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一 水垢對太陽能熱水器的危害
我們經(jīng)常看到家里的電壺、電熱水器等家用電器，單位的鍋爐、換熱器等設(shè)備在使用一段時間后附著一層厚厚的水垢，這些水垢層將嚴(yán)重阻止熱量的傳遞，降低了設(shè)備的傳熱效率，增加了能耗。不單是電熱水器與鍋爐結(jié)垢，使用太陽能熱水器尤其是夏天溫度較高，也經(jīng)常結(jié)垢，致使真空管炸管、內(nèi)膽腐蝕、管路堵塞等故障，水垢對太陽能的危害主要有以下幾點。
1、真空管是太陽能熱水器的集熱核心部件，直接吸收太陽光線，而在實際應(yīng)用中真空管內(nèi)壁上容易形成可見的水垢膜，這時透光率只能達(dá)到新真空管的85%左右，使用一年后，在真空管內(nèi)壁可形成1mm~2mm厚的垢殼，其透光率只有新真空管的50%以下，這時的集熱效率較之新真空管也下降到50%以下；
2、為回避水垢問題以及因真空管破裂而漏水造成整個系統(tǒng)的癱瘓，有的高檔太陽能熱水器以及大型聯(lián)排太陽能工程多采用熱管集熱器，并認(rèn)為無需再進(jìn)行水處理，但熱管所產(chǎn)生的熱量多集中于紫銅探頭，因探頭溫度高、面積小，更容易在探頭上形成一個水垢包，因熱管的熱量經(jīng)過熱媒、熱傳感器多次交換，對水垢更敏感，水垢對熱交換的效率影響更大。
3、水垢的導(dǎo)熱系數(shù)極低,不到金屬的百分之一，它附著在太陽能的集熱管內(nèi)壁導(dǎo)致吸熱管吸收的熱量不能及時傳遞給水，造成溫度過高，極易炸管，水壺?zé)┝司褪沁@個道理。同樣你的太陽能水溫一年比一年低,最后造成集熱管報廢，細(xì)心的用戶會發(fā)現(xiàn)，家里的太陽能水溫沒有去年的高，就是水垢結(jié)多了。水垢用傳統(tǒng)的方式清理很難，暖瓶里的水垢我們也清理過，是不是很硬，很難清理干凈。同樣真空管口徑細(xì)，更難清理徹底。
4、水垢腐蝕內(nèi)膽，造成漏水，破壞保溫效果，減少太陽能熱水器的使用壽命。以前家里用白鐵制造的太陽能用不了幾年就漏了，就是水垢腐蝕的原因。現(xiàn)在的太陽能熱水器水箱一般都是采用304不銹鋼制作。在生產(chǎn)焊接時，雖然有氬氣的保護(hù)，但受到高溫影響，使焊縫附近的金屬晶像發(fā)生改變，即由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。含有氯離子的水在不斷加熱過程中，加速了焊縫周邊金屬的銹蝕穿孔。
5、水垢影響水溫儀及電加熱系統(tǒng)的正常使用，導(dǎo)致水溫、水位顯示不準(zhǔn)確，電加熱設(shè)備干燒損壞乃至漏電。
二 水垢形成的機(jī)理
水垢的形成是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，需要同時滿足三個基本條件：1.水的硬度較高；2.水溫較長時間超過63℃，當(dāng)超過70℃以上時結(jié)垢更明顯；3.水相對保持靜止?fàn)顟B(tài)。其形成原因主要有以下幾個方面：
1.含有暫時硬度的水進(jìn)入太陽能熱水器后,在加熱過程中一些鈣鎂鹽類受熱分解,從溶于水的物質(zhì)轉(zhuǎn)變成難溶于水的物質(zhì),附著于水箱金屬表面上結(jié)為水垢,主要鹽類如下:
ca(HC03)2→CaC03↓+H2O+C02↑
Mg(HCO)2→MgC03↓+H2O+C02↑
MgC03+H2O→Mg(OH)2↓+C02↑
2.當(dāng)溫度升高后，某些鹽類超過了其溶解度達(dá)到過飽和時就在熱水器內(nèi)壁上析出固相,結(jié)成水垢，如CaS04和CaSi03等鹽；
3.相互反應(yīng)給水中原溶解度較大的鹽類和水中其他鹽類、堿反應(yīng)后,生成難溶于水的化合物,從而結(jié)生水垢。一些鹽和堿相互反應(yīng)如下: Ca(HC03)2+2NaOH=CaC03↓+2Na2C03+2H20，CaCl2+Na2C03=CaC03↓+2NaCl；
