційні матеріали є пористими і мають  здатність вбирати в себе різні хімічні та біологічні матеріали, що не припустимо з міркувань необхідності високої стерильності при виготовленні харчової продукції. Крім цього, жодна пориста теплоізоляція не витримує багаторазового монтажу і демонтажу, тому стандартні утеплювачі доводиться заміняти практично щомісяця, а для забезпечення належного рівня стерильності виробництва зазвичай практикують встановлення поверх труб шарів утеплення у вигляді додаткового щільного кожуха з нержавної сталі.

Також потрібно зауважити, що вузли, деталі, запірна арматура трубопроводів потребують регулярного обслуговування в умовах, коли у приміщеннях на пакетах паропроводів температура стінок досягає 150о С. Приточна вентиляція або кондиціонери можуть навіть погіршити ситуацію, оскільки потік холодного повітря у поєднанні з дією потужного джерела інфрачервоного випромінювання від гарячих труб спричиняють постійні протяги, від яких потерпає персонал цеху. Постійне ж переміщення людей з зони перегрівання у зону  переохолодження може стати  причиною багатьох захворювань.

                          t-iz-2 t-iz-3  Т-із-1

Гіпотеза і теоретичні засади проекту. Якщо замінити пористий утеплювач на повітряний шар повітря без конвективних потоків, то можна буде одержати не гірший за ефективністю тепловий захист трубопроводів, але з надійною стерилізацією труб. В основу ідеї проекту було покладено принцип роботи звичайного склопакета, товщини  повітряного зазору від 6 до 25 міліметрів у якому є достатньо для запобігання формуванню  небажаних турбулентних потоків і тим самим забезпечення   належної  теплоізоляції, навіть при тому, що самі стінки мають  високу власну теплопровідність. 

Хід дослідження. Відповідно було розроблено розбірну конструкцію з окремих простих елементів, що почергово монтуються на трубопровід або вентиль і формують таким чином екрани з повітряним зазором. Такий теплозахист можна встановлювати  на різні види  мереж, легко  демонтувати для контролю і дезінфекції, а потім знову монтувати на потрібне місце. 

У якості матеріалу для виготовлення елементів теплозахисту труб обрано листову нержавну сталь, яка повністю відповідає  вимогам щодо стерильності обладнання. Конструктивно нижній короб дотикається до трубопроводу або вентиля лише у декількох місцях, тому вся теплопередача відбувається за рахунок теплопровідності повітря. Радіаційне ж випромінювання відбивається полірованою поверхнею нержавної сталі.

     Т-із-2 Т-із-3 Т-із-4

Конструктивно нижній короб дотикається до трубопроводу або вентиля лише в декількох місцях, тому практично вся теплопередача відбувається за рахунок слабкої теплопровідності повітря. Радіаційне ж випромінювання відбивається полірованою поверхнею нержавної сталі.

                              t-iz-6 t-iz-8

У штатному режимі періодична перевірка здійснюється відповідно проінструктованими працівниками підприємства, які мають допуск до роботи в стерильній зоні, особливу увагу приділяючи паропроводам з найвищою температурою стінок, що, відповідно, найбільше випромінюють інфрачервоних променів. Заміри показали, що при температурі стінки паропроводу в 160оС, температура циліндричного короба, яким він оточений, не перевищує 35-40оС. 

Т-із-6 Т-із-7 Т-із-8

Висновки. Гіпотезу підтверджено. Як засвідчили вимірювання температури на утепленому системою вкладених конусі екстракторі та на поверхні теплозахисного кожуха фланцевого парового вентиля, а також проведені лабораторні заміри, загальний рівень теплового випромінювання зменшується в 3-4 рази, а рівень конвективного нагріву – у 2-3 рази, що суттєво підвищу рівень комфортності роботи виробничого персоналу. Додатковим ефектом від запропонованої теплоізоляції є зменшення витрат тепла на 3-7%  (за даними конкретного цеху). 

