ТЕХНОЛОГИЯ СТИМУЛЯЦИИ ЭЛЕКТРООЗОНИРОВАНИЕМ
ВЕСЕННЕГО РАЗВИТИЯ ПЧЕЛИНЫХ СЕМЕЙ

Актуальность темы. В агропромышленном комплексе России важную
роль играет пчеловодство, которое тесно связано со многими отраслями сельского хозяйства. Эта связь определяется в первую очередь той ролью, которую
играют пчелы как опылители сельскохозяйственных растений. Кубань является
основным поставщиком пчелопакетов на всю территорию России и ближнего
зарубежья объемом 100-150 тыс. шт/год, следовательно, интенсивное весеннее
развитие пчелиных семей позволяет подготовить их на продажу в более ранние
сроки, повышая стоимость за единицу продукции. Кроме того, на Кубани производится ежегодно 2000-2500 т меда. При медотоварном направлении основным фактором высокой медопродуктивности является сила пчелиной семьи.
Только при создании условий интенсивного роста возможно наращивание пчелиных семей необходимой силы, которая особенно важна для получения, пользующихся . наибольшим спросом, ранних медов, например, с белой акации.
Ранние меда составляют 20-25% от валового медосбора и недостижимы для
слабых пчелосемей вследствие природно-климатических и ветеринарносанитарных обстоятельств. Таким образом, работа по разработке и исследованию современных технологий стимуляции весеннего развития пчелиных семей,
повышающих параметр степени развития, является важной народнохозяйственной задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетной
темой КубГАУ «Разработка и исследование энергосберегающих технологий, оборудования и источников электропитания для АПК» на 2001—2005
гг. (ГР № 01200113477, раздел 4.1).

Цель работы – повышение эффективности производства продуктов пчеловодства путем разработки экологически чистой технологии стимуляции электроозонированием весеннего развития пчелиных семей.

Рабочая гипотеза: ускорение весеннего развития пчелиных семей может
быть достигнуто путем улучшения параметров внутреульевого микроклимата в
результате электроозонирования; энергетические характеристики электроозонатора можно повысить за счет изменения параметров источника питания и
температурного режима разрядного устройства.

Объект исследования – технологический процесс стимуляции электроозонированием весеннего развития пчелиных семей, режимные параметры
электроозонатора, процесс образования озона.

Предмет исследования – зависимости, влияния параметров электроозонирования на степень развития пчелиных семей, аскосфероз пчел; зависимости
производительности электроозонатора от параметров питания, нагрева разрядного устройства.

Задачи исследования
1. Разработать математическую модель влияния озона на параметры внутреульевого микроклимата и степень развития пчелиных семей.
2. Разработать технологию стимуляции элсктроозонированием весеннего развития пчелиных семей.
3. Разработать математическую модель влияния действующего значения питающего напряжения и частоты тока на активную мощность и температуру диэлектрических барьеров разрядного устройства.

4. Экспериментально определить влияние действующего значения питающего напряжения, частоты тока и нагрева диэлектрических барьеров на производительность электроозонатора и разработать электроозонатор для
стимуляции весеннего развития пчелиных семей.
5. Произвести технико-экономическое обоснование применения разработанной технологии в разведенческом и медотоварном направлениях пчеловодства Кубани

Методика исследований. В работе использованы теоретические основы
электротехники, теоретические основы термодинамики, теоретические основы
техники высоких напряжений, методика опытного дела, теория планирования
эксперимента, методы теории вероятности и математической статистики, программное обеспечение STATISTICA 6.0, Microsoft Office, MathCAD Professional 2001.

Научная новизна

1. Разработаны теоретические положения о влиянии озона на параметры
внутреульевого микроклимата, которые обосновывают увеличение степени развития пчелиных семей при электроозонировании на 35,4%.

2. Определены зависимости влияния концентрации озоновоздушной
смеси подаваемой в улей, экспозиции и периодичности обработок на параметр степени развития пчелиных семей и режимы электроозонирования для лечения аскосфероза пчел.

