Прикладная теория тепловых и массообменных процессов в системном анализе энергоемкости продукции

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ 

ФГБОУ ВПО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ, В.В. ЗУБКОВ 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

П Р И К Л А Д Н А Я  Т Е О Р И Я  Т Е П Л О В Ы Х 
И  М А С С О О Б М Е Н Н Ы Х  П Р О Ц Е С С О В 

В  С И С Т Е М Н О М  А Н А Л И З Е 

Э Н Е Р Г О Е М К О С Т И   П Р О Д У К Ц И И 

 

 
 
 
 
 

У Ч Е Б Н О Е  П О С О Б И Е 

 

 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 

2013 

УДК 621.311(07)   
ББК 40.76             
 
 Составители: М.М. Беззубцева, В.С. Волков, В.В. Зубков 
 
 Рецензенты: доктор технических наук, профессор, профессор РАЕ С.А. 
Ракутько; кандидат технических наук, доцент, профессор РАЕ  З.Ш. Юлдашев  

 

 
          М.М. Беззубцева, В.С. Волков, В.В. Зубков 
А24: Прикладная теория тепловых и массообменных процессов в системном 
анализе энергоемкости продукции. – СПб.: СПбГАУ, 2013. – 131 с. 
 

                                          
 

В учебном пособии рассмотрены фундаментальные законы, положенные в 

основу 
формирования, 
протекания, 
интенсификации 
и 
повышения 

энергоэффективности тепломассообменных процессов АПК. Особое внимание 
уделено основам системного анализа, методологии выявления основных факторов, 
определяющих энергоемкость продукции в потребительских энергосистемах. Учебное 
пособие составлено в соответствии с рабочими программами дисциплины 
«Прикладная теория тепловых и массообменных процессов в системном анализе 
энергоемкости продукции» и предназначено для магистрантов, обучающихся по 
направлению 
«Агроинженерия» 
(профиль 
«Электротехнологии 
и 

электрооборудование в с.х.»). Учебное пособие может быть использовано студентами, 
аспирантами, научными сотрудниками и инженерами, работающими в различных 
областях АПК. 

                                                                                                                           
 
                                                                                                                             УДК 621.311(07) 
                                                                                                                             ББК 40.76 
 
 
 
                                                                                               
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                                                                           ©    М.М.Беззубцева,  
                                                                                                                  В.С. Волков 
                                                                                                                  В.В. Зубков 
                                                                                                                   

П Р Е Д И С Л О В И Е 

Специфичность агропромышленной потребительской энергетики требует 

введения самостоятельного научно-прикладного понятия эффективности 

энергоиспользования на предприятиях отрасли, разработки специальных 

методов системного  научного анализа и  внедрения превентивных мер по 

снижению энергоемкости продукции. Материал, изложенный в учебном 

пособии, позволяет заложить будущим ученым основы знаний для более 

глубокого и систематизированного понимания специфики агропромышленной 

потребительской энергетики, продолжить самостоятельную работу по развитию 

указанных направлений. 

Модуль «Прикладная теория тепловых и массообменных  процессов в 

системном анализе энергоемкости продукции» является апробированным 

авторским курсом Беззубцевой М.М, органично интегрированным в общий 

образовательный процесс подготовки магистров по направлению 110800.68 - 

«Агроинженерия» и профилю «Электротехнологии и электрооборудование в 

сельском хозяйстве». 

Целью 
учебного 
пособия 
«Прикладная 
теория 
тепловых 
и 

массообменных процессов в системном анализе энергоемкости продукции» 

является:   

 формирование 
профессиональных 
компетенций 
магистров 

(агроинженеров) 
в 
области 
систематизированных 
знаний 

закономерностей тепломассообмена в установках и системах по 

производству и распределению энергоносителей в потребительских 

энергосистемах (ПЭС) агропромышленного комплекса (АПК);  

 развитие навыков и умения творческого использования прикладной 

теории 
тепломассообменных 
 
 
процессов 
при 
решении 

практических задач оптимизации энергоемкости выпускаемой 

продукции и повышения энергоэффективности производства. 

АПК 
характеризуется 
весьма 
большим 
числом 
разнообразных 

производств, различными  условиями протекания технологических процессов и 

многообразием  производимой продукции. Вместе с тем технологические 

процессы представляют собой комбинацию сравнительно небольшого числа 

типовых процессов, лидирующую роль среди них занимают тепловые и 

массообменные процессы. Эти процессы реализованы в электротехническом 

оборудовании  различных конструктивных модификаций.  Закономерности их 

протекания описываются типовыми законами, что значительно упрощает  

расчет и анализ энергетических параметров  (энергоемкости продукции, 

резерва энергосбережения и т.д.).  

