Научное обоснование энергоэффективности технологических процессов

 

_____________________________________________________________ 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ 

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 

       У Ч Е Б Н О Е  П О С О Б И Е 

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 

       У Ч Е Б Н О Е  П О С О Б И Е 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 
2016 

 

УДК 621.311(07)  
ББК 40.76

      М.М. Беззубцева, В.С. Волков  
А24: Научное обоснование энергоэффективности технологических процессов. – СПб: СПбГАУ, 
2016. - 264 с. 

 Р е ц е н з е н т ы: 
доктор технических наук, профессор НИУ ИТМО  А.Г. Новоселов; 
доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО СПбГАУ А.П. Епифанов. 

    В учебном пособии рассмотрены фундаментальные законы, положенные в основу 
формирования, 
протекания, 
интенсификации 
и 
повышения 
энергоэффективности 
технологических процессов АПК. Особое внимание уделено основам системного анализа, 
методологии выявления основных факторов, определяющих энергоемкость продукции. 
Представлены методики оценки энергоэффективности электротехнологических  процессов 
(ЭТП) сельскохозяйственного производства. Учебное пособие составлено в соответствии с 
рабочими 
программами 
дисциплины 
«Научное 
обоснование 
энергоэффективности 
технологических процессов» и предназначено для обучающихся по направлению 
«Агроинженерия», профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем». 
Учебное пособие также может быть использовано аспирантами, научными сотрудниками и 
инженерами, работающими в различных областях АПК. 

Рекомендовано к публикации на электронном носителе для последующего размещения 
в электронной сети СПбГАУ, согласно соответствующему договору Учебно-методическим 
советом СПбГАУ, Протокол №  __ от  ___________ 2016 г. 

ISBN 

©    М.М.Беззубцева, 
В.С. Волков, 2016 

©   СПбГАУ,2016 

СОДЕРЖАНИЕ 
Предисловие ................................................................................................................................... 7 

Г л а в а 1. Теоретические основы технологическихпроцессов, как базового элемента 
оценки энергоэффективности производствагропромышленного комплекса ........................ 12 

1.1 Классификация и виды энергетических воздействий .................................................... 12 

1.2 Закономерности энергетических воздействий ................................................................ 22 

1.3 Классификация традиционных технологических процессов АПК ............................... 25 

1.4 Стационарные и нестационарные технологические процессы АПК ............................ 27 

1.5 Способы организации технологического процесса ........................................................ 28 

1.6 Системный подход к проблеме повышения энергоэффективности производства 
сельскохозяйственной продукции .......................................................................................... 30 

1.7 Законы сохранения, переноса субстанций и термодинамического равновесия. 
материальные и энергетические балансы .............................................................................. 36 

1.8 Законы равновесия. равновесное состояние. направлениепротекания и движущая 
сила технологического процесса ............................................................................................ 49 

1.9 Кинетические закономерности процессов переноса субстанций ................................. 56 

1.10 Основы теории  подобия процессов преобразования энергии .................................... 58 

Г л а в а 2 Методы интенсификации и оценки энергоэффективности технологических 
процессов сельскохозяйственногопроизводства ...................................................................... 64 

2.1 Основные понятия интенсификации технологических процессов ............................... 64 

2.2 Метод формального анализа параметров, влияющих на интенсивность ТП............... 70 

2.3 Классификация и способы  построения моделей технологических процессов ........... 73 

2.4 Методология компьютерного моделирования ................................................................ 85 

2.5 Методика оценки энергоэффективности при интенсификации 
электротехнологических процессов (ЭТП) сельскохозяйственного производства .......... 90 

Г л а в а 3. Теоретические основы энергетики процесса    измельчения и инженерные 
энергетические расчеты измельчающего оборудования ......................................................... 94 

3.1 Общие положения .............................................................................................................. 94 

3.2 Энергетический баланс измельчителя ............................................................................. 99 

3.3 Анализ энергетических теорий процесса измельчения ............................................... 101 

3.4 Энергетическая эффективность процессов тонкого измельчения .............................. 112 

3.5 Инженерные энергетические расчеты измельчающего оборудования ...................... 114 

Г л а в а 4. Теоретические основы энергетики ректификации ................................................ 122 