3. Теоретически и экспериментально определено влияние действующего
значения питающего напряжения и частоты тока на нагрев диэлектрических
барьеров, производительность электроозонатора; получен коэффициент термических потерь производительности электроозонатора, для разработки эффективной установки, позволяющей, в соответствии с технологическими требованиями, производить обработку пчел озоном.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

– математическая модель степени развития пчелиных семей при электроозонировании;
– математическая модель нагрева диэлектрических барьеров разрядного
устройства в зависимости от действующего значения питающего напряжения и
частоты тока;
– экспериментальная зависимость степени развития пчелиных семей от
концентрации озона в воздушной смеси, подаваемой в улей, экспозиции, количества обработок за период;
– экспериментальные зависимости температуры диэлектрических барьеров разрядного устройства, начальной производительности электроозонатора,
установившейся производительности электроозонатора от действующего значения питающего напряжения и частоты тока;
– экспериментальная зависимость коэффициента термических потерь
производительности от температуры диэлектрических барьеров.

Реализация результатов исследования. Применение технологии стимуляции электроозонированием весеннего развития пчелиных семей позволило получить улучшение роста пчелиных семей по параметру степени развития
в среднем на 33 %. Проявления аскосфероза, нозематоза, гнильцовых форм у обработанных пчелиных семей не было обнаружено, Что подтверждено лабораторными исследованиями и актами внедрения технологического процесса в фермерских хозяйствах ООО «Константа» и ООО «Панорама» Московского района, Краснодарского края.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на ежегодных научных конференциях КубГАУ: «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» в 2002, 2003, 2004 г; на межвузовской научной конференции факультетов механизации, энергетики и электрификации «Энергосберегающие технологии и процессы в АПК» в Краснодаре, КубГАУ 2003г; в Зернограде на научной конференции «Научное обеспечение агропромышленного комплекса», в 2003, 2004г; в Волгограде, ВГСХА на международной научно-практической конференции «Основы достижения устойчивого развития сельского хозяйства» в 2004 г.

Публикации. Основные положения опубликованы в 12 печатных работах, в том числе четырех патентах РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемых источников и 2-х приложений. Объем 164 страницы, из них 152 основного текста, 42 рисунков, 18 таблиц. Список используемых источников содержит 153 наименования, в том числе 14 иностранных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности работы и направления
исследования.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» дан краткий анализ народнохозяйственного значения пчеловодства, также определены роль и время стимуляции в технологии весеннего наращивания пчелиных
семей.
Произведен анализ доступных литературных источников в области пчеловодства. Ведущими в России организациями в этой области являются НИИ Пчеловодства, НИИВС и др. Вопросы стимуляции весеннего развития пчелиных семей освещены в работах Бутлерова A.M., Таранова Г.Ф., Кривцова Н.И., Лебедева В.И., Туникова Г.М., Еськова Е.К., Севастьянова В.Г.и других ученых. Проблемы стимуляции весеннего развития пчелиных семей озоном рассматривались в работах Манапова А.Г., Дементьева Е.П., Ситдиковой Э.А., Нормова Д.А. и других ученых.
Озон известен как вещество, обладающее обеззараживающим действием, при 0,1-100 мг/м3
улучшающим параметры воздушного микроклимата и стимулирующим развитие биологических организмов, так как, воздействуя на
живые клетки, озон активизирует протекание биохимических процессов. Однако дозы и концентрации, а также время воздействия в различных источниках часто противоречивы и не дают четких рекомендаций к применению, что приводит к необходимости проведения дальнейших исследований в этой области.
Озон является экологически чистым веществом и его применение позволит отказаться от дорогостоящих биохимических способов стимуляции, профилактических и лечебных препаратов. Для этого необходимо более глубоко исследовать обработку пчел озоном и определить режимы для стимуляции, которые должны быть совместимы с традиционной технологией пчеловодства на Кубани, схематически изображенной на рисунке 1.

