Про таємниці вулика. Теплообмін
Таємниці бувають різні. Деякі таємниці придумують самі ж бджолярі. Таємниці від невігластва. Пізнання таємниць спонукають людей робити відкриття. Про одну з таких таємниць ми і поговоримо. Про таємницю теплообміну у вулику.
На ниві пізнання цієї таємниці, трудиться багато людей. І кожен з них по-своєму її відкриває, при цьому, забуваючи або не знаючи, що вони давним-давно відкриті, і отримали статус законів. І поки не будуть ці знання спростовані іншими законами, ми зобов'язані їх дотримуватися. Дозвольте і мені висловитися на означену тему. Так як в пчеловодной літературі на цю тему багато наверчено, то слід трохи прокоментувати це.
Зупинюся на одній, зовсім свіжою статті в газеті «ПВ» № 9-06. Про таємниці вулика (дупла). Автор Міхайліцін І.М. Є, правда, ще його одна стаття в газеті «ПР» № 8-06, де «вперше в історії бджільництва опублікована стаття, де автор об'єктивно, науково описав процеси, що відбуваються у вулику з родиною зимуючих бджіл. Всі існуючі раніше пояснення поведінки повітря в сім'ї бджіл взимку або інтуїтивні, або ненаукові ». Було б несправедливо, не звертати уваги на публікацію в« ПВ »№ 10-06, де широко рекламуються книги автора і вже з'явилися апостоли вчення.
Автор, перебільшуючи фізичні закони світобудови, вносить свої поняття і визначення. Не знаю, якими знаннями повинен володіти вчитель фізики у сільській школі, але для фахівців такі міркування неприпустимі. Ті гіпотези, які за аксіому визнає пан учитель, по-селянськи називають «наводити тінь на тин».
Автор стверджує, що багато сперечаються, що ж відбувається у вулику. Дійсно, в пчеловодной літературі є безліч суперечливих відомостей. Товариш Міхайліцін ще більше затуманив цю «таємницю». Всі постулати автора я візьму в рамки, бо кожна думка автора, це відкриття фізичного «закону» і шедевр словоблудства.
Одні стверджують, що там дифузія, інші роблять упор на тепловипромінювання, треті, що клуб бджіл «дихає», змінюючи свій обсяг. За рахунок цього він поетапно втягує повітря через вічко, а потім виштовхує ... Четверті для пояснення процесів починають застосовувати фізичні формули .... Не знаючи суті процесів, одні вперто пропонують влаштовувати вентиляцію через верх, інші через низ, треті проводять дослідження про роль верхніх вічок і як це позначається на продуктивності сімей влітку. Суперечка буде тривати нескінченно, поки науково не пояснимо, що ж відбувається у вулику насправді. Головне встановити, як здійснюється вологообмін, так як змінюючи вогкість у вулику - головний ворог для зимуючих бджіл.
Почнемо з останнього.
У вулику немає і бути не може жодного вологообміну.
Вологообмін, це коли промочити ноги, а на лобі вибиває піт. Вживання терміну влагообмен припустимо для характеристики гігроскопічних матеріалів. Наприклад, вологообмін деревини з атмосферою. Є влагопоступленія і влагоудаленіе.
Є, правда, і закон про кругообіг води в природі. Але це інша тема.
А що стосується решти гіпотез автора, то давайте, відокремимо «мух від котлет».
У бджолиному клубі зміну місця розташування кожної бджоли у просторі дупла сумарно не дає прибавки або зменшення обсягу, займаного їм у ньому, тому що бджоли не пов'язані один з одним непроникною для повітря гумовою плівкою.
У вулику не бджоли втягують повітря в обсяг своєї клубу при його збільшенні і не виштовхують при зменшенні .... Насправді, вони тільки пристосовуються до природно піднімається повітрю від льотка, що проходить через клуб і рухомого навколо нього до стелі і опускається вздовж стінок дупла (вулика) вниз, до льотка ....
Клуб бджіл, поселяючись у вулику, ще не дихаючи, як гарячий куля, яка своєю присутністю утворює їх, і тільки потім (!) Починає пристосовуватися до них. Тобто спочатку виникають конвекційні потоки, а потім клуб бджіл починає змінювати свій об'єм, регулюючи проходження через клуб холодного повітря і, одночасно, задовольняючи свої потреби в кисні і викиді водяної пари і вуглекислого газу. Робити вдих не треба: тепле повітря пішов, а на його місце знизу підходить холодний. Тоді треба стиснутися, щоб сильно не охолонути. Розширенням і стисканням обсягу свого клубу бджоли регулюють, як водопровідним краном, кількість повітря, що проходить через нього.
