Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

Модельная структуризация и синергетический анализ энерготехнической системы

Игонин В.И. 1
1 ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет»
Работа посвящена макроуровнему анализу [13] применимости диссипационной и интегральной формулировки второго закона термодинамики к модельной структуризации энерготехнической системы с использованием терминологии технического и синергетического знания.
субъект есть энергия
синергетическая концепция самоорганизации
саморегулируемый
саморазвивающийся процесс с постоянным обменом веществом энергией и информацией
энергетика-система установок и устройств для преобразования энергетических ресурсов
когенерационного типа
тригенерационного типа (т.е. когда система вырабатывает совместно электроэнергию
теплоту и холод)
неравновесные
необратимые
открытые
закрытые
диссипативные
термодинамические системы
конструирование процесса диссипации
человекомерность технической системы
первый и второй законы в интегральной диссипационной форме
закономерность поступательного саморазвития – субъект – субъект (С→С)
бифуркационное поле предложений
энергетический цикл преобразования энергии
сознательно конструируемые потоковые слагаемые уравнения (1)
реализация бифуркационного процесса развития
предложения нужной «полезности»
потоковый анализ моделей электрической
тепловой
механической форм энергии и холода
общность и различие в организации циклов для получения нужных форм энергии
1. Гутнер, Г.Б. Субъект как энергия. Синергетическая парадигма. Когнитивно-коммуникативные стратегии современного научного познания. – М.: Прогресс-Традиция, 2004. – 560 с. – С. 490-502.
2. Князева Е.В., Курдюмов С.П. Основания синергетики: Синергетическое мировидение. Изд.3-е, доп. – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010.  – 256 с. (Синергетика от прошлого к будущему).
3. Соколов, Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов. – М.: Изд-во МЭИ, 2001. – 472 с.
4. Чистович, С.А.Технологические системы теплофикации, теплоснабжения и отопления // Научно-технический журнал АВОК Северо-запад. – №7. – 2007.  – С. 10-18.
5. Игонин, В.И. Проявления свойств интегральности при системном термодинамическом анализе энергетической установки // Международный научно-исследовательский журнал. Ч. 1. 5(5). – 2012. Research Journal of International Studies, ISSN 23ОЗ-9868/ http://research-journal.org., технические науки.  – C. 93-94.
6. Игонин В.И. Особенности системной идентификации человекомерной модели функционирования технической энергосистемы. // Современные наукоёмкие технологии.  – №1.  – 2013.  – C. 22-26.
7. Пригожин, И. Введение в термодинамику необратимых процессов.  – М., 1960.
8. Степин, В.С. Синергетика и системный анализ //в кн. Синергетическая парадигма. Когнитивно-коммуникативные стратегии современного научного познания.  – М.: Прогресс-Традиция, 2004.  – 560 с.  – С. 58-78.
9. Лебедев С.А.Философия науки: Программа общего курса кандидатского минимума для аспирантов и соискателей. – М.: МАКС Пресс, 2003,-32с.
10. Игонин, В.И. Основы автоматизации и идентификации энтропийной модели на примере открытой неравновесной синергетической системы / Д.В. Титов, А.С. Пешков, В.И. Игонин // Информационные технологии в проектировании и производстве. – М.: ФГУП «ВИМИ», 2011. – №4. – С. 50–57.
11. Игонин, В.И. Особенности энтропийной идентификации неравновесной синергетической системы / Д.В. Титов, В.И. Игонин // Вестник МАНЭБ.  – №4 (17).  – 2012.  – С. 59-65.
12. Олемской А.И. Синергетика сложных систем: Феноменология и статистическая теория / предисл. Г.Г. Малинецкого.  – М.: КРАСАНД, 2009.  – 384 с. (Синергетика от прошлого к будущему).
13. Игонин, В.И. Пути повышения эффективности теплоэнергетических систем: Монография / В.И. Игонин. – Вологда: ВоГТУ, 2007. – 119 с.

Приведем некоторые определения синергетического и технического толкования, которые указывают на разные модельные представления, касающиеся структуризации энерготехнической системы и используются для формирования идеи представленной работы.

Г.Б. Гутнер. – «Субъект существует только в деле., т.е. субъект есть энергия». [1].

Е.В. Князева, С.П. Курдюмов. – «В синергетической концепции самоорганизации объектом исследования являются открытые системы в неравновесном состоянии, характеризуемые интенсивным потоковым, множественно дискретным обменом веществом и энергией... Вещь (система) предстает как саморегулирующий процесс с постоянным обменом веществом энергией и информацией с внешней средой и самими подсистемами. В результате происходит смена одного инварианта другим – саморегуляция и саморазвитие. Наращивание системой новых уровней организации сопровождается изменением ее внутреннего пространства состояния во времени, что позволяет расширить горизонты существования... [2].

