Утепление скважины на зиму без кессона своими руками греющим кабелем и лампой накаливания

Задача: не допустить замерзания воды, и, соответственно, невозможности набрать воду или повреждения труб и насоса, в скважине, находящейся на загородном участке.
На английском бы это звучало так (для поиска в Google) — «How to Protect Well From Freezing» .

Ниже я опишу мой DIY-вариант решения такой задачи посредством пластиковой бочки, нагревательного кабеля и лампы накаливания :-), успешно выдержавший двадцатиградусные морозы!!!

Схема обустройства скважины:

В исходном состоянии на поверхность выходит обсадная труба, в которой находится труба из «синего» поливинилхлорида (ПВХ) с внешним диаметром 25 мм и толщиной стенок около 2 мм. Непосредственно по этой трубе и поступает вода, подаваемая на поверхность погруженным в скважину центробежным насосом.
Я выкопал яму глубиной 65 см — средняя максимальная глубина промерзания (англ. frost line) в нашей местности — 63 см (там как раз уже началась глина).  Посыпал дно ямы щебнем. Затем окружил обсадную трубу кирпичной площадкой (высота стенки — два кирпича). Под кирпичами я провел два электрических шнура — для насоса и для подогревателя — и провода от температурного датчика.

Затем я установил на кирпичи патрон для лампы E27 с вкрученной лампочкой накаливания (сначала я использовал лампу с номинальной мощностью 100 Вт, а затем — 150 Вт — надежнее такую лампу использовать на пониженной мощности, чем 100-ваттную на полной).

Лампы накаливания

Лампы накаливания мощностью 100 и выше ватт официально именуются «термоизлучателями различного назначения», причем для них указывается тепловая мощность: для лампы 100 Вт — 85,9 ккал/ч (эквивалент 100 Вт), для лампы 150 Вт — 129 ккал/ч (эквивалент 150 Вт):

В продаже имеются и лампочки помощнее:
200 Вт (172 ккал/ч):

300 Вт (258 ккал/ч):

Для справки — теплоемкость воздуха равна примерно 0,3 ккал/м³·град.

Я измерил сопротивление «холодной» нити у трех ламп на 100 Вт — оказалось около 40 Ом, у лампы на 150 Вт — около 25 Ом, у лампы на 60 Вт — около 65 Ом.
При нагреве вольфрамовой нити накала ее сопротивление увеличивается по закону $R = R0 \cdot {{({T \over T0})}^{1,215}}$.

При длительной работе лампы ее нить под действием высокой температуры нагрева постепенно испаряется, уменьшаясь в диаметре. При этом ее сопротивление должно возрастать. Интересно, можно ли использовать этот факт для оценки степени износа лампы?

Лампы накаливания мощностью 125 и 250 Вт ( англ.  incandescent heat hamp ) рекомендуются «to heat small areas of the bathroom and workbench, or use this heat lamp bulb to prevent freezing of water pipes, car radiators, and pumps» — «для обогрева небольших участков ванной комнаты и рабочего места или предотвращения замерзания водопроводных труб, автомобильных радиаторов и насосов» .

Для определения максимальной температуры нагрева стеклянного баллона некоторых ламп накаливания я использовал термопару типа K и цифровой мультиметр:

Вот какие результаты я получил:
60 Вт ⇒ 205-210 °C;
100 Вт ⇒ 230-235 °C.
На открытом воздухе на расстоянии 4 см от верха колбы лампы 100 Вт превышение температуры воздуха «прыгало» в широких пределах 15 … 75 °C, превышение температуры патрона при этом составило 40 °C.

Керамические лампы-нагреватели

Существуют и специальные керамические лампы под обычный (керамический или фарфоровый, не пластиковый!) патрон E27, не излучающие в оптическом диапазоне, и обладающие сроком службы 9000 — 15000 часов (у обычной лампы накаливания — 1000 часов) — такие лампы часто применяются в террариумах :

керамический патрон:

Такие лампы называются «Ceramic Heat Emitter» (CHE).
Тепло от таких нагревателей распространяется с помощью конвекции — нагретый воздух расширяется и поднимается вверх, уступая место холодному воздуху.

В этом каталоге приведены рабочие температуры таких ламп различной мощности (максимальная допустимая температура для них — 530 °C):
60 Вт — 290 °C ;
100 Вт — 380 °C ;
150 Вт — 420 °C ;
250 Вт — 490 °C .

