Энергоэффективные электротехнологии в агроинженерном сервисе и природопользовании

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ 

ФГБОУ ВПО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ, А.В. КОТОВ 

 
 
 
 
 
 

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ 

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ 

В  АГРОИНЖЕНЕРНОМ СЕРВИСЕ  

И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ 

 
 
 
 
 
 
 
 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 

 
 

Рекомендовано УМО РАЕ по классическому 
университетскому и техническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки:110800.68- 
«Агроинженерия» (Профиль «Электротехнологии 
и электрооборудование в сельском хозяйстве») 

 
 
 
 
 
 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 

 

2012 

УДК 621.311(07) 
ББК 40.76 
 
 
Составители: М.М. Беззубцева, В.С. Волков, А.В. Котов 
 
Рецензенты:  д.т.н., проф. С.А. Ракутько;  д.т.н., проф. В.В. Орлов 
 
 
 
 
А 24: Энергоэффективные электротехнологии в агроинженерном сервисе 

и природопользовании . – СПб: СПбГАУ, 2012. -240 с. 

 

  
В учебное пособие включены электрофизические, электрохимические, 

оптические, ультразвуковые и электробиологические способы интенсификации 
традиционных процессов агроинженерного   сервиса, процессов  очистки и 
обеззараживания технологических, воздушных  и водных сред,  а также 
процессов 
утилизации 
отходов 
неразрывно 
связанных 
с 
эколого-

милеоративными системами сельскохозяйственного производства. 

Учебное пособие составлено в соответствии с рабочими программами 

дисциплины 
«Энергоэффективные 
электротехнологии 
агроинженерного 

сервиса и природопользования» 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 978-5-85-983-148-7 
 
 

© М.М. Беззубцева 

                                                                                                    В.С. Волков 

                                                                                                 А.В. Котов 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 

 

 

 

 

 "Проблемы, 
которыми 
занимаются    

исследователи, все чаще не укладываются  

в 
рамки 
отдельной 
определенной 

сложившейся науки, мы специализируемся не 
по наукам, а по проблемам".  

В.И. Вернадский 

  

Это высказывание полностью применимо к проблемам экосистем 

аграрного сектора экономики, отличительной чертой которого  является 

междисциплинарность. 
 
Обеспечение 
устойчивого 
развития 
сельских 

территорий предусматривает подготовку специалистов, воспитанных на 

мировоззрении внедрения в практику сельскохозяйственных производств 

системных знаний естественных, общественных и технических наук.  

Теоретическим фундаментом рационального природопользования и 

охраны природы в рамках специальности «Агроинженерия» и профиля 

«Электрооборудование и электротехнологии в сельском хозяйстве»  является 

разработка экосовместимых  энерго- и ресурсосберегающих электротехнологий 

и электротехнологических установок, основанных на последних достижениях 

науки и техники.  

Целью учебного пособия  «Электротехнологии агроинженерного сервиса 

является формирование  у студентов системы компетентных знаний и 

практических навыков для решения задач эффективного использования 

инновационных 
электротехнологий 
в 
агроинженерном 
сервисе 
и 

природопользовании 
с 
формированием 
мировоззрения 
применения 

экологически чистых, ресурсо- и энергосберегающих технологий и  принятия 

нестандартных научно-обоснованных решений при внедрении в практику 

природопользования 
 
электротехнологий, 
обеспечивающих 
реализацию 

Государственных программ, международных стандартов ИСО и Законов РФ по 

энергосбережению, экологии и повышению энергоэффективности предприятий 

АПК. 

В учебное пособие включены электрофизические, электрохимические, 

оптические, ультразвуковые и электробиологические способы интенсификации 

традиционных процессов агроинженерного   сервиса, процессов  очистки и 

обеззараживания технологических, воздушных  и водных сред,  а также 

процессов 
утилизации 
отходов 
неразрывно 
связанных 
с 
эколого-

милеоративными системами сельскохозяйственного производства. 

Одноименная дисциплина  «Электротехнологии агроинженерного сер-

виса и природопользования» является неотъемлемой составляющей модуля 

ООП  «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  «Электротехнологии агроинженерного сервиса и 

природопользования»  является завершающей в тематике модуля и основана на 

фундаментальных знаниях электротехнологий, изложенных в предыдущих 

разделах.  Этим обусловлена структура изложения материала в учебном 

пособии. Классификация электротехнологий построена   не на традиционном 

признаке, а на признаке их целевого практического  назначения  в экосистемах 

сельскохозяйственных производств.  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 в области экосовместимости  электротехнологий для  

самостоятельной работы. 

Учебное пособие состоит из предисловия, 6 глав, заключения и 

обширного библиографического списка, включающего  160  наименований 

отечественной и зарубежной литературы.   