У подальшій роботі над проектом доцільно розробити для запірної арматури, що монтується у мережі за допомогою фланців з  розвиненою боковою поверхнею, систему вкладених коробів з  каліброваним повітряним зазором та мінімально необхідним  контактом між   усіма її металевими деталями. 

Проект «Мультиканальна сушарка біомаси викидами низькопотенційного тепла»  © Котюк Володимир (10 кл.), 2016 р.

На багатьох підприємствах викидають у довкілля величезні кількості водяної пари, енергія якої не використовується через її низький термодинамічний потенціал. В той же час на тих самих підприємствах  є потреба висушувати великі обсяги різних видів біомаси у процесі її виготовлення чи утилізації, що потребує значних затрат теплової енергії. 

Усі наявні сушарки виготовляються з так званим запасом через неможливість їх точного моделювання процесів, що відбуваються в них, відповідно й складності інженерних розрахунків. Тому конструкції є надто громіздкими,  з так званим «запасом».

При використанні для сушіння високопотенційного тепла, наприклад, енергії спалювання самої біомаси, надлишковість установок не надто впливає на економічні показники сушарки. Але ж, коли потрібно використати низькопотенційне тепло промислових викидів, то вищезгаданий «запас» втрачає будь-який сенс, оскільки розміри сушарки збільшуються у десятки разів і сам процес стає економічно нерентабельним.

Для забезпечення можливості сушіння біомаси викидами низькопотенційних теплоносіїв нами була розроблена  мультиканальна сушарка, що являє собою пакет тонкостінних труб, які ззовні обігріваються теплоносієм, а всередині них просувається біомаса.

Оскільки труб у сушарці є багато, то достатня жорсткість конструкції належно забезпечується  навіть тонкостінними трубками, що суттєво зменшить загальну металоємкість і  відповідно ціну  конструкції.

                   sush-3    sush-4

Головною перевагою розробки є те, що  можна взяти лише одну із труб і безпосередньо на території замовника змоделювати у ній процеси сушіння,   взявши, наприклад, потоки в 1% сировини і 1% теплоносія. На основі експериментального визначення параметрів сушіння конкретної біомаси у конкретних умовах легко вираховується необхідна кількість сушильних труб в майбутньому їх пакеті, без перевитрат металу на виготовлення сушарки.

Іншим вагомим аргументом на користь пропонованої конструкції є її розбірність та можливість використовувати у роботі навіть викиди забрудненого пилом теплого повітря, звичайно ж, за умов її регулярного чищення.  

       sush-2  sush-1  sush-5

На Україні  багато фірм намагаються пристосувати існуючі сушарки до своїх потреб,  що завжди призводить до величезних перевитрат енергії і матеріалів і тому часто  закінчується відмовою від самої ідеї сушити біомасу паразитними викидами власного тепла. Тому цей проект практично не має конкурентів попри те, що декілька теоретичних розробок є в Італії та Німеччині, але ці проекти мають  настільки великі ціни, що навіть гіпотетично не можна говорити про рентабельність. 

Проект «Вітроенергетична  установка для викошування рослинності на  водоймах»    © Назарчук Марія (10 кл.), 2016 р.

В Україні багато малих водойм, що могли б мати суттєве економічне значення  як ставки чи ферми по розведенню риби, поступово заростають рослинністю і внаслідок поганого насичення киснем перетворюються у болота. Відтак вода поступово отруюється недоокисленими продуктами життєдіяльності водних організмів і стає некомфортним середовищем для перебування у них цінних порід риб та їх кормової бази.

Причиною такого явища є відсутність вертикальних течій по перенесенню насичених киснем поверхневих шарів води в глибину водойми, а природна дифузія кисню відбувається дуже повільно.Тому було вирішено розробити пристрій для створення циркуляції води у водоймах  без використання зовнішніх джерел енергії, який був би простим і дешевим у виготовленні. 

Додатково було поставлено також завдання, щоби пристрій водночас викошував на поверхні водойми надлишкову рослинність, що створює додаткові перешкоди для водної циркуляції. Таким чином, метою проекту стала розробка автономної вітроенергетичної установки для  захисту малих водойм від гіпоксії.

