Энергетика технологических процессов в АПК

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ 

ФГБОУ ВПО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ, А.Г. ПИРКИН, С.А. ФОКИН 

 

                      
 
                     
 
 
                                                       
 
                              

Э Н Е Р Г Е Т И К А  Т Е Х Н О Л О Г И Ч Е С К И Х 

П Р О Ц Е С С О В  В  А П К 

 

 

 
 
 
 

                                          У Ч Е Б Н О Е  П О С О Б И Е 

                               

 
 
 
 
 
 
 
                                               

 
 
 
 
 
 
 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 

2011 

УДК 621.311(07)   
ББК 40.76             
 
 Составители: М.М. Беззубцева, В.С. Волков, С.А. Пиркин, С.А. Фокин 
 Рецензенты: д.т.н., проф. С.А. Ракутько; д.т.н., проф. Орлов 

 

 
          М.М. Беззубцева, В.С. Волков, А.Г. Пиркин, С.А. Фокин  
А24: Энергетика технологических процессов в АПК. – СПб: СПбГАУ, 2011. 
 265 с. 
 

                                         Рекомендованы к изданию УМК энергетического  
                                                     факультета  (протокол № 1.1  от  18.10.2011г.) 
 

           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 «Энергетика технологических процессов в АПК» и 
предназначено 
для 
магистров 
энергетического 
факультета, 
обучающихся 
по 

специальности «Агроинженерия». Учебное пособие также может быть использовано 
студентами, аспирантами, научными сотрудниками и инженерами, работающими в 
различных областях АПК. 
                                                                                                                           
 
                                                                                                                             УДК 621.311(07) 
                                                                                                                             ББК 40.76 
 
 
 
                                                                                               
ISBN 978-5-85-983-146-3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                                                                           ©    М.М.Беззубцева,  
                                                                                                                  В.С. Волков 
                                                                                                                  А.Г. Пиркин 
                                                                                                                  С.А. Фокин 
 
                                                                                                           ©   СПбГАУ 
 
 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие
6

Глава 1.
Теоретические основы технологических процессов, 
как базового элемента оценки энергоэффективности 

производств агропромышленного комплекса
10

1.1. Классификация и виды энергетических воздействий
10

1.2. Закономерности энергетических воздействий
20

1.3. Классификация 
традиционных 
технологических 

процессов АПК

23

1.4. Стационарные 
и 
нестационарные 
технологические 

процессы АПК

25

1.5. Способы организации технологического процесса
26

1.6. Системный подход к проблеме повышения 

энергоэффективности  производства 
сельскохозяйственной  продукции
28

1.7. Законы сохранения, переноса субстанций и 

термодинамического равновесия.
Материальные и энергетические балансы
34

1.8. Законы равновесия. Равновесное состояние, направление 

протекания и движущая силатехнологического процесса

47

1.9. Кинетические закономерности процессов переноса

субстанций

54

1.10. Основы теории подобия процессов преобразования 

энергии

56

Глава 2.
Методы интенсификации и оценки 

энергоэффективности   технологических процессов 

сельскохозяйственного              производства
63

2.1. Основные понятия интенсификации технологических 

процессов

63

2.2. Метод формального анализа параметров, влияющих на  

интенсивность

69

2.3. Классификация 
и 
способы 
построения 
моделей

технологических процессов

72

2.4. Методология компьютерного моделирования
84

2.5. Методика 
оценки 
энергоэффективности 
при 

интенсификации 
электротехнологических 
процессов 

(ЭТП) сельскохозяйственного производства

90

 
Глава 3 .
Теоретические основы энергетики процесса 

измельчения и инженерные энергетические расчеты 

измельчающегооборудования
93

3.1. Основные положения процесса измельчения
93

3.2. Энергетический баланс измельчителя
97

3.3. Анализ энергетических теорий процесса измельчения
100

3.4.
Энергетическая 
эффективность 
процессов 
тонкого 

измельчения

111

3.5. Инженерные энергетические расчеты измельчающего 

оборудования

113

Глава 4. Теоретические основы энергетики ректификации
121

4.1. Общие положения процесса ректификации
121

4.2. Энергоемкость продуктов ректификации

Материальные и тепловые балансы

126

4.3. Диаграммы равновесия
130

4.4. Влияние флегмового числа на расход теплоты.

Методика определения оптимального флегмового числа 
и минимальных энергозатрат на основе
технико – экономических расчетов

132

4.5. . Пути экономии энергии в ректификационных 

установках

136

Глава 5. Теоретические основы энергетики процесса сушки
140

5.1. Классификация сушки по способу подвода энергии
140

5.2. Движущая сила процесса сушки
141

5.3. Направление протекания процессов переноса влаги
142

5.4. Кинетические закономерности, периоды и 

продолжительность технологического процесса сушки

143

5.5. Определение энергоэффективности сушильной 

установки

147

5.6. Энергетический анализ вариантов организации процесса 

конвективной сушки

157

5.7. Пути экономии энергии в технологическом процессе 

сушки

165

Глава 6.
Теоретические основы энергетики процесса 

выпаривания

167

6.1. Общие сведения 
167

 
 

6.2. Анализ энергоэффективности однократного  

выпаривания. Материальный и тепловой балансы 
однокорпусной выпарной установки непрерывного 
действия

170

6.3. Энергосбережение в многокорпусных выпарных 

установках (МВУ)

179

6.4. Влияние числа корпусов МВУ на коэффициент 

энергоэффективности.
Технико-экономический анализ предельного и 
оптимального числа корпусов

184

6.5. Пути экономии энергии при выпаривании
193

Глава 7.
Энергетика технологического процесса 

перемешивания

206

7.1. Методы и характеристики перемешивания
206

7.2. Классификация перемешивающих устройств
208

7.3. Расход энергии на перемешивание
218

7.4. Выбор частоты вращения перемешивающего органа при 

перемешивании

225

7.5. Определение энергоэффективного рабочего режима 

мешалок

227

Приложения
234

Приложение 1.
Основные термины и определения
234

Приложение 2.
Критерии подобия
238

Приложение 3.
Правила пользования I-d диаграммой
241

Приложение 4.
Рекомендации по стандартизации.
Методы подтверждения показателей 
энергетической эффективности
244

Библиографический список
259

 

 

 

 

 

 

 

 

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. 

