Обоснование конструкции инкубаторов

Этот большой раздел сделан по многочисленным просьбам птицеводов и считаем очень необходимым для начинающих птицеводов, особенно в наше время, когда обман стал просто тотальным.

Требования к инкубаторам

Требования к инкубаторам обусловлены физиологическими особенностями строения яиц и процесса инкубирования, заданными природой. Чем точней и своевременно инкубатор будет воспроизводить необходимые параметры, тем лучше будет результат.

Мы многократно проводили практические исследования процессов, происходящих в инкубаторах, и сравнивали с расчетами с целью понять, что надо сделать, чтобы довести конструкцию до совершенства. Ведь термодинамические и другие процессы в системе наседка-гнездо здорово отличаются от процессов в инкубаторе (в инкубаторе сложнее), а результат надо получить тот же.

Покажем, что реально происходит в инкубаторе, заостряя внимание на нежелательные, вредные моменты, затем покажем, что мы предприняли, чтобы исключить или уменьшить их влияние.

Термодинамические процессы в инкубаторе

Возьмем простейший инкубатор малой вместимости (40-80 яиц). Теплоизолированный корпус прямоугольной формы, нагреватель вверху, яйца внизу в один слой, в центре над яйцами датчик терморегулятора, терморегулятор включает-выключает нагреватель.

1. Терморегулятор включает нагреватель. Любое нагретое тело отдает тепло в окружающее пространство двумя способами: контактным – теплоотдачей прилегающему слою воздуха, который в свою очередь передает часть тепла следующему слою и т.д.; дистанционным - тепловым излучением в пространство. При этом энергия теплового излучения пропорциональна разнице температур по Кельвину нагретого и холодного тел в четвертой степени. К примеру, если разницу температур увеличить вдвое, тепла излучается в 16 раз больше, если втрое – в 81 раз. Тепловое излучение слабо взаимодействует с газами, зато хорошо нагревает твердые тела – вспомните Солнце. В системе наседка-гнездо из-за очень-очень маленькой разницы температур (1-2 градуса) тепловое излучение фактически отсутствует, а все тепло передается теплоотдачей. В инкубаторах разница температур уже десятки и более градусов и тепловым излучением уже передается от 5 до 15% тепла, оно проявляется в форме перегрева центра инкубатора и тем больше, чем горячее и объёмнее нагреватель - большая поверхность больше излучает.

2. Итак, тепло от нагревателя теплоотдачей отдается окружающему воздуху, который от нагрева становится легче и поднимается вверх под крышку инкубатора, оттесняя более холодный воздух в стороны к стенкам и вдоль стенок вниз. На место поднимающегося от нагревателя горячего воздуха непрерывно засасывается снизу и с боков холодный воздух. Потоки замыкаются, и возникает конвекционная циркуляция воздуха в инкубаторе пространственно напоминающая форму бублика (тора) без центрального отверстия, слегка смятого плоскостями сверху, снизу и с четырех сторон. Вертикальный столб воздуха габаритами с нагреватель, только с округленными углами, движется в центре снизу вверх через нагреватель, где нагревается, поднимается под крышку, растекаясь в стороны к стенкам, одновременно отдавая часть тепла крышке, становится холоднее и тяжелее, опускается вниз вдоль стенок инкубатора, огибая вертикальный столб поднимающегося воздуха, внизу плавно заворачивает к центру, где сливается с вертикальным столбом-потоком. В процессе движения поток теплого воздуха отдает тепло всему, что холоднее его - стенкам, яйцам, окружающему воздуху и перемешивается с ним. Чем горячее нагреватель, тем активнее идет циркуляция – чем не вентилятор. Плохо то, что поток теплого воздуха плохо захватывает боковые и нижние углы инкубатора, и они хуже прогреваются. Впрочем, мы пробовали перемешивать воздух вентилятором с осевым воздушным потоком с самой маленькой мощностью (0,7 ватт), размещая его в разных местах – получалось еще хуже – то перегрев на несколько градусов, то недогрев на несколько градусов отдельных зон.

