Вулик з внутрішнім теплообміном

Реферат: UA 88045 U UA 88045 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до бджільництва і може бути використана в виробництві високоефективних вуликів та для високорентабельного інтенсивного пасічникування. Запропоноване технічне рішення може бути ефективно використане при утриманні бджіл як в однокорпусних вуликах-лежаках, так і в багатокорпусних вуликах та в вуликах з надставками. Відомі конструкції вуликів і рішення [Довідник пасічника. За редакцією В.П. Поліщука, "Урожай", Київ, 1990] не забезпечують обміну повітря і тепла в вулику для рівномірного їхнього розподілу в об'ємі вулика. Крім того, такі вулики, корпуси яких виготовлені із деревини з товщиною дощок до 35 мм, внаслідок відносно малого опору тепловому потоку, не забезпечують комфортних температурних умов для бджіл у вулику як під час медозбору, коли вони перегріваються від сонячного випромінювання, так і під час зимівлі бджолиних сімей надворі в умовах низьких температур зовнішнього повітря. Відоме технічне рішення виконання вулика [Прокопович П.І. Вибрані твори у трьох томах, Харків, Видавничий будинок "ФАКТОР", 2010-2012, - Т. 1, с. 71], в якому для зменшення негативного впливу зовнішнього середовища на умови життєдіяльності бджіл у вулику корпуси виготовлялись із дощок товщиною 45 мм. Але й в цьому вулику не створені умови для вільного внутрішнього обміну повітря. Відомі вулики, корпуси яких виготовлені із спіненого полістиролу (пінопласту) [Бджоляр, № 1, 2012, с. 23] чи поліуретану [Український пасічник, № 2, 2013, с. 47] та мають, завдяки втричі меншій теплопровідності, ніж у деревини, кращі теплоізоляційні характеристики, ніж дерев'яні. Але і цим технічним рішенням притаманний недолік, пов'язаний з неможливістю забезпечення обміну повітря і тепла в вулику для рівномірного їхнього розподілу в об'ємі вулика. Крім того, в вуликах, корпуси яких виготовлені із полімерних матеріалів, має місце забруднення внутрішньої атмосфери у вуликах, а також продуктів бджільництва хімічними сполуками, що входять до складу матеріалу стінок корпусу вулика за рахунок їхнього старіння та розкладання під дією тепла та складових атмосфери у вулику. До цього ще треба додати низьку механічну міцність та малий термін придатності при використанні корпусів цих вуликів, особливо виготовлених із пінопласту. Найбільш близьким до технічного рішення, що заявляється, є вулик в джерелі інформації [Український пасічник, № 7, 2013, с. 39]. В цьому технічному рішенні теплоізоляція внутрішнього простору вулика здійснюється за рахунок виготовлених із деревини двостінних корпусів, нижній із яких перекривається подвійним знімним дном, а верхній стелинами чи прямокутними планками, встановленими між рамками. Основним фактором, що забезпечує теплоізоляцію, в цьому технічному рішенні є нерухоме повітря в незбурених шарах біля внутрішніх та зовнішніх стінок корпусів вулика. Крім того, в ньому за рахунок горизонтальної щілини шириною 5-6 мм між підвісними стінками корпусів досягається ефект обміну повітря між об'ємами по всіх горизонталях висоти корпусів, що допомагає бджолам стабілізувати мікроклімат. Незважаючи на ефективність такої конструкції та відсутність в ній шкідливих полімерних матеріалів, це рішення має такі недоліки: 1. У вулику відсутня можливість забезпечити вільний обмін повітря і тепла в вулику для рівномірного їхнього розподілу по всьому об'єму, де розташовані рамки. 2. Об'єм вулика, де розташовані рамки, з'єднаний з повітряним проміжком між стінками корпусу, що суттєво зменшує теплоізоляційні характеристики двостінних боків корпусів за рахунок вільного руху повітря між стінками. 