自2012年4月起,我们一直专注水系统研究开发应用
空气能太阳能热水工程中央空调水地暖工程中必须知道的水垢知识及解决方案
来源:李晓锋或者搜索微信号lxf888518518 | 作者:fengqyh | 发布时间: 2018-03-31 | 310 次浏览 | 分享到:



一、水垢是怎样形成的

      一般来说。含有钙(Ca)、镁(Mg)盐类等矿物质的水叫做“硬水”。(水的硬度(也叫矿化度)是指溶解在水中的钙盐与镁盐含量的多少。含量多的硬度大,反之则小。1升水中含有10mmgCaO(或者相当于10mmgCaO)称为1度。软水就是硬度小于8的水)河水、湖水、井水和泉水都是硬水。自来水是河水、湖水或者井水经过沉降,除去泥沙,消毒杀菌后得到的,也是硬水。刚下的雨雪,水里不含矿物质,是“软水”。水烧开后,一部分水蒸发了,本来不好溶解的硫酸钙(CaSO4,石膏就是含结晶水的硫酸钙)沉淀下来。原来溶解的碳酸氢钙(Ca(HCo3)2)和碳酸氢镁(Mg(HCO3)2),在沸腾的水里分解,放出二氧化碳(CO2),变成难溶解的碳酸钙(CaCO3)和氢氧化镁(Mg(OH)2)也沉淀下来。这就是水垢的来历。
      水垢根据其形成原因和成形状态的不同大致可分为硬垢和软垢两种。当水中含有碳酸盐胶体、细菌和有机物等杂质时,碳酸盐类似于水泥沙浆中的沙石,而胶体、细菌和有机物等则相当于水泥沙浆中的水泥,当水中胶体、细菌和有机物等粘性物质和碳酸盐共同作用,在高温煮沸条件下则形成了和容器(或管道表面)粘附在一起的硬垢。而一旦胶体、细菌和有机物等粘性物质被去除(如通过超滤滤除)后,即使水中钙、镁离子和碳酸根离子浓度很高,也只生成洁白而松散的容易去除的碳酸盐软垢,而不会产生硬垢。


二、热水工程为什么要进行水处理

      水垢与我们的生活形影不离。它的化学性质十分稳定,不仅会影响热交换率,消耗能源(一毫米厚的水垢能多消耗10%的能源),而且过多的水垢会堵塞水管,使水流变小,以致带来安全隐患;水垢甚至会危害人们的身体健康。
      热水工程必须要进行水处理,如同金属设备行业进行的防腐工程一样。对热水工程进行适当的水处理,可以使热效率提高20%-40%左右;设备使用年限提高1-2倍;设备维修率下降20%-30%。
      在西欧、北美,热水工程水处理是一个必要的环节,无论是设计院,设备供应商,用户都对热水工程水处理有足够的重视,水处理设备投入比例占整个工程量的5%-8%左右,因此而节省的能源与不发达国家比有20%-30%;设备的使用费用下降50%。水垢能耗众所周知,以法国为例,每年成垢量超过7000吨,耗费十几亿欧元,其耗能程度可想而知。
      在中国,锅炉设备每年都要有一次中修,两年必须大修,在水源水质复杂的地区甚至会导致设备无法运行,一年就要进行大修;中国是一个地表水资源缺乏的国家,70%的地区以地下水为主,地下水中所含的矿物质更丰富,品种更繁杂,热水工程更需要认真的进行水处理,热水工程离不开水处理。在当今世界提倡绿色能源、节能减排的潮流中,热水工程水处理更能发挥不可或缺的作用。


三、水垢对太阳能热水器的危害

1、太阳能真空管是太阳能热水器的集热器,直接吸收太阳光线,并利用热水比重小,冷水比重大的原理,将真空管内已被太阳光加热的水和水箱中的冷水进行交换,加热水箱中的水。
      集热效率是衡量太阳能热水器真空管性能的重要指标之一,太阳能热水器的集热效率体现在真空管技术上,主要由真空管的透光率、单向反射率以及真空隔热率三个指标决定。透光率决定了真空管的集热效率,也就是说:透光率越高,集热效率越高。这个问题我们从太阳能集热器能量平衡方程:Q=QI-QL和集热器效率公式:η=Q∕A*G中可以看出:透光率越高、集热器吸收的太阳辐射能QI越高、集热器吸收的有用能量Q越高、集热器效率η越高;反之亦然。但透光率是在实验室中测得的数据,而在实际应用中当连续用水半个月左右,真空管内壁上即形成可见的水垢膜,这时透光率只能达到新真空管的85%左右,使用半年后,在真空管内壁可形成1-2mm厚的垢壳,其透光率只有新真空管的50%以下,这时的集热效率较之新真空管也下降到50%以下;

