Текст книги "Ресурсы. Аварийный анализ. Исследовательские задачи"

Любое вещество имеет разные фазовые состояния и в этих состояниях обладает различными свойствами, которые могут оказаться полезными для системы.

Таким образом, изменяя фазовое состояние веществ, мы можем получить большое количество полезных ресурсов.

Другим важным ресурсом является «пустота», то есть полости в веществе[9]9
  В ТРИЗ под пустотой понимаются любые полости, в сплошном элементе или материале (при это они могут быть, например воздухом).


[Закрыть].

С учетом сказанного, можно рекомендовать следующие приемы использования вещественных ресурсов:

Прием «Защити себя сам»

Если в системе есть вещество, вредно действующее на техническую систему, проверьте – возможно ли, изменив это вещество, создать защитный слой из него же. Этот слой защитит элементы системы от вредного действия.

Типовые приемы модификации: разложение и синтез веществ; выпаривание жидкой фазы; использование фазовых переходов.

Пример

На Новосибирском оловянном комбинате возникла проблема. Олово, нагреваемое факелом сверху, плавилось в ванне, становилось в жидком состоянии агрессивным. Оно быстро разъедало стенки ванны, изготавливаемые из дорогого коррозионностойкого металла.

Предложено решение: охлаждать стенки ванны для формирования на них постоянно существующего слоя твердого олова[10]10
  Пример мастера ТРИЗ Виссариона Сибирякова.


[Закрыть].

Прием «Модификация поверхности элемента»

Если поверхность какого-либо элемента подвергается износу, то следует проверить возможность изготовления этого элемента с модифицированной поверхностью. Такая поверхность часто бывает более устойчивой по отношению к износу.

Замечание: Как сверхэффект, модифицированная поверхность часто улучшает товарный вид продукта или придает ему новые свойства.

Модификация может быть геометрической, химической, структурной.

Пример

Прокатные валки должны быть твердыми и прочными, чтобы прокатывать металл и не изнашиваться. Это можно достичь с помощью закалки. Но при закалке металл становится хрупким и возникает опасность, что при ударах во время прокатки валок может треснуть и сломаться.

Предложено решение: осуществлять поверхностную закалку валков. Токами высокой частоты нагревается лишь несколько миллиметров поверхности валка и проводится его закалка.

Поверхностные слои при этом получаются прочными и твердыми – это обеспечивает износостойкость валка. В то же время, его сердцевина остается мягкой и пластичной, а значит, при ударах валок не треснет и не разрушится.

Рис. 35. Валок прокатного стана

Пример

Для повышения прочности поверхности валков существуют и другие способы, например, накатка валков – когда поверхность валка обжимают твердосплавным роликом, упрочняя поверхностные слои валка.

Прием «Защита пустотой»

При сильном негативном воздействии поля на среду системы, введение «пустоты» может существенно ослабить негативное воздействие.

Пример

Долгое время считалось, что гидроэлектростанции – экологически чистое производство электроэнергии. Но это не так. Исследования показали, что при прохождении воды через винт гидрогенератора в ней возникает кавитационный эффект. Из-за этого в воде, при прохождении через ГЭС, гибнет до 98 % планктона. По существу, после прохождения ГЭС вниз сбрасывается «мертвая вода», в которой начинает гнить эта погибшая органика.

Каскад из нескольких ГЭС – и река становится мертвой на всем протяжении, а в море сбрасывается вода, отравляющая все живое на многие километры.

Предложено решение: в воду добавлять пузырьки воздуха. На них и будут высаживаться кавитационные пузырьки, становясь намного безопаснее для планктона.

При использовании такого метода выживает около половины планктона, а значит, он сумеет быстро восстановиться [9].

Рис. 36. Схема гидроэлектростанции

Пример

Чтобы защититься от ударной волны при взрывах в ограниченном пространстве используется… пена. Место установки взрывчатого вещества покрывается монтажной пеной, которая гасит ударную волну.