4.1 Общие положения ............................................................................................................ 122 

4.2 Энергоемкость продуктов ректификации. материальные и тепловые балансы ........ 127 

4.3 Диаграммы равновесия ................................................................................................... 131 

4.4  Влияние флегмового числа на расход теплоты. методика определения оптимального 
флегмового числа и минимальных энергозатрат на основе технико-экономических 
расчетов ................................................................................................................................... 133 

4.5  Пути экономии энергии в ректификационных установках ........................................ 137 

Г л а в а 5 Теоретические основы энергетики процесса сушки ............................................. 141 

5.1 Классификация сушки по способу подвода энергии .................................................... 141 

5.2 Движущая сила процесса сушки .................................................................................... 142 

5.3 Направление протекания процессов переноса влаги ................................................... 143 

5.4 Кинетические закономерности. периоды и продолжительность технологического 
процесса сушки ...................................................................................................................... 144 

5.5 Определение энергоэффективности сушильной установки ........................................ 148 

5.6 Энергетический анализ вариантов организации процесса конвективной сушки...... 158 

5.7 Пути экономии энергии в технологическом процессе сушки ..................................... 166 

Глава 6. Теоретические основы энергетики процесса выпаривания .................................... 169 

6.1. Общие сведения .............................................................................................................. 169 

6.2 Анализ энергоэффективности однократного выпаривания. материальный и тепловой 
балансы однокорпусной выпарной установки непрерывного действия .......................... 172 

6.3 Энергосбережение в многокорпусных выпарных установках (МВУ) ....................... 181 

6.4  Влияние числа корпусов мву на коэффициент энергоэффективности. технико-
экономический анализ предельного и оптимального числа корпусов МВУ ................... 186 

6.5  Пути экономии энергии при выпаривании ................................................................... 195 

Г л а в а 7 Энергетика технологического процесса  перемешивания .................................... 209 

7.1.   Методы и характеристики перемешивания ................................................................ 209 

7.2 Классификация перемешивающих устройств ............................................................... 211 

7.3 Расход энергии на перемешивание ................................................................................ 221 

7.4 Выбор частоты вращения при перемешивании ............................................................ 228 

7.5  Определение энергоэффективного рабочего режима мешалок ................................. 230 

Приложение А .................................................................................................................... 237 

Приложение Б ..................................................................................................................... 241 

Приложение В .................................................................................................................... 244 

Приложение Г ..................................................................................................................... 247 

Приложение Д .................................................................................................................... 252 

Приложение Е .................................................................................................................... 258 

Библиографический список ...................................................................................................... 263 

 
 

П Р Е Д И С Л О В И Е 

       

 

      В современных условиях роста стоимости энергетических ресурсов особую 

актуальность 
приобретает 
оценка 
энергетической 
эффективности 

промышленных технологий агропромышленного комплекса и повышение 

эффективности использования энергии у потребителя.  

       Расход энергии у потребителя является универсальным показателем, 

определяющим, в конечном итоге,  энергоэффективность всего производства. 

Энергетический анализ процессов — это механизм, способствующий 

становлению 
энергосберегающих 
технологий, 
стимулирующих 
более 

эффективное использование энергоресурсов. 

Технологическую 
 
линию 
 
промышленных 
предприятий 
АПК 

целесообразно рассматривать как энергетическую линию,  состоящую из 

отдельных элементов – электротехнологического оборудования (машин, 

агрегатов, аппаратов и т.п.).  

Электротехнологическое 
оборудование 
(ЭТО) 
 
обеспечивает  

энергетическое  воздействие на  обрабатываемую среду (материальный 

объект). При этом энергетическое  воздействие проявляется  в виде 

направленного воздействия сил различных физических полей (акустических, 

электрических, 
магнитных, 
тепловых, 
механических, 
радиационных, 

химических и др.).   

     Результат 
энергетических 
воздействий 
в 
конечных 
элементах 

энергетической линии – это эффекты, проявляющиеся в жидкости, газе, 

твердых телах или в гетерогенных смесях. Эти эффекты являются 

определяющими в назначении потребленной энергии.  

