О тайнах улья. Теплообмен

О тайнах улья. Теплообмен

Тайны бывают разные. Некоторые тайны придумывают сами же пчеловоды. Тайны от невежества. Познание тайн побуждают людей делать открытия. Об одной из таких тайн мы и поговорим. О тайне теплообмена в улье.

На ниве познания этой тайны,  трудится много людей. И каждый из них по-своему её открывает, при этом, забывая или не зная, что они давным-давно открыты, и получили статус законов. И пока не будут эти знания опровергнуты другими законами, мы обязаны их придерживаться. Позвольте и мне высказаться на означенную тему. Так как в  пчеловодной литературе на эту тему много наверчено, то следует немного прокомментировать это.

Остановлюсь на одной, совсем свежей статье в газете «ПВ» №9-06. О тайнах улья (дупла).  Автор Михайлицин И.М.  Есть, правда, ещё его одна статья в газете «ПР» №8-06, где   «впервые в истории пчеловодства опубликована статья, где автор  объективно, научно описал процессы, происходящие в улье с семьёй зимующих пчёл. Все существующие ранее объяснения поведения воздуха в семье пчёл зимой либо интуитивны, либо ненаучны». Было бы несправедливо, не обращать внимания на публикацию в «ПВ» №10-06, где широко рекламируются книги автора и уже появились апостолы учения.

Автор, утрируя физические законы мироздания,  вносит свои понятия и определения. Не знаю, какими знаниями должен обладать учитель физики в сельской школе, но для специалистов такие рассуждения недопустимы. Те гипотезы, которые за аксиому признаёт господин учитель, по-деревенски  называют «наводить тень на плетень».

Автор утверждает, что многие спорят, что же происходит в улье. Действительно,  в пчеловодной литературе есть множество противоречивых сведений. Товарищ Михайлицин ещё больше затуманил эту «тайну». Все постулаты автора я возьму в рамки, ибо каждая мысль автора, это открытие физического «закона» и шедевр словоблудия.

 Одни утверждают, что там диффузия, другие делают упор на теплоизлучении, третьи, что  клуб пчёл «дышит», изменяя свой объём. За счёт этого он поэтапно втягивает воздух через леток, а потом выталкивает…Четвёртые для объяснения процессов начинают применять физические формулы…. Не зная сути процессов, одни упрямо предлагают устраивать вентиляцию через верх, другие через низ, третьи проводят исследования о роли верхних летков и как это сказывается на продуктивности семей летом. Спор будет продолжаться бесконечно, пока научно не объясним, что же происходит в улье на самом деле. Главное установить, как осуществляется влагообмен, так как изменяя сырость в улье - главный враг для зимующих пчёл.

Начнём с последнего.

 В улье нет и быть не может никакого влагообмена.

Влагообмен, это когда промочишь ноги, а на лбу вышибает пот.  Употребление термина влагообмен допустимо для характеристики гигроскопических материалов. Например, влагообмен древесины с атмосферой. Есть влагопоступления и влагоудаление.

Есть,  правда, и закон о круговороте воды в природе. Но это другая тема.

А что касается остальных гипотез автора,  то давайте, отделим «мух от котлет».

В пчелином клубе изменение местоположения каждой пчелы в пространстве дупла суммарно не даёт прибавки или уменьшения объёма, занимаемого им в нём, так как пчёлы не связаны друг с другом непроницаемой для воздуха резиновой плёнкой.

В улье не пчёлы втягивают воздух в объём своего клуба при его увеличении и не выталкивают при уменьшении…. На самом деле, они только приспосабливаются к естественно поднимающемуся воздуху от летка, проходящему через клуб и движущегося вокруг него к потолку и опускающемуся вдоль стенок дупла (улья) вниз, к летку….

Клуб пчёл, поселяясь в улье, еще не дыша, как горячий шар, своим присутствием образует их, и только потом(!) начинает приспосабливаться к ним.  То есть сначала возникают конвекционные потоки, а потом клуб пчёл начинает изменять свой объём, регулируя прохождение через клуб холодного воздуха и, одновременно, удовлетворяя свои потребности в кислороде и выбросе водяных паров и углекислого газа. Делать вдох не надо: тёплый воздух ушёл, а на его место снизу подходит холодный. Тогда надо сжаться, чтобы сильно не охладиться. Расширением и сжатием объёма своего клуба пчёлы регулируют, как водопроводным краном, количество воздуха, проходящего через него.

