О стирке с помощью ультразвука

А. Ершов
(15.08.03.)

На сайте Московской общественной организации ТРИЗ http://trizinfo.by.ru мы обнаружили решение задачи о стирке с помощью ультразвука. Работа была выполнена Очневым Александром Валерьевичем, преподавателем ТРИЗ из Тулы.

Вот эта задача:

Существуют ультразвуковые стиральные машины, в которых движение раствора стирального порошка обеспечивается за счет возбуждения в нем ультразвуковых (УЗ) колебаний. Их преимущество: они состоят только из источника УЗ, поэтому дешевы. Их недостаток - плохо стирают.

При решении задачи А.В. Очнев использовал комплекс средств, рекомендуемых ТРИЗ, в том числе построил вепольную схему процесса, цепочку нежелательных эффектов, провел генетический анализ и анализ по АРИЗ-85В. Были использованы и законы развития технических систем. Таким образом, А.В. Очнев представил большую работу, которая на форуме сайта www.trizfido.narod.ru неоднократно приводилась модератором как образец правильного использования ТРИЗ.

В связи с наличием разбора задачи, проведем исследование не только полученных результатов, но и хода решения. Для этого мы будем чередовать авторский текст и комментарии.

1. Построение вепольной схемы процесса

Пмех - заявленное как поле перемещения раствора ПАВ относительно белья, в таблице полезно взаимодействует с бельем. А ведь эта связь в рамках заданной концепции должна быть по меньшей мере безразличной, а вернее всего ее надо было бы указать как вредную.

На основе матрицы взаимодействий легко строится вепольная схема стирки.

Конфликтный веполь:

2. Построение цепочки нежелательных эффектов (НЭ)

Плохо стирает (НЭ1) - Недостаточная интенсивность УЗ колебаний (НЭ2) - малое по амплитуде перемещение раствора ПАВ (НЭ3) - недостаточная мощность УЗ источника (НЭ4)

Отсюда находится тривиальное решение - увеличить мощность УЗ источника.

3. Генетический анализ

Далее проанализируем эволюцию процесса стирки и стиральных машин с точки зрения выполнения только главной полезной функции (ГПФ).

Таблица 2

Источник механического поля	Примерные амплитудные (А) и частотные (Ч) параметры	Используемые устройства	Заключение
Ручная стирка	А1=(0,3-0,4)м Ч1=2гц А2=(0-0,01)м Ч2=20гц	Стиральная доска	Макроперемещения А1 за счет рук и микроперемещения А2 за счет волнистой доски
Постоянно вращающийся диск с лопастями	Постоянное поле вращения А2=(0-0,01)м Ч2=1000гц	Стиральная машина "Волна"	Макроперемещения: однонаправленное вращение, эффективность обеспечивается за счет отставания белья от потока раствора ПАВ. Микроперемещения за счет быстрого движения лопастей.
Реверсно вращающийся диск с лопастями	Вращательные колебания А1=(30-40) оборотов Ч1=2гц А2=(0-0,01)м Ч2= 1000гц		Макроперемещения: дополнительный эффект за счет неравномерности вращения и использования инерционного движения раствора. Микроперемещения за счет быстрого движения лопастей.
Источник УЗ колебаний	А2=(0-0,001)м Ч2= 20000гц	Прототип	Макроперемещений нет, есть только микроперемещения.

Вывод. Макроперемещения Пмех1 создаются для интенсификации процессов удаления частиц грязи плюс ПАВ от белья и для подвода к белью порции чистого раствора ПАВ. Микроперемещения Пмех2 создаются для интенсификации процесса отрывания грязи от белья путем "прокачивания" раствора сквозь белье.

Таким образом ГПФ стиральной машины заключается в генерации Пмех1 и Пмех2 для обеспечения относительного движения раствора ПАВ и белья.

Итак, ключевая фраза условий задачи "Их недостаток - плохо стирают" после проведения генетического анализа может быть преобразована. Плохо стирают, так как в УЗ машинах не происходит макроперемещения раствора ПАВ. Чем же интенсификация процесса удаления частиц грязи от белья (Пмех1) отличается от интенсификации процесса отрывания грязи (Пмех2)? Очевидно, автор считает, что микроперемещения раствора грязь отрывают, а макроперемещения - удаляют от ткани. Искусственность такого построения очевидна.