Робоча гіпотеза будувалася на припущенні, що цілком реально можна створити пристрій, який функціонально складатиметься з двох з’єднаних між собою елементів – турбіни, що приводиться в дію силою вітру, та шнекового приводу, який створюватиме циркуляцію води і водночас викошуватиме надлишкову рослинність на поверхні водойми.

За основу було взято ідею виготовити монолітну турбіну, верхній кінець якої був би вітровим і обертався б під дією вітру, а нижній її кінець вільно плавав би у воді, створюючи вертикальну циркуляцію води при обертанні турбіни.

Спочатку було розроблено і випробувано на одному з озер Львівщини установку з похилим  ротором, але від неї згодом довелося відмовитись, через критичну залежність її орієнтації від швидкості вітру. Тому було вирішено виготовити пристрій на основі високого циліндра, що вертикально плаває у воді. На боковій поверхні циліндра змонтовано плоску спіраль Архімеда (шнек), що одночасно виконує дві функції: забезпечення циркуляції води знизу вгору або згори вниз, в залежності від намотки шнека; викошування боковою гранню рослинності, що проростає в зоні плавання турбіни.

Після теоретичного дослідження, розрахунків і натурного моделювання розроблено практичну конструкцію автономної вітроенергетичної установки для захисту водойм від гіпоксії. Діючу установку, виготовлення якої завершується, невдовзі буде випробувано в одному з рибних господарств Львівщини. Оскільки всі елементи установки виготовляються  з вживаних  матеріалів, то це дещо затягує час її виготовлення, але суттєво зменшує загальну собівартість.

Висновки. Результати натурних експериментів на озерах Львівщини підтвердили ефективність схеми та конструкції. За відсутності рухомих і регульованих елементів установка є максимально надійною і не потребує обслуговування в процесі експлуатації. Вдалою є ідея використати Архімедів шнек відразу для виконання двох функцій: його бокових поверхонь як водяної помпи, а бокової грані – в якості косарки для надлишкової рослинності.Пристрій екологічно безпечний і може бути виготовлений з старих бочок та інших вживаних матеріалів.

Проект «Інструмент для безпечного викошування борщівника»   – © Петрух Марія-Анастасія (9 клас), 2015 р.

Екологічно тривожною в Україні стає проблема заростання полів, берегів річок та озер завезеним з Кавказу борщівником Сосновського, який, не маючи у нас природніх ворогів та виділяючи  вкрай небезпечний для людського здоров’я сік, буквально заполоняє всі необроблювані ділянки землі. Звідки  поширюється він і на культурні посіви. 

Винайдені способи боротьби з ним  до певної міри придатні  для використання   на  полях. Береги ж струмків, річок, озер зазвичай мають складний рельєф, що унеможливлює використання поширених методів і засобів малої механізації.  Робота ж косами, серпами, заступами містить в собі загрозу контакту падаючого стовбура борщовика  з людиною, що  його викошує. А використання гербіцидів на берегах водойм є просто неприйнятним через загрозу потрапляння їх в воду.

        rizak-1 rizak-2 rizak-3 rizak-4  

Завданням проекту була розробка простого знаряддя для легкого та ефективного викошування борщівника Сосновського у важкодоступних місцях, у тому числі й на берегах водойм.  Головною проблемою при викошуванні  бур’яну  є  загроза його контакту з шкірою людини,  що, власне, й стримує належну боротьбу з борщівником. Тому держак інструменту було вирішено зробити значно довшим за стовбур  рослини. 

                  rizak-8      rizak-11 rizak-5  

                        Рис 1. Утворення зони безпеки за рахунок довгої ручки

Необхідність довгого держака потребувала розробки й нестандартного ріжучого елемента, який після серії експериментів  набув форми зворотного клину.  Проте, при скошуванні задерев’янілих стовбурів іноді інструмент ламався в місці кріплення різака до ручки, тому що  бісектриса зворотного клину різака була паралельна осі держака, а сам різак фактично кріпився до нього збоку. Відповідно при зрізанні товстих стовбурів виникав суттєвий згинаючий момент, який міг переламати держак в місці, послабленому отвором для болта. Тому у подальшому різак набув форми відведеного клину, який зберігає потрібну ширину захвату, але в процесі різання самоцентрується так, що  вісь держака спрямована на стовбур бур’яну, і в місці кріплення  різака практично відсутні згинаючі моменти.

