06
Теплозащитные свойства ячеек
Опубликовал: Petr_MSТеплозащитные свойства ячеек
Собираясь в зимний клуб, пчелы концентрируют выделяемую ими энергию в максимально ограниченном пространстве, занимая в том числе и свободные от меда ячейки. По наблюдениям О.С.Львова, в ячейках сотов размещается около 50% особей, составляющих клуб [1].
Существует мнение, что, находясь в ячейках, пчелы сокращают потери тепла и уменьшают потребление кормов. Для оценки теплозащитных качеств этих ячеек мы, пользуясь методом регулярного режима, определили их термическое сопротивление и коэффициент отдачи тепла из ячейки во внешнюю среду.
Если в ячейку поместить предварительно нагретый металлический зонд, то он начнет выделять в ней тепло и передавать его в окружающее пространство. Тепловой баланс между количеством тепла, отданного зондом и воспринятого средой, выразится соотношением [2, 3]
из которого можно получить зависимость
где G — масса зонда, кг; с — удельная теплоемкость материала зонда, Дж/(кг•град); Өv, Өs — средние температуры по объему и по поверхности зонда соответственно, °С; Ss — площадь поверхности зонда, м2; α — коэффициент теплоотдачи зонда, Вт/(м2•град); τ — время, с; m — темп охлаждения зонда, 1/с; С' — полная теплоемкость зонда, Дж/град;
— коэффициент неравномерности распределения температур по поверхности и по объему.
При проведении исследований определение коэффициента Ψ связано со значительными трудностями. Однако для тел из металла, особенно небольшого объема, Ψ практически всегда равен единице (Ψ = 1), а также, учитывая, что для конкретного зонда величина
есть величина постоянная, то формула для определения коэффициента теплоотдачи принимает простую форму α = mFs, a термическое сопротивление
Для проведения исследований изготовили латунный зонд-калориметр 04,86 мм и высотой 11,25 мм. Его масса составляет G = 1,74•10 3 кг, полная теплоемкость С' = = 679•103 Дж/К, общая площадь поверхности Sm = 208,76•106 м2, константа калориметра F = 3,25•103 Дж/градм2.
Схема установки для измерения теплового сопротивления (рис. 1) состоит из вырезанной из сота ячейки 1, латунного зонда-калориметра 2, к которому припаян горячий спай 3 медьконстантановой термопары. В разрез медного проводника 4 включен гальванометр 5. Холодный спай 7 термопары образован медным и Константиновым 6 проводниками. Он находится в непосредственной близости от ячейки.
Гальванометром служил магнитоэлектрический микроамперметр М 95 на пределе измерения 1 рА со световым указателем «зайчик» и длиной шкалы 140 мм.
Для проведения измерений зонд нагревали примерно до температуры 40°С, не допускающей размягчения воска, и вводили в ячейку. Под действием генерируемой термопарой электродвижущей силы (ЭДС) «зайчик» гальванометра отклонялся за 100 делений. По мере охлаждения зонда показания прибора падают. Как только «зайчик» подходил к максимальному делению — 100, включался секундомер. Начиная с этого момента через равные промежутки, например 30 с, нарастающим итогом записывали показания секундомера t и соответствующие им показания гальванометра N. Неизменность показаний прибора свидетельствовала о завершении охлаждения, испытания прекращали.
Полученные результаты представлены в таблице 1, в которой показания микроамперметра выражены в натуральных логарифмах In N. Для повышения достоверности опыты проводили в 4-5 повторностях, а конечные результаты принимались по среднему значению In N. В качестве примера в таблице 1 приведены показатели, а на рисунке 2 — динамика охлаждения зонда вне ячейки.
1. Показатели охлаждения зонда вне ячейки
Время t, с |
Показания прибора N |
In N |
0 |
100 |
4,61 |
30 |
77 |
4,34 |
60 |
60 |
4,09 |
90 |
48 |
3,87 |
120 |
37 |
3,61 |
150 |
29 |
3,37 |
180 |
22 |
3,09 |
210 |
15 |
2,71 |
240 |
12,5 |
2,53 |
270 |
10 |
2,30 |
300 |
6,5 |
1,87 |
Если установился регулярный режим охлаждения, на графике должна быть прямая линия. Начальный и конечный участки этой линии могут отклоняться от прямой, их в расчет принимать не следует.