В генетическом анализе используется очень условный расчет для определения величин параметров процесса стирки с помощью механических и ультразвуковой стиральных машин и стирки вручную. Сравнение этих процессов проводится через использование амплитуд и частот периодических процессов. Именно на основе изменения этих параметров строятся выводы. Однако этот подход не точен.

Так, не все рассматриваемые процессы являются периодическими, не рассматриваются характеристики относительного движения раствора и белья в машине с "постоянным полем вращения", не учитывается, что в ряде современных барабанных стиральных машин нет механизмов для задания микроперемещения раствора ПАВ… Все это делает ненадежными вывод о безусловной необходимости генерации Пмех1 и Пмех2.

2. Кроме того, особенность работы ультразвуковой стиральной машины заключается не в придании стираемому материалу микроперемещений, а в создании в жидкости многочисленных зон кавитации. Экстремальные характеристики (температура, давление) в таких зонах обеспечивают разрушающее воздействие на загрязняющий агент, его измельчение и отрыв от ткани. Важным фактором является и то, что в зонах кавитации проходят сложные химические реакции, в частности образуются атомарный кислород и озон, обладающие огромной реакционной способностью. К сожалению ничего этого не было выявлено и УЗ стиральная машина была просто "посажена" на некую общую линию развития стиральных машин.

3. Анализ процессов отделения частиц грязи от ткани выполнен недостаточно подробно. Отсутствует информация о том, каким образом, и при каких параметрах происходит отделение грязи от ткани с помощью и без помощи ПАВ. При использовании современных ПАВ движение жидкости используется в основном для того, чтобы частица грязи, у которой сила адгезии к ткани уменьшена молекулами ПАВ, быстрее отделилась от ткани сквозь двойной электрический слой и далее в водный раствор. Эти процессы детально разобраны в литературе по коллоидной химии. Если бы анализ процесса стирки был проведен нормально, автор получил бы другую задачу.

4. Простое наблюдение за процессами, происходящими при ультразвуковой стирке показывает, что при этом происходит ярко выраженное "макроперемещение" - ток жидкости, направленный от излучателя. Эффект можно обнаружить и вне опыта - по книгам (акустические течения).

В целом можно сделать вывод о том, что решаемая задача имеет мало общего с реально стоящими проблемами.

АРИЗ-85В

Необходимо при минимальных изменениях в системе увеличить интенсивность относительного движения раствора ПАВ и белья, без увеличения потребления энергии.

ТП составлено неверно в связи с тем, что реальная проблема, возникающая при увеличении мощности источника излучения, не была выявлена. Кроме того, декларируемые в ТП ограничения на увеличение можности УЗ источника не заданы условиями задачи и не обоснованы в процессе предварительного анализа. Сравним три приведенных в ТП параметра для ультразвуковых машин и стиральных машин барабанного типа.

Из таблицы видно, что не существует веских оснований для жесткого ограничения роста перечисленных параметров УЗ машин (даже если рассматривать их только как портативные устройства).

1.2. Изделие - раствор ПАВ, инструмент - источник колебаний.

1.3. Колебания раствора ПАВ, вызываемые слабым источником УЗ затягивают стирку.

Формулировка п 1.3. построена как бытовая фраза, она просто неточна. Слабые колебания раствора не затягивают стирку, а недостаточно ее ускоряют. Кроме того, не представляется возможным вообще говорить о колебаниях раствора. Жидкость, находящаяся под действием ультразвука как бы вскипает по всему объему. Вскипание сопровождается циркуляцией жидкости в объеме.

1.4. ГПФ - обеспечение относительного движения раствора ПАВ и белья, поэтому выбираем ТП-1

Итак, выбран вариант с мощным источником УЗ, решающим проблему стирки. Тем самым проблема изменена - остается обеспечить работу мощного источника излучения при потреблении им минимального количества энергии.

1.5. Усиление конфликта. Увеличить в 1000 раз интенсивность относительного движения раствора ПАВ и белья без увеличения потребления энергии.