Учитывая, что температура размягчения ПНД бочки составляет 120 °C, контакт поверхности керамического нагревателя с бочкой будет фатальным.

Здесь приведена таблица зависимости температуры воздуха от расстояния до такой лампы (для ламп мощностью 50, 100 и 150 Вт):

КПД керамических нагревателей составляет 96 %.

Влажность

Проблемой, которая может привести к разрушению колбы лампы (это случалось в моей установке — в верхушке лампы образовывалась аккуратная дырочка и колба «взрывалась»), является образование конденсата внутри кессона.

Для поглощения влаги из воздуха можно использовать различные средства — силикагель или обычную соль.
Я разместил коробочку с солью и пакетики с силикагелем на дне кессона:

Нагревательные провода

Альтернативным вариантом нагревателя является специальный нагревательный кабель, который обладает функцией саморегулирования (англ. self-regulating heating cable, «heat tape») — не потребляет энергии при «безопасной» температуре воздуха внутри бочки.

Вот какой нагревательный кабель длиной 5 метров я приобрел на Aliexpress:

На кабель были нанесены такие обозначения:

Мщность нагрева 1 метра кабеля составляет 20 Вт. Таким образом, мощность всего кабеля — 100 Вт.

С одной стороны кабеля я зачистил провода, а с другой — закрыл кабель термоусадочной трубкой:

При комнатной температуре сопротивление кабеля составило около 85 Ом.

Затем я обмотал обсадную трубу и часть выходящей из  нее подающей трубы этим кабелем, закрепив его в нескольких местах алюминиевым скотчем:

Зачищенные провода я подключил к обычному кабелю для включения в электрическую сеть.

Бочка-кессон

На кирпичную площадку на прокладки из уплотнителя я установил перевернутую 200-литровую бочку из полиэтилена низкого давления (ПНД) — импровизированный DIY-кессон:

Высота бочки 97 см, диаметр около 50 см, толщина стенок около 5 мм.

В бочке я проделал отверстие под выводную трубу. Отверстие сделано заметно ниже (!) высшей точки обсадной трубы для того, чтобы вода после отключения насоса могла сливаться самотеком, а часть трубы, наполненная водой, находилась в бочке.
Отверстие снаружи я герметизировал «холодной сваркой» :

Наружную часть этой трубы я обмотал фольгированным пенополиэтиленом толщиной 3-4 мм (этот материал известен под марками Пенофол, Изофлекс, Экофол, Изолон, Фольгоизол), который закрепил нейлоновыми стяжками:

Низ бочки, стоящий на кирпичах, я обсыпал щебнем, а затем засыпал грунтом (смесь песка, глины и земли) до первоначального уровня грунта и уплотнил. Бочка зафиксировалась надежно!

Для улучшения теплоизоляции можно засыпать бочку до уровня грунта не землей, а керамзитом или щебнем.
Для справки:
коэффициенты теплопроводности [${Вт \over {м \cdot К}}$]
земля — 0,35 … 0,37;
керамзит (фракция 0 — 5 мм) — 0,110;
керамзит (фракция 5 — 20 мм) — 0,091;
щебень марки 140 (30 — 60 мм) — 0,07 … 0,08.
щебень марки 100 (5 — 20 мм) — 0,06 … 0,07.

Таким образом, теплопроводность щебня меньше, чем у земли, примерно в 5 раз! Поэтому я подсыпал в нижней части бочки щебень.

Подающую воду трубу, идущую из бочки, в нижней точке я подключил к тройнику. Верхняя часть — к П-образной системе из труб, служащей для набора воды. Для закрепления конструкции служит забитый в землю арматурный стержень.

Мониторинг температуры

Мониторинг температуры внутри бочки важен как для предотвращения замерзания воды, так и для предотвращения перегрева, который может привести к взрыву колбы лампы накаливания, ведь в кессоне отсутствует вентиляция.

Для наблюдения за температурой я закрепил на обсадной трубе в нижней части кессона с помощью нейлоновой стяжки провода с подключенным к ним термистором (NTC — сопротивление уменьшается с ростом температуры), который я извлек из платы контроллера батареи старого ноутбука:

Этот термистор обладает хорошей чувствительностью, а его сопротивление можно измерять с помощью цифрового мультиметра.