По определению Соколова Е.Я. [3] «Энергетикой называется система установок и устройств для преобразования первичных энергоресурсов в виды энергии, необходимые для народного хозяйства и населения, и передачи этой энергии от источников ее производства до объектов использования. Основными источниками теплоты и электроэнергии являются тепловые электрические станции….»

Чистович С.А. – « в настоящее время принято говорить об энергетических системах когенерационного типа, а так же тригенерационного типа (т.е. когда система вырабатывает совместно электроэнергию, теплоту и холод)». [4].

Выделим общие закономерности и отличительные особенности моделирования энергообмена в технической энергетической системе, используя позиции технического и синергетического анализа.

Пусть субъект создает для своей деятельности организованные технологические производства, к которым относятся все технические системы, выпускающие товары, технические устройства, пищевые продукты, создающие условия для климатизации и облегчающие труд субъекта с помощью превращения взятых каким-либо способом из окружающей среды разнообразных видов энергии в нужную для него полезную работу, теплоту, холод.

Для анализа он использует одну из наиболее продвинутых, в смысле создания обобщенного описания динамики энергообмена науку о неравновесных термодинамических системах. С позиций неравновесной термодинамики все процессы, в теплоэнергетических системах неравновесны и необратимы [7]. Эти же позиции отстаивает синергетическое направление в философии [8, 9, 12]. Достаточно много литературы в последние 40 лет указывает на то, что при моделировании энергетических объектов нужно говорить об объекте, как о «системе», т.е. применять при его описании системный анализ или системный подход. В работах [5, 6] рассмотрены особенности системной идентификации человекомерной модели функционирования технической энергосистемы. Человекомерность обосновывается взаимным влиянием технической и субъективной подсистем друг на друга. Две системы связаны между собой и окружающей средой итерационным циклом развития и управления. Абстрактно это два множества, которые связаны между собой потоками энергии, массы и информации.

Первое множество системы это техническая энергосистема. Ее функции определены производством, распределением, потреблением энергии и распространяются на все сферы деятельности субъекта, связанные с сельским хозяйством, бытовым потреблением, транспортом и т.д. Субъект забирает потоки энергии и массы из окружающей среды и выбрасывает их после использования в окружающую среду. Второе множество это система – субъективного плана связанная с его сознанием. Для субъекта характерно присутствие социального фактора выражающегося через законы общества, экологии, термодинамики и т.д. Множество «субъект» воздействует на множество «техника». Оба связаны с окружающей средой. Под воздействием взаимно переменной информации меняются психосоматические параметры субъекта, термодинамические параметры технической системы и окружающей среды. Реализация субъектом такой модели на практике требует осознания возможности приближения современных реалий энергетической картины, в которых существующий социум как саморазвивающаяся система функционировал бы с пониманием кризисных явлений. В настоящее время все более заметны явления в окружающей среде, которые указывают на присутствие на земле экологического кризиса. По мнению части ученых это происходит из за неуправляемой антропогенной нагрузки на окружающую природу (внешнюю среду). Те же причины лежат в появлении мирового экономического кризиса. Для эффективной борьбы с кризисными явлениями требуется понимание связей между субъективным сознанием и организованной сознанием энергосистемой. С позиций синергетики теплоэнергетические системы классифицируются термодинамическими блоками закрытого или открытого типов, между которыми существуют связи через потоки энергии, массы и информации. Если в системе отсутствуют связи через потоки массы, ее называют закрытой. Если же присутствуют связи через потоки энергии и массы, то система будет открытой.

Все технически организованные системы являются диссипативными и работают эффективно в том случае, если мы планируем диссипационные потери. Они построены таким образом, что без сознательного сконструированного процесса диссипации техническая система существовать не может, так как диссипационные потери позволяют удерживать преобразуемую энергию в заданном конструктивном (проектируемом) энергетическом устройстве [13]. В последнее время методология неравновесной термодинамики претендует на роль междисциплинарной науки. Однако модели технических энергетических систем в большинстве своем не учитывают закономерные особенности процессов самоорганизации и саморазвития. Это становится возможным после того, как в модельную реальность вводится понятие человекомерности энергетической системы с признанием формулы построения основных функциональных закономерностей в виде последовательного действия «субъект один» – «субъект два» и т.д... [6, 9]. Признание такого подхода позволяет взять за основу в субъективной части модели междисциплинарную методологию, которая построена на общих системных законах развития, управления и опирается на новые методические концепции наследственности, видоизменчивости, нестационарности, нелинейности присущие неравновесной термодинамике, синергетике и т.д.

