Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве. Раздел 1 Электротехнологии в сельском хозяйстве

 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ 

 
 
 

 
 
 

 

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ                                      

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ 

ХОЗЯЙСТВЕ 

Раздел 1  

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ 

В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ 

 
 
 
 
 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 

для обучающихся по направлению подготовки 35.06.04 «Технологии, 

средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и 

рыбном хозяйстве» профиль 05.20.02 «Электротехнологии и 

электрооборудование в сельском хозяйстве 

 

 

 
 
 
 
 
 
 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 

2016 

 
 
 
 

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ 

ФГБОУ ВО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ 

 
 
 
 
 
 
 
 

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ                                        

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ 

Раздел 1  

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ 

В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ 

 
 
 
 
 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 

для обучающихся по направлению подготовки 35.06.04 «Технологии, 

средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и 

рыбном хозяйстве» профиль 05.20.02 «Электротехнологии и 

электрооборудование в сельском хозяйстве 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 

2016 

 

УДК 621.311(07) 
ББК 40.76 
 
 
Составители: М.М. Беззубцева, В.С. Волков 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
доктор техн. наук., проф. А.Г. Новоселов (ИТМО); 
доктор техн. наук., проф. А.П. Епифанов (СПбГАУ) 
 
 

Беззубцева М.М., Волков В.С. Электротехнологии и электрооборудование в сельском 
хозяйстве. Раздел 1 Электротехнологии в сельском хозяйстве: учебное пособие для 
обучающихся по направлению подготовки 35.06.04 Технологии, средства механизации и 
энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве», профиль 05.20.02 
«Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве» . – СПб: СПбГАУ, 2016.238 с. 

 
 
В 
учебном 
пособии 
рассмотрены 
современные 
электромембранные, 

высоковольтные  и лазерные электротехнологии и установки сельского 
хозяйства. Учебное пособие составлено в соответствии с рабочей  программой 
дисциплины «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве» 
и предназначено для подготовки обучающихся по направлению подготовки 
кадров высшей квалификации 35.06.04 «Технологии, средства механизации и 
энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве», 
профилю 
направления 
подготовки 
05.20.02 
«Электротехнологии 
и 

электрооборудование в сельском хозяйстве». Учебное пособие предназначено 
для подготовки к государственной итоговой аттестации. В пособии также 
представлен материал для самостоятельной работы обучающихся. Пособие 
может быть использовано научными сотрудниками энергетической сферы 
агропромышленного комплекса.  
 
 
 
 
Рекомендовано к публикации на электронном носителе для последующего 

размещения в электронной сети СПбГАУ, согласно соответствующему договору Учебнометодическим советом СПбГАУ, протокол № 6 от 31 марта 2016 г. 
 
 
 
 
 
 

                                                                                                    © М.М. Беззубцева 

                                                                                            © В.С. Волков, 2016 
                                                                                            © СПбГАУ, 2016 
 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие..................................................................................................... 7 
Глава 1.  Мембранные электротехнологии ..................................................... 10 

1.1.Основы теории электрокинетических и электрокапиллярных явлений в процессах 
электромембранных  технологий ................................................................................................ 12 

1.2.  Общее описание электромембранных процессов ............................................................. 19 

1.3.  Классификация ЭМП ........................................................................................................... 21 

1.4. Требования к ионообменным мембранам ........................................................................... 27 

1. 5. Электродиализ ...................................................................................................................... 28 

1.6.  Электродиализ с биполярными мембранами .................................................................... 32 

1.7.  Мембранный электролиз ..................................................................................................... 36 

1.8. Электродеионизация ............................................................................................................. 38 

1. 9.  Электросорбция ................................................................................................................... 43 

1.10. Электрогравитация  (электроосаждение) .......................................................................... 44 

1. 12.  Транспортное объединение .............................................................................................. 46 

1.13. Электрофорез ....................................................................................................................... 47 

1.14. Расчет потребления электроэнергии ................................................................................. 49 

