Инновационные электротехнологии в АПК

 

 

 

Министерство сельского хозяйства РФ 
________________________________________________________________________________________________ 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ,  КОТОВ А.В., ОБУХОВ К.Н. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ИННОВАЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ 

 В АПК 

 
 
 
 
 
 
 
 

У Ч Е Б Н О Е  П О С О Б И Е 

 

 

 

 

 

 
 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ – 2015 

 

 

 

УДК 621.926:631.13 

 

 

М.М. Беззубцева, В.С. Волков, А.В. Котов, К.Н. Обухов  
Инновационные электротехнологии в АПК: учебное пособие – СПб.: СПбГАУ, 2015. – 149 с. 

 

Рецензенты: 
                      д-р. техн. наук, ведущий научный сотрудник  ИАЭП  В.Н. Бровцин; 
                      канд. техн. наук, доцент СПбГАУ Петров В.Ф. 
 

 

 

В учебное пособие включены инновационные электрофизические, электрохимические, 

ультразвуковые 
и 
электробиологические 
способы 
интенсификации 
традиционных 

гидромеханических, массообменных, тепловых и механических процессов, используемых в 
аппаратурно-технологических системах предприятий агропромышленного комплекса. Целью 
учебного пособия не являлось полное теоретическое рассмотрение всех аспектов проблемы интенсификации 
традиционных технологических процессов электротехнологическими методами, а скорее обобщение 
результатов прикладного характера, достигнутых в этой новой области исследований. Структура построения 
глав пособия предопределяет не только усвоение известных методов электротехнологии, но  и представляет 
широкий спектр проблемных вопросов для самостоятельной научно-исследовательской и практической 
деятельности обучающихся. 

Учебное пособие рекомендовано для студентов (уровень бакалавр), обучающихся по направлению 

подготовки 35.03.06 «Агроинженерия», профиль «Электрооборудование и электротехнологии в АПК». Может 
быть использовано в заочном и дистанционном  обучении. Представляет интерес для специалистов и научных 
работников, занимающихся проблемами повышения энергоэффективности предприятий АПК.  
 

 

 

 

 
 

 
 
 
 
 

©  М.М. Беззубцева,  
  В.С. Волков, 
  А.В. Котов, 
  К.Н. Обухов, 2015 
© ФГБОУ ВПО  СПбГАУ 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................................... 5 
Глава 1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ АПК ..... 10 

1.1 Определение понятия «электротехнология» .............................................................................. 10 
1.2 Характеристика электромагнитного поля как носителя энергии ............................................. 12 
1.3 Балансовые уравнения методов электротехнологии ................................................................. 15 
1.4 Основы взаимодействия электромагнитных полей с материалами и биологическими 
объектами ............................................................................................................................................. 17 
1.5 Классификация электротехнологических процессов АПК по частотному диапазону 
волн электромагнитного поля ............................................................................................................ 22 

Глава 2  ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ 
НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОФЛАТАЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ ............................. 27 

2.1 Физическая сущность электрофлотации .................................................................................... 27 
2.2 Конструкции электрофлотаторов ................................................................................................ 29 
2.3 Рекомендации по проектированию ............................................................................................. 31 
2.4 Электрический режим электрофлотаторов ................................................................................ 33 
2.5 Расчет электрофлотаторов ........................................................................................................... 34 

Глава 3  ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЙ АПК ПУТЕМ 
ВНЕДРЕНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМЕМБРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ....... 37 

3.1Основы теории электрокинетических .......................................................................................... 39 
и электрокапиллярных явлений в процессах электромембранных технологий ........................... 39 
3.2  Общее описание электромембранных процессов ..................................................................... 47 
3.3  Классификация ЭМП ................................................................................................................... 49 
3.4 Требования к ионообменным мембранам .................................................................................. 54 
3.5  Электродиализ .............................................................................................................................. 55 
3.6 Расчет потребления электроэнергии ........................................................................................... 59 

Глава 4  ИННОВАЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ 
РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ АПК ................................................................. 61 