           rizak-6    rizak-13       rizak-10

                             Рис 2. Різак в формі зворотного клину                                                                                       Рис 3. Різак в формі відведеного зворотного клину

Різак добре самоцентрується на стовбурах бур’янів навіть з довгим держаком і легко підрізає найвищі стовбури без загрози контакту рослини з людиною, за рахунок  скісних ріжучих елементів, оптимальний кут нахилу яких  було підібрано експериментально. Для забезпечення можливості викошування товстих стовбурів борщівника  та підвищення безпеки у роботі,  держак було обладнано додатковою поперечиною. Перед початком роботи держак просочувався концентрованим миючим засобом, який заповнює  усі мікропори, блокуючи можливість потрапляння через нього на шкіру отруйного соку.

                rizak-7  rizak-9  rizak-15 rizak-12

Було виготовлено декілька варіантів інструменту, що були практично перевірені в польових умовах. Проект виявився вдалим і цілком придатним для  реалізації. Інструмент простий у виготовленні, зручний у роботі, відзначається високими експлуатаційними характеристиками. За допомогою висікача можна легко викошувати будь-які бур’яни в недоступних для звичайного інструменту місцях, особливо на берегах водойм, що виділяються своїм складним рельєфом.

Проект «Промисловий автомат для розколювання горіхів, без пошкодження ядра плодів»   – © Лагоцька Анастасія (10 клас), 2015 р.

Проект «Зміцнення клейових з’єднань тривимірними волокнистими структурами» –  © Лівочка Анастасія (9 кл.), 2014 р.

Клей-1 Актуальність теми. Багатьом клейовим з’єднанням притаманний суттєвий недолік, а саме, у процесі склеювання виникає зона відриву, що досить швидко поширюється по всій поверхні склеювання. При відриванні однієї з поверхонь її послідовно утримує досить вузька смужка клею, а весь інший клей або ще не працює, бо на нього не передається відривне зусилля, або вже не працює, тому що через нього пройшов розрив. 

Тому метою проекту стала розробка волокнистої структури, яка б надійно армувала клейове з’єднання і тим самим суттєво розширювала зону, на яку передається відривне зусилля.

Гіпотеза. Якщо вдасться сформувати достатньо жорстку  волокнисту структуру, яка надійно зберігатиме свою форму під час склеювання, і водночас достатньо еластичну, щоб не заважати процесу взаємного притискання поверхонь склеювання, то можна буде одержати армування, що суттєво розширить зону опору силі відривання, і відповідно значно зміцнить клейове з’єднання.

У процесі роботи над проектом і вивчення поширених методів зміцнення клейових з’єднань було виявлено, що найбільш перспективним є  армування таких з’єднань звичайними волокнами. Однак при використанні лінійних волокон вони, як правило, розташовуються вздовж поверхонь склеювання і при розриванні місця склеювання просто розшаровуються.

Тому було поставлено завдання розробити таку конфігурацію армувальних волокон, при якій вони приклеювалися б своїми фрагментами одночасно до обох поверхонь склеювання і тим самим чинили унеможливлювали розшарування клею.

                          Клей-2     Клей-3

На початку дослідження армувальні структури робилися в вигляді спіралі. Такі спіральні структури добре зарекомендували себе під час натурних випробувань, але сам процес їх вкладання в зону склеювання  виявився досить непередбачуваним. Після серії подальших експериментів було сформовано значно складнішу структуру, у якій: 1) поперечні петлі приклеюються різними кінцями до різних поверхонь, що суттєво розширює зону роботи клею; 2) наявна відносно жорстка сітчаста структура забезпечує надійно вкладання армувальних петель у зону склеювання; 3) додаткова сітчаста структура гарантує потрапляння петель на обидві поверхні склеювання.