Глава 2. Электротехнологии и электротехнологические установки с 

применением сильных электрических полей ........................................................... 52 
2.1. Технологические процессы, основанные на силовом воздействии электрических полей 
на материалы ................................................................................................................................. 52 

2.2. Методы зарядки частиц ........................................................................................................ 55 

2.2.1. Ионная зарядка ................................................................................................................... 55 

2.2.2. Индукционная зарядка частиц .......................................................................................... 61 

2.2.3. Статическая электризация ................................................................................................. 65 

2.3. Движение частиц в электрическом поле ............................................................................. 66 

2.4. Коллективные процессы в заряженном аэрозоле ............................................................... 74 

2.5. Разделение неоднородных систем в электрофильтрах.конструктивные схемы 
электрофильтров ........................................................................................................................... 75 

2.6. Нанесение покрытий в электрическом поле ....................................................................... 87 

2.6.2.  Нанесение порошковых покрытий .................................................................................. 90 

2.7. Электросепарация ............................................................................................................... 101 

2.7.1. Классификация сепараторов ........................................................................................... 101 

2.7.2. Сепарация по электропроводности................................................................................. 102 

2.7.3. Трибоэлектростатическая сепарация ............................................................................. 107 

2.7.4. Пироэлектрическая сепарация ........................................................................................ 111 

2.7.5. Диэлектрическая сепарация ............................................................................................ 111 

Глава 3. Электротехнологии и электротехнологические установки с 

применением плазмохимических реакций ............................................................. 114 
3.1. Генераторы озона и озонные технологии ......................................................................... 114 

3.1.1. Физико-химические и биологические свойства озона ................................................. 114 

3.1.2. Основные способы получения озона .............................................................................. 116 

3.1.3 Технологическое применение озона ............................................................................... 130 

3.1.4. Математическое описание бактерицидного эффекта озона в процессе 
электроантисептирования .......................................................................................................... 139 

3.2. Электротехнологии конверсии газов в плазме газового разряда ................................... 141 

3.3. Модификация поверхности материалов в плазме газового разряда .............................. 149 

Глава 4.  Импульсные электротехнологии ................................................... 154 

4.1. Электрогидравлическая технология .................................................................................. 154 

4.1.1.Технологические применения разряда в жидкости ....................................................... 159 

4.2. Электроэрозионная обработка материалов ....................................................................... 161 

4.2.1. Электроэрозионные установки ....................................................................................... 161 

4.2.2. Физические основы электроэрозионной обработки металлов .................................... 165 
4.3.  Магнитно-импульсная обработка материалов ................................................................ 169 

4.3.1. Физическая сущность  магнитно-импульсной  обработки ........................................... 169 

4.3.2. Разновидности магнитно-импульсной обработки ......................................................... 171 

4.3.3. Генераторы токов для магнитно-импульсной обработки ............................................ 174 

4.3.4. Технологические особенности ........................................................................................ 176 

Глава 5. Аэрозольные электрогазодинамическиеэлектротехнологии и 

устройства .............................................................................................................. 177 
5.1.Общая характеристика электрогазодинамических  электротехнологий ........................ 177 

5.2. Конденсационные элетрогазодинамические генераторы заряженного аэрозоля ......... 179 

5.3. Элетрогазодинамические  генераторы .............................................................................. 180 

5.4. Элетрогазодинамические компрессоры ............................................................................ 182 

Глава 6. Технологические лазеры ................................................................ 184 

6.1.  Физическая модель лазерной обработки .......................................................................... 185 

6.1.1.Феноменологический (теплофизический) подход к лазерному воздействию на 
материалы.................................................................................................................................... 187 

6.2. Основные параметры технологических лазеров .............................................................. 190 

6.3. Характеристики «качества» излучения технологических лазеров ................................. 196 

6.3.1.Когерентность лазерного излучения ............................................................................... 196 

6.3.2. Монохроматичность излучения ...................................................................................... 199 

6.3.3. Поляризация излучения ................................................................................................... 199 