4.在進(jìn)入太陽能熱水器里的懸浮物、膠體物質(zhì)等各種可溶性雜質(zhì)長時間懸浮在水中，如果排污不及時這些物質(zhì)在高溫時極易與水垢結(jié)合在一體形成混合水垢。
概括的說來，水垢的組成或成分是比較復(fù)雜的，通常都不是一種單一化合物，而是以一種化學(xué)成分為主，并同時含有其它化學(xué)成分。
三 太陽能熱水器中阻垢、防垢的方法
在太陽能熱水器行業(yè)中，有不少廠家已經(jīng)意識到了水垢對熱水器產(chǎn)品性能的影響，水處理行業(yè)內(nèi)的公司也正逐漸的開發(fā)在太陽能熱水器中應(yīng)用的阻垢產(chǎn)品，太陽能熱水器行業(yè)市場上的各種阻垢、防垢的產(chǎn)品與方法比比皆是，貶褒不一，市場比較混亂。本人結(jié)合市場總結(jié)了以下幾種方法供大家參考：
1、控制溫度
經(jīng)過分析水垢形成的條件及機(jī)理，可知把太陽能熱水器的水溫控制在結(jié)垢溫度以下，就能避免水垢的形成，一般而言真空管型太陽能熱水器的溫度容易到達(dá)結(jié)垢溫度，如果在集熱管的前面加上遮陽的裝置，在溫度超過結(jié)垢溫度以后，遮陽系統(tǒng)自動啟動，把集熱面遮擋住，能夠阻止水垢的生成，也能防止熱水器過熱。平板型熱水器由于在高溫時容易達(dá)到集熱與散熱的平衡，結(jié)垢的情況就明顯好于真空管型熱水器。雙循環(huán)型與強(qiáng)制循環(huán)型太陽能熱水器（集熱器管里不接觸水）就可以通過控制水箱溫度在70℃以上時，強(qiáng)制循環(huán)泵停止工作，使熱量不再進(jìn)入水箱，使水箱溫度不再升高，從而較好的防止水垢的生成。
2、離子交換法
軟水機(jī)是家用水處理行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的一種水處理方式，它的工作原理就是陽離子與水中的鈣鎂離子交換，除去水中的鈣鎂離子。采用這種方式的軟化水設(shè)備一般也叫做“離子交換器”(由于采用的多為鈉離子交換樹脂，所以也多稱為“鈉離子交換器”)。離子交換樹脂是軟水機(jī)的核心部件，它是一種聚合物，帶有相應(yīng)的功能基團(tuán)。一般情況下，常規(guī)的鈉離子交換樹脂帶有大量的鈉離子。當(dāng)水中的鈣鎂離子含量高時，離子交換樹脂可以釋放出鈉離子，功能基團(tuán)與鈣鎂離子結(jié)合，這樣水中的鈣鎂離子含量降低，水的硬度下降。硬水就變?yōu)檐浰�，這是軟化水設(shè)備的工作原理。當(dāng)樹脂上的大量功能基團(tuán)與鈣鎂離子結(jié)合后，樹脂的軟化能力下降，可以用氯化鈉溶液流過樹脂，此時溶液中的鈉離子含量高，功能基團(tuán)會釋放出鈣鎂離子而與鈉離子結(jié)合，這樣樹脂就恢復(fù)了交換能力，這個過程叫作“再生”。
由于實際工作的需要，軟化水設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)工作流程主要包括：工作(有時叫做產(chǎn)水，下同)、反洗、吸鹽(再生)、慢沖洗(置換)、快沖洗五個過程。不同軟化水設(shè)備的所有工序非常接近，只是由于實際工藝的不同或控制的需要，可能會有一些附加的流程。任何以鈉離子交換為基礎(chǔ)的軟化水設(shè)備都是在這五個流程的基礎(chǔ)上發(fā)展來的(其中，全自動軟化水設(shè)備會增加鹽水重注過程)。
此種方法主要優(yōu)點是：效果穩(wěn)定準(zhǔn)確，工藝成熟，可以將硬度降低至0。其缺點為：（1）、工作過程會產(chǎn)生過量的再生廢液；（2）、耗鹽量大，需經(jīng)常加鹽還原；（3）、排出大量含鹽廢水易引起管道腐蝕，熱水使用存在安全隱患；（4）、設(shè)備放置在室內(nèi)占有空間大；（5）、相對于太陽能來說價格偏高。