2、为回避水垢问题以及因真空管破裂而漏水造成整个系统的瘫痪,有的高档太阳能热水器以及大型联排太阳能工程、阳台壁挂太阳能热水器多采用太阳能热管,并认为无需再进行水处理,但热管所产生的热量多集中于紫铜探头,因探头温度高、面积小,更容易在探头上形成一个水垢包,因热管的热量经过热媒、热传感器多次交换,对水垢更敏感,水垢对热交换的效率影响更大。

3、水垢的导热系数极低,不到金属的百分之一,它附着在太阳能的集热管内壁导致吸热管吸收的热量不能及时传递给水,造成温度过高,极易炸管,水壶烧漏了就是这个道理。同样你的太阳能水温一年比一年低,最后造成集热管报废,细心的用户会发现,家里的太阳能水温没有去年的高,就是水垢结多了。水垢用传统的方式清理很难,暖瓶里的水垢我们也清理过,是不是很硬,很难清理干净。同样真空管口径细,更难清理彻底。

4、水垢腐蚀内胆,造成漏水,破坏保温效果,减少太阳能热水器的使用寿命。以前家里用白铁制造的太阳能用不了几年就漏了,就是水垢腐蚀的原因。现在的太阳能热水器水箱一般都是采用304不锈钢制作。在生产焊接时,虽然有氩气的保护,但受到高温影响,使焊缝附近的金属晶像发生改变,即由奥氏体转变为马氏体。含有氯离子的水在不断加热过程中,加速了焊缝周边金属的锈蚀穿孔。

5、水垢影响水温仪及电加热系统的正常使用,导致设备损坏。

6、因真空管内表面很光滑,垢壳在水流的冲击下产生脱落,造成真空管内水循环不畅乃至堵塞。


四、水垢对热泵、空调机组的危害

1、板式换热器的堵塞穿孔:

板式换热器出于提高效率和降低成本,以及减少体积等因素考虑,一般水通道设计的比较窄,面积大,铝板式钢板的厚度在1mm以下。面积大,水垢的沉淀面积就大。当水垢的富集厚度到1mm左右时,水的阻力会提高1-2倍,热交换效率下降15%-20%左右,当水垢的厚度达到2-3mm时,热交换效率下降20%-30%左右,并引起水流不畅。板式热交换器的锈蚀穿孔:因水源水PH值偏高或偏低,而导致水的腐蚀性增强,特别是当温度升高后加速热交换器的腐蚀穿孔。

2、套管式热交换器:

套管式热交换器外管材料一般采用紫铜,厚度1mm以上,为增加热交换效率,高档的套管式热交换器的外管表面做成凹凸状,以期冷热水在套管表面形成涡流,但水垢一般首先在凹面富集,因此使用3-6月后也就无所谓涡流了。套管式热交换器成本较板式高、体积也增大,但热交换效率较低;因其外套管较厚,相较板式交换器不易锈蚀穿孔(在一些水源较差的地方仍时有发生)而被很多热泵厂家采用;但因其热交换效率低,必须提高其表面温度,因此主机工作时需较大的压缩比,和采用板式热交换器比,同样的制热量其主机功率要大一些,再加上套管热交换器体积大、成本高,因此不仅整机成本提高,能耗也增大;同时,它只是延缓了故障的发生时间,一般一至两年后,同样要采取除垢工作,否则仍会出现种种故障。

3、水垢对中央空调机组的危害:

1)、降低了换热效果。多数换热器都是用碳素钢制成的,而碳素钢的导热系数为46.4-52.2W/(m*k),而水垢的导热系数为0.464-0.679W/(m*k),只有碳素钢的1%左右,显然水垢或其它沉积物的导热系数比金属低得多。因此当水垢或其它沉积物覆盖在换热器表面上时,就如同在换热器表面裹上一层厚厚的棉衣,大大降低换热器的换热效率,如果想要维持其制热或制冷,势必增加能耗。
2)、使冷却水的循环速度和流量减少。沉积物或微生物污垢覆盖在换热器及其管壁上,甚至堵塞管道,这样使单位时间通过的循环水量减少了,循环速度减慢了,从而导致换热效果进一步降低。
3)、加速腐蚀。沉积物和微生物的存在,促使了浓差腐蚀电池的形成及垢下腐蚀的产生,从而加速了金属被腐蚀的速度。
4)、缩短了设备的使用寿命。一方面沉积物和微生物粘泥覆盖在换热器表面,阻止了设备的有效换热,从而使换热器表面的金属长期处于高温热负荷狀态,导致了金属疲劳;另一方面,腐蚀的发生会导致换热器的管壁变薄,尤其是垢下腐蚀还会导致设备穿孔泄漏,这些情况的发生,使得设备的使用寿命缩短。
5)、增加了运行成本。为使设备保持足够的换热效率,必须采取增加水量,增大能源供给等措施,同时为维修、更换因腐蚀原因造成损害的设备,必然增加费用,从而增大了设备的运行成本。