Первинний природний конвекційний потік повітря, в тому числі і через клуб бджіл. Вдруге зміна обсягу клубу, його розширення як вимушена реакція клубу на рух повітря крізь нього.
Спочатку поговоримо про клуб. У вулику живуть бджоли. Клуб не жива істота, а всього лише форма, яку набуває бджолина сім'я, захищаючись від холоду. І нікуди цей клуб не поселяється. Гіпотеза про те, що холодне повітря проходить через клуб суперечить Другому початку термодинаміки. Первинно те, що дає тепло. А у вулику тепло завжди генерують бджоли. Кількість цього тепла, температура всередині клубу і кірки не постійна. Вона залежить від зовнішніх факторів. Згідно з останніми тепловізійним досліджень найвища температура ядра клубу зміщена вниз. (В. ТВБВ). А сам клуб, швидше нагадує за формою грушу, ніж куля. Холодне повітря ніколи не проходить через теплий клуб. Холодне повітря, що надходить у замкнутий об'єм з більш високою температурою завжди стратифіковано розтікається внизу. Формування клубу, це природна реакція бджіл на зниження температури. Клуб завжди повітропроникний, як клубок овечої вовни, але це не означає, що через нього можуть вільно проникати конвекційні струми. Зміни щільності клубу характеризується правилом Аллена (1877). Дослівно правило звучить так:
«У теплокровних тварин (тобто тварин, які виділяють тепло в процесі обміну речовин), що живуть в холодному кліматі, кінцівки менше, ніж у таких же тварин, що мешкають в більш теплому кліматі».
Більшість закономірностей, які спостерігаються у світі рослин і тварин, прямо випливають з теорії еволюції, і правило Аллена - не виняток. Теплокровні тварини, як і комахи, мають внутрішній механізм, який підтримує температуру тіла на постійному рівні. По суті, ці тварини перетворюють енергію їжі в тепло для підтримки постійної температури свого тіла.
Тепло переноситься з внутрішніх органів теплокровних тварин до більш прохолодній поверхні тіла, звідки розсіюється в навколишнє середовище. Це втрачений тепло тварині потрібно знову виробити в процесі обміну речовин (метаболізму), а значить, у його ж інтересах, щоб втрати тепла були мінімальними. Тому полярні тварини мають товстий шар хутра або підшкірного жиру для теплоізоляції і зменшення виносу тепла на поверхню.
Це зауваження справедливе і для бджіл. У північних бджіл більший хітиновий шар, і більше вони роблять жирових запасів на зиму.
Ясно, що чим менше площа поверхні, що стикається з зовнішнім середовищем, тим менше тепла буде випаровуватися при даній температурі навколишнього середовища.
Правило Аллена ілюструє відомі закони фізики. Виробляється всередині теплокровних тварин тепло переходить у навколишнє середовище (см. Теплообмін), де температура нижче (див. Другий закон термодинаміки; Закон Стефана-Больцмана), а звідти воно випаровується шляхом випромінювання або конвекції. Кількість виробленого тепла залежить від об'єму тваринного, а кількість тепла, що минає в навколишнє середовище, залежить від площі поверхні тварини. Тому чим компактніше тварина - або, висловлюючись науково, чим менше відношення поверхні до об'єму, - тим менше будуть втрати тепла і тим більше тепла збережеться. Так що адаптивна цінність низького відносини поверхні до об'єму в північному кліматі очевидна.
Правило Аллена справедливо і для бджіл. Але так як бджоли комахи сімейні, то й чинять опір вони холоду спільно. Якщо навіть грубо зіставити відношення площі окремо взятої бджоли до її об'єму і порівняти з таким же відношенням в клубі бджіл, то ми побачимо, що це співвідношення для клубу буде в тисячі разів менше. Так що адаптивна цінність низького відносини поверхні до об'єму очевидна. Причому щільність клубу постійно змінюється в період зимівлі. Так як рамки є своєрідними шорами для клубу, то його переміщення обмежене тільки в двох площинах «вниз-вгору» і, відповідно при холодному заносі «всередину-назовні» від льотка, а при теплому заносі «між бічними стінками вулика». Відповідно, відбуваються конвекційний теплообмін між повітрям у вулику і поверхнею клубу. Циркуляція повітря відбувається переважно у двох площинах. Ніякої моделі кулі немає і близько.