В 
первой 
главе 
достаточно 
компактно 
представлена 
обзорно-

аналитическая информация об электротехнологиях гальванопластики и 

гальваностегии, электрохимического травления, анодного шлифования и 

полирования,  ионно-плазменных технологиях нанесения износостойких 

покрытий, а также электромагнитных технологиях абразивного шлифования и 

полирования 
деталий 
сельскохозяйственной 
техники. 
Представлены 
и 

обоснованы приоритетные направления научных исследований. Вторая глава 

является 
логическим 
продолжением 
и 
посвящена 
 
вопросам 

совершенствования 
процессов 
электромагнитной 
очистки 

смазочноохлаждающих жидкостей и интенсификации методов контроля 

ферропримесей 
в 
жидких 
и 
сыпучих 
технологических 
средах 

агропромышленного 
сервиса 
путем 
внедрения 
экосовместимых 

электротехнологических контрольно-измерительных приборов. В качестве 

инновационной электротехнологии в главе представлены запатентованные 

разработки авторов учебного пособия. 

В 
последующих 
главах 
представлены 
экосистемы 
очистки 
и 

обеззараживания водных ресурсов и воздушной среды, утилизации отходов 

сельскохозяйственных 
предприятий 
и 
антисептирования 
продукции, 

основанные 
на 
электрофизических, 
электрохимических, 
оптических, 

ультразвуковых и электробиологических способах и методах интенсификации 

традициционных технологий. Представлены инновационные запатентованные 

технологии объемного облучения для дезинсекции и обеззараживания 

технологических сред сельскохозяйственного производства, разработанные 

коллективом 
кафедры 
«Энергообеспечение 
производств 
в 
АПК 
и 

электротехнологий» под руководством основателя научной школы профессора 

В.Н.Карпова.  

Учебное пособие рекомендовано для магистров. Может быть использовано 

в заочном и дистанционном  обучении. Представляет интерес для бакалавров, 

инженеров, специалистов и научных работников, занимающихся проблемами 

экологической безопасности сельских территорий. 

Глава 1.  ЭНЕРГО - И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ 

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ АГРОИНЖЕНЕРНОГО СЕРВИСА 

 

Внедрение в агроинженерный  сервис технологий, обеспечивающих, с 

одной стороны, получение новых материалов и изделий, а с другой - снижение 

энерго- и ресурсозатрат при одновременном повышении экологических 

показателей является одной из актуальных задач аграрного сектора экономики. 

Значительное место в ряду  технологий агроинженерного сервиса занимают 

электротехнологии, основанные на преобразовании энергии электрического 

тока в тепловую, химическую или механическую энергии. 

Традиционно выделяют пять групп электротехнологий  агроинженерного 

сервиса: 
электротермия, 
электросварка, 
электрохимические, 

электрофизические, электромеханические и ультразвуковые методы. 

В 
электротермических 
процессах 
используется 
превращение 

электрической энергии в тепловую для нагрева материала изделий с целью 

изменения их агрегатного состояния, формы или свойств. 

В электросварочных процессах получаемая из электрической энергии 

тепловая энергия используется для создания неразъемного соединения деталей. 

В электрохимических процессах с помощью электрической энергии 

осуществляется разложение химических соединений и их разделение в жидкой 

среде под действием электрического поля (электролиз, гальванотехника, 

анодная электрохимическая обработка). 

Электрофизические 
методы 
используют 
специальные 
физические 

эффекты для превращения электрической энергии как в тепловую, так и в 

механическую (электроэрозионные, ультразвуковые, магнитоимпульсные, 

электровзрывные, плазменные, электронно-лучевые, лазерные технологии). 

В 
аэрозольных 
технологиях 
(электронно-ионных) 
энергия 

электрического поля используется для сообщения электрического заряда 

взвешенным в газовом потоке частицам и для перемещения их в заданном 

направлении.  

Наряду с перечисленными методами нашли применение технологические 

процессы и установки, в которых основные и вспомогательные операции 

реализуются за счет непосредственного механического (силового) воздействия 

электрического и магнитного полей на обрабатываемые изделия и материалы. 

Такие методы и установки можно классифицировать по виду полей, 

воздействующих на объекты технологической обработки: стационарные, 

пульсирующие, вращающиеся, бегущие. 

Наиболее известны и широко применяемые электротехнологические 

установки (ЭТУ) используют силовое действие стационарных электрического 

и 
магнитного 
полей. 
Например, 
стационарные 
электрические 
поля 

применяются в аэрозольных технологиях (пылегазоочистка, электроокраска, 

нанесение порошковых покрытий), в электрических сепараторах, в устройствах 

водоочистки. 

Стационарные магнитные поля используются в магнитных сепараторах 

для извлечения ферромагнитных предметов и частиц из сырья и отходов, для 

разделения смесей, при водоочистке, а также для захвата или фиксации 

стальных заготовок и удаления металлоотходов из рабочей зоны при 

металлообработке. 

С использованием пульсирующих магнитных полей работает ряд 

электродинамических 
устройств 
и 
некоторые 
виды 
магнитных 
или 

электродинамических сепараторов. 

Воздействие импульсных электромагнитных полей применяется в 

устройствах для магнитоимпульсной обработки материалов давлением и при 

электродинамической сепарации. 

Вращающиеся и бегущие магнитные поля используются в МГД- 

технологиях, обработке жидких металлов (перемешивание, транспортировка и 

т.д.), при электродинамической сепарации и водоочистке. 

