Как стать изобретателем_1. Продолжение серии « Инженерные средства и методы оптимизации технических систем”. Сообщение 2.

Пишу для студентов книгу о творчестве (не только техническом), главы из которой буду публиковать в блоге, если это будет интересно читателям. На мой взгляд, это может быть полезным не только студентам, так как: * в основе достаточно оригинально

• в основе достаточно оригинальной методики  поиска нестандартных решений  лежит не обычный метод проб и ошибок (его часто обзывают “методом тыка”),  а достаточно строгий системный анализ,
• с помощью  этого подхода можно решать не  только технические задачи, но  и искать нестандартные эффективные решения в политике, экономике, социологии и др.,
• предлагаемая система творчества не грешит злоупотреблением математическим  аппаратом, в том числе математическим моделированием и оптимизацией, не требует  прибегать к сложным компьютерным программам (типа белорусской ”Изобретающей машины”, основанной на использовании ТРИЗа, предложенного Генрихом Альтшуллером),
• метод пригоден для  специалистов любого профиля даже со средним уровнем подготовки и не требует  дополнительного образования.

Итак, приступаем? Единственная просьба поддержать мои благие намерения, сообщив в комментариях по этой статье,  надо ли  продолжать эту серию и правильный ли  стиль изложения я выбрал для читателей блога, да и для студентов. А то один из комментаторов по одной из моих статей в блоге написал в комментариях: ”Бедные студенты!”. 

Прежде всего, я повторю в более кратком изложении и пронумерую для удобства шаги алгоритма  развиваемой методики поиска нестандартных решений, и попрошу  либо запомнить этот алгоритм, либо  разместить его где-то так, чтобы его легко можно было найти, так как мы часто будем к нему возвращаться:

1. Декомпозиция  системы и получение многоуровневой иерархической лестницы.
2. Анализ системы.
3. Определение лимитирующего уровня системы.
4. Определение амплитудно – частотных характеристик  собственных колебаний системы на  лимитирующем уровне.
5. Подбор в созданных нами  базах данных  режимно- технологических (РТ) и аппаратурно – конструктивных (АК) методов оптимизации,   близких по амплитудно – частотным характеристикам к характеристикам колебаний объекта на лимитирующем уровне.
6. Проверка  значимости и результативности принятых решений.

Попробую, чтобы не напугать читателя,  начать с самых простых, бытовых примеров, не требующих серьезной химической, да и технической подготовки.  Для начала - пример 1. Сварим кофе из обжаренных зерен. Задача была  сформулирована на одном из Днепропетровских заводов,  где была очень продвинутая  технология  получения растворимого кофе на  установке  по-моему шведской фирмы Альфа Лаваль, производившая  лучший в СССР растворимый кофе. Был я на заводе с моими аспирантами. Мимо проезжала машина с  остатками молотых зерен  кофе после экстракции  из него целевого продукта. Запах кофе от нее был одуряющий. Задумались мы с ребятами, сколько же  в  этих отходах осталось неэкстрагированного  кофе, если  дуреешь только от запаха. Сделали анализ. Оказалось много, не буду  тревожить шведов  указанием концентрации. Стали смотреть технологию. Оказалось, кипятком экстрагировали целевой продукт из молотых зерен, загруженных по - моему в шесть емкостных аппаратов, пропуская  через них последовательно по  этой цепочке кипяток. Затем последний  по ходу аппарат выключали на выгрузку, а  подключали в начало цепочки новый только что загруженный аппарат. Вот и вся нехитрая схема.

Завод почему-то  не захотел с нами иметь дело,  скептическое отношение к возможностям украинской науки  достаточно хорошо известно. Обиделись мои ребята, решили  проводить поиск   оптимального решения на домашней кофеварке – была у меня такая,  где  объем разделялся на две части перегородкой с трубкой и камерой для молотого кофе между закрытой и открытой частью. Попробуем пройтись по вышеприведенному алгоритму поиска технических решений. Пункт1 выполнили просто, представив объект  в виде иерархической лестницы с уменьшением определяющего размера  (мысленно поверните цепочку вертикально): цех растворимого кофе -  установка экстракции - емкостной экстрактор - загрузка молотого кофе -  крупинка молотого кофе -  капилляр - молекулярный уровень. Довольно быстро выполнили пункт 2,  медленнее и не без споров  определили с ребятами лимитирующий уровень  - пункт 3. Сначала решили, что определяет эффективность  процесса экстракции  периодическая (по загрузке кофе)  и непрерывная по подаче кипятка схема движения  потоков – твердого и жидкого. Но потом сообразили, что вряд ли  фирма, производящая такие установки  больше сотни лет, не сообразила бы это без нас. Посчитали, прикинули и поняли, что фирма  выбрала наиболее простой и дешевый вариант. Оставили этот уровень в покое. Перешли к экстрактору. Вначале хотели  интенсифицировать  процесс, налагая вибрационные поля, перемешивая, встряхивая и т.д. Во - время  сообразили, что крупинки будут истираться в пыль,  и качество кофе будет ухудшаться. И крупинки по этой причине трясти не стали. Дошли до  уровня капилляров. И, вот тут мы и застряли. Оказалось, что именно здесь  процессы диффузии кофе из твердой фазы в жидкую были наиболее медленными. Во- первых  заполнению капилляров горячей водой мешал воздух, находящийся в них и никак не хотевший покидать их.  Когда, наконец,  капилляры заполнялись водой, процесс   молекулярной диффузии кофе с внутренней поверхности капилляров в жидкость происходил относительно быстро. А затем снова беда,  жидкость с растворенным в ней кофе никак не хотела покидать капилляры. Да еще оказалось, что для увеличения полноты извлечения кофе хорошо бы этот процесс повторить несколько раз. Мы нашли решение этой задачи для завода, но завод  побоялся реконструировать или хотя бы ставить опыты на шведской установке. В те времена еще не было рыночных условий хозяйствования, был период стагнации. Сейчас бы они, наверное, решились бы. Это же живые деньги!

Ну, а тогда мы перешли  на домашнюю кофеварку и стали  мучить ее. Называется это физическим моделированием на реальной системе.  Выполнили 4-й шаг  алгоритма. Выяснили, что  частота на лимитирующем уровне для капилляров различного размера должна  быть где –то в пределах 0,2  -  1,5  гц, а амплитуда – 1 -2 мм.  Все это позволило нам с  удовлетворением перейти к реализации 5 -  го  пункта алгоритма.  Решили использовать  наложение колебаний требуемой частоты и амплитуды, дабы вызвать резонансные колебания внутри капилляров.  Вы думаете задача решена? Ничего подобного! Как решить эту техническую задачу просто и недорого?   Один из аспирантов вспомнил, что когда он жил дома, он принимал  ванну (в студенческом общежитии есть только душ). И вот губку, которую он использовал в ванной для намыливания он сжимал рукой – мыло выходило из капилляров, а когда освобождал, то  губка возвращалась к прежней форме и капилляры заполнялись водой.  Если  бы крупинки  молотого кофе  тоже были бы упругими и возвращали первоначальную форму, задача была бы решена, хотя бы в первом приближении.

Проверили, оказалось, что нам повезло – крупинки  кофе обладали упругостью. Осталась, казалось бы,  совсем простая задача – создать переменное давление в капиллярах. Но, ведь, рынок. Пресс использовать – дорого!  Никто на это не пойдет. Пришлось моим ребятам (заставлял их думать, пусть становятся  креативными!)  вспомнить  изучавшийся в школьной физике, а затем и в вузе, закон Бернулли. Он известен уже почти 300 лет лет и заключается в том, что при движении потока сумма  статического напора (давления) и скоростного  является постоянной величиной. Если  по пути движения потока  уменьшать сечение трубки (например, частично сплющить ее), то скорость  потока увеличится, допустим в пять раз, значит скоростной напор  вырастет в 25  раз, а, следовательно, чтобы сумма напоров была постоянной, пропорционально уменьшится  статический напор  в зоне сплющивания, а на выходе из нее вновь увеличится. А, ведь, именно этот напор нам нужен, его мы должны менять. Так можно делать столько раз, сколько надо, чтобы получить максимальную полноту извлечения кофе. Все это можно реализовать, если трубочку между камерами кофеварки использовать для пропускания всей суспензии  из нижней части аппарата в  верхнюю, выполнить в виде змеевичка, а на трубке сделать пережимы, сколько вам захочется или  вы уточните после испытаний на кухне, без,  хотя бы нескольких попыток,  не обойтись. Задача решена!

Я,  насколько это возможно в рамках статьи, показал схему реализации алгоритма и логику поиска оптимального решения. Вопрос о том, как перенести результаты, полученные на физической модели,  на промышленную установку оставляю в качестве домашнего задания читателю. Тем более, что  заявку на патент мы так и не оформили.  Никто не захотел возиться. Слишком много было у нас в те времена интересных решений  для химических предприятий на уровне изобретений. Сейчас я так не думаю, поэтому приглашаю  потенциальных соавторов к общению.

Если вы одобрите эту статью и  принятый стиль изложения, подготовлю следующее сообщение с  двумя примерами, где покажу, как  можно принципиально изменить и улучшить мясорубку и стиральную машину. Там будут использоваться не только конструктивные, но и режимные приемы оптимизации. Хотите?