3、電磁法
采用在水中加上一定的磁場來改變水分子的特性，從而改變碳酸鈣(碳酸鎂)沉積的速度及沉積時的物理特性來阻止水垢的形成的方法叫做電磁法。電磁法阻垢主要有兩種外加磁場的方式：永磁型和電磁型兩種結(jié)構(gòu)方案。永磁型防垢器外形呈管狀，內(nèi)部是釹鐵硼高磁性材料，外部是碳鋼屏蔽體，水從釹鐵硼與外殼的夾層流過即被磁化處理，水分子鍵同時發(fā)生角度和長度的變形，氫鍵角從105℃減小到103℃左右，使水的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，即原水分子大締合鏈狀大分子的氫鍵斷裂成單個水分子，水中單個水分子急劇增加，水中溶解鹽的正負(fù)離子就迅速被大量單個水分子包圍，運動速度降低，有效碰撞次數(shù)減少，靜電引力下降、從而使水中的鈣、鎂離子無法與碳酸根結(jié)合成碳酸鈣和碳酸鎂，從而達(dá)到除垢、防垢、阻垢的效果。同時由于水體吸收大量被激勵的電子，使水的偶極矩增強(qiáng)，與鹽的正負(fù)離子的親和能力增強(qiáng)，從而使管壁上原有的水垢逐漸松軟以至脫落，大締合水分子成單個水分子后，極微小的水分子可以滲透、疏松、溶解垢體，也能達(dá)到除垢的效果。使用條件是：水流過防垢器的流速≥2 M/S；適用水溫：0℃~80℃；中心磁場的磁場強(qiáng)度≥160MTØ。電磁型防垢器有管道式防垢器和纏繞式防垢器兩種型式，
如下圖所示，管道式防垢器安裝時，管道從管道式防垢器上的孔徑穿過（如圖6所示）；纏繞式防垢器安裝時，把設(shè)備上的電源線按照一定的方向纏繞在給水管道上（如圖7所示），在通電時兩種型式的防垢器線圈都會在給水管道上產(chǎn)生磁場，水流過電磁場切割磁力線，水被磁化，它的磁性來源于通電的線圈，防垢原理與使用條件同永磁性防垢器。
4、加藥劑法
向水中加入專用的阻垢劑，可以使鈣鎂離子、碳酸根離子與藥劑的分子形成絡(luò)合物，增加其在高溫水中的溶解度，從而使水垢不能析出、沉積。目前工業(yè)上可以使用的阻垢劑很多，在水處理中常用的阻垢劑有復(fù)磷酸鹽、有機(jī)膦酸、膦羧酸、有機(jī)膦酸脂、聚羧酸等。目前在生活用水行業(yè)通用的阻垢劑是硅磷晶，它是一種緩慢溶解的球狀化學(xué)藥劑，主要是由多種磷酸鹽、硅酸鹽經(jīng)特殊加工工藝制成。如圖10與圖11所示自來水從進(jìn)口進(jìn)入阻垢器，水從裝有硅磷晶的藥罐里流過，硅磷晶就溶解在水里進(jìn)入太陽能熱水器，消耗量是1~3ppm即１噸(1百萬克)水中溶解硅磷晶量1~3克，適應(yīng)水的鈣硬度范圍在30~400ppm之間，這對于我國絕大部分地區(qū)都是適用的。硅磷晶技術(shù)使用方便，無動力消耗，不增加用水系統(tǒng)的阻力，平時無需專人維護(hù)，這種方法的特點是：一次性投入較少，適應(yīng)性廣，阻垢、除垢能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，尤其適合于儲水式加熱器，只需要根據(jù)系統(tǒng)的用水量大小，按時添加硅磷晶。
5、光催化氧化法
光催化氧化反應(yīng)是目前研究較多的一項高級氧化技術(shù)。所謂光催化反應(yīng)，就是在光的作用下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。光化學(xué)反應(yīng)需要分子吸收特定波長的電磁輻射，受激產(chǎn)生分子激發(fā)態(tài)，然后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì)，或者變成引發(fā)熱反應(yīng)的中間化學(xué)產(chǎn)物。