       Учебное 
пособие 
предназначено 
для 
магистров 
энергетического 

факультета, а также может быть использовано студентами, аспирантами, 

научными сотрудниками и инженерами, работающими в различных областях 

АПК. 

Г л а в а 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 

ПРОЦЕССОВ, КАК БАЗОВОГО ЭЛЕМЕНТА ОЦЕНКИ 

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВ 

АГРОПРОМЫШЛЕННОГО 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. 

Т а б л и ц а 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, 
магнитогидродина-
мический
эффект, 
магнито-химические 
эффекты

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

 

 

П р о д о л ж е н и е  т а б л. 1.1 

1
2
3
4

Акустические
Упругие и
квазиупругие 
коле-

бания 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, теп-
лопроводность,
тепловое излучение, 
конвекция, эффект 
Соре, эффект Маран-
гони, термоэффекты

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

Световые и

радиационные

Электромагнитные
волны, инфракрас-
ное, 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 пото-
ков
с определенной тра-
екторией,
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

 

Результаты энергетических воздействий – это эффекты в элементах 

системы, на которые направлены  воздействия, т.е. эффекты, проявляющиеся 

в жидкости, газе, твердых телах или в гетерогенной смеси. При постоянстве 

условий, вида воздействия и свойств обрабатываемой среды проявляются 

одни и те же резульаты воздействия. 

Электрическое воздействие 

Электрическое воздействие осуществляется за счет электрических полей 

различной 
структуры: 
постоянные 
(однородные 
и 
неоднородные); 

переменные (бегущие); скрещивающиеся (электрические и магнитные) [2]. 

ТП с использованием электрических полей можно разделить на процессы, 

которые осуществляются только за счет электрического поля (электродиализ, 

электроосмос 
и 
т.д.), 
и 
процессы, 
которые 
интенсифицируются 

электрическим полем (сушка, экстракция, кристаллизация и т.п.). 

Электрические (электромагнитные) поля характеризуются частотой 

(промышленные частоты – 50 Гц, 60 Гц; поле токов высокой частоты – до 300 

МГц; поля токов сверхвысокой частоты – от 0,3 до 30 ГГц), напряжением или 

силой тока, длительностью воздействия. 

Электрическое поле воздействует на дипольные молекулы жидкостей и 

газов. При этом возникают пондеромоторные силы, вызванные наложением 

полей, 
поляризационные 
заряды, 
направление 
которых 
обусловлено 

разностью диэлектрической проницаемости среды. Эти силы изменяют 

поверхностное натяжение жидкостей [3-5]. Протекание электрического тока 

через электролиты приводит к электролизу. В коллоидных системах и 

капиллярнопористых телах наблюдаются такие процессы, как электрофорез, 

электроосмос, электродиализ, электрокоагуляция, ионофорез и др. [2]. 

Воздействие электрического тока на проводящие среды вызывает их нагрев 

за счет выделения тепла и пробой при высоких напряжениях [5]. 

Таким образом, электрическое поле в обрабатываемой среде вызывает 

следующие физико-химические эффекты: 

 электросепарация – разделение гетерогенной среды за счет 

разности электропроводности фаз; 

 электрофорез – перенос частиц в электрическом поле 

вследствие наличия разноименных зарядов у твердой и жидкой 

фаз; 

 электроосмос – перемещение жидкости вдоль стенок капилляра 

под действием приложенной ЭДС; 

 эффект Юткина (электрогидравлический удар) – генерация 

ударных волн в жидкости при ее электрическом пробое [6]; 

 электрокоагуляция 
– 
процесс 
сближения 
и 
укрупнения 

взвешенных в жидкости или газе частиц под действием 

электрического поля; 

 электрохимические эффекты – химические превращения под 

действием электрического тока (электролиз); 

 электронагрев – выделение тепла за счет прохождения через 

обрабатываемую среду электрического тока. 

При 
электрическом 
воздействии 
на 
вещество 
возможно 
его 

преобразование в механическое, тепловое, химическое, акустическое, 

магнитное и радиационное воздействия. 

Магнитное воздействие 

Магнитное 
воздействие 
аналогично 
электрическому. 
Действие 

магнитного поля вызывает уменьшение электрической проводимости, 

возрастание 
плотности, 
вязкости, 
поверхностного 
натяжения, 

диэлектрической проницаемости, магнитной восприимчивости [7-9]. Под 

действием магнитного поля меняются свойства воды и водных растворов [8]. 

Магнитное воздействие является, в основном, оптимизирующим для ТП и 

вызывает относительное движение фаз в обрабатываемой среде. Если 

дисперсной фазой являются ферромагнитные частицы, то они перемещаются 

под действием сил магнитного поля. При этом возможна их агрегация. Если 

дисперсная фаза – газовые пузырьки, то происходит их взаимодействие с