3 Technika w domu

Warunki klimatyczne w pomieszczeniach Obróbka produktów spożywczych

Czyszczenie

Elektryczność w domu

„Myślący" budynek

88 Warunki klimatyczne w pomieszczeniach

W jaki sposób maszyny pozwalają nam kontrolować środowisko

Liczne urządzenia, które pozwalają nam regulować warunki, w jakich żyjemy, zwykle t

uważa się za oczywistość. Najczęściej zwracamy uwagę na system ogrzewania lub

agregat klimatyzacyjny dopiero wtedy, gdy urządzenia te psują się. Jednakże

urządzenia, które czynią życie łatwiejsze w klimacie umiarkowanym, pozwoliły także

ludziom skolonizować prawie wszystkie obszary na kuli ziemskiej, od podbiegunowych

pól lodowych po najgorętsze pustynie. Komfort naszego życia lub jego brak zależy nie

tylko od temperatury, ale przede wszystkim od kombinacji temperatury, wilgotności

i właściwości powietrza, a wszystkie te elementy mogą być we współczesnym domu

precyzyjnie regulowane.

Chociaż część mieszkań nadal ogrzewa się za pomocą indywidualnych ogrzewaczy elektrycznych lub gazo­wych, obecnie częściej stosuje się system ogrzewania, w którym ciepło dociera do mieszkań z jednego źró­dła. Może być ono wytwarzane w piecu, a następnie rozprowadzanego całym budynku przez ruch ciepłe­go powietrza. Źródło ciepła może stanowić także ko­cioł, w którym podgrzewa się wodę, przepompo­wywaną następnie w obiegu zamkniętym, składają­cym się z rur i promienników (grzejników). Faktycz­nie rzecz biorąc, popularna nazwa „grzejnik" lepiej oddaje istotę urządzenia, nazwa zaś „promiennik" nie jest zbyt trafna, gdyż tylko około 20% ciepła oddawa­ne jest w postaci promieniowania; reszta przekazywa­na jest przez prądy konwekcyjne. Większość grzejni­ków została wykonana z wytłaczanej stali, która w normalnych warunkach ulegałaby korozji pod wpływem kontaktu z wodą i tlenem. Przyczyna tego, że grzejniki w rzeczywistości nie rdzewieją, leży w tym, że przepływająca przez nie woda stanowi część zamkniętego obiegu. Tlen znajdujący się w wo­dzie jest zużywany przy niewielkiej korozji pojawiają­cej się na początku, potem zaś nie jest uzupełniany.

Bezpieczeństwo i kontrola

W niektórych kotłach wodę podgrzewa się za pomocą grzałki elektrycznej, ale częściej źródłem ciepła jest spa­lanie gazu lub oleju. W takich przypadkach, aby w kotle następowało spalanie, powinno być do niego doprowa­dzane powietrze, natomiast gazy spalinowe muszą być bezpiecznie odprowadzane na zewnątrz budynku. Osią­ga się to dzięki zastosowaniu równoprawnego, czyli szczelnego kanału spalinowego. Kocioł jest umieszczany przy zewnętrznej ścianie budynku. Powietrze, konieczne do spalania, jest pobierane z zewnątrz, a gazy spalinowe (zawierające dwutlenek węgla oraz trujący tlenek węgla) usuwane są na zewnątrz. W konsekwencji powietrze i gazy z kotła zawsze są oddzielone od powietrza w po­mieszczeniu.

Domowy system grzewczy jest regulowany we­wnętrznym termostatem. Termostat zawiera pasek bime-taliczny (zwykle skręcony w spiralę), wykonany ze zło­żonych razem elementów z dwóch różnych metali. Przy zmianach temperatury metale te rozszerzają się lub kur­czą, w różnym stopniu, w wyniku czego pasek wygina się w jedną lub w drugą stronę. Powoduje to albo zamy­kanie, albo przerywanie obwodu odpowiedzialnego za wpompowanie paliwa do ogrzewania kotła i zapalenie go. Jednak pojedynczy termostat nie jest zbyt skuteczny, jeśli chodzi o utrzymywanie stałej temperatury jakiegoś pomieszczenia. Włącza on kocioł tylko wtedy, gdy tem­peratura spadnie poniżej pewnej wartości progowej. Za­nim paliwo ogrzewające kocioł zapali się i zacznie ogrzewać dom, spadek temperatury w budynku może być o kilka stopni większy. To opóźnienie eliminowane jest przez zastosowanie drugiego, zewnętrznego termo­statu, który rejestruje gwałtowne zmiany temperatury zewnętrznej i w ten sposób „przewiduje" spadki tempe­ratury we wnętrzu.

System wodny

Współczesne systemy grzewcze są tak skonstruowane, aby były oszczędne w zużyciu paliwa, aby łatwo można było je regulować i aby ogrzewały powietrze oraz dostarczały ciepłej wody. System wodny [A], w którym wodę wykorzystuje się do rozprowadzania ciepła, jest najpowszechniejszym rodzajem systemu grzewczego w krajach europejskich. Wodę podgrzewa się w kotle opalanym gazem [1]. Pompa [10] tłoczy wodę rurami [8] wewnątrz obiegu przez grzejniki będące elementami tego układu. Grzejniki te mają pofałdowaną powierzchnię, żeby zwiększyć powierzchnię oddawania ciepła. Rura z gorącą wodą także ma kształt wężownicy, przechodząc przez wymiennik ciepła [5], w którym oddaje ciepło wodzie tam zgromadzonej. Tak podgrzana woda jest doprowadzana do mieszkań przez krany, prysznice itp. Zbiornik wymiennika ciepła jest w miarę potrzeby uzupełniany wodą z drugiego dużego zbiornika, umieszczonego na strychu budynku [7], do którego z kolei doprowadzana jest woda Z wodociągu [6]. Gdy woda podgrzewana jest w kotle, jej objętos'ć nieco się zwiększa: nadmiar wody odprowadzany zostaje do małego zbiornika wyrównawczego [9], co chroni układ rur przed rozsadzeniem przez nadmierne ciśnienie wody. W krajach o gorącym klimacie coraz częściej do ogrzewania wody w mieszkaniach wykorzystuje się energię słoneczną [3]. Pompa [4] tłoczy wodę przez rury, które są wmontowane w panel słoneczny [2], czyli płytę nagrzewaną słońcem. Panel ten pomalowany jest na czarno i pokryty szkłem, tak aby maksymalnie zwiększyć ilość pochłanianego ciepła. Podgrzana woda przepływa przez wymiennik ciepła [5].

