ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ

Перейдем к описанию принципиальных схем основных элементов схемы терморегулирования (рис. 3.35—3.37).

► Силовой блок и блок питания для подогрева ульев

В качестве силового трансформатора Т1 в схеме ис­пользуется серийный накальный трансформатор типа ТН61-127/220-50К, но может использоваться и любой другой на

мощность не менее 200 Вт (для 10-ти ульев). Напряжение вторичной обмотки должно соответствовать выбранному напряжению для подогрева. При этом надо иметь в виду следующее:

1. Реально к подогревателям ЕК будет прикладываться напряжение на 1,5 В ниже расчетного за счет падения этого напряжения на открытом тиристоре V6. В моей схеме к подогревателю реально прикладывается на­пряжение 22,5 В.

2. За счет естественного повышения величины сопро­тивления нагревательного элемента при его разогре­ве ток через подогреватель уменьшается. Реальный ток через один подогреватель ЕК составляет 0,7 А против 0,96 А по расчету.

За счет этих двух причин реальная мощность подогре­вателя составляет 16 Вт против 23 Вт по расчету.

Эти особенности работы схемы надо обязательно учи­тывать при расчете реальной мощности подогревателя.

Если мощность изготовленного подогревателя окажется недостаточной, то ее можно увеличить или за счет увели­чения питающего'напряжения, снимаемого с трансформа­тора, или за счет уменьшения сопротивления (длины) на­гревательного элемента. В нашем варианте для увеличения реальной мощности нагревателя до 20 Вт надо или увели­чить снимаемое со вторичной обмотки питающее напряже­ние до 30 В (если такая возможность есть), или отрезать около 5 Ом сопротивления, измеренного на «холодной» проволоке.

И еще одно замечание. Подогреватель обеспечивает за­данную мощность при номинальном значении питающего напряжения сети в 220 В. Однако, по ряду причин, особен­но в сельской местности, напряжение в сети может под­держиваться ниже номинала. В отдельных местностях на­пряжение сети бывает даже менее 200 В. Поэтому, если окажется, что не хватает мощности подогревателя, поиск причины надо начинать с измерения номинала питающего напряжения сети.

В схеме в качестве выпрямителя используется мосто­вая схема на диодах V1—V4 типа КД 203Б. Однако могут использоваться и другие силовые диоды на ток 5—10 А. На транзисторе VT1 собрана схема стабилизации для питания микросхемы. Исполнительным элементом схемы терморе­гулирования является тиристор V6 типа КУ 202 с любым буквенным индексом от Г до Н. Диод V5 выполняет функ­цию развязки напряжения, прикладываемого к тиристору и подогревателям. Диод V5 может быть любого типа на ток не менее 0,1 А. Лампа Н1 и светодиоды V7, V8 используют­ся для контроля работы схемы терморегулирования.

► Силовой блок для обогрева помещения

Обогрев помещения производится от сети 220 В без трансформатора. Выпрямительный мост блока собран на силовых диодах V1—V4. Это могут быть любые диоды на ток 10 А с обратным напряжением не менее 300 В. Испол­нительным элементом схемы является тиристор V7 типа КУ 202Н(М)

В качестве нагревательного элемента можно использо­вать любые бытовые электрорадиаторы, электроконвекто­ры, электроплитки закрытого типа мощностью 500—1 000 Вт. Если температура поверхности нагревателя будет больше 80—90 °С, то эту поверхность надо накрыть толстым ме­таллическим листом. Указанной мощности нагревателя до­статочно для поддержания необходимой для зимовки тем­пературы 5 ± ГС в помещении объемом до 10—12 м³ с теплыми (деревянными, из пенобетона, керамзита и т.д.) стенами и хорошо утепленным потолком. В помещении большего объема мощность нагревателя с данным сило­вым блоком можно увеличить, но не более чем до 2 кВт. При этом силовые диоды V1—V4 и особенно тиристор V7 должны находиться на вертикально расположенных метал­лических радиаторах площадью 40—50 см² каждый. Свето­диоды V5, V6 используются для контроля работы схемы.

Если будет принято решение осуществлять автомати­ческий обогрев только в помещении и не заниматься внут-риульевым подогревом, то в этом случае надо будет изго­товить только силовой блок для обогрева помещения и блок терморегулирования с отдельным блоком питания для него.

