Энергоэффективные электротехнологии агроинженерного сервиса и природопользования

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ 

ФГБОУ ВО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ 

 

 

 

 

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ 

АГРОИНЖЕНЕРНОГО СЕРВИСА И 

ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ  

 
 
 
 
 

ПРАКТИКУМ 

для обучающихся по направлению 35.04.06 Агроинженерия, профиль 

«Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем»  

 
 
 
 
 
 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 

2018 

УДК 621.311(07) 
ББК 40.76 

С о с т а в и т е л и :  
М.М. Беззубцева, В.С. Волков.  Энергоэффективные электротехнологии агроинженерного 
сервиса и природопользован: практикум для обучающихся по направлению 35.04.06 
«Агроинженерия», профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем». – 
СПб: СПбГАУ, 2018. – 222 с. 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы :  
доктор техн. наук, профессор ИТМО  А.Г. Новоселов; 
доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник (ИАЭП) С.А. Ракутьк 
 
 

Практикум предназначен для обучающихся по направлению 35.04.06 

«Агроинженерия», профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг 
энергосистем» 
при 
изучении 
дисциплины 
«Энергоэффективные 

электротехнологии 
агроинженерного 
сервиса 
и 
природопользования». 

Содержание пособия соответствует действующей программе дисциплины и 
включает основные разделы изучения  электротехнологических процессов, 
применяемых на предприятиях АПК.  

В 
практикуме 
представлены 
методики 
проведения 
научно-

исследовательской 
работы, 
методики 
и 
задания 
для 
самостоятельных 

исследований, методики расчета и проектирования экосостем агроинженерного 
сервиса и природопользования. Представлены проблемные вопросы для 
самостоятельной научно-исследовательской и практической деятельности 
обучающихся. 
Практикум может быть использован магистрами, аспирантами, научными 
сотрудниками и инженерами, работающими в различных областях АПК и 
занимающимися проблемами энергосбережения в экосистемах агроинженерного 
сервиса и природопользования. 

 

 

        

 

 
                                                                                                                             УДК 621.311(07) 
                                                                                                                             ББК 40.76 
 
 
                                                                                                                      ©    М.М. Беззубцева,  
                                                                                                                      ©    В.С Волков,                         

                                                                                              ©    СПбГАУ, 2018 
                                           
                                           
                                          

 
 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение ..................................................................................................................... 5 
Глава 1. Методические рекомендации к проведению научно-
исследовательской экспеиментальной работы магистрантов .............................. 9 

1.1.Исследование электрокоронного сепаратора барабанного типа ................ 9 
1.2.Исследование коронного транспортерного электросепаратора семян .... 16 
1.3 Исследование электростатического аэрозольного дискового генератора
 ................................................................................................................................ 23 
Общие сведения ................................................................................................... 24 
Методика выполнения работы ............................................................................ 27 
1.4 Изучение и исследование ультразвуковых приборов и установок ........... 31 

Глава 2 Методики расчета и проектирования экосовместимых 
электротехнологий и электротехнологических установках очистки и 
обеззараживания воздушных сред и водных ресурсов сельскохозяйственных 
предприятий ............................................................................................................. 48 

2.1. Методика расчета и проектирования электрофлотационных установок 48 
2.2. Расчет электрофлотационной установки .................................................... 53 
2.2.1. Расчет баланса загрязнений ...................................................................... 53 
2.2.2. Расчет жироловки ...................................................................................... 57 
2.2.3.Расчет электрофлотатора ........................................................................... 60 
2.2.4.Расчет сооружений для обработки осадка и пены................................... 67 
2.3. Расчет и проектирование электрофильтров производственных 
помещений АПК................................................................................................... 68 
2.4. Обзор методов расчета электрофильтров ................................................... 74 
2.5. Расчет степени очистки газов ...................................................................... 80 
2.6. Экосистемы утилизации биомассы в сельском хозяйстве ....................... 90 
2.7. Методы получения биогаза .......................................................................... 93 
Глава 3.  Примеры и задачи для самостоятельной работы ............................ 108 
3.1. Осаждение аэрозольных частиц ................................................................ 108 
3.2. Процессы на осадительном электроде ...................................................... 124 
3.3. Коллективные процессы в аэрозольных системах .................................. 140 
3.4. Очистка газов электрофильтрами ............................................................. 147 
3.5. Электросепарация ....................................................................................... 159 
3.6. Нанесение порошковых покрытий ............................................................ 175 
Электроэрозионные установки ......................................................................... 183 

