Как стать изобретателем_3. Займемся технологиями. Продолжение серии

На простом примере я попытался показать, что системный подход можно использовать для оптимизации технологических процессов, а не только оборудования.

До сих пор мы рассматривали, в основном, вопросы о совершенствовании тех или иных конструкций  оборудования. Но, ведь,  ни одну творческую задачу невозможно решить, только совершенствуя оборудования. Системный подход  всегда   занимается  не оборудованием, а техникой  - единством оборудования и технологии.  Между ними есть  очень сильная прямая и обратная связь, влияние (в технике, это называют интерэктностью). Ее наличие приводит к тому, что  при одновременном совершенствовании оборудования и технологии с учетом взаимного влияния суммарный эффект оказывается значительно выше, чем отдельно от каждой составляющей (это называют эмерджентностью, иногда синергетическим эффектом).  Вот теперь мы вооружены пониманием важности  оптимизации не только оборудования, но и технологии процессов, которые происходят в этом оборудовании, и можем перейти  к рассмотрению средств и методов  решения технологических проблем.

Как всегда, я  предлагаю обратиться к какому – нибудь   всем знакомому и, вроде,  понятному  процессу.  Давайте рассмотрим технологию  обычной стирки. В Википедии читаем, что “это физико-химический процесс очистки текстильных изделий (одежда,постельное бельё,занавески и т. д.), использующийводные растворы детергентов:поверхностно-активных веществ(ПАВ), энзимов, пигментов, отбеливателей и т. д. Основное назначение стирки: удаление различных загрязнений”.   Сразу  хочется отметить неполноту этой формулировки. Скажите, а когда  не так давно женщины колотили белье на речке или в проруби  специальной колотушкой и не использовали никаких детергентов, они, что, не стирали и не удаляли различные загрязнения? А когда студенты, солдаты, командировочные  используют всякие ультразвуковые  приборчики (это сейчас, а несколько десятков лет назад использовали  мембранные устройства, работающие с частотой 50 гц) для стирки в  любой емкости и опять же,  очень часто без мыла, это разве не стирка?  Давайте попробуем, опираясь на предложенный в предыдущих сообщениях алгоритм, провести оптимизацию процесса стирки и совместно сделать “изобретение века”, которое не только изменит наше представление о стирке, но  и произведет, если удастся, серьезный переворот в технологии и оборудовании, т.е. технике стирки. 

Вы, если  читаете не первое сообщение из этой серии статей, уже научились делать декомпозицию системы,  выполнять ее анализ,  определять лимитирующий уровень. Доверяю вам сделать это в этот раз самостоятельно. Возьмем быка за рога и начнем  сразу  с четвертого шага алгоритма. Чаще всего при стирке мы используем ту технологию, которая описана в Википедии. По этой технологии очень важно обеспечить  в объеме стирального агрегата два эффекта.  Первый - наложение  колебаний (вспомните удары колотушкой по белью на речке, ультразвуковые или низкочастотные колебания, создаваемые специальными бытовыми генераторами, наконец,  вращение активатора в старых стиральных машинах или всего барабана – в новых).  С колебаниями все понятно, без них никуда. Они  обеспечивают диффузию моющего раствора к поверхности ткани, между нитями ткани и внутрь нитей. И, главное, они обеспечивают многократное повторение  этого эффекта (удаление  моющего раствора и вновь заполнение им). И, чем чаще, повторять эффект обновления (чем чаще и дольше колотить колотушкой по белью, например), тем лучше будет качество стирки. Другое дело, какие колебания (частота, амплитуда) оказываются для этого наиболее эффективными? Я уже  писал о принципе соответствия. Надо, чтобы параметры колебаний соответствовали амплитудно - частотным параметрам стираемого объекта на лимитирующем уровне. 

Поэтому, когда загрязнена только поверхность ткани, а внутри  нитей (в их капиллярах)  все в порядке, достаточно  низкочастотных колебаний с большой амплитудой. А, если  загрязнения проникли внутрь тканей  (в капилляры),  да еще и  как-то привязаны к поверхности внутри капилляров (химическая связь, адсорбция и т.п.), тут без высокочастотных, к примеру, ультразвуковых колебаний не обойдешься. Чтобы облегчить доставку моющей жидкости  в капилляры и ее обновление в них,  и используют те самые детергенты, о которых написано выше. Итак, с колебаниями все очень просто и понятно.  Они нужны, и не просто нужны, а ими нужно управлять, меняя частоту и амплитуду в зависимости от вида загрязнений и их размещения - на поверхности или внутри ткани. Или использовать широкий спектр колебаний, чтобы охватить как можно  больше  вариантов. Или, наконец, использовать, так называемые, модулированные колебания, например, частотно - модулированные, когда  совмещают низкочастотные и высокочастотные колебания. Кстати, такие колебания, как хорошо известно радиотехникам, проникают через любые преграды и долго сохраняются.

