Инновационные электротехнологии в АПК. Электротермия

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

<
т

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

ИННОВАЦИОННЫЕ 
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ В АПК. 
ЭЛЕКТРОТЕРМИЯ

Учебное пособие для обучающихся по направлению 
подготовки 35.03.06 Агроинженерия

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ -  2018

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, B.C. ВОЛКОВ

ИННОВАЦИОННЫЕ 
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ В АПК. 
ЭЛЕКТРОТЕРМИЯ

Учебное пособие для обучающихся по направлению 
подготовки 35.03.06 Агроинженерия

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ -  2018

УДК 621.926:631.13

Беззубцева М.М., Волков B.C. Инновационные электротехнологии в 
АПК. Электротермия. Учебное пособие для обучающихся по направлению 
подготовки 35.03.06 Агроинженерия.- СПб.: СПбГАУ, 2018. -  162 с.

Рецензенты:
доктор техн. наук, профессор Ракутько С. А (ИАЭП); 
доктор техн. наук, профессор Новоселов А.Г. (НИУ ИТМО).

В учебное пособие включены электротермические процессы, 
используемые в аппаратурно-технологических системах предприятий 
агропромышленного комплекса. Целью учебного пособия являлось не 
полное 
теоретическое 
рассмотрение 
всех 
аспектов 
проблемы 
интенсификации 
традиционных 
технологических 
процессов 
электротермическими методами, а скорее, обобщение результатов 
прикладного характера, достигнутых в этой области исследований. 
Структура построения глав пособия предопределяет не только 
усвоение известных методов электротермии, но 
и представляет 
широкий спектр проблемных вопросов для самостоятельной научно- 
исследовательской и практической деятельности обучающихся.
Учебное 
пособие 
рекомендовано 
для 
студентов 
(уровень 
бакалавр), обучающихся по направлению подготовки 35.03.06 
Агроинженерия, 
профилю 
«Электрооборудование 
и 
электротехнологии в АПК». Может быть использовано в заочном и 
дистанционном обучении. Представляет интерес для специалистов и 
научных 
работников, 
занимающихся 
проблемами 
повышения 
энергоэффективности предприятий АПК.

Рекомендовано к изданию и публикации на электронном носителе для 
последующего 
размещения 
в 
электронной 
сети 
СПбГАУ, 
согласно 
соответствующему 
договору 
Учебно-методическим 
советом 
СПбГАУ, 
протокол №3 от 18 апреля 2018 г.

© Беззубцева М.М., 
Волков B.C., 2018 
© ФГБОУ ВО СПбГАУ

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие..................................................................................................................................................6
РАЗДЕЛ 1. Общие вопросы электротермии. применение сельскохозяйственном 
производстве.................................................................................................................................................9
1.1. Электротермия и сельскохозяйственное производство..........................................................9
1.2. Термины и определения электротермии...................................................................................16
1.3. Закономерности преобразования электрической энергии в тепловую............................. 18
1.4. Классификация электротермических установок.....................................................................20
1.5. Задачи и содержание проектирования электротермических установок........................... 21
РАЗДЕЛ 2. Тепловой расчёт электротермических установок................................................. 24
2.1. Основы динамики электронагрева.............................................................................................24
2.2. Уравнение теплового баланса......................................................................................................28
2.3. Определения мощности и основных конструктивных размеров электротермической 
установки..................................................................................................................................................29
2.4. Определение теплового КПД и удельного расхода электрической энергии.................. 34
2.5. Выбор тепловой изоляции............................................................................................................ 35
2.6. Схемы включения нагревательных элементов и способы регулирования мощности 
электротермических установок..........................................................................................................37
РАЗДЕЛ 3. Электрический нагрев методом сопротивления....................................................41
3.1. Способы электрического нагрева сопротивлением............................................................... 41
3.2. Электрическое сопротивление проводников........................................................................... 42
3.3. Электроконтактный нагрев..........................................................................................................44
3.4. Расчёт и выбор нагревательных трансформаторов................................................................ 45
3.5. Электроконтактная сварка............................................................................................................ 47
3.6. Электродный нагрев. Материалы электродов......................................................................... 50
3.7. Допустимая плотность тока на электродах и напряжённость электрического поля..... 52
3.8. Расчёт электродных нагревательных устройств.....................................................................54
3.9. Косвенный электронагрев сопротивлением. Требования к материалам нагревательных 
элементов и их конструкции................................................................................................................57
3.10. Трубчатые электрические нагреватели...................................................................................59
3.11. Электрический и конструктивный расчёты нагревательных элементов.......................61
3.12. Особенности расчёта стальных нагревателей.......................................................................65
3.14. Расчет нагревательных проводов и кабелей.......................................................................... 70
РАЗДЕЛ 4. Электродуговой нагрев....................................................................................................73
4.1. Свойства и характеристики электрической дуги....................................................................73
4.2. Зажигание, устойчивость горения и регулирование тока дуги...........................................78
4.3. Режимы сварки и работы источников питания сварочной дуги........................................ 82
4.4. Источники питания сварочной дуги...........................................................................................86
РАЗДЕЛ 5. Индукционный и диэлектрический нагрев............................................................. 96
5.1. Особенности индукционного нагрева и его основные физические закономерности... .96
5.2. Индукторы. Конструктивное исполнение и область применения...................................101
5.3. Коэффициент полезного действия и коэффициент мощности при индукционном 
нагреве.....................................................................................................................................................103
5.4. Режимы индукционного нагрева..............................................................................................108
5.5. Расчёт индукционных нагревателей на промышленной частоте.....................................111
5.6. Основы диэлектрического нагрева и его особенности........................................................113
5.7.Выбор частоты и напряженности электрического поля при диэлектрическом нагреве115
5.8..Расчёт конденсатора для диэлектрического нагрева...........................................................119
5.9. Источники питания установок индукционного и диэлектрического нагрева..............123
5.10. Современные источники питания индукционных установок........................................ 132
РАЗДЕЛ 6. Термоэлектрический нагрев и охлаждение........................................................... 138