Глава 4 Энергосбережение ................................................................................... 203 
Заключение ............................................................................................................. 214 
Список использованных источников .................................................................. 215 
 
 

 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Проблемы, которыми занимаются исследователи, все чаще не 

укладываются в рамки отдельной определенной сложившейся науки. 
Это утверждение применимо к проблемам экосистем аграрного 
сектора экономики, отличительной чертой которого является 
междисциплинарность и метапредметность.  

Обеспечение 
устойчивого 
развития 
сельских 
территорий 

предусматривает 
подготовку 
нового 
поколения 

высококвалифицированных кадров, воспитанных на мировоззрении 
внедрения 
в 
практику 
сельскохозяйственных 
производств 

системных знаний естественных, общественных и технических наук. 
Теоретическим фундаментом рационалного природопользования и 
охраны природы в рамках направления 35.04.06 — Агринженерия и 
профиля 
«Энергетический 
менеджмент 
и 
инжиниринг 

энергосистем» является разработка экосовместимых энерго- и 
ресурсосберегающих электротехнологий и элетротехнологических 
установок, основанных на последних достижениях науки и техники. 
Целью практикума «Электротехно- логии агроинженерного сервиса 
и природопользования» является обеспечение магистров новейшими 
знаниями, формирующими у будущих ученых систему компетенций 
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 практикум 

включены методики расчета, проектирования и исследования 
электрофизических, электрохимических и ультразвуковых способов 
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. 
Дисциплина 

«Электротехнлогии 
агроинженерного 
сервиса 
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 магистрами при их изучении. 
Дисциплина 
основана 
на 
фундаментальных 
знаниях 

электротехнолгий, изложенных в предыдущих разделах. Этим 
обусловлена структура изложения материала. 
Классификация 

электротехнологий построена не на традиционном признаке, а на 
признаке их целевого практического назначения в экосистемах 
сельскохозяйственых производств. Такая структура изложения 
материала позволяет концентрировать внимание магистров на 
проблемных и перспективных вопросах, пследовательно осваивать 
учебный 
материал 
и 
выбирать 
приоритетные 
отраслевые 

направления 
исследований 
в 
области 
экосовместимости 

электротехнологий для самостоятельной работы.  

В современных условиях возникает потребность подготовки 

агроинженерных 
кадров 
электротехнических 
специальностей, 

способных в своей профессиональной деятельности обеспечить 
промышленное производство экологичными импортозамещающими 
инновационными аппаратурно-технологическими процессами и 
установками, 
основанными 
на 
использовании 
методов 

электротехнологий.  Выполнение этой задачи возможно в случае 
вооружения молодых специалистов новейшими знаниями в области 
инновационных 
электрофизических, 
электрохимических, 

электробиологических 
и 
электротермических 
методов 

интенсификации процессов сельскохозяйственного производства.   

 
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. 
 
Практикум состоит из введения, 4 глав, заключения и 

библиографического списка, включающего 160 наименований 
литературы. 
Главы 
учебного 
пособия: 
энерго- 
и 

ресурсосберегающие электро- технологии агроинженерного сервиса; 
электро- технологии экосистем очистки технологических сред в 
агроинженерном сервисе; экосовмести- мые электротехнологии и 
электротехнологи- ческие установки очистки и обеззараживания 
водных 
ресурсов; 
экосовместимые 
электротех- 
нологии 
и 

электротехнологические установки очистки и обеззараживания 
воздушной среды; электротехнологии утилизации отходов; экосов- 
местимые электротехнологии и электротехнологические установки 
антисептирования 
и 
обеззараживания 
сельскохозяйственной 

