Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Классификация электротехнологических процессов сельскохозяйственного производства

1.1 Общие сведения

1.2 Классификация электротехнологических процессов сельскохозяйственного производства

ВВЕДЕНИЕ

Электрическая энергия производится путем искусственного преобразования других видов энергии, которые, за малым исключением, по сути, являются преобразованными формами солнечной энергии. Произведенная, переданная и распределенная электрическая энергия превращается у потребителя в механическую и световую энергию и в теплоту. Соответственно, области науки и техники называются: электропривод, электрическое освещение и электротермия.

В настоящее время существует ряд процессов и отдельных установок, где электрическая, или точнее электромагнитная энергия, используется непосредственно для воздействия на какой-либо объект с целью изменения его формы или свойств. Область науки и техники, где изучаются и используются процессы воздействия электромагнитного поля на объект технологической обработки называется электротехнологией или электронно-ионной технологией. В электротехнологическом процессе электромагнитная энергия преобразуется в другие виды энергии непосредственно в объекте обработки.

Объекты электротехнологической обработки могут быть самыми разными: от стальной заготовки, помещенной в высокочастотное электромагнитное поле, где она нагревается, до клетки зеленого листа растений, где электромагнитная энергия светового диапазона частот участвует в процессе фотосинтеза - одного из самых сложных процессов, без которого не может существовать ничто живое.

В сельскохозяйственном производстве объектами электротехнологической обработки являются продукты всех отраслей растениеводства и животноводства, корма, животные и растения, почва, газовые среды в животноводческих помещениях и хранилищах.

Все эти объекты отличаются высокой степенью организации, сложностью физиологических и биологических процессов, узким диапазоном допустимых значений параметров внешних воздействий, большим временным интервалом между возмущающим воздействием и результатом воздействия, сложным составом электролитов.

Отличительной особенностью объектов в сельскохозяйственном производстве является ионный характер проводимости большинства из них, что позволяет регулировать процессы массообмена в электрических полях, т.к. ионы - это не только заряженные частицы, но и частицы, обладающие значительной в сравнении с электроном массой.

В электротехнологических установках элементы электрических цепей: конденсатор, индикатор, газовый межэлектродный промежуток - являются рабочими органами, как резец, фреза, сверло в механических технологических процессах.

Электротехнологические процессы могут быть использованы отдельно или в комплексе с другими технологическими процессами. В некоторых случаях электротехнологические процессы не могут быть заменены никакими другими, но наиболее часто они обладают рядом преимуществ.

В настоящем пособии не рассматривается электротехнологические установки, широко используемые в различных отраслях промышленности и при ремонте сельскохозяйственной техники. Этот вопрос достаточно широко освещён в технической литературе. Также не рассматриваются ультразвуковые установки и установки косвенного нагрева.

Успешное изучение материалов курса базируется на знаниях курса физики, теоретических основ электротехники, преобразовательной техники, электрических измерений электрических и неэлектрических величин.

Учебная дисциплина «Электротехнология» тесно связана со знанием специфики сельскохозяйственного производства и физикой электротехнологических процессов. Поэтому, по мере возможности, вводятся понятия из смежных областей науки: биофизики, биохимии, физиологии растений, электрохимии и др.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

1.1 Общие сведения

Электротехнология - это область науки и техники, охватывающая изучение и использование технологических процессов, в которых электрическая энергия участвует непосредственно в технологическом процессе, преобразуясь в рабочей зоне и в объекте обработки в тепловую, электромагнитную, химическую, механическую и (или) другие виды энергии. В зависимости от вида преобразованной энергии различают процессы электротермии, электрохимии, электрофизики, электробиологии и процессы электронно-ионной технологии, протекающие в различных средах и специфически воздействующие на продукт обработки. В сельском хозяйстве объектами электротехнологической обработки являются продукты растениеводства, полеводства и животноводства, корма, животные, почва, растения, жидкие, газообразные и пастообразные среды и т.д.

Большинство объектов электротехнологической обработки характеризуется ионной проводимостью, что позволяет интенсифицировать процессы массообмена в электрических полях, так как ионы - это не только заряженные частицы, но и частицы, обладающие значительной по сравнению с электроном массой. Процессы массообмена - движение ионов под воздействием электрического поля - играют важную роль при электротехнологической обработке растительных материалов.

Функционирование и развитие сельскохозяйственного производства должно базироваться на совершенствовании имеющихся и создании новых электротехнологий, технических средств, обеспечивающих повышение эффективности производства продукции. Например, установлено, что продуктивность животных на 50-60 % определяется кормами, на 20 % - качеством ухода и на 20-30 % - параметрами микроклимата. В настоящее время доля затрат на приобретение и подготовку кормов к скармливанию составляет более 70 % от общих издержек производства. В связи с этим в сельском хозяйстве важным резервом повышения эффективности производства продукции является разработка и внедрение прогрессивных технологий, при рациональном использовании энергетических и материальных ресурсов. Такими возможностями обладают технологии и технические средства, основанные на применении электромагнитных полей. При использовании этих методов в большинстве случаях достигаются такие результаты, которые невозможно получить по традиционным технологиям, а в остальных - значительно улучшается качество и повышается эффективность обработки.

Электротехнология, как современное направление в производстве, основанное на непосредственном воздействии электромагнитного поля на обрабатываемый материал, находит все большее применение в сельском хозяйстве.

Диапазон частот электромагнитного поля, используемых в электротехнологии, простирается от постоянного тока до гамма-излучения. Наиболее глубоко разработано применение энергии электростатического поля, постоянного тока, токов низкой, средней и высокой частот, инфракрасного и ультрафиолетового излучений.

Электростатическое поле применяется в процессах очистки, сепарирования и изменения качества зерна, копчения мяса, рыбы. Постоянный ток используется для электродиализа, обеспечивающего очистку продуктов свеклосахарного производства, деминерализацию молочной сыворотки, электрофлотации - очистки и разделения взвешенных частиц, электрофореза. Высоковольтный разряд нашел применение в устройствах измельчения пищевых продуктов, гомогемезации и обеззараживания жидкостей. Переменный ток низкой (промышленной) частоты является наиболее распространенным и доступным видом электромагнитной энергии. Токи промышленной частоты нашли самое широкое применение для прямого нагрева воды, молока, выпечки хлеба, мясных изделий, измельченного картофеля и мелассы, используются для улучшения качества кормов и количества выхода продукта, его обеззараживания и сушки.

Весьма перспективно использование в сельскохозяйственной электротехнологии токов средней, высокой и сверхвысокой частот. Сказанное особенно относится к ВЧ и СВЧ-энергии. Преимуществом электромагнитного поля этих частот является возможность сквозного прогрева на определенную глубину практически без перепада температуры. Отсутствие непосредственного контакта токоподводящих устройств с обрабатываемым материалом делают данный вид энергии особенно перспективным для пищевой и перерабатывающей электротехнологии. Токи средней и высокой частоты используются для обработки молока, размораживания плодов, дефростации, варки, обеззараживания, сушки. Токи СВЧ нашли применение в процессах сушки, пастеризации и стерилизации, приготовления пищи, дезинфекции и дезинсекции различных материалов, предпосевной обработке семян и пр. Приведенный перечень примеров применения электрической энергии в технологических целях далеко не охватывает весь спектр возможного использования, однако в достаточной мере свидетельствует о тенденции проникновения электротехнологии в сельскохозяйственные процессы и другие сферы производства.

Действие электрического тока как технологического фактора возможно практически в любых условиях, ибо электричество некоторым образом вездесуще, и на Земле не происходит почти ни одного изменения, не сопровождаемого какими-либо электрическими явлениями, основанного на электробиологических и электрохимических процессах.

В результате длительной эволюции биологические организмы приобрели восприимчивость к электрическим воздействиям внешней среды, а всякая биологическая клетка обладает электрическим потенциалом, изменяющимся в зависимости от внешних воздействий, в том числе и от собственного электрического поля Земли.

Более того, сама жизнь есть ни что иное, как взаимодействие электромагнитных полей с биологическим объектом и в основе не только всех информационных, но и энергопреобразующих систем биологического организма, в том числе и сельскохозяйственного, лежат электробиологические и электрохимические закономерности, проявляющиеся на клеточном уровне.

Вообще все клетки окружены тонкой мембраной, состоящей всего лишь из двух слоев молекул, а клетки растений, строение которых значительно сложнее животных клеток, помимо клеточной мембраны, непосредственно окружающей клетку, укреплены еще и клеточной оболочкой - относительно толстым слоем, сформированным из целлюлозы с различной степенью инкрустации лигнином для отдельных видов растений. Мембраны окружают не только сами клетки, но и внутриклеточные тельца - клеточные органеллы, ядро, митохондрии, хлоропласты.

Под мембраной понимают слой, разделяющий два раствора, отличающийся по составу от каждого из них, образующий резкую границу с обоими растворами и обладающий различной проницаемостью для разных компонентов. Именно в мембране происходят основные биологические процессы, включающие как аккумуляцию солнечной энергии при фотосинтезе, так и использование сахаров в качестве горючего при клеточном дыхании. В основе этих процессов лежат явления, связанные с ионным переносом через мембраны и электрические явления в мембранах (электрические токи и потенциалы).

Как показывает, электротехнология в сельском хозяйстве и перерабатывающей промышленности является одним из наиболее перспективных и экологически чистым направлений развития электрификации сельского хозяйства, дающим большой экономический эффект при сравнительно незначительных капиталовложениях и затратах электроэнергии, что особенно важно в условиях дефицита материальных и энергетических ресурсов.

Необходимо отметить, что механизм воздействия электрического поля на сельскохозяйственные материалы следует рассматривать на молекулярном уровне, обращая особенное внимание на процессы, происходящие в мембране растительной клетки. При этом надо выявлять действующие факторы, которые оказывают наибольшее влияние на состояние мембраны клетки. С этой целью необходимо детально рассмотреть электротехнологические процессы сельскохозяйственного производства с точки зрения воздействия электромагнитных полей на биологический объект и выявить основные пути интенсификации сельскохозяйственных электротехнологических процессов.

1.2 Классификация электротехнологических процессов сельскохозяйственного производства

Рассмотрим классификацию электротехнологических процессов с точки зрения воздействующего фактора (электрическое поле в качестве энергетического воздействия), базирующуюся на основных положениях электродинамики сплошных сред при различной интенсивности воздействия электромагнитного поля на обрабатываемый продукт. Непрерывность спектра электромагнитных волн может служить основой классификации электротехнологических методов обработки материала. Основополагающее уравнение Планка устанавливает взаимосвязь длины волны излучения и энергии кванта. Любой из этих указанных показателей может быть взят за основу предлагаемой классификации электротехнологических методов обработки растительных материалов, (длина волны характеризует действующий фактор, а энергия кванта - возможность различных превращений, в том числе физических, биологических и химических).

Многообразие видов и способов обработки сельскохозяйственного сырья на основе использования электрических полей можно условно разбить на две большие группы: электроконтактный метод и обработка в высокочастотном и сверхвысокочастотном полях. Общими закономерностями для этих видов обработки является достаточно равномерный нагрев обрабатываемого материала по всему объему вне зависимости от коэффициентов электропроводности и толщины продукта обработки. Более того, нагрев в идеальных условиях осуществляется без температурного градиента (dt/dx=0), при этом обрабатываемым материалом поглощается значительная энергия за весьма короткие промежутки времени. Кроме того, изменяя форму рабочего органа и тип электромагнитной волны, осуществляются режимы обработки с заранее намеченной неравномерностью с целью изменения структуры материала. Длительность такой обработки зависит только от подводимой мощности и не зависит от формы и объема обрабатываемого материала, то есть ввод энергии осуществляется непосредственно в объект обработки - этим исключается инерция нагревателя, а при сушке - направление потоков тепла и влаги совпадает, что естественно ускоряет течение процесса.