Kocioł gazowy

Współczesne kotły gazowe [B] mają konstrukcję kondensatora pary dużej wydajności. Ilość pobieranego gazu [11] reguluje się za pomocą elektronicznego regulatora przepływu [12]. Powietrze jest zasysane z zewnątrz za pomocą wentylatora odśrodkowego [13]. Powietrze i gaz są mieszane w proporcjach

19

optymalnych do spalania w zespole palników skierowanych w dół [14]; następnie mieszanka ta ulega zapłonowi. Rury doprowadzające wodę są ogrzewane płomieniem gazowym [15] i w ten sposób gorąca woda opuszcza kocioł [20]. Przed ogrzewaniem za pomocą płomienia gazowego zimna woda, doprowadzana do kotła [17], jest nieco

podgrzewana w żebrowym wymienniku ciepła [16], który odbiera tak dużo ciepła od gazów spalinowych, jak to tylko możliwe. Woda powstają w procesie spalania skrapla się na płytach wymiennika ciepła i musi być stale odprowadzana z kotła [18]. Spaliny odprowadzane są z kotła przez kanał spalinowy [19].

Zobacz także: Obróbka produktów spożywczych 90 „Myślący" budynek 96 Ropa naftowa: wydobycie 104 Prawa przyrody 224 234 244 246

Warunki klimatyczne w pomieszczeniach 8 9

\jne mcę Schłodzone powietrze [10] powraca do pomieszczenia [11] icm Ogrzany czynnik chłodzący anym paruje i jest przetłaczany do dowka kompresom [12] gdzie ącv następuje jego sprężanie

Gorący gaz pod ciśnieniem Ołwicę na zostaje wprowadzony do t drugiej węzownicy na ścianie r\lator zewnętrznej Drugi wentylator pomie [14] zasysa chłodne powietrze t \\ietr~e z zewnątrz [13] i przepuszcza je •> n ę ów przez węzownicę aby powietrze

to odebrało od niej ciepło [15] W wyniku tego procesu czynnik chłodzący jest schładzany do temperatury niższej mzjego punkt wrzenia i skraplany Następnie jest przepuszczany przez zawór redukcyjny [16] gdzie jego ciśnienie zostaje gwałtownie zmniejszone w wyniku czego temperatura czynnika chłodzącego spada i cykl chłodzenia może rozpocząć się na nowo

Płomień domowego ogniska

W większości domów w Stanach Zjednoczonych [C] ciepło do ogrzewania domu i ciepłą wodę uzyskuje się dzięki działaniu pieca Powietrze [1] i paliwo [2] konieczne do spalania są dostarczane do pieca z zewnątrz Paliwem może być olej lub gaz - tutaj jest pokazany piec olejowy Olej jest wpompowywany do pieca przez wąską dyszę i zapalany elektrycznie Gazy spalinowe wydostają się na zewnątrz przez kanał spalinowy [3] Wentylator umieszczony u podstawy pieca zasysa zimne powietrze z wnętrza domu szerokim metalowym kanałem [4] Powietrze to przepływa wokół ścian pieca odbierając od nich ciepło [5] Ogrzane powietrze jest rozprowadzane po domu za pośrednictwem systemu kanałów [6] Zimna woda [1] przepompowywana jest przez płaszcz otaczający piec i w ten sposób ogrzewa się [8] Tracenie ciepła przez dom ograniczać można przez ocieplanie powierzchni strychu włóknem szklanym oraz przez wypełnianie włóknem szklanym pustych przestrzeni wewnątrz ścian Dzięki podwójnie szklonym oknom [D] z pustą przestrzenią pomiędzy szybami a także pokryciu szyb tlenkiem cyny - które ogranicza ilość oddawanego promieniowania podczerwonego (ciepła) można zmniejszyć straty ciepła nawet o połowę Do najbardziej radykalnego ograniczenia kosztów ogrzewania prowadzi po prostu przykręcenie termostatu Obniżenie ustawienia temperatury na termostacie tylko o l stopień szacunkowo zmniejsza koszty mniej więcej o 7%

Regulowanie właściwości powietrza

W rejonach o gorącym, wilgotnym klimacie po-\wietrze jest chłodzone lub klimatyzowane Ochła­dzanie także zmniejsza wilgotność do przyjaznej człowiekowi wilgotności względnej, mieszczącej się w^przedziale między 45% a 55% I odwrotnie, w regionach o klimacie suchym poprawienie wa­runków ^lunatycznych w pomieszczeniu wymaga zwiększenia wilgotności powietrza Służy do tego nawilżacz powietrza, w którym powietrze jest tło­czone wokół poruszającego się pasa wilgotnej tka­niny lub w którym gotuje się woda i para wodna zostaje wprowadzona w strumień powietrza prze­pływającego

W filtrze elektrostatycznym wentylator zasysa po­wietrze i przepuszcza je przez dodatnio naładowaną siatkę, która jonizuje cząsteczki, zabierając niektóre spośród ich elektronów Druga siatka, tym razem naładowana ujemnie, przyciąga i gromadzi zjomzo-wane cząsteczki Tak oczyszczone powietrze dostaje się do pomieszczenia

90

Obróbka produktów spożywczych

W jaki sposób osiągnięcia nauki mogą być wykorzystane w przygotowaniu pożywienia

Przechowywanie i przygotowywanie pożywienia jest chyba najstarszą ze wszystkich technologii. Gotowanie, suszenie, zamrażanie i fermentacja sięgają swą historią czasów prehistorycznych, ale największy rozwój technologii żywności nastąpił podczas rewolucji przemysłowej, aby zaspokoić potrzeby rosnącej liczby mieszkańców miast, odciętych od bezpośredniego kontaktu z obszarami produkującymi żywność. Dziś w zasadzie wszystkie produkty żywnościowe, znajdujące się na półkach sklepów, zostały poddane jakiejś obróbce, tak aby nie psuły się, miały lepszą jakość, smak i konsystencję, a także aby miały większą wartość odżywczą.