      При постоянстве условий, вида воздействий и свойств обрабатываемой 

среды проявляются одни и те же результаты воздействия, т.е. прослеживаются 

общие 
закономерности, 
позволяющие 
составить 
алгоритмы 
расчета 

востребованных затрат энергии на микроскопическом уровне энергетической 

системы потребителя – в процессе, реализованном в электротехнологическом 

оборудовании и обеспечивающим заданный условиями производства 

технологический эффект в материальном объекте. 

    Энергетический  коэффициент полезного действия процесса - это 

отношение  затрат энергии на создание  воздействия  в ЭТО к энергозатратам,  

востребованным  для достижения заданного технологического эффекта в 

материальном объекте. Коэффициент полезного действия процесса позволяет 

анализировать 
энергоэффективность 
производсвенного 

электротехнологического оборудования (машин, аппаратов, агрегатов и т.п.). 

В некоторых аппаратах, например, даже в современных конструкциях 

электромеханических мельниц АПК (молотковых, бильных, дезинтеграторах, 

дисмембраторах и т.д.)  коэффициент полезного действия процесса 

измельчения составляет 1% .  Востребованная энергия процесса измельчения 

в данном оборудовании – это энергия, затрачиваемая на образование новых 

поверхностей обрабатываемого материала. Эти данные свидетельствуют о 

несовершенстве электротехнологического оборудования и, прежде всего,  о 

неэффективности использованных в них энергетических воздействий. Ресурс 

энергосбережения составляет 99%.  

       Сельское 
хозяйство 
 
характеризуется 
весьма 
большим 
числом 

разнообразных 
производств, 
различающихся 
условиями 
протекания 

технологических процессов и многообразными  свойствами продукции. 

Вместе с тем технологические процессы представляют собой комбинацию 

сравнительно небольшого числа типовых процессов, которые в зависимости от 

законов, определяющих их скорость или кинетические закономерности,  

классифицированы в четыре основные группы (механические, тепловые, 

гидромеханические и массообменные). Эти процессы реализованы в 

электротехническом оборудовании  различных конструктивных модификаций.  

Между тем, закономерности их протекания, несмотря на многообразие 

оборудования и целевое назначение выпускаемой продукции, описываются 

типовыми законами, что значительно упрощает  расчет и анализ 

энергетических параметров.  Протекание всех групп процессов связано с 

переносом субсанций – количества импульса, энергии и массы.   

     Целью учебного пособия является обучение студентов:  

 фундаментальным законам, положенным в основу формирования, 

протекания, интенсификации и повышения энергоэффективности 

технологических процессов;  

 основам 
системного 
анализа 
при 
изучении 
энергетики 

технологических процессов АПК; 

 методологии расчета энергоемкости продукции на основании решений 

балансовых уравнений; 

 методологии выявления  и анализа основных факторов, определяющих 

энергоемкость продукции; 

 обоснованию направлений интенсификации процесса, как с точки 

зрения снижения энергоемкости, так и обеспечения заданного 

технологией качества продукции; 

 основам моделирования технологических процессов; 

 основам оптимизации энергетических воздействий по выходным 

параметрам – энергоемкость продукции и энергоэффективность 

производства; 

 методике 
оценки 
энергоэффективности 
при 
интенсификации 

электротехнологических процессов (ЭТП) сельскохозяйственного 

производства. 

Овладение наукой об энергетике технологических процессов в АПК 

позволяет обосновано решать следующие задачи: 

1. При эксплуатации действующих производств АПК: 

 выбирать наилучшие (оптимальные) технологические режимы 

ЭТО;  

 снижать энергоемкость продукции;  

 повышать 
коэффициент 
энергоэффективности 

электротехнологического оборудования. 

      Повышение производительности электротехнологического оборудования, 

улучшение качества продукции, решение экологических проблем, снижение 

себестоимости продукции  - составляющие энергоэффективности предприятий 

АПК. 

2. При проектировании новых производств АПК: 

 разрабатывать энергоэффективные и малоотходные 

     технологические схемы;  

 выбирать наиболее рациональные типы аппаратов. 

3. Производить 
технически 
грамотный 
и 
научно 
обоснованный 

расчет 
выбранного 
оборудования 
с 
использованием 
современных 

компьютерных технологий, а также разрабатывать принципиально новые 

методы 
расчета 
электротехнологических 
процессов 
и 
оборудования, 

реализующего эти процессы.  

