Инжиниринг электротехнологий переработки и хранения с.- х. продукции

МИНИСТЕРС ТВО 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
Н И В Е Р С И Т Е Т

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ

ИНЖИНИРИНГ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ 
ПЕРЕРАБОТКИ И ХРАНЕНИЯ 
С.- Х. ПРОДУКЦИИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

для обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 
Агроинженерия, профиль «Энергетический менеджмент и
инжиниринг энергосистем»

САН КТ-ПЕТЕРБУРГ

2019

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА р о с с и й с к о й  
ФЕДЕРАЦИИСАНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ

ИНЖИНИРИНГ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ 
ПЕРЕРАБОТКИ И ХРАНЕНИЯ 
С.- Х. ПРОДУКЦИИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

для обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 
Агроинженерия, профиль «Энергетический менеджмент и
инжиниринг энергосистем»

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2019

УДК 663.915 

ББК 40.76

Рецензенты:

д.т.н., проф. С.А. Ракутько (ИАЭП — филиал ФГБНУ ФНАЦВИМ); 

д.т.н., проф. А.Г. Новоселов НИУ ИТМО

М.М. Беззубцева, B.C. Волков 
Инжиниринг электротехнологий
переработки и хранения с.- х. продукции. Учебное пособие для обучающихся по 
направлению подготовки 35.04.06 Агроинженерия, профиль «Энергетический 
менеджмент и инжиниринг энергосистем». -  СПб.: СПбГАУ, 2019. -  317 с.

Учебное пособие предназначено для обучающихся по направлению 
подготовки 35.04.06 Агроинженерия, профиль «Энергетический менеджмент и 
инжиниринг энергосистем».
В 
учебном 
пособии 
представлены 
инновационные 
электротехнологические процессы, разработанные в рамках ведущей научной и 
научно-педагогической 
школы 
Санкт-Петербурга 
«Инжиниринг 
электротехнологий переработки и хранения с.- х. продукции. Представлены 
результаты 
исследований 
инновационных 
электротехнологий 
электромеханического диспергирования и электромагнитной механоактивации 
сельхозяйственной 
продукции, 
электромагнитного 
перемешивания, 
обеззараживания и дезинсекции технологических сред сельскохозяйственного 
назначения, а также энергоэффективных способов хранения сочной овощной 
продукции.
Учебное пособие также может быть использовано аспирантами, научными 
сотрудниками и инженерами, работающими в различных областях АПК.

Рекомендовано к размещению на электронном носителе для включения в 
информационные ресурсы университета согласно лицензионному договору 
Учебно-методическим советом СПбГАУ, протокол № 2 от 31 октября 2019

© М.М. Беззубцева, 
B.C. Волков, 2019 
© СПбГАУ, 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1. Иннновационные электротехнологии электромеханического 
диспергирования и электромагнитной механоактивации 
сельскохозяйственной продукции.................................................................................9
1.1 Критический анализ способов формирования^диспергирующего усилия и 
конструктивных решений электромеханических диспергаторов и 
механоактиваторов 
с использованием электромагнитных полей...........9
1.2 Принцип действия ЭММА...................................................................................... 24
1.3 Фундаментальная теория ЭММА..........................................................................26
1.4 Классификация ЭММА............................................................................................36
1.5 Направления и перспективы практической реализации 
электромеханических диспергаторов и механоактиваторв в аппаратурнотехнологических системах переработки сельхозпродукции............................... 81
Список использованных источников к главе 1........................................................85
Глава 2. Иннновационные электротехнологии электромагнитного 
перемешивания....................................................................................................................86
2.1 Перемешивающее оборудование АПК. Основные характеристики
способов организации процесса. Классификация.................................................. 86
мешалок................................................................................................................................ 86
2.2 Теоретические закономерности процесса перемешивания...........................93
2.3 Технологические особенности процесса перемешивания...........................109
2.4 Принцип действия электромагнитных смесителей (ЭММ)....................... 116
2.5 Математическая модель продолжительности выравнивания концентрации
вещества.............................................................................................................................118
2.6.Исследование взаимодействия перемешивающих элементов
цилиндрической формы в магнитном поле рабочего объема ЭМ М ...............128
2.7 Математические модели расчета затрат энергии н а.....................................140
создание магнитного поля в ЭММ............................................................................ 140
Список использованных источников к главе 2 ......................................................146
Глава 3. Иннновационные электротехнологии обеззараживания, 
антисептирования и дезинсекции..............................................................................155
3.1 Аналитический обзор методов обеззараживания технологических сред в 
АПК.................................................................................................................................... 155
3.1.1 Роль питательных растворов гидропонных теплиц и их зараженности на 
производительность выпускаемой продукции......................................................155
3.2 Анализ методов обеззараживания.......................................................................157
3.3 Эффективность работы промышленных УФ-установок и технологий 
облучения.......................................................................................................................... 160
3.4 Методики расчета бактерицидных УФ-установок и их анализ.................165
3.5 Фотометрические основы энергетического совершенствования 
технологических схем объемного облучения. Виды схем и их анализ.........168
3.6 Энергетическое совершенствование технологических схем объемного 
облучения жидких сред................................................................................................ 173