продукции и технологических сред. Актуальность и степень 
освещения 
практических 
вопросов 
достаточна 
для 
их 

содержательного применения не только на уровне учебных 
процедур, но и в поисковом, научном смысле. С методической точки 
зрения практикум отличается логичностью, взаимосвязанностью 
глав, четкостью и доступностью изложения, наличием примеров, 
визуального материала, что способствует лучшему усвоению 
материала. В настоящее время отсутствует практикум по данной 
тематике. Содержательная часть соответствует Государственному 
образовательному стандарту по направлению Агроинженерия и 
профилю 
«Энергетический 
менеджмент 
и 
нижиниринг 

энергосистем».  

В результате исследований и самостоятельного выполнения 

практических расчетных заданий при изучении дисциплины 
«Инжиниринг 
электротехнологий 
переработки 
и 
хранения 

сельскохозяйственной 
продукции», 
обучающийся 
должен 

приобрести следующие компетенции: 
ОПК-5 владение логическими методами и приемами научного 
исследования; 
ОПК-7 способность анализировать современные проблемы науки и 
производства в агроинжерии и вести поиск их решения; 
ПК-5 способность и готовность организовывать самостоятельную и 
коллективную научно-исследовательскую работу, вести поиск 
инновационных решений в инженерно-технической сфере; 
ПК-7 
способность 
проведения 
инженерных 
расчетов 
для 

проектирования систем и объектов; 
ПК-9 способность проектировать содержание и технологию 
преподавания, управлять учебным процессом 
 

Практикум предназначен для обучающихся по направлению 

35.04.06 — Агроинженерия, профиль «Энергетический менеджмент 
и 
инжиниринг 
энергосистем» 
при 
изучении 
дисциплины 

«Инжиниринг 
электротехнологий 
переработки 
и 
хранения 

сельскохозяйственной продукции». Практикум может быть также 
использован магистрами, аспирантами, научными сотрудниками и 
инженерами, 
работающими 
в 
различных 
областях 
АПК 
и 

занимающимися проблемами энергосбережения в энергетических 
линиях потребителей. 

 

 
 
 

 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

ГЛАВА 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ПРОВЕДЕНИЮ 

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ЭКСПЕИМЕНТАЛЬНОЙ РАБОТЫ 

МАГИСТРАНТОВ 

1.1.Исследование электрокоронного сепаратора барабанного 

типа 

Очистка и сортировка семян в электрических полях. 
Устройства, предназначенные для разделения сыпучих смесей 

в электрических полях, называются электрическими сепараторами. 
Их 
квалифицируют 
по 
виду 
электрического 
поля 
— 

электростатические, 
коронные, 
с 
переменным 
полем 
и 

комбинированные; по конструкции — камерные, барабанные, 
транспортные, решетные (типа «Горка и др.). 

Современные зерноочистительные и сортировальные машины 

разделяют семена по механическим признакам - размерам, форме, 
плотности, парусности и др., но не могут разделить семена близкие 
по внешним признакам. Электрозерновые машины производят 
разделения семян по электрическим свойствам — электрической 
проводимости, диэлектрической проницаемости, заряду частиц и др. 

Совокупность свойств, по которым разделяются семена, 

называют признаком делимости. 

Коронный барабанный сепаратор 
Рассмотрим 
зерноочистительную 
машину 
на 
примере 

коронного барабанного сепаратора. 

Семена из загрузочного бункера 3 (см. рис. 1) поступают на 

поверхность вращающегося барабана 6 и оказываются в поле 
коронного разряда, где происходит их комбинированная зарядка 
(ионная зарядка + заряд от барабана). Так как проводимость семян 
невелика, то семена получают заряд такого же знака, что и 
потенциал коронирующего электрода. 

На частицу, находящуюся на барабане в поле коронного 

разряда, действуют 4 силы (см. рис. 1.1): сила ноля F1 сила 
зеркального отображения (сила взаимодействия заряженной частицы 
с электродом) F2, сила тяжести F3 и центробежная сила F4.