3. Далее, температура на уровне яиц повышается до необходимого значения, и терморегулятор выключает нагреватель. Но температура на уровне яиц продолжает расти, потому-что нагреватель остывает какое-то время (тепловая инерция нагревателя) и вместе с перегретой центральной частью продолжает поддерживать циркуляцию воздуха. Происходит «проскок» температуры выше заданной терморегулятором, величина которого, как видим, зависит от тепловой инерции нагревателя и температуры на нагревателе. При низкой чувствительности датчика терморегулятора происходит запаздывание его срабатывания, что также увеличивает величину «проскока», особенно при большой скорости нагрева.

4. Далее идет дальнейшее выравнивание температуры по объёму теплообменом от теплого к холодному, с одновременной потерей тепла через стенки из-за чего в углах теплее не становится – в них потери тепла тоже больше, чем в центре стенок, что постепенно приводит к снижению температуры в инкубаторе до заданной терморегулятором величины и цикл нагревания повторяется. Теоретически при включении нагревателя тоже должен быть «проскок» температуры ниже заданной терморегулятором из-за тепловой инерции нагревателя и (или) плохой теплоизоляции стенок, но практически это не заметно, так как скорость остывания значительно меньше скорости нагрева и нагреватель успевает запустить процесс теплообмена до заметного падения температуры.

5. Особенно большой «проскок» при первоначальном разогреве холодного инкубатора от комнатной температуры до начальной температуры инкубации (на 15-20 градусов). Если нагреватель излишне мощный, развивается большая скорость разогрева. Из-за этого даже чувствительный датчик терморегулятора срабатывает с запозданием, и нагреватель отключается при более высокой температуре. А если нагреватель инерционный, да ещё и высокотемпературный, из-за чего сильно перегревается центр инкубатора, «проскок» температуры может достигнуть 4-5 градусов и вместо того, чтобы «разбудить» зародыши (так рекомендуется), погубит их, если и не все, то в перегретой зоне (в центре) это точно.

Выводы и меры по исправлению недостатков

1.В процессе поддержания температуры происходят постоянные колебания температуры около заданного терморегулятором значения, причем «проскок» температуры происходит в основном в «плюс». Так как в естественном, природном процессе этого нет, и в принципе не может быть, то, видимо, «проскоки» неблагоприятны, и их надо уменьшать.

2. «Проскоки» температуры происходят из-за чрезмерной мощности нагревателя, инерционности нагревателя, излишне высокой температуры нагревателя, малой чувствительности датчика терморегулятора. Все эти факторы суммируют свое вредное воздействие. В наших инкубаторах максимальный «проскок» при самом жестком первоначальном разогреве инкубатора от 20 до 38 градусов со скоростью разогрева до 1,5 градуса в минуту составляет всего 0,4-0,5 градуса. Он оказывает благотворное влияние – «будит» зародыши. В разогретом инкубаторе «проскоков» не наблюдается. Как мы этого добились, смотрите в разделах «Нагреватель» и «Терморегулятор».

3. Перегрев яиц в центре вызывает излишне высокая температура нагревателя в сочетании с большой площадью излучающей поверхности. В наших инкубаторах благодаря среднетемпературному нагревателю из тонкой нихромовой проволоки (минимально возможная площадь излучения) и экранирования средней части инкубатора мелкой противомоскитной сеткой эта проблема решена.

4. Распространение тепла по объёму инкубатора при работе нагревателя большей частью осуществляется конвекционным перемешиванием, что не дает равномерного обогрева в плоскости расположения яиц из-за кривизны потоков теплого воздуха – чем ближе к углам, тем холоднее. При отключении нагревателя перераспределение тепла мало изменяется, только медленно понижается средняя температура. Идеальным был бы круглый инкубатор с чашеобразным расположением яиц. Конструктивно это сложно, а автоматизировать или даже просто механизировать переворачивание яиц практически невозможно. В своих инкубаторах мы уменьшаем это зло другими способами. Распределенный почти на всю ширину и длину инкубатора нагреватель растягивает тепловой воздушный конвекционный «бублик» вплотную до стенок со смятием, уменьшающим непрогреваемые углы, а максимально уменьшенная высота инкубатора сминает низ «бублика», спрямляя горизонтально воздушные потоки в плоскости расположения яиц.

