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 Учебно-
методическим 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;  

 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: 
 









x
V




0
  ;   

0

0


 P
E 
,                                     (1.1) 

или 








x
S
P
E



0
,                                        (1.2) 

 где    – диэлектрическая проницаемость жидкой фазы; 
x


/

– напряжённость 

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

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

перемещение жидкости; S – сечение взвешенной частицы или поры. 

Величина   называется электрокинетическим потенциалом или дзета-

потенциалом. Рассчитанная по формуле величина   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