6.1. Термоэлектрические явления.................................................................................................... 138
6.2. Термоэлектрические тепловые насосы....................................................................................140
Литература..........................................................................................................................................146
Приложение А .....................................................................................................................................148
Приложение Б (обязательное)....................................................................................................... 153

ПРЕДИСЛОВИЕ

Концепция обучения предусматривает системное формирование 
компетентных знаний, направленных на решение основной задачи 
современной промышленности — создание конкурентоспособной и 
востребованной 
отечественной 
продукции 
нового 
поколения 
в 

кратчайшие сроки. При этом особое значение уделено кардинальной 
переоценке роли знаний и воспитанию команды специалистов для 
предприятий 
АПК, 
соответствующих 
мировым 
стандартам 
по 
профессиональным реакциям на выполнения НИОКР с оказанием 
высокотехнологичных 
услуг. 
Условия 
развития 
инновационной 
экономики знаний требует также интенсивного усвоения бакалаврами 
дисциплин, которые носят в программе обучения приоритетный характер 
и предопределяют интеграцию отдельных дисциплин с обеспечением 
более высокого уровня функциональности обучения.
Электротермия (от греч. therme — жар, тепло) относится к области 
электротехнологий, изучающей закономерности нагрева материалов 
тепловой энергией, образующейся при протекании электрического тока 
по проводникам. Тепловой обработке отводится ведущая роль во многих 
аппаратурно-технологических системах при производстве продукции из 
сырья растительного и животного сырья. При этом требования к 
обеспечению 
высокой 
конкурентоспособности 
предприятий 
АПК 
предусматривают использование электротермического оборудования 
нового 
типа, 
обеспечивающего 
улучшение 
качества 
продукции, 

повышение эффективности производства и снижение его энергоемкости.
Применение 
электрической 
энергии 
для 
теплогенерации 
обеспечивает:
- 
возможность концентрации большой энергии в малых объемах;
- 
большие скорости нагрева;
создание компактных электротермических установок;
возможность регулирования распределения поля температуры в рабочем
пространстве тепловых аппаратов;

6

-  равномерный нагрев в больших объёмах перерабатываемого 
сырья различного целевого назначения;
-  избирательность электронагрева материалов различной 
природы;
-  высокую степень автоматизации технологических процессов;
-  возможность 
создания 
в 
рабочем 
пространстве 
электротермических 
установок 
вакуума, 
позволяющего 
использовать 
давление 
как 
фактор 
регулирования 
технологического 
процесса 
и 
применять 
контролируемые 
(инертные или защитные) атмосферы для защиты нагреваемых 
материалов и изделий от вредных воздействий воздуха;
-  отсутствие дымовых газов;
-  увеличение коэффициента использования тепла;
-  транспортабельность и простоту подачи электрической энергии 
(по линиям электропередачи).
Между 
тем, 
процессы 
электротермической 
обработки 
материалов в производствах АПК протекают с применением 
теплового 
оборудования, 
часто 
импортного 
производства. 
Энергоемкости 
процесса 
отводится 
второстепенная 
роль, 
что 
экономически 
нецелесообразно. 
Проблема 
создания 
электротермического оборудования, обеспечивающего повышение 
интенсивности процесса и получение продукта с рациональными 
показателями 
качества 
при 
одновременном 
сокращении 
энергетических затрат, является открытой.
Приобретаемые обучающимися компетенции:
ОПК-2 - способность к использованию основных законов 
естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности; 
ОПК-4 - способность решать инженерные задачи с использованием 
основных 
законов 
механики, 
электротехники, 
гидравлики, 
термодинамики и тепломассообмена;
ПК-7 - готовность к участию в проектировании новой техники и 
технологии.