3. Безпідставно завищена ширина повітряного проміжку між стінками корпусу, яка суттєво перевищує ширину незбуреного шару нерухомого повітря, що викликає невиправдане збільшення матеріалоємності вулика та додаткові втрати тепла за рахунок руху повітря між незбуреними шарами. Задачею технічного рішення, що заявляється, є удосконалення будови вулика для усунення зазначених вище недоліків. Це досягається тим, що в вулику з внутрішнім теплообміном, що містить в собі двостінний корпус, льоток, вуликові рамки, стелини, знімне дно та дах, з метою більш рівномірного розподілу тепла та повітря по всьому об'єму, підвищення теплоізоляційних характеристик та зменшення матеріалоємності, внутрішні вертикальні стінки корпусу виконані із теплопровідного матеріалу, призначеного для контакту з харчовими продуктами, а товщина стінки d визначається за допомогою співвідношення:   th /   d 2 L /  /   d 2 L , де:  - коефіцієнт тепловіддачі матеріалу стінки, Вт/м2 • К;  - задана ефективність теплопередачі внутрішньої стінки, безрозмірна; d - товщина внутрішньої стінки, м; L - висота внутрішньої стінки, м; 1 55 1 1 UA 88045 U 5  - коефіцієнт теплопровідності внутрішньої стінки, Вт/м • К, при цьому між зовнішньою та внутрішньою вертикальними стінками встановлена проміжна третя стінка, яка відокремлена від сусідніх стінок повітряними шарами, товщина яких D визначається співвідношенням: D  Nu   / В , де: В - коефіцієнт тепловіддачі повітря, Вт/м2 • К; 1 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Nu  0,563 Re 2 - число Нуссельта, безрозмірне; Re    L /  - число Рейнольдса, безрозмірне;  - швидкість підйому повітря всередині вулика, м/с;  - в'язкість повітря всередині вулика, м2/ с, а внутрішні вертикальні стінки встановлені таким чином, що вони за межами верхніх брусків рамок контактують з внутрішнім шаром стелин, що виконані у вигляді двошарових панелей, у яких внутрішній шар, обернений до рамок, виготовлений із теплопровідного матеріалу, призначеного для контакту з харчовими продуктами, має товщину d, а величина зазору між панелями двошарових панелей перевищує D, при цьому внутрішні вертикальні стінки можуть бути гофрованими. Відмінними суттєвими ознаками є виконання вулика з внутрішніми теплопровідними стінками певної товщини, які можуть бути гофрованими, наявність повітряних теплоізолюючих шарів, товщина яких визначається співвідношенням, що заявляється. Використання перелічених ознак в будові вулика дає змогу досягти технічного результату - стабілізувати клімат в об'ємі, зменшити втрати тепла та його матеріалоємність. Набір суттєвих ознак в технічному рішенні, що заявляється, забезпечує досягнення більш високої продуктивності бджолиної сім'ї та відповідність критерію "новизна". Можливість практичної реалізації вулика з внутрішнім теплообміном продемонстровано наступним графічним матеріалом: Фіг. 1 - Схематичне зображення фрагменту вулика з вертикальними стінками. Фіг. 2 - Залежність ефективності теплообміну вертикальної внутрішньої стінки від геометричних параметрів. Фіг. 3 - Залежність ефективності теплообміну від товщини вертикальної внутрішньої стінки. Фіг. 4 - Схематичне зображення варіанту реалізації вулика, що заявляється. Для доказу необхідних співвідношень звернемось до малюнку фіг. 1, на якому показаний рух теплових потоків в об'ємі вулика. Вертикальна внутрішня теплопровідна стінка 1 знаходиться безпосередньо біля зони об'єму 2, де генерується тепло QВ від діяльності бджіл. Тепле повітря накопичується під стелею, де нагріває верхню частину теплопровідної стінки 1 до температури Ta . Завдяки теплопередачі нижня частина стінки 1, через яку іде тепловий потік QТ , прогрівається до температури Tе . З іншого боку, холодне повітря, контактуючи з теплопровідною стінкою 1, прогрівається та піднімається до стелі вулика із швидкістю  , утворюючи пристінковий ламінарний потік, який додатково відбирає тепла від внутрішньої стінки. Таким чином відбувається рекуперація тепла, яке виробляють бджоли. Оскільки при достатній теплоізоляції втрати тепла через бокові шарі незначні, то вважаємо, що (1) QВ  QТ Розглянемо розповсюдження тепла вздовж вертикальної стінки 1. Представляємо стінку 1 як ребро прямокутного профілю площею