Электроактивация сред в технологиях сельского хозяйства как способ интенсификации производственных процессов

ЭЛЕКТРОАКТИВАЦИЯ 
СРЕД В ТЕХНОЛОГИЯХ 
СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА 

КАК СПОСОБ 

ИНТЕНСИФИКАЦИИ 
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ 

ПРОЦЕССОВ

Н.В. КСЕНЗ, Б.П. ЧЁБА, И.В. ЮДАЕВ

Москва
ИНФРА-М

2021

МОНОГРАФИЯ

Под общей редакцией профессора И.В. Юдаева

УДК 631.371(075.4)
ББК 40.76
 
К86

Р е ц е н з е н т ы:
Вендин С.В., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электрооборудования и электротехнологии в АПК Белгородского государственного аграрного университета имени В.Я. Горина; 
Лекомцев П.Л., профессор, доктор технических наук, профессор кафедры энергетики и электротехнологии Ижевской государственной 
сельскохозяйственной академии

ISBN 978-5-16-016462-5 (print)
ISBN 978-5-16-108743-5 (online)
© Ксенз Н.В., Чёба Б.П., Юдаев И.В., 
2021

Ксенз Н.В.
К86  
Электроактивация сред в технологиях сельского хозяйства как 
способ интенсификации производственных процессов : монография / 
Н.В. Ксенз, Б.П. Чёба, И.В. Юдаев ; под общ. ред. проф. И.В. Юдаева. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 306 c. — (Научная мысль). — DOI 
10.12737/1154383.

ISBN 978-5-16-016462-5 (print)
ISBN 978-5-16-108743-5 (online)
В монографии рассматриваются научные основы, методологические 
подходы и прикладные аспекты электроактивации воздушной среды 
и водных растворов для их непосредственного использования в различных 
технологических процессах сельскохозяйственного производства. Приведены результаты многочисленных экспериментальных исследований 
авторов и других исследователей, проведенных в течение нескольких лет, 
по обоснованию параметров и режимов работы электротехнологических 
установок для электрической активации различных сред.
Предназначена для магистрантов, аспирантов, инженерно-технических 
и научных работников, изучающих и занимающихся вопросами электротехнологии, в частности разработкой электроактиваторов и использования 
процессов электроактивации в различных областях сельскохозяйственного производства и при переработке сельскохозяйственной продукции.

УДК 631.371(075.4)
ББК 40.76

Введение

Сегодня перед агропромышленным комплексом страны стоит 
очень важная задача трансформировать имеющиеся и применить 
новые создаваемые технологии таким образом, чтобы сделать их основой инновационного развития и расширения внутреннего рынка 
продуктов питания и услуг в сфере сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности, обеспечив устойчивое положение 
России на внешних рынках. Нарастить научно-технологический 
потенциал российского агропромышленного комплекса возможно, 
только опираясь на новейшие достижения науки и техники.
Одним из серьезных достижений научно-технического прогресса, повышающих эффективность технологических процессов 
и операций, является электроактивация взаимодействующих сред 
в производственных технологиях аграрного сектора экономики. 
Явление электроактивации взаимодействующих сред порождает 
многочисленные специфические физические, химические и биологические эффекты, которые могут послужить отправным пунктом 
для создания принципиально новых технологий во всех отраслях 
сельскохозяйственного производства и перерабатывающей промышленности.
Так, при очистке воздушной среды животноводческих и птицеводческих помещений с помощью вентиляции (механическая форма 
взаимодействия) компоненты воздушной среды находятся в квазиравновесном химическом состоянии, что и приводит к низкой 
эффективности системы вентиляции. В случае воздействия на эту 
среду неоднородным высоковольтным электрическим разрядом, 
в плазме этого разряда происходит целый ряд элементарных процессов, которые увеличивают внутреннюю энергию молекул газов, 
и последние с большей эффективностью вступают в различные химические реакции. Одной из таких реакций является образование 
озона в газовом электрическом разряде. Озон эффективно используется для стимуляции роста и развития растительных организмов; 
сушки сельскохозяйственной продукции; дезинфекции ран и язв 
на теле сельскохозяйственных животных, а также при различных 
кожных заболеваниях; обработки кормов для птиц и животных; 
обеззараживания рабочих поверхностей и упаковочного материала; 
санитарной обработки оборудования и зон хранения пищевых продуктов и т.п.

