家用平板太阳热水器集热部件水垢清洗工艺研究

2012-10-22韩雷涛居仁林沈斌徐永锋沈金俞

太阳能 2012年3期

■ 韩雷涛居仁林沈斌徐永锋沈金俞

(1.浙江省太阳能产品质量检验中心；2.海宁市产品质量监督检验所)

一引言

家用平板太阳热水系统优越的技术经济性能、良好的社会效益和实用性能，为太阳热水系统的发展提供了较好的前提。在我国新能源政策推动下，我国太阳热水系统的使用量越来越大，成为太阳热利用的主要方式之一。太阳热水系统的应用提高我们的生活质量，节省了一次能源的消耗，为我国的环保节能事业做出了突出的贡献。我国在太阳能热水系统的性能改进和建筑一体化化方面取得很多的研究成果，但在太阳热水系统的维护方面的研究相对较少。太阳热水系统的设计使用年限一般为10年，如何保证太阳热水系统在设计期内高效地运行，成为一个亟需解决的问题。本文在原先探索实验的基础上重新对清洗试剂进行了优化，提出了一种实用性能和经济性能较好的太阳热水系统专用清洗工艺，并探讨了其对热水器清洗技术的发展方向。

二结垢原因和特点

在我国安装使用的平板太阳热水系统多以自来水作为换热工质(少数地区采用地下水作为工质)，平板式集热部件采用的并联式工质流道其工作温度在70℃左右，采用自然循环的系统工质流速相对较低，这样在高温低流速的状态下水中的矿物质容易在太阳热水系统管道内壁上形成水垢，从而影响太阳热水集热器和工质的换热，降低了太阳热水系统的集热效率。对平板式太阳能热水系统，当水垢厚度超过0.25mm时，传热效率降低70%～80%以上。水垢的生成会严重影响热水器的使用效果，严重的甚至可堵塞流道阻止热量对流。另外，由于水垢中含有Fe、Cu等金属元素，与构成热水器的Fe、Cu等材质易形成化学电池，产生电化学腐蚀，严重影响热水器的使用寿命。因此，太阳热水器在使用一定时间后，必须定期进行清洗除垢。水垢的主要成分是碳酸钙(CaCO3)、碳酸镁(MgCO3)、少量的氧化铁和二氧化硅等，其成分、结构类似于硅藻土和石灰石的混合物。另外针对水垢不同的形成特点，清洗也具有不同的工艺要求。太阳热水系统内水温一般在35～70℃，水流量较小，水压较低。在这样的条件下形成的水垢较薄且质地疏松。

三清洗原理

水垢的清洗过程是指使水垢处于酸性环境下溶解，形成可溶性盐，便从结垢表面脱落。太阳热水系统清洗过程中涉及的主要化学反应为：

为了防止盐酸对太阳热水系统集热板的腐蚀，在清洗液中可加入碳酸氨等物质作为防腐剂，此外为了增加溶解性可以在清洗液中加入适当的络合物。酸洗除垢过程中酸性洗液主要有以下作用：

