Анализ энергетических цепочек как метод совершенствования ТС

1. Методика усовершенствования технических систем, не имеющих ярко выраженных физических противоречий, отличающаяся тем, что с целью повышения инструментальности анализ системы проводится с использованием представлений об элементарных энергетических циклах- "энергетических цепочках".

2. Методика по п. 1, отличающаяся тем, что анализируются энергетические цепочки для каждого из компонентов системы - источников энергии, преобразователя, инструмента и изделия.

3. Методика по п. 1 и 2, отличающаяся тем, что предложены пути повышения эффективности действия энергетических цепочек.

4. Методика по п. 1, отличающаяся тем, что для облегчения перехода от результатов энергетического анализа к техническому решению вводится промежуточный этап - принципиальное решение, представляющее собой перечень требований к воздействиям на вещественные компоненты системы.

1. ВВЕДЕНИЕ

На практике постоянно приходится встречаться с необходимостью прогнозирования развития технических систем, у которых нет одного ярко выраженного технического противоречия, но имеется много "мелких" недостатков, создающих задачу-путанку. В таких случаях сначала следует выявить основные физические противоречия, а уже затем приступать к решению.

Целью настоящей работы является попытка создания методики выявления неявно выраженных физических противоречий.

Методика основана на представлениях об энергетических цепочках (ЭЦ):

1. В любой технической системе одновременно действует множество физических процессов, тесно связанных между собой, каждый из которых представляет собой цепочку преобразования энергии. Цепочки пронизывают систему, они могут выходить в надсистему или уходить в подсистемы;

2. Вещественные элементы могут взаимодействовать между собой только через энергетические поля. Каждый вещественный элемент может быть преобразователем энергии разных типов, действуя одновременно во многих ЭЦ.

3. Сущность физического противоречения заключается в том, что требуется изменить один из физических процессов, сохранив действие других.

2. ПОСТРОЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЦЕПОЧЕК ДЕЙСТВИЯ

Из-за методологических трудностей, носящих принципиальный характер /1/, в предыдущей работе автора не были даны правила составления записи ЭЦ /2/. Эти трудности удалось преодолеть, рассматривая не сам процесс преобразования энергии, а его следствие - действие на материальные объекты. Можно сказать что физически в ТРИЗ такая замена уже произошла: вепольный анализ заменил понятие "поле" понятием "действие" /3/; требуется лишь легализовать эту замену. Ниже в вепольных формулах под сокращением "П" будет подразумеваться "действие".

В основу ЭЦ положен стандартный треугольник действия (схема 1).

Минимальные энергетические взаимодействия в технической системе

В_инстр - вещественный элемент, совершающий действие, В_изд - вещественный элемент, на который направлено действие, П_инстр - совершаемое действие

Опыт работы с реальными задачами показал, что для анализа ЭЦ следует систему рассматривать во всей полноте - с учетом источника энергии и преобразователя (схема 2).

Энергетические взаимодействия в полной технической системе П_эн - энергия,питающая цепочку действия П_преобр - действие, направленное на инструмент В_преобр-вещественный элемент, преобразующий поток энергии питания в действие на инструмент

В базовой ЭЦ можно выделить четыре элементарные цепочки:

1 - непосредственное действие на изделие, обеспечивающее его изменение, наблюдения, измерения, управление изделием;

II - процессы, текущие параллельно с основным и оказывающие влияние на изделие - как полезное, так и вредное.

III и IV - суммарные энергетические воздействия соответственно на инструмент и вещественный элемент - преобразователь энергии.

3. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ДЕЙСТВИЙ

Выявлено четыре основных приема совершенствования действий:

1. Усилить или ослабить действие.

2. Изменить пространственную структуру действия:

а) Сконцентрировать действие или рассредоточить его.

Ступенями перехода являются:

а) - объемное действие;

- действие по поверхности;

- действие по линии;

- действие.

б) Создание особой пространственной формы действия.