7

Учебное 
пособие 
составлено 
в 
соответствии 
с 
рабочей 
программой дисциплины «Инновационные электротехнологии в 
АПК» 
и 
предназначено 
для 
бакалавров, 
обучающихся 
по 
направлению 
35.03.06 
Агроинженерия 
и 
профилю 
«Электрооборудование и электротехнологии в АПК». Представляет 
интерес 
для 
инженеров 
и 
специалистов 
теплоэнергетиков 
и 
электроэнергетиков 
агропромышленного 
комплекса. 
Учебное 
пособие может быть рекомендовано для заочного и дистанционного 
обучения.

8

РАЗДЕЛ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОТЕРМИИ.
ПРИМЕНЕНИЕ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ 
ПРОИЗВОДСТВЕ

1.1. Электротермия и сельскохозяйственное производство

Электротермия (от электро... и греч. therme - жар, тепло) -  это:
-  прикладная наука о процессах преобразования электрической 
энергии в тепловую энергию;
-  раздел 
электротехники, 
рассматривающий 
вопросы 
проектирования, 
изготовления 
и 
эксплуатации 
электротермических установок;
-  отрасль 
энергетики, 
охватывающая 
вопросы 
потребления 
электрической энергии для нагрева, фазового преобразования 
материала или 
сырья, 
обогрева в 
промышленности, 
на 
транспорте, в сельском хозяйстве, медицине и быту;
-  совокупность 
электротехнологических 
процессов 
с 
использованием теплового действия электрической энергии в 
различных отраслях народного хозяйства.
В электротермии в зависимости от способа преобразования 
электрической энергии в тепловую различают следующие виды 
нагрева: нагрев сопротивлением, дуговой нагрев, индукционный 
нагрев, 
диэлектрический 
нагрев, 
электронный 
нагрев, 
нагрев 
излучением оптического квантового генератора (лазера), плазменный 
нагрев.
Понятие 
«электротермические 
установки» 
(или 
«электротермическое оборудование») включает в себя следующее 
электротехнологическое 
оборудование: 
электрические 
печи, 
плазменные 
реакторы, 
электрические 
нагревательные 
приборы 
промышленного, коммунального и бытового назначения и т.п. 
Применение электрической энергии для генерирования теплоты 
обеспечивает: 1) возможность концентрации большой энергии в 
малых объемах, следствием чего могут быть высокие температуры,

9

не достижимые при других способах теплогенерации; 2) большие 
скорости нагрева и компактность конструкции электротермических 
установок; возможность регулирования значения температуры и 
областей 
её 
распределения 
в 
рабочем 
пространстве 
электротермической 
установки, 
что 
позволяет 
осуществлять 
равномерный нагрев в больших объёмах материалов и изделий (при 
прямом 
электронагреве) 
или 
избирательный 
нагрев 
(при 
поверхностной закалке, при зонной плавке), создавая при этом 
благоприятные 
условия 
для 
автоматизации 
теплового 
и 
технологического процессов; 3) возможность создания в рабочем 
пространстве электротермических установок вакуума, что позволяет 
использовать 
давление 
как фактор регулирования 
параметров 
технологического 
процесса 
(вакуумные 
или 
компрессионные 
электрические печи), применять контролируемые (инертные или 
защитные) атмосферы для защиты нагреваемых материалов и 
изделий от вредных воздействий воздуха (в частности, уменьшение 
угара); 4) отсутствие дымовых газов (продуктов сгорания топлива), 
что позволяет увеличить коэффициент использования тепла -  КПД 
электротермических установок, обуславливая чистоту их рабочих 
поверхностей; 
5) 
транспортабельность 
и 
простоту 
подачи 
электрической энергии (по линиям электропередачи).
Более широкое развитие электротермии сдерживается из-за 
существующих недостатков, присущих такому способу генерации 
теплоты: 
1) 
более 
высокая 
стоимость 
эксплуатации 
электротермических установок по сравнению с другими типами 
нагревателей 
и 
печей; 
2) 
высокая 
стоимость 
изготовления, 
комплектации и эксплуатации электротермического оборудования, а 
следовательно, 
большие 
капитальные затраты, 
более 
высокие 
требования к технической культуре производства, большой расход 
дорогих 
и 
дефицитных 
материалов 
на 
изготовление 
электротермического 
оборудования; 
3) 
меньшая 
надёжность, 
долговечность и ремонтопригодность электротермических установок;
4) зависимость работы электротермической установки от режима 
работы энергосистемы.

