Обратный осмос для водоснабжения дома (часть 1 — гидравлика)

Доброго времени суток. На хабре уже было достаточно много статей про обратный осмос и жесткость воды. Но в основном они были о маленьких системах питьевого осмоса.
В данном посте хочу поделится опытом сборки осмотического фильтра высокой производительности (250 литров в час) для водоснабжения частного дома.
В первой части будет рассмотрено сборку гидравлической части системы. Автоматика управления будет в части 2.
Для лучшего ознакомления со статьей рекомендую ознакомится с общей конструкцией обратного осмоса, например тут: https://ru.wikipedia.org/wiki/Обратный_осмос
На КПДВ фото получившейся установки:

Фото получившейся установки обратного осмоса
Фото получившейся установки обратного осмоса

Устав бороться со сталактитами на сантехнике решил бороться с минерализацией воды радикальными методами — системой обратного осмоса. После изучения вопроса в интернете нашел что мембраны бывают не только маленькими под мойку на кухне, а и довольно большими и производительными (например метр в длину и более :D)
Начал проектирование с подбора формата мембраны. Под требуемый расход неплохо подошел формат 4040 (4 дюйма диаметр, 40 дюймов длина). Такие мембраны широко распространены и имеют приемлемую цену. Типичная производительность 250 литров в час.(системы ОО в большинстве случаев работают на накопительную емкость, поэтому такой производительности полностью хватает на семью)
Системы на основе мембран 4040 есть в продаже, но так как я любитель самодельщины, было принято решение собирать самому. Также для меня важно иметь навык обслуживания установки, чтобы не вызывать специалистов для ремонта или планового обслуживания.
Для глубокого ознакомления с темой рекомендую документ от американской компании DOW: filmtec technical manual:
https://www.rainmandesal.com/wp-content/uploads/2018/09/dow-filmtec-sw30-manual.pdf
В данной статье приведу краткий обзор принципов подбора мембран и комплектующих к фильтру.

Выглядит мембрана 4040 вот так: (длинна примерно 1 метр)

Я выбрал мембрану китайской компании VONTRON ULP21-4040, так как у нее доступная цена (примерно $135 на алиэкспрес) и допустимое содержание солей до 1500 мг/литр. (в моем случает 750 мг/литр)
Вот datasheet на мембрану https://www.prest.ro/wp-content/uploads/2018/11/ULP21-4040.pdf

Для таких мембран необходимо давление примерно 10 атмосфер. Для этого нужен будет насос который повышает давление.
Вот схема типичной установки обратного осмоса:

Принцип работы тут следующий — вода попадает сначала в фильтр тонкой очистки, потом следует датчик давления исходной воды, который будет выключать установку при пропадании водоснабжения (для защиты насоса от сухого хода). Далее вода попадает на электромагнитный клапан, который будет включать подачу воды при запуске установки. Насос повышает давление и подает воду в мембрану. Также на линии подачи установлен датчик давления, автоматика будет контролировать работает ли правильно насос.
Вода омывает мембрану, часть воды просачивается через нее и попадает в линию пермеата (чистой воды). На выходе пермеата стоит ротаметр (измеритель потока) и измеритель электропроводности — для контроля содержания солей. Если показатель TDS вырастет слишком много это будет сигнализировать о неисправности мембраны, тогда автоматика должна остановить установку.

В большинстве установок мембрана работает на накопительную емкость, так меньшие требования к производительности мембраны и для нее очень нежелательно противодавление на выходе, так как это приведет к падению эффективности фильтрации, для эффективности ОО важно поддерживать разницу давления примерно 10 бар.
Воду из накопительной емкости качает отдельная насосная станция с гидроаккумулятором и подает на потребители. С линии потребителей также сделал отвод через электромагнитный клапан и обратный клапан. Эта цепь для заполнения мембраны чистой водой перед отключением установки — для продления срока службы мембраны.
На выходе концентрата (правый верхний выход мембраны) стоит регулируемый вентиль, задача которого ограничивать скорость потока воды в дренаж. Параллельно вентилю подключен электромагнитный клапан, который время от времени будет включать полный поток воды для очистки отложений на мембране. (примерно 30 секунд раз в полчаса)
Второй регулировочный вентиль образует круг рециркуляции — часть воды с выхода мембраны возвращаем обратно на вход. Это сделано с целью обеспечить требование скорости протока воды вдоль полотна мембраны с целью недопущения прилипания частиц.
Также на выходе дренажа мембраны установлен еще один датчик давления — его задача измерять падение давления на мембране. Падение давления больше 0,5 бар свидетельствуют о засорении полотна — автоматика должна остановить установку.