Рассматривая термодинамические особенности функционирования диссипативных энергетических систем под призмой моделей неравновесного энергообмена субъект пытается понять, как происходит обмен энергии в диссипативной системе. В работах [5, 10] упоминается об очевидности проявления свойств интегральности, при совместном использовании первого и второго закона при анализе диссипативных систем. Этот факт субъект обосновывает на следующем допущении, что если энергия взята из окружающей среды, то она, как правило, превращается в теплоту, которая рассеивается затем в окружающую среду. Таким образом, взятая для использования в той или иной форме энергия переходит в теплоту и рассеивается в окружающую среду (1):

Eoc ⇒ DQ. (1)

Чтобы получить полезный эффект субъект должен иметь «рабочее тело» с помощью которого организовывается возможность удержания энергии в пространстве и во времени с созданием разности тепловых потенциалов, которые используются для совершения полезного для субъекта действия. Организованная нужным для субъекта образом энергия в форме теплоты идет на изменении внутренней энергии рабочего тела, на совершение с помощью рабочего тела работы и на необходимые для процесса структурной организации диссипативные потери (2), [5, 13]

DQ ⇒ DU + DL +DUд +DLд ⇒ Eoc. (2)

Из (1) и (2) следует, что вся выделенная субъектом энергия неорганизованная или организованная для ее полезного использования уходит в окружающую среду. Необходимое условие организации – наличие рабочего тела и создание управляемой временной и пространственной конечной разности энергетического потенциала.

Поскольку уровень теплового энергетического потенциала зависит от «степени нагретости» рабочего тела, т.е. от какой-то взятой за точку отсчета температуры, то говорят о температурах Т1 и Т2 – которые условно отражают уровни энергетического теплового потенциала (1) в виде «горячего» и «холодного» источников теплоты, рис. 1. Разность температур указывает на тот энергетический потенциал технической энергетической системы, который формирует субъект для удовлетворения своих полезных целей. Цели определяются итерационным характером реализации закономерностей субъект – объект (С→О) с последующей трансляцией в закономерность вида субъект – субъект (С→С). Рефлексивно меняются структуры объекта и свойства среды. Субъект воздействует на среду, осознает ее влияние и меняет ее и себя. Такой уровень субъективности соответствует процессу поступательного саморазвития системы в рамках формулы (С→С).

Условие наличия конечной разности тепловых потенциалов, а значит разностей термических параметров (температур, давлений, удельных объемов) подразумевает организацию, двух источников теплоты с разными температурами, каждый из которых можно назвать приемником или источником энергии. Иллюстрацией этого факта и возможностей выбора саморазвивающимся субъектом разных по потребительским свойствам энерготехнических моделей в бифуркационном поле предложений служат следующие рассуждения о модели двух источников, рис. 1.

а igo1.wmf б

Рис. 1. Комбинации потоков теплоты и работы для организации разных функций системы: а – получение внешней работы и теплоты ХИ за счет теплоты ГИ; б – получение теплоты ГИ за счет внешней работы и теплоты ХИ

В первой модели рис. 1,а) энергия подводится для создания потенциала горячего источника (Г.И.) с последовательным отводом энергии от рабочего тела (РТ) в форме полезной работы ,а затем и теплоты с созданием холодного источника (ХИ).

Во второй модели рис. 2,б) те же потоки организованы по другому. Организация заключается в последовательном подводе энергии в виде теплоты к ХИ, а затем к РТ в эквивалентной форме в виде внешней работы, что создает ГИ с отводом теплоты в окружающую среду.

В последнем случае тоже формируется потенциал горячего источника, но теплота, подводимая к холодному и горячему источникам, полезно используется в зависимости от задач, которые решает субъект, рис. 2.

igo2.tif

Рис. 2. Обобщенная структура модели преобразования энергии

На рис. 2 показаны необходимые блоки или узлы упрощенной структурной модели энерготехнической системы для реализации балансовых превращений энергии (1), (2) и представлений ГИ ↔РТ↔ ХИ (рис. 1).