Если конфликт состоит в том, что слабые колебания затягивают стирку, то усилением конфликта могло бы стать полное прекращение колебаний. Однако усиленный конфликт формулируется как повтор уже выбранного ТП с заданием конкретных ("страшных" - "в 1000 раз" больших!) показателей. Возникает вопрос - а насколько реально надо повысить интенсивность для достижения требуемых результатов? Ответа в разборе нет, а значит любой результат можно воспринимать и как успешный, и как провальный.

1.6. Изделие - раствор ПАВ, инструмент - источник колебаний. Колебания раствора ПАВ, вызываемые слабым источником УЗ затягивают стирку.

Х-элемент должен при минимальных изменениях в ТС увеличить в 1000 раз интенсивность относительного движения раствора ПАВ и белья без увеличения потребления энергии

Несмотря на то, что на шаге 1.4. уже было выбрано ТП-1, в рамках которого мощный источник УЗ обеспечивает интенсивное перемещение раствора ПАВ относительно белья, модель задачи на шаге 1.6. не изменилась относительно п. 1.2., 1.3. Налицо потеря логики и как следствие этого пробуксовка, фиксация в рамках исходно понятой задачи. (По сути здесь мы имем дело с демонстрацией той инерции мышления, бороться с которой должен был бы АРИЗ).

Но даже в рамках выбранной схемы конфликт определен нечетко. Он звучит:

"Колебания раствора ПАВ, вызываемые слабым источником УЗ затягивают стирку".

Точнее было бы: слабый источник УЗ недостаточно активно колеблет раствор ПАВ. Сейчас же "виновником" конфликта неявно становится раствор ПАВ (колебания раствора… затягивают). Модель является не совсем моделью, в ней по прежнему остается описание ситуации как цепочки событий: 1. Слабый источник УЗ вызывает малые колебания. 2. Малые колебания раствора ПАВ затягивают стирку.

Эта логика была уже задана при формировании цепочки НЭ. Решить задачу можно разрушив ее на любом из этапов. Выбранный вариант ТП задал зону, в которой должна решаться задача. Но автор словно бы боится уйти от исходно заданной формулировки.

Часть 2

Системные: см табл. 1, надсистемные - электроэнергия, вода, газ, бытовые приборы в доме, окружающей среды - воздух.

Неточная формулировка шага 1.6. приводит к тому, что на шаге 2.1. вместо излучателя оперативной зоной становится объем раствора ПАВ.

Еще одной досадной слабостью анализа является отождествление оперативного времени и оперативной зоны с формально описанными в услових задачи границами совершенствуемого объекта. В данном анализе шаги второй части практически не используются в последующем, их выполнение носит "ритуальный" характер. По сути все сводится к фиксации геометрии стиральной машины и времени ее работы.

Часть 3

3.1. ИКР-1 Х-элемент абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, обеспечивает увеличение в 1000 раз амплитуду относительного движения раствора и белья во время стирки без увеличения мощности источника колебаний

Появляется изменение, не мотивированное предыдущими шагами. "Интенсивность движения" заменяется на "амплитуду".

Появляется фраза о том, что Х элемент не должен вызывать вредных явлений. Но как и многое другое, эта конструкция абсолютно не нагружена мыслью. Впоследствии она не получит никакого развития. А жаль.

3.2. Усиленный ИКР. В качестве Х- элемента последовательно выбираем один из ресурсов.

3.2.1. ИКР- 1.1. Х- элемент = источник УЗ колебаний...

3.2.2. ИКР- 1.2. Х- элемент = раствор ПАВ...

3.2.3. ИКР- 1.3. Х- элемент = емкость...

3.2.4. ИКР- 1.4. Х- элемент = электричество...

3.2.5. ИКР- 1.5. Х- элемент = воздух...

Непонятны правила отбора элементов, которые перебираются на шаге 3.2. Из системных ресурсов, перечисленных в таблице 1 исключены белье и грязь, зато добавлена отсутствовавшая ранее емкость. Не используется такой даровой ресурс как вода (а ведь вода в водопроводной сети обладает значительно более мощным энергетическим потенциалом, чем окружающий воздух).

3.3. Физические противоречия, соответствующие каждому ИКР-1...