tkrofale

Psucie się jedzenia powodowane jest zasadniczo przez dwa procesy biologiczne. Gdy tylko roślina uprawna zostanie zebrana z pola lub gdy zwierzę zostanie zabite, enzymy w ich komórkach rozpoczynają proces samo-rozpuszczenia, czyli autolizy, który rozkłada strukturę komórek od wewnątrz. W niektórych wypadkach (takich jak kruszenie dziczyzny) pewne niewielkie zmiękniecie jest pożądane, ale w większości wypadków rezultatem jest pogorszenie jakości produktu spożywczego. Psucie się żywności powodują także drobnoustroje - bakterie i grzyby - które rozkładają złożone cząsteczki organicz­ne komórek na prostsze składniki, nadające się do wchło­nięcia i stanowiące pokarm konieczny do ich wzrostu i rozmnażania. Część spośród tych organizmów, a w szczególności bakterie z grup Clostridium, Campy-lobacter, Salmonella, Listeria i Staphylococcus, wytwa­rza toksyczne produkty uboczne, wywołujące większość zatruć pokarmowych. Konserwowanie żywności ma na celu zahamowanie aktywności drobnoustrojów i enzy­mów wewnątrzkomórkowych przez poddanie działaniu ciepła, zimna, przez suszenie lub działanie dodatków chemicznych.

drugim Cząsteczki te, poddane działaniu mikrofal, odwracają się miliardy razy na sekundą, aby ustawie się zgodnie Z oscylującym polem elektrycznym To właśnie ten ruch wytwarza ciepło, które gotuje potrawę.

wchodzące powietrze zimne

wychodzące powietrze ciepłe

antena magnetwn

anoda

łopatki

Gotowanie od środka

Kuchenka mikrofalowa [A] gotuje bardzo szybko dzięki wykorzystaniu fal elektromagnetycznych wysokiej częstotliwości (mikrofal), które wzbudzają cząsteczki wody w produkcie żywnościowym Zainstalowane w kuchence transformatory zapewniają zasilanie wysokim napięciem magnetronu (typ lampy elektronopromieniowej, która może generować mikrofale) [B] Zwinięty centralny żarnik magnetronu (katoda) emituje elektrony Pola magnetyczne i elektryczne wewnątrz magnetronu sprawiają, iż uwolnione elektrony skupiają się w pakiety i poruszają szybko po okręgu, mijając serię metalowych anod Gdy pakiet elektronów zbliża się do elektrody, indukuje w mej ładunek przeciwny (dodatni), ładunek ujemny zaś wytwarzany jest na płytkach sąsiadujących Ponieważ pakiet elektronów porusza się bardzo szybko, ładunek na każdej elektrodzie zmienia się z dodatniego na ujemny miliardy razy na sekundę Krotka antena przyłączona do jednej z elektrod przekształca oscylację elektronów w mikrofale o częstotliwości 2450 MHz Fale te są doprowadzane za pomocą metalowego przewodu do układu obracających się

metalowych łopatek, które równo rozprowadzają promieniowanie po całym produkcie żywnościowym Następnie mikrofale (można je potraktować jak oscylujące poi magnetyczne) dostają się w głąb produktu Zawarte w nim cząsteczki wody [C] mają ładunek dodatni na jednym końcu, ujemny zaś na

ładunek dodatni ładunek ujemny

wentylator chłodzący

— transformc

Obróbka produktów spożywczych 91

~ana para L lśnieniem

528

l 3

zarka [D] jest

BUt

»i»wnwŁ ab\ mogło ono ftpr^tą cieplną mrsca M drugie

- ciecz mającą H rżenia (około samemu

Do niedawna

były

r pochodne metanu t odbyto, ze - jaw <me proces - *u H górnej

JDTH ftei^. dlatego

Zttttfja te rozpadają iuttądo warstwy

amygpanocą

sprężarki [1] przez rurkę, która otacza pętlą zamrazalmk [2] i biegnie w dół z tyłu lodówki Na początku obiegu czynnik chłodzący jest parą o niskim ciśnieniu Para ta dostaje się do sprężarki, skąd wychodzi jako ogrzana para pod ciśnieniem, a następnie przetłaczana jest węzownicą chłodzącą z tyłu urządzenia [3] Tu para oddaje ciepło otoczeniu i skrapla się w ciecz Ciecz (pod wysokim ciśnieniem) przechodzi następnie przez zawór redukcyjny [4] Pod zmniejszonym ciśnieniem ciecz zamienia się w parę, a jej temperatura spada Zimna para pochłania ciepło Z zamrazalmka, schładzając go do temperatury -20°C Cieplejsza para z powrotem przepływa do sprężarki i cały

cykl zaczyna się od początku Prądy konwekcyjne powodują opadanie zimnego powietrza w dół lodówki, która chłodzona jest do temperatury około +3 °C Temperatura w lodówce jest regulowana za pomocą termostatu, składającego się ze szczelnie zamkniętej, wypełnionej powietrzem rurki dochodzącej do zamrazalmka [5] Gdy powietrze w rurce (i zamrazalniku) ogrzewa się, zwiększa swoją objętość, wypychając na zewnątrz układ mieszków [6] Rozszerzające się mieszki zamykają obwód elektryczny [7], który uruchamia sprężarkę Obudowę lodówki wykonano z pianki poliuretanowej [8] spełnia ona rolę izolatora, a także daje lodówce wytrzymałość mechaniczną

Podgrzewanie

W wysokich temperaturach enzymy wewnątrzkomór­kowe, występujące w produktach żywnościowych, są dezaktywowane, a większość drobnoustrojów ginie. Go­towanie może więc być uważane za rodzaj krótkotrwałej konserwacji. Jeśli produkt jest przeznaczony do długo­trwałego przechowywania, po obróbce termicznej zosta­je zamknięty w hermetycznej puszce metalowej (pokry­tej cyną zabezpieczającą przed korozją), która chroni produkt przed ponownym dostaniem się do mego drob­noustrojów. W fabrykach konserw po automatycznym napełnieniu puszki sterylizuje się parą pod ciśnieniem i w temperaturze około 120°C; rezultatem ogrzewania jest także zwiększenie objętości produktu i usuniecie po­wietrza z puszki, dzięki czemu zapobiega się psuciu wy­wołanemu utlenianiem. Następnie puszka jest szczelnie zamykana i pozostawiana do ostygnięcia.