5. Вентилятор для перемешивания воздуха в маленьких инкубаторах с однослойным размещением яиц не нужен. Гораздо лучше с этим справляется конвекционная циркуляция воздуха. Она возникает тогда когда нужно, прекращается, как только отпадает необходимость в перемешивании воздуха, скорость перемешивания пропорциональна скорости разогрева – сплошная автоматика и совершенно безотказно и бесплатно.

6. В инкубаторе, как и в любом замкнутом пространстве, имеется распределение температуры по высоте, чем ниже – тем холоднее. Перемешивание воздуха и хорошая теплоизоляция стенок только уменьшают перепад температур между верхними и нижними слоями, но не ликвидируют совсем. На вертикальное накладывается горизонтальное распределение температур и в сумме итоговая условная поверхность равной температуры в плоскости расположения яиц имеет чашеобразную форму с максимальным углублением в центре, плавным повышением к стенкам и резким повышением у стенок и особенно в углах. Благодаря описанным выше конструктивным мероприятиям дно температурной «чаши» стало почти плоским и раздвинулось дальше к боковым стенкам, в углы и вплотную к передней и задней стенкам. Оставшиеся небольшие холодные зоны в сепараторах (рамках для перекатывания яиц) конструктивно не заполняются яйцами по принципу – «лучше меньше, но лучше» чтобы гарантировать высокую выводимость. Кроме того, на площади, заполненной яйцами, экспериментально выявлена линия средней температуры (средняя изотерма) и именно на ней на уровне середины яиц находятся датчик терморегулятора и контрольный термометр. Все это позволяет идеально поддерживать необходимый температурный режим.

7. Так как небольшая разница в температуре между центральными и самыми крайними боковые угловыми ячейками все-же остается, самые мелкие яйца надо закладывать в центральные ячейки, а самые крупные в боковые угловые ячейки. Это также выравнивает шансы, так как для мелких яиц более благоприятна чуть повышенная температура, а для крупных безвредна и чуть пониженная. Для этого на некоторых рамках соответствующие ячейки сделаны чуть меньше и чуть больше средних.

Нагреватель

1.Мощность негревателя

Мощность нагревателя должна быть немного выше мощности максимально возможных тепловых потерь при низкой температуре вне инкубатора, но не была чрезмерной (из-за тепловой инерции) при высокой температуре вне инкубатора – это грозит перегревом. Из термодинамики инкубатора следует, что чем менее избыточна мощность, тем лучше.

Эти взаимоограничивающие условия могут быть выполнены, если сам инкубатор будет находиться в стабильно комфортных температурных условиях, исключающих воздействие на него посторонних источников тепла (в том числе солнечных лучей) и сквозняков (ветра), которые увеличивают тепловые потери корпуса инкубатора. Наиболее оптимальна комнатная температура 20-25 градусов, допустимая от 15 до 30 градусов. Выполнение этих требований – первая (но не последняя) гарантия хорошей работы инкубатора.

Хороший нагреватель, это нагреватель, который не только рассчитан, но и опробован на реальном инкубаторе с яйцами во всем диапазоне температур. Тепловые расчеты дают большую погрешность и могут считаться только ориентировочными для первоначального подбора нагревателя. В конце выясняется, что под оптимальную мощность не подходит не один из серийных нагревателей и нужно делать свой. Большинство изготовителей так и делают, а кто применяет серийные нагреватели, скорее всего не «заморачиваются» этой проблемой.

Мы используем в качестве нагревателя открытую нихромовую проволоку диаметром 0,36 мм для маленького инкубатора и 0,5 мм для большого. В целях безопасности обслуживания и, одновременно для уменьшения длины проволоки, на нагреватель подается напряжение 110 вольт. Оптимальная мощность подбирается длиной проволоки – чем длиннее проволока, тем меньше мощность.