Блок питания в этом случае изготавливается по анало­гии с блоком питания для подогрева ульев. Но трансфор­матор Т1 может иметь мощность не более 5—10 Вт, вто­ричное напряжение 26—30 В. Диоды V1—V4 любые на ток не более 0,1 А. Силовой узел — тиристор V6, светодиоды V7, V8 и соответствующие сопротивления исключаются.

Также исключается диод V5. Выходное напряжение этого блока питания выставляется подбором типа стабилитрона или цепочки стабилитронов в цепи базы транзистора VT1 и может составлять от 27 до 30 В. Может использоваться и любой другой блок питания со стабилизатором на соответ­ствующее напряжение и ток не менее 0,1 А.

Внимание!При сборке схемы терморегулирования для помещения надо иметь в виду, что все элементы силового блока будут находиться под опасным для жизни потенциа­лом 220 В. Под этим же потенциалом будут находиться и элементы блока терморегулирования. По этой причине все эти элементы должны быть надежно изолированы от корпусов этих блоков и недоступны для случайного при­косновения при работе.

► Блок терморегулирования

Блок терморегулирования собран на микросхеме К553УД2. Термочувствительным элементом (термодатчиком) является термосопротивление R2 4,7 кОм типа ММТ-4, которое поме­щается в один из ульев над поверхностью подогревателя под низ рамок.

При настройке схемы потенциометром R7 «Гистерезис» выставляется ширина температурной петли гистерезиса в 1,5-2 °С. Делается это так: вращается ручка потенциомет­ра R3 «Температура» в одну сторону до срабатывания схе­мы. На шкале «Температура» отмечается точка 1 срабаты­вания (включения) схемы. Затем потенциометр R3 вращается в противоположную сторону и отмечается точка 2 обрат­ного срабатывания (выключения) схемы. Расстояние меж­ду точками 1 и 2 в °С и есть ширина температурного гисте­резиса. Регулировкой R7 добиваются, чтобы разница этих температур была не больше 1,5—2 °С.

Потенциометром R1 «ток УЭ» выставляется ток управ­ляющего электрода, при котором происходит надежное срабатывание (открытие тиристора). При этом надо прове­рить, будет ли при выставленном токе УЭ происходить зак­рытие тиристора. В моей схеме для тиристора КУ 202Л выставлен /_уэ = 8 мА.

Подбором R1 выставляется значение выбранного темпе­ратурного диапазона автоматического регулирования на шкалу «Температура», находящуюся на передней панели блока. При указанных на схеме значениях сопротивлений диапазон автоматического регулирования блока лежит в пределах от 0 до 50 "С. Градуирование шкалы «Температу­ра» производится при помощи надежного термометра. Тер­модатчик R2 и термометр помещают в место с фиксируе­мой температурой на несколько минут. Необходимо иметь в виду, что тепловая инерционность термосопротивления в воздушной среде составляет не менее 120 секунд. Не мень­шую инерционность имеет и термометр. Поэтому для на­дежного фиксирования температуры термосопротивление и термометр надо держать в среде с фиксируемой темпе­ратурой не менее 8—10 минут. После этого вращением руч­ки потенциометра R3 добиваются выключения электропо­догревателя ЕК и на шкале «Температура» делается соот­ветствующая отметка. Температура, которую в это время показывает термометр, будет соответствовать сделанной на шкале отметке. Обращаю внимание на то, что шкала «Температура» должна градуироваться не на включе­ние подогревателя, а на его выключение.Дело в том, что для одной и той же температуры, за счет тепловой петли гистерезиса, положение ручки на шкале «Температу­ра» при включении и выключении подогревателя будет от­личаться на 1,5—2 °С.

Указанное выше регулирование блока означает, что при работающей схеме терморегулирования в улье будет под­держиваться температура не выше той, которая будет вы­ставлена на шкале.

В качестве фиксируемых температур можно пользоваться комнатной температурой, температурой над поверхностью хорошо прогретого электроподогревателя, температурой внутри холодильника, температурой тающего льда (0 °С) и др. В ходе эксплуатации аппаратуры градуирование шкалы «Температура» уточняется.

Для возможности выбора можно порекомендовать также оригинальную схему регулятора температур, которая приве­дена в № 9 журнала «Пчеловодство» за 2005 год на стр. 44.

Заканчивая рассмотрение вопроса, хочется дать совет тем, кто собирается изготовить комплект аппаратуры для терморегулирования: прежде чем начать изготовление, обя­зательно прочитайте ту часть приложения 3, в которой го­ворится о способах подключения нагрузок.