3. Изменить временную структуру действия:

а) ритмитизация действия;

б) создание сложных временных структур; особый ритм, выдержка для накопления энергии, импульсы, ритмы с использованием обратной связи;

в) согласование ритма действия с ритмами микроуровневых процессов (частотой собственных колебаний, автоволнами).

4. Динамизировать действие, т.е. внести управляемые изменения силы пространственной и временной структуры действия:

а) изменение в период остановок,

б) управление во время действия,

в) самоуправление за счет использования ЭЦ микроуровня (фазовые переходы и другие физэффекты).

4. ПРИНЦИПИАЛЬНОЕ РЕШЕНИЕ

Выявленное ФП дает только направление решения, но до технического решения остается еще глубокая пропасть. Предлагается перебросить через эту пропасть мост в виде принципиального решения, под которым понимается перечень требований к действию на вещественные элементы ЭЦ. Для составления принципиального решения нужно проанализиро вать уже имеющиеся действия с учетом путей их совершенствования и определить, нужны ли еще и дополнительные.

Как правило, решения на разных уровнях дают неравноценные результаты:

- на уровне "В преобразователь" - решение является наиболее кардинальным. Оно способно полностью устранить вредное явление за счет исключения ЭЦ, содержащей вредный процесс;

- решение на уровне "В инструмент" обычно бывает легко внедряемым, так как инструмент - наиболее легко изменяемый вещественный элемент;

- решение на уровне "В изделие" обычно наиболее трудное, так как задача и возникает именно в том случае, когда в данном узле создавалась тупиковая ситуация.

5. АНАЛИЗ ЭЦ РЕАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

5.1. ЗАДАЧА

Рассмотрим предлагаемую методику исследования ТС без явно выраженного ФП на примере анализа работы сорбционной колонны.

Сорбционная колонна /рис. 1/ предназначена для ионообменного разделения веществ-- процесса, заключающегося в том, что синтетическая полимерная смола избирательно поглощает из раствора ионы одного вида, отдавая в раствор ионы другого вида, ранее связанные с ее функциональными группами, т.е. производит обмен ионов в растворе. После того как емкость смолы исчерпана, т.е. все функциональные группы смолы заполнены замененными ионами, проводят десорбцию последних, пропуская через смолу раствор-реагента, способного вытеснять сорбированные ионы и переводить смолу в исходное состояние. Колонна представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, заполненный гранулами синтетической смолы диаметром 3-4 мм.

Технологический процесс выглядит следующим образом: через колонну сверху пропускают разделяемый раствор до насыщения смолы, промывают чистой водой для удаления исходного раствора, проводят десорбцию - регенерацию смолы, пропуская раствор реагента, промывают водой и начинают следующий цикл. Эксплуатация одной порции смолы обычно длится несколько месяцев, за это время проходят сотни циклов сорбция - десорбция.

Несмотря на то, что конструкция сорбционных колонн проста, а технологический процесс не изменяется более 40 лет, он имеет много недостатков:

- смола слеживается, возникают застойные зоны, в которых ионный обмен не происходит;

- ток жидкости неравномерен по поперечному сечению колонны, в местах уменьшения сопротивления образуются узкие преимущественные потоки раствора, не взаимодействующего со смолой (см. рис. 2);

- за период эксплуатации смола измельчается, происходит накопление неактивного материала.

5.2. АНАЛИЗ ЭЦ

Для постановки диагноза необходимо рассмотреть последовательно несколько ЭЦ (см. схему 3):

При составлении ЭЦ обычно возникает неясность - на сколько полно составляемая цепочка должна отражать физический процесс. Оказывается, для анализа вполне достаточно принципиального понимания хода процесса. Не следует стремиться к детальному описанию, так как усложняется общая картина. Преобразование энергии многолико, связано с потерями, разветвлениями. Фактически все физические процессы идут под действием нескольких ЭЦ.

В рассматриваемом примере ограничимся тремя цепочками, хотя можно было бы проанализировать причины неполной регенерации смолы, забивание дренажных систем и, наконец, сам процесс сорбции на смоле. Какие именно рассматривать цепочки и в какой последовательности, определяет сам решающий.