Винайдена структура являє собою лінійну сітку, від якої в обидві сторони відгалужуються волокнисті петлі. Якщо сітка відшаровуватиметься разом з однією з поверхонь склеювання, петлі протилежної сторони працюватимуть і збільшують зону роботи клею.

   Клей-3-Б Клей-4 Клей-5

Згодом була розроблена більш досконала структура, яку можна буде легко виготовляти промисловим способом. 

Результати експериментів.  В якості контрольних поверхонь використовувалися смужки штучної шкіри і клеї, якими зазвичай вони склеюються.  Смужки однакової ширини намащувались одним і тим же клеєм і далі стискались за певною обраною технологією. Виявилось, що волокно суттєво сприяє розширенню робочої зони клею. Досліди засвідчили, що армувати клейові з’єднання  спіральними волокнами досить просто, такі  з’єднання є суттєво міцнішими, ніж неармовані.

             Клей-6 Клей-7 Клей-8 Клей-9

Висновки. Армування клейових з’єднань тривимірними волокнистими структурами суттєво збільшує їх міцність при практично тій самій собівартості робіт. Запропонований спосіб має досить широку сферу застосування. Промисловість може налагодити виготовлення таких армувальних структур з подальшою реалізацією споживачам через оптову і роздрібну торгівельну мережу.

Проект «Фізичні аспекти підвищення морозостійкості фасадів за допомогою мікродемферних розчинів»  – Шалай Діана-Марія (8 клас), 2014 р.  

Актуальність теми. Більшість технологій обробки фасадів розрекламованими начебто водонепроникними і водовідштовхувальними  матеріалами часто є непридатними для старої забудови через можливі порушення фактури стін,  наявна вода у яких   спричиняє взимку тріщини і відколювання від фасадів  цілих пластів (фото 1-2).

                                    Діана-1 Діана-2

                                                                             Фото 1-2. Відшарування фасадного покриття з фарбою від стіни будинку 

Повністю гідроізолювати зовнішні стіни будівель неможливо, вода все одно потрапляє на стіни і взимку замерзає, створюючи у фасадному покритті критичні напруження. Мікроскопічні кристали льоду руйнують оздоблювальне покриття, що зазвичай робиться з матеріалів, які мають досить малу міцність на розтяг (піщаники,  вапняно-цементні розчини тощо).

Мета проекту полягала у розробці технології обробки наявних у фасадах мікротріщин, яка запобігатиме створенню значних розривних напружень  при замерзанні води у тріщинах.

Гіпотеза дослідження. Після обробки стінок мікротріщин шарами мікродемферного матеріалу істотно підвищиться стійкість стінок проти розтріскування на морозі, без суттєвого погіршення своїх капілярних властивостей. Для цього необхідно знайти такі розчини для обробки фасадів,  які б не тільки зменшували кількість води у  тріщинах, але й одночасно  створювали своєрідний демпфер для  кристалів льоду, при тому, що оброблені мікротріщини не перекривали  би можливість для виходу води з глибини стіни на поверхню (рис.1).

                                                                                                    Діана-3

                                                                                       Рис.1. Зменшення руйнівного напруження в покритій мікродемпфером тріщині 

Хід дослідження. Оскільки більшість фасадів старої забудови у великих містах  оброблено піщаником, дослідження проводилися саме з цим будівельним матеріалом, вибір якого було обумовлено ще й тому, що при руйнуванні поверхонь з піщаника ремонт таких стін з значно складнішим, ніж  поновлення звичайної штукатурки.

В результаті численних експериментів було виявлено, що найкращі захисні властивості мають розчини, що містять в якості мікродемпфера парафін або олію, а розчинником для нього є бензин, який після нанесення розчину на фасад легко випаровується. Також експериментально встановлено таке співвідношення компонентів захисного розчину, коли частка розчинника складає до 80% від загальної його ваги. Тоді розчин легко проникає у мікротріщини і капіляри, при випаровуванні бензину парафін або олія осідає на їх стінках, залишаючи достатній простір для проходження води.