Учебное пособие состоит из введения  и пяти глав: методология 

системного анализа 
потребительских 
энергосистем предприятий 
АПК; 

прикладная 
теория 
теплообменных 
процессов; 
прикладная 
теория 

массообменных 
процессов; 
законы 
равновесия, 
равновесное 
состояние, 

направление протекания и движущая сила процессов тепломассообмена; 

методика 
определения 
энергоемкости 
продукции 
в 
потребительских 

энергетических системах АПК. 

Задачами 
первой 
главы 
является 
ознакомление 
магистрантов 
с 

методологией системного анализа тепломассообменных процессов, аппаратов и 

установок 
в 
потребительских 
энергосистемах 
сельскохозяйственных 

производств, а также формирование навыков применения энергосберегающих 

принципов и схем организации процессов, аппаратов и установок при 

оптимизации энергоемкости продукции, проектировании и энергетической 

модернизации. Изложены принципы блочно–иерархического моделирования 

процессов ПЭС.  

Следующие три главы объединяет общая методологическая основа 

структуры 
изложения 
материала. 
Представлен 
аналитический 
обзор 

фундаментальных 
и 
прикладных 
теоретических 
исследований 

тепломассообменных  процессов, аппаратов и установок ПЭС. Рассмотрены 

закономерности тепломассообмена в установках и системах по производству и 

распределению энергоносителей.  

В пятой главе представлена методика определения энергоемкости 

продукции в потребительских энергетических системах АПК и методика 

оценки энергоэффективности при интенсификации электротехнологических 

процессов 
сельскохозяйственного 
производства. 
Проанализирован 

энергоэкологический индекс воздействия ПЭС на окружающую среду. 

Структура учебного пособия позволяет концентрировать внимание 

магистрантов на проблемных и перспективных вопросах потребительских 

энергосистем АПК.   

Учебное пособие составлено в соответствии с рабочими программами 

дисциплины «Прикладная теория тепловых и массообменных  процессов в 

системном 
анализе 
энергоемкости 
продукции» 
и 
предназначено 
для 

магистрантов, обучающихся по направлению «Агроинженерия» и профилю 

«Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве».  

Учебное пособие может быть использовано в очном, заочном и 

дистанционном обучении магистрантов. Представляет интерес для бакалавров, 

студентов, аспирантов, научных сотрудников, агроинженеров и специалистов, 

работающих в различных областях АПК.  

 
 
 
 
 

Глава 1. МЕТОДОЛОГИЯ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА 

ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ  ЭНЕРГОСИСТЕМ  (ПЭС) 

 

Научная, исследовательская и практическая деятельность проводится на 

базе методов (приемов или способов действия), методик (совокупности методов 

и приемов проведения исследований) и методологий (совокупности методов, 

правил распределения и назначения методов, а также шагов и их 

последовательности). 

1.1 СИСТЕМНОСТЬ  ИЗУЧЕНИЯ 

 

В настоящее время используют такие понятия как «системный анализ», 

«системный подход», «теория систем», «принцип системности» и др. 

 Наиболее общим понятием, которое обозначает все возможные проявления 

систем, является «системность». Структуру системности целесообразно 

рассматривать в трех аспектах: системная теория, системный подход и 

системный метод. 

Системная 
теория 
(теория 
систем) 
реализует 
объясняющую 
и 

систематизирующую функции: дает строгое научное знание о мире систем; 

объясняет происхождение, устройство, функционирование и развитие систем 

различной природы. 

Системный 
подход 
следует 
рассматривать 
как 
некоторый 

методологический подход к действительности, представляющий собой 

некоторую общность принципов, системное мировоззрение. 

Подход к системному изучению потребительских энергосистем (ПЭС)— это 

совокупность приемов и способов воздействия на объект. Принцип – это 

основное, исходное положение теории,  наиболее общее правило деятельности, 

которое обеспечивает его правильность, но не гарантирует однозначности 

решения. 

Подход — это некоторая обобщенная система представлений о том, как 

должна выполняться та или иная деятельность (но не детальный алгоритм 

действия), а принцип деятельности — множество некоторых обобщенных 

приемов и правил. 

Системный 
подход 
— 
это 
методология 
научного 
познания 
и 

практической деятельности, а также объяснительный принцип, в основе 

которых лежит рассмотрение объекта как системы. 

Системный подход заключается в отказе от односторонне аналитических, 

линейно–причинных методов исследования. Основной акцент при его 

применении делается на анализе целостных свойств объекта, выявлении его 

различных связей и структуры, особенностей функционирования и развития 

ПЭС. Системный подход представляется достаточно универсальным подходом 

при анализе, исследовании, проектировании и управлении ПЭС. Назначение 

системного подхода заключается в том, что он направляет деятельность 

агроинженера-энергетика 
на 
системное 
видение 
действительности. 
Он 

заставляет рассматривать ПЭС с системных позиций, точнее — с позиций ее 

системного устройства. 

Таким образом, системный подход, будучи принципом познания, 

выполняет ориентационную и мировоззренческую функции. 