4

3.7 Экономическое обоснование эффективности технологии с коллинеарным 
направлением векторов скорости перемещения облучаемой среды и УФ-
потока.................................................................................................................................181
Список использованных источников к главе 3 ......................................................183
Глава 4. Энергоэффективные способы хранения сочной овощной 
продукции........................................................................................................................188
4.1 Анализ методов и средств увлажнения вентиляционного воздушного 
потока в картофелехранилищах. влияние влажностных параметров среды на 
сохранность картофеля..................................................................................................188
4.1.1 Характеристика среды в овощехранилище.................................................. 188
4.1.2 Влияние влажностных характеристик газовой среды на..........................190
технологические параметры процесса хранения.................................................. 190
4.1.3 Потери массы продукта от дефицита влаги в окружающей газовой среде 
 
191
4.1.4 Технико-технологические и экономические требования к увлажнителям
вентиляционного потока.............................................................................................. 193
4.2 Анализ основных методов и средств увлажнения вентиляционного потока 
...............................................................................................................................................196
4.2.1 Анализ механических распылителей-увлажнителей................................ 196
4.2.2 Анализ паровых увлажнителей........................................................................200
4.2.3 Анализ испарительных (сотовых) увлажнителей....................................... 202
4.2.4 Недостатки методики увлажнения в хранилищах......................................205
4. 3 Физический механизм и средства реализации процесса распыления 
жидкостей в «ультразвуковом фонтане».................................................................209
4.3.1 Ультразвуковое распыление «в фонтане».....................................................209
4.3.2 Кинетика и физический механизм процесса................................................ 213
4.4.Характеристики процесса распыления жидкости 
в «УЗ- 
фонтане» для овощехранилищ...................................................................................223
4.4.1 Характеристики генерируемого аэрозоля.....................................................223
4.4.2 Производительность процесса распыления................................................ 227
4.4.3 Энергоемкость процесса распыления в «УЗ-фонтане»...........................232
4.5. Характеристики источников ультразвука для реализации процесса 
распыления.......................................................................................................................234
4.6 Результаты исследований ультразвукового.....................................................242
распылителя- увлажнителя..........................................................................................242
4.6.1 Стенды для моделирования процессов увлажнения и методология 
исследований....................................................................................................................242
4.6.2 Анализ результатов экспериментальных исследований.........................254
4.7 Инженерная методика расчета УЗР-У для системы активного 
вентилирования картофелехранилищ.......................................................................259
4.7.1 Основы моделирования процесса увлажнения............................................259
4.7.2 Математическая модель процесса увлажнения...........................................268
4.7.3 Характеристика потока аэрозоля (тумана)....................................................276
4.8 Методика инженерного расчета системы увлажнения................................ 277
картофелехранилища с применением УЗР-У......................................................... 277

5

Список использованных источников к главе 4 ......................................................287
Г л а в а 5. Эффективность инвестиционных проектов инновационных 
электротехнологий...........................................................................................................300
5.1 Показатели эффективности инвестиционного проекта............................... 300
5.2 Показатели энергоэффективности Э Т У ........................................................... 307
5.3. Анализ целесообразности применения инновационных 
электротехнологических процессов и установок 
в
аппаратурно-технологических линиях производства......................................... 310
Список использованных источников к главе 5 ......................................................314
Заключение......................................................................................................................... 316

6

ПРЕДИСЛОВИЕ

В учебном пособии представлены основы инновационных 

энергоэффективных электротехнологии, разработанных и внедренных 

в производство АПК в рамках программы научного направления 

кафедры «Энергообеспечение предприятий и электротехнологии» —  

«Обеспечение 
устойчивого 
развития 
сельских 
регионов 
путем 

повышения 
энергоэффективности 
и 
энергобезопасности 

потребительских энергосистем».

