Алейникова Г.М. Системы технологий: общие положения, технология туристической деятельности

Подождите немного. Документ загружается.

Параметрические представляют собой графическое изображение тех-

нологических схем, машин, аппаратов, потоков сырья и продукции.

Морфологические показатели обозначают зависимость возможностей и

взаимодействий каждой операции – это связи между отдельными элементами

системы, к которым можно отнести статические, кинетические и другие свя-

зи качественного или количественного характера, обусловливающие техно-

логический режим и конструктивные параметры машин и аппаратов.

Функциональные показатели отражают взаимосвязи между технологи-

ческими операциями в технологической линии, могут устанавливаться ана-

литически или экспериментально. Это связи структуры производственного

процесса.

Главная цель технологии может быть достигнута только при получении

количественной оценки завершенности процесса и качества продукции.

Основным методическим подходом к технологии как к науке является

установление наиболее существенных связей между параметрами отдельных

технологических операций и в целом структуры технологической линии, вы-

бор известных или разработка новых способов их количественной оценки.

Эти методы базируются на фундаментальных науках либо на идеальных мо-

делях отдельных явлений, связей, стадий технологичной линии. В последнем

случае первоосновой морфологических и функциональных показателей объ-

ектов технологии является идеализация параметрических показателей, а за-

тем морфологических, что позволяет установить наиболее важные и сущест-

венные закономерности стадий. При составлении функционального описания

технологической линии модели учитываются ранее установленные сущест-

венные закономерности отдельных стадий, влияющие на заложенные показа-

тели качества технологической линии. Количественные оценки технологиче-

ского процесса требуют использования принципов измерения и вычислений

(математическое моделирование).

Любая технологическая линия характеризуется производительностью,

себестоимостью, качеством, конкурентоспособностью продукции и другими

показателями.

Качество продукции должно удовлетворять требованиям национальных

и международных стандартов, которые установлены ISO (Международная

организация по стандартам, г. Женева). По ISO стандарт качества имеет се-

рию 9000, для экологических показателей – 14000.

2.3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1. Технологические системы должны отвечать закону равновесия,

включающему требование сохранения массы и энергии.

2. Применительно к тепловым процессам закон сохранения энергии,

выведенный великим М.В. Ломоносовым, известен как первый закон термо-

динамики, провозглашающий, что теплота и работа эквивалентны друг другу

и могут взаимно превращаться, т.е.

LΑq

где q – количество теплоты, превращенной в работу, на единицу массы рабо-

чего тела, ккал/кг;

А – тепловой эквивалент работы,

427

=Α

ккал/кгм (величина

427 кгм/ккал – механический эквивалент теплоты);

L – работа, полученная в результате превращения q.

Для выведения системы из состояния равновесия необходимо прило-

жить внешнее воздействие какой-либо природы (изменение температуры,

давления, концентрации и других показателей). Причем, например, все хи-

мико-механические процессы разделяются на обратимые и необратимые. Не-

обратимые происходят лишь в одном направлении (сушка, дробление, прес-

сование и др.), обратимые – обычно в условиях, близких к равновесным, при

которых соотношение компонентов остается неизменным, а при изменении

внешних показателей, к которым относятся температура, давление, концен-

трация, процесс становится обратимым, т.е. система неравновесная.

3. Влияние основных параметров технологического режима на равно-

весие в различных системах описывается вторым законом термодинамики.

В системе, выведенной внешним воздействием из состояния равновесия,

происходят изменения, направленные на ослабление воздействий, которые

выводят систему из равновесия. Согласно второму закону термодинамики

изменение количества тепла, сообщаемое 1 кг тела, равно или меньше произ-

ведения изменения энергии на абсолютную температуру: для обратимых

процессов dg = Т × ds, для необратимых dg < Т × ds, где dg – количество теп-

ла, сообщаемое 1 кг тела; s – энтропия, зависящая от состояния тела и для 1

кг имеющая размерность ккал/кг; Т – абсолютная температура, К.