И последнее. Обращаю внимание на то, что представ­ленная схема терморегулирования может с успехом ис­пользоваться в быту и для других целей: регулирования температуры в инкубаторах, аквариумах и т.д.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Живое дерево: Осень — зима — весна

Глядя на сбросившее листву дерево, многим из нас кажет­ся, что жизнь в нем остановилась до следующей весны. Кое-кто ничуть не сомневается в этом, однако не все так просто и однозначно в тех процессах, которые происходят в таком, казалось бы, известном нам растении, как дерево...

Ученые многих стран, изучающие жизнедеятельность (фи­зиологию) древесных растений, пока не пришли к единому мнению относительно того, как именно древесный орга­низм реагирует на снижение температуры окружающей сре­ды, какие процессы при этом и в какой последовательнос­ти происходят в капиллярах и живых клетках древесины, почему и при каких условиях происходит полное прекра­щение жизнедеятельности (вымерзание) растений.

При глубокой проработке этого вопроса возникает мно­жество частных проблем. Вот только один пример — вода. Уж, кажется, что может быть проще!

У многих из нас еще со школьных лет прочно устано­вился стереотип о том, что вода замерзает при температуре 0 "С. Однако оказывается, что самая обычная вода, находя­щаяся в стеклянной трубочке с микрокапилляром в 0,1 мм, замерзает при —20 °С (Чудинов Б.С., 1984). В то же время в древесном капилляре такого же диаметра она замерзает при более высокой температуре. Приемлемого объяснения этому факту пока никто не дал. Более того, имеется инфррмация о том, что при определенных условиях обычная вода может оставаться в жидком состоянии (так называе­мая переохлажденная вода) при температурах вплоть до -70 °С (Веретенников А:В., 1987).

Существует также и ряд других проблем, по которым пока нет однозначного понимания.

По всем этим причинам предлагаемая модель функцио­нирования живого дерева лиственной породы в период вре­мени осень — зима — весна не может претендовать на бесспорность. Однако, с учетом всей имеющейся инфор­мации по этому вопросу на сегодняшний день, эта модель представляется наиболее вероятной.

♦ ♦ ♦

Процесс подготовки дерева к зиме начинается задолго до ее наступления. Считается, что механизм предваритель­ной подготовки дерева к зиме включается с началом со­кращения светового дня, когда в дереве начинают приос­танавливаться процессы роста. Затем в конце лета дерево вступает в состояние так называемого внутреннего покоя, при котором в древесном организме резко снижается ин­тенсивность обмена веществ.

При дальнейшем устойчивом снижении температуры воз­духа ниже +10 °С, чаще всего это происходит в августе, дерево переходит в состояние глубокого (органического) покоя, который для большинства древесных растений сред­ней полосы длится до ноября — декабря (Сергеев Л.И., 1964). По другому источнику — до ноября — января (Лес­ная энциклопедия, 1986).

Осенью с наступлением холодов обменные процессы в дереве продолжают замедляться. Уменьшаются в связи с этим и возможности проводящей системы дерева па дос­тавке влаги и питательных веществ к ветвям (особенно тон­ким) и листьям. Однако транспирация (испарение) влаги в атмосферу не прекращается, и для того чтобы уменьшить транспирацию и привести ее хоть в какое-то соответствие с возможностями по доставке влаги, дерево сбрасывает листву. Таким образом, дерево защищает себя от зимнего иссушения.

В процессе характерных для осени многократных пере­падов температур происходит так называемое закаливание дерева. В ходе этого периода внутри живых клеток дерева начинают накапливаться защитные вещества в виде раство­ров Сахаров и некоторых других веществ. Эти защитные вещества создают в дереве такие условия, при которых сильно снижается вероятность образования льда внутри живых клеток. Но даже у наиболее морозостойких деревь­ев вся имеющаяся в тканях вода не может оставаться не­замерзающей. Какая-то ее часть при длительном воздей­ствии низких отрицательных температур все же будет за­мерзать. Самое главное, чтобы этот процесс происходил не в протопласте (оболочке) живой клетки, а в межклеточ­ном пространстве, тогда протопласт будет подвергаться меньшей опасности получить механические повреждения.