Прием «Пустота – защита от трещин»

Иногда, в процессе работы в элементе системы появляется трещина, которая развивается неуправляемо в произвольном направлении. Чтобы избежать нежелательного неконтролируемого разрушения, рекомендуется сделать надрезы так, чтобы при возникновении трещин они достигали надрезов. После этого трещины идут по наиболее слабому направлению, то есть по надрезу, и уходят в безопасном направлении или останавливаются, попав в пустотную ловушку.

Пример

Инженеры из Германии разработали новый керамический материал на основе окиси циркония и окиси алюминия. Изготовленные из него турбинные лопатки обладают уникальными прочностными свойствами. Хитрость в технологии изготовления лопаток. Их прессуют из порошка, после чего выдерживают при температуре 1500 °C, при этом частички порошка спекаются. После быстрого охлаждения в материале образуются микротрещины размером в тысячные доли микрона. При такой технологии трещины располагаются в шахматном порядке, что обеспечивает торможение одних трещин другими. Этим предотвращается образование и развитие трещин [10].

Рис. 37. Турбинная лопатка

Прием «Вес из внешней среды»

Если по условиям работы техническая система должна быть в одно время тяжелой, а в другое легкой, то решение состоит в использовании сразу двух ресурсов – пространственного ресурса системы и вещества из внешней среды.

Для этого в системе создаются специальные емкости, которые пустые в одно время, и заполнены, например водой, в другое время.

Отметим, что использование такого доступного внешнесистемного ресурса, как вода, резко повышает реализуемость предлагаемых решений.

Пример

У асфальтового катка передняя бочка – полая. При транспортировке катка с одного места на другое полость пустая, то есть легкая. А перед трамбовкой в полость заливается вода, и тяжелый каток хорошо уплотняет асфальт или землю.

Рис. 38. Асфальтовый каток

Пример

Подставка для зонта от Солнца в виде емкости из полипропилена. Она в базовом состоянии (когда пустая) очень легкая, и это удобно при транспортировке. При этом подставка становится достаточно устойчивой (тяжелой) после заполнения ее водой или песком.

Рис. 39. Подставка для пляжного зонта

2.2. Приемы использования энергетических ресурсов

К энергетическим ресурсам относятся все виды полей[11]11
  Для удобства запоминания мастер ТРИЗ Б. Злотин ввел аббривиатуру МАТХЭМ – механическое, акустическое, тепловое, химическое, электромагнитное поле. При этом каждый вид поля имеет много разновидностей. Например, акустическое поле – это звуковое, ультразвуковое, инфразвуковое и другие виды полей.


[Закрыть] и все источники энергии, которые уже есть в ТС (готовые ресурсы) и около нее. При анализе следует рассматривать и производные энергетические ресурсы, которые можно получить из имеющихся источников энергии простыми преобразованиями. Однако, не следует забывать, что для получения производных ресурсов необходимо решить задачи по их получению. Поэтому в первую очередь старайтесь обойтись готовыми ресурсами.

Полный анализ использования энергетических ресурсов начинается с определения потребителей энергии. Затем проводится анализ готовых энергетических ресурсов, а уж затем – производных ресурсов.

Определите все источники энергии (поля) в системе, доступные источники энергии внешней среды, доступные источники энергии надсистемы.

Типовые виды энергии, на которые следует обратить особое внимание в системе и надсистеме:

• электрическая энергия;

• электромагнитные поля;

• тепловая энергия (горячие части системы);

• механическая энергия (движение и вращение валов, роликов и других движущихся частей);

• тепловая энергия отходов (тепло отходящих газов, шлака и др.);

• энергия полей рассеяния (тепловое рассеяние, механические волны, электромагнитные волны).

Пример

Выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания – богатый ресурс, который можно использовать по-разному. Их можно использовать для:

• отопления салона автомобиля;

• заполнения подушек-домкратов, стенок надувного гаража и т. п.;

• вращения турбинки электрогенератора, снабжающего током вспомогательное оборудование автомобиля;

• наддува в зону разряжения за автомобилем для снижения воздушного сопротивления движению.