Таким образом, энтропия системы либо возрастает при необратимых

процессах, либо остается без изменения при обратимых процессах, но не мо-

жет уменьшиться. Необходимое условие обратимости – отсутствие трения,

что практически невозможно.

В общем нужно отметить, что физическая или химическая системы

представляют собой совокупность взаимодействующих тел в соответствии с

физическими или химическими закономерностями.

4. Кинетика изучает изменение характеристик процесса во времени,

т.е. скорость протекания процесса. Для описания такого изменения обычно

используются дифференциальные уравнения, направления протекания про-

цесса описываются законами термодинамики. В общем случае уравнение ки-

нетики выражает зависимость скорости какого-либо процесса от изменения

его потенциала, т.е.

V = L × X, (2.1)

где V – скорость процесса (например, изменение массы во времени);

L – кинетический коэффициент для данного процесса и компонента;

Х – потенциал, показывающий степень отклонения системы от состоя-

ния равновесия (градиенты концентрации, температуры, давления и т.д.)

Под кинетическим коэффициентом понимается скорость изменения

при потенциале, равном единице, т.е. коэффициент теплопроводности, теп-

лопередачи, константы скорости химической реакции и др.

При протекании нескольких процессов учитываются кинетические ко-

эффициенты каждого из них. Например, при нагревании жидкости в емкости

протекают следующие процессы в единицу времени: теплопроводность через

стенку, теплоотдача от жидкости к стенке. Каждый процесс характеризуется

своим коэффициентом, т.е. коэффициент теплопередачи является комбина-

цией коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи. Так как обычно в тех-

нологической системе происходит несколько процессов, вызываемых дейст-

вием нескольких сил, то уравнение кинетики в общем виде должно предста-

вить сумму эффектов каждой силы.

Физическая и физико-химическая кинетика отражает изменения макро-

скопических процессов в системах, выведенных из состояния термодинами-

ческого равновесия. Она описывает тепло- и массообменные процессы, суш-

ку, охлаждение, дробление, разделение и другие механические процессы.

Биологическая кинетика изучает закономерности явлений, происходя-

щих в живой природе. Она включает четыре основных направления: биохи-

мическую, биофизическую, микробиологическую и популяционную кинети-

ку.

В зависимости от уровня изучаемой живой природы биологической

системой называют совокупность взаимодействующих молекул в клетке

(клеточно-молекулярный уровень), организмов, популяций (популяционный

уровень) и разных популяций в окружающей среде (биогеоценоз). В фунда-

ментальной науке уровни организации живого имеют следующую иерархию:

ген – клетка – орган – организм – популяция – сообщество. Экосистема как

биоценоз включает все живое (флору, фауну, микроорганизмы, НS) и среду

обитания (атмосферу, гидросферу, литосферу). С точки зрения технологиче-

ской системы она существует за счет протекания биохимических процессов.

Все живое характеризуется химическим составом, массой и энергией. Если

последняя не накапливается, например, в процессе фотосинтеза для расти-

тельного мира или переработки пищи в животном, то живой организм пре-

вращается в мертвый или отмерший с протеканием процессов разложения

физической природы.

Технология пищевых производств отличается от ряда других химико-

технологических процессов ввиду непостоянства качественных показателей,

используемых продуктов, их неустойчивости (лабильности) при высоких

температурах, давлении, что в конечном итоге сказывается на производи-

тельности или продуктивности технологического процесса. Кроме того, для

быстропортящихся продуктов требуется применение дополнительного обо-

рудования – холодильников, т.е. нового звена в системе технологии.

Для пищевой промышленности наибольшее значение имеет биохими-

ческая кинетика, изучающая скорость биохимических реакций, в которых

важное значение имеют ферменты. Кинетические методы позволяют устано-

вить механизм ферментативного катализа. О высокой скорости протекания

биохимических процессов в живой природе свидетельствует такой пример: за

сутки гусеница поедает листовую массу, в 200 раз превышающую массу са-

мой гусеницы. В биохимических процессах обычно участвуют ферменты, иг-

рающие роль катализаторов, характерных для неживой (абиогенной) приро-

ды, т.е. они не нарушают равновесие реакции и не изменяют свою массу. При

мягких физиологических условиях (рН = 7, t = 37°С) ферменты увеличивают

скорость процессов в 10

– 10

раз.

ТЕМА 3. ПРИОРИТЕТНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ

И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЙ

3.1. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Эффективность различных отраслей производства, основанного на не-

изменных традиционных технологических принципах, не имеет перспектив

роста на какой-либо продолжительный период. После стабилизации проис-

ходит уменьшение эффективности, выражающееся в снижении качества,

стоимости реализации, конкурентоспособности и других показателей. Даль-

нейший рост невозможен без совершенствования параметров или всего тех-

нологического процесса на основе использования результатов научных ис-

следований.

На настоящем этапе развития технологических систем выделяют 6 ос-

новных перспективных направлений и тенденций.

1. Важную роль сейчас играют процессы микробиологического синте-

за. Это и выработка микробиомассы (дрожжи, белково-витаминные концен-

траты), биохимической (лекарства, органические кислоты, витамины, спир-

ты) и химической (6-аминопенициллиновая кислота) продукции, биоочистка

сточных коммунальных и производственных вод в биопрудах, био- и аэро-

тенках и др. Безусловно, все эти технологии предусматривают многостадий-

ность операций и процессов (например, дозирование, нагревание, фильтро-

вание, флотацию, коагуляцию и др.), соответствующих или предшествующих

протеканию биохимического процесса. Биотехнологии также применяются в

ряде устройств, позволяющих измерять различные физические параметры.

Биодатчики реагируют на различные вещества как в газовой, так и в жидкой

средах. Эти датчики изготавливаются на основе глобулярного белка, фермен-

тов или колоний микроорганизмов. Наиболее простой принцип – молекулы

белка избирательно поглощают атомы или молекулы другого вещества и из-

меняют свои размеры, что фиксируется прибором. Это дает возможность оп-

ределять не только факт наличия контролируемого вещества, но и его кон-

центрацию. При некоторых окислительных реакциях ферменты начинают

светиться, т.е. возникает биолюминесценция, интенсивность которой зависит

от концентрации ферментоактивного белка и может быть измерена. В датчи-

ках ферменты обычно наносятся на так называемую подложку из инертных

материалов.

2. Большие перспективы открываются в использовании молекулярной

микроэлектроники в устройствах памяти и сохранения информации в ком-

пьютерах. Одним из материалов в таких устройствах является бактериоро-

доксин, который может находиться в растворе и в тонкой пленке без измене-

ния своих свойств при нагревании до 100°С, в электрических и электромаг-

нитных полях и во многих химических веществах. На его основе может быть

создано биовычислительное устройство для ЭВМ. Физической реализацией

являются квазидвумерные кристаллизованные пленки белков и ферментов.

Элемент активной среды – молекула белка с линейным размером 3–5 нм.

Пленка площадью 1 см

содержит около 10

таких элементов, что позволяет

осуществлять 10

переключений в секунду, т.е. выполняет роль процессора.

Таким образом, важным направлением биотехнологий являются конст-

руирование и разработка технологии получения молекул и их агрегатов, спо-

собных сохранять, передавать и преобразовывать информацию о происходя-

щих технологических процессах.

3. Традиционная технология производства электроэнергии, основан-

ная на последовательной трансформации химической энергии топлива в теп-

ловую энергию, затем в кинетическую энергию пара, механическую энергию

роторов турбин и, наконец, в электроэнергию, требует дорогостоящего гро-

моздкого оборудования и сопряжена с большими потерями энергии сжигае-

мого топлива. В этой связи для повышения эффективности производства

энергии, наряду с совершенствованием системы защиты технологии ее полу-

чения в урановых ядерных реакторах, большое значение приобретают иссле-

дования и переход к промышленному освоению МГД-генераторов, исполь-

зующих магнитогидродинамический метод прямого преобразования органи-

ческого топлива в электроэнергию, а также изыскание экономических нетра-

диционных источников энергии, основанных на использовании энергии

Солнца, глубинного тепла Земли, ветра, морских волн и др.