При анализе настоящей задачи видно, что основные недостатки ТС "заложены" во второй и третьей ЭЦ. Чем плотнее уложится смола, тем меньше в ней будет протекать раствора, тем меньше раздвигающее усилие, тем больше будут застойные зоны. Чем более сильный образуется поток, тем сильнее он будет пробивать себе проход.

5.3. ФП и ИКР

Сформулируем физическое противоречие по форме, привычной для АРИЗ: (03) поперечное сечение колонны, включающее смолу и движущийся раствор, в (ОВ) в течение всего периода работы должно обладать равным гидравлическим сопротивлением, чтобы раствор обтекал каждую частицу смолы с одинаковой скоростью, и должно обладать разным гидравлическим сопротивлением, так как в зернистом слое раствор все равно потечет по линии наименьшего сопротивления.

ИКР: (03) сечение колонны, включающее смолу и движущийся раствор, в (ОВ) весь период работы должно само обеспечивать и равное и разное гидравлическое сопротивление.

5.4. ПРИНЦИПИАЛЬНОЕ РЕШЕНИЕ

В качестве базовой принята ЭЦ2, которая находится в центре противоречия. Формулировка принципиального решения (подобие ИКР): "Проблема сорбционной колонны будет решена, если организовать абсолютно равномерное обтекание раствором частиц смолы".

Решение задачи может быть осуществлено на трех уровнях:

1. Уровень "В преобразователь". Задача решается, если будет обеспечено равномерное распределение ионообменной смолы в сечении колонны, (см. схему 4)

Решение - равномерно распределить смолу в сечении колонны.

Анализ возможных путей совершенствования:

1). Усилить или ослабить действие. Желательно ослабить сжатие смолы силами веса.

2). Изменить пространственную структуру действия. Возможно два пути решения: или непрерывное перемешивание смолы, создавая структуру "хаоса", или удержание частиц смолы в пространстве на заданном расстоянии друг от друга.

3). Изменить временную структуру действия. Исключить слеживаемость за счет периодического ритмического встряхивания зерен смолы, например, вибрации.

4). Динамизировать. Возможен вариант встряхивания на частоте собственных колебаний зерен смолы, еще не насорбировавших материал. Это сделает "голодные" зерна более активными.

2. Уровень "В инструмент". Задача решается, если будет обеспечено равенство микропотоков раствора в сечении колонны (см. схему 5):

Решение - обеспечить равенство микропотоков в сечении колонны.

Анализ возможных путей совершенствования действия:

1) Усилить или ослабить действие. Желательно ослабить гидродинамическое действие раствора, сжимающего смолу.

2) Изменить пространственную структуру действия. Поскольку преимущественные микропотоки будут всегда стремиться образовываться, можно ввести их постоянное или перио дическое разрушение. Движение смолы по вертикали запрещено, но можно производить смещение в горизонтальных плоскостях, например, вращение.

3) Изменить временную структуру действия. Механическое перемешивание смолы в колонне вызовет ее разрушение. Перемещение смолы возможно только за счет вибраций, когда смола сама будет двигаться в растворе.

Следовательно, необходимы вибрации, горизонтально направленные.

4) Динамизировать. Увеличить эффективность горизонтальных вибраций можно, если их частота будет согласована с частотой собственных колебаний зерен смолы.

Путь практической реализации: Создать в колонне вибрации с частотой, согласованной с частотой собственных колебаний "голодных" зерен смолы. Амплитуда и энергия колебаний должны быть выбраны из условия перемещения частиц смолы, чтобы исключить ее слеживаемость, в то же время не допустить вертикального перемещения. Направление вибрации - вдоль оси колонны.

Уровень "В изделие". Задача решается, если будет обеспечено равномерное распределение расходов раствора по сечению колонны. (см. схему 6):

Решение - обеспечить равномерное распределение расходов по сечению колонны.

