МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ

ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ВОЛОДИМИР ПАРАНЮК

ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЇ

В

АГРОПРОМИСЛВОМУ ВИРОБНИЦТВІ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНИХ

СПЕЦІАЛЬНОСТЕЙ

ЛЬВІВ 2015

Паранюк В.О. Електротехнології в агропромисловому виробництві: Конспект лекцій студентів електротехнічних спеціальностей // Львівський національний аграрний університет. – Львів 2013. – 34с.

Висвітлено основні питання розвитку електротехнологій в агропромисловому виробництві в умовах його реформування. Викладено елементи теорії застосування електротехнологічних процесів в галузях агропромислового виробництва. Значну увагу приділено вдосконаленню технологій сільськогосподарського виробництва на основі використання слабих електромагнітних дій на живі тваринні та рослинні організми. Представлено матеріали лекцій, прочитаних автором студентам спеціальності „Енергетика АПК“ Львівського національного аграрного університету із врахуванням умов розвитку агропромислового виробництва регіону та перспектив застосування електротехнологічних процесів в таких його галузях, як сільське господарство, переробна промисловість тощо. Враховуючи загальнодержавну значимість застосування електротехнологій для підвищення продуктивності агропромислового виробництва, особливо тих його галузей, які пов’язані із виробництвом продовольчого продукту, вивчення студентами даного курсу заслуговує на особливу увагу. Тому паралельно із підготовкою даного конспекту лекцій кафедрою електротехнічних систем Львівського національного аграрного університету (завідувач проф. Сиротюк В.М ) ведеться робота щодо підготовки посібника (підручника) із залученням до його видання провідних вчених та фахівців в області розвитку електротехнологій АПК.

ЗМІСТ

Вступ	4
.Розділ 1 Загальні відомості про електротехнології	6
1.1. Технології та електротехнології	6
1.2. Електротехнології як електромагнітні дії на матеріальні середовища	10
1.3. Енергетичні процеси в електротехнологіях	10
1.4. Висновки по розділу 1	14
Розділ 2. Електромагнітне поле	15
2.1 Загальні відомості	15
2.2. Основні рівняння електромагнітного поля	15
2.3. Енергія електромагнітного поля	17
2.4. Електромагнітні хвилі	19
2.5. Енергія електромагнітних хвиль	19
2.6. Особливості застосування рівнянь Максвела в електротехнологіях	20
2.7.Висновки по розділу.	21
Розділ 3. Електронагрів у сільському господарстві	22
3.1. Основні напрямки застосування електронагріву у с.г.	22
3.2. Тепловий розрахунок електронагрівних установок	22
3.3. Електричний розрахунок нагріву	29
3.3.1. Загальні визначення	29
3.3.2. Розрахунок за допомогою поверхневої теплопотужності	30
3.3.3. Розрахунок нагріву і врахувань випромінювання	30
3.3.4. Підсумки розрахунку нагрівачів	33
Бібліографічний список	34

ВСТУП

Електротехнології, які використовуються в галузях агропромислового виробництва (АПК), мають ту особливість, що серед об’єктів безпосередньої, або опосередкованої дії електромагнітного поля, на відміну від інших галузей матеріального виробництва, можуть бути також живі організми та біологічні системи, які мають свої внутрішні електромагнітні процеси (електромеханічні, біоелектричні, біохімічні тощо). Тому такі електротехнології виступають як окрема область науки та як самостійні складові технологій галузей АПК нарівні, скажімо із хімічними технологіями чи електроприводом, енергопостачанням тощо.

В історичному розвитку технологій матеріального виробництва, коли на зміну паровій машині прийшла машина електрична, електропривод став ведучим, головним компонентом більшої частини технологій. В другій половині дев’ятнадцятого і на початку двадцятого століття електропривод і теплотехніка забезпечували формування більшості тодішніх технологій. Але не всіх. Ряд галузей не могли обходитися, наприклад, без технологій хімічних, а вирішення таких питань, як отримання із руди чистої міді не могло обійтися без електролізу (рафінування міді), який став одним із перших варіантів електротехнології, яка згодом знайшла широке застосування для отримання інших хімічних елементів в хімічно чистому виді. Тут можна було вважати що електрична енергія безпосередньо забезпечує здійснення технологічного процесу та отримання продукту технології. Для таких і подібних випадків було запроваджено загальний термін „електротехнологія“.

По мірі прогресу технологій матеріального виробництва електрична енергія почала використовуватися в технологічних процесах опосередковано, наприклад у водогрійних пристроях для нагрівання води, повітря, газу, які могли бути . компонентами хімічних реакцій, або інгібіруючими засобами чи просто носіями теплової енергії для здійснення технологічного процесу. Самій технології в таких випадках може бути „байдуже“ у який спосіб була отримана надана їй теплова енергія. На технологічний процес це безпосередньо могло не впливати. Термін „електротехнологія“ втратив наданий йому зміст, але продовжував і продовжує використовуватись.