3.3.1. Источник колебаний должен быть мощным, чтобы обеспечить увеличение в 1000 раз амплитуды относительного движения раствора и белья во время стирки, и не должен быть мощным, чтобы не увеличилось потребление энергии.

Повторение исходно сформулированного требования продолжается. Сравните формулировку шага 3.3.1. с ТП-1, сформулированным на шаге 1.1. и вы поймете, что все, что лежит между ними, было сделано напрасно.

3.3.2. Раствор ПАВ должен увеличить в 1000 раз амплитуду своего движения относительно белья во время стирки и не должен этого делать, так как к нему подводится мало энергии от источника УЗ.

В этой формулировке ФП фактически не построено, так как требование выполнения действия с целью получения одного полезного результата не противоречит получению иного полезного результата. По сути здесь имеет место формулировка "Раствор должен ... но не может этого делать". Если формулировать именно физическое противоречие, то придется выяснить не только почему раствор должен интенсивно двигаться относительно белья, но и чем это плохо. (Например тем, что при этом белье будет сильно изнашиваться).

3.3.3. Емкость должна колебаться с большой амплитудой, чтобы увеличить в 1000 раз амплитуду относительного движения раствора и белья во время стирки, и не должна этого делать,так как к нему не подводится энергия.

Рассмотрим ситуацию - в емкости находится белье и раствор. Емкость колеблется с большой амплитудой. Вопрос - приведет ли это к столь же большой раскачке раствора относительно белья? С учетом близости их удельных весов ответ очевиден - не приведет. Зачем формулировать подобные требования - остается загадкой. И, повторим уже высказанное ранее. Емкость не должна колебаться с большой амплитудой не потому, что она этого не может. Вернее было бы понять, что ухудшится при колебаниях емкости, почему она не должна колебаться, чем это неудобно. И в этом случае появилось бы действительное противоречие, например "емкость должна колебаться для придания движения раствору и не должна колебаться для обеспечения удобства процесса стирки".

3.3.4. Электричество должно создавать колебания раствора ПАВ очень большой амплитуды и не должно этого делать, так как в ТС нет устройства, реализующего указанный физический эффект

3.3.5. Воздух должен создавать колебания раствора ПАВ очень большой амплитуды и не должен этого делать, так как в ТС нет устройства, реализующего указанный физический эффект

Итак, подобно случаям 3.3.2 и 3.3.3 "должен и не должен, так как не может". Эвристическая ценность подобных формулировок очень сомнительна. В последующем, на стадии устранения ФП автор укажет, что в вариантах № 4 и 5, "данное "физическое противоречие" не является таковым". Непонятно, только почему при этом не были приняты меры по формулированию качественных ФП.

Часть 4

4.1. Моделирование маленькими человечками.

Исходная ситуация.

Белье - рыбацкая сеть, в ячейке которой сидит большая обезьяна - грязь. Она всеми четырьмя руками вцепилась в сеть. Большую обезьяну схватила маленькая, но очень цепкая обезьяна, которая хочет, но не может вытянуть большую обезьяну из ячейки.

Рядом стоит кабан - частица воды и периодически пытается вытолкнуть сцепившихся обезьян из ячейки, но сил не хватает. Надо чтобы он разбежался и выбил этих обезьян из ячейки.

Несколько замечаний.

Исходя из сути приведенного на шаге 4.1. описания автор не понял, как ПАВ влияет на грязь. ПАВ не пытается "вытянуть большую обезьяну", а уменьшает силу, с которой та держится за ткань.

Идея использования рисунка в АРИЗ довольно проста - создать зрительный образ, позволяющий легче представить, что должны делать частицы выбранного изменяемого элемента, то есть снизить барьер при переходе от сформулированных ИКР и ФП к схемам устранения ФП. Представленные же рисунки описывают только исходное понимание автором сути ситуации. В них не отражены построенные ранее усиленные ИКРы. Опять, в который уже раз, движение по алгоритму не сопровождается изменением понимания задачи.

Идея - требуется импульсное воздействие.