Расчет гидравлических показателей системы

После изучения схемы пришло время подбора компонентов. Для этого нам надо три основных параметра:

1. Производительность очищенной воды
2. Скорость дренажа в канализацию
3. Скорость потока рециркуляции

Для типичной системы на одной мембране 4040 показатели будут такими
1. 250 л/ч чистой воды
2. 250 л/ч слив дренажа
3.1200 л/ч рециркуляции

Под спойлером краткое описание принципов расчета скорости потока

Для этого нам необходимо посмотреть на спецификацию мембраны.
https://www.prest.ro/wp-content/uploads/2018/11/ULP21-4040.pdf
Для большинства мембран 4040 производительность составляет 250 л/ч (в datasheet указано 380л/ч, но это при температуре воды 20С, в реальности вода будет холоднее и поэтому производительность будет ниже)

Один из основных параметров это Recovery Rate (коэффициент отбора).
Recovery rate — это сколько процентов должна составлять чистая вода от общего объема втекающего на вход.
Различают Recovery rate всей установки и мембраны.
Для большинства мембран это 15%. Такое соотношение очень плохое для всей установки, так как пришлось бы сливать очень много концентрата. Такое низкое значение обусловлено требованием минимальной скорости протока через мембрану для недопущения отложений. Улучшить общий показатель можно или подключив несколько мембран последовательно, или применив рециркуляцию — подав часть воды с выхода обратно на вход. Тем самым мы увеличим скорость потока, который омывает полотно мембраны.
Для большинства таких систем стараются держать общий Recovery rate на уровне 40-60 %

Значит для обеспечения требования 15% нам надо надо подавать на вход мембраны = 250/0,15 = 1666 л/ч.

При общем recovery rate равным 50% установка будет потреблять 500л/ч воды (250 чистой воды, 250 в канализацию). А нам надо получить поток 1666л/ч
значит надо установить поток рециркуляции 1666-500 = 1166 л/ч

Так как нам надо на вход мембраны подавать 1700 л/ч при давлении 10 бар, начнем выбор подходящего насоса
Для этого надо оценить рабочие графики
Я выбрал центробежный многоступенчатый насос от китайского производителя LEO EVPm 2-7 (индекс 775446)
Вот график

Выбранной модели соответствует кривая номер 6. Видим что при расходе 1800 л/ч повышение давления будет примерно 65 метров. (6,5 бар)
На входе давление от скважины будет примерно 3 бара. Вместе получаем 3 + 6,5 = 9,5 бар. Почти достигли искомое давление 10 бар (разница несущественная, но можно для большего запаса взять следующую модель). Когда я покупал то ее не было в наличии

Вот так выглядит такой насос. Асинхронный мотор с мощностью 1,5 кВт (220 В, однофазный)

Также нам будет необходим корпус для мембраны. Они в основном бывают двух видов: из нержавеющей стали и из пластика
Из стали дешевле, поэтому выбрал сталь. В гугле можно найти по запросу «case SUS-304-4040»
Он состоит из стального цилиндра, двух крышек с уплотнениями и фиксирующих хомутов
Центральные выходы крышек служат для выхода отфильтрованной воды (в системах ОО называют пермеатом)
Нам буде нужен только один выход, поэтому на одной стороне будем вкручивать сантехническую заглушку. Резьба портов пермеата: внутренняя 1/2 дюйма.
Боковые отверстия на 3/4 дюйма будут портами подачи и дренажа. Для удобства обслуживания рекомендую вкрутить ниппели для перехода на внешнюю резьбу — так буде проще подключать узел мембраны с помощью соединения типа «накидная гайка».
Так как крышки пластиковые, то для герметизации следует использовать фум ленту, использование льна может привезти к повреждению резьбы.