2.Тепловая инерция нагревателя

Из всех известных применяемых в инкубаторах нагревателей наибольшая тепловая инерция у ТЭНов, вся конструкция которых предусматривает длительную теплоотдачу при отключении электроэнергии.

К тому же у них высокая температура и большая поверхность. В этой связи хочется упомянуть «компанию «Лионика» и ее создателя Лисиенко А.И., который в своей статье и сайте в Интернете как раз и предлагает начинающим инкубаторщикам-самодельщикам свой комплект из ТЕНа, терморегулятора и вентилятора. Из фотографии видно, что вентилятор многократно мощней, чем тот который у нас не пошел как раз из-за избыточной мощности, высокоскоростной и осевой – для примера, в промышленных инкубаторах стоят низкоскоростные радиальные вентиляторы и это обоснованно и многократно проверено в деле.

Меньшая инерционность у низкотемпературных тонкопленочных нагревателей - обычно это пластина из электроизолирующего материала с нанесенной на него греющей дорожкой. Инерционность здесь зависит от объёма и теплоотдачи самой пластины. Такие нагреватели используются в инкубаторах фирмы «Баган».

Почти идеальные нагреватели из изолированного провода высокого сопротивления и углеволокна. Инерционность в них создается из-за более низкого, чем у металла коэффициента теплопередачи изоляции и углеволокна.

В наших нагревателях благодаря максимально возможному соотношению между площадью поверхности и объёма проволоки, очень высокому коэффициенту теплоотдачи и довольно низкой температуре нагревателя и нагревание и остывание его происходит практически мгновенно, не более чем за 1-2 секунды. То есть тепловая инерционность нагревателя практически нулевая.

Терморегулятор

В первые часы инкубации требуется повышенная на 0,5-1,0 градуса температура – чтобы «разбудить» зародыш, в последнюю четверть срока температуру понижают на 0,5-1,0 градуса ниже средней – птенцы в яйцах уже сами выделяют много тепла. При недостатке тепла зародыши тратят часть питания на обогрев, медленней развиваются, питания может не хватить на полное формирование и они или погибают или вылупляются ослабленными. При избытке тепла происходит более быстрое, но непропорциональное развитие, сильный перегрев убивает зародыши.

Обязанность терморегулятора отслеживать изменение температуры в инкубаторе, сравнивая с заданной температурой и быстро реагировать на пороговые изменения. Порог – это необходимая на данном этапе температура, заданная органом управления терморегулятора. При температуре ниже порога, терморегулятор включает нагреватель, когда температура превышает порог, терморегулятор выключает нагреватель.

Терморегулятор обычно разделен на две части: основной блок, который располагают в удобном для обслуживания месте, и датчик температуры, вынесенный в ту зону инкубатора, где необходимо замерять температуру (на линию изотермы на уровень яиц – в наших инкубаторах; в центр инкубатора и выше яиц, а то и вообще сбоку – в других инкубаторах).

Основной блок условно делится на узел питания, измерительный узел, реле включения нагревателя, узлы дополнительных функций (например, для автоматического переключения на резервное питание, как в ИДА-80, или для цифровой индикации температуры). Блок может быть помещен в корпус или быть бескорпусным, встраиваемым в инкубатор (ИДА-48). Конструкции у каждого производителя свои. Основные требования: быстродействие, должен отключаться при повышенном напряжении в сети, нормально работать при пониженном напряжении, отключаться при обрыве датчика или отказе других элементов схемы. Самое опасное, с чем мы сталкивались в начале своей деятельности, когда приобретали терморегуляторы на стороне (у Лисиенко А.И.), это когда некоторые терморегуляторы переставали отключать нагреватель, и температура в инкубаторе росла беспредельно (до 80-90 градусов). Яйца сваривались, возникала угроза пожара. Стали делать свои терморегуляторы по своей схеме, которая полностью исключала такую возможность, и забыли об этой проблеме. Было это более 12 лет назад, но, прочитав в Интернете статью Лисиенко А.И., с удивлением узнали, что только «в некоторых инкубаторах имеются дополнительные устройства температурной защиты». Как это понимать? Что для него это по-прежнему серьезная проблема, или это проблема для большинства изготовителей?

