Научное обоснование энергоэффективности технологических процессов

 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ 

 
 
 

 
 
 

 

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ 

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 

ПРОЦЕССОВ 

 

 

 
 
 

ПРАКТИКУМ 

для обучающихся по направлению подготовки 35.06.04 «Технологии, 

средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и 

рыбном хозяйстве» профиль 05.20.02 «Электротехнологии и 

электрооборудование в сельском хозяйстве 

 

 

 
 
 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 

2016 

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ 

ФГБОУ ВО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ 

 
 
 
 
 
 
 
 

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 

 
 
 
 
 
 
 
 

ПРАКТИКУМ 

для обучающихся по направлению подготовки 35.06.04 «Технологии, 

средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и 

рыбном хозяйстве» профиль 05.20.02 «Электротехнологии и 

электрооборудование в сельском хозяйстве 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 

2016 

УДК 621.311(07) 

ББК 40.76 

 

 

С о с т а в и т е л и :  

М.М. 
Беззубцева, 
В.С. 
Волков 
Научное 
обоснование 
энергоэффективности 

технологических процессов: практикум 
по энерготехнологическим расчетам для 

обучающихся по направлению 35.04.06 «Агроинженерия», профиль «Энергетический 
менеджмент и инжиниринг энергосистем». – СПб: СПбГАУ, 2016. – 200 с. 
 

 

Р е ц е н з е н т ы :  

доктор техн. наук, профессор кафедры «Электроэнергетика и электрооборудование» 

(СПбГАУ)  А.П. Картошкин; 

доктор техн. наук НИУ ИТМО  А.Г. Новоселов 

 

 

Практикум 
предназначен 
для 
обучающихся 
по 
направлению 
35.04.06 

«Агроинженерия» при изучении дисциплины «Научное обоснование энергоэффективности 
технологических процессов». Содержание пособия соответствует действующей программе 
дисциплины и включает 9 работ по основным разделам: энергетика механических, 
гидромеханических, массообменных и тепловых технологических процессов АПК. 

Цель практикума – знакомство с методами расчета и анализа энергетических затрат 

технологических процессов АПК, а также с компьютерной обработкой экспериментальных 
данных с использованием прикладных программ Excel. 

Практикум 
может 
быть 
использован 
магистрами, 
аспирантами, 
научными 

сотрудниками и инженерами, работающими в различных областях АПК и занимающимися 
проблемами энергосбережения в энергетических линиях потребителей. 

 
 

Рекомендовано к публикации на электронном носителе для последующего размещения в 
электронной сети СПбГАУ, согласно соответствующему договору Учебно-методическим 
советом СПбГАУ, протокол №___от____________2016 г. 

 

 

                                                                                                                             УДК 621.311(07) 

                                                                                                                             ББК 40.76 

 

                                                                                                                        ©   М.М. Беззубцева,  

                                                                                                                         ©  В.С Волков,2016                     

©    СПбГАУ, 2016 

ВВЕДЕНИЕ 

 

 

Лабораторный практикум предназначен для магистрантов, обучающихся 

по программе «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем». 

Содержание 
пособия 
соответствует 
рабочей 
программе 
дисциплины 

«Научное обоснование энергоэффективности технологических процессов» и 

включает 9 лабораторных работ по основным разделам: энергетика 

механических, гидромеханических, тепловых и массообменных процессов в 

АПК.  Тематика лабораторных работ максимально приближена к наиболее 

актуальным проблемам современности – практическому определению ресурса 

энергосбережения 
потребителей 
сельскохозяйственных 
производств 
и 

базируется на основных положениях научной школы «Эффективное 

использование 
энергии, 
интенсификация 
электротехнологических 

процессов».  

В рамках данной дисциплины  на кафедре «Энергообеспечение 

предприятий и электротехнологии» СПбГАУ функционирует апробированная 

и внедренная в учебный процесс лаборатория. Лабораторные стенды 

включают разработанные авторами учебного пособия инновационные 

установки, представляющие предмет изобретений (установки запатентованы). 

Работа с установками на практических занятиях позволяет наглядно 

демонстрировать 
потребительские 
энергосистемы 
АПК, 
изучать 
и 

анализировать их  характеристики, обучать студентов научно-обоснованным 

методологическим 
основам 
расчета, 
проектирования 
и 
эксплуатации 

оборудования на практике. Такой подход позволяет качественно улучшить 

процесс обучения магистрантов и дает возможность организации и 

выполнения учебно-исследовательской и научно-исследовательской работы. 