Взяли точки А и Б с координатами соответственно t, = 0 с и In N, = 4,61; t2 = 180 с и In N2 = 3,09, при которых темп охлаждения составляет
Динамика охлаждения зонда в светлой ячейке представлена на рисунке 3, и темп охлаждения, соответствующий точкам А и Б, составляет
Темп охлаждения зонда в темной ячейке (рис. 4) близок к показателям, полученным в светлой ячейке, и составляет
После того как были определены темпы охлаждения, по приведенным выше формулам нашли коэффициенты теплоотдачи и термического сопротивления ячеек. Результаты приведены в таблице 2. В ней также указаны результаты измерения теплозащитных качеств ячеек непосредственно в сотах.
2. Теплозащитные качества ячеек (зонд 04,86 мм)
Расположение зонда и термопары относительно ячеек |
Темп охлаждения т, 1/с•103 |
Коэффициент теплоотдачи а, Вт/м2•град |
Температурное сопротивление R, град•м2/Вт•103 |
Вне ячейки |
8,4 |
27,32 |
36,6 |
Одиночная светлая ячейка |
6,4 |
20,82 |
48,0 |
Одиночная темная ячейка |
6,2 |
20,17 |
49,6 |
Горизонтальный сот, термопара над сотом: | |||
светлая ячейка |
4,5 |
14,64 |
68,3 |
темная ячейка |
4,1 |
13,33 |
75,0 |
Вертикальный сот, светлая ячейка: | |||
термопара в воздухе |
4,1 |
13,33 |
75,0 |
термопара в соте |
5,4 |
17,56 |
56,9 |
Горизонтальный сот, светлая ячейка, термопара в соте |
5,0 |
16,26 |
61,5 |
Зонд 04,86 мм имеет повышенную теплоемкость и хорошо помещается в светлые ячейки. Однако в большинство темных ячеек он не входит. Поэтому был испытан зонд меньшего диаметра — 3,55 мм. Результаты представлены в таблице 3.
Как видно из данной таблицы, результаты обоих измерений близки.
Необходимо подчеркнуть, что зонд 04,86 мм меньше диаметра груди среднерусских пчел (5,2-5,5 мм) [4]и в темные ячейки сота не входит. Следовательно, в них не войдут и пчелы, оказавшиеся на темных сотах при зимней сборке. Кроме того, пустые ячейки снижают компактность гнезда.
3. Теплозащитные качества ячеек (зонд 03,55 мм)
Расположение зонда и термопары относительно ячеек |
Темп охлаждения т, 1/с•103 |
Коэффициент теплоотдачи а, Вт/м2•град |
Температурное сопротивление R, град•м2/Вт•103 |
Вне ячейки |
12,0 |
30,70 |
32,6 |
Одиночная светлая ячейка |
7,5 |
19,19 |
52,1 |
Горизонтальный сот, светлая ячейка, термопара над сотом |
6,6 |
16,88 |
59,2 |
Горизонтальный сот, термопара в соте: светлая ячейка |
6,5 |
16,63 |
60,1 |
темная ячейка |
6,0 |
15,35 |
65,1 |
Вертикальный сот, светлая ячейка, термопара в воздухе |
5,6 |
14,33 |
69,8 |
Как следует из таблицы 2, теплозащитные свойства как светлых, так и темных ячеек практически одинаковы: темп охлаждения составляет 6,4•10-3 и 6,2•10-3 1/с соответственно; температурное сопротивление — 48,0•10• и 49,6•10-3 м2•град/Вт соответственно.
В реальных условиях, когда пчелы занимают все ячейки сота с двух сторон, а температура всех особей примерно одинакова, коэффициент теплоотдачи будет намного меньше. Потери тепла будут происходить фактически через открытую часть ячеек.
В.И.ЛЕБЕДЕВ, А.И.КАСЬЯНОВ, Е.П.ЛАПЫНИНА
ФГБНУ «ФНЦ пчеловодства»
ж-л «Пчеловодство» №9, 2018 г.Литература
1. Львов О.С. Биология клуба зимующих пчел в связи с вопросом обоснования необходимости формирования гнезд пчел на зиму: автореф. дис. ... канд. биол. наук. — М., 1957.
2. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. — М, 1969.
3. Семяшкин Е.М. Измерения коэффициента теплоотдачи, теплоемкости методом регулярного режима: дис. ... канд. техн. наук. —Л., 1960.
4. Федосов Н. Ф. Размеры тела пчелы // Пчеловодство. — 1961,— №6.