Электротехнологии и электротехнологические установки в АПК

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ 
ФГБОУ ВПО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
М.М. БЕЗЗУБЦЕВА 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ 
 И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ 
 УСТАНОВКИ В АПК 
 
 
 
 
 
 
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 
 
2012 

УДК 621.311(07) 
ББК 40.76 
 
 
Составитель: М.М. Беззубцева 
 
Рецензенты:  д.т.н., проф. С.А. Ракутько;  д.т.н., проф. В.В. Орлов 
 
М.М. Беззубцева 
 
А 24: Электротехнологии и электротехнологические установки в АПК. 
 – СПб: СПбГАУ, 2012.    -    с. 
 
 
    В учебном пособии рассмотрены современные электромембранные, 
высоковольтные 
 
и 
лазерные 
электротехнологии 
и 
установки 
агропромышленного комплекса. 
Учебное пособие составлено в соответствии с рабочими программами 
дисциплины «Электротехнологии и электротехнологические установки в АПК» 
и предназначено для подготовки магистров по направлению 110800.68 
«Агроинженерия». Учебное пособие также может быть использовано 
студентами, аспирантами и научными работниками, работающими в различных 
областях АПК. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 621.311(07) 
ББК 40.76 
 
ISBN 978-5-85983-063-3 
 
 
© М.М. Беззубцева 
 
 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
                         
 
                           

                                                                                                              
                                                                                                                   
                                                                                                           
                                                                                                                                  
           
                                                                                                       
Задача  электротехнологии как науки – исследование и выявление 

физических, химических, механических и иных закономерностей с целью 

определения и использования на практике наиболее эффективных и 

экономичных производственных процессов. 

В условиях рыночной экономики и научно-технического прогресса роль 

новых 
электротехнологий 
трудно 
переоценить. 
Современная 
история 

экономического развития общества – это история разработки и внедрения 

новых технологий, в том числе и технологий с использованием электрического 

тока в различных формах его проявления. 

Внедрение в производственные процессы агропромышленного комплекса 

новых  электротехнологий позволяет:   

во-первых, создавать принципиально новые продукты, услуги, материалы 

и электротехнологическое оборудование;  

во-вторых, получать уже известные товары нового качества (например, 

кевлара по своим прочностным характеристикам во много раз превосходящего 

ранее известные материалы);  

в-третьих, 
снизить 
себестоимость 
производства 
уже 
известных 

продуктов;  

и, наконец, самое важное, – повысить энергоэффективность всего 

производства и снизить энергоемкость продукции.  

          Цель учебного пособия можно сформулировать следующим образом: 

 
Познакомить будущих магистров–агроинженеров с современными 

электромембранными 
технологиями; 
с 
возможностями 
новых 

электротехнологических процессов, основанных на использовании прямого 

воздействия на материал сильных электрических и магнитных полей, 

применении плазмы газового разряда для плазмохимических преобразований 

газовой среды и материалов, электроимпульсных методов воздействия на 

материал. Заложить основы знаний по физике лазерных технологий. 

 
 На основе конкретных примеров показать энергетическую, эргономическую 

и экологическую эффективность новых электротехнологических процессов по 

сравнению с традиционными. 

В связи с тем, что содержание курса базируется на новых разработках, 

которые отражены только в монографиях и статьях в научно-технических 

журналах, то до сих пор отсутствует учебник или учебное пособие, которое 

можно было бы рекомендовать магистрам, обучающимся по специальности  

«Агроинженерия». 

         Текст учебного пособия состоит из 6 глав. 

В компактной форме изложены сведения об электромембранных 

технологиях. Представлены теоретические основы технологий, базирующихся 

на использовании сильных электрических полей, дано описание конкретных 

технологий этого типа. Представлены физические основы плазмохимических 

технологий, технологий, основанных на импульсном воздействии на материалы 

(электрогидравлическая, электроэррозионная и магнитно-импульсная), а также 

конструкции и области применения электрогазодинамических устройств. 

Приведены 
основополагающие 
сведения 
о 
технологических 
лазерных 

установках. 

Учебное 
пособие 
предназначено 
для 
магистров 
энергетического 

факультета, а также может быть использовано студентами, аспирантами, 

научными сотрудниками и инженерами, работающими в различных областях 

АПК. 

 

 

 

Глава 1.  М Е М Б Р А Н Н Ы Е  Э Л Е К Т Р ОТ Е Х Н ОЛ О Г И И 

                                  

        "Электромембранная технология" – наука о технологиях мембранного 

разделения, концентрирования и очистки жидких и газовых систем с 

использованием электрического тока. В последние годы электромембранная 

технология 
получила 
широкое 
распространение 
в 
аппаратурно
технологических системах предприятий агропромышленного комплекса.  

Мембраны – это селективно-проницаемый барьер между двумя фазами. 