Микрочастицы, образующие объект обработки, обладают электрическими зарядами, которые по взаимодействию с внешним электрическим полем делятся на две группы: свободные заряды - свободно перемещаются под действием внешнего поля, и связанные заряды - по ряду причин резко ограничены в возможности перемещения. Заряды первой группы образуют ток проводимости, заряды второй группы - ток смещения.

Таким образом, при воздействии электрического поля на сельскохозяйственный материал возникают сложные процессы, связанные с наличием тока проводимости и тока смещения.

Это воздействие сопровождается возникновением полей температуры, влажности, механических деформаций, химических реакций и.т.д. Кроме того, эти поля взаимодействуют друг с другом, вследствие чего первичное электрическое поле искажается. Но неравномерность электрического поля в большей степени определяется тем, что сельскохозяйственные материалы представляют собой неоднородную среду с неравномерно распределенными электрическими свойствами. Такая неоднородность и является источником образования механических напряжений и деформаций. Это явление часто приводит к разрыву и растрескиванию обрабатываемого материала. Совместное рассмотрение всех этих явлений очень затруднительно, поэтому приходится ограничиваться определенным кругом задач, выявляя основные из них.

Для характеристики биологических материалов с точки зрения способности их поглощать энергию электрического поля, а также для определения зависимостей распределения мощности и напряженности электрического поля в объекте обработки, для обоснованного выбора частоты необходимо учитывать относительную диэлектрическую проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и активную удельную проводимость материалов, как наиболее значимые электрофизические свойства объектов обработки. Все эти показатели зависят от частоты, поэтому их абсолютное значение следует относить к конкретному участку диапазона частот.

Шкала электромагнитного спектра приведена в таблице 1.1, а области электромагнитного спектра, имеющие значение для практического использования, представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.1 - Шкала электромагнитного спектра

Таблица 1.2 - Области электромагнитного спектра, используемые в электротехнологических процессах

Классификация электротехнологических процессов с точки зрения воздействующего фактора (электрическое поле в качестве энергетического воздействия) и результат этого воздействия представлен на рисунке 1.1.

Следует учесть, что приведенная классификация не может отразить возможности химического действия излучения, так как здесь вероятно возникновение вторичных факторов. Так при искрении, электрическом пробое, коронировании, то есть при проявлении вторичных явлений, энергия кванта может быть выше энергии химических связей, нарушение которых и приводит к изменению свойств обрабатываемого материала. Выбор действующего фактора для конкретного процесса представляет собой довольно сложную задачу. Для одного и того же процесса можно использовать ряд методов, а также комбинировать различные методы обработки, а идентичных результатов обработки можно получить при использовании различных методов.

Следовательно, здесь особенно четко необходимо представлять механизм воздействия подводимой энергии с точки зрения изменения структуры материала, его структурно-механических и энергетических свойств, цели обработки, и весьма тщательно рассматривать энергетические и экономические затраты на реализацию того или иного способа обработки.

Рисунок 1.1 - Классификация электротехнологических процессов

Для успешной реализации электротехнологических способов обработки сельскохозяйственных материалов необходимо как можно более точно математически описать технологический процесс. Построение математических моделей должно основываться на основополагающей информации об электрофизических свойствах исследуемого объекта обработки и силового воздействия электромагнитного поля на обрабатываемый материал. Однако в настоящее время отсутствуют универсальные методики расчета этих параметров, позволяющие построить математические модели исследуемых процессов и решить оптимизационные задачи такой технологии. В тоже время достоверно известно, что использование электромагнитного поля различного диапазона частот дает возможность реализовать разнообразные технологии обработки биологических материалов. Успешная реализация конкретной электротехнологии определяется основными техническими и технологическими параметрами обработки: электрофизическими свойствами обрабатываемого материала и частоты электромагнитного поля, удельной энергии (мощности), способа подвода и экспозиции электрической энергии.