五、水垢对电热水器的危害

      可别小看了水垢,电热水器行业把水垢叫做热水器的天敌。水垢最直接的危害是耗电,一般50升的电热水器两个小时就能烧热了,如果内胆结了水垢,要花三四个小时。
 水垢最严重的危害在于,容易导致电热水器金属发热管氧化,它不仅降低加热效率,还会损害内胆的绝缘层,以致水被通电后,如果有人沐浴便可能导致触电事故发生。据了解,近年来,电热水器漏电伤人事件的报告不断传出。杭州、北京、上海、天津、重庆、温州、石家庄、济南、青岛等城市连续发生了热水器漏电伤人事件。数据显示,自1997年以来,中国年均热水器伤人事故在1000起以上,引发的投诉逾6000件。 而据不完全统计,国内约有80%的热水器事故是因水垢引起的,因而有人比喻:“一台结满水垢的热水器,就好比是一颗定时炸弹,悬在头上随时会爆炸!”


六、水垢对燃气及电即热式热水器的危害

1、燃气即热式热水器

     燃气即热式热水器采用带翅的多路紫铜毛丝管盘列,为提高水温上升效率,紫铜管内水通道狭窄,弯道多,如不采用给水处理工艺,在一些硬水区几乎一年后必出故障,水垢不仅在狭窄的内管富集降低热效率,而且脱落的水垢会在弯道集中、堵塞水通道,造成燃气即热式热水器在北方市场的占有率,始终不高(北方多为硬水区)。

2、电即热式热水器:

     如同即热式燃气热水器追求超小、超薄,电即热式热水器的毛细管更细,毛细管壁更薄,在北方使用有时不到三个月就发生堵塞甚至毛细管穿孔。

七、水垢对热水输送管路的危害

      过去热水管道多采用镀锌钢管,镀锌钢管初步锈蚀后水垢在疏松锈面上着床,碳酸钙、碳酸镁再与锈蚀层产生化学反应,在热水的作用下加速锈蚀,一般一两年后,管道通径缩小30%以上。并伴有黄水(锈水)产生,直至5-8年左右管路无法使用;近年推广PPR管,在PPR管路系统接头以及转弯等处,接头与管道接缝处,水垢富集,使水系统水阻增大,原设计水力平衡被破坏,在供暖系统中造成供暖供冷不平衡现象。

八、水垢对锅炉的危害

     水壶里长了水垢,不容易传热,浪费燃料。这些对于一个家庭来说,浪费还不算严重。对于工厂来说,问题就大啦。工厂供暖供汽用的大锅炉,有的每小时要送出好几吨蒸汽,相当于烧干几吨水。据试验,一吨河水里大约有1.6公斤矿物质;而一吨井水里的矿物质高达30公斤左右。一天输送几十吨蒸汽,硬水在锅炉内壁沉积出的水垢数量,又该多么惊人!大锅炉里结了水垢,好比锅炉壁的钢板和水之间筑起一座隔热的石墙。锅炉钢板挨不着水,炉膛的火一个劲地把钢板烧得通红。这时候,如果水垢出现裂缝,水立即渗漏到高温的钢板上,急剧蒸发,造成锅炉内压力猛增,就要发生爆炸。锅炉爆炸的威力,不亚于一颗重磅炸弹!