Первичен естественный конвекционный поток воздуха, в том числе и через клуб пчёл. Вторично изменение объёма клуба, его расширение как вынужденная реакция клуба на движение воздуха сквозь него.

 Вначале поговорим о клубе. В улье живут пчёлы. Клуб не живое существо, а всего лишь форма, которую приобретает пчелиная семья, защищаясь от холода. И никуда этот клуб  не поселяется. Гипотеза о том, что холодный воздух проходит через клуб противоречит    Второму началу термодинамики.   Первично то, что даёт тепло. А в улье тепло всегда генерируют пчёлы.  Количество этого тепла,  температура внутри клуба и корки не постоянна. Она зависит от внешних факторов. Согласно последним тепловизионным исследованиям наивысшая температура ядра клуба смещена вниз. (В. Тобоев). А сам клуб, скорее напоминает по форме грушу, нежели шар. Холодный воздух никогда не проходит через тёплый клуб. Холодный воздух,  поступающий в замкнутый объём с более высокой температурой всегда стратифицировано растекается внизу. Формирование  клуба, это естественная реакция пчёл на понижение температуры. Клуб всегда воздухопроницаем, как клубок овечьей шерсти, но это не значит, что через него могут свободно проникать конвекционные токи.  Изменения плотности клуба характеризуется правилом Аллена (1877). Дословно правило звучит так:

«У теплокровных животных (то есть животных, которые выделяют тепло в процессе обмена веществ), живущих в холодном климате, конечности меньше, чем у таких же животных, обитающих в более теплом климате».

Большинство закономерностей, наблюдаемых в мире растений и животных, прямо следуют из теории эволюции, и правило Аллена -- не исключение. Теплокровные животные, как и насекомые, имеют внутренний механизм, поддерживающий температуру тела на постоянном уровне. По сути, эти животные преобразуют энергию пищи в тепло для поддержания постоянной температуры своего тела.

Тепло переносится из внутренних органов теплокровных животных к более прохладной поверхности тела, откуда рассеивается в окружающую среду. Это потерянное тепло животному нужно снова выработать в процессе обмена веществ (метаболизма), а значит, в его же интересах, чтобы потери тепла были минимальными. Поэтому полярные животные имеют толстый слой меха или подкожного жира для теплоизоляции и уменьшения выноса тепла на поверхность.

      Это замечание справедливо и для пчёл. У северных пчёл больший хитиновый слой, и больше они делают жировых запасов в зиму.

Ясно, что чем меньше площадь поверхности, соприкасающейся с внешней средой, тем меньше тепла будет улетучиваться при данной температуре окружающей среды. 

Правило Аллена иллюстрирует известные законы физики. Вырабатываемое внутри теплокровных животных тепло переходит в окружающую среду (см. Теплообмен), где температура ниже (см. Второе начало термодинамики; Закон Стефана--Больцмана), а оттуда оно улетучивается путем излучения или конвекции. Количество вырабатываемого тепла зависит от объема животного, а количество тепла, уходящего в окружающую среду, зависит от площади поверхности животного. Поэтому чем компактнее животное -- или, выражаясь научно, чем меньше отношение поверхности к объему, -- тем меньше будут потери тепла и тем больше тепла сохранится. Так что адаптивная ценность низкого отношения поверхности к объему в северном климате очевидна.

 Правило Аллена справедливо и для пчёл. Но так как  пчёлы насекомые семейные, то и сопротивляются они холоду сообща. Если даже грубо сопоставить отношение площади отдельно взятой пчелы к её объему и сравнить с таким же отношением в клубе пчёл, то мы увидим, что это соотношение для клуба будет в тысячи раз меньше. Так что адаптивная ценность низкого отношения поверхности к объему  очевидна.  Причём плотность клуба постоянно меняется в период зимовки. Так как рамки являются своеобразными шорами для клуба, то его перемещение ограничено  только в двух плоскостях «вниз-вверх» и, соответственно при холодном заносе «вглубь-наружу» от летка, а при тёплом заносе «между боковыми стенками улья». Соответственно, происходят конвекционный теплообмен между воздухом в улье и поверхностью клуба. Циркуляция воздуха происходит преимущественно в двух плоскостях. Никакой модели шара нет и близко.