Пример

Чтобы весной вода в период быстрого таяния снега не стекала в реки и водоемы, а задержалась на полях и успела впитаться в землю, проводят снегозадержание. Для этого снег сгребают в валы. Весной медленно тающие снежные валы постепенно отдают всю влагу земле.

Этот эффект можно усилить, если поверхность валов покрыть ледяной корки. Для образования корки на снежные валы направляют выхлопные газы трактора, осуществляющего снегозадержание [11].

Пример

Многие технологические аппараты требуют отвода тепла. Для этого используют воду, которую приходится охлаждать в градирнях. Это потери воды и тепла. Как быть? Как избежать этого?

На одном из заводов нашли хорошее решение. Расположенный рядом тепличный комбинат с удовольствием занялся решением этой проблемы. Он провел к себе трубы и обогревал горячей водой свои теплицы.

Замечание к примеру: Градирня – довольно стандартное оборудование для многих заводов. И далеко не всем приходит в голову простая мысль, что тепло, которое выбрасывается в атмосферу, может быть эффективно использовано, а вода в виде пара не будет теряться вообще.

Типовые виды энергии, которые можно искать во внешней среде:

• тепло и холод земли и воды;

• энергия ветра и воды;

• энергия Солнца.

Пример

Предложено было использовать Солнце как источник света. На крыше небоскреба установили солнечный конденсатор – прозрачная сфера, внутри которой смонтировано 19 линз Френеля. Собранные ими лучи, направляясь вниз по световодам, попадали на систему призм и зеркал – солнечную люстру, излучающую яркий и бесплатный свет на станции метро. Сверхэффект – высокий психологический комфорт, поскольку свет естественный. Коэффициент полезного действия – почти 100 % [12].

Замечание: подобное освещение может получить широкое распространение с развитием технологий производства световодов – для освещения туннелей, зон под мостами, а также внутренних помещений без окон и коридоров в обычных домах и офисах.

Пример

Солнечные водонагреватели в Турции и Израиле даже зимой дают достаточно горячей воды для жилых домов. Каждая квартира имеет свой водонагреватель.

Рис. 40. Солнечные бойлеры на крышах

Пример

Ветряные мельницы используются еще со средних веков для производства муки. С середины XVIII века в Голландии ветряные мельницы получили новую сферу применения – осушение низменных участков побережья. Сейчас почти половина сельскохозяйственных угодий Голландии – осушенные земли.

Рис. 41. В Голландии ветряки используются для откачки воды

В последнее время ветер используется и для получения электроэнергии. Наиболее продвинуты в этом направлении британцы, которые уже почти треть электроэнергии получают от ветроэлектростанций и продолжают активно строить такие станции.

Рис. 42. В настоящее время значительное количество электроэнергии вырабатывают ветрогенераторы

К более экзотическим источникам энергии относится геотермальная энергия, активно используемая, например, в Новой Зеландии, Исландии или на Филиппинах, а также энергия вулканов. Вряд ли это понадобится вам, но я упомянул эти источники для того, чтобы вы не ограничивались традиционными видами энергии внешней среды, а активно искали различные возможности.

Рис. 43. Геотермальная электростанция. Исландия

При определении производных энергетических ресурсов рассматриваются только те из них, которые могут быть получены из готовых ресурсов без введения сложных новых дорогостоящих элементов. То есть, в основном, за счет тех преобразований, которые уже есть в анализируемой технической системе или около нее.

Пример

Для отопления домов используется земное тепло, получаемое с использованием теплового насоса (схема рассмотрена ниже в п.п. 2.2.3.). Если теплоты земли или воды из-за их низкой температуры недостаточно, то, после ее преобразования в тепловом насосе, появляется возможность использования этой теплоты для отопления.

Пример

Концентрация солнечных лучей цилиндрическими зеркалами позволяет получать температуры в сотни градусов, при этом можно получать струю водяного пара с температурой, при которой она способна вращать турбины.