W przypadku niektórych produktów żywnościowych zastosowanie niższych temperatur w zupełności wystar­cza do zmniejszenia liczby drobnoustrojów i zapewnie­nia dłuższej przydatności do spożycia. Na przykład mle­ko jest zwykle pasteryzowane przez podniesienie jego temperatury do przynajmniej 71,7°C na czas nie krótszy niż 15 s, a następnie gwałtowne schłodzenie do tempera­tury poniżej 10°C.

Mrożenie i suszenie

Chłodzenie i zamrażanie są chyba najpopularniejszymi metodami przechowywania żywności, pozwalają bo­wiem zachować smak, jakość i wartość odżywczą pro­duktu świeżego. Schłodzenie żywności do temperatury pomiędzy O a 4°C opóźnia działanie enzymów we­wnątrzkomórkowych i spowalnia rozmnażanie się drob­noustrojów. Efekty te występują w większym stopniu, jeśli produkty żywnościowe są zamrażane (do tempera­tury pomiędzy -18 a -34°C), częściowo z tego względu, że woda zamienia się w lód i staje się dla drobnoustrojów nieosiągalna. Mrożenie także zabija niektóre pasożyty.

Produkty żywnościowe są w większości szybko mrożone - schładzane do temperatury w przedziale O a -4°C w czasie krótszym niż 30 min. Dzięki temu wewnątrz produktu tworzą się tylko niewielkie krysz­tałki lodu, które są zbyt małe, aby mogły mieć nega­tywny wpływ na konsystencję czy wygląd produktu. Produkty żywnościowe o zawartości wody mniejszej niż 15% są zbyt suche, aby mógł w nich nastąpić rozwój pleśni lub bakterii, a więc odwadnianie produ­ktu jest skutecznym środkiem pozwalającym przedłu­żyć jego trwałość. Suszenie na słońcu, solenie i wędze­nie są sposobami odwadniania, które stosowano od wieków. Bardziej współczesną techniką konserwacji, stosowaną w odniesieniu do owoców, warzyw i kawy, jest liofilizacja. W technice tej produkt żywnościowy jest zamrażany i umieszczany w komorze próżniowej. Gdy się go następnie podgrzewa pod zmniejszonym w ten sposób ciśnieniem, lód sublimuje - zmienia się bezpośrednio w parę, pozostawiając w rezultacie su­chy, porowaty produkt o prawie nie zmienionym kształcie. Produkt ten może następnie zostać gwałtow­nie uwodniony w zimnej wodzie.

Innym zaawansowanym sposobem przedłużania trwałości produktów żywnościowych jest poddanie ich działaniu promieni gamma lub szybkich elektro­nów. Promieniowanie powoduje daleko posuniętą jonizację, która zabija większość drobnoustrojów. Ponieważ jednak promieniowanie ma ograniczoną zdolność penetracji, metoda ta najlepiej nadaje się do sterylizowania produktów takich jak ziarna czy przyprawy.

IŁ I«to 50 Warunki klimatyczne w pomieszczeniach 88 Elektryczność w domu 94 Biotechnologia 196 Warzenie piwa 198 Prawa przyrody 224 230 234 262

92 Czyszczenie

Jak proste urządzenia czynią nasze życie łatwiejszym i bezpieczniejszym

Nie wszystkie wynalazki techniki są olśniewające czy ekscytujące.

Istnieją urządzenia, które odegrały równie istotną rolę w przekształcaniu naszego

życia, jak samochód, a mimo to są często niedoceniane czy nawet zupełnie

ignorowane.

Pralka to zasadniczo bardzo proste urządzenie, a jednak uwolniło ono miliony

ludzi od wielogodzinnej harówki każdego tygodnia. Choć pralka i odkurzacz są

dobrze znanymi sprzętami, to ciągle pojawiają się nowe rozwiązania

konstrukcyjne, dzięki którym możliwe jest coraz lepsze i skuteczniejsze

wykorzystywanie wody i energii.

Woda sama w sobie nie usuwa zbyt łatwo brudu i tłu­szczu z odzieży. Naukowym sposobem opisania tego faktu jest stwierdzenie, że woda - co zadziwiające -nie jest dobrym środkiem zwilżającym. Ma wysokie napięcie powierzchniowe, co sprawia, iż w zetknięciu z tłuszczem zbiera się w krople. Środek piorący obniża to napięcie powierzchniowe i umożliwia wodzie wni­kanie w tkaninę.

Do połowy XX wieku głównym środkiem piorącym było mydło. Mydło wykonywane jest z tłuszczów na­turalnych i substancji alkalicznej - początkowo był nią popiół z niektórych drzew i roślin, obecnie zaś jest to soda, produkowana przemysłowo z sok kuchennej. Mydła nie pienią się w wodzie o odczynie kwaśnym, a więc muszą zawierać pewną ilość substancji alkalicz­nej. Co istotniejsze, mydła nie działają zbyt skutecznie w twardej wodzie, w której tworzą nierozpuszczalną pianę, pozostawiającą otoczkę na wannie i biały osad na naczyniach szklanych. Należy przy tym dodać, że naturalne oleje i inne tłuszcze, niezbędne do produkcji mydła, nie zawsze można uzyskać w sposób łatwy i tani.

Współczesne detergenty składają się z organicz­nych makrocząsteczek łańcuchowych, uzyskiwanych z ropy naftowej. Na jednym końcu każdej cząsteczki detergentu znajduje się jonowa „głowa", którą przy­ciąga woda. Z drugiej strony główna (organiczna) część cząsteczki jest przyciągana przez substancje, takie jak tłuszcze, które nie rozpuszczają się w wo­dzie. Cząsteczki detergentu wykonują swoje zadanie w ten sposób, że otaczają cząsteczkę tłuszczu otocz­ką, która jest przyciągana przez wodę. Brud może być usunięty z tkaniny, przekształcając się w zawie­sinę pływającą w wodzie.