Из окружающей среды субъект забирает химическую энергию топлива и в источнике энергии превращает ее в теплоту. Для реализации этого процесса требуется теплообменное устройство, в котором организуется подвод теплоты к рабочему телу. Рабочее тело или теплоноситель получает комбинации энергии в формах теплоты и работы с соответствующими потерями энергии. Для условий существования субъекта принцип получения полезной работы осуществляется в тепловых двигателях (паровые, газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания) с выходом электрической, механической, тепловой энергии для систем создания микроклимата (котельные установки, тепловые насосы, системы отопления, холодоснабжения и т.д.) Все устройства, встречающиеся на пути движения теплоносителя, представляют собой теплообменники различных типов. Теплообменники в качестве трансформаторов теплоты формируют горячий и холодный источники теплоты. Минуя их, рабочее тело поступает в окружающую среду. Далее энергетический цикл преобразования энергии повторяется.

В результате субъект осознает, что в циклически организованных (по рабочему телу) в высоко или низко потенциальных системах выработка и потребление энергии идет при сознательно конструируемых диссипационных (DUд., DLд) составляющих энергетического процесса. Только при таких условиях возможна качественная организация и получение полезных для субъекта различных форм энергии -механической, электрической, холода или теплоты.

Дополняя схему рис. 2 следует отметить, что теплоноситель перемещается от одного теплообменного устройства к другому за счет насосов, копрессоров, вентиляторов потреблющих различные формы энергии. С учетом вышесказанного, субъект выстраивает совокупность теплообменных, энерговырабатывающих и энергопотребляющих устройств в ту или иную конструктивную структуру в соответствии со схемотехническим решением принятым для передачи энергии и массы в разные координатные узлы энергетического пространства для реализации того или иного полезного действия.

Несмотря на разные потребительские свойства моделей, и потоковую картину входных и выходных параметров, имеется определенная общность представлений о процессах, которые идут в энерготехнических объектах.

Для моделей рис. 1 общность состоит в том, что входным параметром для организации разности потенциалов является подводимая к рабочему телу энергия. Это действие меняет запас внутренней энергии, что используется для совершения полезного эффекта. Для создания горячего и холодного источников субъект подбирает рабочее тело с заранее прогнозируемыми свойствами. Свойства рабочего тела требуют баланса количественно прогнозируемых потоков энергии. Холодный и горячий источники теплоты создаются искусственно путем комбинаций разных потоковых форм энергии, поочередно подводимых или отводимых с рабочим телом. Полезными для субъекта могут быть как потоки энергии в виде теплоты, так и в виде работы.

Общими факторами для обеих моделей является фактор создания горячего источника с отводом теплоты от него для создания полезного эффекта и фактор организации процессов испарения и конденсации рабочего тела. Иначе говоря, рабочее тело последовательно испытывает, под действием указанных выше комбинаций подвода энергии, переходы из однофазного в двухфазное состояния, и наоборот.

Таким образом, на этом этапе построения модели субъект ставит задачу по организации горячего и холодного источников теплоты, потребительские свойства которой зависят от уровня энергетических потенциалов. Уровень потенциала подразумевает существование свойств рабочего тела энергетической системы в требуемых диапазонах отрицательных или положительных температур. В разных диапазонах температур работают установки для производства потоков энергии в виде электричества, холода, теплоты (рис. 3).

Здесь показаны три циклические энергосистемы как последствия реализации бифуркационного мышления. Субъект сталкивается с необходимостью отображения цикличности, т.е. бесконечной повторяемости некоторой последовательности термодинамических процессов, которые указывают на факт требуемой организации производства энергии. Процессы цикличности поддерживаются до тех пор, пока осуществляется та или иная технология нужная субъекту. На рис.3,а, 3,б показаны цикл Ренкина и циклы для установок холодильной техники и теплового насоса. Все они сформированы для рабочих тел циклически преходящих из жидкого состояния в газообразное и обратно. В настоящее время модель цикла Ренкина является основой для анализа реальных процессов получения электрической и тепловой энергии на тепловых электрических станциях, рис.3а. В координатах температура – энтропия (ТS) он представлен последовательностью идеальных процессов 1-2,2-3,3-4,4-5,5-1. Теплота Q1 полученная в источнике энергии после совершения процессов 1-4 имеет высокие потенциалы (Т1, Р1).Теплота отведенная из цикла в окружающую среду имеет потенциалы (Т2, Р2). Разность потенциалов положительна, рис.1,а. За счет нее получается механическая работа ∆L в паровой турбине рис. 2. Механическая энергия в электрогенераторе превращается электрическую и уходит в окружающую среду. Процесс 4-6 реальный. Разница энергий в процессах 4-5 и 4-6 формирует величину слагаемого ∆Lд в уравнении (2).