4.1 Интенсификация прессового способа извлечения сока из растительного сырья 
электроплазмолизом ........................................................................................................................... 61 

4.1.1 Физическая сущность электроплазмолиза .......................................................................... 61 
4.1.2 Классификация электроплазмолиза по градиенту напряжения ........................................ 64 
4.1.3 Конструкции электроплазмолизаторов ................................................................................ 65 

4.2  Инновационная технология СВЧ–экстрагирования компонентов растительного сырья ..... 67 

4.2.1 Экстрагирование с применением СВЧ – излучения ........................................................... 67 
4.2.2 Факторы, влияющие на процесс извлечения экстрактивных веществ из 
растительного сырья с использованием СВЧ - излучения .......................................................... 69 

Глава 5 ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПОЛЕ 
КОРОННОГО РАЗРЯДА ....................................................................................................................... 76 

5.1 Технологические процессы, основанные на силовом воздействии электрических полей 
на материалы ....................................................................................................................................... 76 
5.2  Физическая сущность коронного разряда ................................................................................. 80 
5.3  Электрические фильтры .............................................................................................................. 86 
5.4 Электрические сепараторы .......................................................................................................... 92 
5.5 Нанесение покрытий в электрическом поле. Электроокраска ................................................. 96 
5.6 Электроформование, электрокопчение, электропанировка ...................................................... 99 

Глава 6 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ АГРОИНЖЕНЕРНОГО СЕРВИСА. 
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГАЛЬВАНОПЛАСТИКИ И ГАЛЬВАНОСТЕГИИ ..... 106 

6.2 Электроконтактная сварка, напекание, наплавка и электромеханическая обработка ......... 111 

6.3 Магнитно-абразивная обработка ............................................................................................... 115 
6.4 Размеренная обработка деталей ультразвуковыми колебаниями .......................................... 119 

6.4.1 Процессы размерной обработки и сверления ................................................................... 120 
6.4.2 
Безобразивная ультразвуковая финишная обработка металлов. Шлифовка. 

Полировка ...................................................................................................................................... 124 
6.4.3 Ультразвуковые генераторы ............................................................................................... 125 

6.5 Ультразвуковая очистка деталей ............................................................................................... 135 

ЛИТЕРАТУРА ....................................................................................................................................... 138 
 
 
 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Особенность перехода к инновационному пути развития предприятий АПК 

состоит в том, чтобы в условиях глобальной конкуренции достичь уровня 

развитых стран по показателям качества социально значимой продукции и 

энергоэффективности производства с обеспечением опережающего развития, 

позволяющего в максимальной степени реализовать российские конкурентные 

преимущества [103,109].  

Одним из основных  направлений при производстве продукции с 

различными 
функциональными 
свойствами 
является 

разработка принципиально 
новых 
технологий 
и 
оборудования, 

обеспечивающих глубокую и комплексную, энерго- и ресурсосберегающую 

переработку сельскохозяйственного сырья и полуфабрикатов на основе 

инновационных физико-химических и электрофизических способов и методов 

электротехнологий. 

         Внедрение в аппаратурно-технологические схемы предприятий АПК 

инновационных технологий, обеспечивающих, с одной стороны, получение 

новых материалов и изделий, а с другой - снижение энерго-  и ресурсозатрат 

при одновременном повышении экологических показателей и качества готовой 

продукции является одной из актуальных задач аграрного сектора экономики. 

Значительное место в ряду  технологий агроинженерных производств занимают 

электротехнологии, основанные на преобразовании энергии электрического 

тока в тепловую, химическую или механическую энергии. Из них традиционно 

выделяют электротермию, а также электрохимические, электрофизические, 

электромеханические, 
электробиологические 
и 
ультразвуковые 
методы 

воздействия 
на 
объекты. 
 
Наиболее 
известными 
являются 

электротехнологические установки,  в которых используют силовое действие 

стационарных электрического и магнитного полей. Например, стационарные 

электрические поля применяют в аэрозольных технологиях  (пылегазоочистка, 

электроокраска, 
нанесение 
порошковых 
покрытий), 
в 
электрических 

сепараторах, а также в устройствах водоочистки.  

