Некоторые аспекты естественной конвекции двухблочного пчелиного улья

Размещено на http://www.allbest.ru/

Некоторые аспекты естественной конвекции двухблочного пчелиного улья

А.Н. Шершнев

И.С. Серяков

В.Р. Петровец

В статье показаны основные направления сохранения здоровой и сильной пчелиной семьи в осенне-зимний период ее жизни. Проведен анализ расхода тепловой энергии пчелиного клуба на вентиляцию гнезда и поддержание необходимой температуры на его оболочке. Рассчитано необходимое и достаточное количество воздухообменов пчелиного гнезда с увеличенным подрамочным пространством, не допускающих критическое содержание углекислого газа. Представлен расчет зависимости расхода энергетического корма от температуры окружающего воздуха.

The article shows the main trends of keeping healthy and strong bee family in autumn-winter period of its life. We have analyzed the output of thermal energy of bee club for the ventilation of nest and keeping necessary temperature at its covering. We have calculated necessary and sufficient quantity of air exchanges of bee nest with increased under-frame space, which does not allow critical accumulation of carbon dioxide. We have presented calculation of the dependence of consumption of energetic feed on the temperature of surrounding air.

По сравнению со всеми остальными живыми организмами, населяющими земной шар, медоносные пчелы достигли самого высокого уровня в эволюции общественного образа жизни. Для них характерны следующие особенности:

- тесная связь с опыляемыми растениями, в результате чего у рабочих пчел сформировались специальные приспособления, облегчающие сбор нектара и пыльцы;

- наличие целой системы коммуникаций для четкой координации общественных функций, например сигнальные движения, трофоллаксис - обмен феромонами во время взаимного кормления, акустическая сигнализация;

- разделение рабочих функций на всех уровнях. Функцию воспроизводства выполняют матки и трутни, рабочие пчелы вычищают, строят, вентилируют гнездо, выращивают расплод, разыскивают медоносы и т.д.; пчелиный вентиляция углекислый газ

- способность жить только семьей, или вести семейный образ жизни;

- регулирование микроклимата гнезда.

На протяжении всего года пчелиное гнездо должно снабжаться необходимым количеством свежего воздуха, а из гнезда должны удаляться продукты, выделяемые пчелами в процессе их жизнедеятельности, прежде всего влага и углекислый газ. Осуществить это можно, только обеспечив необходимый уровень вентиляции пчелиного гнезда. Особое значение вентиляция имеет в ходе зимовки, когда неправильно организованная вентиляция может привести к гибели пчелиной семьи [3]. Обогревательным элементом особенно в зимний период служат сокращения летательных мышц пчел, а энергетическим сырьем - поедаемый ими мед [1].

В зависимости от ландшафтно-климатических условий региона зимовка пчел может продолжаться от 2 до 6 месяцев (в Беларуси в среднем 110 суток ) [2].

Цель исследования - изучить и проанализировать некоторые аспекты процессов естественной конвекции в пчелиных ульях любой конструкции.

Анализ источников

Почти до начала ХХ века зимний пчелиный клуб представляли как простое скопление сидящих в улочках пчел, но уже в 1893 г. было подмечено, что часть насекомых сидит в ячейках. Продолжая наблюдать за зимующими пчелами, было установлено, что для поддержания необходимой температуры они заполняют свободные от меда ячейки, образуя монолитную массу, разделенную средостениями сотов. Опыты зарубежных ученых E.F.Phillips и G.S.Demuts убедительно доказали, что пчелиный клуб не представляет собой сплошную массу. Он состоит из наружной, более плотной оболочки неподвижно сидящих пчел и сердцевины, где они находятся в постоянном движении и за счет своих мускульных усилий вырабатывают тепло, необходимое для обогрева гнезда. Существует постоянное перемещение пчел из центра к оболочке и, наоборот, из оболочки к центру. При повышении внешней температуры клуб расширяется, его температура падает. Оболочка клуба является хорошим теплоизолятором и не допускает потери тепла. Известно также, что при благоприятных температурных условиях в улье образование тепла в нем прекращается. Так, например, А.И.Касьянов на основании измерения теплопроводности слоя пчел при различной степени его уплотнения утверждает, что зимний клуб пчел следует квалифицировать как гетерогенное образование. Он состоит из системы тел с внутренними источниками тепла, сотов, сидящих на них особей, и пор, заполненных воздухом. Источник тепла этой системы - особи, выделяющие энергию в процессе их естественной жизнедеятельности [5]. Гипотеза была принята на вооружение исследователями и пчеловодами всех стран и вошла в учебники. В дальнейшем, вплоть до настоящего времени, идет ее развитие и уточнение [4].