Відсутність належного терміну (визначення), який би відображував практичне освоєння нового технологічного процесу у повній його суті, неоднозначність тлумачення використовуваних закономірностей, властивостей та явищ природи можуть вступати в протиріччя із законами науково-технічного прогресу. Так сталося із „електротехнологією“. Під цим терміном стали розуміти те саме, що і „технологія“, а насправді, в більшості випадків, він означає лиш компонент, складову технології. Отже „електротехнологія“ – це застосування електромагнітних дій на матеріальні середовища в технологічних процесах. Кожна технологія таким чином може мати (або не мати) свою „електротехнологію“. Звідси випливає і назва дисципліни: „Електротехнології в АПК“ тобто , електротехнології в окремо взятих технологічних процесах галузей АПК.

Такий підхід до визначення поняття „електротехнологія“ ставить питання про перегляд тих структур навчальної дисципліни, які використовувалися в навчальних посібниках [1-6]. Навчальний матеріал видається доцільним розділити на аналіз знань, на яких базуються електротехнології, а потім розглянути конкретні питання їх застосування в галузях АПК. Тобто в загальному розумінні електротехнологія – це складова частина якоїсь конкретної технології.

В згаданих вище та в інших посібниках багато уваги надається застосуванням електротехнологій в великих товарних господарствах, відгодівельних комплексах, потужних заготівельних та кормопереробних підприємств тощо. Таких господарських структур на даний час є мало і перспектива не за ними. В конспекті лекцій головна увага приділяється тим аграрним виробничим структурам, яких нині більшість в регіоні. Це, як правило, натуральні, дрібнотоварні господарства, напівкустарні сервісні підприємства. Для таких технологічних обставин майбутнім енергетикам доцільно бути готовими самостійно формувати електротехнологічні процеси із наявних технічних засобів, а не тих, випуск яких уже не здійснюється.

Завданням застосування електротехнологій в АПК є, в першу чергу, підвищення рівня технологій виробництва продовольчого та суміжного з ним продукту, який дає рослинництва і тваринництва. Головними напрямами вдосконалення технологій цих галузей АПК за рахунок електротехнологій є: підвищення якості вироблюваного продукту; ресурсоенергозбкреження, покращання умов праці людей. Глибокі знання фахівцями фізичних основ електромагнітних дій на матеріальні середовища, в тому числі на живі організми, та вміння осягнути принципи роботи різноманітних технічних засобів для їх здійснення можуть стати визначальними чинниками науково-технічного і технологічного прогресу основних галузей АПК: рослинництва, тваринництва, кормовиробництва, переробної промисловості та інших.

Ведучою, визначальною серед них є галузь рослинництва. При вивченні курсу „Електротехнології АПК“ особлива увага приділяється застосуванню електротехнологій в цій галузі, особливо при вирішенні тих питань, які пов’язані із збереженням та підвищення продуктивності ґрунтів як головного засобу всіх засобів вироблення продовольчого продукту, без нарощування виробництва якого людству не вижити [6].

Вивчення дисципліни студентами, їх участь в науково-дослідній роботі з питань електротехнологій покликано забезпечити їм здатність самоудосконалювати свій фах та мати попит на нього на ринку послуг.

Розділ і загальні відомості про електротехнології

1.1.Технології та електротехнології

Природокористування – це перетворення і видозмінення об’єктів природи до форми і видів, які необхідні для забезпечення потреб людини і суспільства.

Процес перетворення і видозмінення об’єктів природи в загальному носить назву „технологія”. Технологія – це дії на матеріальні середовища, які здійснюються на задоволення потреб людини і суспільства. Ці дії виконуються, як правило, за допомогою технічних засобів (засобів технологій) і полягають в тому, що людина за допомогою цих засобів концентрує та скеровує сили природи, які вона пізнала і які стали внаслідок цього їй доступні, на на складову частину середовища – матеріальний об’єкт (природний, антропогенний чи техногенний) з тим, щоби його змінити, видозмінити, чи перетворити в інший об’єкт та отримати потрібний для забезпечення своїх потреб новий об’єкт із наперед заданими його характеристиками. Однією із таких сил, яку людина використовує для дії на об’єкти природи є ті закономірності, властивості та явища природи, які прийнята називати електричними. На даному рівні пізнання їх, як правило, називають електромагнітними.