Утрировано представлять конвекционные токи в виде, какого то сгустка, который можно пропускать через кран. Конвекционные токи имеют сложную турбулентную картину. Они распределяются и вверх, и вниз, и вбок. Не следует забывать, что в улье имеются ещё и соты, и мёд и стенки.  Кондуктивный,  конвективный и лучистый  теплообмены происходит непрерывно. А в случаях, когда в улье  один леток,  который расположен ниже клуба, может возникнуть и стратификация (тёплый слой с одинаковой температурой). В таком случае будет увеличиваться диффузия, и замедляться конвекция.  

 А теперь вспомним о теплообмене (19 век).

Второе начало термодинамики (1850 год) гласит, что теплота всегда передается от более горячего тела к более холодному,   о механизме теплопередачи там не говорится ни слова. Однако характер переноса теплоты крайне важен с инженерно-физической точки зрения, и не удивительно, что механизмы теплообмена стали важным предметом исследований в первой половине девятнадцатого столетия.   Было открыто три способа теплообмена, и за каждым из них стоит уникальный физический процесс. См. механическая теория теплоты и молекулярно-кинетическая теория. Уместно говорить о трёх составляющих теплообмена: кондуктивный (теплопередача),   конвективный, и излучение. (Conduction, Convection, Radiation). Это всемирные законы.

Теплопроводностью обладают все элементы пчелиного гнезда: восковые соты, мёд, рамки, ограждающие конструкции, сами пчёлы и воздух который их окружает.  Именно посредством теплопроводности пчёлы нагревают мёд над клубом. Если бы соты обладали такой же теплопроводностью как металл, то весь мёд в улье всегда бы соответствовал температуре внутри клуба. Но этого не происходит, так как теплопроводность воска и мёда,  незначительна. В технике такой вид передачи тепла называют кондуктивным. На соседние рамки и стенки посредством кондуктивной передачи тепло не передаётся. 

Конвективный теплообмен в пчелином гнезде является основным распространителем и передатчиком тепла. Посредством теплообмена происходит циркуляция воздуха и удаление продуктом жизнедеятельности. Посредством теплообмена в замкнутый объём улья поступает свежий воздух.

Помимо кондуктивной и конвективной передачи тепла,  пчелы выделяют тепло и излучением. Пренебрегать при расчётах этим явлением не всегда допустимо.

И в завершение несколько слов   о воздухообмене. Воздухообмен в улье происходит непрерывно. И зимой и летом. Только в разные периоды жизни пчёл у воздухообмена разные движители. При активной фазе пчёлы воздухообмен регулируют принудительно, то есть механически. При пассивной фазе, процесс воздухообмена происходит естественным путём, при помощи тепломассообмена. Хотя пассивными пчёл в зимнем воздухообмене назвать можно лишь с большой натяжкой. Генерируя тепло, пчёлы либо усиливают, либо уменьшают воздухообмен.  Важным условием является способ или тип зимовки.

Исходя из практики зимовки, подразумевают три типа:  холодная, тёплая и высокотемпературная.

  Поговорим ёщё и о поведении воздуха, входящего в улей.

Холодный воздух, поступая в улей, всегда стратифицировано стелиться по дну, пока не будет захвачен восходящими потоками. При равенстве температур поступающего воздуха и внутриульевого наблюдается картина изотермического перемещения, то есть горизонтальное распределение. При подаче более тёплого воздуха, он по пути наименьшего сопротивления устремляется вверх.  Это можно проиллюстрировать рисунками.

Распределение потоков воздуха зависит от температуры входящих в улей воздушных потоков   и типа летка.

Перемещение воздуха в системах естественной вентиляции происходит:

- Вследствие разности температур наружного (атмосферного) воздуха и воздуха в улье, так называемой аэрации.

- Вследствие разности давлений "воздушного столба" между нижним уровнем (входом) и верхним уровнем - (выходом). Такой воздухообмен называют    конвекцией.