В сельскохозяйственном производстве применяют различные виды воздействия электрических полей на помещенные в них объекты: тепловое, силовое, биологическое, электрохимическое, электрофизическое. Каждое воздействие электрического поля на биологический объект обработки характеризуется различными действующими электрическими факторами, которые необходимо выявлять и, в зависимости от цели обработки, конкретизировать.

В настоящее время следует считать доказанным практическую возможность интенсификации электротехнологических процессов путем использования электроконтактного метода, высокочастотных и сверхвысокочастотных полей. Применение этих методов резко ускоряет течение процессов, повышает производительность труда, снижает потребность в производственных площадях. Кроме того, повышается качество продукции, а также резко улучшаются санитарно-гигиенические условия труда. Специфическим преимуществом указанных методов перед традиционными методами является возможность достаточно равномерного распределения подводимой энергии по всему объему обрабатываемого материала и, что особенно важно, за достаточно короткие промежутки времени. Приведенная выше классификация (рисунок 1.1) носит условный характер, так как во многих случаях воздействие на обрабатываемый материал является комплексным, и отнесение процесса к той или иной группе определяется характером приложения энергии и ее величиной. Однако такая классификация позволяет рассматривать исследуемый процесс как единую систему взаимодействия электромагнитного поля с биологическим объектом, который подвергается обработке.

При взаимодействии электрического поля с рассматриваемой средой возникают потери проводимости и диэлектрические потери. Связь между этими величинами выражается через тангенс угла диэлектрических потерь и через комплексную диэлектрическую проницаемость :

Абсолютная величина позволяет оценить среду с точки зрения проводимости: проводящая среда - , полупроводящая среда - , диэлектрическая среда .

Сельскохозяйственные продукты обработки необычайно сложны по составу и обширны по ассортименту. Среди них встречаются диэлектрики, полупроводники и проводники, а также их композиции в различных сочетаниях, поэтому довольно сложно представить единое описание их электрофизических свойств, но, тем не менее, можно выявить основные закономерности, характеризующие электротехнологические процессы. Так, в постоянном электрическом поле заряженные частицы перемещаются, а дипольные молекулы ориентируются вдоль силовых линий.

При постоянном напряжении мембрана, окружающая клетку, ведет себя как диэлектрик (поверхностное сопротивление составляет порядка 10⁸Ом·м²). С увеличением частоты электрического поля значительно изменяются и электрофизические свойства материалов. В некотором приближении биологические материалы можно представить в виде трехфазной системы: одна фаза - межклеточная ткань - полупроводник с ионной проводимостью, вторая фаза - внутриклеточное вещество - электролит, третья фаза - оболочка растительной клетки - несовершенный диэлектрик.

Таким образом, воздействие электрического поля на биологические материалы будет проявляться в различной степени на каждую составляющую клетки, так как эти составляющие имеют различные показатели диэлектрической проницаемости и электропроводности.

При такой структуре обрабатываемого материала его электрофизические свойства зависят от системы координат и имеют разрывы в своих значениях, совпадающие с поверхностями раздела фаз. В области низких частот эта сложность структуры клетки проявляется более резко. Кроме того, электрофизические свойства обрабатываемого материала естественно должны исследоваться для конкретного диапазона частот, который определяется режимом обработки. Достоверно известно, что электрофизические свойства обрабатываемых материалов зависят не только от частоты, но и от степени измельчения продукта, влажности и плотности укладки. Эти технологические параметры и определяют степень неравномерности электрического поля при обработке.

Сельскохозяйственные материалы, подвергающиеся обработке в электрическом поле, условно можно разделить на две группы: к первой группе можно отнести сельскохозяйственные материалы с влажностью 12....35 %, ко второй - материалы, у которых влажность составляет более 35 %. Такое условное деление растительных кормов основано на форме и энергии связи влаги с материалом. Различные формы связанной влаги обуславливают разные по величине и природе энергии связи с сухим веществом. Такое представление материалов очень важно с точки зрения воздействия электромагнитного поля на обрабатываемый материал, так как электрофизические свойства этих материалов (удельная электропроводность и диэлектрическая проницаемость), исследуемые на различных диапазонах частот, раскрывают механизм воздействия на обрабатываемый материал и позволяют моделировать электротехнологические процессы.

