CC BY
10
УДК 628.979:581.035 Доктор техн. наук С.А. РАКУТЬКО
(СИбГАУ, [email protected])
ЭНЕРГОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИКЛАДНОЙ ТЕОРИИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
Теория энергосбережения, диссипативная функция, виртуальный энергетический блок, энергоемкость
Фундаментом изучения энергосбережения является методология, представляемая комплексом принципов, способов построения и организации теоретической и практической деятельности, направленной на целостное, системное изучение предмета исследования. Системная методология здесь связывает воедино специальные знания о разнородных и разнопорядковых элементах энергопотребления и энергосбережения в единое целое.
Как системный объект энергосбережение обладает рядом основополагающих признаков, первым из которых следует отметить отграниченность. Энергосбережение, как сложноорганизованное явление, имеет установленные границы своего функционирования, определяемые, с одной стороны, рамками АПК, а с другой - сферой прямого потребления энергетических ресурсов различных видов. Важным признаком системности энергосбережения является целостность, которая представляет собой внутреннее свойство системы энергосбережения и характеризует ее интегративность. В основе этого признака лежит соотношение частей и целого. Целостность системы энергосбережения вполне реально выразить через количественную меру, так как внедрение полного комплекса мероприятий по экономии топливно-энергетических ресурсов на этапах передачи, потребления и преобразования энергии дает больший экономический эффект, чем воздействие каждого мероприятия в отдельности. Таким образом, система энергосбережения, как целое, больше суммы ее частей. Целостность системы энергосбережения в условиях сельскохозяйственной деятельности (СХД) проявляется в образовании новой качественной определённости на основе взаимодействия составляющих его компонентов. Особенности энергосбережения в АПК проистекают из специфики СХД, заключающейся в биотрансформации биологических активов в целях получения сельскохозяйственной продукции или производства дополнительных биологических активов (животных или растений). Отдельные виды СХД объединены рядом общих характеристик:
- способность к биотрансформации;
- возможность управления биотрансформацией путем создания условий, необходимых для протекания процессов;
- измеряемость качественных и количественных изменений, происходящих в результате биотрансформации.
Примерами управления биотрансформацией являются поддержание температурного режима и освещения (например, в теплице или животноводческом помещении), внесение удобрений в почву для повышения урожайности выращиваемых культур. Именно возможность управления биотрансформацией отличает СХД от других видов деятельности, связанных с живыми объектами.
Перечисленные признаки являются критериями отнесения частных случаев наблюдаемых процессов и явлений к естественным (ЕБЭС) или искусственным биоэнергетическим системам (ИБЭС). Под ИБЭС понимается совокупность биологических объектов, технических средств и соответствующих им энерготехнологических процессов (ЭТИ), проводимых в целях получения промежуточных и конечных продуктов, создания условий их проведения, функционирующей в среде рынков энергии, технологий, технологического и энергетического оборудования [1].
Теоретическое рассмотрение такого сложного и многогранного понятия, как энергосбережение, приводит к необходимости построения прикладной теории энергосбережения в ЭТИ (ПТЭЭТП) как метода развития научного знания от исходной идеализированной модели объекта
с ее абстрактными сущностными характеристиками к теоретически целостному, системному отображению этого объекта в составе производственной энергетической системы.
Предметной областью ПТЭЭТП является сельскохозяйственная энергетическая система (СЭС) - совокупность источников энергии различного вида и передающих ее сетей, энергоприемников, трансформирующих полученную энергию в продукцию, соединенных между собой и связанных общностью режимов в непрерывном процессе преобразования, распределения и потребления энергии при общем процессе управления этими режимами.
Протекающие в аппаратах и установках СЭС технологические и биологические процессы связаны с перемещением тепла, вещества, электричества и подчиняются общему закону энергопроводности.
В состоянии термодинамического равновесия потенциалы в отдельных узлах СЭС одинаковы: Ui = const . Перенос соответствующей субстанции происходит при возникновении градиента потенциала в направлении выравнивания последнего [2].
Количественно величина переносимой субстанции dЭ равна произведению градиента потенциала U = U2 — U1 на изменение обобщенной координаты dK
d3 = UdK . (1)
Примеры потенциалов и координат показаны в таблице.
Таблица. Примеры потенциалов и координат
Процесс Потенциал U Координата K
Расширение газа Давление p Объем V
Электрический заряд проводника Электрич. потенциал р Заряд q
Теплообмен Температура T Энтропия S
Массообмен Химич. потенциал л Масса V
Механическая работа силы Сила F Перемещение X
Удельный поток энергии, характеризующий перенос соответствующей субстанции, для процессов переноса малой интенсивности описывается линейным законом зависимости от градиента объемной концентрации энергии. В случае интенсивных процессов, характерных для СЭС, явления переноса должны рассматриваться во взаимосвязи, т.к., например, на перенос тепла влияет перенос вещества и энергии упорядоченного движения.
Для описания переноса любой субстанции на основе переноса энтропии, однозначно характеризующего сложный взаимосвязанный молекулярный перенос, применимы методы термодинамики необратимых процессов [3].
В необратимых процессах присутствует источник энтропии, производство которой является функцией от координат и времени. Основным соотношением термодинамической теории переноса является равенство произведения абсолютной температуры на скорость изменения объемной концентрации энтропии и сумме произведений потоков субстанций на движущие силы переноса. Данное соотношение служит исходным для определения соответствующих потенциалов переноса.
Потоки субстанции (энергии, массы, электричества и т.д.) обусловлены действием термодинамических сил Хк :
j =Z LkXk . (2)
k=1
Данная формула представляет собой систему линейных уравнений Онзагера. Величины называются кинетическими коэффициентами, между которыми имеет место соотношения взаимности
Lik = Lki
Термодинамические силы X и потоки ji должны удовлетворять условию
Ф = т— = у jlXl = -0, (3)
ёт ^ 11
с18
где--скорость продукции энтропии,
ёт
Ф - диссипативная функция,
О - свободная энергия Гиббса.