Поиск и разработка принципиально новых технологий должны базиро-

ваться на результатах фундаментальных исследований, но с обязательным

учетом установленных естественными науками закономерностей и фактора

экономичности. Например, пока является нерентабельным по экономическим

соображениям прямое превращение химической энергии окисления водорода

в электроэнергию в газовых элементах.

4. Следует отметить, что ограничения имеются не только в традицион-

ных отраслях промышленности, но и в таких сравнительно новых, наукоем-

ких отраслях, как микроэлектроника.

При создании сверхбыстродействующих компьютеров, работающих со

скоростью 10

операций в секунду, следует учитывать, что скорость элек-

трического сигнала (равная скорости света) составляет 3 см за 10

с. Это оз-

начает, что размеры ЭВМ должны быть не более 3 см × 3 см × 3 см во избе-

жание задержки, связанной со временем распространения света. Учитывая,

что в таком малом объеме потребуется разместить несколько сотен тысяч

электронных схем, потребовалась разработка технологии съема тепла вслед-

ствие достаточно высокой энергии рассеяния. В современных условиях рас-

ширение использования результатов фундаментальных исследований для

разработки принципиально новых технологий обусловливает актуальность

изучения закономерностей и экономического механизма перехода от сущест-

вующих к принципиально новым технологиям, прогнозирования их появле-

ния. Основной базой для предвидения будущего развития технологии являет-

ся анализ современных достижений науки, тенденций ее развития, установ-

ление причинно-следственных и временных зависимостей технологий от

фундаментальных исследований, учет социального устройства общества для

оценки последствий и форм применения новых технологий.

Принцип непрерывности, поточности технологии в настоящее время

реализуется в обрабатывающих отраслях (машиностроении, легкой промыш-

ленности и др.) с помощью гибких автоматизированных производств (ГАП).

Объективная необходимость ГАП обусловлена потребностью быстрой

сменяемости выпускаемых изделий, оборудования и товаров народного по-

требления.

Опыт показывает, что применение единичных станков с ЧПУ, роботов

и других элементов, входящих в ГАП, не позволяет существенно повысить

эффективность производства. Но при системном, комплексном их использо-

вании в ГАП происходит переход количества в качество в условиях, когда

переналадка становится практически органической частью технологии и

производится автоматически с помощью ЭВМ и микропроцессоров.

Реализация всех потенциальных возможностей ГАП позволит сокра-

тить производственный цикл до 30 раз, повысить коэффициент сменности

оборудования до 2,6-3, коэффициент его использования – до 0,85-0,9, сокра-

тить время подготовки производства на 50-75%, численность персонала – на

30%.

5. Важное значение в современных условиях приобретает переход к

замкнутым технологическим схемам, предусматривающим полную утили-

зацию отходов производства, использование экстремальных величин темпе-

ратуры и давлений. Однако последний признак не является абсолютным, так

как биотехнологические процессы протекают и при обычных природных ус-

ловиях. Один из признаков перехода к новым технологиям — повышение

степени их стационарности.

Широкое промышленное применение новых технологий в значитель-

ной мере зависит от их ресурсоемкости, прогресса науки и техники в других

отраслях. Так, увеличение объемов производства синтетических топлив пу-

тем сжижения угля требует большого количества воды. С аналогичными

трудностями сталкивается технология использования энергии глубинного те-

пла Земли, содержащейся в "сухих" породах (например, в Карпатах).

Существующие технологические процессы тесно взаимосвязаны и

взаимообусловлены. С появлением принципиально новых технологий усили-

вается степень их взаимообусловленности (особенно между различными от-

раслями хозяйства и областями знаний). Этому способствуют наличие сис-

темных связей между наиболее перспективными видами новых технологий,

интенсивность их взаимодействия, несмотря на то, что область применения

указанных технологий охватывает зачастую весьма отдаленные друг от друга

сферы человеческой деятельности.

