Адаптивная технология зимнего электрообогрева пчел

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия

Адаптивная технология зимнего электрообогрева пчел

Оськин Сергей Владимирович

Потапенко Людмила Владимировна

Овсянников Дмитрий Алексеевич

Ильченко Яков Андреевич

Пчеловодство в России имеет отличительную особенность - при имеющемся большом количестве пчелиных семей очень низкая степень механизации и автоматизации основных технологических процессов. Резко изменить такую ситуацию невозможно, но можно выбрать наиболее нуждающиеся процессы и направить туда научные и инженерные разработки. Для этого нужно провести соответствующие исследования и представить пчеловодам доказательную базу эффективности предлагаемых разработок. Конечно, большая часть пчеловодов ждет отдачу от вложенных средств как можно раньше, то есть за 1 год. Пчеловоды, которые имеют более 100 семей, готовы на более долговременную перспективу. Проведенный анализ рентабельности труда пчеловодов показывает, что сейчас она очень низкая, но ее можно увеличить, если действовать системно [1, 6].

В технологии пчеловождения на юге России очень важной составляющей является зимовка. От успешности прохождения этого периода зависит продуктивность пчелиной семьи, особенно на весенних медосборах. Если после зимовки пчелиная семья сильно ослабла (много подмора), то она не успевает нарастить необходимое количество рабочих пчел к периоду цветения медоносных растений. Публикуется множество исследований, посвященных анализу этого сложного периода состояния пчел. Более тщательный анализ, с использованием современных программных продуктов, проводил Тобоев В.А. и Еськов Е.К. [2, 3, 4]. Особенностью зимнего состояния пчел является их способность к агрегации и поддержании внутренней температуры на уровне 24…32 °С при широких колебаниях наружной температуры. В конце зимы, при появлении расплода пчелы, поднимают температуру до 34°С. Поддержание таких температур происходит на основе потребления пчелами меда и постоянной вентиляции зимнего клуба. Не смотря на большое количество исследований в этой области, этот процесс остается до конца не изученным. Необходимость полного понимания жизнедеятельности пчел диктуется задачами повышения медопродуктивности отечественного пчеловодства. До сих пор нет твердых рекомендаций по количеству оставляемого меда пчелам на зиму, какая должна быть вентиляция и т.д. Также важно как проводить электрообогрев пчел, в каком режиме. Последнее важно из-за того, что при избыточном обогреве повышается потребление меда и можно спровоцировать пчелиную матку на яйцекладку в холодные дни. Таким образом, нужно продолжать исследования с целью создания оптимальных условий пчелиным семьям в зимний период и не допускать дополнительное потребление корма.

Есть большие различия в зимовке пчелиных семей в зависимости от региона нашей страны. Так, например, отличительной особенностью прохождения такого периода на Северном Кавказе является: поздняя агрегация пчел в клуб, большие колебания температуры окружающего воздуха в осенний и зимний период, раннее появление расплода.

Для анализа физических, процессов протекающих в улье мы приняли в качестве базовой семьи скопление 15000 пчел, расположенных в двеннадцати-рамочном улье дадановского типа. Известно, что в зимой пчелы собираются в тело шарообразной формы. Мы приняли, что клуб размещается в центре улья и скопление пчел имеет диаметр 220 мм, что соответствует занятию ими 6 улочек. Основные геометрические параметры и пространственное размещения основных элементов представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Геометрические параметры основных элементов улья и пчелиного зимнего клуба

Как известно из литературы, плотность клуба пчел может изменяться практически в два раза. Естественно, что максимальная плотность клуба будет при низких температурах, а минимальная - при высоких. Принимаем максимальную плотность клуба при температуре окружающего воздуха -30°С, минимальную плотность - при 0°С. Принимаем линейную зависимость плотности пчел от наружной температуры и тогда уравнение будет выглядеть следующим образом:

Соответственно коэффициент теплопроводности также будет изменяться линейно согласно уравнению:

Масса 15 тысячи пчел находится на уровне 1,5 кг. Средняя масса одной пчелы 110-120 г. Так как плотность клуба изменятся, то будет изменяться и радиус клуба в зависимости от температуры окружающего воздуха. Объем клуба пропорционален квадрату радиуса (отдельные цилиндры), следовательно, при максимальной плотности пчел клуба радиус уменьшиться до 0,71 от первоначального значения. В соответствии с принятыми геометрическими значениями радиусы отдельных улочек будут описываться уравнениями:

где Т - температура окружающего улей воздуха.