Структура 
пособия 
состоит 
из 
предисловия, 
пяти 
глав, 

заключения и библиографического списка. Для лучшего понимания 
результатов исследований библиографический список представлен 

отдельно для каждой главы.

Основными 
разделами 
являются 
обобщенные 
результаты 

научных и практических исследований коллектива сотрудников 

кафедры «Энергообеспечение предприятий и электротехнологии», 

опубликованные в монографиях, изобретениях и научно-технических 

статьях.

В 
первые 
четыре 
главы 
включены 
инновационные 
электротехнологии 
электромеханического 
диспергирования 
и 

электромагнитной механоактивации сельхозяйственной продукции 

(глава1), электромагнитного перемешивания (глава 2), обеззараживания и дезинсекции технологических сред сельскохозяйственного 

назначения (глава 3). Представлены энергоэффективные способы 

хранения сочной овощной продукции (глава 4).

Главы объединяет общая методологическая основа изложения 

материала, 
аналогичная 
структуре 
построения 
выпускных 

квалификационных работ по направлению подготовки 35.04.06 —

7

«Агроинженерия». Каждая глава начинается с аналитического обзора, 

основанного на патентно-информационном поиске существующих в 

настоящее время электротехнологий и обоснования актуальности 

интенсификации анализируемых процессов. Главы заканчиваются 

практической реализацией проектов.

Пятая глава посвящена исследованию эффективности внедрения 
инновационных электротехнологий в аграрный сектор экономики. 

Представлена методика анализа эффективности инвестиционных 
проектов при их внедрении в производство.

Монография 
написана 
в 
соответствии 
с 
программными 

документами развития отрасли, а именно, концепцией развития 

электрификации сельского хозяйства, Федеральным законом РФ «Об 

энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о 

внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской 

Федерации», стандартами серии управления энергоэффективностью 

BS EN 16001:2009 и ISO 50001, энергетической стратегией России на 

период 
до 
2030 
года, 
стратегией 
инновационного 
развития 

агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до

2020 
года, 
а также 
концепцией 
энергетического 
обеспечении 

сельскохозяйственного производства в условиях многоукладной 
экономики.

Материал учебного пособия направлен на формирование у 

обучающихся элементов следующих компетенций:

ОПК-7 способность анализировать современные проблемы науки 

и производства в агроинжерии и вести поиск их решения;

ПК-1 
способность 
и 
готовностью 
организовать 
на 

предприятиях 
агропромышленного 
комплекса 
(далее 
- 
АПК) 

высокопроизводительное использование и надежную работу сложных 
технических систем для производства, хранения, транспортировки и 

первичной 
переработки 
продукции 
растениеводства 
и 

животноводства.

8

Глава 1. ИНННОВАЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ 

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ДИСПЕРГИРОВАНИЯ 
И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ МЕХАНОАКТИВАЦИИ 
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ

1.1 
Критический анализ способов формирования 
диспергирующего усилия и конструктивных решений 
электромеханических диспергаторов и механоактиваторов 
с использованием электромагнитных полей

Анализ научно-технической и патентной информации показал, 

что минимальные энергетические потери обеспечивают конструкции 

мельниц, в которых энергия электромагнитного поля непосредственно 
преобразуется 
в 
кинетическую энергию 
движения 
размольных 

элементов без использования специальных передаточных механизмов 

[1,...,6]. 
При 
этом 
наиболее 
эффективными 
являются 

механоактиваторы, 
реализующие 
способы 
диспергирования 

маериалов в смеси со свободно размещенными в рабочих камерах 

мелющими телами. 
Эти устройства можно рассматривать как 

ферродинамический привод, в котором ферромагнитная загрузка 

(размольные 
элементы), 
участвуя 
в 
двух 
видах 
силового 

взаимодействия 
(с 
магнитным 
полем 
и 
продуктом), 
является 

посредником в передаче энергии к частицам обрабатываемого 

материала. 
Наибольшее 
распространение 
среди 
них 
получили 
мельницы с переменным магнитным полем.В последние годы 