Датчик терморегулятора должен обладать погрешностью не более 0,1 градуса, так как в сумме с погрешностью основного блока и погрешностью образцового настроечного термометра общая погрешность составит 0,2-0,3 градуса, что вполне достаточно для режима инкубации. Так и есть в нашем инкубаторе.

В качестве датчика мы перепробовали несколько терморезисторов, пока не убедились, что надежней всего импортный, а чем меньше размер, тем лучше чувствительность. Лет 12 назад нашли тот, который соответствовал этим требованиям и до сих пор используем только его. Его чувствительность (время, за которое датчик «почувствует» изменение температуры на величину погрешности - на 0,1 градуса) не более 2-3 секунд, что, как было указано выше, полностью обеспечивает выполнение режима инкубации, даже «проскок» температуры на 0,5 градуса во время первоначального разогрева является дополнительным стимулирующим фактором для зародышей.

Переворачивание яиц

С самого начала стояла задача сделать максимально дешевый, но надежный инкубатор с автоматическим переворачиванием яиц. Автоматическое переворачивание позволяет уменьшить затраты времени на обслуживание инкубатора в 4-5 раз. Человек может спокойно отлучаться на 2-3 дня, а инкубатор сам каждый час переворачивает яйца.

Переворачивание необходимо, чтобы зародыш постоянно «плавал» в центре яйца и нормально развивался, а не для того, чтобы яйцо равномерней обогревалось, как учат в Интернете начинающих птицеводов некоторые «знатоки». Это не шашлык, а живой организм со своей системой терморегуляции, который сам распределяет поступающее тепло.

Переворачивание раз в час – это научно обоснованная оптимальная норма – в промышленных инкубаторах на десятки тысяч яиц переворачивание производится именно раз в час. Давным-давно, перед проектированием первых инкубаторов ученые выявили, что периодичность переворачивания яиц должна быть от 0,5 до 2 часов. При периодичности переворачивания свыше 2 часов или менее 0,5 часа выводимость начинает заметно уменьшаться.

Несмотря на это до сих пор некоторые «знатоки» утверждают, что достаточно переворачивать яйца через 4-5 часов, а то и через 10-12 часов. И поэтому, мол, автоматическое переворачивание в маленьких инкубаторах – это излишняя роскошь, потому-что здорово удорожает инкубатор. Некоторые фирмы пытались одновременно выпускать инкубаторы одной вместимости с ручным (механическим) приводом переворачивания и с автоматическим, состоящим из двигателя, многоступенчатого редуктора, преобразующего механизма, реле времени, концевых выключателей, кучи проводов. Получалось примерно в полтора раза дороже и ненадежно из-за множества механических и электрических соединений. Спросом не пользовались. В последнее время появилось много автоматических инкубаторов, в которых используются более дешевые электромагнитные переворачиватели, которые рывком перебрасывают яйца на другой бок. Предполагаем, что эти рывки неблагоприятно сказываются на развитии зародышей.

В наших инкубаторах перекатывание яиц на другой бок производится очень медленно, почти незаметно, в течение 30-40 минут, затем после 15-20 минутной паузы яйца также медленно перекатываются обратно. Переворачиватель чисто механический, из десятка простых деталей. Усилие для своей работы получает от побочного эффекта – температурного удлинения и сокращения материала нагревателя. Это подпружиненный гибрид тросово-углового (или рычажного), храпового и кривошипно-шатунного механизмов, в котором каждая деталь одновременно выполняет две-три функции. Практически никогда не ломается и не изнашивается. Периодичность переворачивания от 0,7 до 1,2 часа обеспечена подбором размеров кривошипа, храпового колеса, плеч рычага или тросового угла и зависит в этом диапазоне от частоты включения нагревателя (2-3 минуты).