Системный метод реализует познавательную и методологическую 

функции. 
Он 
выступает 
как 
некоторая 
интегральная 
совокупность 

относительно простых методов и приемов познания, а также преобразования 

действительности.  

Конечная цель любой системной деятельности заключается в выработке 

решений, как на стадии проектирования ПЭС, так и при ее управлении. В этом 

контексте системный анализ можно считать сплавом методологии общей 

теории систем, системного подхода и системных методов обоснования и 

принятия решений. 

 

1.2. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ  МЕТОДОЛОГИЯ И СИСТЕМНЫЙ  ПОДХОД 

 

Центральное место в исследовании ПЭС занимают два противоположных 

подхода: анализ и синтез. 

Анализ предусматривает процесс разделения целого на части. Он весьма 

полезен в том случае, если требуется выяснить, из каких частей (элементов, 

подсистем) состоит ПЭС. Посредством анализа приобретаются знания. Однако 

при этом нельзя понять свойства системы в целом. 

Задача синтеза — построение целого из частей. Посредством синтеза 

достигается понимание. 

В исследовании любой проблемы можно указать несколько главных 

этапов: 

 постановка цели исследования; 

 выделение 
проблемы 
(выделение 
системы): 
выделить 
главное, 

существенное, отбросив малозначимое, несущественное; 

 описание: 
выразить 
на 
едином 
языке 
(уровне 
формализации) 

разнородные по своей природе явления и факторы; 

 установление критериев: определить, что значит «хорошо» и «плохо» для 

оценивания полученной информации и сравнения альтернатив; 

 идеализация (концептуальное моделирование): ввести рациональную 

идеализацию проблемы, упростить ее до допустимого предела; 

 декомпозиция (анализ): разделить целое на части, не теряя свойств 

целого; 

 композиция (синтез): объединить части в целое, не теряя свойств частей; 

 решение: найти решение проблемы. 

В отличие от традиционного подхода, при котором проблема решается в 

строгой последовательности вышеприведенных этапов (или в другом порядке), 

системный подход состоит в многосвязности процесса решения: этапы 

рассматриваются совместно, во взаимосвязи и диалектическом единстве. При 

этом возможен переход к любому этапу, в том числе и возврат к постановке 

цели исследования. 

Главным 
признаком 
системного 
подхода 
является 
наличие 

доминирующей роли сложного, а не простого, целого, а не составляющих 

элементов. Если при традиционном подходе к исследованию мысль движется 

от простого к сложному, от частей — к целому, от элементов — к системе, то в 

системном подходе, наоборот, мысль движется от сложного к простому, от 

целого к составным частям, от ПЭС к анализу ее элементов. При этом 

эффективность системного подхода тем выше, чем к более сложной ПЭС он 

применяется. 

 

1.3. СИСТЕМНАЯ  ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ 

 

В настоящее время устоявшихся технологий системного анализа ПЭС в 

практике нет. Системный анализ ПЭС представляет собой слабосвязанную 

совокупность приемов и методов неформального и формального характера. 

Ситуация усугубляется тем, что, несмотря на полувековую историю развития 

системных идей, нет однозначности в понимании самого системного анализа.  

      В настоящее время существуют следующие варианты системного анализа в 

энергетической сфере АПК: 

1. Отождествление технологии системного анализа с технологией научного 

исследования. При этом для самого системного анализа в этой 

технологии практически не находится места. 

2. Сведение системного анализа к системному конструированию. По сути, 

системно-аналитическая 
деятельность 
отождествляется 
с 

системотехнической деятельностью. 

3. Очень узкое понимание системного анализа, сведение его к одной из его 

составляющих, например к структурно-функциональному анализу. 

4. Отождествление 
системного 
анализа 
с 
системным 
подходом 
в 

аналитической деятельности. 

5.  Понимание 
системного 
анализа 
как 
исследования 
системных 

закономерностей. 

В узком смысле под системным анализом довольно часто понимают 

совокупность математических методов исследования систем. Сведение 

системного анализа к совокупности методологических средств, которые 

используются для подготовки, обоснования и осуществления решений по 

сложным проблемам. 

Таким образом, то, что называют в настоящее время системным анализом 

в 
энергетической 
сфере 
АПК, 
представляет 
собой 
недостаточно 

интегрированный массив методов и приемов системной деятельности. 

 

1.4. ПОДХОДЫ К АНАЛИЗУ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ 

 

При анализе и проектировании действующих ПЭС могут интересовать 

разные аспекты: от внутреннего устройства системы до организации 

управления в ней. В связи с этим условно выделяют следующие подходы к 

анализу и проектированию:   

 системно-элементный;  

 системно-структурный;  

 системно-функциональный;  

 системно-коммуникативный;  

 системно-управленческий;  

 системно-информационный. 

Системно-элементный подход. Непременной принадлежностью систем 

являются их компоненты, части, именно то, из чего образовано целое и без чего 

оно невозможно.