За последние годы в этой области выполнен ряд важнейших и 

оригинальных 
работ, 
расширивших 
представление 
о 
возможности 

нетрадиционного 
использования 
электромагнитных 
явлений 
с 
целью 

интенсификации стандартных гидромеханических, тепловых, массообменных и 

механических процессов производства продукции различного целевого 

назначения [20,…,53].  

Множество факторов, которыми в электромагнитных полях можно 

воздействовать на продукт (или среду) в нужном направлении,  требует, прежде 

всего, знания физической сущности и закономерностей электромагнитных 

явлений, происходящих в электротехнологических аппаратах. Сложные 

физико-механические, химические и биологические процессы, имеющие место 

в инновационных методах и способах электротехнологий, еще недостаточно 

изучены. Между тем, отдельные электротехнологические аппараты  в связи с их 

высокой энергоэффективностью и очевидными преимуществами (по сравнению 

с традиционной техникой) уже применяют на предприятиях отрасли.  Их 

внедрение 
в 
технологические 
линии 
производств 
АПК 
требует 

дополнительного 
проведения 
более 
детальных 
прикладных 
и 

экспериментальных исследований. В этой связи целью настоящего учебного 

пособия не являлось полное теоретическое рассмотрение всех аспектов 

проблемы, 
а 
скорее 
обобщение 
результатов 
прикладного 
характера, 

достигнутых в этой новой области исследований. Именно в таком аспекте 

изложен материал в учебном пособии. Структура построения глав пособия 

предопределяет не только усвоение известных методов электротехнологии, но  

и 
представляет 
широкий 
спектр 
проблемных 
вопросов 
для 
научно
исследовательской и практической деятельности обучающихся.  

Одним из ключевых драйверов преобразований предприятий АПК 

является обучение инженерно-технических кадров методологии внедрения 

инноваций в производственную деятельность. 

В 
этой 
связи 
целью 
учебного 
пособия 
 
«Инновационные 

электротехнологии в АПК» является формирование  у студентов системы 

компетентных 
знаний 
и 
практических 
навыков 
для 
решения 
задач 

эффективного 
использования 
инновационных 
электротехнологий 
с 

формированием мировоззрения применения экологически чистых, ресурсо- и 

энергосберегающих технологий и  принятия нестандартных научно-обосно
ванных 
решений 
при 
внедрении 
в 
практику 
 
электротехнологий, 

обеспечивающих реализацию Государственных программ, международных 

стандартов ИСО и Законов РФ по энергосбережению, экологии и повышению 

энергоэффективности предприятий АПК. 

Учебное пособие состоит из введения и 6 глав: электромагнитные 

явления 
в 
технологических 
процессах 
АПК; 
 
интенсификация 

гидромеханических 
процессов 
разделения 
неоднородных 
систем 

электрофлотациоными 
методами; 
повышение 
энергоэффективности 

предприятий 
АПК 
путем 
внедрения 
многофункциональных 

электромембранных 
технологий; 
инновационные 
электротехнологические 

методы переработки растительного сырья; интенсификация технологических 

процессов в поле коронного разряда; электротехнологии агроинженерного 

сервиса. Библиографический список включает 128  наименований отечествен
ной и зарубежной литературы. 

Одноименная дисциплина  «Инновационные электротехнологии в АПК» 

является 
неотъемлемой 
составляющей 
модуля 
 
«Инновационные 

электротехнологии и энергетические технологические процессы АПК», 

основанного на общей внутренней логике дисциплин, методически связанных 

между собой по признаку   целей освоения, групп родственных компетенций и 

практических навыков, получаемых студентами при их изучении. Дисциплина    

является завершающей в тематике модуля и основана на знаниях энергетики 

технологических процессов и традиционных видов электротехнологий, 

изложенных в предыдущих разделах.  Такая структура изложения материала 

позволяет на завершающей стадии обучения концентрировать внимание 

студентов  на проблемных и перспективных вопросах, последовательно 

осваивать учебный материал и выбирать  приоритетные отраслевые  

направления исследований для  самостоятельной работы. 