Произведен анализ доступных литературных источников авторов, работающих в области создания электроозонаторов, среди которых работы Филиппова Ю.В., Бородина И.Ф., Емельянова Ю.М., Ксенза Н.В., Кривопишина И.П.,
Соколовой М.В., Вигдоровича В.Н., Исправникова Ю.А., Нижаде-Гавиани Э.А.,
Андрейчука В.К. и других ученых.
Для повышения качества обработки и снижения ее себестоимости, целесообразно создание недорогих, высокопроизводительных озонаторов для стимуляции весеннего развития пчелиных семей, позволяющих обрабатывать пчел
непосредственно в ульях. Технические требования к таким генераторам озона,
по условиям технологии стимуляции весеннего развития пчелиных семей отличаются от требований к генераторам, используемым для других целей, в т.ч. выпускаемых промышленностью.
Представляется наиболее целесообразным использование для стимуляции весеннего развития пчелиных семей озонаторов пластинчатого типа с генерацией озона в барьерном разряде и регулированием производительности изменением параметров питания.
Во второй главе «Теоретические положения об.электроозонированин пчелиных семей» рассмотрены теоретические исследования по разработке технологии стимуляции электроозонированием весеннего развития пчелиных семей и электроозонатора для обработки пчел.
Произведен анализ влияния озона на группу внутренних факторов развития и продуктивности пчелиной семьи, изображенный на рисунке 2, в результате которого определено, что физико-химические свойства озона позволяют
повышать температуру, снижать влажность, повысить содержание кислорода в газовом составе внутреульевого воздуха, снизить концентрацию болезнетворных микроорганизмов, и, как следствие, создать наиболее благоприятные условия для развития пчелиных семей.

При рассмотрении пчелиной семьи как единой энергетической системы,
способной самостоятельно регулировать параметры внутреульевого микроклимата, разработана математическая модель влияния обработки озоном на степень развития пчелиной семьи.
Основным энергетическим носителем и кормом для пчел является мед.
Окисление меда в организме пчел, с учетом содержания в углеводистом корме 20% воды, протекает по химической реакции.

Даная реакция оказывает наибольшее влияние на параметры внутреульевого микроклимата. Объем воздуха, требуемый на удаление метаболической
влаги выше объема воздуха, необходимого для протекания реакции окисления,
в среднем в 18 раз. Удаляя из улья обогащенный парами воды воздух, мы удаляем из него и тепло.
Таким образом, при подаче озоновоздушной смеси, обладающей осушающими свойствами, во внутреульевое пространство, сокращается внутреульевой воздухообмен на удаление метаболической влаги, и, как следствие происходит экономия энергии, требуемой на поддержание микроклимата. В весенний период пчелиная семья полностью мобилизуется на развитие, т.е. на выращивание расплода и поддержание благоприятных для этого условий. Таким образом, пчелиная семья, как система, получает энергию в результате окисления корма и реакции метаболизма, с помощью которой производится работа.

На основании произведенных расчетов, согласно разработанной модели,
можно сделать вывод об эффективности электроозонирования, которая приводит к увеличению параметра степени развития пчелиных семей на 35,4 %.
На базе произведенных исследований были выдвинуты технологические
требования к электроозонирующей установке для обработки :
1) Установка должна обеспечивать подачу озоновоздушной смеси в
улей из внешнего пространства.
2) Производительность установки электроозонатора по количеству
озоновоздушной смеси должна быть до 0,1 м э/ч.
3) Установка должна обеспечивать долговременный режим работы.
4) Возможность регулирования производительности в 15 кратном
диапазоне.
Для разработки установки, соответствующей технологическим требованиям, произведен ряд теоретических и экспериментальных исследований.
Так как производительность электроозонатора в большей степени зависит
от активной мощности разрядного устройства, то на базе разработанной схемы
замещения электроозонатора построена математическая модель, позволяющая
выразить зависимости (5,6) активной мощности от действующего значения питающего напряжения и частоты тока, а также коэффициента мощности от частоты тока.

