Тема 2. Технологическое развитие и его закономерности

2.1. ПУТИ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

В развитии технологических процессов возможны два основных на­правления: воздействие на отдельные составляющие технологии и сущест­венное изменение технологических процессов. Первое направление, при ко­тором суть технологии не изменяется, называется эволюционным, а второе, приводящее к значительным количественным и качественным результатам, - революционным. Технические решения революционного типа, так же как и их экономическая эффективность, всегда эффективнее, чем эволюционного. Это обусловлено проведением и внедрением результатов научных исследований и конструкторских разработок, требующих, в свою очередь, финансирования и определенного времени окупаемости. Достижения технологий революци­онного типа не только оправдывают вложенные средства, но и обеспечивают получение многих положительных эффектов в той сфере, в которой внедре­ны новейшие технологии, а зачастую и в смежных областях. Яркий пример -информационные технологии в социальной, культурной, образовательной, туристической и других сферах.

Системы технологий как комплекс операций в производственной и не­производственной сферах могут характеризовать «жизненный цикл» товар­ной продукции, а также особенности, влияющие на сбыт продукции, ее цену. Модели жизненного цикла (рис. 2.1) представляют собой зависимости полез­ности состояния технологической единицы 2 и интенсивности затрат на ее изготовление II от времени /.

Рис.2.1. Модели жизненного цикла технологической единицы:

Z(t) (кривая 1) и U(t) (кривая 2);

A, B, C, D, E – этапы жизненного цикла

В жизненном цикле выделяются следующие этапы:

A - зарождение и формирование потребности;

B - разработка нововведений;

C - внедрение и практическое освоение;

D - использование (эксплуатация);

E - ликвидация технологической единицы.

С появлением экономического спада возникает необходимость технологических нововведений как источника долгосрочного экономического роста. Наблюдаемые колебания экономической активности обычно связаны с развитием новой техники. Немногие способны решиться на новое дело, но в случае получения ими значительных результатов, у этих немногих находится много последователей - так называемая «вторичная волна» деловой активности во взаимосвязанных отраслях. Это вызывает нарушение сложившиеся структур экономических взаимосвязей, доступности сырьевых материалов, цен, потребительских доходов и др., т.е. происходит выведение экономической системы из равновесного состояния и даже спад.

Оживление экономики во многом зависит от процесса приспособления, способствующего установлений равновесия. И весь цикл повторяется, начинаясь новым взрывом инновационной активности, который отличается с модификаций существующей технологии. Н. Кондратьев определил движение экономической конъюнктуры как циклы длительностью примерно в 50 лет. Так, по его мнению, подъем первой волны (1787-1800 гг.) был обусловлен появлением паровых машин, второй (1843-1857 гг.) - распространением железных дорог, третьей (1898-1911 гг.) - совместным влиянием распространения электричества и автомобилей. Таким образом, технологические нововведения - первопричина наблюдаемых колебаний экономического роста.

Однако новая техника и технология не появляются одновременно. Ониразвиваются во времени зачастую на основе накопленного опыта, причём многие радикальные результаты научно-исследовательских и опытно конструкторских работ (НИОКР) оцениваются по достоинству по прошествии ряда лет. Кроме того, важною роль в процессе инновационной деятельности играет случай - к одному и тому же нововведению могут вести несколько независимых путей. Следовательно, цикличность технологического развития обусловливается во-первых, устойчивым долгосрочным ростом и развитием, во-вторых, периодическими колебаниями в инновационной деятельности.

2.2. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТЕХНОЛОГИИ КАК НАУКИ

Технология является по ли предметной, интегральной наукой, базирующейся на фундаментальных науках. Ее теоретические основы включают параметрические, морфологические и функциональные показатели.

Параметрические представляют собой графическое изображение технологических 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 связи качественного или количественного характера, обусловливающие технологический режим и конструктивные параметры машин и аппаратов.

Функциональные показатели отражают взаимосвязи между технологи­ческими операциями в технологической линии, могут устанавливаться ана­литически 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, выбор известных или разработка новых способов их количественной оценки. Эти методы базируются на фундаментальных науках либо на идеальных моделях отдельных явлений, связей, стадий технологичной линии. В последнем случае первоосновой морфологических и функциональных показателей объектов технологии является идеализация параметрических показателей, а затем морфологических, что позволяет установить наиболее важные и существенные закономерности стадий. При составлении функционального описания технологической линии модели учитываются ранее установленные существенные закономерности отдельных стадий, влияющие на заложенные показатели качества технологической линии. Количественные оценки технологического 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 се­рию 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 термодинамики, провозглашающий, что теплота и работа эквивалентны друг другу и могут взаимно превращаться, т.е.

q = A×L

где q - количество теплоты, превращенной в работу, на единицу массы рабочего тела, ккал/кг;

А - тепловой эквивалент работы, А = 1/427 ккал /кгм (величина 1/A = 427 кгм/ккал - механический эквивалент теплоты);

L - работа, полученная в результате превращения q.

Для выведения системы из состояния равновесия необходимо приложить внешнее воздействие какой-либо природы (изменение температуры, давления, концентрации и других показателей). Причем, например, все хи­мико-механические процессы разделяются на обратимые и необратимые. Необратимые происходят лишь в одном направлении (сушка, дробление, прес­сование 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, концен­трация, процесс становится обратимым, т.е. система неравновесная.

3. Влияние основных параметров технологического режима на равновесие 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 произведения изменения энергии на абсолютную температуру: для обратимых процессов dg = Т×ds, для необратимых (dg < Т×ds, где dg - количество тепла, 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 мо­жет 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 процесса описываются законами термодинамики. В общем случае уравнение кинетики 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;

X - потенциал, показывающий степень отклонения системы от состоя­ния равновесия (градиенты концентрации, температуры, давления и т.д.)

Под кинетическим коэффициентом понимается скорость изменения при потенциале, равном единице, т.е. коэффициент теплопроводности, теп­лопередачи, константы скорости химической реакции и др.

При протекании нескольких процессов учитываются кинетические ко­эффициенты 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 комбина­цией коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи. Так как обычно в тех­нологической системе происходит несколько процессов, вызываемых дейст­вием нескольких сил, то уравнение кинетики в общем виде должно предста­вить сумму эффектов каждой силы.

Физическая и физико-химическая кинетика отражает изменения макро­скопических процессов в системах, выведенных из состояния термодинами­ческого равновесия. Она описывает тепло- и массообменные процессы, суш­ку, охлаждение, дробление, разделение и другие механические процессы.

Биологическая кинетика изучает закономерности явлений, происходя­щих в живой природе. Она включает четыре основных направления: биохи­мическую, биофизическую, микробиологическую и популяционную кинети­ку.

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 фунда­ментальной науке уровни организации живого имеют следующую иерархию: ген - клетка - орган организм популяция - сообщество. Экосистема как биоценоз включает все живое (флору, фауну, микроорганизмы, Н8) и среду обитания (атмосферу, гидросферу, литосферу). С точки зрения технологиче­ской 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 расти­тельного мира или переработки пищи в животном, то живой организм пре­вращается 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 производительности или продуктивности технологического процесса. Кроме того, для быстропортящихся продуктов требуется применение дополнительного оборудования - холодильников, т.е. нового звена в системе технологии.

Для пищевой промышленности наибольшее значение имеет биохими­ческая кинетика, изучающая скорость биохимических реакций, в которых важное значение имеют ферменты. Кинетические методы позволяют установить 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 самой гусеницы. В биохимических процессах обычно участвуют ферменты, играющие роль катализаторов, характерных для неживой (абиогенной) природы, 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 10¹² - 10¹³ раз.