Учебное пособие рекомендовано для бакалавров, обучающихся по 

направлению подготовки «Агроинженерия», профилю «Электрооборудование и 

электротехнологии в АПК». Может быть использовано в заочном и 

дистанционном  обучении. Представляет интерес для специалистов и научных 

работников, занимающихся проблемами повышения энергоэффективности 

предприятий АПК.  

Учебное 
пособие 
способствует 
освоению 
элементов 
следующих 

компетенций:  

а) общекультурных (ОК):. 

 владением культурой мышления, способностью к обобщению, анализу, 

восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения ОК
1; 

– умением логически верно, аргументированно и ясно строить устную и 

письменную речь ОК-2; 

– стремлением к саморазвитию, повышению своей квалификации и 

мастерства, владение навыками самостоятельной работы ОК-6; 

б) профессиональных (ПК):  

- способность к использованию основных законов естественнонаучных 

дисциплин в профессиональной деятельности, применение методов 

математического анализа и моделирования ПК-1; 

- способность разрабатывать и использовать графическую техническую 

документацию ПК-2; 

- способность решать инженерные задачи с использованием основных 

законов 
механики, 
электротехники, 
гидравлики, 
термодинамики 
и 

тепломассообмена ПК-3;  

- способность проводить и оценивать результаты измерений ПК-6; 

- владение способами анализа качества продукции, организации контроля 

качества и управления технологическими процессами ПК-7; 

- готовность к профессиональной эксплуатации машин и технологического 

оборудования для производства и переработки сельскохозяйственной 

продукции ПК-12; 

- способность использовать современные методы поддержания работы 

электрифицированных и автоматизированных технологических процессов 

ПК-13; 

- способность использовать технические средства для определения 

параметров технологических процессов и качества продукции ПК-14; 

- способность 
анализировать 
технологический 
процесс 
как 
объект 

контроля и управления ПК-16; 

- готовность изучать и использовать научно-техническую информацию, 

отечественный и зарубежный опыт по тематике исследований ПК-19; 

- готовность к обработке результатов экспериментальных исследований 

ПК-21; 

- способность осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и 

проектирования ПК-22; 

- готовность к участию в проектировании технических средств и 

технологических процессов производства, систем электрификации и 

автоматизации сельскохозяйственных объектов ПК-23; 

- готовность к участию в проектировании новой техники и технологий ПК
25. 

 

 

Глава 1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 

ПРОЦЕССАХ АПК 

1.1 Определение понятия «электротехнология» 

 

Электротехнология  - это область науки и техники, изучающая приемы, 

способы и средства выполнения производственных процессов, использующих 

электрическую 
энергию 
непосредственно 
или 
с 
предварительным 

преобразованием ее в другие виды. 

В электротехнологии различают электротермические, электрофизические, 

электрохимические 
и 
электробиологические 
методы 
воздействия 
на 

обрабатываемую среду или перерабатываемое вещество [7,9,14,83,84].  

Технологические процессы, связанные с преобразованием электрической 

энергии в тепловую, объединяют термином "электротермия" [7,9,12].   

В электрофизических и электрохимических методах электрическую энергию 

применяют непосредственно или с предварительным преобразованием в другие 

виды, например, в механическую или химическую энергии [12,17,19,20,28,58,].   

Большая часть общего энергетического баланса  производства приходится 

на долю тепловой энергии. Все потребители теплоты подразделяются на 

производственные и коммунально-бытовые. Первые используют тепловую 

энергию для создания необходимого микроклимата в животноводческих и 

птицеводческих помещениях, выращивания растений в защищенном грунте, 

тепловой обработки сельскохозяйственной продукции, кормов, в процессах 

ремонта машин; вторые - для отопления и горячего водоснабжения жилых и 

общественных зданий, приготовления пищи и на другие бытовые нужды.