Статьиcегодня статей - 280

Законы развития технических систем берутся за распылители жидкости

Дата публикации: 03.11.2010


©, 2008, Б. А. Шевченко

Можно ли за пару часов улучшить техническую систему, над улучшением которой уже более 10 лет безуспешно бьются специалисты? Используя законы развития технических систем (ТС), автору удалось показать, что резервы повышения степени идеальности ТС всегда есть, особенно если она находится на начальных этапах своего развития.

Как-то ко мне обратилась Светлана Владимировна Кочнева декан факультета Фрунзенского политехнического института: "Мы с руководителем моей диссертационной работы придумали интересный распылитель жидкости. И вот уже, который год не можем придумать ничего лучше. Мы с ним уже решили, что ничего лучше и придумать нельзя. Вот вы, как специалист по технологии изобретательства, можете сказать правы мы или нет?"

А придумали они, и в самом деле, интересную конструкцию распылителя. Существуют центробежные дисковые распылители жидкости, которые используются в сушилках для производства растворимого кофе, сухого молока, яичного порошка и пр. Диск вращается с огромной частотой (50-80 тысяч оборотов в минуту). На диск тонкой струёй льётся жидкость, которая отбрасывается к его краям и распыливается на мелкие капли. С крыши сушилки (высота 15-20 метров, диаметр 15 метров) подаётся сухой горячий воздух. Во время падения капельки жидкости высыхают. В результате на дно сушилки падает порошок готовый продукт.

За 50-70 лет совершенствования распылителей, как я узнал после патентного поиска, изобретатели обычный диск заменили полым диском с каналами, выходящими на его периферию. В этом случае жидкость можно подавать строго по оси диска, что обеспечивает более равномерный и однородный распыл жидкости (специалисты говорят - монодисперсный распыл). Более того, ничего не зная о ТРИЗ, изобретатели объединили две конкурирующие системы, добавив к дисковому распылителю пневмораспылитель - и даже появился термин "пневмоцентробежные" распылители.

А что же придумали декан с руководителем?

Они взяли пневмоцентробежный распылитель и радикально "свернули" его конструкцию [1]. Понятно, что в 1973 году они ничего не ведали ни о ТРИЗ, ни о механизме свёртывания.

Вместо того чтобы к каждому каналу вращающегося диска подводить свою трубку со сжатым воздухом, они между верхней крышкой диска распылителя и корпусом оставили очень маленький зазор, в который и подали сжатый воздух (рис.1). В результате, резко упростилась конструкция пневмоцентробежного распылителя, причем монодисперсный факел распыла удалось получить уже при частоте вращения диска 6-10 тысяч оборотов в минуту.

Конструкция пневмоцентробежного распылителя

Рис 1. Конструкция пневмоцентробежного распылителя
1 корпус, 2 полый диск, 3 распыливаемая жидкость, 4 воздух.

Ну и что из этого?

О! Это очень много. Механики знают, что 80 000 об/мин это постоянная головная боль, связанная с обслуживанием различных экзотических подшипниковых узлов. Предельная частота вращения скоростных шарикоподшипников редко превышает 12 000 об/мин, причем повышение её в три раза снижает срок службы подшипников в десять раз [2]. А 6 000-10 000 об/мин - это используются обычные шарикоподшипники и никаких проблем.

Ну, а если всё так хорошо, то, что же еще нужно?

Вот это я и спросил, и узнал, что есть одна небольшая проблема. При настройке распылителя нужно регулировать диаметр факела распыла. Это можно делать двумя путями: изменением частоты вращения диска или изменением расхода подаваемого воздуха. Частота вращения диска определяется дисперсностью (размерами капелек) распыливаемой жидкости (то есть технологией сушки), и изменять её можно только в узком диапазоне. Расход воздуха можно менять, но на диаметр факела он влияет значительно слабее.

