Электронно-ионные технологии в агроинженерном сервисе и природопользовании

МИНИС ТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

С А Н К Т - П Е Т Е Р Б У Р Г С К И Й  
Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н Ы Й
АГРАРНЫЙ
У Н И В Е Р С И Т Е Т

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ

ЭЛЕКТРОННО - ИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В 
АГРОИНЖЕНЕРНОМ СЕРВИСЕ И 
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ

П Р А К Т И К У М 

П О Э Л Е К Т Р О Т Е Х Н О Л О Г И Ч Е С К И М Р А С Ч Е Т А М

для самостоятельной работы обучающихся по направлению 35.04.06 «Агроинженерия», 

профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем»

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2016

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

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ

ЭЛЕКТРОННО - ИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В 
АГРОИНЖЕНЕРНОМ СЕРВИСЕ И 
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ

П Р А К Т И К У М 

П О Э Л Е К Т Р О Т Е Х Н О Л О Г И Ч Е С К И М Р А С Ч Е Т А М

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. Электронно-ионные технологии в агроинженерном сервисе и 
природопользовании: практикум по электротехнологическим расчетам для самостоятельной 
работы обучающихся по направлению 35.04.06 «Агроинженерия», профиль «Энергетический 
менеджмент и инжиниринг энергосистем» :- СПб: СПбГАУ, 2016. - 110с.

В практикум включены методики расчета процессов и установок электронно-ионной 
технологии агроинженерного сервиса и природопользования. Представлены расчетные 
задания для самостоятельной работы обучающихся по дисциплине «Энергоэффективные 
электротехнологии агроинженерного сервиса и природопользования». Цель практикума - 
обучение магистрантов практическим расчетам электротехнологических процессов и 
установок, основанных на использовании высоковольтных технологий. Практикум 
рекомендован для магистрантов, обучающихся по ООП «Энергетический менеджмент и 
инжиниринг энергосистем» (направление 35.04.06 «Агроинженерия»), а также может быть 
использован в заочном и дистанционном обучении. Представляет интерес для аспирантов, 
специалистов 
и 
научных 
работников, 
занимающихся 
проблемами 
повышения 
энергоэффективности предприятий АПК.

Рекомендовано к публикации на электронном носителе для последующего размещения в 
электронной сети СПбГАУ, согласно соответствующему договору Учебно-методическим 
советом СПбГАУ, протокол №__ от___________2016 г.

ISBN

© М.М.Беззубцева, 
© 
В.С. Волков 
© 
СПбГАУ

ВВЕДЕНИЕ
Электронно-ионная технология — это комплекс способов обработки 

материалов 
энергетическими 
потоками 
электронов, 
ионов, 
плазмы, 

нейтральных атомов. В результате воздействия таких потоков можно менять 

форму, 
физико-химические, 
механические, 
электрические 
и 
магнитные 

свойства обрабатываемых изделий, а также контролировать параметры 

исходных и модифицированных веществ. Электронно-ионная технология 

обладает рядом несомненных преимуществ перед традиционными видами 

обработки (механической, химической и др.), в частности локальностью и 

селективностью воздействия потоков при сохранении чистоты исходного 

материала, отсутствием механического воздействия на изделие при обработке, 

возможностью управления процессами. В современных условиях все больше 

единиц новейшего оборудования электронно-ионной технологии появляется в 

цехах 
и 
лабораториях 
сельскохозяйственных 
производств. 
Методам 

электронно-ионной 
технологии 
присущи 
высокая 
точность 
и 

воспроизводимость результатов, возможность сочетания в одной установке 

производственной операции с непрерывным контролем. Малая инерционность 

управления потоками заряженных частиц позволяет эффективно использовать 

компьютерные технологии, резко снизив при этом затраты труда на 

производстве.

Отсутствие механического контакта с объектом и жидкими реактивами 

гарантирует чистоту обрабатываемых материалов. Такие «сухие» процессы, в 

основном проводимые в вакууме, удобно реализовать в модулях гибких 

автоматизированных 
производств. 
Переход 
к 
полностью 

автоматизированному 
производству 
с 
управлением 
всеми 
процессами 

значительно 
облегчается 
тем, 
что 
в 
устройствах 
электронно-ионной 

технологии применяются прецизионные контрольные приборы.

Представленные в практикуме примеры электронно-ионных процессов 

эффективно осваивают в самых различных областях — химии, металлургии,

4

машиностроении, медицине и в сельском хозяйстве. Они с успехом заменяют 

в ряде случаев традиционные методы обработки в агроинженерном сервисе и 

природопользовании. 
Вследствие 
широкого 
диапазона 
выделяемых 
на 

объекте обработки удельных мощностей можно получать результаты, не 

достигаемые ранее известными способами.

В 
современных 
условиях 
возникает 
потребность 
подготовки 

агроинженерных кадров электротехнических специальностей, способных в 

своей 
профессиональной 
деятельности 
обеспечить 
промышленное 

производство импортозамещающими инновационными энергоэффективными 

аппаратурно-технологическими процессами и установками для производства 

социально-значимой 
продукции. 
При 
этом 
самостоятельная 
работа 

обучающихся 
выходит 
на принципиально 
новый уровень, изменяются 

приоритеты целевых задач обучения. 
Самостоятельное решение расчетных 

заданий, представленных в практикуме, 
обязывает обучающихся освоить 

элементы методики, что способствует развитию рационального творческого 

мышления и организации их мыслительной деятельности.

В практикуме представлены адаптированные к сельскохозяйственному 

производству (агроинженерному сервису и природопользованию) процессы и 

установки 
электронно-ионной 
технологии. 
Особое 
внимание 
уделено 

методикам и алгоритмам расчета электротехнологических процессов, анализу 

полученных результатов и формулированию выводов. Структура построения 

глав практикума предопределяет не только усвоение методик расчета 

процессов и установок электронно-ионной технологии, но 
и обеспечивает 

наиболее 
полное 
понимание 
теоретических 
основ 
этих 
процессов 
и 

представляет широкий спектр проблемных вопросов для самостоятельной 

научно-исследовательской и практической деятельности обучающихся.

В результате изучения теоретического курса по процессам и аппаратам

электронно-ионной 
технологии, 
включенного 
в 
программу 
изучения

дисциплины 
«Энергоэффективные 
электротехнологии 
агроинженерного

сервиса и природопользования», а также самостоятельного выполнения
5

практических 
расчетных 
заданий, 
обучающийся 
должен 
приобрести 

следующие компетенции:

-  
способностью к абстрактному мышлению, анализу, синтезу (ОК-1);

- владение логическими методами и приемами научного исследования 

(ОПК-5);

- способность анализировать современные проблемы науки и производства 

в агроинжерии и вести поиск их решения (ОПК-7);

готовностью к организации технического обеспечения производственных 

процессов на предприятиях АПК (ПК-2)

- способностью к проектной деятельности на основе системного подхода, 

умением строить и использовать модели для описания и прогнозирования 

различных явлений, осуществлять их качественный и количественный анализ 

(ПК-6).

Приобретение обучающимися указанных компетенций возможно в случае их 

вооружения 
новейшими 
знаниями 
в 
области 
инновационных 

электротехнологий. 
При этом самостоятельная подготовка обучающихся 

является одной из главнейших составляющих программы обучения.

Практикум рекомендован для магистрантов, обучающихся по ООП 

«Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем» (направление

35.04.06 «Агроинженерия»), а также может быть использован в заочном и 

дистанционном обучении. Представляет интерес для аспирантов, специалистов 

и 
научных 
работников, 
занимающихся 
проблемами 
повышения 

энергоэффективности предприятий АПК.

6

Р а з д е л 1. РАСЧЕТНЫЕ ЗАДАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 
ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ

1.1. 
Расчет электрофильтров по программе «Эффективность

электрофильтра»

Электрофильтры являются аппаратами для очистки промышленных

газов от твёрдых и жидких частиц. К преимуществам электрофильтров

относятся:

• высокая -  до 99% степень очистки;

• низкие энергетические затраты на улавливание частиц;

• возможность улавливания частиц размером до 0,1 мкм и менее (при 

этом концентрация частиц в газе может меняться от долей до 50 г/м3, а 

температура газа достигать 500° С);

• возможность работы под давлением и разрежением, а также в условиях 

воздействия агрессивных сред, возможность полной автоматизации 

процесса очистки.