Первые поисковые работы по разработке условий зимовки пчел показали, что зимовку следует рассматривать не как отдельный самостоятельный прием, а в качестве отдельного звена в цепи общего комплекса приемов при годичном жизненном цикле содержания пчел или в качестве элемента технологии.

На обогрев зимнего клуба пчелы тратят определенное количество тепловой энергии, которая образуется в организме пчелы в результате сгорания сахаров. Выделяются продукты сгорания - двуокись углерода и водяной пар. Известно, что пчелы (семья средней силы) тратят ежедневно на обогрев клуба около 18 граммов своих запасов. Для сгорания такого количества сахара требуется 13,43 литра кислорода, который содержится в 63,97 литрах атмосферного воздуха. После использования пчелами 18 граммов меда образуется 77,4 литра продуктов сгорания, в том числе 13,43 литра водяного пара и 63,97 литра двуокиси углерода [6]. Несмотря на то, что пчелы в некоторой степени адаптированы к жизни зимой при повышенной концентрации (до 2,14%) СО₂, углекислый газ для них, как и для всего живого, является ядовитым веществом. Однако его концентрация может кратковременно доходить до 4-5% [7].

В предложенной статье рассмотрим и обоснуем на основании законов физики и теплотехники основные процессы естественной конвекции пчелиного улья.

Методы исследования

Проведение биологических, физико-математических анализов движения естественного воздушного потока и передачи тепловой энергии зимующего клуба пчел для обогрева гнезда и удаления продуктов, выделяемых пчелами в процессе их жизнедеятельности.

Информационной базой послужили труды отечественных и зарубежных исследователей, научные разработки, данные, полученные в результате личных обследований, наблюдений и расчетов авторов.

Основная часть

Во время подготовки пчел к зимовке необходимо выполнить два противоположных условия. Во-первых, сохранить тепло в улье. Во-вторых, обеспечить гнездо вентиляцией для удаления влаги, избыточного содержания углекислого газа при минимально разумном расходе корма.

Относительная влажность атмосферного воздуха снаружи улья может изменяться в широком диапазоне в зависимости от времени года, температуры, ветра и других факторов. Все это учесть невозможно, поэтому при расчетах примем, что относительная влажность воздуха близка к 100%, и расчет произведем для одного блока двухблочного пчелиного улья, так как они идентичны. Средний температурный режим зимнего периода в нашей стране находится около 20^оС. Объем зимнего гнезда одного блока составляет 0,07 м³ (объем каждого блока двухблочного пчелиного улья размерами 63,5х30,0х37,0). Итак, примем, что температура t и относительная влажность W для входящего воздуха: t₁ = -20^оС и W₁ = 60%, а для выходящего воздуха t₂ = -1^оС и W₂ = 80% соответственно [8]. В нашем случае:

m₁ = с₁ Ч W₁, (1)

где m₁ - масса влаги при заданных условиях, попадающая в улей; с₁ - плотность водяных паров входящего воздуха.

Подставив данные, получим: m₁ = 0,9 Ч 0,6 = 0,54 г

m₂ = с₂ Ч W ₂, (2)

где m₂ - масса влаги при заданных условиях, удаляющаяся из улья; с₂ - плотность водяных паров выходящего воздуха.