В результате теоретических исследований определены области рабочих
параметров питания для регулирования производительности электроозонатора.
Изменение действующего значения питающего напряжения должно осуществляться от напряжения устойчивого зажигания разряда до значения безопасного
от пробоя диэлектрических барьеров, т.е. для нашей конструкции 7.5-15 кВ.
Изменение частоты тока должно осуществляться от промышленной частоты до максимального коэффициента мощности, т.е в нашем случае 300 Гц.
Полученные параметры удовлетворяют условиям нагрева.
В третьей главе «Экспериментальное исследование влияния электроозонирования на весеннее развитие пчелиных семей» изложены результаты экспериментов по влиянию режимов электроозонирования на жизнедеятельность пчел, аскосфероз пчел, степень развития пчелиных семей в период весеннего наращивания.
Для проведения эксперимента, на опытной пасеке специально сконструировали экспериментальные установки, позволяющие подавать озоновоздушную
смесь в требуемую точку улья, не подвергая пчел отрицательному воздействию
низкочастотного электрического поля высокой напряженности.
В первую очередь был произведен эксперимент, в котором исследовалось
влияние концентрации озона на степень развития и факты отрицательного
влияния на жизнедеятельность пчел. Полученные результаты позволяют определить безопаагую режимную область для обработки пчел озоном, которая составляет 0-500 мг/м , и могут быть использованы, как для определения режимов
стимуляции весеннего развития пчелиных семей, а также для разработки способов лечения болезней пчел.
Произведены эксперименты влияния озонообработки на аскосфероз пчел,
в результате которых установлены режимы электроозонирования: а) для профилактики и лечения – концентрация озона 250 мг/м3, экспозиция 1 час, двукратно с периодичностью 7 дней; б) с тяжелыми клиническими признаками –
концентрация 500 мг/м3, экспозиция 1 час, четырехкратно с периодичностью 7 дней.
Для проведения трехфакторного эксперимента по влиянию режимов озонообработки на весеннее развитие, экспериментальные установки откалибровали под необходимые концентрации озона в воздушной смеси, подаваемой в улей. Измерения концентрации озона производились йодомстрическим методом. В эксперименте было задействовано 210 пчелосемей, для обеспечения 3-х
кратной повторности, 192 из них подверглись обработке озоном в различных
режимах, а 18 семей — контрольная группа. Пчелиные семьи прошли специальную предварительную подготовку, что позволило к началу эксперимента иметь равные условия развития, такие как: породное сходство, возраст матки, сила семьи, система улья; а также равные оценочные показатели, такие как: количество печатного расплода, сила семьи, качество яйцекладки.
Для проведения эксперимента использовались методы математической статистики, период исследования составил 24 суток обработки и 12 суток снятия показаний. В качестве независимых переменных приняты:
– Т- время экспозиции (4 уровня: 6; 12; 18; 24 часов), x3
– N – количество обработок за период исследования (4 уровня: 6,12,18,24 раза). Для наиболее объективной проверки на соответствие теоретической модели воздействия озона на развитие пчелиной семьи, фактор времени был разделен на 2 фактора: время экслозиции и периодичность обработки. В качестве зависимой переменной Y- принято среднее значение степени развития пчелиных семей Ср.
В результате обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии (8), адекватно описывающее взаимодействие факторов и наблюдаемой величины.

Наиболее тесной связью с высоким уровнем значимости о < 0,001, обладают количество обработок за период, экспозиция и степень развития. Использование взаимодействия факторов показало, что при высоком (р<0,001) уровне значимости наиболее тесной связью обладает взаимодействие факторов T-N.
Результатом эксперимента по воздействию озона на интенсивность весеннего развития является выявление оптимального режима обработки пчел, при котором достигнуто увеличение параметра степени развития пчелосемей на 39 % (Ср=3.6481, в сравнении с Ср=2.6200 контрольной группы).