выявлена возможность интенсификации процессов измельчения в 

аппаратах, основанных на нетрадиционном использовании энергии 

постоянных магнитных и электромагнитных полей. Все многообразие 

предложенных и разрабатываемых в настоящее время конструкций 

механоактиваторов 
с 
подвижной 
ферромагнитной 
средой 

целесообразно объединить в три группы:

-  с квазистационарным магнитным полем переменного тока;

-  со стационарным магнитным полем постоянного тока;

-  со статическим магнитным полем постоянных магнитов.

9

Механоактиваторы 
с 
переменным 
магнитным 
полем 

представляют 
собой 
основную, 
наиболее 
распространенную 
и 
изученную группу. В современных отечественных и зарубежных 

патентных 
материалах 
представлено 
около 
100 
наименований 

измельчающих устройств [1, 2], принцип действия которых основан на 

физических 
методах 
активации 
с 
использованием 
переменных 

электромагнитных полей. Результаты исследований достаточно полно 

отражены в работах А.Н. 
Лонгвиненко, А.Н. Шелякова, И.С. 

Косяковой, Н.Н. Оберемок и др. авторов [7, 8]. Аналитический обзор 

этой информации обнаружил тенденцию всемерной интенсификации 

процесса диспергирования в результате комплексного воздействия на 
материал высоких локальных давлений, трения, перемешивания, 

акустической обработки и т.д.

Мельницы этой группы целесообразно классифицировать по 

ряду 
признаков, 
определяющих 
реализуемый 
в 
них 
способ 

формирования диспергирующего усилия:

-  по виду источника магнитного поля: с плоскими (одно и 
двухсторонними) индукторами; с кольцевыми индукторами (явно 

и неявно полюсного типа); с электромагнитами переменного тока 

специального исполнения;

-  по 
числу 
источников 
магнитного 
поля 
и 
способу 
их 

расположения относительно объема обработки продукта: с одним 

или двумя индукторами, расположенными по всей длине камеры 

измельчения;

-  с 
двумя 
или 
несколькими 
индукторами, 
размещенными 

последовательно со смещением по длине камеры измельчения;

-  по месту расположения источников магнитного поля: 
на 

внутренней, на наружной, на обеих одновременно элементах 

устройства, образующих рабочий объем (камеру измельчения); 

на выносном магнитопроводе;
-  по виду магнитного потока: с постоянной и чередующейся 

полярностью, с постоянной и изменяющейся индукцией;

10

-  по 
режиму 
работы 
электромагнитов: 
непрерывного 
и 

импульсного типа; с встречным и согласным включением 

обмоток;

-  по форме камеры измельчения: цилиндрические, кольцевые 

специального исполнения;
-  по виду размольных элементов: с элементами сферической, 

цилиндрической формы, специального исполнения.

Несмотря на большое количество технических предложений

мельниц с переменным магнитным полем и представленных в 

литературе доказательств их преимуществ, в производство внедрены 

только два типа механоактиватора этой группы —  электромагнитные 
измельчители (ЭМИ) и вихревые электромагнитные аппараты (ВЭА). 

Наиболее достоверную информацию об основных достоинствах и 
недостатках 
электромагнитныхмеханоактиваторов, 
реализующих 

аналогичные способы измельчения материалов, можно получить из 

анализа их конструктивных решений.

Одна из классических конструктивных схем ЭМИ (рис. 1.1) 

[1]используется в производстве сухих порошков. Этот аппарат можно 

охарактеризовать следующим образом: измельчитель с квазиста- 

ционарным магнитным полем переменного тока, цилиндрический, с 

одним кольцевым индуктором, расположенным на корпусе рабочей 

камеры по всей ее длине, импульсного типа, со сферическими 

мелющими телами. Совокупность этих признаков обуславливает 

хаотический характер движения и взаимодействия мелющих тел по 

всему объему рабочей камеры. Продукт измельчается в результате 

воздействия на него энергонапряженных и высокочастотных ударных 

импульсов со стороны размольных элементов. Сопутствующим 

способом измельчения является истирание. ЭМИ выгодно отличается 

минимальным количеством ступеней преобразования подведенной 

энергии в энергию разрушения материалов и простотой конструкции.