Полученная идея ("требуется импульсное воздействие") обескураживает. Что же происходит в обычной УЗ стиральной машине? Ведь именно импульсным характером возникновения и схлопывания пузырьков определяется эффект от стирки. Может быть идея состоит в том, что требуется усилить импульсное воздействие? Однако это было уже неоднократно высказано ранее как требование по увеличению мощности источника УЗ...

Разрешение ФП. Синтез решений.

1. Разрешение противоречия во времени. Часть времени мощный источник создает интенсивное движение раствора ПАВ, потребляя много энергии, а другую часть времени он отключен, причем в это время движение происходит по инерции. В предельном случае - импульсный режим работы.

Решение должно быть признано плохим именно по меркам, установленным автором. По условиям, указанным в пункте 1.1. недопустимым принималось увеличение потребления энергии, габаритов, стоимости источника УЗ. В предлагаемом варианте габариты и стоимость источника энергии увеличиваются.

2. Суть этого противоречия - малое воздействие должно приводить к наибольшим по амплитуде колебаниям. Согласно закону согласования ритмики частей надо использовать явление резонанса.

3. Согласно закону энергетической проводимости надо соединить источник УЗ с емкостью и использовать предыдущее решение.

4. Данное "физическое противоречие" не является таковым, так как в действительности это постановка макрозадачи на синтез нового физического принципа действия ТС. То есть требуется преобразовать энергию электрического поля в энергию импульсного ( см. п.1) движения раствора ПАВ. Обращаясь с справочнику физэффектов, находим в разделе "Перемешивание жидкости" эффект Юткина.

5. Данное "физическое противоречие" тоже не является таковым, так как в действительности это постановка макрозадачи на синтез нового физического принципа действия ТС. Обращаясь с справочнику физэффектов, находим в разделе "Перемешивание жидкости", кавитационный эффект - создание и схлопывание пузырьков в растворе ПАВ.

В последнем случае налицо подмена, ведь предлагаемое решение уже есть в системе, а именно о синтезе новой структуры идет речь. Судя по всему автор понимает, что кавитационный эффект не создается с помощью воздуха, скорее наоборот, газовая среда образуется в растворе с помощью уьлтразвука. Однако новые схемы создания колебаний не предлагаются. А ведь перемешивание раствора с помощью воздуха можно обеспечить даже без указателя физэффектов.

4.3 Использование смеси ресурсов для решения. Объединим решения 1, 2, 4, 5, использующие разные ресурсы.

С помощью эффекта Юткина в растворе ПАВ создаются ударные волны с частотой равной одной из частот собственных колебаний системы "емкость - раствор ПАВ". Формируясь как волна сжатия, ударная волна, отражаясь от стенок емкости, превращается в волну, за фронтом которой давление понижено. В области пониженного давления образуются кавитационные пузырьки, которые при последующем схлопывании возбуждают вторичные ударные волны. Вследствие эффекта резонанса осуществляется преобразование микроперемещений частиц раствора ПАВ в макроперемещения. Характер макроперемещений определяется расположением источника ударных волн, формой емкости и количеством раствора ПАВ.

Часть 4A

По закону согласования ритмики частей работа этих источников ударных волн должна быть согласована для обеспечения нужного вида макроперемещений.

Легкость рекомендаций подкупает. Но и вызывает вопросы. Например, что понимается под термином "оптимально" и как предполагается обеспечить эту оптимальность? Что такое "нужный вид макроперемещений"? Еще ранее автором было указано, что " Характер макроперемещений определяется расположением источника ударных волн, формой емкости и количеством раствора ПАВ".

И опять зададим вопрос: Как определяется?

Подобные поверхностные рекомендации и отсылки "подумать самостоятельно", "додумать" вполне уместны в ситуации, когда используются стандартно применяемые принципы, рутинные для инженера процедуры. Однако в данном случае людям, взявшим на себя труд продвижения предлагаемых решений, при внедрении придется заниматься расчетами в области, для которой отсутствует удовлетворительная теория, не говоря уже о инженерных методиках расчета. Ведь до сих пор не построено математической модели для определения условий резонанса объемной среды с распределенными в ней неоднородностями переменного характера. Это приведет к необходимости выполнения большого количества экспериментов, то есть проб, направленных на нащупывание нужных результатов.