Технологія – це все разом узяте, за допомогою чого людина впливає, діє на матеріальне середовище (об’єкт природи) задля його видозмінення та перетворення. Згадані об’єкти в більшості галузей матеріального виробництва називають сировиною (технологічною сировиною). Цей термін не підходить до галузей, де видозмінюваними об’єктами є живі організми. Для таких випадків доцільно використовувати більш загальне поняття „об’єкт технології“. Отже технологія – це об’єкт технології, організовані людиною дії на нього та отриманий в результаті цих дій продукт технології.

Технологічний процес – це алгоритми згаданих дій (технологічні заходи і прийоми), засоби управління і програмного забезпечення процесами в тому числі перетворюванні об’єкти природи і людський інтелект, який організовує функціонування технології. Частина технологічного процесу, у якій застосовуються електромагнітні дії на об’єкт технології називається електротехнологією. Отже електротехнологія – це частина конкретної технології.

Головою передумовою функціонування будь-якої технології є її економічна доцільність. Вона має забезпечувати конкурентоспроможність на ринку товарів виготовлюваного нею продукту. А це можливо лишень за тих умов, коли технологія постійно вдосконалюється шляхом застосування в ній новітніх досягнень науки і техніки, які позволяють застосовувати нові знання про сили природи та можливості їх використання для цілеспрямованих дій на об’єкти технології. Застосування електротехнологій в більшості галузей АПК, особливо в рослинництві є невідворотним шляхом їх прогресу. Це випливає із наступних закономірностей

Сам процес вдосконалення технології полягає в тому, що механізм впливу, способи дії на видозмінювані об’єкти природи (об’єкти технології) наближуються до процесів природних. Якщо, наприклад, сонячна радіація є головним компонентом забезпечення життєдіяльності рослини, важливим складником середовища, із якого рослина бере необхідну їй енергію, то перехід від стимулювання насіння перед посівом, чи стимулювання рослин у процесі догляду за ними хімічним, чи біохімічними засобами до стимулюючого електромагнітного опромінення, яке має ту саму природу, що і сонячна радіація, є прогресивним явищем у загальній технології рослинництва. У такому випадку технологія стимулювання культурних рослин та їх насіння від технології хімічної чи біохімічної піднімається на свій вищий щабель і переходить у електротехнологію.

Висхідні об’єкти природи, які поступають в технологію і над якими послідовно здійснюються операції перетворення, тобто над якими відбувається технологічний процес, як було зазначено вище, називають об’єктом технології (в окремих випадках – сировиною). Коли такими об’єктами є, скажімо, живі організми, чи складні компоненти природи, у яких технологія скеровує, або видозмінює самий життєвий процес, то такі об’єкти уже не можуть називатися сировиною, а більш правильним буде називати їх об’єктами технології.

Проте загальним для всіх технологій є факт перетворення енергії. Об’єкт технології „сприймає” підведену до нього енергію та під її дією набуває того виду, структури, складу, змісту, форми і т.д., як це наперед передбачено людиною, тобто як це визначено технологією. Поняття: підведена до об’єкту технології енергія в найбільш загальному розумінні означає ті енергетичні перетворення, які здійснює людина, щоб видозмінити його за своїм бажанням .Для глибшого розуміння змісту поняття „технологія” розглянемо кілька загальних прикладів.

1. Об’єктом технології, є вода.

В залежності від цілей технології з водою можна здійснити такі технологічні її зміни: перетворити в льод; тримати пар; дисоціювати на водень і кисень; отримати „тяжку воду“; перевести в стан плазми.

Щоб перетворити води в льод треба вилучити частину внутрішньої енергії, що можна здійснити відомими термодинамічними способами.

Для отримання пару треба підвести теплову енергію, з тим щоб завдяки їй енергія броунівського руху окремих молекул здолала міжмолекулярні сили і молекули вільно почали витати у повітряному просторі. Джерелом такої енергії може бути термоядерна реакція, електронагрів прямий (електродний або високочастотним опроміненням), непрямий (опосередкований) електронагрівниками.

Дисоціювати воду, тобто розкласти на і кисень і водень, можна хімічним способом.

Отримати „тяжку воду“ означає отримати радіоактивний матеріал для ядерних реакцій (означається D₂О), у якого замість атомів водню є їх ізотоп із масовим числом 2. У складі цього ізотопу є один протон і один нейтрон. Для отримання такої води потрібна енергія радіоактивних реакцій, тобто вид енергії, носієм якої є рух елементарних заряджених частинок (електронів) зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Надати такої швидкості елементарній частинці – електронові можна тільки за допомогою електромагнітного поля. Процес прискорення елементарних частинок є процесом електротехнологічним. Отримання із води плазми теоретично можливе термодинамічним способом.