Утрирувано представляти конвекційні струми у вигляді, якого то згустку, який можна пропускати через кран. Конвекційні струми мають складну турбулентну картину. Вони розподіляються і вгору, і вниз, і вбік. Не слід забувати, що у вулику є ще й стільники, і мед і стінки. Кондуктивний, конвективний і променистий теплообмін відбувається безперервно. А у випадках, коли у вулику один льоток, який розташований нижче клубу, може виникнути і стратифікація (теплий шар з однаковою температурою). У такому випадку буде збільшуватися дифузія, і сповільнюватися конвекція.
А тепер згадаємо про теплообміні (19 століття).
Другий закон термодинаміки (1850 рік) говорить, що теплота завжди передається від більш гарячого тіла більш холодному, про механізм теплопередачі там не говориться ні слова. Однак характер переносу теплоти вкрай важливий з інженерно-фізичної точки зору, і не дивно, що механізми теплообміну стали важливим предметом досліджень в першій половині дев'ятнадцятого століття. Було відкрито три способи теплообміну, і за кожним з них стоїть унікальний фізичний процес. Див механічна теорія теплоти і молекулярно-кінетична теорія. Доречно говорити про три складових теплообміну: кондуктивний (теплопередача), конвективний, і випромінювання. (Conduction, Convection, Radiation). Це всесвітні закони.
Теплопровідністю володіють всі елементи бджолиного гнізда: воскові стільники, мед, рамки, огороджувальні конструкції, самі бджоли і повітря який їх оточує. Саме за допомогою теплопровідності бджоли нагрівають мед над клубом. Якби стільники мали таку ж теплопровідністю як метал, то весь мед у вулику завжди би відповідав температурі всередині клубу. Але цього не відбувається, тому що теплопровідність воску і меду, незначна. У техніці такий вид передачі тепла називають кондуктивних. На сусідні рамки і стінки за допомогою кондуктивної передачі тепло не передається.
Конвективний теплообмін у бджолиному гнізді є основним розповсюджувачем і передавачем тепла. За допомогою теплообміну відбувається циркуляція повітря і видалення продуктом життєдіяльності. За допомогою теплообміну в замкнутий об'єм вулика поступає свіже повітря.
Крім кондуктивної і конвективної передачі тепла, бджоли виділяють тепло і випромінюванням. Нехтувати при розрахунках цим явищем не завжди припустимо.
І на завершення кілька слів про повітрообмін. Повітрообмін у вулику відбувається безперервно. І взимку, і влітку. Тільки в різні періоди життя бджіл у повітрообміну різні рушії. При активній фазі бджоли повітрообмін регулюють примусово, тобто механічно. При пасивній фазі, процес повітрообміну відбувається природним шляхом, за допомогою тепломасообміну. Хоча пасивними бджіл у зимовому повітрообміні назвати можна лише з великою натяжкою. Генеруючи тепло, бджоли або підсилюють, або зменшують повітрообмін. Важливою умовою є спосіб або тип зимівлі.
Виходячи з практики зимівлі, мають на увазі три типи: холодна, тепла і високотемпературна.
Поговоримо ще й про поведінку повітря, що входить у вулик.
Холодне повітря, поступаючи у вулик, завжди стратифіковано стелитися по дну, поки не буде захоплений висхідними потоками. При рівності температур повітря, що поступає і внутріульевого спостерігається картина ізотермічного переміщення, тобто горизонтальний розподіл. При подачі більш теплого повітря, він по шляху найменшого опору спрямовується вгору. Це можна проілюструвати малюнками.
Розподіл потоків повітря залежить від температури входять у вулик повітряних потоків і типу льотка.
Переміщення повітря в системах природної вентиляції відбувається:
- Внаслідок різниці температур зовнішнього (атмосферного) повітря і повітря у вулику, так званої аерації.
- Внаслідок різниці тисків "повітряного стовпа" між нижнім рівнем (входом) і верхнім рівнем - (виходом). Такий повітрообмін називають конвекцією.