Соответственно m₂ = 4,5 Ч 0,8 = 3,6 г воды.

При этом 1 м³ воздуха вынесет из улья воды [8]:

?m = m₂ - m₁. (3)

Подставив данные, получим ?m = 3,6 - 0,54 = 3,06 г воды.

Соответственно из улья, гнездо которого занимает объем 0,07 м³, - 0,21 г воды.

Определим необходимое количество энергии для нагрева воздуха, занимающего объем гнезда, равный 0,07 м³, по формуле [9]:

Q=С_р Ч m Ч (t₂ - t₁) , (4)

где С_р - удельная теплоемкость воздуха, Дж/г х град; m - масса 0,07 м³ воздуха; t₂ - температура входящего воздуха, ^оС; t₁ - температура выходящего воздуха, ^оС.

Подставив данные, получим: Q₁ = 1 Ч 0,09 Ч (20 - 1) = 1,71 кДж.

Зная энергоемкость меда (11300 кДж/кг) и выделяемой воды из 1 кг меда (680 г воды), определим необходимое количество энергии для обогрева зимнего пчелиного клуба, находящегося в том же гнезде, которое будет составлять 1,5 кДж [10].

Таким образом, для вентиляции энергии требуется больше, чем может выделить зимний клуб в данных условиях. При таком режиме влажность в улье будет расти при увеличении уровня вентиляции, что и подтверждает коэффициент вентиляционных потерь [11]:

К= Q₁ / Q₂ , (5)

где Q₁ - необходимая энергия для нагрева воздуха, занимающего объем гнезда; Q₂ - необходимая энергия для нагрева воздуха, занимающего объем 1 м³.

Для наших условий:

К = 1,71/1,50 = 1,14.

Однако в температурном пороге, начиная от t = -10^оС и выше, коэффициент вентиляционных потерь К ?0,3, т.е. потери тепла, выделяемые клубом на вентиляцию, относительно невелики. Это означает только одно, что при оптимальном подборе регулируемого уровня вентиляции (площади верхнего и нижнего летков) не требуется выделения дополнительной энергии зимующим клубом, поскольку поступающий воздушный поток действительно удалит всю образующуюся в гнезде влагу при сохранении необходимой температуры в нем. Из этого следует, что при больших морозах (-20^оС и ниже) необходимо значительно уменьшить вентиляционный поток [10]. Однако хватит ли пчелам в таких условиях воздуха для дыхания? В связи с этим необходимо рассмотреть второй, не менее важный вопрос - избыточное содержание в зимнем гнезде углекислого газа.

Пчелиная семья, потребляющая в сутки 18 г меда, расходует для его окисления кислород, содержащийся более чем в 60 литрах воздуха, и выделяет при этом 13,2 литра углекислоты. Поэтому сквозь улей за сутки должно проходить гораздо больше воздуха, чем указанные 60 литров. Этот поток и не дает скопиться тому количеству СО₂, которое опустится вниз, в подрамочное пространство. Если допустим, что каким-то образом все же накопление углекислоты произошло и достигло 100%, в таком случае необходимо увеличенное подрамочное пространство, в котором и произойдет диффузионное перемешивание газов, снижающее его концентрацию [12]. В зависимости от климатических условий, главным из которых является температура окружающего воздуха, более негативное влияние на семью пчел будет оказывать либо влажность, либо углекислота. Предположим, что вопрос с удалением избыточного содержания влаги и сохранением необходимой температуры в зимнем гнезде решен. Перейдем к расчету требуемого воздухообмена, используя формулу (5) для определения необходимого воздухообмена в производственном помещении. Расчет такого воздухообмена производится по предлагаемой формуле [13]:

V = P_k Ч m / P₂ - P₁, (5)

где V - требуемый воздухообмен по содержанию СО₂, м³/ч; P_k - количество СО₂, выделяемое клубом, л/ч; P₂ - допустимое количество СО₂ в воздухе пчелиного гнезда (4:-5л/м³) [7]; P₁- содержание СО₂ в приточном воздухе (0,3ч0,4 л/м³ ) [13].