После покупки мембраны и насоса я принялся за изготовление рамы для установки. за основу выбрал квадратную профильную трубу 25*25мм. Получилась такая конструкция.

Далее подбираем остальные компоненты:

Электромагнитные клапаны я выбрал нормально закрытые с катушкой на 220 вольт. Максимальное давление 16 бар. Нам понадобится 3 штуки
типа таких.
https://prom.ua/p875672429-elektromagnitnyj-klapan-dlya.html

Фото клапана

Блок автоматики решил делать электронный на микроконтроллере, поэтому датчики давления выбрал с аналоговым выходом 4-20 мА.). Для простоты автоматики можно купить просто реле давления, которое замыкает/размыкает контакты.

https://www.aliexpress.com/item/32974525662.html

Для измерения потока воды решил использовать обычные счетчики воды (установив оптопару для подсчета расхода микроконтроллером).

Если нет желания возиться с микроконтроллерами можно просто поставить ротаметры для воды — приборы которые показывают расход в л/ч. Они представляют собой трубку с шариком внутри.
Для соединения компонентов использовал сантехнические резьбовые фитинги на 1/2 дюйма и полипропиленовые трубы 20 мм.

Вот блок дренажа — вентиль (с черной рукояткой) ограничивает поток, а электромагнитный клапан будет время от времени напрямую пускать поток воды для интенсивной промывки)

Также нам понадобиться измеритель проводимости воды:
https://www.aliexpress.com/item/32797515330.html
Он представляет собой коробочку с таблом и датчиком с резьбой на 1/2 дюйма, которую вкручивает в сантехнический тройник ( на предыдущем фото справа собрана обвязка датчика)

Фото получившейся установки

Мембрану в корпус не устанавливаем до самого момента запуска. Перед установкой мембраны промываем всю систему несколько минут.
При установке мембраны необходимо смазать тонким слоем сантехнического силикона резиновые уплотнения. Обратите внимание на корректность направления установки (на мембране нарисована стрелка)
Первый запуск необходимо производить с отключенным насосом — просто дать воде протечь полчаса чтобы вытеснить воздух. Потом включаем насос и регулировочными вентилями выставляем скорость дренажа и рециркуляции. Мембрана с завода заполнена консервантом, поэтому даем установке поработать час для полной промывки (вода при первом запуске была желтоватого оттенка).
На этом заканчиваю описание сборки гидравлической части установки. Для полноценного функционирования необходим блок автоматики который будет управлять клапанами, насосом, контролировать показания датчиков давления, потока, содержания солей (для защиты насоса и мембраны от повреждения)
Так как в данный момент я увлекся аналоговой электроникой, поэтому решил блок управления построить не на микроконтроллере, а на операционных усилителях, таймерах и дискретной логике.

На данный момент протестировал первую версию, исправил ошибки и заказал в Китае изготовления печатной платы.
Почему не микроконтроллер? — потому что just for fun 🙂
Также такой подход теоретически более надежный через отсутствие прошивки и рисков зависания микроконтроллера 🙂

На данный момент установка профильтровала 40 кубометров воды, производительность как и ожидалась (примерно 250 л/ч)
На сантехнике никакого налета, ванну очень легко мыть, не образовывается «мыльный камень». Также еще очень пригодилась очищенная вода для мойки автомобиля с помощью Karcher — после смыва нет нужды протирать лакокрасочное покрытие, вода высыхает без следов (как на профессиональных автомойках)

О реализации автоматики напишу немного позже, после того как спаяю финальную версию платы. С радостью отвечу на ваши вопросы!

Читайте так же: