5. Лучеиспускание.

5.1. Теплопередача лучеиспусканием.

Теплопередача при помощи теплопроводности и конвекции осуществляется при помощи материальных теплоносителей – твёрдого тела, жидкости или газа. Теплопередача лучеиспусканием осуществляется путём излучения электромагнитной энергии – лучей видимого или инфракрасного диапазона непосредственно через пространство.

clip_image008

Величина мощности, излучаемой телом 1 в направлении тела 2, определяется как его температурой, так и свойствами поверхности этого тела (коэффициентом его черноты Е), а также наличием и излучением других тел.

Влияние других тел определяется также их температурой, формой, расположением и степенью черноты поверхности. Коэффициент черноты поверхности это коэффициент, характеризующий её относительную способность отражать и поглощать излучение. Величина Е может меняться от 0 (абсолютно белая или зеркальная поверхность) до 1 (абсолютно чёрная поверхность). При Е = 0 поверхность всё отражает и не излучает. При Е = 1 поверхность ничего не отражает и обладает максимальной излучающей способностью.

При лучеиспускании теплопередача от тела 1 к телу 2 определяется не расстоянием между ними, как в случае теплопроводности и конвекции, а их взаимными угловыми размерами, в которых сосредоточено их взаимное излучение. Окружающая тела 1 и 2 атмосфера практически не влияет на теплопередачу лучеиспусканием, которая зависит от формы и свойств их поверхностей, но не от расстояния между ними.

5.2. Оценка теплопередачи в улье.

Предположим, что пчёлы густо сидят на рамках в самом низу гнезда и излучают тепло лучеиспусканием на холодное дно улья, расположенное в 2 см от них (стандартный улей, начало зимовки большой семьи.).

Какую тепловую мощность излучает клуб пчёл вниз, на пол в этом случае? Р = 4,4Вт. Это – заметная величина, если принять во внимание, что общее производство тепла пчелосемьёй в зимних условиях находится в пределах от 10 до 20 Вт. Аналогичные оценки для дупла диаметром 35 см дают величину излучаемой вниз мощности 2,1Вт.

clip_image010

Неблагоприятная ситуация в начале зимовки, представленная на рис. 5.2, когда пчёлы излучают тепло непосредственно на холодное дно, значительно улучшается по мере движения клуба вверх – рис. 5.3.

clip_image012

В этом случае преобладающая часть теплового излучения пчёл, спрятавшихся в улочках, будет направлена не на холодное дно, а на пустые соты, обладающие малой теплопроводностью и теплоёмкостью. Соты нагреваются этим излучением почти до той же температуры, что и поверхность клуба, и защитят гнездо снизу. Ведь конвекция воздуха в пространстве, заполненном пустыми сотами, отсутствует потому, что эти соты её предотвращают. Теплопроводность же самих пустых сотов (вниз и в бок) очень мала, особенно, если принять во внимание большие расстояния для потока тепла в этих направлениях. Оценки по реальным геометрическим размерам улочек, клуба и подрамочного пространства высотой 230 мм дают Р < 0,2 Вт.

В этом случае с потерями тепла на излучение вниз практически можно не считаться. Ясно, что чем выше сидят пчёлы, и чем больше “языки” пустых сотов внизу, тем лучше. Узковысокое гнездо имеет явные преимущества перед низкошироким в части излучения тепла вниз. Размещение под гнездом пустого корпуса с сушью или мхом принесёт только пользу.

Таким образом, теплопотери гнезда пчёл на излучение вниз резко уменьшаются при наличии там пустых сотов. В дупле эти соты (освободившиеся или недостроенные) всегда есть, а в улье пчеловоды их систематически удаляют “за ненадобностью”. А зря! Пустые соты внизу гнезда, имеющие, как известно, низкую теплопроводность, выполняют не только функцию отражения тепла, но и функцию предотвращения конвекции в подрамочном пространстве. Поэтому увеличение подрамочного пространства, заполненного пустыми сотами, не только не увеличивает теплорассеяние клуба пчёл, но и служит дополнительной термоизоляцией. При большом подрамочном пространстве, существующем всегда в дупле, вероятность возвращения клещей, упавших на глубокое холодное дно, очень мала. Дупло лечит от клеща. И улей может тоже.

6. Вентиляция.

6.1. Вентиляционный кризис.

Известно, что пчёлы съедают за зиму 10-12 кг мёда, и при этом выделяют примерно ведро воды. Сырость в улье нетерпима, она – источник многих неприятностей. С этим согласны все. Как её удалять? Вот тут начинаются разногласия. Одни считают главным средством удаления влаги вентиляцию, другие влагоёмкость улья и дупла, третьи надеются на диффузию паров воды на дно улья. Как ввести этот спор в рамки обоснованных аргументов вместо эмоций? Для решения этого вопроса можно использовать те сведения, которые были получены применительно к нашему собственному жилищу для обеспечения его комфортности и нашли своё отражение в справочной литературе.

Начнём с вентиляции. Всегда ли вентиляция, хотя бы в принципе, может обеспечивать удаление всей образующейся влаги? Ведь чем больше вентилируется улей, чем больше тратится энергии (тепла) на нагрев проходящего воздуха, тем больше пчёлы потребляют мёда. Следовательно, они производят больше и влаги! Так какой же процесс при этом преобладает – производство воды, или её удаление?

Для ответа на этот вопрос проведём расчёт энергетики 1 куб.м воздуха. Первоначальную оценку проведём для крайних, трудных условий зимовки, представляющих наибольший интерес для понимания физических взаимосвязей.

Предположим, что температура и относительная влажность для входящего воздуха составляют –400С и 50% соответственно. Получается, что для нагревания 1 куб.м поступившего воздуха нужно 49 кДж энергии, а извлечь из этого воздуха и мёда мы сможем только 44 кДж энергии! Расход энергии на вентиляцию больше прихода, причём абсолютно без учёта “основного” расхода тепла через стенки улья! Всё тепло уходит только на вентиляцию и даже на это его не хватает!

Назовём этот эффект вентиляционным кризисом. В этом режиме влажность в улье растёт при увеличении уровня вентиляции. Коэффициент вентиляционных потерь К = 49 кДж/ 44 кДж = 1,1, даже если мощность потерь через стенки равна 0. Физический смысл коэффициента вентиляционных потерь не зависит ни от улья, ни от пчёл, а определяется свойствами только воздуха и мёда. Достаточно “суровые” начальные условия (t = -400С) были взяты для более яркой иллюстрации явления. Но ничего хорошего, однако, не приходится ожидать и при совершенно реальных морозах –200С и –300С. При этих температурах К = 0,5-0,7 и, следовательно, более половины тепла уходит на вентиляцию. С учётом “основного” расхода тепла через стены улья, его может не хватить, и пчёлы могут замёрзнуть, если внешняя температура ниже “критической”. Ведь возможности производства тепла пчелосемьёй, как и любым живым существом, ограниченные.

Таким образом, при больших морозах вентиляция не только не спасает положение, но и может его усугубить.

При температурах выше –100С, К < 0,3, и потери тепла на вентиляцию относительно невелики. Это значит, что поступающий воздух действительно может удалить всю образующуюся влагу ценой малых затрат тепла, при правильном, однако, подборе абсолютного уровня вентиляции. В этом случае традиционные представления о вентиляции, как основном средстве удаления сырости из улья качественно оказываются правильными. Но, тем не менее, “сквозняк” в улье не может быть произвольным ни при каких условиях. В любом режиме увеличение уровня вентиляции сверх необходимого уровня ведёт к излишним затратам тепла. Напрашивается решение – резко ограничить вентиляцию при больших морозах. Но хватит ли при этом пчёлам воздуха для дыхания? Расчёты показывают, что расход воздуха на дыхание более чем в 10 раз меньше расхода на вентиляцию.