- У результаті впливу, так званого вітрового тиску
Ефект аерації використовується у вуликах з одним вічком або сітчастим дном. Чим вище різниця між температурою повітря у вулику і атмосферою, тим інтенсивніше повітрообмін.
Якщо розмір вхідного отвору (льотка або сітчастого дна) недостатній, то у вулику можливе утворення туману або конденсату. При збільшенні розміру вхідного отвору можливе збільшення аерації, що може привести до зрівнювання температур і переохолодженню гнізда.
У вуликах з надлишками тепла повітря завжди тепліше зовнішнього. Важчий зовнішнє повітря, поступаючи у вулик, витісняє з нього більш легкий тепле повітря. При цьому в замкнутому просторі вулика виникає циркуляція повітря, що викликається джерелом тепла, подібна до тієї, яку викликає вентилятор. Цей ефект називається конвекцією. Це явище спостерігається у вуликах з нижнім і верхнім льотком (вентиляційним отвором вгорі вулика).
У вуликах будь-якої конструкції при зимівлі на волі, без захисту льотків можливий ефект вітрового тиску, який підсилює і аерацію і конвекцію.
Очевидно, що:
1. Аерація більш ефективна при нізкошіроком, а конвекція при вузько-вертикальному гнізді.
2. Збільшення тепловиділення в будь-якому варіанті підвищує повітрообмін.
3. Зниження внутріульевой або підвищення температури атмосферного повітря знижує ефект вентиляції.
Влітку в процесі повітрообміну активно беруть участь бджоли. Застосування одного або двох (декількох вентиляційних отворів) льотків дозволяє застосувати загальноприйняту у вентиляції термінологію: витісняє або перемішують (Розбавляюча) вентиляція. Як трактувати той чи інший підхід залежить від схеми розташування вічок (вентиляційних отворів).
Чим відрізняється витісняє вентиляція від щоперемішує? Як її ідентифікувати стосовно до вулика?
Все залежить від розташування вентиляційних отворів. Якщо вони розташовані на одному градієнті температури (внизу або вгорі), то доречно таку вентиляцію трактувати як перемішуючу або розбавляють. Якщо вентиляційні отвори розташовані на різних градієнтах температури (угорі й унизу) то така вентиляція буде трактуватися як витісняюча.
У вуликах з одним вічком (сітчастим дном) використовується тільки перемішують (Розбавляюча) вентиляція.
І ще одне дуже важливе зауваження.
У міру зниження теплового навантаження, вентиляція вулика стає надмірною, іноді це призводить до вирівнювання температур (відсутності стратифікації). Якщо повітрообмін спочатку завищений, в робочому режимі стратифікація ніколи не виникне, що характерно для безлічі працюючих систем. Саме режим стратифікації, або стан теплового комфорту для бджіл є тією «золотою серединою» про який говорить Міхайліцін М.І. у своїй статті.
Якщо у вулику створюється умова для конденсації водяної пари чи освіті полою, то доречно вже говорити про тепломасообміну. Це складна теплотехнічна картина. Моделювати такі процеси у вулику можливо, але мені не вдавалося в літературі зустріти навіть формалізацію цього завдання. Якщо ми будемо говорити про розрахунки і визначенні найбільш ефективного і енергетично щадного повітрообміну, то повинні вводити масу змінних величин. Таке завдання ставати вже багатовимірної. Але шляхом введення ряду обмежень і використовуючи напрацювання енергетичних вузів (застосування програм MathCAD і т.д.) і це завдання можна вирішити.
Примітка.
1. У тексті застосовані посилання на рік опублікування законів чи правил.
2. У статті використана тільки загальноприйнята термінологія.
3. При написанні статті використані матеріали з енциклопедії Джеймса Трефи «Природа науки. 200 законів світобудови ». http://elementy.ru, з сайтів міжнародної асоціації інженерів з вентиляції AVOK. http://www.norris.ru, http://www.know-house.ru/, а також з сайту присвяченого фізики http://www.physics.vir.ru/.
PS Це перша стаття з циклу, присвячена дослідженню таємниць бджільництва. Наступні статті будуть присвячені екранування і освітленню вулика, легендам про осінні злетах і інших, придуманих бджолярами таємниць.
