Формирование креативного мышления. 6-2. Поэма о колебаниях в технике

В этой статье я немного рассказал только о колебаниях, как одном из эффективных средств для получения высокоэффективных инновационных решений в технике. Но, ведь, во многих креативных решениях мы использовали и другие средства и методы, а иногда и их ко

Со свиным рылом в калашный ряд

http://dslov.narod.ru/fslov/f543.htm

Позвонил мне знакомый медик. Возмущался завершающей мою ”креативную” серию публикацией обиспользовании колебаний для решения проблем здоровья. В качестве своего   мотива привел достаточно грубое замечание,сводившееся к  тому, что я – дилетант и лезуне в свои дела. А потом привел поговорку, вынесенную мной в эпиграф к даннойстатье. (Калашный ряд - это торговый ряд,на котором продаются хлебные изделия (калачи). Выражение имеет в виду ситуацию,когда в калашный ряд кто-либо приходит торговать свининой и продавцы калачейделают ему замечание, что он пришел не туда и занимается тем, что ему здесь неположено).   В оправдание я хотел было  привести знакомому много примеров, когда креативныедилетанты  совершали переворот вразличных направлениях деятельности. Но, подумав, решил быть конструктивным,  не уподобляться нашим политикам и не затеватьсклоку, а   продолжить эту затянувшуюся,в самом деле, “креативную” серию хотя бы парой публикаций  с примерами использования системных методов в технике. Вы читаете первую из них.

В этот раз вернемся к технологии и оборудованию (их сочетание обычноназывают единым термином “техника”), cовсем даже не толькок химическим. Техника, о которой я дальше буду писать, впервые былаприменена  человеком при изготовленииспиртных напитков типа самогон, по- моему до нашей эры (шучу, конечно, нодостаточно давно). Речь будет идти о массообменной технике, прежде всего, длянаиболее распространенных систем газ (пар) - жидкость.  Предприятияхимической и родственных отраслей промышленности ассоциируются у нас согромными высокими аппаратами, называемыми ”колоннами” (самогонные аппаратыимеют примерно тот же принцип действия, но в них сеанс обмена веществоммежду  паром и жидкостью происходит  однократно, а в колоннах – десятки, а то исотни раз  по мере продвижения потоковжидкости и пара, соответственно вниз и вверх по аппарату).   Легко написать  об  этойпремудрости колонн, а попробуй  еереализовать. Это надо делать в каждой ступени контакта  потоков фаз – как можно более равномернораспределить и привести в тесный контакт (попросту перемешать) паровой и жидкийпоток (мы будем рассматривать только наиболее прогрессивные тарельчатыеаппараты, хотя есть и много других, так называемых  насадочных аппаратов).  Для этого предназначены так называемыеконтактные устройства, от совершенства конструкции которых зависитэффективность технологического процесса. Вот теперь с минимальными упрощениямиразобрались с технологией и терминологией и можем, в соответствии с тем жеалгоритмом, который был изложен раньше, перейти к декомпозиции системы повертикали (для экономии места, опять разместим иерархическую цепьгоризонтально).  Не буду пояснять, тутвсе просто, иерархическая  лестница имеетвид:  1. установка> 2. колонна> 3. ступеньконтакта фаз>  4. контактная тарелка>  5. контактное устройство>  6. факел (струя) газа/ пара> 7. пузыри,оторвавшиеся от факела, образующие пену> 8. надмолекулярные конгломераты>9. Молекулы.  Длинная цепочка получилась, не правда ли.

Двигаемся по алгоритму дальше. Анализ многовекового опыта показывает, что исходным уровнем является   5-й – контактное устройство. В самом деле, неначинать же нам креативное деяние с первых четырех – они есть  в любыхпроизводствах и там  можно оптимизироватьтолько  болты – гайки, материал, вес,прочность, эстетику, антикоррозионную защиту и т.п.  Оставим все это  конструкторам – эстетам, а займемся движениемот  5 исходного уровня вниз поиерархической лестнице.  Многочисленныекинетические исследования (в моем архиве – десятки диссертаций по этому поводу)показали, что определяют, лимитируют технологию массопереноса  процессы  на 6 и 7 уровнях. Вот уж где можно порезвиться креативному человеку! Но,проблема в том, что   использовать толькотехнологические приемы (мы их называли ранее ”режимно – технологическими - РТ”методами) недостаточно. Ну, можем «подергать” температуру и скорость, можем как-то  изменить вязкость жидкости и поверхностноенатяжение. Вот и все. А, вот для более глубоких изменений придется привлечь  5-й уровень – контактное устройство, ведь то, что происходит с помощью его конструкции, определяет  кинетические характеристики процессовмассообмена (проще скорость, интенсивность) на 6 и 7 уровнях. Делаем вывод, чтонужно наградить титулом ”лимитирующий ” сразу три уровня – с 5 по 7. Ксожалению, в технике это случается часто. Именно, изменяя конструктивноеоформление контактного устройства, мы сможем изменить  кинетическиехарактеристики (в данном случае, коэффициенты массоотдачи, массопередачи и к.п.д.взаимодействия). При этом возможно конструктивными ухищрениями создать целыйряд новых эффектов, которые мы не смогли бы реализовать только на 6 и 7 уровняхиерархии. К примеру, можно организовать соударение потоков контактирующих фаз,  увеличить длину  линии барботажа,  создать колебания факела в момент  его входа в жидкость,  обеспечить постояннуюоптимальную скорость входа пара/ газа на входе в слой жидкости независимоот  скорости его подачи в аппарат. Инымисловами, можно организовать то самое единство режимно – технологических иаппаратурно – конструктивных факторов воздействия на систему, о  необходимости которого мы уже неоднократноговорили. Это и есть  главный признакреализации системного подхода.

