美的热泵热水器
陈潇贤等
摘 要：从水垢的机理出发，考虑当前使用的水垢处理方法的利弊，结合家用热泵型热水器的特点，综合成本、可靠性、方便性、安全性等多方面考虑，认为电子处理水垢方法是目前较为可行的方法。
关键词：热泵热水器；水垢；处理
0 引言
热泵热水器的冷凝器铜管表面在长时间使用后存在结垢问题，影响工作性能。对水垢的处理将直接影响热水器工作的可靠性。
1 水垢形成原理
在普通水中含有多种杂质，在换热面表面传热时，在靠近管体处的流体作层流运动，其流动速度接近于0，通常叫滞流层。滞流层的温度相比较于主流体的部分更接近于换热面的温度，所以在换热面表面的溶液升温蒸发浓缩，导致换热面杂质的浓度大于主流体的浓度，一般生活用水中的所含无机盐温度越高，其溶解度越低（见表1），因此，由于温度和滞流的作用下，换热面总是首先形成盐类的沉积，即水垢。[1]
2 水垢危害
水垢的导热性能太差，远低于钢材（见表2）。水垢导热率因其化学成分不同而有很大差别，对换热表面最为直接的影响就是降低换热效率，延长工作加热时间。在运行中，水从垢层间隙中渗入后快速蒸干浓缩，水中有大量游离OH-使PH>13时发生碱性腐蚀；水中存在氯化物时发生酸性腐蚀。当发生下酸性腐蚀时，金属换热面产生腐蚀坑陷，同时金相组织发生了变化，使金属变脆。严重时会造成金属裂纹、穿孔、爆管。
3 水垢处理方法
目前的水垢处理方法主要分为化学和物理处理方法两大类。
（1）化学方法
化学方法主要分酸洗法和碱洗法。碱洗法就是根据实际情况，加入调配好的碱液，然后在进行加热除垢。碱洗法简单、费用低，但需要足够的化学反应时间才能见效。酸洗法主要是用盐酸与水垢主要成分发生反应，生成易溶于水的盐和挥发物，在溶解的同时能去除金属氧化物。酸洗除垢同时对金属也有腐蚀性，所以在酸洗过程中需加入缓蚀剂以阻止或减缓对金属的腐蚀。常见的缓蚀剂有乌洛托、若定等[2]。目前已经有成熟的产品在太阳能领域开始推广。另一种化学方法就是利用离子交换除去成垢离子，是治标又治本的方法。此方法不适用于热水器领域，大幅提高成本同时又增加了维护负担。
如果使用除垢剂一般是非环保产品，而且定期更换提升维护成本，同时作为家用热水器是封闭式储水箱，更换麻烦，不适宜作为日常维护使用，作为长时间使用后需要打开水箱检修时进行除垢的方法较为合适。
（2）物理方法
物理方法主要有机械处理和电子处理两种。机械法除垢即利用各种铲、削工具或专门的工具从管壁上清除水垢。机械法除垢操作简单但劳动强度大，清除不彻底，增加传热面的粗糙度，不适用于家用热水器。
机械处理也可采用涂层防垢，但涂层防垢对于涂层技术有一定要求，一些复杂的管道可能较难涂层，裸露部分依旧会结垢严重。类似于搪瓷一类的材料导热系数较低，不利于铜管表面的换热。
电子处理目前主要方法是电磁防垢。电磁防垢一般是用100-200kHz的电磁波，使水中成垢离子发生碰撞，产生可悬浮于水中的垢粒子随水流流走，或者形成非常薄的絮状软垢。[3]高频电磁脉冲阻垢系统如图1所示。高频脉冲发生装置产生的高频方波信号施加在处理腔内的电极上，从而在水中产生高频电磁场。高频处理腔为不锈钢同轴式结构，作为管道的一部分接入系统中。[4]高频电磁波防垢器通过缠绕在水管外的线圈对水流施加电子信号，与水隔绝，提高了安全性。但目前高频电磁防垢技术还不成熟，不同工况下水的物理化学性质有所区别，对于磁化后的溶液的性质较难测定，导致此类产品的除垢效果差别很大。[5]
液电效应是另一种电子处理方法，其原理如图2所示。由调压ZOB、变压器SYB、高压硅整流器GZ、限流电阻RZ、高压脉冲电容器C组成充电回路；由高压脉冲电容器C、放电开关KK、放电传输电缆及放电电极D J组成放电回路；放电电极浸放在水箱SH中。在电容器组上充直流高电压，经传输装置使放置在水中的电极瞬间放电，形成放电电弧通道。由于在极短的时间内输入较大的电能，导致放电通道急剧膨胀，水可认为不可压缩，从而形成超声速冲击波向外传播，对周围物体产生强大的力学效应。
放电间隙小时，在水中产生的冲击波可视为点振源产生沿半径方向传播的球面纵波。当放电能量较大时，对应的波前时问和脉冲能量的持续时间就短，获得的冲击压力就大。在液体中一次放电能产生两次冲击波。第一次冲击波是瞬间放电直接产生的，放电产生的气体形成很大的空穴；闭拢后又一次向外扩张形成二次冲击波，第二次冲击波往往比第一次强度更大。[6]
附在金属管壁上的水垢主要是由无机盐沉淀物组成。在水的冲击波作用下，金属壁和水垢都受到拉伸，但金属的抗拉强度远大于水垢，在一定放电参数下，金属只发生弹性变形，水垢层将从外层开始层层剥离。
在相同的放电能量条件下，钢管与放电通道的距离越近，放电能量越大，除垢效果越好。但放电能量较大时，离管太近会产生变形（见表3）。[8]该方法靠水介质传播能量，不受金属结构和形状的影响，对异型管件去垢非常有效（见图3）。此方法适用于家用热水器之类中小型换热设备。设计时需要对电极进行合理布局，调整输出功率，防止对铜管产生破坏。电极直接接触水，需要做好联动开关之类的安全防护装置。
4 结语
对于现在家用热泵型热水器，考虑到封闭式水箱以及平时极少打开以及环保的情况，化学方法不适宜使用。涂层防垢可靠性较好，对涂层技术要求较高，也要兼顾材质导热性能。高频电磁处理安全性好，但需要对水中杂质进行确认方能取得较好的效果。液电效应处理操作方便，对异型管除垢效果好，装置布置及参数设置需要仔细调整，安全装置也需做好。因此，在未来家用热泵型热水器水垢处理中，电子处理将是最为行之有效的方法。
参考文献：
[1]杨丽华.锅炉水垢的形成、危害及防范措施[J].山西科技，2004（3）：67-68.
[2]林宇铃.工业锅炉水垢的形成、危害及处理方法 [J].装备制造技术，2014（8）：131-133.
[3]张岳遐.热水器水垢的预防方法[J].现代家电，2006（6）：62-63.
[4]杨子康，熊兰，付克勤，苗雪飞.高频电磁脉冲循环冷却水污垢处理与热阻监测系统[J].重庆大学学报，2014，37（9）：26-32.
[5]刘科.变频电磁防垢技术现状 [J].内江科技，2013（5）：30.
[6]杜启蒙.液电效应及其应用[J].江苏电器，2008（7）：59-62.
[7]江斌.多功能热泵热水器与新型冷凝换热器性能的研究[D].安徽：中国科学技术大学，2009：9.
[8]张雷，邓琦林，周锦进.液电效应除垢机理分析与试验研究[J].大连理工大学学报，1998，38（2）：207-211.