Вот какие результаты я получил при калибровке этого термистора:
24 °C ⇒ 10,04 кОм;
22 °C ⇒ 11,28 кОм;
0 °C ⇒ 24,4 кОм.
Зависимость пратически линейная:

В роли датчика температуры может выступать и транзистор. Я экспериментировал с n-p-n транзистором 2N3904.

Тестер в режиме проверки диодов подключается к p-n переходу транзистора и работает в режиме источника тока 1 мА, отображая на индикаторе падение напряжения на p-n переходе в милливольтах. Это напряжение зависит от температуры перехода, а, следовательно, температуры окружающей среды.

При погружении в «сухой лед» (-78,5 °C) показания составили 1037 мВ:

При комнатной температуре 24 °C падение напряжения составило 780 мВ.

Также можно использовать специальные температурные датчики — LM35 (аналоговый) или DS18x20 (цифровой).

Дренаж

Нижняя часть тройника подключена к шаровому дренажному крану:

как утеплить скважину
положение 1 — «рабочий» режим, кран открыт для набора воды
положение 2 — кран открыт для слива воды из системы

Под краном я выкопал углубление, дно которого посыпал щебнем. В эту ямку сливается (основной объем сливается за 25 секунд) вода зимой из системы при открытии крана после отключения насоса (в системе имеется обратный клапан, что не допускает слива воды обратно в скважину), что предотвращает образование льда в трубах снаружи бочки — они остаются пустые:

При сильных морозах кран может «приморозить» — придется обдать его кипятком для того, чтобы повернуть ручку.

Схема слива воды:

Слитая вода (слив практически всей воды занимает около 12 секунд) , попадая на подушку из щебня, постепенно впитывается в грунт. Необходимо обеспечить требуемую глубину ямки, так как при сильных морозах часть слитой воды може замерзнуть, не успев впитаться!
После слива воды кран лучше закрыть (перевести в «рабочее» положение) для изоляции системы от внешней среды.

На конце трубы для набора я предусмотрел установку заглушки:

Однажды я забыл ее снять и насос с подачей 0,75 литра в секунду не подкачал — заглушка была просто выломана 🙂

Электрическая схема

На стене дома я смонтировал две защищенные (IP44) розетки, в которые включаются вилки шуров от насоса и нагревателя.
IP44 — первая цифра «4» — защита от пыли, вторая цифра «4» — защита от брызг воды (должна располагаться под крышей, вне попадания струи воды)

Розетка для нагревателя подключается к проводам, подходящим к розетке для насоса, через промежуточную схему, размещенную в монтажной коробке со степенью защиты IP55:

IP55 — первая цифра «5» — защита от сильного запыления, вторая цифра «5» — защита от струи воды, можно монтировать без навеса

Для регулировки мощности тепловыделения лампы я использую диммер, включенный в разрыв провода:

С помощью «винтажного» электросчетчика (длительность оборота диска в 6 секунд соответствует 1 киловатту потребляемой мощности) я замерил потребление мощности 100-ваттной лампочкой при максимальном положении диммера — 94 Вт.

Для повышения срока службы лампы и экономии энергии я чаще использую лампу на уменьшенной мощности. Для удобства я отметил на колпачке ручки переменного резистора диммера положения, соответствующие 100%, 75% и 50% мощности.

Альтернативным вариантом контроля мощности являются:

  • включение лампы через диод с достаточными номинальным прямым током и обратным напряжением;
  • включение лампы через конденсатор с достаточным обратным напряжением.

Также в разрыв провода, идущего к нагревателю, включен индикатор горения лампы:

Если через лампу протекает ток, то светодиод светится.

В темное время суток свечение лампы заметно и через стенки бочки — весьма симпатичный эффект.

Вот как выглядит электрическая часть:

Приблизительный тепловой расчет

Превышение температуры внутри кессона над температурой окружающей среды определяется выражением:
${\Delta}t = {P \over {K F}}$,
где $K$ — коэффициент теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи (величина, обратная термическому сопротивлению) рассчитывается так:
$K = \huge{{1 \over { {1 \over {{\alpha}_{вн}} } + { {\delta} \over {\lambda} }+{1 \over {{\alpha}_{н}} } } }}$,
где  ${{\alpha}_{вн}} = 5,6 {Вт \over {{м^2} \cdot К}}$ — коэффициент теплоотдачи от воздуха внутри бочки к ее стенке;
${{\alpha}_{н}} = 9,4 {Вт \over {{м^2} \cdot К}}$ — коэффициент теплоотдачи от стенки бочки к наружному воздуху;
${\delta} = 0,005 м$ — толщина стенки бочки;
${\lambda} =  0,4 {Вт \over {м \cdot К}}$ — коэффициент теплопроводности материала бочки (ПНД).