Выводы:

1. При зимовке на воле и при низких температурах возможен вентиляционный кризис – замерзание пчёл из-за поступления холодного воздуха с малой влагоёмкостью. В этом режиме сырость в улье растёт при увеличении уровня вентиляции. Наступление вентиляционного кризиса не зависит от пчёл, а определяется свойствами только воздуха и мёда. Вентиляционный кризис сопровождается тепловым кризисом – система идёт в “разнос”, необходимая для обогрева мощность устремляется в бесконечность.

2. Тепловой баланс резко улучшается при сокращении вентиляции и использовании внутренней влагоёмкости. Сухая древесина улья, моховые подушки в значительной мере спасают положение.

3. Так как расход воздуха на дыхание примерно в 10 раз меньше его расхода на удаление влаги, при больших морозах можно сильно сократить вентиляцию без опасения, что пчёлы “задохнутся”.

4. Для надёжного обеспечения зимовки необходимо научиться измерять расход, температуру и влажность проходящего через улей воздуха. Средства контроля этих величин сейчас отсутствуют. Их предстоит найти. Пчеловоды подбирают необходимый минимум уровня вентиляции методом проб и ошибок.

6.2. Температурное ограничение и вентиляция.

Рассмотренное в разделе ограничение по максимальной тепловой мощности ведёт к тому, что неизбежно должен существовать предел по минимальной температуре t кр, которую пчёлы могут перенести. Величина этого предела зависит от параметров пчёл, улья, атмосферы. Но он обязательно существует, коль скоро живое существо, пчелосемья, ограничено по величине Рмакс и существует при реальном тепловом сопротивлении улья.

Таким образом, “пчёлы холода бояться”, и никакие “миллионы лет эволюции” из учебников по пчеловодству не в состоянии изменить этот физический вывод. Необходимость обеспечения пчёл мёдом во время зимовки является необходимым, но недостаточным условием их выживания.

Одной из первых работ по анализу расхода тепла на вентиляцию и удаление влаги из улья была работа: “Воздухообмен в улье при зимовке на воле” Башкирцев М.М. (Пчеловодство, 1987, №8).

Полученные результаты можно изложить следующим образом:

1. Система зимовки с большим пространством под рамками (150 и 230 мм) имеет явные преимущества перед случаем, когда это пространство – 20 мм.

2. Система вентиляции, при которой все летки находятся только в этом пространстве, предпочтительнее сквозной традиционной, при которой через верхнее утепление пропускается вентиляционные трубки (одна или две) сечением 5 кв.см, а нижние летки открываются. То же самое можно сказать и о традиционной сквозной вентиляции при отогнутых холстиках верхнего утепления. Некоторые семьи с традиционной вентиляцией погибли, а оставшиеся были ослабленными.

3. Если вентилируется только большое подрамочное пространство, то в нём возможна конденсация влаги, что, однако, не вредит пчёлам. Их гнездо остаётся сухим.

4. Ориентировочные расчёты по диффузионному перемешиванию выделяемых пчёлами паров воды с воздухом подрамочного пространства показали, что уже только за счёт такого обмена происходит достаточный отток паров воды из зоны размещения пчелиного клуба. Основным препятствием может быть только недостаточно открытый нижний леток.

5. Автор, ориентируясь на известный расход мёда, правильно определил мощность пчелосемьи при зимовке в пределах 8-15 Вт.

6. Измерения температуры в разных частях макета с использованием предлагаемой схемы вентиляции показали, что создаются достаточно устойчивые комфортные условия для пчелиного клуба: температура в верхней зоне улья 22-200С, а под рамками – от 50С до –10С, и всё это при внешней температуре от –110С до –200С.

В предыдущем разделе было показано, что учёт тепла, энергии, расходуемой на вентиляцию, нагрева проходящего через улей воздуха, является обязательным условием всех физических оценок условий зимовки. Для этого учёта необходимо знать количество и параметры как атмосферного, так и выходящего из улья воздуха. Параметры атмосферного воздуха хорошо известны. Относительно параметров выходящего из улья воздуха не известно практически ничего. Экспериментальное исследование этих параметров ещё не начато. Поэтому все авторы (и я в том числе) вынуждены использовать предполагаемые “разумные” их значения. И совсем плохо обстоит дело с определением количества проходящего через улей воздуха.

Для получения хотя бы качественной оценки происходящих процессов, проведена следующая последовательность операций:

1. Выполнен анализ зависимости коэффициента вентиляционных потерь, относительной доли потерь тепла на вентиляцию, от параметров воздуха и внешней температуры. Поскольку результаты этого анализа зависят от неизвестных пока точно параметров воздуха, расчёты были проделаны для нескольких вариантов (табл. 6.1-6.4).

2. Введён в рассмотрение “коэффициент влагоёмкости” m, показывающий, во сколько раз можно сократить расходы воздуха и мощности на вентиляцию за счёт поглощения воды элементами внутри улья. На рис.6.1 – графики полученных зависимостей коэффициента К от величины внешней температуры для различных вариантов атмосферных начальных условий и различных m.

3. Определена необходимая общая суммарная мощность.

Большое количество вариантов для К и m позволяет хоть как-то компенсировать неопределённость начальных условий и сделать обобщающие выводы.

clip_image014

Выводы из анализа рис. 6.1:

1. Коэффициент вентиляционных потерь К очень сильно зависит от исходных параметров воздуха, выходящего из улья. Без его экспериментального измерения невозможно осуществить достоверные расчёты режимов зимовки.

2. Из всех “пробных” трёх вариантов – третий, является как самым рискованным, так и маловероятным. Его недостаток – малая влажность выходящего из улья воздуха, неэффективное удаление влаги.

3. Даже в самых благоприятных вариантах 1 и 2, при больших морозах (ниже –200С), более половины общего тепла (К > 0,5) уходит на вентиляцию, если ставить целью удаление всей образующейся воды.

4. Наличие всегда присутствующей в улье влагоёмкости (m = 2; 3), резко меняет тепловой режим в лучшую сторону.

clip_image016

Выводы из анализа рис. 6.2:

1. Принятие параметра “максимальная мощность” пчелосемьи ведёт к обязательному принятию параметра “критическая температура” – минимальная температура выживания. Связь между этими параметрами в разных условиях разная, но она всегда однозначна и обязательно существует. Этот вывод качественно не зависит от несовершенства использованной системы расчётов. Количественно он зависит от задания начальных условий. Надёжные сведения о параметрах выходящего из улья воздуха, необходимые для расчёта критических температур, пока отсутствуют.

2. Дополнительный расход тепла на вентиляцию, нагревание проходящего через улей воздуха с целью удаления влаги, может быть как меньше, так и значительно больше расхода тепла через стенки улья. При температурах в окрестности 00С затраты тепла на вентиляцию относительно невелики (К < 0,2). При больших морозах, потери тепла на вентиляцию очень резко растут. Это иллюстрирует известный факт рискованности зимовки пчёл на воле в северных районах страны.

3. По графикам рис.6.2 можно оценить влияние различных факторов на зимовку пчёл по изменению величины t кр. Чем ниже допустимая величина t кр, (больше разница между реальной и допустимой величинами “мороза”, отрицательной температуры), тем надёжнее зимовка. Влияние различных факторов на величину t кр можно качественно характеризовать следующим образом:

Ø Утепление улья даёт только положительный эффект.

Ø Снижение уровня вентиляции при использовании влагоёмкости также даёт положительный эффект, особенно при больших морозах.

4. При низких температурах расход тепла на вентиляцию может быть больше, чем на “основной” нагрев.

5. При внешних температурах выше –100С резко снижается критичность к выбору режима по утеплению и вентиляции.

6. Применение дополнительного нагрева величиной 20 Вт (пунктирная линия) меняет критические температуры в самых неблагополучных случаях -–графики 2,3,5, незначительно меняя их в нужную сторону (графики очень “крутые”). “Благополучные” случаи – графики 4,6,7 – в “дополнительном отоплении” не нуждаются.