        Діана-4 Діана-5 Діана-6 Діана-7

                                                             Фото 3-6. Приготування і дослідження  властивостей мікродемпферних захисних розчинів різного складу

Після того, як було визначено оптимальне співвідношення складників захисного розчину, він наносився пензлем на поверхню заздалегідь приготованих плиток з піщанику аж до повного поглинання розчину каменем (фото 7). Експерименти у лабораторії проводилися при кімнатній температурі, щоби максимально відтворити реальні погодні умови для фасадних робіт на об’єктах.

Просочені у такий спосіб плитки піщаника на декілька днів залишалися для природного випаровування розчинника. Потім здійснювалася перевірка каменю на здатність поглинати воду (фото 8-9). Також перевірялась його спроможність приклеюватись до фасадів стандартними будівельними клеями.

     Діана-8 Діана-9 Діана-9а

      Фото 7. Просочування піщаника бензино-парафіновим розчином        Фото 8-9. Контроль якості обробки  плиток, у тому числі  по поперечному сколу каменя

Перевірка фасадних плиток на морозостійкість і міцність. Для випробовування піщаника на морозостійкість просочені плитки піщаника ставились в морозильну камеру. Наступного дня, після виймання плиток з холодильника і досягнення ними кімнатної температури,  цей камінь знову просочували розчином і повторно ставили на заморожування.  Процедурі заморожування/відтаювання піддавалися також контрольні, не просочені розчином зразки піщаника. Через два тижні експериментів непросочений камінь буквально розламувався в руках після відтаювання, просочені ж плитки зберігали свою міцність настільки, що їх не можна було розламати навіть легкими ударами. Звісно, що для більш ґрунтовного оцінювання потрібно здійснити додаткові, максимально наближені до природних умов експерименти,  з урахуванням того, що непросочений піщаник після висихання все ж частково поновлював свої попередні механічні якості.

Просочений олійно-бензиновим розчином піщаник має високу міцність приклеювання, натомість міцність приклеювання піщаника, що був просочений захисним розчином на основі парафін, є дещо меншою, але цей метод також  придатний можна застосовувати на об’єктах, але при використанні бензиново-парафінової суміші камінь треба спочатку монтувати на фасаді, а вже потім просочувати його.

Той факт, що просочений  мікродемпферними розчинами піщаник після випаровування бензину є міцнішим  і за плюсових температур, було помітно навіть при порівнянні зусиль руками на ламання просочених і контрольних плиток.  

Після  розламувалися дослідних зразків у лещатах досліджувалися рівномірність і глибина просочування розчину у місце зламу.  Аналіз показав, що мікродемпферні розчини проникають у піщаник рівномірно і на достатню глибину (фото 10). Запропонована технологія вже була використана (хоча дещо за іншим, оригінальним призначенням!)  при проведенні ремонтних робіт в одній з кав’ярень Львова для просочування поверхонь підвіконників у старій будівлі, де розташоване кафе, як елементу колористичного декору в інтер’єрі (фото 11).

        Діана-9б Діана-9в

           Фото 10. Вигляд сколу піщаника, просоченого мікродемпфером з додаванням барвника     Фото 11. У кафе: декорований олійним мікродемпфером підвіконник з піщанику

Висновки. Ідея мікродемпферного просочування олійно-бензиновими та парафіно-бензиновими захисними розчинами оздоблених піщаником фасадів є належно обґрунтованою, експериментально перевіреною і  достатньо ефективною. Таке покриття пропускає воду в обох напрямках і запобігає відколюванню пластів з фасадів при замерзанні  води в тріщинах позаду водонепроникного покриття фасаду, оскільки вода зможе випаруватися з стіни. Якщо ж і станеться її проміжне замерзання, то кристалики льоду не зможуть створити критичних руйнуючих напружень. Оптимальний за складом мікропротекторний розчин дозволяє недорого та ефективно захистити кам’яні й оштукатурені фасади від розтріскування на морозі. У плані подальшої роботи над темою доцільно розробити чіткішу методику оцінки морозостійкості відповідно до конкретних кліматичних умов застосування технології та ретельнішого визначення пропорції складників протекторного розчині. 