elektromagnes

woda wpływająca

wpływająca u oda wpływająca HO do kanalią

obudowa

sprężyna programator

szuflada

na środek

piorący

przewody sterowania

Siła piorąca

Mózgiem pralki [A] jest programator Urządzenie to otwiera zawory elektromagnetyczne [1], przepuszczające gorącą i zimną wodę przez szufladę ze środkiem piorącym Stąd woda tryska na brudne ubrania, znajdujące się w bębnie z nierdzewnej stali, który z kolei jest otoczony wodoszczelną obudową Programator jest także połączony z silnikiem, który najpierw obraca bębnem powoli W trakcie obracania mieszadła poruszają ubraniami, tak aby całe nasiąkły wodą Cząsteczki detergentu mają dwa różniące się od siebie końce [2] Jeden z nich oddaje jon sodowy i wiąże się z wodą, drugi łączy się z substancjami, które normalnie nie

rozpuszczają się w wodzie -Z brudem Cząsteczkę brudu przylegającą do włókien tkaniny [3] stopniowo otaczają cząsteczki detergentu, aż wreszcie zostaje całkowicie oderwana od tkaniny [4] Po pewnym czasie programator otwiera kolejny zawór i wypompowuje brudną wodę, przepuszczając ją przez filtr Następnie można powtórzyć cały cykl prania lub do bębna wpuścić czystą wodę, która wypłucze ubrania Kiedy środek piorący zostanie w całości usunięty z bębna, prędkość obrotów silnika wzrasta, w wyniku czego woda zostaje odwirowana z pranych ubrań Układ sprężyn i amortyzatorów tłumi gwałtowne wstrząsy pralki, wywoływane odwirowywaniem

Zobacz także Elektryczność w domu 94 Elektrownie 106 Utylizacja odpadów 130 Prawa przyrody 218 222 240

Czyszczenie 9 3

cząsteczki kurzu

Wszystko wiruje

W odkurzaczu nowej konstrukcji [B] do usuwania kurzu i pyłków Z powietrza wykorzystuje się siłę odśrodkową, a nie papierowy filtr. Z przodu obracające się szczotki trzepią dywan tak, iż umożliwiają zassanie cząsteczek kurzu przez potężny wentylator odkurzacza. Kształt wewnętrz­nych komór odkurzacza sprawia, że przepływający przez nie pełen kurzu strumień powietrza zostaje wepchnięty do zwężającego się leja zwanego cyklonem. W zewnętrznym cyklonie powie­trze wiruje ruchem spiralnym w dół z prękością 300 km/h, czyli wystarczająco szybko, aby duże cząsteczki kurzu zostały wyrzuco­ne na zewnątrz do osadnika [1]. Następnie strumień powietrza przechodzi do drugiego, zdecydowanie węższego cyklonu, w którym wiruje z prędkością prawie 1000 km/Ii, a więc tak szybko, że nawet najdrobniejsze cząsteczki kurzu są wyrzucane na zewnątrz i osiadają w osadniku [2]. Ta sama zasada jest także wykorzystywana w części pojaz­dów napędzanych silnikami wysokoprężnymi, które czasami emitują groźne dla zdrowia drob­ne cząsteczki sadzy. Mechanizm cyklonowy w układzie wydechowym tak zawirowuje gazy wydalane z samochodu, że cząsteczki sadzy są wyrzucane ze strumienia gazów.

3P w°da

\^_) jon węglanowy

W jon sodowy

jon wapniowy (^ jon chlorkowy

ET miękka woda •PL roztwór soli

Ukryte dodatki

Powszechnie dostępne środki czyszczące zawierają nie tylko detergenty, ale także różne inne substancje chemiczne, zmieszane w odpowiednich proporcjach. Proszki i płyny do prania ubrań zawierają wybiela­cze - związki, które pochłaniają niewidzialne światło ultrafioletowe i ponownie emitują je jako widzialne światło niebieskie. Dzięki temu usuwa się zażółcenia, które mogą pojawić się na starych ubraniach. Kolory po takim praniu stają się żywsze i jaskrawsze. Tak zwane enzymatyczne proszki i płyny do prania zawie­rają także enzymy, naturalne katalizatory, umożliwia­jące rozkładanie protein zaschniętej krwi i potu przy zdecydowanie niższych temperaturach, co pozwala na zaoszczędzenie energii.

Zadaniem pralki jest stworzenie właściwych wa­runków do działania detergentów. Musi ona zmieszać detergenty z wodą we właściwej temperaturze, a także tak poruszać brudnymi ubraniami zanurzonymi w tym roztworze, aby cząsteczki brudu mogły łatwo zostać usunięte z tkaniny. Następnie pralka musi doprowa­dzić do całkowitego wypłukania pranych ubrań, a tak­że do odwirowania większości zbędnej wody. Niektó­re maszyny, tak zwane pralko-suszarki, idą jeszcze o krok dalej i suszą ubrania w bębnie za pomocą gorą­cego powietrza.

Niektóre tkaniny mogą ulec zniszczeniu przy mocze­niu ich w wodzie i dlatego muszą być czyszczone na sucho. W tym przypadku wyrażenie „na sucho" jest my­lące, gdyż przy takim czyszczeniu ubrania także się mo­czy, ale w ciekłym rozpuszczalniku organicznym (naj­częściej jest to trójchloroetylen), nie zaś w wodzie. Taki rozpuszczalnik jest w stanie rozpuścić tłuste zabrudzenia organiczne, które nagromadziły się na odzieży.

Uczciwa wymiana

Niekiedy woda z kranu zawiera sole wapnia i magnezu. Sole te powodują twardość wody, co prowadzi do osadzania się kamienia wewnątrz rur ciepłej wody, a także zmniejsza skuteczność działania mydeł. Powstają one wówczas, kiedy woda bogata w dwutlenek

węgla przepływa przez kamień wapienny (węglan wapniowy), rozpuszczając przy tym częściowo skałę. Podczas podgrzewania woda oddaje dwutlenek węgla, a węglan wapniowy wytrąca się w postaci niepożądanego wapiennego kamienia kotłowego. Problemu tego można uniknąć, przepuszczając twardą wodę przez wymiennik jonowy [C]. Wymiennik ten zawiera granulki pokryte Żywicą, w której występują wolne jony sodowe. Sód jest metalem bardziej reaktywnym niż wapń i dlatego jony sodowe i jony wapniowe zamieniają się miejscami [1]. Powstające sole sodowe rozpuszczają się w wodzie o wysokiej temperaturze, a więc nie wytrącają się przy jej podgrzewaniu. Dodatkowo, sole sodowe (w niewielkich stężeniach) nie mają negatywnego wpływu na działanie mydeł i detergentów, a więc przy myciu czy praniu nie powstaje na wodzie brudna piana. Gdy jony sodowe w żywicy zostaną całkowicie wykorzystane, uzupełnia sieje przelewając przez wymiennik silny roztwór soli (chlorku sodowego) przez co odwraca się kierunek wymiany jonów sodu i wapnia.