Для справки:
коэффициенты теплопроводности [${Вт \over {м \cdot К}}$]
кирпич — 0,81;
песок — 0,5;
ПНД — 0,4;
дерево — 0,35;
смесь земли и керамзита — 0,10 … 0,18;
воздух — 0,03;
пенопласт — 0,064;
снег — 1,5.

Подставляем численные значения и получаем:
$K = 3,36  {Вт \over {{м^2} \cdot К}}$

Соответствующее тепловое сопротивление (воздух внутри бочки — наружный воздух) равно
${R_т} = {1 \over K} = 0,3 {{{м^2} \cdot К} \over Вт} $

Учитывая, что КПД ламп накаливания очень мал, можно считать, что максимальная мощность тепловыделения 100-ваттной лампы $P = 100 Вт$.

Площадь поверхности бочки определяется выражением:
$F = {\pi} \cdot D \cdot ( {D \over 4} + H)$,
где  $H = 0,97 м$ — высота бочки;
$D = 0,5 м$ — диаметр бочки.

Подставляем численные значения и получаем:
$F = 1,72 {м^2}$

Определяем превышение температуры для 100-ваттной лампочки:
${\Delta}t = 17 К$

Эксплуатация

При работе 100-ваттной лампы на 75 % и подключенном к сети нагревательном кабеле превышение температуры при температуре снаружи 0 °C составило около 12 °C.

При работе 100-ваттной лампы на 100 % и подключенном к сети нагревательном кабеле превышение температуры при температуре снаружи -1 °C составило около 14 °C.

При работе 100-ваттной лампы на 100 % и подключенном к сети нагревательном кабеле превышение температуры при температуре снаружи -6 °C составило около 17 °C!

При работе 100-ваттной лампы на 100 % и подключенном к сети нагревательном кабеле превышение температуры при температуре снаружи -9 °C составило около 19 °C!

При работе 100-ваттной лампы на 100 % и подключенном к сети нагревательном кабеле превышение температуры при температуре снаружи — 17°C составило около 23 °C!
Показания моей самодельной метеостанции при этом морозе:

При температуре наружного воздуха — 14°C потребляемая лампочкой и нагревательным кабелем мощность составила  170 Вт, при этом нагревательный кабель потреблял около 80 Вт.

Наглядным проявлением работы системы обогрева является растаявший снег возле бочки при не слишком низких температурах:

Но при сильных морозах снег уже не тает.

Обогрев только нагревательным кабелем

В качестве я эксперимента я отключил лампу накаливания и оставил обогрев только нагревательным кабелем. Для лучшей теплоизоляции я засыпал бочку толстым слоем снега (такой способ называется «завалинка из снега» ) :

По теплопроводности 20 см снега эквивалентны примерно 11 см кирпича.

Для индикации тока, протекающего через кабель, я подключил светодиодную схему последовательно с кабелем.

При температуре снаружи -7 °C показания термодатчика составили около 0 °C (но проверено — работа скважины не нарушена, потому что нагревательный кабель локально греет трубы и воздух будет холоднее, чем при работе совместно с лампой накаливания). При этом кабель потреблял из сети мощность 60 Вт.

Дальнейшие направления улучшения:

  • реализация термостата.
    При этом возможны три варианта реализации термостата:
    on/off (non-proportional) — производит включение на полную мощность и выключение источника тепла при достижении определенных уровней температуры (для предотвращения быстрых циклических включений-выключений вводится гистерезис);
    pulse proportional — регулирует частоту «посылки» пакетов тепловой энергии, обладает меньшим временем реакции по сравнению с on/off;
    dimming — регулирует мощность лампы, изменяя активную часть каждого полупериода сетевого напряжения (подходит для ламп накаливания, так как создает меньший «стресс» для нити накала)
  • утепление бочки снаружи минеральной ватой.

Продолжение следует



Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *