КейсыСегодня кейсов в Базе - 66

Условие задачи:

Имеется емкость — отстойник для очистки воды от взвесей. Однако за время прохождения воды сквозь отстойник часть частиц не успевает осесть и уносится через выходное отверстие. Поэтому для надёжной очистки воды приходится создавать отстойники большого размера. Но как быть, если большой отстойник просто невозможно установить в вашей системе: для него в ней просто недостаточно места?

 

Решение:

 

1. Состав системы:

емкость, вода, частицы взвеси. Частицы взвеси под действием силы тяжести оседают. Часть мелких частиц уносится с водой.

 

2. Конечная цель, с которой ставится задача:

повысить качество очистки при заданных габаритах емкости.

 

3. В какой постановке решаем задачу?

задачу решаем в первоначальной постановке. Обходный путь, при котором исключается появление мелких частиц отходов, по-видимому, предполагает коренное изменение технологических процессов, что требует больших затрат.

 

4. Идеальный конечный результат (ИКР):

система (емкость, вода, частицы) сама обеспечивает повышение качества очистки.

 

5. В чём состоит помеха? В чём заключается существо конфликта? Что мешает достижению ИКР?

помеха (конфликт) в том, что при данных габаритах, то есть длине пути частицы, она не успевает опуститься на дно емкости.

 

6. В чем состоит конкретная научно- или технически обоснованная причина помехи? ("почему мешает")?

Для более глубокого уяснения причины конфликта целесообразно рассмотреть силы, действующие на частицу.

На рисунке:

M — сила тяжести;

FA — выталкивающая сила (сила Архимеда)

FC — сила сопротивления (зависящая от вязкости жидкости).

 

7. При каких условиях помеха исчезнет?

Рассмотрим несколько возможных направлений решения задачи.

Во-первых, это возможность вариации указанных на схеме параметров:

- увеличение силы гравитационного притяжения (на Земле это сделать невозможно);

- уменьшение выталкивающей (архимедовой) силы: для этого нужно поменять воду на другую, менее плотную жидкость; например, — бензин, но это повлечёт за собой полную перестройку технологического процесса и вряд ли возможно;

- уменьшение силы вязкого трения возможно за счёт снижения вязкости жидкости. Как правило, это происходит при нагреве жидкости или при добавлении в неё определённых веществ; можно, как это было отмечено выше, заменить воду менее вязкой жидкостью. Полагаем, что этот путь слишком дорог, и рассматривать его далее не будем;

- снижение силы сопротивления возможно за счёт уменьшения общей площади поверхности частиц, для чего можно попытаться заставить их объединится в конгломераты (площадь поверхности конгломерата меньше площади поверхности частиц, его составляющих). Так, например, если бы частицы были ферромагнитными, их можно было бы намагнитить, и они слипались бы сами. А если они не магнитны?

Похоже, что для массового процесса такие тонкие методы неперспективны, поэтому, опуская шаг 9, перейдем к шагу10 и рассмотрим применение простых приемов.

 

10. В качестве помехи рассмотрим:

- недопустимое увеличение длины емкости (для лучшего осаждения ёмкость должна быть достаточно протяжённой);

- недопустимое снижение производительности процесса (определяемой скоростью осаждения).

В первом случае можно попробовать прием "разделить объект на части, соединенные гибкими перегородками, а во втором — "перейти от прямолинейного движения к вращательному".

 

Контрольное решение:

 

В результате мы выходим на два разных решения:

- в первом случае возникает идея создания целого лабиринта из перегородок, прикрепленных поочередно снизу и сверху емкости, что во много раз удлинит путь воды и частиц взвеси, а, значит, частицы успеют осесть на дно емкости (габариты и принцип действия установки при этом не изменятся!).

- во втором — применить гидроциклон, в котором поток воды входит в емкость по касательной к его цилиндрической части: частицы примесей прижимаются центробежной силой к стенкам, тормозятся ими, оседают и выводятся через отверстие в нижней части устройства, а очищенная вода выносится из емкости центральным потоком. Очевидно, что эффективность очистки такого устройства зависит от скорости вращения потока воды в гидроциклоне.

* * *

При разборе решения использовался «Алгоритм предварительного анализа».

Разбор цитируется по пособию: Гасанов А.И., Кокин С. М. Учебно-методическое издание к курсу «Методы поиска решений творческих инженерных задач» (Часть III), М. 1999 г.