94

Elektryczność w domu

W jaki sposób można bezpiecznie ujarzmić energię elektryczną

Elektryczność może być niebezpieczną formą energii. Chociaż napięcie w domowym kontakcie jest wielokrotnie niższe od napięcia w krajowej sieci energetycznej, prąd w mieszkaniach może także stać się przyczyną poważnego porażenia elektrycznego lub pożaru. Bezpieczniki i wyłączniki automatyczne chronią użytkowników przed niektórymi niebezpieczeństwami, przewód uziemiający zaś zapobiega porażeniom spowodowanym przez urządzenia w metalowych obudowach, które znalazły się pod napięciem. Inne urządzenia, takie jak wiertarki elektryczne, są podwójnie izolowane -zamknięte w dwóch warstwach plastikowej obudowy, która zabezpiecza użytkownika przed zetknięciem się z prądem o wysokim napięciu, napędzającym silniki tych urządzeń.

Domowa instalacja elektryczna składa się z trzech prze­wodów - przewodu po d napięciem (fazowego) i przewo­du zerowego - którymi płynie prąd, oraz przewodu uzie­miającego, który pełni rolę zabezpieczenia. Przewód go­rący znajduje się pod napięciem zmieniającym wartość z dodatniej na ujemną 50 (w Europie) lub 60 (w Ameryce) razy na sekundę. Średnia wartość tego napięcia (podawa­na na większości urządzeń elektrycznych) wynosi 230 albo 110 V, w zależności od kraju (w Polsce 220 V). Kie­dy urządzenie zostanie włączone, prąd płynie w obu kie­runkach w układzie zaczynającym się w przewodzie fazo­wym, poprzez urządzenie, do przewodu zerowego, na którym utrzymywane jest napięcie zerowe.

Prawie każdy przewodnik prądu elektrycznego -łącznie z przewodami sieci elektrycznej - ma pewną oporność w przewodzeniu prądu elektrycznego, prze­jawiającą się nagrzewaniem przewodu podczas prze­pływu prądu. Im większe natężenie prądu, tym większa ilość wytwarzanego ciepła, a więc zbyt duże natężenie prądu może spowodować przegrzanie się kabla i zapa­lenie się jego plastikowej obudowy. Przewody domo­wej instalacji elektrycznej są zabezpieczone przed tym za pomocą urządzeń, które ograniczają natężenie prądu płynącego w przewodzie. Najprostsze takie urządzenie to bezpiecznik topikowy, który jest po prostu odcin­kiem cienkiego drutu. Jeśli obwód, za który odpowiada dany bezpiecznik, pobiera prąd o natężeniu większym od jego wartości dopuszczalnej, drucik w bezpieczniku gwałtownie się przegrzewa i topi, przerywając obwód i odcinając dopływ prądu.

Bezpiecznik automatyczny różni się od bezpieczni­ka topikowego. Urządzenie to działa jak włącznik, któ­ry automatycznie się wyłącza, gdy tylko zostanie zare­jestrowane przeciążenie. Z chwilą usunięcia jego przy­czyny można przywrócić przepływ prądu, wciskając przycisk na bezpieczniku. W jednej z odmian tego urządzenia wykorzystuje się zjawisko wytwarzania po­la magnetycznego przez prąd płynący przewodem fa­zowym. Gdy natężenie płynącego prądu jest zbyt wiel­kie, pole staje się wystarczająco silne, aby przesunąć dźwigienkę, która odłącza zasilanie. Inne wersje za­wierają paski bimetaliczne, które zginają się, gdy są przegrzane prądem o zbyt dużym natężeniu, i odciąga­ją od siebie styki łączące obwód. Do ziemi

Ziemia to jakby „gąbka", mająca nieskończoną możli­wość wchłaniania elektryczności. Do porażenia prądem elektrycznym dochodzi wtedy, gdy ciało ludzkie staje się drogą łączącą przewód pod napięciem z ziemią. Ale ciało ludzkie nie jest zbyt dobrym przewodnikiem elektrycz­ności. Przewód uziemiający (uziemienie) jest zdecydo­wanie lepszym przewodnikiem i - jeśli będzie istniała taka możliwość - prąd zawsze popłynie do ziemi tym przewodem. Jeżeli przez przypadek przewód pod napię­ciem zetknie się z metalową zewnętrzną obudową urzą­dzenia elektrycznego, prąd o bardzo dużym natężeniu natychmiast spływa do ziemi, powodując zadziałanie bezpiecznika.

wyłącznik kuchenka

Odciąć zasilanie

Miniaturowy bezpiecznik automatyczny chroni przewody elektryczne przed przeciążeniem [A] Prąd w przewodzie pod napięciem przepływa przez parę styków, a następnie przez cewkę otaczającą elektromagnes wewnątrz kapsuły wypełnionej olejem [1] Gdy natężenie przepływającego prądu staje się zbyt duże, pole wytwarzane przez

cewkę pociąga elektromagna w prawo Przyciąga on metalową zworę, która obraa się do góry i rozłącza st\la. przerywając w ten sposób obwód [2] Olej spowalnia rm elektromagnesu, a więc niewielkie skoki natężenia pnjt pojawiające się przy zwykhm uruchamianiu silnika elektrycznego są przez urządzenie ignorowane