Коновальчук Олександр Тимофійович м. Санкт-Петербург, 198264, а / с 449 altiko@mail.ru
Таємниці бувають різні. Деякі таємниці придумують самі ж бджолярі. Таємниці від невігластва. Пізнання таємниць спонукають людей робити відкриття. Про одну з таких таємниць ми і поговоримо. Про таємницю теплообміну у вулику.
На ниві пізнання цієї таємниці, трудиться багато людей. І кожен з них по-своєму її відкриває, при цьому, забуваючи або не знаючи, що вони давним-давно відкриті, і отримали статус законів. І поки не будуть ці знання спростовані іншими законами, ми зобов'язані їх дотримуватися. Дозвольте і мені висловитися на означену тему. Так як в пчеловодной літературі на цю тему багато наверчено, то слід трохи прокоментувати це.
Зупинюся на одній, зовсім свіжою статті в газеті «ПВ» № 9-06. Про таємниці вулика (дупла). Автор Міхайліцін І.М. Є, правда, ще його одна стаття в газеті «ПР» № 8-06, де «вперше в історії бджільництва опублікована стаття, де автор об'єктивно, науково описав процеси, що відбуваються у вулику з родиною зимуючих бджіл. Всі існуючі раніше пояснення поведінки повітря в сім'ї бджіл взимку або інтуїтивні, або ненаукові ». Було б несправедливо, не звертати уваги на публікацію в« ПВ »№ 10-06, де широко рекламуються книги автора і вже з'явилися апостоли вчення.
Автор, перебільшуючи фізичні закони світобудови, вносить свої поняття і визначення. Не знаю, якими знаннями повинен володіти вчитель фізики у сільській школі, але для фахівців такі міркування неприпустимі. Ті гіпотези, які за аксіому визнає пан учитель, по-селянськи називають «наводити тінь на тин».
Автор стверджує, що багато сперечаються, що ж відбувається у вулику. Дійсно, в пчеловодной літературі є безліч суперечливих відомостей. Товариш Міхайліцін ще більше затуманив цю «таємницю». Всі постулати автора я візьму в рамки, бо кожна думка автора, це відкриття фізичного «закону» і шедевр словоблудства.
Одні стверджують, що там дифузія, інші роблять упор на тепловипромінювання, треті, що клуб бджіл «дихає», змінюючи свій обсяг. За рахунок цього він поетапно втягує повітря через вічко, а потім виштовхує ... Четверті для пояснення процесів починають застосовувати фізичні формули .... Не знаючи суті процесів, одні вперто пропонують влаштовувати вентиляцію через верх, інші через низ, треті проводять дослідження про роль верхніх вічок і як це позначається на продуктивності сімей влітку. Суперечка буде тривати нескінченно, поки науково не пояснимо, що ж відбувається у вулику насправді. Головне встановити, як здійснюється вологообмін, так як змінюючи вогкість у вулику - головний ворог для зимуючих бджіл.
Почнемо з останнього.
У вулику немає і бути не може жодного вологообміну.
Вологообмін, це коли промочити ноги, а на лобі вибиває піт. Вживання терміну влагообмен припустимо для характеристики гігроскопічних матеріалів. Наприклад, вологообмін деревини з атмосферою. Є влагопоступленія і влагоудаленіе.
Є, правда, і закон про кругообіг води в природі. Але це інша тема.
А що стосується решти гіпотез автора, то давайте, відокремимо «мух від котлет».
У бджолиному клубі зміну місця розташування кожної бджоли у просторі дупла сумарно не дає прибавки або зменшення обсягу, займаного їм у ньому, тому що бджоли не пов'язані один з одним непроникною для повітря гумовою плівкою.
У вулику не бджоли втягують повітря в обсяг своєї клубу при його збільшенні і не виштовхують при зменшенні .... Насправді, вони тільки пристосовуються до природно піднімається повітрю від льотка, що проходить через клуб і рухомого навколо нього до стелі і опускається вздовж стінок дупла (вулика) вниз, до льотка ....
Клуб бджіл, поселяючись у вулику, ще не дихаючи, як гарячий куля, яка своєю присутністю утворює їх, і тільки потім (!) Починає пристосовуватися до них. Тобто спочатку виникають конвекційні потоки, а потім клуб бджіл починає змінювати свій об'єм, регулюючи проходження через клуб холодного повітря і, одночасно, задовольняючи свої потреби в кисні і викиді водяної пари і вуглекислого газу. Робити вдих не треба: тепле повітря пішов, а на його місце знизу підходить холодний. Тоді треба стиснутися, щоб сильно не охолонути. Розширенням і стисканням обсягу свого клубу бджоли регулюють, як водопровідним краном, кількість повітря, що проходить через нього.