6. В будущем последствия взаимодействия между микроэлектрони-

кой, технологией "искусственного интеллекта" и биотехнологией могут

превзойти достижения всех предшествующих промышленных революций.

Например, на стыке электроники и биотехнологии при решении задач кван-

товой химии открываются возможности создания новых молекул синтетиче-

ских ферментов.

Совершенствование технологий разработки элементной базы, запоми-

нающих устройств современных ЭВМ требует принципиально новых техно-

логических решений при создании соответствующих новых материалов.

Если рассматривать совокупность технологии как взаимосвязанную

систему, то можно прогнозировать появление новых технологий на основе их

применения в тех или иных отраслях. Это положение основывается на уни-

версальности результатов фундаментальных исследований, на базе которых

создаются принципиально новые технологии, их использовании в различных

отраслях науки и техники. В качестве примера можно привести применение

лазеров в промышленности, связи, медицине, научных экспериментах.

Прогнозировать появление принципиально новых технологий можно

также, исходя из подобных свойств различных предметов труда, на которые

воздействуют с помощью одного и того же физического, химического или

другого метода, разработанного в результате фундаментального исследова-

ния.

В современных условиях основное содержание деятельности человека

все больше переносится в область научных исследований и разработок. В по-

следние годы наблюдается тенденция к увеличению затрат на научные ис-

следования в индустриально развитых странах, особенно в таких отраслях,

как станкостроение, электротехника, приборостроение, электроника, являю-

щихся катализаторами научно-технического прогресса.

3.2. ПРИНЦИПЫ РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Производство любой продукции связано с потреблением сырья, энер-

гии, вспомогательных материалов, использованием оборудования, приборов

контроля, умственного и физического труда человека. Эти слагаемые опре-

деляют себестоимость продукции. Во многих производствах значительную

часть себестоимости составляет стоимость сырья и материалов, поэтому

обеспечение их качества, рационального использования и установление нор-

мативов являются важными задачами. Главные показатели качества сырья –

это наличие в нем полезных компонентов и технологичность их извлечения.

Последняя оказывает главное влияние на стоимость единицы сырья. Напри-

мер, в урановой руде содержится около 1% урана, в марганцевой – 20–50%

марганца, в медной – 05–3,0% меди, в железной – 50-70% железа, в сахарной

свекле – 16–24% сахара, выход мяса составляет около 50% живого веса жи-

вотного.

Вспомогательное сырье и материалы используются для интенсифика-

ции или просто для осуществления технологического процесса: это раство-

рители, пенообразователи, сорбенты (природные и синтетические) для изби-

рательного поглощения вредных примесей. Вспомогательным сырьем или

рабочим материалом являются вода и воздух.

Для многих видов сырья, особенно полезных ископаемых, остро стоит

проблема комплексного извлечения и переработки всех компонентов без от-

ходов. В принципе невозможны безотходные технологии во многих произ-

водствах. Однако отходы некоторых технологических процессов могут слу-

жить сырьем для другой продукции. Например, шлаки металлургических за-

водов содержат многие редкие элементы и широко используются в дорожном

строительстве. Отходы можно разделить на три вида: выбросы в атмосферу,

сбросы в водоемы и твердые (промышленные и бытовые), размещаемые в

основном на земной поверхности или затопляемые в морях и океанах (дам-

пинг). Снижение объемов отходов и их повторное использование позволяют,

во-первых, улучшить экологическую обстановку, во-вторых, получить до-

полнительный доход за счет реализации отходов как вторичного сырья и

снижения экологических платежей за загрязнение окружающей среды. Дей-

ствующий в Украине экономический механизм поощрения за снижение от-

ходов предусматривает бесплатное извлечение из недр попутного полезного

ископаемого или материала. Ресурсные платежи вносятся только за добычу

основного полезного ископаемого. Например, на шахте им. Засядько в

г. Донецке селективно извлекается один из слоев глинистого сланца, который

реализуется кирпичному заводу, и платежи в бюджет за его добычу не вно-

сятся при обязательных платежах за добычу угля.