Таким чином є технологічні процеси, застосування електротехнологій у яких є на даному рівні пізнання неможливим (отримання плазми), можливим при економічній доцільності (отримання льоду і пару) та невідворотним (отримання „тяжкої води“).

2. Об’єктом технології є мідяна руда.

Варіант технології побудовано на електроліз водної емульсії руди – пульпи. Електричний струм, який пропускають через пульпу, забезпечує процес електролізу, внаслідок чого на одному із електродів осідає чиста мідь, що набагато ефективніше, аніж її виплавка. Електротехнологія разом із дробленням руди, розчинення у воді та зняття брусків міді із електроду складає технологію рафінування міді. Аналогічною є технологія отримання тонких металевих плівок, нанесення покрить на металеві поверхні та інші.

Явище електролізу застосовують в галузях АПК для нанесення тонкого покриття металу (наприклад золота) на поверхні тіл (гальванопластика), або для виготовлення складних форм – матриць (гальваностегія) тощо.

3. Об’єктом технології є культурна рослина

Технологія вирощування рослин і закон збереження біологічного виду є завжди у протиріччі. З одного боку технологія передбачає їх найбільшу продуктивність, а закон збереження виду – мінімальний рівень біолого-енергетичних процесів. Прояв цього закону йде через закономірність, яку біологи називають екологічною пластичністю. Рослина на будь якій стадії свого життя при найменшому прояві пониження ресурсоенергетичного рівня її забезпечення середовищем запам’ятовує цю обставину і з належним „коефіцієнтом надійності“ до неї пристосовується, тобто втрачає свою окультуреність і „дичіє“. Репродуктивно (в поколіннях) процес цей незворотний. Отже згідно технології вирощування мала би виживати тільки продуктивна рослина, а згідно закону збереження виду – навпаки виживати із всіх має найслабша особина, тобто та рослина, ресурсоенергетичний рівень якої є найнижчим.

Для запобігання втрат культурною рослиною своєї продуктивності її стимулюють на різних стадіях життя. Стимулюмулювання – це надання рослині чи насінню додаткової енергії для підвищення в ній рівня життєвих процесів. Способи стимулювання, тобто види дій на рослину чи насіння застосовувались і застосовуються різні. Основними із них на даний час є: хімічний, біохімічний, термодинамічний, електромагнітний. В кожному із них при певних параметрах стимулюючої дії вдається підведену енергію перевести в енергію біологічну. Тоді продуктивний рівень її життєдіяльності стає вищим. Технологічно ефективнішим є стимулювання не рослини, а насіння, якому легше надати енергію в тій формі, щоб вона впливала на життєві процеси в насінині на різних стадіях її життя та забезпечила підвищення продуктивності вирощуваної з неї рослини.

Стимулююча дія на рослину і насіння може мати три форми впливу на рівень життєвих процесів:

1. Підведена енергія перетворюється в біологічну у вигляді інтенсифікації окислювально-відновлюваних процесів в органелах клітини.

2. Надана живій клітині енергія активізує діяльність ендоплазматичного ретикулуму (мембранної системи) внаслідок чого зростає пропускна здатність мембран та підвищується енергетичний та ресурсний рівень її життєдіяльності.

3. Отримана клітиною енергія сприймається нею як природна дія і запам’ятовується, протидіючи екологічній пластичності.

Хімічний, біохімічний та термодинамічний способи на різних рівнях впливу можуть мати перші дві їх форми. Різні спектри електромагнітних дій на рослину і, особливо на насіння, можуть мати всі три форми. Здатність насіння запам’ятовувати стимулюючі спектри випромінювань електричним коронним розрядом підтверджується збільшенням вмісту в них та в насінні у врожаю високомолекулярних жирних кислот [7,8]. Сучасні дослідження показують, що сталого зростання продуктивності культурного рослинництва можна досягти шляхом електромагнітного стимулюючого опромінення насіння [8].

4. Об’єктом технології є свійська тварина

Технологія утримання свійських тварин у продовольчих цілях є спільною із технологією вирощування рослин на корм. Вона має такі компоненти: мікроклімат приміщень утримання; годівля, стимулювання продуктивного розвитку, профілактика та лікування захворювань. Електротехнології застосовуються для: обігріву приміщень; стимулюючого обігріву та опромінення молодняку; лікування захворювань.

5. 5. Об’єктом технології корм для скота

Основними операціями технології кормовиробництва є: збирання врожаю кормових культур; сушіння зеленої маси; подрібнення; гранулювання і брикетування; запарювання; зберігання коренеплодів, силосування та інші. Електротехнології застосовуються для: сушіння зеленої маси; запарювання кормів; регулювання процесів життєдіяльності коренеплодів при їх зберіганні шляхом озонування повітря; сепарування та стимулювання насіння кормових культур.