Данный тип механоактиваторов имеет относительно высокую 

производительность (400 кг/ч при тонине помола от 100 до 25 мкм) и 

относительно 
небольшие 
энергозатраты 
(до 
20 
кВтч/т).

11

Сравнительный анализ проведен с шариковой и струйной мельницами. 

Их энергоемкость —  500 и 1360 кВтч/т [2].

jf  

2

измельченный продукт
Рисунок 1.1 — Конструктивная схема электромагнитного измельчителя (ЭМИ):
I — соленоид; 2 — рабочая камера; 3 — размольные элементы; 4 — обрабатываемый продукт

Узким местом, сдерживающим широкое внедрение ЭМИ в 

производство, являются размольные элементы. Их специальное 

изготовление из магнитотвердого материала (гексаферрита бария) 

связано с дополнительными затратами. Снижение и потеря магнитных 

свойств 
этих 
элементов 
обуславливает 
постепенное 
падение 

эффективности работы аппарата, что ухудшает качество готовых 

изделий 
и 
затрудняет 
прогнозирование 
выходных 
параметров 

продуктов помола. Для обеспечения стабильности характеристик 

необходимо частое намагничивание мелющих тел в постоянном 

магнитном поле напряженностью до 600 Э. Их замена и магнитная 

обработка вызывают продолжительные простои и повышает расходы 

на эксплуатацию. 
К недостаткам также 
относится 
отсутствие 
энергоэффективных систем автоматического управления процессом 

измельчения 
и практическая 
невозможность 
целенаправленного 

регулирования фракционным составом обрабатываемых продуктов. 

Этим объясняется узкоспециализированная область применения ЭМИ 

в промышленности. Их эффективно использовать при производстве 

сухих порошкообразных материалов средней твердости с высокой 

степенью измельчения, 
но не регламентированным стандартом 

распределением 
гранулометрического 
состава. 
Проектирование

исходный продукт

12

типовых рядов ЭМИ на заданные объемы производства связано со 
значительными трудностями. Сложная функциональная зависимость 

между режимно конструктивными и технологическими параметрами, 

обусловленная хаотичностью физико-механических процессов в 

объемах обработки продукта, не поддается аналитическому описанию. 

Проектирование 
базируется 
на 
эмпирических 
решениях, 

устанавливаемых 
методами 
экспериментальностатистического 

анализа [2].
Отдельные 
из 
этих 
недостатков 
присущи 
большинству 

предложенных 
в 
настоящее 
время 
конструкций 
мельниц 
с 

переменным магнитным полем, в том числе имеханоактиваторам, 

реализующим способы диспергирования материалов в вихревом слое 

размольных элементов [1, 2].

Классическая 
конструктивная 
схема 
ВЭА 
(рис. 
1.2) 
[2] 

используется в промышленности для тонкого измельчения сухих 

пигментов, биоматериалов, силицида молибдена, барида циркония, 

карбита титана, кварцевого песка, а также волокнистых материалов 
типа целлюлозы. Он основан на принципе обработки материалов в 

магнитоожиженном 
слое 
ферромагнитных частиц, 
где 
псевдо- 

ожиженное состояние достигается с помощью энергии бегущего 

магнитного поля.
ВЭА 
отличаются 
видами 
источника 
магнитного 
поля 
и 

магнитного потока, а также формой мелющих тел. Для генерации 
магнитного поля может быть использован кольцевой индуктор, 

состоящий из шести радиально размещенных соленоидов, питаемых 

током промышленной частоты 50 Гц.

Рабочая камера выполнена из магнитоактивного материала и 

размещена в цилиндрческой рассточке между зубцами сердечника, 
заполнена смесью цилиндрических ферромагнитных размольных 

элементов и обрабатываемым продуктом.

Под действием сил магнитного поля рабочие тела приходят в 

интенсивное движение, которое из-за многочисленных взаимных 
столкновений 
имеет 
хаотический 
характер. 
Образуется 

магнитоожиженный (вихревой) слой ферромагнитных элементов.

13