4. При 
проведении 
научно-исследовательских 
работ 
изучать 

основные факторы, определяющие снижение энергоемкости процессов, 

получать обобщенные зависимости для их расчета и внедрять результаты 

исследований в производство. 

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). 

       Учебное пособие предназначено для обучающихся по направлению 

Агроинженерия, профиль Энергетический менеджмент и инжиниринг 

энергосистем, а также может быть использовано аспирантами, научными 

сотрудниками и инженерами, работающими в различных областях АПК. 

 

 

 

 

 

 

Г л а в а 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ, КАК БАЗОВОГО ЭЛЕМЕНТА 

ОЦЕНКИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ 

ПРОИЗВОДСТВАГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА  

 

1.1 КЛАССИФИКАЦИЯ И ВИДЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ 

Под воздействием на обрабатываемую среду (систему) будем понимать 

направленное проявление сил различных физических полей: механических, 

электрических, магнитных, тепловых, акустических и радиационных (сводка 

основных воздействий и их результатов дана в табл. 1.1 [1] ).  

Воздействие всегда направлено на некоторый материальный объект, 

которым может быть отдельный элемент или совокупность взаимосвязанных 

элементов, образующих определенную систему. Некоторые из этих 

воздействий взаимосвязаны друг с другом, например, электрические и 

магнитные воздействия. 

Таблица 1.1 - Классификация энергетических воздействий  

Виды
воздействий

Факторы
воздействий

Физико-
химические
эффекты

Результаты
воздействия

1
2
3
4

Электрические
Электрические поля
различной 
структуры

Электросепарация, 
электрофорез,
электроосмос,
эффект Юткина, 
электрокоагуляция, 
электрохимические
эффекты,
электронагрев

Изменение физико-
химических
параметров,
трансформация
электроэнергии
в механическую,
тепловую, 
электрическую, 
химическую и др.
энергии

Магнитные 
Магнитные
поля различной
структуры

Эффект 
РигиЛедюка, 
магнитосепарация, 
магнитогидродинамический

эффект, 
магнито-химические 
эффекты

Изменение физико-
химических
параметров,
трансформация
магнитной энергии 
в механическую, 
тепловую,
электрическую и
др. энергии

Продолжение  таблицы 1.1 

1
2
3
4

Акустические
Упругие и
квазиупругие 
колебания 
в жидкости

Акустические
волны, акустическая
турбулентность, 
кавитация, 
кумулятивный
эффект, звукохими-
ческие
реакции, резонанс, 
расклинивающее
давление,
автоколебания, 
капиллярный 
эффект

Пульсации
давления,
кумулятивный
удар, изменение
физико-химических
свойств, активация, 
трансформация 
акустической 
энергии в
механическую,
сонолиз

Тепловые
Нагрев, охлаждение
(тепловые потоки)

Теплопередача, теплопроводность,

тепловое излучение, 
конвекция, эффект 
Соре, эффект 
Марангони, 
термоэффекты

Кипение, 
конденсация, 
фазовые переходы,
инверсия фаз,
изменение физико-
химических
параметров,
трансформация
тепловой энергии в 
механическую, 
радиационную и др.

Световые и

радиационные

Электромагнитные
волны, инфракрасное, 
световое,
ультрафиолетовое,
рентгеновское, 
g- излучение

Ионизация,
энергетическая 
накачка,
фотохимические 
реакции,
возбуждение
молекул

Изменение физико-
химических
свойств вещества, 
активация,
излучение,
трансформация
энергии излучения в 
тепловую
и др.

Механические
Удар, сдвиг,
сжатие,
растяжение,
вибрация,
формирование потоков

с определенной траекторией,

скоростью и
ускорением

Гидроудар,
турбулентность, 
эффект
Кармана,
трибоэффект,
эффект Рейнольдса, 
автоколебания,
активация,
накопление
дефектов
структуры,
концентрация
напряжений

Пульсации
давления и
скорости потока
жидкости,
трансформация
кинетической
энергии в
потенциальную
и др., 
энергетическая
накачка