Перечисленные процессы и установки, использующие механическое 

действие электрического и магнитных полей, нашли достойное применение в 

агроинженерном сервисе и природоохранных технологиях. 

Отличительной особенностью всех указанных электромеханических 

технологических устройств является то, что их рабочим телом непосредственно 

служат обрабатываемые изделия и материалы, т.е. отсутствуют промежуточные 

электромеханические преобразования энергии. 

Наличие 
такого 
четкого 
обобщающего 
признака 
позволяет 

классифицировать 
электромеханические 
технологические 
процессы 
и 

установки как отдельную группу в ряду других электротехнологических 

методов и установок агроинженерного сервиса. 

 

1.1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГАЛЬВАНОПЛАСТИКИ И 

ГАЛЬВАНОСТЕГИИ 

На ремонтных предприятиях сельского хозяйства электрохимические 

процессы представлены, в основном, гальванопластикой и гальваностегией, 

использующих катодные процессы при прохождении тока через электролит 

(выделение вещества на катоде).  Анодные процессы (растворение анода) 

являются основой электрохимического травления, шлифования, полирования. 

Гальванопластика  -  электрохимическое осаждение металлов на 

поверхности металлических и неметаллических изделий. Основная область 

применения - получение точных копий изделий - гальванокопий. Для этой 

цели с изделия снимают оттиск - обратное изображение, получившее название 

матрицы. Если матрица не токопроводящая, ее поверхность обрабатывают 

тонким слоем металлического порошка или графита и помещают в 

гальваническую ванну. После электролиза получают точную пустотелую 

копию изделия. 

Гальваностегия - процесс электрохимического осаждения металла на 

металлические изделия для придания им повышенной механической 

прочности или улучшения внешнего вида (никелирование, хромирование, 

кадмирование, омеднение, цинкование, золочение и т.д.). 

Осажденный на катоде слой металла должен иметь мелкокристаллическую 

структуру, быть равномерно распределенным по поверхности и прочно 

связанным с основным металлом, что обеспечивается рациональным выбором 

и поддержанием необходимой плотности тока через электролит. 

Ванны для галваностегии питают постоянным током при напряжении на 

электродах 6 - 24В и плотности тока от 100 до 1000 А/м2. При увеличении 

плотности тока процесс электролиза ускоряется, а качество покрытия - 

снижается. 

Количество металла (в граммах), удаляемое с поверхности анода, 

определяют  по первому закону Фарадея 

Qm=K еIt, 
                   (1.1) 

 где K е - массовый электрохимический эквивалент, г/(Ач);  I - ток, A; 

 t - время обработки, ч. 

Учитывая, что часть энергии расходуется на электролиз воды и выделение 

на аноде кислорода и озона, фактическая масса удаленного с анода металла mф 

оказывается меньше расчетной массы mp.  

Выход по току 

                                   

р

ф

m

m



                                                       

(1.2) 

Общее количество анодно- растворенного металла с учетом выхода по току 

определяют по формуле 

 

                       
h
Q
n
A

S
It
Q
уд
общ




60
,                                       (1.3) 

 

 где S – площадь заготовки, см ;   – плотность металла, г/см3; 
уд
Q – 

удельный объемный съем металла, см

3 /ч;  А  –атомная масса металла анода; n - 

валентность металла. 

Процесс электрохимической обработки одинаков для всех методов и 

осуществляется по единой схеме. Однако, изменяя материал электродов и 

состав электролита, размеры реакционного пространства, а также условия 

протекания процесса (температура электролита, плотность тока, скорость 

удаления продуктов реакции и т.д.) можно получить большое число вариантов 

электрохимической обработки. Важное место среди них занимает группа 

методов по выполнению отделочных операций с изменением свойств или 

состояния поверхности деталей или изделий. 

Электрохимическое (анодное) травление  применяют  для удаления 

поверхностных загрязнений, оксидов, окалины, ржавчины, снятия заусенец, 

округления кромок, а также маркирования изделий.  Ведется при относительно 

высоких скоростях растворения металла (50 - 500 мм /мин), определяемых 

регулируемой плотностью тока или температурой электролита. 

Электрохимическое (анодное) шлифование и полирование  производится 

при малых плотностях тока, что приводит к растворению всех выступов, 

образующих макро- и микрорельеф поверхности металла. Приводит к 

результату, соответствующему механическому шлифованию или полированию. 

Процесс состоит в том, что в углублениях обрабатываемой поверхности 

(аноде) при электролизе накапливаются продукты растворения с большим 

электрическим сопротивлением и плотность тока в этих зонах уменьшается. На 

выступах происходит концентрация электрического поля и плотность тока 

растет. Поэтому процесс растворения выступов многократно ускоряется и 

происходит постепенное выравнивание поверхности металла. 

 
 

                а                                                б            

Рис. 1.1.  Схема электрохимического шлифования – полирования в стационарном 

электролите: а) – микрогеометрия поверхности детали и линии тока в начале обработки;  б) - то же, 

в конце обработки; 1 - обрабатываемая деталь; 2 - электролит; 3 - ванна; 4 - катод; 5, 6 - линии тока 

вначале и конце обработки;7 – источник питания  размерной обработки.