Zobacz także Czyszczenie 92 Elektrownie 106 Przesyłanie energii elektrycznej 116 Prawa przyrody 246 248 254

m

phnący ;r\ m (kolor brą koloi niebieski) iesj<.ania e^. licznik

..iO tej energii przechodzi przez bhcy rozdzielczej do przewodu ~> f kolory żółty w od ten jest do metalowej j stanowi ic^eme z ziemią ti Va tablicy ^ ^tarczany prąd kierowany do len Każde z tych a kilka gniazd n punktów oswiet ^ te pojedyncze rr\cjie h odgałęzień przed stanów i lopiko\\-\ albo BNtnon. Gniazdka mfme są przełączone wurflr 40 głównego '"mmśm tmylego obwodu. ~ft ob* od może f*u prąd

natężeniu kt\ pwr są przełączone

-«* x podobny

-> -o każdym takim

-*-ć e odnalezienie

wirnik

silnik uniwersalny

szczotki węglowe

Elektryczność w domu 9 5

Wiertarka elektryczna

Wiertarkę elektryczną [B] napędza uniwersalny silnik elektryczny obracający się z dużą prędkością i chłodzony wentylatorem Układ przekładni przenosi obroty silnika na wiertło które jest zamocowane w uchwycie W środku silnika znajduje się wirujący rotor (w irnik) z nawiniętym dookoła układem cewek, których końce są przyłączone do dwóch elektrod komutatora Wirnik umieszczony jest między dwiema zewnętrznymi cewkami stacjonarnymi Prąd przepływa przez jedną zewnętrzną cewkę a następnie poprzez ślizgające się styki węglowe (szczotki) przepływa do jednej z cewek wirnika Z wirnika zaś spływa przez następną szczotkę i przepływa przez drugą cewkę zewnętrzną [1] Tak przepływający prąd wytwarza pola magnetyczne pomiędzy cewkami stacjonarnymi a cewkami wirnika pola te wypychają jedną stronę wirnika w gorę drugą zaś spychają w dół dzięki czemu wirnik wprawiony zostaje w ruch obrotowy Na uproszczonych diagramach [2 3 4] pokazano silnik z dwiema cewkami wirnika (kolory czerwony i niebieski) i dwiema cewkami zewnętrznymi (kolor zielony) Na początku prąd przepływa przez cewkę czerwoną [2] ale w miarę jak cewka ta się obraca daje coraz mniejszy moment obrotowy [3] Następnie komutator przenosi prąd na cewkę niebieską, gdy zbliża się ona do położenia w którym ma największy moment obrotowy [4] Prawdziwe silniki zawierają wiele cewek, tak aby wartość momentu obrotowego utrzymywała się na bardziej stabilnym poziomie

Superbezpiecznik

W mechanizmie prądu szczątkowego przewód fazowy [l 2] i przewód zerowy [4] przechodzą przez styki [6] a następnie owijają się wokół stalowego rdzenia i biegną do urządzenia elektrycznego [3] Jeśli wszystko jest w porządku (z lewej) prąd w obu przewodach jest taki sam a więc wytwarzają one w rdzeniu pola magnetyczne które się wzajemnie znoszą Kiedy jednak pojawi się zwarcie (z prawej) lub kiedy włączony zostanie przycisk kontrolny [7] natężenie pola magnetycznego wytworzonego przez przewód fazowy przeważa Na powstałe w ten sposób pole magnetyczne reaguje cewka [5] która uaktywnia obwód [8] przerywający połączenie Z zasilaniem [9]

„Myślący" budynek

Jak budować domy oszczędne i bezpieczne

Co roku wydaje się olbrzymie sumy na ogrzewanie i chłodzenie naszych mieszkań i biur. W Stanach Zjednoczonych na samo tylko oświetlenie zużywa się 20% wytworzonej energii elektrycznej. Znaczącą redukcję tych kosztów można osiągnąć dzięki nowej generacji „myślących" budynków, które maksymalnie wykorzystują naturalne źródła ciepła i światła, a także sposoby wietrzenia. Istniejące budynki mogą stać się bardziej energooszczędne dzięki skuteczniejszej izolacji, zastosowaniu biernych systemów grzewczych i chłodzących oraz innych urządzeń służących zaoszczędzeniu energii. W naszych domach i biurach nowoczesne urządzenia ostrzegają nas także przed intruzami czy pożarem.

Straty cieplne budynku można zdecydowanie zmniej­szyć przez budowanie domów z izolacją bierną, która powoduje średni wzrost kosztów budowy zaledwie o 3000 dolarów. Na najprostszą formę takiej izolacji składa się gruba warstwa izolacji ciepłochronnej na poddaszu oraz zastosowanie dwuwarstwowych ścian, wypełnionych w środku materiałem izolacyjnym, ta­kim na przykład jak włókno szklane. Istotnym źródłem niepotrzebnych strat ciepła są okna - typowe okno jednoszybowe oddaje jedenaście razy więcej ciepła niż dobrze ocieplona ściana o takiej samej powierzchni. Dzięki zastosowaniu podwójnie lub potrójnie szklo­nych okien, w których przestrzenie między szybami są wypełnione ksenonem lub argonem (izolatorami lep­szymi niż powietrze), straty te można zdecydowanie zmniejszyć. Powstały w ten sposób doskonale ocieplo­ny dom jest w stanie tak dobrze magazynować „swo­bodne" ciepło, oddawane przez ciało człowieka czy domowy sprzęt elektryczny, że temperatura w nim przeciętnie może przewyższać temperaturę zewnętrzną nawet o 15°C. Ocenia się, że najlepiej ocieplone bu­dynki pozwalają na zaoszczędzenie ponad 75% paliwa wykorzystywanego do ogrzewania.

Wbudowana energooszczędność

W dużym budynku biurowym ciepło wytwarzane jest przez fotokopiarki, komputery i wiele innych urządzeń stanowiących wyposażenie biura, a także przez ciała osób przebywających w pomieszczeniu. W stosunku do powierzchni zewnętrznej budynki takie mają dużą obję­tość: z tego względu oddają one ciepło powoli i mają skłonność do przegrzewania się. Dodatkowo, ogromna masa betonu tworząca budynek działa jak „gąbka ciepl­na", gdyż wchłania ciepło, oddaje je zaś bardzo powoli. Z tego względu większość budynków biurowych wyma­ga funkcjonowania kosztownych systemów klimatyza­cyjnych nawet zimą. W nowo powstających budynkach można tego uniknąć dzięki takiemu ich ukształtowaniu, które wymusza naturalną wentylację, uwalniając ciepłe, zużyte powietrze górą, pobierając zaś świeże, chłodniej­sze powietrze bliżej ziemi. Koszty chłodzenia powietrza można natomiast zmniejszyć, uruchamiając klimatyzato­ry nocą (kiedy elektryczność jest tańsza) w celu wychło­dzenia ogromnego zbiornika wody. W ciągu dnia z kolei woda ta jest wykorzystywana do chłodzenia przepły­wającego powietrza.