Для нашего случая при 15000 пчел энергетическая характеристика будет выглядеть:

Также энергетику пчел можно связать и с потреблением корма. Известно, что при потреблении меда 0,32 г/ч выделяется мощность 1 Вт. Тогда о расход корма данного клуба в зимний период в зависимости от температуры имеет вид, г/ч

Эти уравнения справедливы для диапазона температур от -5 до +10 єС и когда пчелы не заложили расплод.

Так как для дальнейшего анализа потребуется удельная мощность воспроизводимая пчелами, то разделим полученное выражение на объем занимаемый клубом:

Аппроксимирующее уравнение теряемой тепловой мощности через вентиляцию будет выглядеть, Вт:

Необходимо определить коэффициент теплоотдачи с верхней части поверхности клуба. Известно уравнение для определения мощности необходимой для вентиляции:

С другой стороны также известно уравнение тепловых потерь с поверхности за счет конвекции:

,

где - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²•К; - площадь теплоотдающей поверхности, м².

В литературе известны следующие границы изменения коэффициента теплоотдачи: Вт/(см²•єС).

Приравняем эти мощности для нашего случая, так как пчелы вынуждены отдать эту энергию в окружающее пространство. Тогда получим уравнение для определения коэффициента теплоотдачи:

.

Расход воздуха определяется по формуле:

где - абсолютное влагосодержание выходящего воздуха, г/м³; - абсолютное влагосодержание входящего воздуха, г/м³, - количество воды, выделившееся в результате окисления корма пчелами, , г/ч.

В среднем разница абсолютных влагосодержаний находится на уровне 2,5 г/ м³. Тогда формула для определения расхода воздуха принимает вид:

Подставим выражение расхода корма для улья в зимний период и получим зависимость расхода воздуха от температуры:

После соответствующих подстановок получим формулу связывающую коэффициент теплоотдачи и температуру наружного воздуха:

Для нашего примера формула принимает вид:

Используя полученные уравнения можно приступать к моделированию теплового состояния пчел в различный период зимы. Изменяя температуру окружающего воздуха, можно будет обнаружить или недостаток обогрева или наоборот его избыток.

Для более точных расчетов температурного режима улья нужно учесть изменение энергетической характеристики пчел при температурах близких к нулю. Известно, что в осенне-зимний период энергетическая характеристика зимнего клуба пчел близка к параболе [1] (рис. 2).

Рисунок 2. Зависимости тепловыделений пчелиных семей от температуры окружающего воздуха (для 1000 пчел)

Учитывая это, получено уточненное уравнение аппроксимации энергетической характеристики 15000 пчел зимней агрегации, Вт:

где Т - температура окружающего улей воздуха.

Тогда расход корма в зимний период для 15000 пчел, в зависимости от температуры имеет вид, г/ч:

Так как для дальнейшего анализа потребуется удельная мощность воспроизводимая пчелами, то разделим полученное выражение на объем занимаемый клубом в данном примере [1]:

где - объем занимаемый зимним клубом, для данного примера 0,005 м³.

Известно уравнение для определения необходимого расхода воздуха пчелами для удаления образующейся в улье влаги [1]:

где - количество воды, выделавшееся в результате окисления корма, г/ч; - абсолютное влагосодержание соответственно выходного и входного воздуха, г/м³.