Концепция 
обучения 
предусматривает 
системное 
формирование 

компетентных 
знаний, 
направленных 
на 
решение 
основной 
задачи 

современной 
промышленности 
- 
создание 
конкурентоспособной 
и 

востребованной отечественной продукции нового поколения в кратчайшие 

сроки. При этом особое значение уделено кардинальной переоценке роли 

знаний и воспитанию команды специалистов для предприятий АПК, 

соответствующих мировым стандартам   по профессиональным реакциям на 

выполнения НИОКР и оказания высокотехнологичных услуг. Условия 

развития инновационной экономики знаний требует также интенсивного 

усвоения магистрантами компьютерных технологий,  которые носят в 

программе обучения надотраслевой характер и предопределяют  интеграцию 

отдельных 
дисциплин 
с 
обеспечением 
более 
высокого 
уровня 

функциональности обучения 

Практические исследования на лабораторных стендах позволяют 

магистрантам  получить четкие представления о ресурсе энергосбережения в 

конечных элементах энергетических линий потребителя, разграничивать 

такие понятия, как «технология», «энергетика процесса» и «энергетика 

энерготехнологического оборудования», «коэффициент полезного действия 

процесса» и «коэффициент полезного действия аппарата»,  проводить 

обоснованный 
выбор 
силового 
и 
вспомогательного 
оборудования 

(электродвигатели, вентиляторы, насосы, калориферы и т.п.).  

         Целью лабораторного практикума является обучение магистрантов:  

- расчетам энергетических затрат на проведение технологических 

процессов, используемых в АПК;  

- анализу 
адекватности 
математических 
моделей, 
изложенных 
в 

лекционном материале в форме алгоритмов расчета, реальным 

процессам; выявлению и анализу основных факторов, определяющих 

энергоемкость продукции; обоснованию направлений интенсификации 

процесса как с точки зрения снижения энергоемкости, так и 

обеспечения заданного технологией качества продукции;  

- методологии проведения эксперимента в технических исследованиях; 

проведению 
измерений 
и 
анализу 
энергетических 
величин, 

определению погрешностей, составлению и анализу статистических 

математических моделей с получением уравнений регрессии, основам 

оптимизации энергетических воздействий по выходному параметру – 

энергоемкости продукции.  

Методические рекомендации к расчетам и обработке экспериментальных 

данных на компьютере представлены в отдельной главе практикума. 

В результате освоения дисциплины у обучающегося формируются 

следующие компетенции: 

- владение логическими методами и приемами научного исследования 

(ОПК-5); 

- 
способность 
анализировать 
современные 
проблемы 
науки 
и 

производства в агроинжерии и вести поиск их решения (ОПК-7); 

- способность и готовность организовывать самостоятельную и 

коллективную 
научно-исследовательскую 
работу, 
вести 
поиск 

инновационных решений в инженерно-технической сфере (ПК-5); 

- способность проведения инженерных расчетов для проектирования 

систем и объектов (ПК-7); 

- способность проектировать содержание и технологию преподавания, 

управлять учебным процессом (ПК-9). 

Практикум предназначен для обучающихся по направлению 35.04.06 

«Агроинженерия» 
при 
изучении 
дисциплины 
«Научное 
обоснование 

энергоэффективности технологических процессов», а также может быть 

использован 
аспирантами, 
научными 
сотрудниками 
и 
инженерами, 

работающими в различных областях АПК и занимающимися проблемами 

энергосбережения в энергетических линиях потребителей. 

 

Раздел 1. МЕТОДОЛОГИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 

ИССЛЕДОВАНИЙ 

1.1 ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ 

Наиболее важной составной частью научных исследований являются 

эксперименты. Это один из основных способов получить новые научные 

знания. Эксперимент - научно поставленный опыт или наблюдение явления в 

точно учитываемых условиях, позволяющих следить за его ходом, управлять 

им, воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. От обычного, 

обыденного, пассивного наблюдения эксперимент отличается активным 

воздействием исследователя на изучаемое явление.  

Основной целью эксперимента является проверка теоретических 

положений (подтверждение рабочей гипотезы), а также более широкое и 

глубокое изучение темы научного исследования.  

Эксперимент должен быть проведен по возможности в кратчайший срок 

с минимальными затратами при самом высоком качестве полученных 

результатов.  

Различают эксперименты естественные и искусственные. Естественные 

эксперименты характерны при изучении явлений природы, в условиях 

производства, 
быта 
и 
т. 
п. 
Искусственные 
эксперименты 
широко 

применяются в естественнонаучных исследованиях. В этом случае изучают 

явления, изолированные до требуемой степени, чтобы оценить их в 

количественном и качественном отношениях.  

Иногда 
возникает 
необходимость 
провести 
поисковые 

экспериментальные исследования. Они необходимы в том случае, если 

затруднительно классифицировать все факторы, влияющие на изучаемое 

явление вследствие отсутствия достаточных предварительных данных. На 

основе предварительного эксперимента строится программа исследований в 

полном объеме.  

Экспериментальные 
исследования 
бывают 
лабораторные 
и 

производственные. Лабораторные опыты проводят с применением типовых 

приборов, специальных моделирующих установок, стендов, оборудования и т. 

д. Эти исследования позволяют наиболее полно и доброкачественно, с 

требуемой повторяемостью изучить влияние одних характеристик при 

варьировании других. Лабораторные опыты в случае достаточно полного 

научного 
обоснования 
эксперимента 
(математическое 
планирование) 

позволяют получить хорошую научную информацию с минимальными 

затратами. Однако такие эксперименты не всегда полностью моделируют 

реальный ход изучаемого процесса, поэтому возникает потребность в 

проведении производственного эксперимента.  