Их изготавливают из органических (в том числе полимерных) и неорганических 

(металлических, керамических, стеклянных и пр.) материалов. Мембраны могут 

быть твердые и жидкие. Для производства мембран необходима современная 

высокоточная технология, которая принципиально отлична для органических и 

неорганических мембран. Мембранное разделение основано на селективном 

переносе компонентов смеси через мембрану. Использование мембранных 

процессов 
для 
разделения 
смесей 
позволяет 
создать 
экономически 

эффективные, ресурсо – и энергосберегающие малоотходные технологии. 

Можно выделить следующие основные области применения и направления 

развития мембранной техники и мембранных технологических процессов: 

 

Топливно-энергетический комплекс:  

• очистка и осушка попутного нефтяного газа;  

• разделение компонентов нефтехимических производств;  

• разделение биогаза.  

Водоподготовка:  

• получение питьевой воды путем опреснения морских вод;  

• повышение качества питьевой воды;  

• получение особо чистой воды; обеззараживание и стерилизация 

воды;  

• очистка сточных вод производственных предприятий АПК и  

бытовых сточных вод.  

Перерабатывающая промышленность:   

• получение очищенной воды для технологических процессов; 

концентрирование соков;  

• очистка вина, пива; переработка молочных продуктов;  

• создание инертных сред для длительного хранения овощей и 

фруктов и переработки сырья и полуфабрикатов;   

• получение сока из плодовоовощной продукции. 

Биотехнология:  

• стерилизация технологических сред; извлечение целевых ком
понентов (ферментов, витаминов и пр.);  

• концентрирование 
продуктов 
биотехнологических 
процессов; 

организация 
непрерывных 
биотехнологических 
процессов, 
в 

которых 
происходит 
непрерывное 
извлечение 
целевых 

компонентов из биореактора (мембранный реактор). 

Ветеринария: 
  

• получение 
очищенной, 
стерильной, 
апирогенной 
воды 
для 

приготовления вакцин, медицинских препаратов, промывки ампул;  

• очистка крови методом диализа, выделение, очистка и концен
трирование лекарственных преператов в процессах получения 

лекарственных средств;  

• физиотерапия (аппарат "Горный воздух"). 

  

      Это лишь краткий перечень областей применения мембранной 

технологии. В любом процессе, где требуется извлечь целевой компонент, 

провести концентрирование, разделение, очистку газовых и жидких сред, 

провести процессы в инертных средах может применяться мембранная 

технология. И практически во всех случаях она будет конкурентноспособна и 

более выгодна по сравнению с традиционными методами очистки, разделения и 

концентрирования. Рынок мембран ежегодно увеличивается на 15-20%. 

Электромембранная технология – одна из самых динамично развивающихся 

отраслей промышленности.  

    Современные электромембранные процессы отличаются высокой 

селективностью, 
низкими 
энергозатратами, 
простотой 
аппаратурного 

оформления, служат основой создания энергосберегающих, экологически 

чистых  и безотходных технологий. 

 

1.1.ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ  

И ЭЛЕКТРОКАПИЛЛЯРНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ПРОЦЕССАХ 

ЭЛЕКТРОМЕМБРАННЫХ  ТЕХНОЛОГИЙ 

 
Электрокинетические 
явления 
лежат 
в 
основе 
электромембранных 

процессов и технологий. Электрокинетические явления отражают связь между 

относительным движением двух фаз (твердой и жидкой) и электрическими 

свойствами границ их раздела (мембраны). 

Основные электрокинетические явления: электроосмос, электрофорез, 

потенциал течения и потенциал осаждения. 

Электроосмос – движение жидкости через капилляр или пористое тело под 

действием внешнего электрического поля. 

Электрофорез – движение твердых частиц, диспергированных в жидкости 

под действием внешнего электрического поля. 

Потенциал течения – это наличие разности потенциалов между точками, 

расположенными на некотором расстоянии друг от друга, по направлению 

течения жидкости через пористое тело или капилляр. 

Потенциал осаждения (седиментации ) – разность потенциалов в точках на 

разных уровнях трубы при осаждении твердых частиц жидкости. Открытие 

этих явлений относится к началу 19 века. 

Электрокинетические 
явления 
могут 
широко 
использоваться 
при 

обезвоживании 
сельскохозяйственного 
сырья, 
пропитке 
разнообразных 

материалов, выделении сока из трав и плодов, разделении сложных составов и 

т.д. 

Существование электрокинетических явлений обусловлено наличием 

двойного электрического слоя на границе раздела твердой и жидкой фазы. 

В растворах величина тока обусловлена перемещением как отрицательно 

заряженных частиц, так и положительных, т.е. существует электронно-ионная 

проводимость, а в металлах – только электронная. Так как масса иона в тысячи 

раз больше массы электрона, то появляется возможность через посредство 

электрических сил воздействовать на массоперенос. Между направлением и 

скоростью электрофореза и электроосмоса, с одной стороны, и направлением и 

напряженностью приложенного электрического поля – с другой, существует 

связь, позволяющая определить знак и величину заряда твердых частиц 

относительно жидкости и соответствующий скачок потенциала. 