При малом диаметре факела распыла вся сушилка работает неэффективно. Но если диаметр факела будет чуть больше требуемого, то часть продукта, не успев высохнуть, налипнет на стенки сушилки и пригорит. Значит, уменьшится выход готового продукта. К тому же, часть пригоревшего продукта попадет в готовый продукт и снизит его качество. В связи с этим, сушилку придется остановить на внеплановую чистку, что приведет к ее простою до 5-7 часов.

И вот авторы хорошей конструкции уже 11 лет, используя традиционный метод проб и ошибок, "ломают" голову - что же делать дальше? Как повысить степень идеальности распылителя?

А накануне мне друг подарил книгу Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука" (Москва, 1979).
-Садитесь, Светлана Владимировна, будем с вами осваивать новый метод ТРИЗ "вепольный анализ".
-Изделие это то, что нужно обработать, например, изменить, измерить, распылить и так далее, Что будет у нас изделием?
-Любая жидкость, например, молоко.
-Нет, вы не правы. У нас есть проблемы с сушкой? Или скажем так капля жидкости, падая на дно сушилки, успевает высохнуть?
-Успевает.
-Значит, проблем с сушкой у нас нет. У нас есть проблема с изменением диаметра факела распыла. Тогда диаметр факела и будет у нас изделие обозначим его В2. А что такое В1? Это то, что изделие измеряет, обрабатывает и т.д. Что у нас может менять диаметр факела?
-Частота вращения диска и расход воздуха. У нас, что два инструмента?
-Да, два, но первый частоту вращения будем только иметь в виду, но изменять пока не будем, так как на это есть технологический запрет. Вторым инструментом мы можем пользоваться, но он не очень эффективен.

Итак, инструмент у нас комплексный. Он состоит из вращателя диска распылителя В1, который создаёт поле центробежных сил Пцб, и распыливающего воздуха В3, который создаёт поле давлений П?. К этому комплексному инструменту (В1В3) добавим какое-то новое вещество В4. И вот, что мы получили.

Вепольное преобразование пневмоцентробежного распылителя.
Рис. 2. Вепольное преобразование пневмоцентробежного распылителя.

Дисковый распылитель, благодаря полю центробежных сил Пцб, хорошо формирует факел, но возможности этого инструмента ограничены. Воздух, подаваемый в распылитель В3 помогает формировать факел В2, но его поле давления П? слабо влияет на изменение диаметра факела. Значит, в инструмент (В1В3) необходимо добавить какой-то инструмент В4, который обеспечит требуемое изменение диаметра факела.


-И вы думаете, что эти буквы и стрелки нам чем-то помогут в создании новой конструкции?
-Конечно! Они уже помогли. Час назад мы имели очень расплывчатую изобретательскую ситуацию. Которую вы, сколько лет пытались осилить?
-Да … лет десять или больше.

А теперь мы, поработав около часа, имеем очень чёткую изобретательскую задачу необходимо в ваш пневмоцентробежный распылитель что-то ввести и это что-то должно быть инструментом, чтобы повысить эффективность его работы за счет изменения диаметра факела. Эта задача значительно проще. Честно говоря, я уже понял, что необходимо сделать, но мне хочется, чтобы к подобному решению пришли и вы. Давайте посмотрим на распылитель. Воздух выходит в щель между корпусом и диском, и … что?

-И расширяется. Увеличивается его объём. Это немного отклоняет капли жидкости вниз, что уменьшает диаметр факела. При этом он выполняет и свою основную функцию дополнительно распыливает жидкость.
-Отлично. Та часть воздуха, которая расширяется вниз, если я правильно понял, уменьшает диаметр факела, а та часть воздуха, которая расширяется вверх - что она делает?
-Ничего… Теперь я поняла! Нужно к корпусу приварить ограничительный диск! Он не позволит воздуху расширяться вверх, и воздух будет расширяться только вниз.