水垢直接威胁锅炉设备的安全和锅炉的使用寿命

     从表中可看出,水垢的导热系数比金属的导热系数小几百倍。因此,即使在受热面上形成不太厚的水垢,也会由于热阻大,使其导热效率降低,造成热损失,浪费燃料。实践证明,锅炉受热面结有1毫米的水垢,能使煤的消耗增加1.5~2%左右。由于受热面上结有水垢,会使金属管壁局部过热,当壁温超过其工作允许极限温度时,会使管壁鼓包,严重的会引起锅炉爆管事故,使人身安全受到威胁。


九、水垢对人体健康的危害

      据化学分析,每一克水垢中就会含有铅12毫克、砷21毫克、汞44毫克、镉3.4毫克、铁24毫克,其危害非常大,不但会引起人体重金属含量超标,还会引起胆结石病症,甚至还会导致人体器官癌变以及中毒。
      水的硬度,是指水中的钙、镁、铁、铝、锰的碳酸盐、重碳酸盐、氯化物、硫酸盐及硝酸盐等所有的盐类的含量,并常含有汞、镉、砷、铅等少量的有害元素。水的硬度单位通常是将水中的全部盐类换算为碳酸钙来计量。当水中的硬度以碳酸钙计小于150毫克/升时,称为软水;150—450毫克/升时,称为硬水;450—714毫克/升时为高硬水;大于714毫克/升时为特硬水。国家生活饮用水硬度的卫生标准为小于450毫克/升(以碳酸钙计)。

     高硬度的水质严重地影响了工业生产和人们的生活与健康。在工业上用高硬度的水浆洗和漂染纺织物易出现斑点、发花、色泽黯淡,洁白度下降,形成废品和次品;用硬水酿酒易使果酒和啤酒出现浑浊与沉淀而报废;硬水不能供做化学试验、造纸、制药、电子、化工、食品饮料等工业用水,否则会产生废品、出现严重事故的恶果;更多资讯请搜索微信公众号:李晓锋。用硬水洗衣物易使纺织物纤维变硬发脆而损坏;用硬水洗澡、洗头时有发涩发黏的感觉;用硬水烧豆与肉类不易熟烂;用硬水烧开水易使水壶结垢,浪费燃料1/3以上。在人体健康上,饮用高硬水易使人患暂时性胃肠不适、腹胀、泻肚、排气多,甚至引起肾结石等疾病。不仅如此,水壶与暖水瓶使用一段时间后,其内壁就会结满一层白色的水碱,除大部分为碳酸钙、碳酸镁外、还含有多种有害的汞、镉、铅、砷等元素,如不经常及时清除,反复用来烧水、装水后,有害元素积累越来越多,并能再次溶于水中,当人们饮用后就进入人体,从而引起人体慢性中毒甚至可致癌和致畸,严重危害人体健康。


十、常见的热水工程水处理的方法以及评价

1、离子交换法:采用特定的阳离子交换树脂,以钠离子将水中的钙镁离子置换出来,由于钠盐的溶解度很高,所以就避免了随温度的升高而造成水垢生成的情况。主要优点是:效果稳定准确,工艺成熟,可以将硬度降低至0。采用这种方式的软化水设备一般也叫做“离子交换器”(由于采用的多为钠离子交换树脂,所以也多称为“钠离子交换器”)。其缺点为:

(1)、会产生过量的再生废液,用于空气源热泵成本较高;
(2)、耗盐量大,需经常还原;
(3)、排出大量含盐废水易引起管道腐蚀,热水使用存在安全隐患。

2、电磁法:采用在水中加上一定的电场或磁场来改变水分子的特性,从而改变碳酸钙(碳酸镁)沉积的速度及沉积时的物理特性来阻止水垢的形成。其特点是:设备投资小,安装方便,运行费用低;但是效果不够稳定,没有统一的衡量标准,因为通过磁场后的水分子将在半个小时左右时间恢复通磁前的状态,所以处理后对水的使用时间、距离都有一定局限。从方法上看只能应用于对循环水的处理,对磁力大小有硬性指标要求,磁场强度要在2000高斯以上,最主要的是现在磁化功能并没有得到相关的认证,对其可行性与实效性存在质疑。


3、膜分离法:纳滤膜(NF)及反渗透膜(RO)均可以拦截水中的钙镁离子,从而从根本上降低水的硬度。这种方法的特点是,效果明显而稳定,处理后的水适用范围广;但是对进水压力有较高要求,设备投资、运行成本都较高。


4、加药法:向水中加入专用的阻垢剂,可以使钙镁离子、碳酸根离子与药剂的分子形成络合物,增加其在高温水中的溶解度,从而使水垢不能析出、沉积。目前工业上可以使用的阻垢剂很多,在水处理中常用的阻垢剂有复磷酸盐、有机膦酸、膦羧酸、有机膦酸脂、聚羧酸等。这种方法的特点是:一次性投入较少,适应性广,阻垢、除垢能力强,尤其适合于储水式加热器,但因其需不断的投入药剂,从而系统较为复杂。