Страница 2 из 512345

Комментарии

  1. Найденов Владимир : 25 декабря 2012 г. в 20:16

    Отличная книга! Большое спасибо Суходольцу Л.Г. Автор заполнил и обобщил инженерную нишу в прикладном пчеловодстве. Это настоящее пособие для творческих пчеловодов, особенно начинающих. Можно посмотреть справочные данные, расчеты. Если с этим затруднительно, то можно прочитать выводы и рекомендации по конструированию ульев. Но время идет…. Появились новые материалы. Пенополистирольные и пенополиуретановые ульи начинают массовое шествие в пчеловодстве. Профессиональные пчеловоды делают за зиму их сотнями. Для изготовления ульев уже применяются более прочные сендвич-панели, состояшие из ПВХ и утеплителя из пенополиэтилена или пенополиуретана. Появились материалы с большой влагопроницаемостью без удерживания влаги и низкой теплопроводностью (например, холлофайбер), мембранные материалы, пропускающие влагу только в одном направлении, и т. д. Я думаю, что тема лучшего улья будет продолжатся в новом качестве, а варианты, проверенные временем, начнут всё чаще использоваться пчеловодами. Было бы очень хорошо, если бы автор продолжил эту тему в новом развитии. Теперь непосредственно по книге. 1.Про тепловую инерцию жилища. Тут речь идет об утолщенном улье («бревенчатом»), который обладает большой теплоемкостью («тепловой инерцией стен»). Он теплый, удаляет влагу и нивелирует суточные колебания температуры, что благоприятно сказывается на жизнедеятельности семьи. На мой взгляд, этот улей с точки зрения теплофизики хорош для весеннего, летнего и осеннего содержания. В зимнее время в средней полосе России идут колебания низких температур не только суточными циклами, а и недельными и более, которые такой улей не сглаживает. За эти циклы такие ульи, находясь на воле, успеют прилично охладиться. Для восстановления температурного равновесия в улье пчелы будут вынуждены тратить энергию , причем столько раз, сколько было таких недельных циклов. Если в улье стенки обледенеют, то потребуется еще дополнительная энергия на превращения льда в воду. можно легко это подсчитать, правда, для этого нужна статистика температур за зиму. Двухстенные ульи с тонкой деревянной стенкой внутри, моховой или пенопластовой прослойкой и с толстой стенкой снаружи будут значительно теплее, а наружная стенка будет отличным буфером для суточных колебаний температуры, поэтому вряд ли можно согласиться с автором по выводам на странице№89, где он утверждает, что улей с тепловой инерцией « когда-нибудь пчеловоды примут во внимание». Правда, на стр. 94 автор опровергает себя, утверждая, что в ульях, где «двухслойные стены с засыпкой термоизоляции (мох, стружка, пакля), могут быть легче, «теплее и суше» деревянных толстостенных».
    2.По диффузионному улью. С точки зрения теплофизики всё правильно, но отсутствие конвекционных потоков в улье практически всегда приводит к следующему: в ульях имеются отдельные места с пониженной температурой, следовательно, и с повышенной влажностью, а это – раздолье для бактерий. Кто много работал с даданами с неотъемными доньями, знают, что они начинают гнить всегда в нижних углах противоположных нижнему летку. Сначала там конденсируется влага ( самое холодное место), а затем берутся за дело бактерии. При этом ещё портятся соты. Ситуацию усугубляют мертвые пчелы и пчелиный мусор, находящиеся на дне. В такой ситуации пенопластовые ульи не плесневеют, но соты все же портятся, поэтому я склоняюсь теоретически к осиному гнезду с отверстием внизу, особенно для отводков.