6.4. Параметры технологических лазеров ................................................................................ 201 

6.5. Перспективы развития и основные области применения технологических лазеров ... 205 

6.5.1. Перспективы развития технологических лазеров ......................................................... 205 

6.5.2. Основные области применения технологических лазероВ .......................................... 205 

6.6. Устройство и принцип действия газового (co2), твердотелого и полупроводникового 
лазеров (ND-YAG)...................................................................................................................... 206 

6.6.1. Газовые лазеры ................................................................................................................. 206 

6.6.2.Твердотельные лазеры ...................................................................................................... 212 

6.6.3. Полупроводниковые лазеры ............................................................................................ 216 

6.6.4. Волоконные лазеры .......................................................................................................... 220 

6.7. Принцип действия инжекционных лазеров ...................................................................... 222 

6.7.1. Усиление и генерация света в активных средах ........................................................... 222 

6.7.2. Конструкция и работа инжекционных лазеров ............................................................. 226 

6.7.3.  Порог генерации и кпд инжекционных лазеров ........................................................... 231 

Список литературы ...................................................................................... 234 
 

 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
 
 
 
 
Задача  электротехнологии– исследование и выявление физических, 

химических, механических и иных закономерностей с целью определения и 

использования 
на 
практике 
наиболее 
эффективных 
и 
экономичных 

производственных процессов. Внедрение в производственные процессы новых  

электротехнологий позволяет:  создавать принципиально новые продукты, 

услуги, материалы и электротехнологическое оборудование; получать уже 

известные товары нового качества (например, кевлара по своим прочностным 

характеристикам во много раз превосходящего ранее известные материалы); 

снизить себестоимость производства уже известных продуктов; снизить 

энергоемкость выпускаемой продукции.  

          Цель учебного пособия: познакомить обучающихся 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 обучающимся по направлению подготовки 

кадров высшей квалификации 35.06.04 «Технологии, средства механизации и 

энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве», 

профилю 
направления 
подготовки 
05.20.02 
«Электротехнологии 
и 

электрооборудование в сельском хозяйстве», 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, электро
эррозионная и магнитно-импульсная), а также конструкции и области 

применения 
электрогазодинамических 
устройств. 
Приведены 
основопо
лагающие сведения о технологических лазерных установках. 

Основные компетенции, приобретаемые обучающимися в процессе изучения 

дисциплины: 

– способность планировать и проводить эксперименты, обрабатывать и 

анализировать их результаты (ОПК-1); 

– способность подготавливать научно-технические отчеты, а также 

публикации по результатам выполнения исследований (ОПК-2); 

– готовность докладывать и аргументированно защищать результаты 

выполненной научной работы (ОПК-3); 

– готовность 
к 
преподавательской 
деятельности 
по 
основным 

образовательным программам высшего образования (ОПК-4); 

– способность к использованию фундаментальных и прикладных  законов 

естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, 

применения методов математического анализа, моделирования и 

оптимизации 
электротехнологий 
и 
электрооборудования 
в 

энергетической сфере сельского хозяйства (ПК–1); 

– способность 
анализировать 
и 
использовать 
научно-техническую 

информацию, отечественный и зарубежный опыт по обеспечению 

энергоэффективного стратегического развития сельского хозяйства (ПК–

2); 

– способность 
 
интегрировать 
инновационные 
электротехнологии, 

электрооборудование, интеллектуальную собственность и научные 

методы управления энергообеспечением и энергосбережением в сельском 

хозяйстве  

– (ПК–3); 

– способность 
к 
преподаванию 
в 
высшем 
учебном 
заведении 

электротехнических дисциплин по программам  магистратуры и 

бакалавриата (ПК – 4). 

 
Учебное пособие предназначено для подготовки кадров высшей 

квалификации, а также может быть рекомендовано к использовано научными 

сотрудниками и инженерами, работающими вэнергетической сфере сельского 

хозяйства. 

 

 

 

Глава 1.  МЕМБРАННЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ 

                                  

"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;