10

Электротермические установки применяют в тех случаях, если:
-  технологический 
процесс 
нельзя 
осуществить 
без 
электротермии (в этом случае целесообразность определяется 
технологическими требованиями и качеством получаемой 
продукции, как в промышленности, так и в сельском 
хозяйстве);
-  можно 
получить 
продукцию 
более 
высокого 
качества 
(экономический эффект зависит от того, насколько выгодно 
от 
улучшения 
свойств 
продукции 
компенсируется 
увеличение её стоимости);
-  улучшаются 
условия 
труда, 
повышается 
безопасность 
обслуживающего персонала;
-  достигается 
снижение 
себестоимости 
(благодаря 
более 
высокой 
производительности 
труда) 
или 
уменьшение 
капитальных затрат, включая затраты в смежных отраслях 
производства.
На 
долю 
электротермии 
приходится 
до 
15% 
от 
всей 
потребляемой промышленностью электрической энергии. На базе 
электрического 
нагрева 
созданы 
и 
развиваются 
производства 
специальных сталей, ферросплавов, цветных и лёгких металлов и 
сплавов, твёрдых сплавов, редких металлов, карбида кальция, 
фосфора и других продуктов; осуществляется обработка металлов 
давлением и их термическая обработка; реализуются вопросы 
электрификации быта.
Агропромышленный сектор является крупным потребителем 
тепловой энергии, основная часть которой тратится на различные 
технологические нужды. Низкотемпературный нагрев в сельском 
хозяйстве является наиболее перспективной отраслью электротермии. 
Однако проблема использования электроэнергии для теплофикации 
технологических процессов в сельскохозяйственном производстве и 
быту остается одной из наиболее актуальных производственных 
задач.
Сельскохозяйственным 
предприятиям 
как 
объектам
теплоснабжения присущи характерные особенности, к которым в
11

первую очередь следует отнести такие, как:
-  низкая 
плотность 
тепловых 
нагрузок 
и 
большая 
рассредоточенность потребителей, что обуславливает широкое 
распространение децентрализованных систем теплоснабжения от 
топливных котельных, обладающих целым рядом известных 
недостатков (большие транспортные расходы на доставку топлива, 
потери топлива при транспортировке и хранении, значительные 
затраты ручного труда на обслуживание большого количества 
маломощных топливных установок по 
причине 
сложности 
автоматизации, “перетопы” в связи с недостаточной гибкостью 
топливных установок и неполным сгоранием топлива из-за 
плохого состояния оборудования и нередким применением 
низкокалорийного топлива (бурый уголь, дрова и т.п.), что 
снижает КПД топливных установок до 0,08 - 0,15 вместо 0,35 - 0,5, 
определенных техническими характеристиками);
-  большая неравномерность 
нагрузки и 
малый коэффициент 
использования максимума, что сопровождается перерасходом 
топлива в периоды провалов нагрузки;
-  для нормальной жизнедеятельности животных, птиц и растений 
необходимы 
оптимальные 
параметры 
микроклимата, 
не 
допускающие резких колебаний.
В сельскохозяйственном производстве большинства развитых 
стран электроэнергия широко используется в качестве источника 
тепла. Так, например, к началу 70-х годов на тепловые нужды 
производства и быта приходилось в Австрии - 40%, в Германии - 
55%, в США - более 50% от общего потребления электроэнергии 
сельским 
хозяйством. 
Причем 
удельный 
вес 
электроэнергии, 
используемой 
на 
электротеплоснабжение, 
продолжает 
расти 
быстрыми темпами и составляет в настоящее время существенную 
часть энергетического баланса, и даже оказывает существенное 
влияние на экономику этих стран.
Именно 
тенденция 
возрастания 
энергоемкости
сельскохозяйственной электротермии является отражением более
общих процессов, происходящих в мировом сельском хозяйстве.

12