Производственные экспериментальные исследования имеют целью 

изучить процесс в реальных условиях с учетом воздействия различных 

случайных факторов производственной среды. Одной из разновидностей 

производственных 
экспериментов 
является 
собирание 
материалов 
в 

организациях, которые накапливают по стандартным формам те или иные 

данные. 
Ценность 
этих 
материалов 
заключается 
в 
том, 
что 
они 

систематизированы за многие годы по единой методике. Такие данные 

хорошо поддаются обработке методами статистики и теории вероятностей. В 

ряде случаев производственный эксперимент эффективно проводить методом 

анкетирования. 
Для 
изучаемого 
процесса 
составляют 
тщательно 

продуманную методику. Основные данные собирают методом опроса 

производственных организаций по предварительно составленной анкете. Этот 

метод позволяет собрать очень большое количество данных наблюдений или 

измерений по изучаемому вопросу. Однако к результатам анкетных данных 

следует относиться с особой тщательностью, поскольку они не всегда 

содержат достаточно достоверные сведения.  

В зависимости от темы научного исследования объем экспериментов 

может быть разным. В лучшем случае для подтверждения рабочей гипотезы 

достаточно лабораторного эксперимента, но иногда приходится проводить 

серию экспериментальных исследований: предварительных (поисковых), 

лабораторных, полигонных на эксплуатируемом объекте.  

В ряде случаев на эксперимент затрачивается большое количество 

средств. Научный работник производит огромное количество наблюдений и 

измерений, 
получает 
множество 
диаграмм, 
графиков, 
выполняет 

неоправданно большое количество испытаний. На обработку и анализ такого 

эксперимента затрачивается много времени. Иногда оказывается, что 

выполнено 
много 
лишнего, 
ненужного. 
Все 
это 
возможно, 
когда 

экспериментатор четко не обосновал цель и задачи эксперимента. В других 

случаях результаты длительного, обширного эксперимента не полностью 

подтверждают рабочую гипотезу научного исследования. Как правило, это 

также свойственно для эксперимента, четко не обоснованного целью и 

задачами. 
Поэтому 
прежде 
чем 
приступить 
к 
экспериментальным 

исследованиям, необходимо разработать методологию эксперимента.  

Методология эксперимента — это общая структура (проект) эксперимента, 

т. е. постановка и последовательность выполнения экспериментальных 

исследований. Методология эксперимента включает в себя следующие 

основные этапы:  

1. разработку плана-программы эксперимента;  

2. оценку измерений и выбор средств для проведения эксперимента;  

3. проведение эксперимента;  

4. обработку и анализ экспериментальных данных.  

Приведенное 
количество 
этапов 
справедливо 
для 
традиционного 

эксперимента. В последнее время широко применяют математическую 

теорию эксперимента, позволяющую резко повысить точность и уменьшить 

объем экспериментальных исследований.  

В этом случае методология эксперимента включает такие этапы:  

1. разработку плана-программы эксперимента;  

2. оценку измерения и выбор средств для проведения эксперимента;  

3. математическое 
планирование 
эксперимента 
с 
одновременным 

проведением экспериментального исследования, обработкой и анализом 

полученных данных.  

План-программа включает наименование темы исследования, рабочую 

гипотезу, методику эксперимента, перечень необходимых материалов, 

приборов, установок, список исполнителей эксперимента, календарный план 

работ и смету на выполнение эксперимента. В ряде случаев включают работы 

по конструированию и изготовлению приборов, аппаратов, приспособлений, 

методическое их обследование, а также программы опытных работ на 

предприятиях.  

Основа плана-программы — методика эксперимента. Один из наиболее 

важных этапов составления плана-программы — определение цели и задач 

эксперимента. Четко обоснованные задачи — это весомый вклад в их 

решение. Количество задач должно быть небольшим. Для конкретного (не 

комплексного) эксперимента оптимальным количеством является 3—4 

задачи. В большом, комплексном эксперименте их может быть 8—10.  

Необходимо правильно выбрать варьирующие факторы, т. е. установить 

основные и второстепенные характеристики, влияющие на исследуемый 

процесс. Вначале анализируют расчетные (теоретические) схемы процесса. 

На основе этого классифицируют все факторы и составляют из них 

убывающий по важности для данного эксперимента ряд. Правильный выбор 

основных и второстепенных факторов играет важную роль в эффективности 

эксперимента, 
поскольку 
эксперимент 
и 
сводится 
к 
нахождению 

зависимостей между этими факторами. В тех случаях, когда трудно сразу 

выявить роль основных и второстепенных факторов, выполняют небольшой 

по объему поисковый эксперимент.  

Основным принципом установления степени важности характеристики 

является ее роль в исследуемом процессе. Для этого изучают процесс в 

зависимости от какой-то одной переменной при остальных постоянных. 

Такой принцип проведения эксперимента оправдывает себя лишь в тех