Авторские блоги и комментарии к ним отображают исключительно точку зрения их авторов. Редакция ЛІГА.net может не разделять мнение авторов блогов.
16.10.2011 22:15

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

Профессор Украинского государственного химико-технологического университета

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 об использовании колебаний для решения проблем здоровья. В качестве своего   мотива привел достаточно грубое замечание, сводившееся к  тому, что я – дилетант и лезу не в свои дела. А потом привел поговорку, вынесенную мной в эпиграф к данной статье. (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 калачей делают ему замечание, что он пришел не туда и занимается тем, что ему здесь не положено).   В оправдание я хотел было  привести знакомому много примеров, когда креативные дилетанты  совершали переворот в различных направлениях деятельности. Но, подумав, решил быть конструктивным,  не уподобляться нашим политикам и не затевать склоку, 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 обычно называют единым термином “техника”), c овсем даже не только к химическим. Техника, о которой я дальше буду писать, впервые была применена  человеком при изготовлении спиртных напитков типа самогон, по- моему до нашей эры (шучу, конечно, но достаточно давно). Речь будет идти о массообменной технике, прежде всего, для наиболее распространенных систем газ (пар)  - жидкость.  Предприятия химической и родственных отраслей промышленности ассоциируются у нас с огромными высокими аппаратами, называемыми ”колоннами” (самогонные аппараты имеют примерно тот же принцип действия, но в них сеанс обмена веществом между  паром и жидкостью происходит  однократно, а в колоннах – десятки, а то и сотни раз  по мере продвижения потоков жидкости и пара, соответственно вниз и вверх по аппарату).   Легко написать  об  этой премудрости колонн, а попробуй  ее реализовать. Это надо делать в каждой ступени контакта  потоков фаз – как можно более равномерно распределить и привести в тесный контакт (попросту перемешать) паровой и жидкий поток (мы будем рассматривать только наиболее прогрессивные тарельчатые аппараты, хотя есть и много других, так называемых  насадочных аппаратов).  Для этого предназначены так называемые контактные устройства, от совершенства конструкции которых зависит эффективность технологического процесса. Вот теперь с минимальными упрощениями разобрались с технологией и терминологией и можем, в соответствии с тем же алгоритмом, который был изложен раньше, перейти к декомпозиции системы по вертикали (для экономии места, опять разместим иерархическую цепь горизонтально).  Не буду пояснять, тут все просто, иерархическая  лестница имеет вид:  1. установка> 2. колонна> 3. ступень контакта 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, не начинать же нам креативное деяние с  первых четырех – они есть  в любых производствах и там  можно оптимизировать только  болты – гайки, материал, вес, прочность, эстетику, антикоррозионную защиту и т.п.  Оставим все это  конструкторам – эстетам, а займемся движением от  5 исходного уровня вниз по иерархической лестнице.  Многочисленные кинетические 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 только технологические приемы (мы их называли ранее ”режимно – технологическими - РТ” методами) недостаточно. Ну, можем «подергать” температуру и скорость, можем как-то  изменить вязкость жидкости и поверхностное натяжение. 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 процессов массообмена (проще скорость, интенсивность) на 6 и 7 уровнях. Делаем вывод, что нужно наградить титулом ”лимитирующий ” сразу три уровня – с 5 по 7. К сожалению, в технике это случается часто. Именно, изменяя конструктивное оформление контактного устройства, мы  сможем изменить  кинетические характеристики (в данном случае, коэффициенты массоотдачи, массопередачи и к.п.д. взаимодействия). При этом возможно конструктивными ухищрениями создать целый ряд новых эффектов, которые мы не смогли бы реализовать только на 6 и 7 уровнях иерархии. К примеру, можно организовать соударение потоков контактирующих фаз,  увеличить длину  линии барботажа,  создать колебания факела в момент  его входа  в жидкость,  обеспечить постоянную оптимальную скорость входа пара/ газа на входе в слой жидкости независимо от  скорости его подачи в аппарат. Иными словами, можно организовать то самое единство режимно – технологических и аппаратурно – конструктивных факторов воздействия на систему, о  необходимости которого мы уже неоднократно говорили. Это и есть  главный признак реализации системного подхода.