А, вот с моющим раствором  труднее. Зачем продают так много марок порошков, мыла,  моющих жидкостей? Почему так жестока конкурентная  борьба  именно на  рынке поверхностно -  активных веществ,  почему так много занимаются проблемой фосфатов и их исключения из состава стиральных порошков? Не могу все это рассмотреть в этой статье. Рекомендую эти вопросы проработать самостоятельно. А вот рассмотрим один вопрос, мне кажется, наиболее важный и интересный, это вопрос о пенообразовании и о роли пены в процессе стирки. Когда  я спрашиваю у студентов, когда белье лучше  выстирано, когда пены много или мало, они всегда  отвечают, что лучше, когда много. Большинство из читателей тоже так  ответит. И ошибется!  Все не так просто.  Пена способствует уносу  загрязнений за счет флотационных эффектов, создаваемых пузырьками воздуха в пене. Ох уж эти пузырьки! Я всегда восхищаюсь талантом  наших умельцев, которые могут  приспособить  любую технологию, любое оборудование по совершенно неожиданному назначению. К примеру, в рассматриваемом случае часто стиральные  машины старого типа с механическим активатором  используют при подготовке к свадьбе, где в них  очень интенсивно и эффективно получают полупродукт для изготовления самогона, используя   эффект пенообразования, загружая в машину (предварительно помыв ее, конечно)  сахар, дрожжи и другие  необходимые ингредиенты.  При этом стиральная машина превращается в  современный биореактор.  Ладно, вернемся к прямому назначению стиральной машины и роли пены при стирке.

Оказывается, пена пене рознь. В Казани, где я когда-то защищал  первую диссертацию, мне очень помог профессор О.В.Маминов. В своей докторской диссертации он классифицировал пену по ее видам и насчитал несколько десятков вариантов пены в зависимости от размера пузырьков газа в  ней, толщины прослоек жидкости между пузырьками, плотности пены и, главное, времени ее жизни. Оказалось, что,  в зависимости от вида ПАВов, пена может быть короткоживущей и существовать  буквально доли секунды, а может   в виде пенной шапки торчать, например, в баке стиральной машины часами. В последнем случае такая долгоживущая пена уже один раз взяла на себя  загрязнения и больше этим заниматься не хочет. Необходимо ее разрушить, чтобы вновь образовать и заставить ее снова работать.  Иначе говоря, нужна быстрообновляющаяся пена, и тогда качество стирки существенно улучшится. Вот почему на дорогих стиральных  порошках всегда  есть указание о пониженном пенообразовании, часто вызывающее недоумение у покупателя. 

Вот теперь с пеной тоже все ясно. Давайте приступим  к  решению основной задачи – создать самую эффективную, самую интенсивную, самую экономичную технику (технологию + оборудование)  стирки. Итак, конкретизируем творческую задачу:  1) для отстирывания любых загрязнений нужно создать в  сосуде, где происходит стирка, одновременно и высокочастотные колебания с малой амплитудой и низкочастотные колебания с большой амплитудой, 2) нужно генерировать в этом сосуде  короткоживущую,  динамичную, легкоподвижную, быстрообновляемую пену. Обе задачи  решаемы, если  мы выберем из базы данных режимно – технологических методов оптимизации (далее РТ – методы) – ее я обязательно дам позже, если увижу интерес читателей -  подходящий метод или методы,  учитывающие принцип соответствия, о котором я уже писал.

Решение, как всегда, пришло, якобы, случайно. Вспомнил я, что в душевой любого цеха, на любом заводе почему-то трубы  трясутся (низкочастотные колебания), раздается сильный треск  (высокочастотные колебания). А не путь ли это к решению задачи оптимизации стирки? В чем причина явлений тряски труб и треска в цеховой душевой. Все просто. Обычно нет у них там горячей воды  А есть холодная и пар, которые они смешивают прямо перед душем. При смешивании холодной воды  и перегретого пара происходит мгновенная конденсация последнего при уменьшении его объема (нетрудно подсчитать) больше, чем в 900 раз. Происходит мгновенное  схлопывание паровых каверн и возникают низкочастотные колебания (тряска труб) от ввода пара и разрыва сплошности жидкости и высокочастотные колебания от быстрой конденсации (схлопывания) паровых пузырей. Вообще, схлопывание пузырей в этом случае в чем-то сродни, вернее противоположно, процессу кавитации, известному многим читателям, и может быть названо антикавитацией.

А теперь, скажите, кто мешает использовать  антикавитационные эффекты ввода перегретого пара при стирке? Никто.  Вопрос о том,  как регулировать параметры  колебаний при стирке тоже решается просто – температурой перегрева вводимого в жидкость пара, диаметром отверстия в сопле.  Длительность жизни пены можно регулировать, меняя (конечно, в сторону уменьшения) количество вводимого детергента и его марку. Проверьте, поэкспериментируйте. Все у вас получится. Поделитесь опытом с другими, если получится. Чуть не забыл, для генерирования перегретого пара в домашних условиях можно использовать   появившиеся не так давно в продаже бытовые парогенераторы для уборки помещений, глажки белья и т.д.   

Итак, на этом простом примере я попытался показать, что системный подход можно использовать и для оптимизации технологических процессов, а не только оборудования.