постійного поперечного перерізу  , висотою L та шириною h. Припускаємо, що значення коефіцієнта теплопровідності внутрішньої стінки  достатньо велике, а її товщина d мала в порівнянні з висотою L. Останнє припущення дозволяє нехтувати зміною температури в поперечному перерізі та вважати, що вона змінюється тільки вздовж висоти стінки. Рішення диференціального рівняння теплопровідності для ребра прямокутного профілю наведено в джерелі [Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. М., "Энергия", 1972]. Кінцевий вираз для ефективності внутрішньої стінки прямокутного профілю має вигляд: 1 1 (2)   th2 /   d 2 L / 2 /   d 2 L . Враховуючи те, що одна сторона стінки теплоізольована, маємо: 2 UA 88045 U   th /   d 2 L /  /   d 2 L . 1 1 (3) 1 Графік залежності  від  /   d 2 L для стінки, розрахований із (3), показаний на фіг. 2. Кількість тепла, яке віддає стінка холодному ламінарному потоку, що рухається зі швидкістю  , визначається співвідношенням:  5 10 15 20  QВ  A В T   Tе , де: A - площа внутрішньої стінки; (4) T   Ta  Tе  / ln Ta / Tе - ефективна температура стінки; Ta - температура стінки біля стелі; Tе - температура стінки біля підлоги. З рівняння (4) видно, що ефективність тепловіддачі залежить від площі стінки A. Таким чином, якщо стінку виконати гофрованою, то кількість тепла, що передається від неї, може зрости, наприклад, у два рази. Для знаходження товщини теплоізоляційних шарів 3 між стінками 1, 4 та 5 скористаємось джерелом [Каст В., Кришер О., Рейнике Г., Вантермитель Н. Конвективный тепло- и массоперенос: Пер. с немецкого, М, "Энергия". 1980 г.]. Для зменшення теплопередачі через повітряний шар необхідно, щоб відстань між стінками становила величину, більшу за товщину приповерхневого шару. Товщина приповерхневого шару залежить від ламінарної швидкості конвекції повітря та його кінематичної в'язкості  . Число Рейнольдса характеризує ці величини та визначається співвідношенням: (5) Re    L /  , де L - висота внутрішньої стінки. З іншого боку, число Нуссельта (6) Nu    D /  , де D - товщина приповерхневого шару ламінарного потоку повітря. Між числами Re та Nu існує зв'язок 1 1 (7) Nu  0,664 Pr 3  Re 2 , де Pr   /  - число Прандтля. Для повітря за нормальних умов Pr  0,72 . 1 25 30 35 2 З виразу (3) находимо: Nu  0,563 Re . Toді (8) D  Nu  /  . Таким чином, необхідна товщина повітряного шару D знаходиться із виразу (8). Варіант виконання вулика, що заявляється, який не виключає інші можливі реалізації в межах його правового захисту, зображений на фіг. 4. Вулик має корпус, виконаний із з'єднаних між собою внутрішніх вертикальних теплопровідних стінок 1, зовнішніх стінок 5 та проміжних стінок 4, які обмежують теплоізоляційні шари нерухомого повітря 3. Всередині корпусу розташовані вуликові рамки 6. Внутрішні теплопровідні стінки 1 за межами верхніх брусків рамок 6 контактують з внутрішнім теплопровідним шаром 7 стелин 8 у вигляді двошарових панелей, які обмежують зону об'єму 2, де генерується тепло та зверху якої накопичується тепле повітря. Корпус вулика встановлений на знімне дно 9, облаштоване льотком (на фіг. 4 не показаний). Зверху корпус вулика накритий знімним дахом 10. Приклад 1 Тепловий розрахунок внутрішньої стінки. L  0,3 Внутрішня стінка висотою м виконана із алюмінію   197 Вт / м  С,   20 Вт / м 40   f  /   d 1 2L 2   С . За допомогою співвідношення (3) та кривої (фіг. 2) виконуємо розрахунки  для різних значень товщини внутрішньої стінки d. Одержана крива   f d показана на малюнку фіг. 3. З цієї кривої маємо, що при оптимальній тепловій ефективності   0,23 товщина стінки становить 0,5 мм. Знаходимо 3 UA 88045 U Tе температуру Tе  Tach /   d  5 нижнього кінця внутрішньої стінки з 1 2L . d  0,5  10 3 м за формулою Температура верхнього кінця внутрішньої стінки становить 35 °C. Тоді:  1 Tе  35 / ch 20 / 197  5  10  4 2  0,3  23 C . Приклад 2 Розрахунок товщини шару повітря між стінками вулика. Використовуючи