电极脉冲除垢式热水器系统设计

鲁沧

摘 要：电热水器内部的水垢会随着使用年限的增加不断聚集，从而导致其寿命缩短，成本提高，危险增加的问题，我们设计了电热水器除垢装置。该装置利用水及水中矿物质的电化学特性，通过电解来调节水中矿物质的平衡，而实现阻垢、防腐和防治微生物的目的。该除垢装置的结构设计体积小，对使用环境和场地要求无限制。

关键词：脉冲;智能除垢;大数据

1前言

电热水器由于使用方便， 是目前大部分家庭的首选。而电热水器使用时间久了后， 容易产生水垢等问题。水垢不仅影响水质， 还影响到热水器的安全使用。电热水器使用时间久了以后， 内胆中会产生许多水垢。

目前市场上有多种除垢方式，最主要的还是请专业的维修工来清洁，此举措耗费人力、耗时、后期花费资金大，不是最佳选择。本系统解决现有电热水器造成热水器水温降低、供水量减少等问题，减少家庭使用中的维修和使用成本，在除垢防垢的过程中不使用任何化学药剂，无腐蚀，无污染，无干扰，无辐射，对环境无污染。

2 系统原理

2.1 反应原理

2.1.1、低压电子除垢机理

低压电子除垢时的电极采用的是惰性电极，目的是为了避免阳极的金属离子被电子出来，这样就可以保证阳极的金属量不变。在除垢的过程中，阳极释放出电子，与阴极之间有电流形成，从而构成回路。低压电子除垢技术的主要原理是利用阳极释放出的电子与水中的成垢离子结合，促使成垢离子减少。低压电子除垢中阳极附近的正电荷较多，从而阳极会吸引水中的阴离子，如能成垢的碳酸氢根和碳酸根、以及水中的氢氧根等;阴极附近是由于负电荷较多，所以水中的阳离子会被吸引到阴极附近，如氢离子和钙离子等。

2.1.2脉冲锌电解除垢机理

考虑除垢的最终目的，在对低压电子除垢技术和电化学法除垢机理进行深入研究的基础上，本装置提出了脉冲锌电解防除垢技术，能满足以上要求且优于低压电子除垢技术，其机理如下：将脉冲交变电场施加到两个电极上，在交变电场的作用下阴阳极和水的界面之间会发生电化学反应，在阴极附近会生成 OH-，陰极附近的 PH 值会上升，如式（1和式（2）所示，同时CO32-会增多，相应的电化学反应如下：

当阴极的 CO32-增加时会促使溶液中的 Ca2+与之结合生成 CaCO3 沉淀在阴极表面，反应如式（3）所示，从而导致水中的成垢离子浓度急剧下降，进而使换热设备表面的水垢减少，达到防除垢的效果。

整个电化学反应过程中不仅仅是减少了成垢的离子，而且还会生成少量的气体，当这些气体逸出的过程中会对沉淀物质起到浮出水面的作用，即电气浮作用，主要就是将水垢结在阴极上。作为阳极的锌电极，会以离子的形式被释放到溶液中，形成Zn2+离子，Zn2+可以使水垢的晶型发生改变，并且Zn2+还会与溶液中形成水垢的阴离子结合。锌离子的作用不仅使得结合成的化合物不会成为水垢，还可以减少成垢离子，相应的反应化学方程式如式（11）。

以上可以看出锌电极的电化学除垢技术过程包含多种反应同时进行，既可以减少成垢离子又可以避免水垢结在换热设备上，同时也可以使结在换热设备上水垢为文石水垢而不是方解石水垢，易于被水流冲走，兼顾了低压电子除垢技术和铜锌除垢技术的优点。

2.2整体系统设计

设计原理图如图1所示，通过变换器AC/DC输入220v交流电，交流电经过整流滤波电路的滤波相应处理成直流电，并同时通过电压电流反馈采样电路反馈到PWM芯片与智能控制器输出的给定的电压或电流信号进行比较实现在额定电流以内输出一可任意设定的稳定电压，此时的电压和电流大小通过水的杂质含量而变化。然后再经高频双极脉冲换向器处理实现输出大功率的双极高频脉冲以向双电解电极提供低压电解能源，将脉冲交变电场施加到两个电极上，在交变电场的作用下阴阳极和水的界面之间会发生电化学反应既可以减少成垢离子。

脉冲信号发生器利用可调的直流稳压电源和电路板输出一定频率的交流脉冲方波电压信号，采用不同的电压值对溶液进行处理，并观察其除垢的效果，极板间距过大其电阻值越大，除垢效果会不好，间距过小易产生短路现象。当 PWM=0.5 时，此时正负电压值是平均分配的，本实验是要求最大值为+5V，那么就要求稳压源输出是 10V，当要得到电压值为 4.5V 时稳压源就需要输出 9V。极板间距分别取8.0cm、5.0cm、3cm，方波信号的最大电压值分别取 3V、3.5 V、4 V、4.5 V、5 V，则稳压源输出分别为 6V、7 V、8V、9 V、10 V，其除垢实验结果如表1 所示。

当极板间距为 8.0cm 时，所加的电压不同其除垢效果不同。由于其极板间距较大所以两个电极之间的电阻比较大，其整体的除垢率会相对小一些。从表1中得出当电压为 4.0V 时的除垢率最好，除垢率衰减的最慢。所以在极板间距为 8.0cm时，最佳除垢率可以达到 50.5%，此时的电压值为 4.0V。

从上述模拟结果可以看出，当脉冲锌电解设备输出电压为 4.5V，极板间距为 5cm 时，其防垢率最高，此时的电压值和极板间距为此实验的除垢效果最高的最佳参数。

4结论

对于电脉冲除垢具有低功耗、结构简单、适合于低压等特点，除应用于热水器除垢外，在一些大功率中央空调 、锅炉、热交换设备或者管道等的结垢问题上也可以得到应用。

参考文献：

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