 

Итак, только рассуждая, мы уже фактически нашли много направлений решения  задач оптимизации массообменной техники. Давайте рассмотрим конкретные примеры дальнейшей работы. Конструкций  контактных устройств 5 уровня в мире придумано очень много.  Только в моей базе данных их более тысячи. Спрашивается, зачем так много. Ответ простой – идет конкурентная борьба между машиностроительными предприятиями на  огромном рынке массообменной аппаратуры (примерно 50% от всего химического и нефтехимического оборудования). Как потеснить на рынке  корпорации, которые занимают свой сегмент десятки лет. Задача трудная, но решаемая только путем  появления инновационных решений за счет использования креативных методов.  

 

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

 

Особое внимание мы уделили развитию так называемых клапанных контактных устройств, впервые появившихся где-то в 1940 г. в   США. Они привлекли нас тем, что впервые  обеспечили саморегулирование за счет того, что положение способного перемещаться по вертикали над отверстием в полотне тарелки клапана зависело от расхода пара   через это отверстие. При изменении нагрузки на колонну (а это происходит постоянно) клапан поднимается  или опускается  и размер отверстия (кольцевой зазор между полотном тарелки и клапаном)  обеспечивает более или менее постоянную скорость истечения струи газа, а, значит, стабильные оптимальные  кинетические характеристики процесса при входе факела в жидкость. Мы уже знаем, что это является важной локальной характеристикой  процесса на лимитирующем уровне, обеспечивающей  оптимальные характеристики на более высоких уровнях. Это явление было известно  до нас за счет работ немецких и американских специалистов. Однако, нам удалось в процессе креативной деятельности обнаружить и использовать в целом ряде  систем новое, неизвестное ранее конкурентам явление. Суть его в том, что клапан не просто поднимается или опускается в зависимости от изменения скорости газа, но вследствие 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. Вследствие этого, клапан начинает перемещаться вниз или вверх, чтобы это равновесие восстановилось. Дальше вследствие инерционности клапана явление  повторяется и клапан  совершает постоянные колебания относительно положения 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 в ступенях контакта практически любые колебания, не применяя для этого никакой новой техники, и управлять их характеристиками. Сразу возник вопрос, а какие колебания нужно создавать в аппарате. Если вы внимательно читали предыдущие сообщения, вы ответите сразу же – необходимо обеспечить выполнение принципа  соответствия. Налагаемые колебания по  частоте и амплитуде должны соответствовать по частоте и амплитуде собственной частоте и амплитуде элементов системы на лимитирующем уровне. Наступает  эффект резонанса со всеми вытекающими эффектами

 

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

 

Вот так закончились наши поиски в новом направлении оптимизации массообменной аппаратуры за счет использования автоколебательных режимов работы клапанных контактных устройств. Эти работы были поистине пионерскими и позволили предложить  ряд инновационных проектов и разработок. К примеру,  предложено примерно 50 новых конструкций клапанных контактных устройств для 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 вы выдумываете велосипед? Колебания известны испокон веку, а вы что-то рассказываете о креативности. ”. Попробую возразить. Колебания, в самом деле, известны давно. Знаменитый  американский механик С.Тимошенко (фамилия свидетельствует о его славянском происхождении, может даже украинском) написал великолепную книгу ”Колебания в инженерном деле”  лет 100 назад. Но есть одна немаловажная деталь. Он обстоятельно описал существующие в оборудовании  колебания и ничего не предложил по оптимизации оборудования путем наложения внешних колебаний на систему. Оппоненты могут также возразить, что давно появились ультразвуковые аппараты, где электрические  колебания  создаются специальными генераторами и преобразуются в механические пульсации за счет  достаточно сложных, дорогих взрывоопасных преобразователей. Но  мы сразу отказались от этого дорогого  и энергоемкого направления. В наших работах чаще всего используются автоколебания, уже имеющиеся в  оптимизируемой системе, и их преобразование за счет конструктивных особенностей оборудования.

 

И, наконец, главное. 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 комбинации. Они  есть в наших базах данных, где даны рекомендации по их использованию. Этому я учу своих аспирантов и студентов уже много лет. В блогах их не опишешь. Назову хотя бы некоторые из них  (кроме колебаний): соударение потоков фаз друг с другом и о жесткую преграду, взаимная эжекция фаз,  многократная инверсия фаз, гидравлическое  саморегулирование,  циклическое орошение и др. Кого заинтересовала эта информация и вся статья, могут расширить свои знания, если познакомятся с моей небольшой монографией ”Интенсификация газо – жидкостных процессов химической технологии”, которую можно бесплатно скачать из Интернета.

Если Вы заметили орфографическую ошибку, выделите её мышью и нажмите Ctrl+Enter.
Последние записи
Контакты
E-mail: blog@liga.net