家用平板太陽熱水器集熱部件水垢清洗工藝研究

■ 韓雷濤 居仁林 沈斌 徐永鋒 沈金俞

(1.浙江省太陽能產品質量檢驗中心；2.海寧市產品質量監督檢驗所)

一 引言

家用平板太陽熱水系統優越的技術經濟性能、良好的社會效益和實用性能，為太陽熱水系統的發展提供了較好的前提。在我國新能源政策推動下，我國太陽熱水系統的使用量越來越大，成為太陽熱利用的主要方式之一。太陽熱水系統的應用提高我們的生活質量，節省了一次能源的消耗，為我國的環保節能事業做出了突出的貢獻。我國在太陽能熱水系統的性能改進和建筑一體化化方面取得很多的研究成果，但在太陽熱水系統的維護方面的研究相對較少。太陽熱水系統的設計使用年限一般為10年，如何保證太陽熱水系統在設計期內高效地運行，成為一個亟需解決的問題。本文在原先探索實驗的基礎上重新對清洗試劑進行了優化，提出了一種實用性能和經濟性能較好的太陽熱水系統專用清洗工藝，并探討了其對熱水器清洗技術的發展方向。

二 結垢原因和特點

在我國安裝使用的平板太陽熱水系統多以自來水作為換熱工質(少數地區采用地下水作為工質)，平板式集熱部件采用的并聯式工質流道其工作溫度在70℃左右，采用自然循環的系統工質流速相對較低，這樣在高溫低流速的狀態下水中的礦物質容易在太陽熱水系統管道內壁上形成水垢，從而影響太陽熱水集熱器和工質的換熱，降低了太陽熱水系統的集熱效率。對平板式太陽能熱水系統，當水垢厚度超過0.25mm時，傳熱效率降低70%～80%以上。水垢的生成會嚴重影響熱水器的使用效果，嚴重的甚至可堵塞流道阻止熱量對流。另外，由于水垢中含有Fe、Cu等金屬元素，與構成熱水器的Fe、Cu等材質易形成化學電池，產生電化學腐蝕，嚴重影響熱水器的使用壽命。因此，太陽熱水器在使用一定時間后，必須定期進行清洗除垢。水垢的主要成分是碳酸鈣(CaCO3)、碳酸鎂(MgCO3)、少量的氧化鐵和二氧化硅等，其成分、結構類似于硅藻土和石灰石的混合物。另外針對水垢不同的形成特點，清洗也具有不同的工藝要求。太陽熱水系統內水溫一般在35～70℃，水流量較小，水壓較低。在這樣的條件下形成的水垢較薄且質地疏松。

三 清洗原理

水垢的清洗過程是指使水垢處于酸性環境下溶解，形成可溶性鹽，便從結垢表面脫落。太陽熱水系統清洗過程中涉及的主要化學反應為：

為了防止鹽酸對太陽熱水系統集熱板的腐蝕，在清洗液中可加入碳酸氨等物質作為防腐劑，此外為了增加溶解性可以在清洗液中加入適當的絡合物。酸洗除垢過程中酸性洗液主要有以下作用：

1 溶解作用

酸能與鈣、鎂的碳酸鹽和氫氧化物反應，生成易溶于水的鹽，從而達到溶解水垢的目的。其主要反應過程與清洗原理中相同。

2 剝離作用

酸不但能溶解太陽熱水系統內表面的水垢，而且能使附在換熱器內表面金屬表面的氧化物剝離下來，使得水垢無法在集熱器內表面附著。

3 氣掀作用

酸溶液與鈣、鎂的碳酸鹽水垢發生反應后，產生大量的CO2氣體。CO2氣體在溢出過程中，對難溶或溶解較慢的水垢層，具有一定的掀動力，使水垢從換熱器受熱表面脫落下來。

4 疏松作用

夾雜碳酸鹽的永久性水垢、鹽酸與碳酸鹽反應產生大量的CO2，氣體溢出過程中，產生一定的洗液擾動。洗液的攪拌作用使水垢疏散和脫離。

四 金屬防腐蝕原理

因太陽熱水器使用金屬材料較多，因而酸洗除垢時防腐難度相對較高。金屬防腐就是設法在金屬表面形成一層不宜與酸液發生反應的保護層，從而使金屬表面不直接與酸液接觸達到金屬防腐的目的。防腐產品主要有有機胺類化合物和含有氧、硫、磷等元素的有機聚羧酸鹽類化合物。有機胺類化合物，其結構中的氮原子具有非共價電子對，在酸性條件下，和H+按“R3N:+H+→R3N:H+”形式配位成含正電荷的離子，受靜電作用吸引到金屬表面，起到緩蝕作用。含有氧、硫、磷等元素的有機聚羧酸鹽類化合物，具有非共價電子對，這些電子供給體和金屬配位結合，形成牢固的化學吸附層，這里金屬成為電子接受體，二者構成配位共價鍵，起到緩蝕作用。此外，在鹽酸作為主洗液的試劑中加入碳酸氫氨(NH4HCO3)也可起到一定的防腐效果。在試驗中，證實多種防腐試劑聯合使用產生的防腐效果較好。

