電極脈沖除垢式熱水器系統設計

魯滄

摘 要：電熱水器內部的水垢會隨著使用年限的增加不斷聚集，從而導致其壽命縮短，成本提高，危險增加的問題，我們設計了電熱水器除垢裝置。該裝置利用水及水中礦物質的電化學特性，通過電解來調節水中礦物質的平衡，而實現阻垢、防腐和防治微生物的目的。該除垢裝置的結構設計體積小，對使用環境和場地要求無限制。

關鍵詞：脈沖;智能除垢;大數據

1前言

電熱水器由于使用方便， 是目前大部分家庭的首選。而電熱水器使用時間久了后， 容易產生水垢等問題。水垢不僅影響水質， 還影響到熱水器的安全使用。電熱水器使用時間久了以后， 內膽中會產生許多水垢。

目前市場上有多種除垢方式，最主要的還是請專業的維修工來清潔，此舉措耗費人力、耗時、后期花費資金大，不是最佳選擇。本系統解決現有電熱水器造成熱水器水溫降低、供水量減少等問題，減少家庭使用中的維修和使用成本，在除垢防垢的過程中不使用任何化學藥劑，無腐蝕，無污染，無干擾，無輻射，對環境無污染。

2 系統原理

2.1 反應原理

2.1.1、低壓電子除垢機理

低壓電子除垢時的電極采用的是惰性電極，目的是為了避免陽極的金屬離子被電子出來，這樣就可以保證陽極的金屬量不變。在除垢的過程中，陽極釋放出電子，與陰極之間有電流形成，從而構成回路。低壓電子除垢技術的主要原理是利用陽極釋放出的電子與水中的成垢離子結合，促使成垢離子減少。低壓電子除垢中陽極附近的正電荷較多，從而陽極會吸引水中的陰離子，如能成垢的碳酸氫根和碳酸根、以及水中的氫氧根等;陰極附近是由于負電荷較多，所以水中的陽離子會被吸引到陰極附近，如氫離子和鈣離子等。

2.1.2脈沖鋅電解除垢機理

考慮除垢的最終目的，在對低壓電子除垢技術和電化學法除垢機理進行深入研究的基礎上，本裝置提出了脈沖鋅電解防除垢技術，能滿足以上要求且優于低壓電子除垢技術，其機理如下：將脈沖交變電場施加到兩個電極上，在交變電場的作用下陰陽極和水的界面之間會發生電化學反應，在陰極附近會生成 OH-，陰極附近的 PH 值會上升，如式（1和式（2）所示，同時CO32-會增多，相應的電化學反應如下：

當陰極的 CO32-增加時會促使溶液中的 Ca2+與之結合生成 CaCO3 沉淀在陰極表面，反應如式（3）所示，從而導致水中的成垢離子濃度急劇下降，進而使換熱設備表面的水垢減少，達到防除垢的效果。

整個電化學反應過程中不僅僅是減少了成垢的離子，而且還會生成少量的氣體，當這些氣體逸出的過程中會對沉淀物質起到浮出水面的作用，即電氣浮作用，主要就是將水垢結在陰極上。作為陽極的鋅電極，會以離子的形式被釋放到溶液中，形成Zn2+離子，Zn2+可以使水垢的晶型發生改變，并且Zn2+還會與溶液中形成水垢的陰離子結合。鋅離子的作用不僅使得結合成的化合物不會成為水垢，還可以減少成垢離子，相應的反應化學方程式如式（11）。

以上可以看出鋅電極的電化學除垢技術過程包含多種反應同時進行，既可以減少成垢離子又可以避免水垢結在換熱設備上，同時也可以使結在換熱設備上水垢為文石水垢而不是方解石水垢，易于被水流沖走，兼顧了低壓電子除垢技術和銅鋅除垢技術的優點。

2.2整體系統設計

設計原理圖如圖1所示，通過變換器AC/DC輸入220v交流電，交流電經過整流濾波電路的濾波相應處理成直流電，并同時通過電壓電流反饋采樣電路反饋到PWM芯片與智能控制器輸出的給定的電壓或電流信號進行比較實現在額定電流以內輸出一可任意設定的穩定電壓，此時的電壓和電流大小通過水的雜質含量而變化。然后再經高頻雙極脈沖換向器處理實現輸出大功率的雙極高頻脈沖以向雙電解電極提供低壓電解能源，將脈沖交變電場施加到兩個電極上，在交變電場的作用下陰陽極和水的界面之間會發生電化學反應既可以減少成垢離子。

脈沖信號發生器利用可調的直流穩壓電源和電路板輸出一定頻率的交流脈沖方波電壓信號，采用不同的電壓值對溶液進行處理，并觀察其除垢的效果，極板間距過大其電阻值越大，除垢效果會不好，間距過小易產生短路現象。當 PWM=0.5 時，此時正負電壓值是平均分配的，本實驗是要求最大值為+5V，那么就要求穩壓源輸出是 10V，當要得到電壓值為 4.5V 時穩壓源就需要輸出 9V。極板間距分別取8.0cm、5.0cm、3cm，方波信號的最大電壓值分別取 3V、3.5 V、4 V、4.5 V、5 V，則穩壓源輸出分別為 6V、7 V、8V、9 V、10 V，其除垢實驗結果如表1 所示。

當極板間距為 8.0cm 時，所加的電壓不同其除垢效果不同。由于其極板間距較大所以兩個電極之間的電阻比較大，其整體的除垢率會相對小一些。從表1中得出當電壓為 4.0V 時的除垢率最好，除垢率衰減的最慢。所以在極板間距為 8.0cm時，最佳除垢率可以達到 50.5%，此時的電壓值為 4.0V。

從上述模擬結果可以看出，當脈沖鋅電解設備輸出電壓為 4.5V，極板間距為 5cm 時，其防垢率最高，此時的電壓值和極板間距為此實驗的除垢效果最高的最佳參數。

4結論

對于電脈沖除垢具有低功耗、結構簡單、適合于低壓等特點，除應用于熱水器除垢外，在一些大功率中央空調 、鍋爐、熱交換設備或者管道等的結垢問題上也可以得到應用。

參考文獻：

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