Первинний природний конвекційний потік повітря, в тому числі і через клуб бджіл. Вдруге зміна обсягу клубу, його розширення як вимушена реакція клубу на рух повітря крізь нього.
Спочатку поговоримо про клуб. У вулику живуть бджоли. Клуб не жива істота, а всього лише форма, яку набуває бджолина сім'я, захищаючись від холоду. І нікуди цей клуб не поселяється. Гіпотеза про те, що холодне повітря проходить через клуб суперечить Другому початку термодинаміки. Первинно те, що дає тепло. А у вулику тепло завжди генерують бджоли. Кількість цього тепла, температура всередині клубу і кірки не постійна. Вона залежить від зовнішніх факторів. Згідно з останніми тепловізійним досліджень найвища температура ядра клубу зміщена вниз. (В. ТВБВ). А сам клуб, швидше нагадує за формою грушу, ніж куля. Холодне повітря ніколи не проходить через теплий клуб. Холодне повітря, що надходить у замкнутий об'єм з більш високою температурою завжди стратифіковано розтікається внизу. Формування клубу, це природна реакція бджіл на зниження температури. Клуб завжди повітропроникний, як клубок овечої вовни, але це не означає, що через нього можуть вільно проникати конвекційні струми. Зміни щільності клубу характеризується правилом Аллена (1877). Дослівно правило звучить так:
«У теплокровних тварин (тобто тварин, які виділяють тепло в процесі обміну речовин), що живуть в холодному кліматі, кінцівки менше, ніж у таких же тварин, що мешкають в більш теплому кліматі».
Більшість закономірностей, які спостерігаються у світі рослин і тварин, прямо випливають з теорії еволюції, і правило Аллена - не виняток. Теплокровні тварини, як і комахи, мають внутрішній механізм, який підтримує температуру тіла на постійному рівні. По суті, ці тварини перетворюють енергію їжі в тепло для підтримки постійної температури свого тіла.
Тепло переноситься з внутрішніх органів теплокровних тварин до більш прохолодній поверхні тіла, звідки розсіюється в навколишнє середовище. Це втрачений тепло тварині потрібно знову виробити в процесі обміну речовин (метаболізму), а значить, у його ж інтересах, щоб втрати тепла були мінімальними. Тому полярні тварини мають товстий шар хутра або підшкірного жиру для теплоізоляції і зменшення виносу тепла на поверхню.
Це зауваження справедливе і для бджіл. У північних бджіл більший хітиновий шар, і більше вони роблять жирових запасів на зиму.
Ясно, що чим менше площа поверхні, що стикається з зовнішнім середовищем, тим менше тепла буде випаровуватися при даній температурі навколишнього середовища.
Правило Аллена ілюструє відомі закони фізики. Виробляється всередині теплокровних тварин тепло переходить у навколишнє середовище (см. Теплообмін), де температура нижче (див. Другий закон термодинаміки; Закон Стефана-Больцмана), а звідти воно випаровується шляхом випромінювання або конвекції. Кількість виробленого тепла залежить від об'єму тваринного, а кількість тепла, що минає в навколишнє середовище, залежить від площі поверхні тварини. Тому чим компактніше тварина - або, висловлюючись науково, чим менше відношення поверхні до об'єму, - тим менше будуть втрати тепла і тим більше тепла збережеться. Так що адаптивна цінність низького відносини поверхні до об'єму в північному кліматі очевидна.
Правило Аллена справедливо і для бджіл. Але так як бджоли комахи сімейні, то й чинять опір вони холоду спільно. Якщо навіть грубо зіставити відношення площі окремо взятої бджоли до її об'єму і порівняти з таким же відношенням в клубі бджіл, то ми побачимо, що це співвідношення для клубу буде в тисячі разів менше. Так що адаптивна цінність низького відносини поверхні до об'єму очевидна. Причому щільність клубу постійно змінюється в період зимівлі. Так як рамки є своєрідними шорами для клубу, то його переміщення обмежене тільки в двох площинах «вниз-вгору» і, відповідно при холодному заносі «всередину-назовні» від льотка, а при теплому заносі «між бічними стінками вулика». Відповідно, відбуваються конвекційний теплообмін між повітрям у вулику і поверхнею клубу. Циркуляція повітря відбувається переважно у двох площинах. Ніякої моделі кулі немає і близько.