五 清洗液的配制

試驗中，主要選取工業鹽酸、碳酸氫氨、檸檬酸氨作為主要原料制備清洗夜，防腐采用TPR1-6EDTA、HKNT-Ⅰ和HKNT-Ⅱ等防腐緩施劑共用的措施。經多組對比型試驗，并結合清洗工程中應用的經驗，得到了一組配比清洗效果和經濟效益較為理想的自制洗液HLT-2，其配方見表1。

表1 HLT-2的配方

六 HLT-2的試驗性能

1 金屬表面腐蝕試驗

太陽熱水系統的主要部件由鋁、銅和鋼等材料制造，因此選取角鋁、銅管和銅箔進行浸泡腐蝕試驗。在試驗中pH值控制在3～4。試驗結果見表2。

2 對巖石的溶解性試驗

為了驗證HLT-2洗液對水垢的清洗作用，選取花崗巖石片(主要成分是碳酸鈣和硅酸鈣)，在500mL洗液中進行浸泡試驗。試驗溫度為20℃，試驗結果見表3。

表2 金屬表面腐蝕試驗數據

表3 巖石浸泡試驗

該試驗中巖石的結構致密，試驗過程中無攪拌，試驗溫度為20℃，pH值為3～4的條件下該試劑對巖石的溶解能力較強。該試劑用于太陽熱水系統(清洗溫度為太陽熱水儲熱水箱內水溫一般為40～70℃，在清洗過程中溶液強制流動，水垢質地較松軟，水垢相對表面積較大)清洗，其溶解速率比試驗中有較大提高。在實際應用過程中該洗液的除垢效果得到了證實。

七 清洗水垢的具體步驟

1 水冼

酸洗前先對換熱器進行開式沖洗，使換熱器內部沒有泥、垢等雜質，這樣既能提高酸洗的效果，又能降低酸洗的耗酸量。水洗時間控制在0.5h內，采用高流速水流對太陽熱水系統沖洗，可在集熱器開口兩端分別安置一臺水泵同時作業。為減小流體阻力也可分解太陽熱水系統集熱器組件。

2 酸洗

(1)酸洗過程

將酸洗液加入清洗裝置儲液水箱，控制pH值3～4，水采用太陽熱水系統儲熱水箱中的熱水。如水溫偏低則將集熱器與清洗裝置連接充水后，日照1h后在儲液水箱中配制洗液。在酸洗過程中適時測量洗液的pH值，適當補充鹽酸和碳酸氫氨，直至酸洗終點。

(2)酸洗終點的判定

在酸洗進行過程中，終點的判定是一個重要的環節。若酸洗結束過早，可能有部分水垢尚未除去；若酸洗結束過晚，水垢全部反應完后還會繼續和金屬反應。因此，在酸洗過程中，避免酸洗過程過早或過遲，可對酸液進行取樣分析。用EDTA標準溶液測定酸液的硬度，當兩次測定的酸液總硬度基本趨于穩定時，就可認為酸洗過程接近終點。

3 堿洗

酸洗結束之后，采用按一定的比例配制好的NaOH和Na3PO4混合液，利用動態循環的方式對換熱器進行堿洗，達到酸堿中和。

4 水洗

堿洗結束后，采用開放式沖洗的方式對集熱器進行高流量的水洗，使集熱器在酸洗過程中清洗下的殘液和脫落的殘渣排出集熱系統。維持20min，恢復太陽熱水系統的水質。

5 鈍化處理

水洗完成后，將清水注入集熱器并遮蔽陽光2h，使表面形成良好鈍化膜，防止運行期腐蝕。在酸洗后，金屬表面膜被酸溶解，金屬基本處于裸露狀態，且表面化學性質活潑，極易被腐蝕，因此用水將酸液沖出，將金屬裸露部分浸泡在水中緩慢恢復金屬表面氧化層，避免空氣中的氧對金屬的深度腐蝕。

八 太陽熱水系統除垢的發展方向

太陽熱水系統水垢采用該化學清洗的辦法可高效地清除集熱器內部的水垢，并具有較好的經濟性適合商業應用，但酸洗法對環境具有一定的危害。太陽熱水系統除垢還應和防垢相結合， 開發綠色、環保、高效型的防垢、除垢產品和技術。除垢工藝的發展將為保持太陽熱水系統工作效率提供保證，對我國新能源開發利用有積極的意義。

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