    • В.Г. : 4 декабря 2013 г. в 11:22

      ” я склоняюсь теоретически к осиному гнезду с отверстием внизу”,
      Далось это гнездо… Во-первых, осиное, во-вторых, в нём никто не зимует.:)

      • Валентин : 5 декабря 2013 г. в 15:21

        Не могу согласиться с Вашей репликой!
        Ни о какой зимовке ос в их гнезде в данной книге не говорится.
        Осиное гнездо является всего лишь «идеальным жилищем».
        «Осиное гнездо обеспечивает одновременно и «тепло» и « свежий воздух». Причём без каких либо затрат энергии на вентиляцию!»
        И упоминается осиное гнездо в разделах «Конвекция» и «Диффузия», где доказывается, за счёт чего создаётся «идеальное жилище» ос.
        Этот пример с осиным гнездом имеет прямое отношение к пчеловодству.
        Из данной книги: «Современная тенденция пчеловодства – широкие, на всю ширину улья, летки, расположенные у самого дна (финская зимовка)».
        И ещё: “Мною замечено, что при содержании пчёл в многокорпусном улье без дна выход товарного мёда повышается на 30-50%. Пчёлы содержатся в улье без дна в течение всего года. Вместо дна я применяю кочевую сетку. Состоит она из рамы, связанной в шип, и металлической сетки. Для удобства удаления подмора сетка делается отъёмной. Улей устанавливается на двух подставках высотой 20-25 см. На зиму летки в корпусах закрываю. Весной, в предоблётный период, открываю леток в нижнем корпусе, через него пчёлы облётываются. Затем удаляю подмор. С наступлением тёплой погоды и постановкой новых корпусов, открываю в них летки. Метод не исключает роения. Мёд откачиваю в конце лета. Корпус с пустыми сотами возвращаю под низ улья. Мой опыт говорит о том, как важен хороший воздухообмен для нормальной жизни пчелиной семьи в течение всего года”. Лучшую краткую экспериментальную иллюстрацию изложенного в книге материала трудно придумать! Тут и отказ от сквозной вентиляции (“на зиму летки закрываю”), нет расхода тепла на нагревание воздуха, разд. 6. Тут и отсутствие расхода тепла вниз при размещении пчёл вверху (“Пчёлы содержатся в улье без дна в течение всего года”), разд.4. Тут и удаление паров воды (“Водяные пары свободно выходят через открытый снизу улей”), разд.7. Автор, правда, не ссылается на механизм диффузии в подрамочном пространстве, а считает, что пары воды просто “опускаются вниз”. Но ведь это не противоречит разд.7! Интуитивно автор* сделал и изложил всё точно и правильно! Без традиционной зимней вентиляции через все открытые летки он обеспечил “хороший воздухообмен”.
        *Ковалёв О.С. «В многокорпусном без дна» Пчеловодство, 1976, №5.

  2. Влад : 19 апреля 2018 г. в 9:05

    Огромное спасибо за книгу. Многие вопросы по зимовке пчел отпали. Но возникли новые и если можно, то пожалуйста ответьте:

    1. диафрагма с мхом – ставится вплотную к передней и задней стенки улья  и к  дну, или оставляется зазор. Если зазор, то какой.
    2. Какой наружный размер диафрагмы, наволочки для мха, толщина дощечек? 
    3. Если поставить вместо диафрагмы  с мхом лист полиспена (пенопласт) толщиной 30 мм, что это даст.
    4. В своей практике: на зиму гнездо пчел сокращаю и ставлю 2 теплые диафрагмы толщиной 30 мм из двп, (фанеры) внутри пенопласт толщиной 20 мм. Сверху кладу подушку из мха сфагнум на чистый холстик (не прополисованный). Нижний леток закрываю еще в августе, чтобы пчелы запасы корма сложили для зимовки с одним верхним летком. Верхний леток диаметром 25 мм, открыт полностью. Зимуют хорошо. Гнездо весной сухое. когда клал на подушку герметичный потолок (клеенку), то весной подушка была сырая, хотя гнездо сухое. Были случаи гибели пчел, теперь понял почему, просто замерзли. Кроме этого, в сентябре ульи оборачиваю мягким “пенопластом толщиной 3 мм” (правильное название не знаю), и прижима. его к стенкам улья стрейч пленкой.
    5. Какие мои ошибки, что делаю не так ?
    6. Пасека находится в Рязанской области.

Оставить комментарий

Кликните для смены кода
Адрес Вашей электронной почты опубликован не будет.
Обязательные поля отмечены звездочкой (*).