Скорость электроосмоса V и потенциал течения E  связаны зависимостями: 
 

ξ
ψ
η
ε
ε

x
V
∆
∆
⋅
=
0
  ;   

0

0

ηγ
εε P
E =
,                                     (1.1) 

или 

ξ
ψ
η
εε

x
S
P
E
∆
∆
=
0
,                                        (1.2) 

 где   ε – диэлектрическая проницаемость жидкой фазы; 
x
∆
∆
/
ψ
– напряжённость 

электрического поля в направлении, параллельном границе раздела фаз; η – 

вязкость жидкой фазы; 
0
γ – электропроводность; Р – давление, вызывающее 

перемещение жидкости; S – сечение взвешенной частицы или поры. 

Величина ξ  называется электрокинетическим потенциалом или дзета
потенциалом. Рассчитанная по формуле величина ξ  может значительно 

отличаться от истинной.  Напряженность поля, удельная электропроводность, 

диэлектрическая постоянная и вязкость жидкой фазы на границе раздела фаз 

могут значительно отличаться от соответствующих значений в глубине жидкой 

фазы. 

Теорию строения двойного электрического слоя предложил Гельмгольц, 

который уподобил двойной электрический слой заряженному плоскому 

конденсатору, одна из обкладок которого совпадает с плоскостью, проходящей 

через центры тяжести зарядов на поверхности твердого тела (электрода),  

другая – с плоскостью, соединяющей центры тяжести зарядов ионов, 

находящихся 
в 
растворе 
(притянутых 
электростатическими 
силами 
к 

поверхности твердого тела). 

Толщина двойного слоя l принималась равной радиусу ионов 
И
r
. Двойной 

электрический слой электронейтрален, т.е. число ионов на поверхности твердой 

фазы равно числу ионов в жидкости у поверхности раздела: 

n
q
q
−
=
1
                                                 (1.3) 
Ёмкость двойного слоя: 

l
С
0
εε
=
,                                                (1.4) 

где l  – толщина двойного слоя (3*10-10 м). 
 
Строение двойного электрического слоя по Гельмольцу представлено на  

рис.1.1 (а, б). 

 

Рис. 1.1.  Строение двойного слоя:  а) по Гельмгольцу;  б) по Дебаю-Гюккелю; 
в) распределение потенциала на границе раздела фаз 
 
Теория Гельмгольца дает правильные значения емкости и толщины 

двойного слоя, но не может объяснить целый ряд опытных закономерностей и 

может быть использована как первое приближение к действительности. 

Теории двойного слоя Гуи-Чапмана и в дальнейшем Дебая-Гюккеля 

предполагают диффузное распределение ионов у границы раздела сред (рис. 

1.1, 
в, 
г). 
Взаимодействие 
электрических 
и 
термодинамических 
сил 

распределяет ионы в жидкости по убывающей при удалении от границы 

раздела. 

Заряд слоя жидкости, компенсирующий заряд твердого тела, определяется 

по выражению: 

(
)
⋅
=
RT
Fq
sh
RTC
q
ТЖ
ж
2
8
2
/
1
0
εε
                              (1.5) 

 
Ёмкость двойного слоя: 

(
)

(
)
Ψ
−
=
RT
E
ch
C
RT

F
C
2
/
1
0
2
/
1
2εε
                        (1.6) 

 
Рассчитанная по этой формуле ёмкость оказывается в несколько раз больше 

экспериментальных значений. Это объясняется тем, что в теории Гуи-Чепмена 

не учитываются собственные объемы ионов, т.е. ничто не мешает зарядам 

располагаться на сколь угодно близком расстоянии от твердой поверхности. 

Хотя теория Гуи-Чепмена лучше объясняет электрокинетические явления, но 

оказывается неудовлетворительной при количественных расчетах. 

Дальнейшие попытки создать, теорию двойного электрического слоя 

заключались в объединении теории Гельмгольца и Гуи-Чепмена. Так, Грэм 

предположил, что двойной электрический слой состоит из трех частей. Первая 

от твердой поверхности называется внутренней поверхностью Гельмгольца, в 

ней находятся только поверхностно - активные ионы. Следующая плоскость 

называется 
внешней 
плоскостью 
Гельмгольца, 
и 
расстояние 
до 
нее 

определяется способностью некоторых ионов приближаться к поверхности 

раздела под действием теплового движения. 

За внешней поверхностью Гельмгольца располагается диффузный слой. 

Использование той или иной теории определяется задачами, требуемой 

степенью точности и конкретными условиями расчета. 

Существование 
двойного 
электрического 
слоя 
раскрывает 
суть 

электрокинетических явлений. 

Краткая характеристика явления электрофореза. Поверхность частиц 

твердого вещества, взвешенных в жидкости, приобретает электрический заряд