Наибольший эффект достигается при концентрации озона 32 мг/м3 в озоновоздушной смеси, поступающей в улей, при экспозиции 24 часа в сутки с периодичностью 24 раза за 24 суток, т.е. при постоянной обработке в течении 24
суток. Эффект объясняется снижением потерь энергии на поддержание внутреульевого микроклимата за счет снижения воздухообмена на удаление метаболической влаги в результате электроозонирования.
Увеличение экспериментально полученной степени развития пчелосемей в сравнении с расчетной на 11 % объясняется снижением концентрации болезнетворных микроорганизмов во внутреульевом составе воздуха, и тем самым созданием еще более благоприятных условий для развития пчелосемей.
В четвертой главе «Экспериментальное исследование влияния режимных параметров на производительность электроозонатора для стимуляции весеннего развития пчелиных семей», приведены методики и результаты лабораторных исследований и данные по разработке электроозонатора для обработки пчел.

Регрессионный анализ влияния температуры диэлектрических барьеров y на коэффициент термических потерь производительности у\ показал, что все коэффициенты при переменных значимы. Установлена тесная обратная взаимосвязь между температурой диэлектрических барьеров озонатора и коэффициентом термических потерь производительности, графически представленная на рисунке 9, при этом в 3% случаев этот коэффициент зависит от факторов, не включенных в модель.

Основным результатом является получаемый в хозяйстве годовой эффект в виде чистого дисконтированного дохода (ЧДД). Таким образом, экономическая
эффективность от применения технологии электроозонирования для стимуляции весеннего развития для 100 пчелиных семей, выраженная через чистый
дисконтированный доход, составляет: разведенческое направление ЧДЦ=59070
руб, срок окупаемости 2 года; медотоварное направление ЧДЦ=399170 руб.,
срок окупаемости 0,3 года. Данные свидетельствуют о экономической эффективности капиталовложений в технологию стимуляции электроозонированием
весеннего развития пчелиных семей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Разработана математическая модель, устанавливающая связь степени развития пчелиных семей с параметрами внутреульевого микроклимата, позволяющая теоретически обосновать увеличение весеннего развития при электроозонировании на 35 %
2. Получена математическая модель, определяющая функциональную зависимость актизной мощности разрядного устройства и температуры диэлектрических барьеров от параметров питания, устанавливающая следующие
рациональные параметры для разрядного устройства: диапазон изменения
действующего значения питающего напряжения U=7,5-15 кВ; диапазон
изменения частоты тока f=50-300 Гц. Построены экспериментальные зависимости, подтверждающие математическую модель и связывающие ее параметры с начальной и установившейся производительностью электроозонатора.
3. Экспериментально получен коэффициент «термических пстерь производительности» , который определяет степень снижения производительности электрсозонатора в зависимости от температуры диэлектрических барьеров; при изменении температуры ТДб =40-70°С, составляет =0,99-0,9,
что соотвеютвует снижению установившейся производительности на 1-
10%; при изменении температуры Тд б
=70-200°С, составляет =0,9-0,12
что соответствует снижению установившейся производительности на 10-
88%.
4. На основании экспериментального исследования режимных параметров
электроозонирования пчелиных семей построена математическая модель,
определяющая зависимость степени развития от концентрации озона, экспозиции и периодичности обработок. Данная модель позволила установить
режим электроозонирования, улучшающий весеннее развитие пчелиных семей на 39%: концентрация 32 мг/м\ экспозиция 24 часа, с периодичностью 1 раз в сутки, в течении 24дней.
5 Установлены режимы электроозонирования против аскесфероза: а) для профилактики и лечения – концентрация озона 250 мг/м3, экспозиция 1 час, 19 двукратно с периодичностью 7 дней; б) с тяжелыми клиническими признаками – концентрация 500 мг/м3, экспозиция 1 час, четырехкратно с периодичностью 7 дней.
6. Разработаны электроозонатор и технология электроозонирования пчелиных
семей, позволяющие производить обработку одновременно 4-х пчелиных семей в 3-х режимах: 1) стимуляции развития, 2) профилактики и лечения аскосфероза, 3) лечения аскосфероза с тяжелыми клиническими признаками и других болезней пчел. Конструкция и способы защищены 4-мя патентами РФ.
7. Экономическая эффективность от технологии электроозонирования для стимуляции весеннего развития на 100 пчелиных семей, выраженная через чистый дискэнтированный доход составляет: разведенческсе направление
ЧДД=59070 руб.; медотоварное направление ЧДД=399170 руб.