Количество воды, выделавшееся в результате окисления корма, можно определить по формуле [1]:

Тогда, учитывая ранее полученные уравнения, выражение для расхода воздуха данного клуба пчел будет иметь вид:

Относительная влажность выходящего из клуба воздуха практически составляет 100%. По данным литературных источников температура выходного воздуха из скопления пчел равна температуре корки клуба и находится на уровне от 10 єС до 15 єС. Тогда абсолютная влажность выходного воздуха находится на уровне 9,4-12,8 г/м³. Естественно меньшее значение будет соответствовать минимальной температуре наружного воздуха (-30 С), большее значение - максимальной температуре (+15єС). Принимаем, что зависимость абсолютной влажности выходного воздуха от наружной температуры имеет линейный вид. Статистика метеоданных по Краснодарскому краю показывает, что средняя относительная влажность воздуха в зимний период составляет 80%. На основании таблиц перевода относительной влажности в абсолютную (с учетом температуры) получено следующее аппроксимирующее уравнение, м³/ч:

Следовательно, все основные параметры микроклимата в улье зависят от окружающей температуры. Таким образом, геометрические и теплофизические характеристики зимнего клуба пчел можно представить следующей системой уравнений:

Как видно из данной группы уравнений все основные параметры микроклимата в улье зависят от окружающей температуры. Основные параметры микроклимата внутри клуба пчелы поддерживают за счет изменения его геометрии, внутренней вентиляции, перемещения пчел из более нагретой части к периферии и назад. Необходимость усиленной вентиляции связано с потребностью удаления влаги, образующейся в результате поедания меда. При этом источником энергии является мед. При понижении температуры окружающего воздуха пчелы вынуждены больше есть меда, что приводит к выделению большего количества влаги и, следовательно, им приходится увеличивать вентиляцию, которая выносит и тепло. В зимний период пчелы находятся в пассивном состоянии, что позволяет им резко сократить энергетические затраты. Полученные уравнения можно использовать для моделирования состояния микроклимата в улье как в специализированных программных продуктах, так отдельно разработанных. Результаты моделирования будут использоваться при программировании микроконтроллеров, используемых в системах электрообогрева.

Литература

пчела адаптивный электрообогрев

1. Оськин С.В., Овсянников Д.А. Электротехнологические способы и оборудование для повышения производительности труда в медотоварном пчеловодстве северного Кавказа: монография/ С.В. Оськин, Д.А. Овсянников.- Краснодар: Изд-во «Крон», 2015. -198 с.

2. Еськов Е.К., Тобоев В.А. Сезонная динамика тепловых процессов в межсотовых скоплениях зимующих пчел Apis mtllifera/ Е.К. Еськов, В.А. Тобоев//Зоол. Журнал.-2011. Т. 90, № 3.-С. 335

-341.

3. Еськов Е.К., Тобоев В.А. Математическое моделирование распределения температурных полей в холодовых агрегациях насекомых/ Е.К. Еськов, В.А. Тобоев//Биофизика.-2009.Т. 54. Вып. 1. - с. 114-119.

4. Тобоев В.А., Толстов М.С. Моделирование тепловых процессов в скоплениях зимующих пчел/В.А. Тобоев, М.С. Толстов//Физические процессы в биологических системах. Июнь. -2014.- с. 97-102.

5. Оськин С.В. и др. Теплофизическое моделирование пчелиного улья - составная часть безопасной зимовки/С.В. Оськин, Л.В. Потапенко, Е.В. Пустовойтова, Н.Г. Рассолов// Чрезвычайные ситуации: промышленная и экологическая безопасность; Вып. № 29 (1)-Краснодар 2017.-С. 115-121.

6. Оськин С.В., Овсянников Д.А. Внедрение электротехнологий в пчеловодство/ С.В. Оськин, Д.А.Овсянников// Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: сборник научных статей по материалам Международной научно-практической конференции. - Ставрополь: СЕКВОЙЯ, 2017. - С. 201-206.

Размещено на Allbest.ru