他屬于光化學(xué)反應(yīng)降解污染物，有催化劑參與的光化學(xué)氧化過程，在當(dāng)前的水處理行業(yè)應(yīng)用方式主要是利用光催化片做為氧化劑，將無機(jī)的光敏半導(dǎo)體材料ＴｉＯ2燒固在陶瓷表面，形成牢固的二氧化鈦膜面層即光催化片，同時結(jié)合一定量的紫外線光線輻照，使光敏半導(dǎo)體在光的照射下激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對，吸附在半導(dǎo)體上的溶解氧、水分子等與電子-空穴作用，產(chǎn)生氧化性極強(qiáng)的自由基，再通過與污染物之間的羥基加和、取代、電子轉(zhuǎn)移等方式將污染物降解為無毒物質(zhì)，無二次污染。最終將水中污染物礦化為無害的二氧化碳和水，也將水中的成垢離子HCO3-、CO32-轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。即使在微光的作用下也能起強(qiáng)烈的光催化作用，具有防污、防臭、抗菌（殺菌）、除（阻）垢的效果，水質(zhì)經(jīng)過凈化后水PH值呈弱堿性、小分子團(tuán)，改善了水質(zhì)。
此種水處理方式在瓶裝飲用水行業(yè)已開始使用，在太陽能熱水器里的使用還在研究階段。在太陽能中利用方案一：太陽能的水箱至少要做成透光的水箱，或者做成一小部分透光，只要水箱里的水能有光線輻射進(jìn)去就可以，在水箱里面放置光催化片，光催化片的面積需要與水箱容積相匹配，一般300升水需要配置0.6㎡～1㎡。方案二：在太陽能的進(jìn)水管道前增加一個透光或半透光的水箱，里面放置光催化片，即前置水箱，前置水箱可以放置在室外或室內(nèi)，水在前置水箱里就被處理，進(jìn)入太陽能水箱后就不會結(jié)垢。一般光催化片對水的處理時間需要3-4小時，處理過的水能夠長時間不結(jié)垢。此種阻垢方法的應(yīng)用技術(shù)可行，不過推廣的瓶頸主要在加工工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，即如何把光催化片放置在水箱里，如何把光線引進(jìn)水箱。
家用飲水機(jī)一般是采用反滲透膜(RO)的技術(shù)，均可以攔截水中的鈣鎂離子，從根本上降低水的硬度。這種方法的特點是，效果明顯而穩(wěn)定，水流量小，出水沒有壓力、對進(jìn)水壓力有較高要求，需要經(jīng)常更換濾芯，設(shè)備投資、運行成本都較高，適合家用飲用水不適合做太陽能熱水器用水處理設(shè)備，所以在這里就不在詳述。
四 總結(jié)
通過以上對水垢危害及解決辦法的介紹，相信大家對于市場的阻垢除垢的產(chǎn)品能夠有所了解并加以鑒別。由于太陽能熱水器市場并不十分成熟，產(chǎn)品良莠不齊，許多小廠家做市場宣傳時，為了突出自己的產(chǎn)品，出現(xiàn)了很多虛夸太陽能熱水器功能的賣點。例如有些太陽能熱水器廠家，在太陽能熱水器水箱里面加上一根鎂棒，就講述鎂棒能阻垢、除垢，使熱水器永不生垢，是阻垢型熱水器，并以阻垢為他們熱水器的賣點，本人實在是不敢恭維，我也咨詢過不少鎂棒防腐方面的專業(yè)人士，鎂棒在水中消耗掉變成鎂離子，使水的PH值略有增加，更容易生成水垢，怎么能除垢呢？在市場上還有一些廠家用前置的凈水器來除垢，據(jù)了解凈水器一般是起過濾雜質(zhì)作用的，里面有過濾網(wǎng)與活性炭濾芯，通過凈水器的水能夠過濾雜質(zhì)，但是不能過濾鈣鎂離子，仍然不能起到防垢除垢的目的。
在太陽能熱水器日益普及的今天，太陽能領(lǐng)域里正由許多技術(shù)人才在研究高溫結(jié)垢的課題，也有許多的與太陽能相關(guān)聯(lián)企業(yè)在為太陽能行業(yè)做著積極的貢獻(xiàn)，相信太陽能熱水器結(jié)垢的問題在將來會得到完美的解決。
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