Итак, только рассуждая, мы уже фактически нашли много направленийрешения  задач оптимизации массообменнойтехники. Давайте рассмотрим конкретные примеры дальнейшей работы. Конструкций  контактных устройств 5 уровня в мире придуманоочень много.  Только в моей базе данныхих более тысячи. Спрашивается, зачем так много. Ответ простой – идетконкурентная борьба между машиностроительными предприятиями на  огромном рынке массообменной аппаратуры(примерно 50% от всего химического и нефтехимического оборудования). Какпотеснить на рынке  корпорации, которыезанимают свой сегмент десятки лет. Задача трудная, но решаемая толькопутем  появления инновационных решений засчет использования креативных методов.  

Наша научная школа по оптимизации тарельчатой колонной аппаратуры быладостаточно  широко известна в  СССР и за его пределами, поскольку мы успешноконкурировали с, так называемыми, головными машиностроительным институтами вМоскве, Ленинграде, Харькове, разрабатывая новые направления и конкретные высокоэффективные,а также обладающие высокой  гибкостью(т.е.диапазоном устойчивой работы)  ивысокоинтенсивные конструкции контактных устройств. Кроме того, мы многоработали над развитием так называемого блочно- модульного подхода  к конструированию массообменной техники.

Особое внимание мы уделили развитию так называемых клапанных контактныхустройств, впервые появившихся где-то в 1940 г. в   США. Они привлекли нас тем, что впервые  обеспечили саморегулирование за счет того, чтоположение способного перемещаться по вертикали над отверстием в полотне тарелкиклапана зависело от расхода пара  через это отверстие. При изменениинагрузки на колонну (а это происходит постоянно) клапан поднимается  или опускается  и размер отверстия (кольцевой зазор междуполотном тарелки и клапаном)  обеспечивает более или менее постояннуюскорость истечения струи газа, а, значит, стабильные оптимальные  кинетические характеристики процесса привходе факела в жидкость. Мы уже знаем, что это является важной локальнойхарактеристикой  процесса на лимитирующемуровне, обеспечивающей  оптимальные характеристикина более высоких уровнях. Это явление было известно  до нас за счет работ немецких и американскихспециалистов. Однако, нам удалось в процессе креативной деятельности обнаружитьи использовать в целом ряде  системновое, неизвестное ранее конкурентам явление. Суть его в том, что клапан непросто поднимается или опускается в зависимости от изменения скорости газа, новследствие своей инерционности проскакивает положение равновесия(соответствующее расходу  газа)  и открывает или закрывает  отверстие под клапаном больше, чем нужно.Давление  под клапаном  изменяется и нарушается равновесие  двух сил, действующих на клапан – силы  его веса и давление газа снизу на  внутреннюю поверхность клапана. Вследствиеэтого, клапан начинает перемещаться вниз или вверх, чтобы это равновесиевосстановилось. Дальше вследствие инерционности клапана явление  повторяется и клапан  совершает постоянные колебания относительноположения равновесия.

Последствия оказались очень интересными:

• За счет колебаний клапана начинаются пульсации факела (струи)  газа, истекающего из – под него, а, значит,  начал изменяться угол раскрытия кольцевой струи газа, которая теперь охватывала за счет колебаний переменный объем жидкости,
• За счет пульсаций струи отрыв пузырьков газа от нее происходил также в пульсирующем режиме и в самих образовавшихся пузырьках возникали колебания, частотой которых можно было управлять.
• На поверхности струи и пузырьков возникали турбулентные пульсации, которые также способствовали повышению эффективности и улучшению кинетических характеристик процесса массообмена.
• Каждый колеблющийся клапан (их на тарелке может быть много в зависимости от диаметра аппарата)  становился генератором колебаний в жидкости, расположенной над ним.

Самое главное, что теперь появилась возможность сознательно генерировать вступенях контакта практически любые колебания, не применяя для этого никакойновой техники, и управлять их характеристиками. Сразу возник вопрос, а какиеколебания нужно создавать в аппарате. Если вы внимательно читали предыдущиесообщения, вы ответите сразу же – необходимо обеспечить выполнениепринципа  соответствия. Налагаемыеколебания по  частоте и амплитуде должнысоответствовать по частоте и амплитуде собственной частоте и амплитудеэлементов системы на лимитирующем уровне. Наступает  эффект резонанса со всеми вытекающимиэффектами

Мы не нашли в литературе работ, посвященных этому вопросу (вернее двумвопросам – надо не только знать характеристики колебаний, имеющихся в системе,но и  научиться управлять колебаниямиклапанов). Вот этим  и занялись моиаспиранты. Мы обнаружили, что в слое пены на тарелке преобладают элементы (пузырьки) диаметром 4 – 5 мм, имеющие частоту собственных колебанийпорядка  10 гц. Значит, близкую частотудолжны иметь  налагаемые на системувынужденные колебания клапанов.  Решениенашли математически (напрасно я ругал математиков за  то, что чаще всего их модели никто неиспользует). Оказалось, что частотой колебаний клапанов можно легко управлять,изменяя их массу. При этом масса каждого клапана должна была быть при диаметре50 мм примерно 50 г. Интересно, что позже к подобным выводам об оптимальноймассе клапана (без всякого, даже элементарного выяснения причин)  пришел мой немецкий конкурент Клаус Хоппепосле многолетних дорогих исследований эффективности  колонных аппаратов с клапанными тарелками.

Вот так закончились наши поиски в новом направлении оптимизациимассообменной аппаратуры за счет использования автоколебательных режимов работыклапанных контактных устройств. Эти работы были поистине пионерскими ипозволили предложить  ряд инновационныхпроектов и разработок. К примеру, предложено примерно 50 новых конструкций клапанных контактных устройствдля различных условий использования. Их можно разбить на несколько  групп конструкций:

• Противоточные клапанные контактные устройства с распределенными по каждому клапану переливами для слива жидкости и второй  пленочной зоной контакта фаз  чередующиеся  с барботажными  зонами. Эти контактные устройства отличаются от традиционных  клапанов типа Glitch своими уникальными характеристиками. Эффективность выше процентов на 15 – 20 за счет улучшения массообмена в пульсирующем барботажном слое и наличия второй эффективной пленочной зоны контакта фаз. Пропускная  способность   колонны по газу  возрастает от обычного диапазона 0,2  -  0,8 м/сек   у старых конструкций  до  0,1 -  2,2 м/сек у новых конструкций. Пропускная способность по жидкости возрастает  от 5 – 25  м/час до  2 -  150 м/час у новых  контактных устройств в связи с  наличием автономных переливов по центру  каждого  клапанного узла. Эти цифры  свидетельствуют также о существенном увеличении гибкости, т.е. диапазона устойчивой работы оборудования, где  обеспечивается не только высокая  или низкая скорость потоков, но и требуемые характеристики эффективности контакта.
• Эжекционные клапанные контактные элементы, где за счет  кинетической энергии газового потока обеспечивается циркуляция жидкости через каждое клапанное контактное устройство. Это приводит к значительному (в несколько раз )  увеличению времени обработки жидкости газом, что делает возможным использование обычных массообменных аппаратов в качестве  высокоэффективных  газо – жидкостных химических реакторов.
• Об использовании пульсаций для повышения эффективности контакта фаз и гибкости  написано выше.
•  Многоступенчатые кольцевые клапанные контактные элементы с пониженным гидравлическим сопротивлением за счет увеличения длины линии барботажа и увеличенной предельной нагрузкой по газу для  вакуумных установок, которых также в перерабатывающих отраслях немало.

Я предвижу замечания оппонентов типа: «И все это за счет  использования колебаний?”. Или ”Что вывыдумываете велосипед? Колебания известны испокон веку, а вы что-торассказываете о креативности. ”. Попробую возразить. Колебания, в самом деле,известны давно. Знаменитый  американскиймеханик С.Тимошенко (фамилия свидетельствует о его славянском происхождении,может даже украинском) написал великолепную книгу ”Колебания в инженерном деле”  лет 100 назад. Но есть одна немаловажнаядеталь. Он обстоятельно описал существующие в оборудовании  колебания и ничего не предложил пооптимизации оборудования путем наложения внешних колебаний на систему.Оппоненты могут также возразить, что давно появились ультразвуковые аппараты,где электрические  колебания  создаются специальными генераторами ипреобразуются в механические пульсации за счет достаточно сложных, дорогих взрывоопасных преобразователей. Но  мы сразу отказались от этого дорогого  и энергоемкого направления. В наших работахчаще всего используются автоколебания, уже имеющиеся в  оптимизируемой системе, и их преобразованиеза счет конструктивных особенностей оборудования.

И, наконец, главное. В этой статье я немного рассказал только о колебаниях,как одном из эффективных  средств дляполучения высокоэффективных инновационных решений в технике. Но, ведь, вомногих  креативных решениях мыиспользовали и другие средства и  методы,а иногда и их комбинации. Они  есть внаших базах данных, где даны рекомендации по их использованию. Этому я учусвоих аспирантов и студентов уже много лет. В блогах их не опишешь. Назову хотябы некоторые из них  (кроме колебаний): соударениепотоков фаз друг с другом и о жесткую преграду, взаимная эжекция фаз,  многократная инверсия фаз, гидравлическое  саморегулирование,  циклическое орошение и др. Когозаинтересовала эта информация и вся статья, могут расширить свои знания, еслипознакомятся с моей небольшой монографией ”Интенсификациягазо – жидкостных процессов химической технологии”, которую можно бесплатноскачать из Интернета.