Рис. 1.1. 

1 - приемный бункер; 2 - щетка; 3 - загрузочный бункер; 4 - семя; 5 - коронирующие электроды; 

6 – барабан 

Значение силы, удерживающей частицу на барабане, зависит от 

соотношения между скоростью зарядки и скоростью разрядки, 
определяющей остаточный заряд частицы. Если тот заряд очень мал, то 
частица, находясь еще в зоне АВ коронного разряда, под влиянием 
центробежной силы, оторвется от барабана и попадет в класс 1 – 2. 
Выходя из зоны АВ коронного разряда, частица продолжает 
разряжаться без притока новых объемных зарядов. При этом заряд ее, 
а, следовательно, и электрические силы уменьшаются. 

 
Если заряд частицы достаточен для удержания ее на поверхности 

барабана в зоне АВ, то могут быть два случая отрыва ее от поверхности 
барабана: 

1. Если электрическая сила будет меньше механических сил 

(центробежной F4 и составляющей силы тяжести F3), то частица 
оторвется от барабана и попадает в 3 – 6 классы; 

2. Если электрические силы, удерживающие частицу, во 

всех точках барабана окажутся больше механических, то частица 
будет участвовать во вращательном движении барабана и 

 

сметаться щеткой в класс 
7 – 8. 

Таким 
образом, 
процесс 
разделения 
частиц 
регулируется 

соотношением действующих на них механических и электрических 
сил. 

Заряд зерна, имеющего форму эллипсоида, расположенного 

длинной осью поперек поля, определяется выражением: 

                   
                                             (1.1) 

 где: 

Е — напряженность поля, В/м; 
а — длина зерна, м; 
b — ширина зерна, м; 
Кф — безразмерный коэффициент формы, зависящий от 

диэлектрической проницаемости зерна г и его коэффициента 
сферичности К=а/b (см. рис. 1.2) 

µ — показатель разрядки, зависящий от сопротивления частицы 

Rч, емкости частицы Сч, концентрации ионов и их подвижности. Он 
показывает какая часть заряда удерживает при нахождении ее на 
осадительном электроде. 

ч
ч
к
R
С
lg
325
,0
358
,0







 

где:  
Rч — сопротивление частицы определяется по графику, 

изображенном на рисунке 1.3; 

Сч — 14·а2 - емкость частицы, пФ; 
(βк — параметр короны, характеризующий скорость зарядки, 

определяется произведением подвижности ионов на их концентрацию 
(см. рис. 1.4). 

Кулоновская сила поля, прижимающая частицу к электроду: 
 

,                                   (1.3) 

Сила зеркального отображения 

 

 

,                                     (1.4) 

где: 
х = b/а - расстояние между центром заряда частицы и 

осадительным электродом. 

Действие силы тяжести зависит от того, на какое угловое 

расстояние от верхней точки барабана сместилась частица: 

F3=m·g·cosα ,                                                       (1.5) 

Где m — масса частицы, кг. 
Нормальная составляющая силы тяжести в пределах верхнего 

полуцилиндра является прижимающей, в пределах нижнего — 
отрывающей. Центробежная сила: 

,                                             (1.6) 

где Dч — диаметр барабана, м; 
Vч - скорость зерна при отрыве барабана, м/с. 
Скорость отрыва зерна от барабана колеблется от Vч = Vб до 

Vч=Kс-Vб: Где: Кс=1,4 - коэффициент, учитывающий увеличение 
скорости зерна при соскальзывании его с барабана 

Линейная скорость вращения барабана, м/с: 

 

 

где nб — частота вращения барабана, об/мин. 
Условия равновесия зерна в зоне поля коронного разряда на 

барабане не сложно представить выражением: 

F1+F2+m·g·cosα=F4. 

Этим условием обеспечивается удержание частицы на всем пути 

ее движения в диапазоне угла поворота барабана от 0 до 90° в 
межэлектродном промежутке. Нарушение этого условия приводит к 
отрыву зерна от осадительного электрода под тем или иным углом,