Часть 6

Принципиальная схема устройства

Оставим этот раздел без комментариев

Часть 7

Новые сферы применения предлагаемого принципа стирки: мойка деталей.

Если бы в так называемом генетическом анализе автором были сопоставлены история развития ультразвуковых аппаратов для стирки, лабораторной и заводской мойки деталей, а также аппаратов, использующих электрогидравлический удар, автор должен был обратить внимание на то, что ультразвуковые стиральные машины появились значительно позже, чем ультразвуковые аппараты для лабораторной и промышленной мойки деталей. Поэтому данное применение кавитации в действительности новым не является.

Новые сферы применения принципа обратного стирке (антистирка): интенсификация окраски тканей при их погружении в краску; пропитка пористых материалов.

Идея использования ультразвука для окраски изделий не является новой также как и идея ультразвуковой мойки деталей. Эффект повышения скорости движения жидкости в капиллярно - пористой среде под действием ультразвука известен и используется именно для целей окраски и пропитки достаточно давно. (При этом следует отметить, что звукокапиллярный эффект ослабевает с развитием в жидкости течений, то есть тех макроперемещений, которые планируется усилить в емкости).

Выскажем краткие замечания относительно полученных результатов. Ключ к пониманию задачи лежал, как это водится, в самом начале анализа. Построив цепочку нежелательных эффектов автор нашел "тривиальное решение - увеличить мощность источника ультразвука". Что же мешает разработчикам УЗ стиральных машин увеличить мощность излучателей? Ответ прост. Кавитационные процессы сопровождаются мощной ударной волной (до 800Мпа), температурой (до 4000 К), сложными электрическими явлениями и химическими реакциями, протекающими в микрообъемах. Поэтому мощные излучатели действительно прекрасно очищают ткань, но при этом необратимо портят ее. Для демонстрации этого достаточно опустить образец ткани в установку по очистке деталей от загрязнений. Мощности излучателя в 200 Вт хватает, чтобы за короткое время ткань превратилась в своеобразное обесцвеченное сито. (Вредная в понимании автора функция стирального порошка, и содержащихся в нем ПАВ, требующая полоскания изделия, не сопоставима с реальным вредом от интенсивного механического, теплового, электрического и химического воздействия на изделие, вызываемого кавитацией и электрогидравлическим ударом).

Ультразвуковые аппараты для мойки деталей используются в том случае, когда действие ПАВ оказывается недостаточным и необходимо более интенсивное воздействие, непосредственно разрушающее загрязнение. В качестве такового и используют кавитацию в условиях, когда прочность частиц загрязнений значительно меньше, чем прочность деталей, сделанных из металла, сплава или керамики. Только поэтому поверхность деталей при такой мойке не успевает повредиться в результате кавитационного износа. (Поскольку в ТРИЗ распространено обучение на примерах, полезно также вспомнить задачу о защите корабля на подводных крыльях от кавитации).

Электрогидравлический удар (эффект Юткина) будет приводить к возникновению ударных волн высоких давлений, которые также будут интенсивно разрушать ткань. Ведь аппараты, использующие электрогидравлический удар, предназначены, в первую очередь, для диспергирования, т.е. разрушения достаточно прочных материалов. Потребуются специальные меры для того, чтобы сохранить полезное качество этого эффекта и устранить вредное. К сожалению об этом аспекте в решении также не сказано ничего.

Можем сделать выводы - задача определена неверно, работа с алгоритмом проведена крайне слабо, решение неудовлетворительное.

Литература для желающих все - таки решить первоначально поставленную задачу:

1. Химическая энциклопедия. Т. 5, с 34-35. М., Большая Российская Энциклопедия. 1998, а также литература, рекомендуемая в помещенных там статьях "Ультразвук" и "Ультразвуковые аппараты".

2.  Химия и ультразвук. Под ред. А.С.Козьмина. М., Мир, 1993.

3.  Зимон А.Д., Лещенко И.Ф. Коллоидная химия. М., Химия, 1995.

4.  Зимон А.Д. Адгезия пыли и порошков. М., Химия, 1976.

P.S.:Мы готовы опубликовать комментарии всех заинтересованных лиц, касающиеся данной задачи и данного разбора.