Рис. 44. Термальная солнечная энергия

Условно все традиционные варианты использования энергетических ресурсов для совершенствования системы можно разделить на три группы:

• отказ от одного или нескольких источников энергии, что позволит свернуть систему;

• появление новых функций технической системы, что расширяет области ее применения и позволяет вывести ее на новые рынки;

• использование энергетический ресурсов внешней среды, что позволит снизить затраты на энергоснабжение.

Отказ от одного или нескольких источников энергии

Для каждого элемента системы проверьте возможность использования какого-либо энергетического ресурса, для того чтобы исключить специальное энергоснабжение этого элемента.

Проанализируйте, есть ли возможность отказаться от какого-либо из источников энергии за счет использования остальных источников или путем их преобразования.

Пример

Сжатие воздуха в компрессоре выполняет двигатель, который нагревается. Чтобы обеспечить нормальную работу двигателя используют воздушное охлаждение. Традиционно вентилятор оснащался для этого своим двигателем. Устранить этот лишний узел в компрессорной установке АВШ-6/8 удалось конструкторам Уральского компрессорного завода. Винт вентилятора установили прямо на конце оси электродвигателя компрессора перед радиатором воздушного холодильника. Таким образом, потребность в специальном двигателе для вентилятора отпала.

Расширение функциональных возможностей ТС за счет ресурсов

За счет ресурсов можно получать новые энергетические действия и поля, что расширяет возможности технической системы.

Проверьте, какие новые функциональные возможности может дать использование энергетических ресурсов.

Пример

Чтобы гоночные машины не «взлетали», сверху устанавливается «антикрыло», обеспечивающее прижимание машины к трассе.

Рис. 45. Гоночный автомобиль Формула-1

Использование энергетических ресурсов внешней среды

Внешняя среда полна ресурсами. Однако специфика этих ресурсов состоит в том, что, как правило, это не очень мощные и не концентрированные виды энергии. Поэтому их использование связано с накоплением или использованием там, где нет потребности в значительном количестве энергии. Типовыми внешнесистемными энергетическими ресурсами являются:

• Тепло воды в водоеме.

Специфическим свойством воды является то, что самая большая плотность у воды при температуре 4 °C. Поэтому все придонные слои имеют такую температуру. Это можно использовать для растапливания льда, если поливать лед водой из придонных слоев рек и водоемов.

Пример

На северных реках зимой возникает проблема обмерзания опор мостов, что может привести к их повреждению.

Предлагается вокруг быков моста устанавливать теплопроводящие пластины, например из меди, которые погружены в реку на глубину, превышающую максимально возможную толщину льда. Эти пластины передадут вверх теплоту нижних слоев воды и тем самым будут препятствовать обмерзанию опор [13].

• Подземное тепло или холод.

Можно воспользоваться и таким ресурсом внешней среды, как тепло или холод, находящиеся глубоко под землей.

Рис. 46. Схема теплового насоса для обогрева дома с теплообменником в земле

Пример

Финское отделение шведской фирмы АГА приступило к опытной эксплуатации установки, которая утилизирует тепло, накопленное за лето в нижних слоях грунта. Во дворе на глубине около метра укладывается трубопровод, по которому циркулирует холодная вода. Нагреваясь от грунта, который на этой глубине имеет температуру не менее 10–12 °C, она идет в испаритель теплового насоса, через который протекает фреон.

Фреон испаряется, попадает в компрессор и там сжижается. При этом фреон нагревается и нагревает воду, подаваемую в систему домашнего отопления. Затем фреон снова попадает в испаритель.

Рис. 47. Теплообменник для теплового насоса, погружаемый в воду

Опыт показал, что участок в 400 квадратных метров обогревает круглый год стоящий на нем односемейный дом.

• Использовать тепло (холод) внешней среды для теплообмена.

Для теплообмена в высокотемпературных процессах используют специальные котлы-утилизаторы. Для охлаждения элементов ТС, которые перегреваются при работе, используют специальные радиаторы. Но, как правило, эти радиаторы работают в том же помещении, где работает техническая система, хотя гораздо эффективнее было бы вынести их во внешнюю среду (на улицу), поскольку там температура намного ниже, чем в помещении, закопать в землю или опустить в водоем.