Ещё минут двадцать споров, обсуждений, объяснения того, что такое "повышение степени динамичности ТС", и новая конструкция пневмоцентробежного распылителя готова. Причём "всё остаётся, как было", а значит, и все полезные свойства распылителя сохранились. Только введено небольшое дополнение, надеюсь понятное из рисунка (рис.3).
Пневмоцентробежный распылитель с дискретной динамизацией.

Рис. 3. Пневмоцентробежный распылитель с дискретной динамизацией.
1 дополнительные втулки, 2 ограничители осевого смещения втулок,
3 устройство смещения и фиксации втулок.

А дополнение - одна или несколько втулок, которые установлены с возможностью смещения по оси корпуса распылителя и с последующей фиксацией [3]. Смещение втулок на различную величину изменяет угол отклонения капель факела на выходе из распылителя (рис. 4), а это позволяет довольно эффективно менять диаметр факела. Так, например, отклонение газо-жидкостной струи на выходе из распылителя на 40о уменьшает диаметр факела распыла примерно в 1,5 раза.

Смещение втулок при настройке обеспечивает дискретное изменение диаметра факела (грубая регулировка), а небольшое изменение расхода воздуха позволяет провести более тонкую регулировку в процессе работы сушилки.

Варианты отклонения газо-жидкостной струи на выходе из распылителя, в зависимости от положения втулок.
Рис.4. Варианты отклонения газо-жидкостной струи на выходе из распылителя, в зависимости от положения втулок.

При испытании опытной конструкции распылителя, изготовленной к концу 1985 года, удавалось уменьшать диаметр факела распыла более чем в 2 раза. Эксперименты выявили "сверхэффект" ступенчатые втулки оказывают дополнительное дробящее действие на капли жидкости. А это значит, можно снизить частоту вращения диска и уменьшить расход воздуха для достижения необходимой дисперсности капель жидкости.

Новая конструкция распылителя в 1986 году получила медаль ВДНХ Киргизии.

А было ли продолжение этой истории?

Вначале никакого продолжения работ с распылителем мы не планировали, но как-то само собой оно получилось. В январе 1985 года мне удалось побывать на семинаре Генриха Сауловича Альтшуллера в Пензе, где я услышал много нового. В частности было сказано о законе повышения степени динамичности и о механизме объединения конкурирующих систем. Уже дома я сообразил, что сам объединил конкурирующие бойки в маятниковом копре [8], что пневмоцентробежный распылитель также объединяет в себе две конкурирующие системы распылителей.

В это время в институте решалась задача создания распылительных сушилок для мясокомбинатов Киргизии. Они должны были сушить осветлённую кровь животных - ценную белковую добавку в пищевые продукты. В этом случае диаметр факела распыла жидкости необходимо было довести до 5-8 метров и максимально повысить эффективность сушки.

Факел распыла занимает около 10-15% объёма сушилки узкое кольцевое пространство вдоль стенок. А сухой горячий воздух подаётся по всему сечению сушилки. Поэтому большая его часть выходит из сушилки по прежнему "сухой и горячей", то есть этот воздух "простреливает" сушилку без пользы. Если воздух подавать только по кольцу, то возникает обратное движение воздуха вдоль оси сушилки, что нарушает технологию сушки.

Патентный поиск показал, что в ФРГ выдано много патентов на сушилки, в которых центральная часть имеет помещение, заполненное вспомогательным оборудованием. Нам это не подходило, так как наша сушилка должна была иметь сравнительно малые размеры. Стала актуальной новая задача как увеличить заполнение объёма камеры сушилки факелом распыла?

Когда С.В. Кочнева в конце 1986 года подробно рассказала мне обо всех этих проблемах, то, после успешной динамизации маятниковых копров [8], я посоветовал ей: "Динамизируйте что-нибудь из того, что влияет на диаметр факела пусть он будет переменным по диаметру, то есть "дышит, пульсирует".