Проект «Конструкція теплозахисного елементу фасадів будівель і технологія його перехресного монтажу»© Котюк Володимир (8 клас), 2013 р. 

Гіпс-1 Актуальність завдання. Для зменшення витрат енергії на опалення будівель усе більшого поширення набуває практика зведення зовнішніх стін з матеріалів, що мають низьку теплопровідність, наприклад, з газобетону. Cкладнішою є ситуація із спорудами, що побудовані десятки років тому,  і фундаменти яких не розраховані на додаткову вагу. Такі будинки утеплюють  мінеральною ватою  або пінопластом.  Однак, мінеральна вата, що не є конструкційним матеріалом, потребує складного і дорогого зовнішнього покриття.  Пінопласт, хоча простіший у монтажі, є досить недовговічним в експлуатації. Тому будівельна індустрія використовує більш щільні і хімічно стійкі його сорти, від чого  вартість цього матеріалу суттєво зростає. Ще складнішою є проблема легкої займистості  пінопласту. Повітря є основним наповнювачем пінопласту, тому, коли пінопластова теплоізоляція загоряється, погасити її вже не реально. Про перекриття доступу повітря як традиційного способу гасіння не може бути мови, повітря є у самому пінопласті. Інший парадокс полягає в тому, що подача реагенту для пожежогасіння практично не можлива, тому що зовнішнє стінове покриття надійно захищає пінопласт  від води чи протипожежної піни. Тому пожежники, як правило, змушені дочекатися, поки не вигорить весь пінопласт.

Мета проекту. Розробка технологічно простого у виготовленні та монтажі, пожежобезпечного зовнішнього покриття стін будівель, теплопровідність і вага якого не поступалися б аналогічним параметрам пінопласту.

Гіпотеза і хід дослідження. Після ознайомлення з літературою та іншими публікаціями про сучасні методи утеплення стін було висловлено припущення, що виготовлені із звичайних будівельних матеріалів П-подібні квадратні тонкостінні елементи з повітряним зазором у 20-25 мм від поверхні стіни, забезпечать теплоізоляцію стін, що за своїми характеристиками не поступатиметься  поширеній практиці утеплення фасадів пінопластом, але з повною пожежною безпекою.

Саме такий повітряний зазор у конструкціях можна вважати оптимальним для теплового захисту, що підтверджують теоретичні розрахунки і досвідом практичного їх використання, наприклад, у склопакетах.

Для виготовлення таких елементів в лабораторних умовах було зроблено розбірну матрицю, у якій відливалися з гіпсу однотипні теплозахисні елементи.

          Гіпс-02  Гіпс-3 Гіпс-4

Для збільшення міцності тонкостінного елемента одна з його поверхонь безпосередньо при відливці покривалася шаром армувального паперу.

Квадратна форма елементів виявилася найбільш придатною для подальшого їх перехресного монтажу на стіни. При такому способі монтажу «ніжка» одного елемента використовується для кріплення сусіднього елемента, при цьому повністю перекриваються можливості для конвективного руху повітря під ними, а багатошаровий перехресний їх монтаж додатково підвищує рівень теплоізоляції стін.

 Розробка оригінальної технології зміцнення кріплення теплозахисних елементів до фасаду і між собою, а також меандроподібного способу накладання синтетичної сітки або іншого монтажного волокна забезпечує належну механічну міцність покриття.

   Гіпс-5 Гіпс-6 Гіпс-7

Висновки. Легка і достатньо міцна конструкція теплозахисного елементу. Спосіб його монтажу на фасади будівель технологічно раціональний.  При руйнуванні такого елементу зовнішньою форс-мажорною силою теплозахисне покриття можна легко і швидко відновити.

Простота форми теплозахисного елемента і можливість виготовлення його методом екструзії дозволяє  реально налагодити масовий випуск такої продукції навіть в умовах майстерні.

Для забезпечення легкості і підвищення міцності теплозахисного покриття доцільно розробити технологію армування стінок його конструктивних елементів мікроволокнами по усьому перерізу.