Вода представляет собой универсальную дисперсионную среду, 
играющую большую, и зачастую решающую, роль в протекании 
многих технологических процессов. Поэтому ее активация с использованием электрических воздействующих факторов для интенсификации протекающих процессов имеет не менее важное 
значение для развития и роста животных и растительных организмов. Прохождение электрического тока через водную среду 
приводит к изменению ее внутренней структуры, что повышает ее 
потенциальную активность. Электроактивированная вода используется для предпосевной обработки семян зерновых культур; поения птицы и животных; приготовления ветеринарных раство ров 
и препаратов; силосования зеленой массы; дезинфекции тары 
на молочно-товарных фермах и упаковки на перерабатывающих 
предприятиях и т.д.

Introduction

Nowadays the country’s agro-industrial complex has a very important task to transform existing technologies and apply new ones in such 
a way as to make them the basis for innovative development and expansion of the domestic market for food and services in agriculture and processing industry, ensuring Russia’s stable position in foreign markets. 
It is possible to increase the scientific and technological potential of the 
Russian agro-industrial complex only by relying on the latest achievements of science and technology.
One of the major achievements of scientific and technological progress that increase the efficiency of technological processes and operations is the electric activation of interacting media in the production 
technologies of the agricultural sector of the economy. The phenomenon of electric activation of interacting media gives rise to numerous 
specific physical, chemical and biological effects, which can serve as the 
starting point for the creation of fundamentally new technologies in all 
sectors of agricultural production and processing industry.
So, at cleaning the air of livestock and poultry facilities using ventilation (mechanical form of interaction), the components of the air are 
in a quasi-equilibrium chemical state, which leads to low efficiency of 
the ventilation system. In the case of exposure to this medium by nonuniform high-voltage electric discharge, number of elementary processes 
occur in the plasma of this discharge, which increase the internal energy 
of gas molecules and the latter ones enter various chemical reactions with 
greater efficiency. One of these reactions is the formation of ozone in gas 
electric discharge. Ozone is effectively used to stimulate the growth and 
development of plant organisms; dry agricultural products; disinfect 
wounds and ulcers on the body of farm animals, as well as various skin 
diseases; process feed for birds and animals; disinfect work surfaces and 
packaging material; sanitizate equipment and food storage areas, etc.
Water is universal dispersion medium that plays a large, and often 
crucial, role in the course of many technological processes. Therefore, 
its activation using electrical factors to intensify the ongoing processes 
is no less important for the development and growth of animals and 
plant organisms. The passage of electric current through the aqueous 
medium leads to change in its internal structure, which increases its 
potential activity. Electroactivated water is used for presowing treatment of seeds of grain crops; watering birds and animals; preparation of 
veterinary solutions and medicines; silos of green mass; disinfection of 
containers at dairy farms and packaging at processing plants, etc.

Глава 1. 
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОАКТИВАЦИИ

1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРОАКТИВАЦИИ

Электроактивацией называют электротехнологическую операцию или процесс, использующие способы прямого применения 
энергии электрических, магнитных и электромагнитных полей, 
электрического тока, электрических разрядов и других электрофизических факторов для получения новых свойств и характеристик 
обрабатываемых сред и продуктов, а также изменения или корректировки существующих технологических операций.
При таком воздействии в средах происходит целый ряд последовательных процессов, которые приводят к изменению их внутренней энергии и свойств. Так, например, поглощая энергию 
электрического поля, атомы и молекулы среды ионизируются, диссоциируют или возбуждаются, что выражается в повышении их химической и биологической активности за счет снижения энергетического барьера взаимодействия с атомами и молекулами других 
веществ. Кроме перечисленного, в средах может происходить поляризация обрабатываемого материала или среды, возникновение 
сил взаимодействия между частицами и полем, протекать явления 
электрофореза, электроосмоса и др. [83].
Для электроактивированных газов характерно наличие возбужденных молекул, у которых изменилась не химическая природа, 
а физическое состояние, при котором молекула обладает повышенной кинетической (поступательной, вращательной, колебательной) или избыточной потенциальной энергией, обусловленной 
возбужденным состоянием электронов в атомах (ионах) молекул 
[83].
Процесс электроактивации воды определяется как временное отклонение потенциальной энергии от термодинамически равновесного значения за счет увеличения потенциальной энергии валентных электронов под воздействием внешних сил.
Обобщенное определение понятия «активированное вещество» 
формулируется следующим образом: активированное вещество — 
это вещество, по объему и поверхности которого рассеяны активные центры — дискретные сгустки или отдельные структурные 
элемен ты (ионы, атомы, молекулы) одного и того же самого ве

щества, но находящегося в метастабильном состоянии, с потенциальной энергией, временно отклоненной от термодинамически 
равновесного в данных условиях значения и аккумулировавшего, 
за счет этого, избыточную энергию [19].