Помните регулировочные втулки, которые мы ввели в предыдущую конструкцию? Если заставить их постоянно перемещаться вверх-вниз (рис.5), то степень заполнения сушилки факелом можно будет довести до 30%, а может быть и выше. Будем считать, что мы сделали третий шаг в повышении степени динамизации распылителя ввели управляемое изменение диаметра факела. Привод втулок может быть любым, например, используем кулачковый механизм [4]. Он позволит, подбором кулачков различного профилями, реализовать любые законы движения втулок.

Пневмоцентробежный распылитель с непрерывной динамизацией.
Рис. 5. Пневмоцентробежный распылитель с непрерывной динамизацией.
1 дополнительные втулки, 2 ограничители осевого смещения втулок, 3 подпружиненные толкатели, 4 кулачки, 5 привод вращения кулачков.

-Фантастика! Это придумал ты, или опять скажешь, что Альтшуллер?
-Повышение степени динамичности и механизм этого процесса придумал Г.С. Альтшуллер и это подробно описано в его книге "Найти идею. А мы сейчас думаем, как эти идеи приложить к конкретной технической системе.
-Подожди. Я что-то не поняла. Уже можно оформлять заявку на изобретение?
-Нет, ещё рано. Мне давно хочется объединить какие-нибудь конкурирующие системы в распылителях для сушилок. До нас уже две конкурирующие системы в распылителе объединили. Какие ещё бывают распылители для сушилок?
-Бывают ещё форсуночные центробежные распылители, но в этих сушилках столько проблем, что мы от их использования сразу же отказались.
-Стоп! Вот теперь точно всё. Можно оформлять две заявки на изобретения.
-Какие две? Мы же говорили пока про одну.
-А вот вторая установим центробежную осевую форсунку по оси нашего распылителя и частично свернём систему подачи распыливаемой жидкости в форсунку и в пневмоцентробежный распылитель (рис.6). Факел центробежной форсунки заполнит почти всю центральную часть сушильной камеры. В результате получим почти 100% заполнение сушильной камеры факелом распыла. Ну, как? Пойдёт?

Итак, в последней конструкции нам удалось объединить сразу три конкурирующие системы. При этом их положительные качества сохранились, а недостатки пропали.

Две заявки на изобретения были отправлены в начале 1987 года. Для упрощения переписки с экспертизой по второй заявке, мы убрали из распылителя пневмораспылительную часть [5].

Центробежный распылитель с осевой центробежной форсункой
Рис. 6. Центробежный распылитель с осевой центробежной форсункой.
1 дисковый распылитель, 2 осевая центробежная форсунка высокого давления, 3 радиальные форсунки низкого давления, 4 система подачи распыливаемой жидкости, 5 привод вращения диска, 6 основание.

Распылитель стал максимально динамизированным и дальше его совершенствовать не нужно?

Все так и думали. А я все время помнил про четвёртый этап динамизации (дискретно непрерывно управляемое самоуправляемое). Факел должен "дышать" не за счёт дополнительного кулачкового механизма (рис.5), а распылитель должен это делать "сам" за счёт, например, каких-то ресурсов системы. Просмотрел все имеющиеся ресурсы всё не то.

Эксперименты с распылителем успешно продолжались, но была одна неприятность. Как бы аккуратно не подавали жидкость по оси диска, всё равно появлялся небольшой дисбаланс, и корпус распылителя немного вибрировал, передавая вибрации на корпус сушилки. Это нам всем, конечно, не нравилось, и мы пытались уменьшить вибрации корпуса сушилки. Но потом заметили "сверхэффект" вибрации корпуса сушилки способствовали тому, что готовый продукт со стенок сушилки осыпается на дно, что упрощает его извлечение. Все довольны убирать такую вибрацию не нужно. А у меня появился новый ресурс. Как заставить вибрацию корпуса распылителя "саму" менять диаметр факела распыла?
Ну, это уже для специалиста ТРИЗ "арифметика", то есть задача решается просто. Приём N 18, "Использование механических колебаний",- они уже есть и необходимо создать автоколебания какой-то части распылителя, лучше резонансные. Приём N 15, "Повышение динамичности": разделить распылитель на части, одна из которых будет колебаться и формировать факел переменного диаметра.