В лабораторных условиях при постепенном ступенчатом понижении температуры удалось добиться чрезвычайно высокой морозоустойчивости дерева. Так, в одном из опы­тов И.И. Туманова ветка яблони, помещенная в перенос­ную морозильную камеру с температурой —153 °С, весной цвела и даже плодоносила (по А.А. Веретенникову, 1987).

При дальнейшем понижении внешних температур отток воды в межклеточные пространства увеличивается; в этот момент времени там будет находиться ровно столько воды, сколько ее сможет кристаллизоваться при имеющейся в данный момент температуре.

Процесс закаливания дерева и накапливания воды в меж­клетниках происходит постепенно и, в зависимости от ха­рактера наступающей зимы, может занимать продолжитель­ный период времени. В ходе этого периода сокодвижение в дереве еще происходит, хотя и в замедленном темпе.

С переходом внешних температур в область устойчивых отрицательных значений корнеобитаемый слой почвы по­степенно промерзает, что приводит к уменьшению погло­щаемой корнями влаги.

При дальнейшем охлаждении древесины имеющаяся в ней вода после небольшого переохлаждения начинает за­мерзать вначале в наиболее крупных капиллярах. Но свой­ства воды таковы, что процесс ее кристаллизации сопро­вождается выделением теплоты. Так, при замерзании од­ного грамма воды выделяется 335 Дж (80 кал) тепла. По этой причине температура древесины, в капиллярах кото­рой начинает замерзать вода, повышается до 0 °С и стаби­лизируется на этом уровне. Объясняется данное явление тем, что в лед за единицу времени может превратиться ровно столько воды, сколько необходимо для того, чтобы выделяющаяся при этом теплота компенсировала отводя­щуюся за это же время теплоту при охлаждении древеси­ны внешним воздухом. Температура в отдельных точках внутри древесины начнет опускаться ниже 0 °С лишь после того, как вся свободная вода около них замерзнет. •

Вода в капиллярах дерева (так называемая свободная вода) начинает замерзать только при охлаждении древе­сины до —2...5 °С (Чудинов Б.С., 1984). Другой источник утверждает, что в стволах древесных пород образование льда происходит при —2...4 "С, а при сухой атмосфере — при -8... 11 "С (Самыгин Г.А., 1974).

Однако с началом замерзания в стволе кристаллизуется только часть воды, а часть этой свободной (не связанной в клетках) воды в межклеточных пространствах остается в жидком состоянии и сокодвижение, хотя и очень замед­ленно, продолжается до еще более низких температур. Способность воды (пасоки) сохраняться в переохлажден­ном жидком состоянии в тканях древесины, наличие в них растворов органических и минеральных веществ, способ­ствующих сохранению жидкого состояния воды (наподобие антифриза), своевременная «закалка» дерева все уве­личивающимися перепадами температур предохраняют де­рево от гибели даже при трескучих морозах.

Что же касается связанной в клетках влаги, то она начи­нает замерзать при ее охлаждении до —5...—16 °С (Самы­гин Г.А., 1974), до -10...15 °С (Чудинов Б.С., 1984). Прини­мая во внимание значительную инерционность температур­ного поля в древесных стволах, особенно большого диаметра, это происходит, видимо, при понижении темпе­ратуры в атмосфере до —15...—20 °С (Чудинов Б.С., 1984).

Количество кристаллизуемой в межклетниках воды по­степенно увеличивается, и в случае наступления продол­жительного периода низких отрицательных температур в декабре — январе дерево переходит в состояние вынуж­денного (экзогенного) покоя.

Это состояние характеризуется наличием в межклеточ­ных пространствах заболони определенного количества замерзшей воды, пЪчти полным отсутствием сокодвижения в стволе и ветвях, продолжением кутикулярной (покров­ной) транспирации и, как следствие, постоянным дефици­том влаги в живых тканях дерева. Дыхание живых клеток, испытывающих дефицит влаги, продолжается постоянно, хотя и с резко уменьшившейся интенсивностью. Дерево снизило все свои жизнеобеспечивающие функции до мини­мально возможного уровня, который, однако, достаточен для возобновления этих функций с наступлением времен­ного или постоянного потепления. Подсушенные живые клет­ки готовы в любой момент принять недостающую воду, находящуюся в межклеточных пространствах в замерзшем и переохлажденном состоянии, как только она нагреется и перейдет в жидкое агрегатное состояние.