Утрирувано представляти конвекційні струми у вигляді, якого то згустку, який можна пропускати через кран. Конвекційні струми мають складну турбулентну картину. Вони розподіляються і вгору, і вниз, і вбік. Не слід забувати, що у вулику є ще й стільники, і мед і стінки. Кондуктивний, конвективний і променистий теплообмін відбувається безперервно. А у випадках, коли у вулику один льоток, який розташований нижче клубу, може виникнути і стратифікація (теплий шар з однаковою температурою). У такому випадку буде збільшуватися дифузія, і сповільнюватися конвекція.
А тепер згадаємо про теплообміні (19 століття).
Другий закон термодинаміки (1850 рік) говорить, що теплота завжди передається від більш гарячого тіла більш холодному, про механізм теплопередачі там не говориться ні слова. Однак характер переносу теплоти вкрай важливий з інженерно-фізичної точки зору, і не дивно, що механізми теплообміну стали важливим предметом досліджень в першій половині дев'ятнадцятого століття. Було відкрито три способи теплообміну, і за кожним з них стоїть унікальний фізичний процес. Див механічна теорія теплоти і молекулярно-кінетична теорія. Доречно говорити про три складових теплообміну: кондуктивний (теплопередача), конвективний, і випромінювання. (Conduction, Convection, Radiation). Це всесвітні закони.
Теплопровідністю володіють всі елементи бджолиного гнізда: воскові стільники, мед, рамки, огороджувальні конструкції, самі бджоли і повітря який їх оточує. Саме за допомогою теплопровідності бджоли нагрівають мед над клубом. Якби стільники мали таку ж теплопровідністю як метал, то весь мед у вулику завжди би відповідав температурі всередині клубу. Але цього не відбувається, тому що теплопровідність воску і меду, незначна. У техніці такий вид передачі тепла називають кондуктивних. На сусідні рамки і стінки за допомогою кондуктивної передачі тепло не передається.
Конвективний теплообмін у бджолиному гнізді є основним розповсюджувачем і передавачем тепла. За допомогою теплообміну відбувається циркуляція повітря і видалення продуктом життєдіяльності. За допомогою теплообміну в замкнутий об'єм вулика поступає свіже повітря.
Крім кондуктивної і конвективної передачі тепла, бджоли виділяють тепло і випромінюванням. Нехтувати при розрахунках цим явищем не завжди припустимо.
І на завершення кілька слів про повітрообмін. Повітрообмін у вулику відбувається безперервно. І взимку, і влітку. Тільки в різні періоди життя бджіл у повітрообміну різні рушії. При активній фазі бджоли повітрообмін регулюють примусово, тобто механічно. При пасивній фазі, процес повітрообміну відбувається природним шляхом, за допомогою тепломасообміну. Хоча пасивними бджіл у зимовому повітрообміні назвати можна лише з великою натяжкою. Генеруючи тепло, бджоли або підсилюють, або зменшують повітрообмін. Важливою умовою є спосіб або тип зимівлі.
Виходячи з практики зимівлі, мають на увазі три типи: холодна, тепла і високотемпературна.
Поговоримо ще й про поведінку повітря, що входить у вулик.
Холодне повітря, поступаючи у вулик, завжди стратифіковано стелитися по дну, поки не буде захоплений висхідними потоками. При рівності температур повітря, що поступає і внутріульевого спостерігається картина ізотермічного переміщення, тобто горизонтальний розподіл. При подачі більш теплого повітря, він по шляху найменшого опору спрямовується вгору. Це можна проілюструвати малюнками.
Розподіл потоків повітря залежить від температури входять у вулик повітряних потоків і типу льотка.
Переміщення повітря в системах природної вентиляції відбувається:
- Внаслідок різниці температур зовнішнього (атмосферного) повітря і повітря у вулику, так званої аерації.
- Внаслідок різниці тисків "повітряного стовпа" між нижнім рівнем (входом) і верхнім рівнем - (виходом). Такий повітрообмін називають конвекцією.