Влажность воздуха

Параметры относительной влажности воздуха в инкубаторе зависят от вида и привычной среды обитания птиц и от стадии развития эмбрионов. Яйцам водоплавающих требуется большая влажность, чем яйцам сухопутных птиц, а для яиц жителей пустыни страусов требуется даже осушать воздух. Минимальная влажность требуется в начале и середине цикла инкубации, максимальная ближе к концу инкубации, для размягчения скорлупы, чтобы облегчить выход птенцов.

Во время наших длительных замеров распределения температур внутри инкубаторов с яйцами, неожиданно начали выводиться цыплята, хотя ни капли влаги в инкубаторах не было с начала до конца испытаний. Оказалось, что вместо обычных пищевых яиц для температурных исследований были закуплены некондиционные оплодотворенные яйца, выбракованные инкубаторной станцией птицефабрики. Вывелось, правда, немного, пятая или шестая часть, вдвое больше было погибших в яйцах. Температуру держали постоянно 38 градусов, яйца часто перекладывали с места на место, чтобы не мешали устанавливать датчик контрольного термометра – хоть плохое, но переворачивание было. А вот влажности не было совсем. Да и яйца неизвестно какой свежести были.

Из этого случая делаем вывод, что влажность воздуха очень мало влияет на выводимость, главное, чтобы к началу выведения она была максимальной для облегчения проклевывания. При жесткой скорлупе более слабые птенцы тратят последние силы, чтобы освободиться и погибают. Из этого также следует, что автоматизировать процесс контроля и поддержания влажности или приобретать для контроля гигрометр (определитель влажности), сравнимый по цене с инкубатором – бессмысленное занятие. Совсем не трудно 3-4 раза за 3-4 недели долить в ванночку немного воды и в последние 2-3 дня несколько раз спрыснуть яйца водой.

Газообмен

Зародыши в процессе своего развития выделяют углекислый газ и в меньших количествах некоторые другие газы, а потребляют кислород. Газообмен происходит через воздушную камеру яйца и поры в скорлупе – яйцо дышит. Интенсивность газообмена постепенно нарастает от нуля в первый день до максимума к концу инкубации. Необходимо, особенно в конце инкубации, обеспечивать выведение из инкубатора газов и поступление свежего воздуха.

В наших инкубаторах специальных отверстий для этого не предусмотрено, до середины инкубации для газообмена достаточно технологических щелей и отверстий, а примерно с середины инкубации рекомендуется сначала раз в сутки кратковременно, затем чаще и дольше открывать инкубатор для проветривания и, одновременно, для закалки будущих птенцов.

Экзотика

В последние годы появились инкубаторы с так называемой «Люстрой Чижевского», за которую выдается маленький примитивный ионизатор с одной иголочкой. Настоящая «Люстра Чижевского» это большое сооружение, размерами и формой напоминающее большую люстру, усеянное десятками и сотнями иголок, на которые подается напряжение в десятки тысяч вольт. Благодаря такому высокому напряжению с острых кончиков иголок «стекают» электроны, которые ионизируют молекулы воздуха. А ионизированный воздух, как химически активный, до 80-90-х годов прошлого столетия считался полезным для здоровья. Сейчас об этом молчат. Люстру рекомендовалось подвешивать на высоте не менее 3,5 метров от пола – чтобы электрическим разрядом в голову не убило.

Сомнительно, чтобы в инкубаторе можно было подать на иголочку необходимое для ионизации напряжение и это безопасно. И главное: как курицы-наседки до сих пор умудрялись выводить свое потомство в вонючем курятнике, где никогда не водилось ни одного иона. В природе ионизация воздуха происходит от электрических атмосферных разрядов (свежий воздух после грозы) и, предположительно, растений. Животные и птицы являются потребителями ионов, в закрытых помещениях их всегда недостаток, почему и рекомендуется гулять на свежем воздухе.