1.2. ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕКТРОАКТИВАЦИИ ВЕЩЕСТВЕННЫХ СРЕД

Технологический процесс — это взаимодействие между собой двух 
или более сред (объектов), в результате которого они обмениваются 
массой или энергией. Количество массы (вещества) или энергии, 
участвующее в процессе, может быть представлено обобщающим 
выражением [15, 67]:

 
i
G
k B F
=
⋅
⋅
⋅ Δτ, 
(1.1)

где G — количество вещества или энергии; k — коэффициент пропорциональности; B — постоянная величина, характеризующая 
рабочую поверхность, объем и т.д.; Fi — движущая сила процесса; 
 — интервал времени.
Интенсивность процесса определяется коэффициентом k, который равен количеству массы вещества или энергии, прошедшей 
за интервал времени  через единицу рабочей поверхности 
(объема) и приходящейся на единицу движущей силы:

 

i

G
k
B F
=
⋅
⋅ Δτ. 
(1.2)

От интенсивности (скорости) протекания энерго- и массообмена 
зависит производительность, энергоемкость, металлоемкость, что, 
в конечном счете, отражается на затратах при производстве продукции. Поэтому коэффициент k всегда стараются оптимизировать. 
Из анализа выражения (1.2) видно, что значение этого коэффициента зависит от параметров в рабочем объеме (на рабочей поверхности) В, характера и параметров движущей силы Fi, а также времени протекания процесса . Рассмотрим влияние движущей силы.
В настоящее время практически во всех сельскохозяйственных 
технологических процессах в роли движущей силы выступают 
градиенты таких физических величин, как температура, давление, 
тяговое усилие и т.д., то есть величины, характеризующие механическую и термическую формы движения материи. Дальнейшая 
интенсификация процессов за счет этих форм движения материи 
уже во многих процессах вызывает определенные трудности, как 
технического, так и экономического характера.

Из термодинамики известно, что работу может производить 
система, находящаяся в неравновесном состоянии, за счет свободной энергии [26]. Количественной мерой взаимодействия является обобщенная работа, сопоставляемая с изменением внутренней 
энергии сред (объектов).
В общем случае изменение внутренней энергии при равновесных 
и неравновесных взаимодействиях представляется следующим выражением:

 

1
1

n
n

i
i
i
i
i
i
U
F
X
F
dX
T dS

=
=

Δ
=
⋅ Δ
+
⋅
+ Δ
⋅
∑
∑
, 
(1.3)

где Fi — обобщенная физическая величина (потенциал), характеризующая род воздействия (градиенты силы, температуры, давления 
и т.д.); Хi — обобщенная физическая величина (координата), характеризующая параметры состояния среды (внутренняя энергия, энтропия, 
масса вещества и т.д.); Т — температура; S — энтропия; Fi·Хi — изменение внутренней энергии за счет конкретного воздействия; Fi·dХi — 
некомпенсированное количество воздействия, за счет которого могут 
возникать побочные эффекты; Т · dS — тепловой эффект.
Величина Fi играет роль движущей силы, под действием которой 
происходит процесс взаимодействия и которая характеризует скорость процесса изменения величины Хi.
Из выражения (1.3) видно, что изменение внутренней энергии 
равно сумме обобщенных работ, каждая из которых соответствует 
определенному роду взаимодействия, то есть определенной форме 
движения материи. При этом необходимо отметить, что род взаимодействия и его интенсивность зависят от свойств (структуры) 
сред (объектов) и условий, в которых они находятся. Наличие какого-нибудь рода взаимодействия свидетельствует о том, что среда 
(объект) располагает соответствующей внутренней, заложенной 
в структуре, степенью свободы. Числом степеней свободы любой 
сложной системы называют число независимых параметров, однозначно задающих ее состояние. Полная внутренняя энергия складывается из энергий отдельных степеней свободы:

 
вн
1

n

i
i

U
U

=
= ∑
. 
(1.4)

Число внутренних степеней свободы равно числу форм движения материи, характерных для данного объекта (среды). Если 
объекту (среде) не свойственна какая-то форма движения материи, 

то он (она) не может участвовать во взаимодействии, присущем 
этой форме.
Таким образом, процесс взаимодействия определяется формами движения материи, которые присущи объектам (средам), 
а в конечном счете — параметрами Fi и хi. Параметр хi представляет 
собой первооснову всех взаимодействий, а его перераспределение 
(изменение энтропии) внутри объекта (среды) вызывает соответствующие взаимодействия между отдельными частями (зонами) 
объекта. Значение параметра Fi зависит от значения параметра хi, 
то есть можно говорить, что эти параметры взаимосвязаны.
Из вышеизложенного ясно, что процессом взаимодействия 
между объектами (средами) можно управлять, усиливая его 
или ослаб ляя. Это управление осуществляется изменением внутренней энергии и энтропии за счет внешних воздействий различными формами движения материи на объекты (среды).
При этом следует учитывать тот факт, что кроме движущих 
сил взаимодействия существуют и силы, сопротивляющиеся этому 
взаимодействию. Правильный учет положений физики сопротивляющихся сил позволит выбрать наиболее эффективный род взаимодействия между объектами (средами).
Одной из эффективных форм воздействия, позволяющей интенсифицировать процессы взаимодействия между объектами 
(средами), является электромагнитное поле. Такое заключение 
обусловлено тем фактом, что все без исключения материалы, вещества и биологические объекты имеют электромагнитную структуру и значительно легче реагируют на электромагнитную форму 
взаимодействия, чем на механическую или тепловую. Основным 
воздействующим фактором электрического поля является напряженность, а магнитного поля — индукция, под воздействием которых на заряд действуют силы:
— электрическое поле:

 
f
E

→
→
⎡
⎤
= ρ ⋅
⎢
⎥
⎣
⎦
, 
(1.5)

— магнитное поле:

 
f
v B

→
→
→
⎡
⎤
= ρ ⋅
⋅
⎢
⎥
⎣
⎦
, 
(1.6)

где  — объемная плотность заряда; E
 — вектор напряженности 
электрического поля; ν— вектор скорости заряда; B
— вектор магнитной индукции.

В зависимости от величины этих сил в объектах (средах) могут 
происходить процессы ионизации, диссоциации, возбуждения и перемещения молекул и зарядов. Это приводит к изменению внутренней энергии и энтропии объектов (сред) и их более интенсивному взаимодействию.
Поглощая энергию электромагнитного поля, молекулы одного 
вещества при столкновении с молекулами другого вещества могут 
иметь суммарное ее значение, превышающее некоторую критическую величину Еа, называемую энергией активации, и вступать 
между собой в химическое взаимодействие.
Так, при воздействии электромагнитного поля на биологические 
объекты дисперсионная водная среда в них претерпевает структурные изменения. Нарушаются ассоциированные дипольные и водородные связи молекул воды, приводя к резкому снижению ее теплоемкости и вязкости [2]. Снижение положительного заряда стенок 
капилляра относительно водного раство ра приводит к исчезновению двойного слоя между ними, что сказывается на межфазовом 
натяжении [92]. Под действием вышеупомянутой силы дипольные 
молекулы приобретают соответствующую скорость, направленную 
в сторону значений градиента напряженности и равную:

 

e
f
D
P
E
v
R T

⋅
⋅ Δ
=
⋅
, 
(1.7)

где Df — коэффициент диффузии; Ре — дипольный момент молекулы; Е — градиент напряженности; R — постоянная Больцмана; 
Т — температура.
При прохождении электрического тока через водную среду происходит диссоциация молекул воды:

 
2
H O
H
OH
+
−
↔
+
, 
(1.8)

где Н+ — ион водорода; ОН– — гидроксильные ионы.
Способность воды к диссоциации имеет исключительно большое 
значение, потому что активируются диссоциации других веществ, 
особенно слабых электролитов, которые широко представлены 
в биологических объектах.
Как уже отмечалось, молекулы различных веществ могут вступать в химическое взаимодействие, если их энергия в момент столкновения превышает энергию активации. При электрическом разряде в воздушной среде процессы ионизации, диссоциации и возбуждения молекул приводят к снижению их энергии активации,