По современному представлению различают следующие формы связи влаги с материалом в порядке убывания величины энергии связи: химическую (строго определенное стехиометрическое соотношение влаги и сухого вещества), включающую ионную и молекулярную связи; физико-химическую (различные, но не строго определенные соотношения), включающую адсорбционную и осмотическую связи; физико-механическую (неопределенное соотношение влаги и сухого вещества), включающую капиллярную влагу разных видов.

Приведенный анализ дает возможность рассматривать физику исследуемых процессов с точки зрения воздействия электромагнитного поля различного диапазона частот с учетом электрофизических свойств обрабатываемого материала и представить электротехнологические процессы в виде обобщенной частотно-энергетической классификации (таблица 1.3).

В таблице 1.3 под удельной энергией в относительных единицах понимается отношение количества поглощенной энергии (кВт·ч) единицей объема (1м³) обрабатываемого материала к 1 кВт·ч/м³. Разделение на группы этого показателя связано с тем, что при возрастании количества поглощенной удельной энергии можно получить различное воздействие ЭМП на обрабатываемый материал, что естественно приводит к разнообразным технологическим процессам. Трансформирование этих процессов объясняется различным механизмом воздействия ЭМП на обрабатываемый материал, который подвергается обработке. Разделение этого показателя на отдельные группы дает возможность не только определить конкретную технологию, но и сформировать основные положения по прогнозированию различных технологических процессов, где целью обработки является получение материалов с заранее определенными свойствами путем воздействия ЭМП определенных физических параметров на обрабатываемый материал. Для одного и того же процесса можно использовать ряд методов, а также комбинировать различные методы обработки и идентичных результатов обработки добиваться при использовании различных методов. Следовательно, здесь особенно четко необходимо представлять механизм воздействия подводимой энергии с точки зрения изменения структуры материала, его структурно-механических и энергетических свойств, цели обработки, и весьма тщательно рассматривать энергетические и экономические затраты на реализацию того или иного способа обработки.

электротехнология частота кормопроизводство энергетический

Таблица 1.3 - Обобщенная частотно-энергетическая система электротехнологических процессов в кормопроизводстве

При математическом моделировании электромагнитных полей необходимо определить среду, в которой исследуется поле. Все среды можно разделить на проводящие и диэлектрические, что определяется отношением плотности тока проводимости к плотности тока смещения:

.

Отношение зависит от частоты изменения поля. При повышении частоты увеличивается ток смещения, и тогда диэлектрические свойства среды проявляются более отчетливо. Одна и та же среда при низких частотах может вести себя как проводящая, а при высоких частотах -- как диэлектрическая. При низких частотах такие среды считаются неидеальными проводящими (проводниками), а при высоких -- неидеальными диэлектриками (диэлектриками). Неидеальные среды имеют потери.

Неидеальный проводник -- среда, в которой при наличии поля преобладает движение свободных зарядов и наблюдается явление поляризации. В переменном поле ток проводимости больше тока смещения (). В таких средах необходимо учитывать как диэлектрические , так и проводящие свойства. В гармоническом поле среда характеризуется комплексной проводимостью

.

Неидеальный диэлектрик -- среда, в которой преобладает явление поляризации, и существуют свободные заряды, способные перемещаться под действием поля. В переменном поле ток смещения больше тока проводимости (). В таких средах необходимо учитывать как диэлектрические , так и проводящие свойства . В гармоническом поле среду характеризуют комплексной диэлектрической проницаемостью

.

Как следует из изложенного выше, сельскохозяйственные материалы характеризуются неоднородными, анизотропными и нелинейными электрофизическими свойствами, и под воздействием электрического поля происходят сложные электрофизические и электрохимические явления.

Размещено на Allbest.ru