Параллельно с описанными выше процессами в это же время в дереве происходит и другой процесс. Как показы­вают исследования (Крамер П., Козловский Т., 1983), с на­чалом перехода дерева в состояние внутреннего покоя в конце лета начинает изменяться концентрация газов в стволе дерева: концентрация кислорода начинает повышаться, а уг­лекислого газа — уменьшаться. К январю — февралю кис­лород уже может занимать более 15% общего объема ствола (сосна) и до 30% у тополя, в то время как углекис­лый газ и у сосны и у тополя занимает не более 5% объе­ма ствола. Эти изменения концентраций газов вызываются изменениями обменных процессов, которые в свою оче­редь определяются понижением среднесуточных темпера­тур. При этом четко прослеживается обратная зависимость между значениями внешних температур и концентрациями О₂ и прямая зависимость между температурами и концент­рациями СО₂. Наличие этого процесса означает, что объем ствола, например, тополя в зимнее время занят в таком соотношении: около 30% древесиной, около 30% — сво­бодной и связанной водой в разных агрегатных состояниях и более чем на 40% — газом (О₂+ СО₂) (Крамер П., Коз­ловский Т., 1983).

Газ в древесине заполняет те полости и пустоты, кото­рые не заняты водой. Если бы газ находился в капиллярах вместе с водой и разрывал непрерывные водные потоки, то это сделало бы невозможным передвижение водных потоков, ибо обязательным условием для передвижения жидкости в капилляре является непрерывность и нераз­рывность водного потока.

Наличие в стволе зимнего дерева большого количества пустот, составляющих до 40% общего объема ствола и занятых газом, придает древесине хорошие теплоизолиру­ющие свойства.

Что же касается возможности пополнения запасов воды мелкими ветвями в холодное время года (а именно они испытывают в это время наибольший дефицит влаги), то И.И. Туманов (1955) установил следующее. Срезанные по­беги, хранившиеся зимой на открытом месте, содержат меньше воды, чем побеги, находившиеся в тех же условиях на растениях. Объясняется это тем, что даже в холодные месяцы происходит пополнение влаги в ветвях за счет при­тока воды из других частей дерева, где имеются запасы, влаги. Такое передвижение воды может быть и при слабых морозах, если в древесном организме остается еще дос­таточное количество воды в жидкой фазе. Пополнение вод­ного дефицита возможно даже при значительных морозах. Оно наблюдается при солнечной погоде, когда надземные части могут заметно прогреваться по сравнению с окружа­ющим воздухом. Таким путем тонкие веточки, имеющие большую поверхность испарения, периодически пополняют израсходованную воду за счет ее запасов в более массив­ных частях растений. Если длительное время из-за сильных морозов этого происходить не будет, то ветви будут по­вреждаться и в дальнейшем отмирать.

Основной, причиной повреждения древесины при замер­зании растений считается обезвоживание цитоплазмы клетки, вызванное образованием льда в межклетниках. Все более и более оттягивая воду из цитоплазмы, лед увеличивается в объеме и начинает чисто механически повреждать повер­хностные слои обезвоженной цитоплазмы.

Ю.З. Кулагин (1969) также указывает на то, что во вре­мя зимних оттепелей и слабых (менее 5—7 °С) морозов в побеги поступает вода из толстых скелетных ветвей и ствола, которая ликвидирует опасный водный дефицит, вызванный зимним иссушением.

Однако при наступлении продолжительного периода низ­ких отрицательных температур (—15...—20 °С) дерево пере­ходит в состояние вынужденного покоя, при котором со­кодвижение в дереве будет в значительной мере замед­ленно, а в отдельные периоды очень низких температур и вовсе прекращаться.

Ранней весной с началом потепления при прогреве ство­ла до положительных температур возобновляется интен­сивное сокодвижение, в первую очередь за счет запасов свободной влаги, хранящейся зимой в межклеточных про­странствах. По мере прогрева почвы и корнеобитаемого слоя возобновляется поступление влаги от корней, вклю­чается механизм активного поглощения воды древесным организмом. Движущей силой активного поглощения явля­ется так называемое корневое давление. Корневая система при этом превращается в своеобразный насос, который го­нит влагу по стволу. Механизм активного поглощения дей­ствует только ранней весной. В дальнейшем дерево перехо­дит на пассивное поглощение влаги за счет кутикулярной (с поверхности дерева), а затем — и листовой транспира-ции, которая теперь будет основной движущей силой, вызы­вающей перемещение влаги в проводящей системе дерева.