рівняння (8), знаходимо: D  0,563   L /  2   / В . З джерела інформації [http: www.istok. Теплоизолирующая способность воздушных прослоек] знаходимо: швидкість підняття теплого повітря всередині вулика   0,5 м / с , 1 10 коефіцієнт тепловіддачі повітря В  8 Вт / м2  C . Для повітря за звичайних умов:   2,59  10 2 Вт / м  C   10 6 м2 / с . Тоді: 15 20 25 30   1 D  0,563 0,5  0,3 / 10 6 2  2,59  10 2 / 8  0,007 м  7 мм . Таким чином, товщина шару повітря між стінками D  7 мм . Забезпечення в вулику, що заявляється, внутрішнього обміну тепла та надійної теплоізоляції від зовнішнього середовища виключає перегрів простору вулика під дахом під час літньої спеки. Влітку це зменшує енерговитрати бджіл на перемішування повітря всередині вулика. Взимку, під час зимівлі бджіл в стані клубу, ці фактори зводять до нуля конвективні втрати тепла, зменшують до мінімуму втрати тепла за рахунок теплопровідності і спрямовують зверху до низу вулика тепло, яке додатково підігріває зимуючий клуб бджіл. Надлишок метаболічної вологи, при цьому, може бути видалений із вулика капілярним механізмом [Патент України на корисну модель "Бджолиний вулик", Семенюк В.Ф., UA 81497 U, 25.06.2013, МПК (2013.01) А01K 47/00, А0 1K 47/06 (2006.01)]. Принципи, які закладені в створення вулика з внутрішнім теплообміном, що заявляється, дозволяють покращити умови життєдіяльності бджіл влітку та створюють комфортний тепловий режим для сім'ї бджіл під час зимівлі. Завдяки цьому зменшується навантаження на бджіл для підтримання відповідних комфортних умов в вулику, зменшуються витрати корму та зберігається біологічний потенціал сім'ї та її стійкість до хвороб. Як результат, на 20-30 % збільшуються медозбори за рахунок стрімкого весняного нарощування сили сімей та отримання ранньовесняних товарних взятків та збільшення медозборів під час головного літнього взятку. За відсутності хвороб відпадає необхідність використовувати відповідні лікувальні препарати, що суттєво підвищує якість меду, отриманого з вулика, що заявляється. 35 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 1. Вулик з внутрішнім теплообміном, що містить в собі двостінний корпус, льоток, вуликові рамки, стелини, знімне дно та дах, який відрізняється тим, що внутрішні вертикальні стінки корпусу виконані із теплопровідного матеріалу, призначеного для контакту з харчовими продуктами, а товщина стінки d визначається за допомогою співвідношення:   th /   d 2 L /  /   d 2 L , 1 45 50 1 де: 2  - коефіцієнт тепловіддачі матеріалу стінки, Вт/м • К;  - задана ефективність теплопередачі внутрішньої стінки, безрозмірна; d - товщина внутрішньої стінки, м; L - висота внутрішньої стінки, м;  - коефіцієнт теплопровідності внутрішньої стінки, Вт/м • К. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що між зовнішньою та внутрішньою вертикальними стінками встановлені декілька проміжних стінок, які відокремлені від сусідніх стінок повітряними шарами, товщина яких D визначається співвідношенням: D  Nu   / В , де: 4 UA 88045 U 2  В - коефіцієнт тепловіддачі повітря, Вт/м • К; 1 5 10 Nu  0,563 Re 2 - число Нуссельта, безрозмірне; Re    L /  - число Рейнольдса, безрозмірне;  - швидкість підйому повітря всередині вулика, м/с; 2  - в'язкість повітря всередині вулика, м /с. 3. Пристрій за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що внутрішні вертикальні стінки встановлені таким чином, що вони за межами верхніх брусків рамок контактують з внутрішнім шаром стелин, що виконані у вигляді двошарових панелей, у яких внутрішній шар, обернений до рамок, виготовлений із теплопровідного матеріалу, призначеного для контакту з харчовими продуктами, та має товщину, яка забезпечує рівномірний розподіл температури під стелинами, а величина зазору між панелями двошарових панелей перевищує D , при цьому внутрішні вертикальні стінки можуть бути гофрованими. 5 UA 88045 U 6 UA 88045 U Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7