- В результате воздействия,  так называемого ветрового давления

      Эффект аэрации используется в ульях с одним летком или сетчатым дном. Чем выше разность  между температурой воздуха в улье  и атмосферой,  тем интенсивнее воздухообмен.

       Если размер входного отверстия (летка или сетчатого дна) недостаточен, то в улье возможно образование тумана или конденсата. При   увеличении размера входного отверстия возможно увеличение   аэрации, что может привести к уравниванию температур и переохлаждению гнезда.

В ульях с избытками тепла воздух всегда теплее наружного. Более тяжелый наружный воздух, поступая в улей, вытесняет из него более легкий теплый воздух. При этом в замкнутом пространстве улья  возникает циркуляция воздуха, вызываемая источником тепла, подобная той, которую вызывает вентилятор. Этот эффект называется  конвекцией. Это явление наблюдается в ульях с нижним и верхним летком (вентиляционным отверстием вверху улья).

В ульях любой конструкции при зимовке на воле, без защиты летков возможен эффект ветрового давления, который усиливает и аэрацию и конвекцию.

Очевидно, что:

            1. Аэрация более эффективна при низкошироком, а конвекция при узко-вертикальном гнезде.

2. Увеличение тепловыделения в любом варианте повышает воздухообмен.

            3. Понижение внутриульевой  или повышение температуры атмосферного воздуха снижает эффект вентиляции.

 Летом в процессе воздухообмена активно участвуют пчёлы. Применение одного  или двух (нескольких вентиляционных отверстий) летков позволяет применить общепринятую в вентиляции терминологию: вытесняющая или перемешивающая (разбавляющая) вентиляция. Как трактовать тот или иной подход зависит от схемы расположения летков (вентиляционных отверстий).

Чем отличается вытесняющая вентиляция от перемешивающей? Как её идентифицировать применительно к улью?

Всё зависит от расположения вентиляционных отверстий. Если они расположены на одном градиенте температуры (внизу или вверху), то уместно такую вентиляцию трактовать как перемешивающую или разбавляющую. Если вентиляционные отверстия расположены на разных градиентах температуры (вверху и внизу) то такая вентиляция будет трактоваться как вытесняющая.

В ульях с одним летком (сетчатым дном) используется только перемешивающая (разбавляющая) вентиляция.

И ещё одно очень важное замечание.

По мере снижения тепловой нагрузки,  вентиляция улья становится избыточной, иногда это приводит к выравниванию температур (отсутствию стратификации). Если воздухообмен изначально завышен, в рабочем режиме стратификация никогда не возникнет, что характерно для множества работающих систем. Именно режим стратификации, или состояние теплового комфорта для пчёл является той «золотой серединой» о котором говорит Михайлицин М.И. в своей статье.

Если в улье создаётся условие для конденсации водяных паров или образовании наледи, то уместно уже говорить о тепломассообмене. Это сложная теплотехническая картина. Моделировать такие процессы в улье возможно, но мне не удавалось в литературе встретить даже формализацию этой задачи. Если мы будем говорить о расчётах и определении наиболее эффективного и энергетически щадящего воздухообмена, то должны вводить массу переменных величин. Такая задача становиться уже многомерной. Но путём введения ряда ограничений и используя наработки энергетических вузов (применения программ MathCAD  и т.д.)  и эту задачу можно решить.

 Примечание.

1. В тексте применены ссылки на год опубликования законов или правил.

2. В статье использована только общепринятая терминология.

3. При написании статьи использованы материалы из энциклопедии  Джеймса Трефила «Природа науки. 200 законов мироздания». http://elementy.ru,   из сайтов  международной ассоциации инженеров по вентиляции AVOK. http://www.norris.ru, http://www.know-house.ru/, а также из сайта посвящённого физике http://www.physics.vir.ru/.  

P.S.  Это первая статья из цикла, посвящённая исследованию тайн пчеловодства. Следующие статьи будут посвящены экранированию и  осветлению улья, легендам об осенних слётах и других, придуманных пчеловодами тайн.

Коновальчук Александр Тимофеевич г. Санкт-Петербург, 198264, а/я 449 altiko@mail.ru