- У результаті впливу, так званого вітрового тиску
Ефект аерації використовується у вуликах з одним вічком або сітчастим дном. Чим вище різниця між температурою повітря у вулику і атмосферою, тим інтенсивніше повітрообмін.
Якщо розмір вхідного отвору (льотка або сітчастого дна) недостатній, то у вулику можливе утворення туману або конденсату. При збільшенні розміру вхідного отвору можливе збільшення аерації, що може привести до зрівнювання температур і переохолодженню гнізда.
У вуликах з надлишками тепла повітря завжди тепліше зовнішнього. Важчий зовнішнє повітря, поступаючи у вулик, витісняє з нього більш легкий тепле повітря. При цьому в замкнутому просторі вулика виникає циркуляція повітря, що викликається джерелом тепла, подібна до тієї, яку викликає вентилятор. Цей ефект називається конвекцією. Це явище спостерігається у вуликах з нижнім і верхнім льотком (вентиляційним отвором вгорі вулика).
У вуликах будь-якої конструкції при зимівлі на волі, без захисту льотків можливий ефект вітрового тиску, який підсилює і аерацію і конвекцію.
Очевидно, що:
1. Аерація більш ефективна при нізкошіроком, а конвекція при вузько-вертикальному гнізді.
2. Збільшення тепловиділення в будь-якому варіанті підвищує повітрообмін.
3. Зниження внутріульевой або підвищення температури атмосферного повітря знижує ефект вентиляції.
Влітку в процесі повітрообміну активно беруть участь бджоли. Застосування одного або двох (декількох вентиляційних отворів) льотків дозволяє застосувати загальноприйняту у вентиляції термінологію: витісняє або перемішують (Розбавляюча) вентиляція. Як трактувати той чи інший підхід залежить від схеми розташування вічок (вентиляційних отворів).
Чим відрізняється витісняє вентиляція від щоперемішує? Як її ідентифікувати стосовно до вулика?
Все залежить від розташування вентиляційних отворів. Якщо вони розташовані на одному градієнті температури (внизу або вгорі), то доречно таку вентиляцію трактувати як перемішуючу або розбавляють. Якщо вентиляційні отвори розташовані на різних градієнтах температури (угорі й унизу) то така вентиляція буде трактуватися як витісняюча.
У вуликах з одним вічком (сітчастим дном) використовується тільки перемішують (Розбавляюча) вентиляція.
І ще одне дуже важливе зауваження.
У міру зниження теплового навантаження, вентиляція вулика стає надмірною, іноді це призводить до вирівнювання температур (відсутності стратифікації). Якщо повітрообмін спочатку завищений, в робочому режимі стратифікація ніколи не виникне, що характерно для безлічі працюючих систем. Саме режим стратифікації, або стан теплового комфорту для бджіл є тією «золотою серединою» про який говорить Міхайліцін М.І. у своїй статті.
Якщо у вулику створюється умова для конденсації водяної пари чи освіті полою, то доречно вже говорити про тепломасообміну. Це складна теплотехнічна картина. Моделювати такі процеси у вулику можливо, але мені не вдавалося в літературі зустріти навіть формалізацію цього завдання. Якщо ми будемо говорити про розрахунки і визначенні найбільш ефективного і енергетично щадного повітрообміну, то повинні вводити масу змінних величин. Таке завдання ставати вже багатовимірної. Але шляхом введення ряду обмежень і використовуючи напрацювання енергетичних вузів (застосування програм MathCAD і т.д.) і це завдання можна вирішити.
Примітка.
1. У тексті застосовані посилання на рік опублікування законів чи правил.
2. У статті використана тільки загальноприйнята термінологія.
3. При написанні статті використані матеріали з енциклопедії Джеймса Трефи «Природа науки. 200 законів світобудови ». http://elementy.ru, з сайтів міжнародної асоціації інженерів з вентиляції AVOK. http://www.norris.ru, http://www.know-house.ru/, а також з сайту присвяченого фізики http://www.physics.vir.ru/.
PS Це перша стаття з циклу, присвячена дослідженню таємниць бджільництва. Наступні статті будуть присвячені екранування і освітленню вулика, легендам про осінні злетах і інших, придуманих бджолярами таємниць.
Коновальчук Олександр Тимофійович м. Санкт-Петербург, 198264, а / с 449 altiko@mail.ru