1 溶解作用

酸能与钙、镁的碳酸盐和氢氧化物反应，生成易溶于水的盐，从而达到溶解水垢的目的。其主要反应过程与清洗原理中相同。

2 剥离作用

酸不但能溶解太阳热水系统内表面的水垢，而且能使附在换热器内表面金属表面的氧化物剥离下来，使得水垢无法在集热器内表面附着。

3 气掀作用

酸溶液与钙、镁的碳酸盐水垢发生反应后，产生大量的CO2气体。CO2气体在溢出过程中，对难溶或溶解较慢的水垢层，具有一定的掀动力，使水垢从换热器受热表面脱落下来。

4 疏松作用

夹杂碳酸盐的永久性水垢、盐酸与碳酸盐反应产生大量的CO2，气体溢出过程中，产生一定的洗液扰动。洗液的搅拌作用使水垢疏散和脱离。

四金属防腐蚀原理

因太阳热水器使用金属材料较多，因而酸洗除垢时防腐难度相对较高。金属防腐就是设法在金属表面形成一层不宜与酸液发生反应的保护层，从而使金属表面不直接与酸液接触达到金属防腐的目的。防腐产品主要有有机胺类化合物和含有氧、硫、磷等元素的有机聚羧酸盐类化合物。有机胺类化合物，其结构中的氮原子具有非共价电子对，在酸性条件下，和H+按“R3N:+H+→R3N:H+”形式配位成含正电荷的离子，受静电作用吸引到金属表面，起到缓蚀作用。含有氧、硫、磷等元素的有机聚羧酸盐类化合物，具有非共价电子对，这些电子供给体和金属配位结合，形成牢固的化学吸附层，这里金属成为电子接受体，二者构成配位共价键，起到缓蚀作用。此外，在盐酸作为主洗液的试剂中加入碳酸氢氨(NH4HCO3)也可起到一定的防腐效果。在试验中，证实多种防腐试剂联合使用产生的防腐效果较好。

五清洗液的配制

试验中，主要选取工业盐酸、碳酸氢氨、柠檬酸氨作为主要原料制备清洗夜，防腐采用TPR1-6EDTA、HKNT-Ⅰ和HKNT-Ⅱ等防腐缓施剂共用的措施。经多组对比型试验，并结合清洗工程中应用的经验，得到了一组配比清洗效果和经济效益较为理想的自制洗液HLT-2，其配方见表1。

表1 HLT-2的配方

六 HLT-2的试验性能

1 金属表面腐蚀试验

太阳热水系统的主要部件由铝、铜和钢等材料制造，因此选取角铝、铜管和铜箔进行浸泡腐蚀试验。在试验中pH值控制在3～4。试验结果见表2。

2 对岩石的溶解性试验

为了验证HLT-2洗液对水垢的清洗作用，选取花岗岩石片(主要成分是碳酸钙和硅酸钙)，在500mL洗液中进行浸泡试验。试验温度为20℃，试验结果见表3。

表2 金属表面腐蚀试验数据

表3 岩石浸泡试验

该试验中岩石的结构致密，试验过程中无搅拌，试验温度为20℃，pH值为3～4的条件下该试剂对岩石的溶解能力较强。该试剂用于太阳热水系统(清洗温度为太阳热水储热水箱内水温一般为40～70℃，在清洗过程中溶液强制流动，水垢质地较松软，水垢相对表面积较大)清洗，其溶解速率比试验中有较大提高。在实际应用过程中该洗液的除垢效果得到了证实。

七清洗水垢的具体步骤

1 水冼

酸洗前先对换热器进行开式冲洗，使换热器内部没有泥、垢等杂质，这样既能提高酸洗的效果，又能降低酸洗的耗酸量。水洗时间控制在0.5h内，采用高流速水流对太阳热水系统冲洗，可在集热器开口两端分别安置一台水泵同时作业。为减小流体阻力也可分解太阳热水系统集热器组件。

2 酸洗

(1)酸洗过程

将酸洗液加入清洗装置储液水箱，控制pH值3～4，水采用太阳热水系统储热水箱中的热水。如水温偏低则将集热器与清洗装置连接充水后，日照1h后在储液水箱中配制洗液。在酸洗过程中适时测量洗液的pH值，适当补充盐酸和碳酸氢氨，直至酸洗终点。

(2)酸洗终点的判定

在酸洗进行过程中，终点的判定是一个重要的环节。若酸洗结束过早，可能有部分水垢尚未除去；若酸洗结束过晚，水垢全部反应完后还会继续和金属反应。因此，在酸洗过程中，避免酸洗过程过早或过迟，可对酸液进行取样分析。用EDTA标准溶液测定酸液的硬度，当两次测定的酸液总硬度基本趋于稳定时，就可认为酸洗过程接近终点。