Движущая сила является одним из основных факторов, определяющих энергоэффективность технологических процессов в АПК, объектом приложения которых являются биологические объекты. В основе термодинамического описания таких процессов лежит нелинейная теория необратимых процессов, поскольку системы с живыми организмами являются системами, далекими от равновесия и обменивающимися с окружающей средой веществом и энергией.
Дополнительные сложности в термодинамическое описание рассматриваемых процессов привносит факт развития живых организмов во времени. В соответствии с термодинамической теорией Пригожина-Виам процессы роста и старения биологического объекта описываются непрерывным трендом их изменения в направлении к конечному стационарному состоянию (конститутивные приближения), на которые накладываются импульсные и адаптивные отклонения (индуцибильные уклонения). Эти процессы сопровождаются уменьшением удельной скорости продукции энтропии [4]. Данные теоретические положения являются основой для построения математических моделей роста и развития живых организмов, а значит, продуктивности технологических процессов с использованием биологических объектов в зависимости от действующих на них факторов.
Переходя от термодимического подхода к энергодинамическому, элементы СЭС с различной природой потоков и сил можно представить схемой, показанной на рис. 1.
Рис. 1. Схема энергопреобразующей системы
Источник энергии создает поток энергоносителя jвх , который, проходя через энергопреобразующее устройство (ЭПУ), образует поток ^ых в объекте работы. Задачей ЭПУ является использование пространственной неоднородности в одних материальных объектах (источнике энергии) для создания искусственной неоднородности в других (объекте работы). Такое выделение функции материальных объектов подчеркивает неразрывное единство процессов переноса и преобразования энергии и определяет необходимость постановки задачи о совершенстве процессов преобразования энергии [5].
Выражение для дисипативной функции в данном случае:
Ф = jвх Xвх + jвых Xвых . (4)
Входной поток, создаваемый источником энергии, принадлежащем неоднородной окружающей среде, имеет направление в соответствии с парной ему силой Xвх . Выходной поток через объект работы может протекать против силы Xвых вследствие его сопряжения с входным потоком.
В этом случае ^ых Xвых < 0, а значит, часть свободной энергии на входе ЭПУ передается в окружающую среду, а часть - преобразуется в форму, соответствующую процессу на выходе ЭПУ.
Поскольку диссипативная функция принимает только отрицательные значения, поток на выходе ЭПУ не может превышать потока на входе ЭПУ, что позволяет свести задачу энергосбережения к повышению сопряжения между входными и выходными процессами.
Представленное на рис. 1 ЭПУ предложено считать виртуальным энергетическим блоком (ВЭБ) - теоретической моделью реального энергетического объекта или процесса, описывающей процесс преобразования набора входных параметров в выходные за счет протекания некоторых типовых процессов преобразования энергии и переноса вещества и характеризуемой энергоемкостью (рис.2) [6].
Рис. 2. Энергетические потоки через ВЭБ
Уравнения ВЭБ содержат по две переменных ) и 4(1) для его входа и выхода. Переменная характеризует состояние ВЭБ относительно поперечного сечения его входа и
выхода. Такие переменные называются поперечными (например, электрический ток, потоки различных носителей энергии, механическая сила). Продольная переменная 4(1) характеризует состояние ВЭБ на его входе и выходе (например, электрическое напряжение, скорость, разность давлений, температур и т.д.). В более общей трактовке поперечная переменная является вектором плотности потока носителей энергии, продольная переменная - потенциалом различной природы, а их произведение с последующим суммированием по отдельным составляющим - вектором плотности потока энергии, или вектором Умова-Пойнтинга.
Использование уравнений Онзагера, учитывающих эффект взаимного действия потоков энергии, более корректно, но не меняет сам принцип подхода.
Исходя из изложенного, формула, выражающая величину энергоемкости ВЭБ через его переменные, принимает вид:
е а Тсяс)с)
бк (о-4ц)- ()
Таким образом, в данной статье на основе энергодинамического подхода теоретически раскрыта связь между обобщенными переменными, характеризующими входы и выходы энергетического блока, и его энергоемкостью. Рассмотренные положения могут быть положены в основу обоснования технических решений по оптимизации энерготехнологических процессов в АПК в соответствии с принципом минимизации энергоемкости [7,8].
Л и т е р а т у р а
1. Ракутько С.А. Прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах АПК: структура и основные положения // Энергосбережение и водоподготовка.-2009.-.№4(60).-С.65-67.
2. Лыков А.В. Теория переноса энергии и вещества.- Минск: Изд-во Академии наук БССР, 1959.- 332 с.
3. Де Гроот С.Р. Термодинамика необратимых процессов.- М.: Гостехиздат, 1956.
4. Термодинамика биологических процессов / Под ред. А.И. Зотина.- М.: Наука, 1976.-280 с.
5. Эткин В.А. Энергодинамика (синтез теорий переноса и преобразования энергии) . - СПб.: Наука, 2008.-409 с.
6. Ракутько С.А. Энергоемкость как критерий оптимизации технологических процессов // Механизация и электрификация сельского хозяйства.-2008.-№12.-С.54-56.
7. Пат. № 2053644 РФ. Способ искусственного облучения растений в процессе выращивания / Ракутько С.А.- №93008935/15; 3аявл.17.02.93; Опубл. 10.02.96.
8. Ракутько С.А. Энергосберегающая система управления энерготехнологическими процессами в АПК // Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И. Вернадского: Сб. мат. III межд. научно-практич. конф. (25-26 сентября 2008 г.) - Тамбов, 2008. - С.228-229.