Рис. 48. Градирня

Пример

Градирни – устройства для охлаждения технологической воды, которая используется в теплообменниках для отвода избыточного тепла из системы. Воду сверху мелкими струйками направляют на большое количество плоских элементов, обдуваемых наружным воздухом. За счет температуры внешнего воздуха и интенсивного испарения вода быстро охлаждается и стекает вниз уже готовой для дальнейшего процесса.

• Использовать солнечные панели для генерации электроэнергии.

Пример

Использование солнечной батареи для энергоснабжения удаленных приборов на дорогах позволяет избегать прокладки линий электропередачи. А быстрое снижение стоимости солнечных батарей делает их применение экономически оправданным.

Рис. 49. Солнечная батарея на переходе обеспечивает энергией информационное табло. Площадь Ленина, Санкт-Петербург

Достаточно часто мы сталкиваемся с ситуацией, когда возникает пиковая потребность в энергии, значительно превышающая энергетические возможности технической системы. В этом случае, если есть временной ресурс, можно использовать накопители энергии.

Пример

Маховик, используемый в гильотинных ножницах, накапливает механическую энергию, которую использует для выполнения реза.

Рис. 50. Гильотинные ножницы

Пример

При пуске мощных авиадвигателей Ан-2 используется стартер, потребляющий ток меньший, чем нужен, для запуска двигателя «Жигулей». Как же при столь низком токе удается запустить двигатель самолета? А очень просто – используется временной ресурс. Стартер раскручивает маховик, накапливающий энергию, а потом маховик раскручивает двигатель.

Вот и получается, что на Ан-2 с поршневым мотором в 1000 л. с. блок «аккумулятор-стартер» весит всего 35 килограммов, в то время как пусковое устройство обычного грузовика – почти 200 килограммов.

Замечание: Накопители энергии позволяют существенно снизить мощность генератора энергии (например, двигателя или электрогенератора) в технической системе, поскольку могут обеспечить систему необходимой мощностью при пиковых нагрузках.

В соответствии с законом повышения идеальности техника постоянно совершенствуется. В частности, этот закон реализуется через тенденцию снижения стоимости продукта [1].

Определение: Под продуктом понимается техническая система, вещество или услуга, которые являются тем, что может быть предложено на рынке потребителю.

Тенденция снижения стоимости продукта: После построения функционального центра[12]12
  Функциональный центр технической системы – минимально работоспособная система, обеспечивающая выполнение новой функции.


[Закрыть] новой технической системы, или разработки новой технологии, или получения нового вещества происходит быстрое совершенствование технологии производства, вызывающее стремительное снижение стоимости продукта. Особенно быстро это происходит для продуктов и технологий, имеющих массовый спрос.

• Следствие 1: Снижение стоимости продукта порождает положительную обратную связь: рост потребления – снижение цены за счет увеличения масштабов производства – дальнейший рост потребления.

• Следствие 2: При снижении цены происходит агрессивное проникновение нового продукта во все смежные зоны в системе и надсистеме, в которых он может быть применен, хотя на первом этапе внедрение происходит только там, где без него невозможно обойтись, и где оправданы любые затраты.

При анализе доступности использования ресурсов необходимо учитывать, что удешевление продуктов резко расширяет возможность использования ресурсов, которые ранее были недоступными.

С учетом использования тенденции удешевления продукта можно уверенно прогнозировать существенное удешевление оборудования для генерации, трансформации и хранения электроэнергии. Это связано с быстрым развитием микроэлектроники и материалов для создания аккумуляторов. Как следствие, резко возрастает возможность эффективного использования внешнесистемных энергетических ресурсов (ветра, Солнца, отходов производства, дешевой зеленой массы), которые до настоящего времени по классификации Злотина – Вишнепольской можно было считать дорогими и недостаточными.