Для одного гнезда пчел в двухблочном пчелином улье предлагаемая формула будет иметь вид:

V = P_k / P₂ - P₁, (6)

где P₂ - принимаем верхний предел допустимого количества СО₂ в пчелином гнезде - 5 л/м³; P₁ - принимаем верхний предел содержания СО₂ в приточном воздухе - 0,4 л/м³ .

Так как при потреблении 18 г меда расходуется 60 литров кислорода и выделяется при этом 13,2 литра углекислоты, то с объема пчелиного гнезда двухблочного пчелиного улья в 70 литров будет выделяться 15,4 литра СО₂ [12].

Принимаем, что оптимальная сила средней пчелиной семьи, идущей в зиму, составляет 2-2,5 кг, а объем пчелиного гнезда равен 0,07 м³, подставляя известные данные, рассчитаем P_k за час:

P_k = 15,4 / 24 = 064 л/ч.

Определив количество СО₂, выделяемое клубом, рассчитаем требуемый воздухообмен, м³/ч:

V = 0,64 / 5 - 0,4 = 0,14 м³/ч.

Переведя полученное значение воздухообмена в литры при указанном значении объема пчелиного гнезда, получим объем воздуха, протекающего через гнездо в течение часа:

0,14 м³/ч : 0,001 = 140 л/ч.

На основании вышеприведенных расчетов можем утверждать, что содержание СО₂ не достигнет критической отметки при условии не менее двухразовой замены в течение часа полного объема воздуха, находящегося в гнезде (140 л/час : 70 л = 2).

Таким образом, суточный воздухообмен в пчелином гнезде двухблочного пчелиного улья, занимающего объем в 70 литров, для пчелиной семьи силой в 2,0-2,5 кг равен 48.

Не менее важным аспектом не только для выживания пчелиных семей, но и влияющим на основные показатели всей пасеки является зависимость расхода корма от внешнего температурного режима и влажности зимнего периода.

Для проведения расчета теоретической зависимости расхода корма G (г/ч) при различных значениях температур и различных значениях влажности окружающего воздуха принимаем формулу А.Ф. Рыбочкина [14]:

G(t_в) = а (1 / t_в + n)b, (7)

где t_в - внешняя температура, ^оС; а, b -коэффициенты теоретической функциональной зависимости [14]; n - коэффициент коррекции.

Используя данные таблицы, по формуле (7) определим общую функциональную зависимость при граничных значениях температур от t_в = 0^оС до t_в = -30^оС и влажности воздуха 60%, 70%, 80% и 90%. Учитывая, что температура поверхности зимнего пчелиного клуба, независимо от влажности и температуры наружного воздуха, равна +10^оС, получаем:

G(0^оС) = a / n + b, G(-30^оС) = a / (-30 + n) + b. (8)

Таблица. Потребление корма одной пчелиной семьей в двухблочном пчелином улье при различных значениях

влажности и температуры

Возьмем коэффициенты а, b и составим систему уравнений, тогда формула (7) примет вид:

G(t_в) = (3,19 - (4,7 - 2,3 n) / 30) / t_в + (n - 15) / n + (47.8 - 2.3n) / 30.

Таким образом, общая функциональная зависимость для влажности 60% примет вид:

G(t_в) = 414,7 / (t_в + 60) - 6,03.

Используя приведенный выше метод вычислений, по аналогии определим общую функциональную зависимость для влажности воздуха 70%:

G(t_в) = 306,1 / (t_в + 50) - 4,94.

Для влажности воздуха 80%:

G(t_в) = 119,7 / (t_в + 30,5) - 2,53.

Для влажности воздуха 90%:

G(t_в) = 309,9 / (t_в + 45) - 4,95.