Человечество все наращивает добычу полезных ископаемых и энерго-

потребление. Считается, что через каждые 11 лет потребность в сырье удваи-

вается. Однако многие сырьевые источники относятся к так называемым ис-

черпаемым, и их возобновление в природе в обозримом будущем невозмож-

но. Это главным образом полезные ископаемые. Помимо решения проблем

энерго- и ресурсосбережения природной сырьевой базы, необходимы разра-

ботка и внедрение нетрадиционных способов получения энергии (например,

сооружение ветровых электростанций (в Донецкой области – Новоазовская

ВЭС), использование солнечных батарей, энергии морских приливов-отливов

и волн, термальных источников и др.), а также замена ряда природных мате-

риалов синтетическими. Так, для добычи 1000 т натурального каучука необ-

ходим труд 15,5 тыс. человек, а для производства такого же количества син-

тетического каучука – всего 15 работников. Очень важна замена использо-

вавшихся ранее пищевых продуктов непищевыми, например получение эти-

лового спирта из этилена вместо картофеля, пшеницы и жира.

К сожалению, затраты энергии на производство продуктов питания в

Украине в 2,4 раза больше, чем в Европе. Эффективность использования

энергии в технологическом процессе оценивается по энергетическому балан-

су, основанному на законе сохранения массы и энергии. Часть использован-

ной энергии в технологическом процессе или в отдельной операции оценива-

ется тепловым КПД либо коэффициентом использования энергии, под кото-

рыми понимается отношение количества теплоты (энергии), полезно исполь-

зуемого в процессах, к ее общему затраченному количеству. Количество

энергии, подведенной к системе и полученной в результате превращений (от-

веденной энергии), должно быть равно количеству, затраченному на осуще-

ствление отдельных этапов процесса, преобразованному в другие виды энер-

гии, отведенной из системы и затраченной в виде потерь в окружающую сре-

ду. Эффективным способом снижения затрат является использование отрабо-

танных теплоносителей в последовательных технологических процессах,

требующих более низкой температуры, чем в предыдущем процессе, в том

числе для предварительной подготовки нагреваемого рабочего потока жид-

кости или газа. Важное значение имеет качество изоляции теплопроводов

(особенно неудовлетворительное состояние водопроводов систем отопления

в жилищно-коммунальном хозяйстве).

3.3. ПРИНЦИПЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ

Под интенсификацией понимается увеличение скорости, т.е. сокраще-

ние времени технологических операций, повышение мощности, увеличение

объема выхода продукта и др. Общее условие обеспечения интенсификации

может быть определено первым законом термодинамики:

CKQ

∆

, (3.1)

где Q – величина потока теплоты или массы вещества;

К – химический коэффициент, зависящий от физико-химических

свойств материала;

ΔС – изменение во времени движущей силы.

Для каждого вида переноса массы и энергии формула (3.1) имеет свои

особенности. Например, для переноса теплоты через пластину площадью F

при перепаде температур Δt за время

величина теплового потока имеет

вид:

τtFKQ

∆=

, (3.2)

изменение массы (концентрации) Q при переносе, например, через мембрану

площадью F

)CC(FKG

0п

−=

, (3.3)

где С

– начальная концентрация газа;

С – концентрация на момент времени τ;

, К

– кинетические коэффициенты соответственно для теплопередачи и

переноса вещества.

В общем случае увеличение движущей силы на единицу поверхности в

единицу времени достигается за счет повышения разности температур, кон-

центрации компонента, его парциального давления обычно в начальной ста-

дии и снижения – в заключительной. Увеличение поверхности контакта фаз

достигается дроблением, диспергированием, распылением, перемешиванием,

созданием так называемого кипящего или взвешенного слоя, вибрацией,

ударным или акустическим воздействием, своевременным выводом из аппа-

рата выделенных веществ.