Oświetlenie to kolejny obszar, w którym można zaoszczędzić znaczne ilości energii. Skonstruowano takie żaluzje, które odbijają przypadkowe światło słoneczne kierując je w głąb budynku, dzięki czemu zmniejsza się konieczność stosowania sztucznego oświetlenia. Działające w podobny sposób wiązki przewodów światłowodowych mogą przekazywać światło słoneczne z dachu budynku na jego niższe piętra. Światło to może być wspomagane oświetle­niem uzyskiwanym z wysoce wydajnych fluorescen­cyjnych lamp elektronowych o zmiennym natężeniu, zasilanych falami elektromagnetycznymi o częstotli­wości radiowej.

żaluzje

ciepło odbite

Życie na kamieniach

W niektórych

energooszczędnych domach stosuje się bardzo proste, wykonane z kamieni urządzenia służące magazynowaniu energii [B] W czasie miesięcy letnich słońce nagrzewa powietrze w podwójnie lub potrojme oszklonej szklarniowej przybudówce domu Powietrze to jest zasysane za pomocą wentylatora i przepuszczane przez wypełnioną kamieniami komorę pod domem Kamienie te początkowo mają niższą temperaturę, a więc pochłaniają ciepło, gdy opływa je gorące powietrze Ochłodzone powietrze wypływa Z komory i jest przepompowywane dookoła domu Zimą obieg powietrza ma kierunek odwrotny zimne powietrze pompowane jest tak, aby opływało ogrzane kamienie, a następnie wykorzystywane do ogrzewania domu

sionce

po\\

gorące powietrze

kamienie

Zobacz także Komputery 84 Warunki klimatyczne w pomieszczeniach 88 Elektryczność w domu 94 Odnawialne źródła energii 112 114 Prawa przyrody 224 234 246 248 262

„Myślący" budynek 9 7

cząsteczka dymu Q elektron

cząsteczka alfa jon dodatni

zwiększające się _ _: promieniowanie

\aturalna wentylacja »• ™.iana powietrza w budynku numwym przyszłości [A] może £t twnywać się wyłącznie dzięki jrjdom powietrznym,

* ""i orzonym przez kształt

iJM^Ttku zbliżony do jajka.

5»wże powietrze dostaje się do

niM3\Tiku od spodu i przechodzi

fryz centralny trzon oraz

»z^istlde piętra. W trakcie tego

-i i nagrzewa się, a następnie i - taje przez otwory

*. _-. lacyjne w dachu. Przepływ f^wtryi jest wystarczająco

•o. aby klimatyzacja stała się mif^otrzebna. Zimą automatyczne 2JM£Je całkowicie się otwierają łp *puścić bezpośrednie światło trmecjie [1]. Żaluzje te zamyka-iiin - nocą [2] po to, aby mogły . ciepło i utrzymywać je T: budynku. Latem

n\ lerają się częściowo, ' 'djąc tylko światło >-one, a nie bezpośrednie,

-•latło słońca [3].

i :<? ubezpieczenia

ou \m urządzeniem pijącym [D] jest zamek.

- ednego z rodzajów Ł5] wchodzą iow e kołeczki, e poprzecznie : miejscach. Każdy

--«. jest dociskany przez ~ "•<<. Klucz włożony do $La sprężynki .. ilofeczfcŁ Tylko \lucz podnosi kołeczki . poziomu, który . przekręcenie zasuwy.

- c ruane kontaktronem

•.. rejestrować fakt ' -\\ 11 uruchomić drzwi są zamknięte, ~n ?ac/z przyciąga nu we framudze, ten sposób obwód. o 'ito/e przerwany, - --laną otworzone, co ^rem alarmowy.

intruz

Czujniki dymu

Głównym elementem czujnika dymu [C] jest kostka materiału radioaktywnego (kolor fioletowy), która emituje cząstki alfa. Cząstki te zderzają się z cząstkami gazów w powietrzu, wybijając w ten sposób elektrony i wytwarzając dodatnio naładowane jony. Jony te przewodzą prąd pomiędzy elektrodami zasilanymi z 9-woltowej baterii. Natężenie tego prądu kontrolowane jest przez obwody elektroniczne wewnątrz czujnika [1]. Jeśli w szczelinę pomiędzy elektrodami wpłyną cząsteczki dymu, pochłaniają one część jonów i zmniejszają natężenie przepływającego prądu [2]. Ten spadek natężenia powoduje uruchomienie alarmu dźwiękowego.

Niewidzialna ręka

Każdy obiekt o temperaturze wyższej niż zero absolutne emituje promieniowanie elektromagnetyczne. W wypadku dala ludzkiego jest to niewidzialne promieniowanie podczerwone, które, wykryte przez bierny czujnik podczerwieni, może uruchomić alarm antywłamaniowy [D]. Wewnątrz czujnika znajduje się układ fotokomórek, układów scalonych, reagujących wyłącznie na promieniowanie o długości fali emitowanej przez ciało ludzkie.

W skład obiektywu z przodu czujnika wchodzi kilka drobnych płaszczyzn, ogniskujących na odpowiedniej fotokomórce promieniowanie z odrębnych wąskich wycinków, które jak palce ręki obejmują pokój. To, w jaki sposób natężenie zarejestrowanego promieniowania różni się pomiędzy fotokomórkami, pozwala czujnikowi odróżniać ludzi od innych źródeł promieniowania podczerwonego. Na przykład żarówka emituje promieniowanie o długości fali podobnej do promieniowania emitowanego przez ciało ludzkie. Kiedy jednak żarówka zostanie zapalona, czujnik nie uruchamia alarmu, ponieważ po początkowym skoku „widzi" on stały poziom promieniowania podczerwonego [1]. Ale gdy do pomieszczenia włamie się intruz i będzie przechodził przez pokój [2], czujnik zarejestruje promieniowanie, które maleje w jednym „palcu" [3], a jednocześnie wzrasta w sąsiednim sektorze [4] -taki rodzaj promieniowania jest charakterystyczny dla poruszającego się człowieka, a więc czujnik uruchamia alarm.

Okrągłe płatki ki emu u\ciete z pojedynczego kryształu są wypalane w \\\\okic] tempeiatui t Stanom to część procesu produkcji układów scalonych