Для получения холода в процессе 4-1 рис. 3,б следует подвести к специфическому рабочему телу теплоту Q2. В результате субъект имеет возможность получить низкие температуры Т2 рабочего тела, рис.1,а. Теплоноситель переходит в газообразное состояние и создает холодильный эффект. Чтобы вернуть его жидкое состояние требуется с помощью компрессора его сжать с выделением теплоты и нагревом рабочего тела до температуры Т1 горячего источника рис. 1,б. В процессе 2-3 осуществляется конденсация с выделением теплоты Q1 в окружающую среду. В цикле организована низкотемпературная разность между температурой холодного объекта и окружающей средой.

Вариант использования этого же цикла для получения более высокой разности температур организован в трансформаторе теплоты – тепловом насосе рис. 3,б. Температурная разность находится в зоне положительных температур рабочего тела. Холодный источник организуется в процессе 4-1, но он будет при температуре окружающей среды.

Выводы и результаты работы

Циклический процесс продолжается до тех пор, пока будет подводиться внешняя энергия для формирования горячего источника теплоты, иначе по выражению [2] «второй закон все разровняет, прощай самоорганизация».

igo3.tif

Рис. 3. К выбору модели циклического воспроизводства энергии: а – цикл с получением работы; б – циклы с использованием работы

Работа посвящена макроуровнему анализу [13] применимости диссипационной и интегральной формулировки второго закона термодинамики к модельной структуризации энерготехнической системы с использованием терминологий технического и синергетического знания. Потоково – параметрический анализ показал, что использование основной синергетической терминологии оправдано, тем, что техническая система и система – «человек» есть формы существования энергии. Признание человекомерности технической системы, это результат осознания энергетического единства движущегося в своем поступательном развитии «субъекта». Только в этом аспекте процесс движения отмечен терминами самоорганизации, саморегулирования, саморазвития с обязательной организацией условий постоянного обмена энергией веществом и информацией. Техническая энергетика как система установок когенерационного или тригенерационного типов в своем развитии проходит этап поступательного осознанного конструирования процессов диссипации энергии с учетом неравновесности, необратимости открытых структур принятых для моделирования существующего многообразия реальности в бифуркационном поле непрерывно встречающихся предложений полезного использования энергии для циклических условий существования «субъекта» в рамках итерационных формул субъект – объект ( С→О) с последующей трансляцией их в формулу субъект-субъект ( С→С).

Заключение

«Технари» говорят и пишут о моделях технических систем. Философы о моделях с субъективным началом. Синергетики пытаются эти две модели объединить, но указывают на преобладание все-таки субъективного роста технических систем с ограничениями на «условия собственной жизни» его субъекта и природы, которая его окружает. «Технари» решают технические задачи, где надо все рассчитать, а затем создать модель, которая не похожа на субъекта, но выполняет часть его функций с большей полезностью, чем это может сделать сам субъект. Большинство моделей (процессов) линеаризуется, но вводятся опытные коэффициенты для того, чтобы обезопасить себя от явлений проявления нелинейности в «режиме обострения», что в большинстве случаев удается, так как коэффициенты выбираются с запасом. Явления, которые имеют большие масштабы – жизнь социума на земле, торговля, денежное обращение, атмосферные процессы – находятся дальше от состояния изученности ввиду своей масштабности и поэтому их можно отнести к системам находящимся в положении «дальнего равновесия» и свойства «линейности» здесь наблюдается все меньше.

Энергии в связи с развитием техники и ростом обустроенности жизни надо все больше, поэтому создаются центры ее концентрации и воспроизводства для использования в мирных или не мирных целях. Появляются, не предсказуемые кризисные явления военного, экономического, экологического характера. Они связаны между собой понятием «субъект» и требуют разработки моделей именно синергетического направления, которое учитывают состояния бифуркационного общего пути развития систем, где энергию надо подвести в тех локальных точках пространства и времени, там, где это мероприятие востребовано. Для этого надо просчитывать поля бифуркационных предложений и вариантов. Как их рассчитывать, и что считать на это должны указывать обобщенные показатели по некоторым основным блокам входящим в иерархическую систему моделей того или иного приближения к существующей реальности. Видимо следует считать, что технические системы это системы аллопоэтического типа, но если признавать человекомерность технической системы в рамках ее саморазвития и целостной самоорганизации, то следует признавать все-таки путь автопоэтического развития. Не может быть самоорганизации технической системы без участия субъекта, значит следует признать вблизи «равновесного состояния» процессы саморазвития по схеме С→С, а вдали – это вселенная или внеземная цивилизация – субъективное влияние внешнего «божества».


Библиографическая ссылка

Игонин В.И. Модельная структуризация и синергетический анализ энерготехнической системы // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 5. – С. 39-45;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=31797 (дата обращения: 02.04.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074