Недостатком электрофильтра является:

• высокая чувствительность процесса электрической фильтрации газов к 

отклонениям от заданных параметров технологического режима и к 

незначительным механическим дефектам в рабочей зоне аппарата;

• эффективны только при улавливании частиц второй группы по 

удельному электрическому сопротивлению (см. таблицу 1 [1]).

Т а б л и ц а 1.1. Деление пыли на группы по удельному электрическому 
____________________ сопротивлению 
____________________________
Г руппа
Удельное электрическое 
сопротивление слоя, Ом^м
низкоомная пыль
менее 104
среднеоомная пыль

010

40

высокоомная пыль
более 1010

7

Рис.1. 1. Активная зона пластинчатого электрофильтра

Последовательность расчета:

• предварительный расчет размеров электрофильтра;

• расчет эффективности электрофильтра;

• поверочный расчет.

Если в результате расчета эффективности электрофильтра она оказалась 

ниже требуемой, то проводится корректировка полученных в предварительном 

расчете размеров электрофильтра, и расчет эффективности повторяется. 

Предварительный расчет электрофильтра.

Исходные данные:

• требуемая эффективность очистки Птреб;

• расход газа через электрофильтр q, м3/с;

• вид улавливаемых загрязнений.

Скорость движения газа через электрофильтр V принимают, согласно [2], 

равной 0,8.. . 1,2 м/с.

8

Тогда
q = V • 
,

C - q
ф 
V 
,

где Бф -  площадь поперечного сечения фильтра, м 2.

S  = n • H • B

(1.1)

(1.2)

(1.3)

где n -  число межэлектродных промежутков,

В -  высота активной части фильтра, м,

Н -  расстояние между соседними коронирующим 

и осадительным электродами, м.

В электрофильтрах Н = 0,050.0,100 м , а n и B -  с учетом (1.3) такими, 

чтобы n H  ~ B. (Значение Н можно принимать и исходя из данных о размерах 

стандартных электрофильтров; эти данные приведены, например, в [3].)

Длину активной части электрофильтра L, м определяют следующим 

образом:

L > V~H  • 1П (l-Лобоа )
V • H
a • ( !  
, 
(1.4)

где ю -  скорость дрейфа частиц, м/с; ее значение принимают 

8,0-10"2...9,0-10"2 м/с.

Расчет эффективности электрофильтра

Исходные данные:

• данные об улавливаемых загрязнениях;

• закон распределения улавливаемых частиц по размерам. 

(Промышленная пыль обычно подчиняется логарифмическому 

нормальному закону распределения);

• среднемедианный размер частиц xm, мкм;

• среднеквадратическое отклонение размера частиц а, мкм.
9

Данные об очищаемом газе:

• температура газа ^аза, °С;

• параметры формулы Саттерленда для определения вязкости газа 

ц0, П ас и Сс, К зависят от химического состава газа (в частности, 

для воздуха Ц0=1,72-10-5 П ас, а Сс=122 К).

Данные о конструкции электрофильтра:

• длина активной части электрофильтра L, м;

• расстояние между соседними коронирующим и осадительным 

электродами Н, м;

• скорость движения газа через электрофильтр V, м/с;

• разрежение в электрофильтре P, Па.

Параметры приведены в [2].

Сначала рассчитывают напряженность электрического поля между коро- 

нирующим и осадительным электродами (Е, В/м). При этом радиус корони- 

рующего электрода (R1, мм) принимают равным 0 ,5 .2  мм (для электродов с 

фиксированными точками разряда -  остриями равным 0,3 мм [1]), расстояние 

между соседними коронирующими электродами в ряду (S, м) принимают по 

рекомендациям [1] (обычно S-H), а напряжение на электродах (U, В) 

определяют исходя из возможностей стандартного оборудования (обычно U не 

превышает 40 кВ). Данные о характеристиках стандартных агрегатов питания 

электрофильтров cм. в [1], [4]. Затем рассчитывают коэффициент динамической 

вязкости газа (ц, Па-с). После этого проводят расчет суммарной и парциальной 

эффективности электрофильтра. Данный этап расчета реализован в программе 

«Эффективность электрофильтра».

Методика расчета эффективности электрофильтра

Суммарная эффективность электрофильтра:

10