Анализ возможных путей совершенствования действия:

1) Усилить или ослабить действие. Можно увеличить скорость течения раствора, работая на сильных потоках. Создать колонну малого сечения, но большой длины, многосекционную колонну.

2) Изменить пространственную структуру действия. В существующей колонне распределение преимущественных потоков по сечению хаотическое. Можно создать особую структуру из равномерно расположенных зон пониженного сопротивления, провоцируя образование преимущественных потоков равномерно по сечению.

3) Изменить временную структуру действия. Периодически необходимо восстанавливать заданную структуру слоя смолы. Это можно достичь вибрацией.

4) Динамизировать. Вибрации должны быть согласованы.

Путь практической реализации: Создать в колонне принудительное разрушение микропотоков в слое смолы, использовать вибрации, направленные горизонтально, на нескольких уровнях колонны по высоте. Режим вибраций следует согласовать с частотой собственных колебаний частиц смолы так, чтобы частица сама перемещалась в горизонтальной плоскости.

5.5. ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ

Использовать склонность зернистого слоя к образованию преимущественно потоков раствора, специально создавать по сечению колонны равномерно расположённые зоны пониженного сопротивления, провоцируя этим течение раствора по заданной схеме; периодически осуществлять вибрацию, восстанавливая заданную схему сопротивления течению раствора.

Техническое решение должно полностью или частично использовать принципиальное решение с учетом имеющихся ресурсов.

5.5.1. УРОВЕНЬ "В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ"

Сорбционная колонна, включающая вертикальную емкость, распределители потоков раствора на входе и выходе из колонны и ионообменную сорбционную смолу, отличающаяся тем, что:

1) С целью исключения образования преимущественных потоков раствора в слое смолы, установлен донный вибратор с направленными колебаниями вверх, вдоль оси колонны.

2) С целью интенсификации работы ионообменной смолы, вибрация согласована по частоте с собственной частотой колебания еще ненасорбировавших зерен смолы.

5.5.2. УРОВЕНЬ "В ИНСТРУМЕНТ"

Сорбционная колонна, и распределители потоков раствора на входе и выходе отличающееся тем, что:

1) С целью разрушения и перестройки микропотоков в слое смолы, в емкости установлены несколько поясов из радиальных лопастей, закрепленных на общем валу, через который на лопасти передаются вибрации в горизонтальной плоскости.

2) С целью повышения эффективности разрушения слежавшихся пластов смолы, частота вибраций лопастей согласована с частотой собственных колебаний зерен ионообменной смолы.

3) С целью уменьшения давления верхних слоев смолы, вибрирующие лопасти должны быть несколько развернуты вверх.

5.5.3. УРОВЕНЬ "В ИЗДЕЛИЕ"

Сорбционная колонна .отличающаяся тем, что:

1) С целью принудительного распределе ния раствора по сечению, равномерно по сечению колонны установлены вертикальные гладкоствольные подвески, например, металлические прутья.

2) С целью периодического встряхивания смолы на крышке колонны установлен вибратор, который включается периодически.

3) С целью эффективной работы подвесок они должны быть жестко закреплены на вибрирующей крышке колонны, а нижний конец должен свободно свисать в слой смолы.

4) С целью эффективной работы подвесок, частота колебаний вибратора согласуется с чистотой собственных колебаний подвесок.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная методика еще не является законченным инструментом для применения на практике. Она еще должна пройти широкую проверку.

Эта методика позволяет решать задачи-путанки, так как параллельный анализ нескольких ЭЦ помогает решению.

Решение ведется "с конца" и при выявлении физического противоречия, и при формулировании принципиаьного решения.

Создан переход от физического противоречия к техническому решению в форме принципиального решения.

Выявлено четыре пути совершенствования действия. Это делает методику выбора принципиального решения инструментальной.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.В. Шилейко, Т.И.Шилейко. В океане энергии. "Знание", М., 1989 г.

2. Л.Г.Горяинов. Совершенствование вепольного анализа. ЧОУНБ, 1990 г.

3. Нить в лабиринте. Петрозаводск, "Карелия", 1988 г., с. 165-231.