Построив графические зависимости (рисунок) расхода корма в интервале температур от t_в = +10^оС до t_в = -30^оС при разных значениях влажности внешнего воздуха и используя функциональные зависимости, определим количество потребляемого меда каждой пчелиной семьей двухблочного пчелиного улья средней силы в нелетный период.

Рис. Зависимость расхода корма (меда) от температуры окружающего воздуха при разных значениях влажности

Таким образом, исходя из результатов проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. При оптимальном подборе уровня вентиляции пчелиного гнезда нет необходимости для выделения пчелиным клубом дополнительной тепловой энергии. Поступающий воздушный поток удалит всю образующуюся в гнезде влагу при сохранении необходимого температурного режима в нем.

2. Учитывая результаты проведенных расчетов, подтвержденные практикой, можем утверждать, что для пчелиного улья с увеличенным подрамочным пространством и общим объемом в 70 литров при двукратной замене в течение часа полного объема воздуха содержание СО₂ не достигнет критической отметки.

3. Проведя сравнительный анализ данных, полученных в результате исследований авторов статьи, с результатами, полученными А.Ф. Рыбочкиным, можно утверждать, что расход корма здоровой пчелиной семьи в период зимовки имеет линейную зависимость от температуры окружающего воздуха.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кривцов, Н.И. Пчеловодство / Н.И. Кривцов, В.И. Лебедев, Г.М. Туников. - М.: Колос, 2007. - 512 с.

2. Основы пчеловодства: учеб. пособие для студентов, обучающихся по специальностям «Лесное хозяйство», «Зоотехния» / В.М. Каплич [и др.]; под ред. В.М. Каплича. - Минск: БГТУ, 2009. - 408 с.

3. Корж, В.Н. Пчеловодство. Практический курс / В.Н. Корж - Ростов н/Д: Феникс, 2008. - 543 с.

4. Касьянов, А.И. Биология обогрева пчелиного гнезда / А.И. Касьянов // Пчеловодство. - 2003. - № 2. - С. 16-18.

5. Мостовой, Е.М. Пчеловодство в вопросах и ответах / Е.М. Мостовой. - Изд. 5-е - Ростов н/Д: Феникс, 2008. - 315 с.

6. Пчеловодство: Об опыте известных пчеловодов мира / перевод с польского Н.В. Бабиной - 3-е изд., с изменен. - Минск: Современное слово, 2000. - 272 с.

7. Михайлов, К.И. Газообмен и температура клуба зимующих пчел в связи с задачами улучшения зимовки: автореф. дис. …канд. биол. наук: 03.03.01 / К.И. Михайлов; Горьковский госуд. ун-т им Н.И. Лобачевского. - Горький, 1965. - 21 с.

8. Марон, В.Е. Физика: Законы, формулы, задачи: справ. пособие / В.Е. Марон, Д.Н. Городецкий. - 2-е изд., перераб. и доп. - Минск, 1992 - 269 с.

9. Лариков, Н.Н. Теплотехника: учебник для вузов / Н.Н. Лариков. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройизд., 1985. - 432 с.

10. Суходолец, Л.Г. Куда исчезает вода / Л.Г. Суходолец // Пчеловодство. - 2004. - № 3. - С. 33-34.

11. Суходолец, Л.Г. Температурное ограничение выживаемости пчел при зимовки / Л.Г. Суходолец // Пчеловодство. - 1999. - № 4. - С. 38-40.

12. Жаров, В.Г. О пользе углекислого газа, воздушной подушке / В.Г. Жаров // Пчеловодство. - 2006. - № 2. - С. 30-32.

13. Уланов, И.А. Микроклимат в животноводческих помещениях. (Теория, расчет и выбор оборудования) / И.А. Уланов. - Саратов, 1982. - С. 24.

14. Рыбочкин, А.Ф. Зависимость расхода корма пчелами от внешней температуры воздуха / А.Ф. Рыбочкин. - Пчеловодство. - 2006. - № 7. - С 36-37.

Размещено на Allbest.ru