Разделим диск на верхнюю и нижнюю части. Верхняя часть связана с приводом, и её менять не будем, а нижней части предоставим возможность смещаться. Свяжем нижнюю часть с верхней через шлицевое соединение и упругий элемент (рис.7).

Частота собственных колебаний упругого элемента должна совпадать с чем? Правильно. С частотой вибрации корпуса, то есть с частотой вращения диска распылителя [9]. С такой же частотой будет изменяться в заданных пределах и диаметр факела распыла пневмоцентробежного распылителя.

Центробежный распылитель с вибрирующей нижней частью диска
Рис. 7. Центробежный распылитель с вибрирующей нижней частью диска.
1 корпус, 2 верхняя часть диска, 3 нижняя часть диска, 4 упругий элемент.

Колеблющаяся нижняя часть диска меняет зазор между диском и корпусом распылителя. Это приводит к колебаниям направления вектора скорости распыливающего воздуха, что, в свою очередь, изменяет диаметр факела распыла (рис.8).

Изменение диаметра факела распыла.

Рис. 8. Изменение диаметра факела распыла.

В мае 1987 года я из Фрунзе перебрался жить в Россию в город Старый Оскол. Заявка на изобретение моим соавтором была отправлена в августе 1989 года.

Итак, при совершенствовании технической системы (ТС) удалось пройти все четыре этапа повышения её степени динамичности, причём прямо "по Альтшуллеру". Моя коллега считала, что создала совершенную систему и её уже нельзя улучшать. Но, используя законы развития ТС, удалось показать, что всегда есть резервы повышения степени идеальности ТС, особенно если она находится на начальных этапах своего развития.

Кстати, можно подумать и о дальнейшем совершенствованием "форсуночнопневмоцентробежных" распылителей. Например, повысить "степень свёртывания"; увеличить вепольность; посмотреть, что посоветуют стандарты; перейти в чём-то на микроуровень; использовать необычные физические эффекты; оптимизировать размеры и параметры работы.

Успехов вам и пионерских изобретений.

Литература

1. Бочкарёв Я.В., Кочнева С.В. Форсунка. А.с. СССР №728930, 1973, В05В 3/10.
2. Слюдиков М.Н. Проектирование деталей, узлов, приводов и механизмов летательных аппаратов. М., Машиностроение, 1967. С. 317.
3. Кочнева С.В., Шевченко Б.А. Форсунка. А.с. СССР №1139517, 1983, В05В 3/10.
4. Шевченко Б.А., Кочнева С.В., Викулов В.Э. Форсунка. А.с. СССР №1419733, 1987, В05В 3/10.
5. Шевченко Б.А., Кочнева С.В. Устройство для распыления. А.с. СССР №1475722, 1987, В05В 3/10, В05В 3/12.
6. Шевченко Б.А., Кочнева С.В. Перспективные направления совершенствования дисковых распылителей. Полвека Белгородской области: итоги, проблемы, перспективы. Сборник научных трудов. Старый Оскол, 2003. Изд. СТИ МИСиС. С. 155-157.
7. Кочнева С.В., Шевченко Б.А. Устройство для распыления растворов и суспензий. А.с. СССР №1666202, 1989, В05В 3/10.
8. Шевченко Б.А. Совершенствование маятникового копра для исследования изделий на ударные воздействия. "Полвека Белгородской области: итоги, проблемы, перспективы". Сб. научн. трудов. Старый Оскол, 2003. Изд. СТИ МИСиС. С. 152-155.

Добавить в блокнот

(Голосов: 0, Рейтинг: 0)


Добавить комментарий:

Комментарии:
  • paynCFX|2021-06-15|Авто и спецтехника из Японии

    Автомобили со стоянок и аукционов Японии, таможенное оформление, доставка в порт Находка и Владивосток из Отару, Фусики, Ниигата. Тел 79910690696 WhatsApp