熱水工程中不可不知的水垢知識及解決方案

2020-04-23  來自: 山東前衛環保設備有限公司 瀏覽次數:6

一、水垢是怎樣形成的
    一般來說。含有鈣(Ca)、鎂(Mg)鹽類等礦物質的水叫做“硬水”。(水的硬度(也叫礦化度)是指溶解在水中的鈣鹽與鎂鹽含量的多少。含量多的硬度大,反之則小。1升水中含有10mmgCaO(或者相當于10mmgCaO)稱為1度。軟水就是硬度小于8的水)河水、湖水、井水和泉水都是硬水。自來水是河水、湖水或者井水經過沉降,除去泥沙,消毒殺菌后得到的,也是硬水。剛下的雨雪,水里不含礦物質,是“軟水”。水燒開后,一部分水蒸發了,本來不好溶解的硫酸鈣(CaSO4,石膏就是含結晶水的硫酸鈣)沉淀下來。原來溶解的碳酸氫鈣(Ca(HCo3)2)和碳酸氫鎂(Mg(HCO3)2),在沸騰的水里分解,放出二氧化碳(CO2),變成難溶解的碳酸鈣(CaCO3)和氫氧化鎂(Mg(OH)2)也沉淀下來。這就是水垢的來歷。
    水垢根據其形成原因和成形狀態的不同大致可分為硬垢和軟垢兩種。當水中含有碳酸鹽膠體、細菌和有機物等雜質時,碳酸鹽類似于水泥沙漿中的沙石,而膠體、細菌和有機物等則相當于水泥沙漿中的水泥,當水中膠體、細菌和有機物等粘性物質和碳酸鹽共同作用,在高溫煮沸條件下則形成了和容器(或管道表面)粘附在一起的硬垢。而一旦膠體、細菌和有機物等粘性物質被去除(如通過超濾濾除)后,即使水中鈣、鎂離子和碳酸根離子濃度很高,也只生成潔白而松散的容易去除的碳酸鹽軟垢,而不會產生硬垢。

二、熱水工程為什么要進行水處理
    水垢與我們的生活形影不離。它的化學性質十分穩定,不僅會影響熱交換率,消耗能源(一毫米厚的水垢能多消耗10%的能源),而且過多的水垢會堵塞水管,使水流變小,以致帶來隱患;水垢甚至會危害人們的身體健康。
    熱水工程必須要進行水處理,如同金屬設備行業進行的防腐工程一樣。對熱水工程進行適當的水處理,可以使熱效率提高20%-40%左右;設備使用年限提高1-2倍;設備維修率下降20%-30%。
    在西歐、北美,熱水工程水處理是一個必要的環節,無論是設計院,設備供應商,用戶都對熱水工程水處理有足夠的重視,水處理設備投入比例占整個工程量的5%-8%左右,因此而節省的能源與不發達比有20%-30%;設備的使用費用下降50%。水垢能耗眾所周知,以法國為例,每年成垢量超過7000噸,耗費十幾億歐元,其耗能程度可想而知。
    在中國,鍋爐設備每年都要有一次中修,兩年必須大修,在水源水質復雜的地區甚至會導致設備無法運行,一年就要進行大修;中國地表水資源缺乏,70%的地區以地下水為主,地下水中所含的礦物質更豐富,品種更繁雜,熱水工程更需要認真的進行水處理,熱水工程離不開水處理。在當今世界提倡節約能源能源、節能減排的潮流中,熱水工程水處理更能發揮不可或缺的作用。

板式換熱器

三、水垢對太陽能熱水器的危害
    1、太陽能真空管是太陽能熱水器的集熱器,直接吸收太陽光線,并利用熱水比重小,冷水比重大的原理,將真空管內已被太陽光加熱的水和水箱中的冷水進行交換,加熱水箱中的水。
    集熱效率是衡量太陽能熱水器真空管性能的重要指標之一,太陽能熱水器的集熱效率體現在真空管技術上,主要由真空管的透光率、單向反射率以及真空隔熱率三個指標決定。透光率決定了真空管的集熱效率,也就是說:透光率越高,集熱效率越高。這個問題我們從太陽能集熱器能量平衡方程:Q=QI-QL和集熱器效率公式:η=Q∕A*G中可以看出:透光率越高、集熱器吸收的太陽輻射能QI越高、集熱器吸收的有用能量Q越高、集熱器效率η越高;反之亦然。但透光率是在實驗室中測得的數據,而在實際應用中當連續用水半個月左右,真空管內壁上即形成可見的水垢膜,這時透光率只能達到新真空管的85%左右,使用半年后,在真空管內壁可形成1-2mm厚的垢殼,其透光率只有新真空管的50%以下,這時的集熱效率較之新真空管也下降到50%以下;
    2、為回避水垢問題以及因真空管破裂而漏水造成整個系統的癱瘓,有的太陽能熱水器以及大型聯排太陽能工程、陽臺壁掛太陽能熱水器多采用太陽能熱管,并認為無需再進行水處理,但熱管所產生的熱量多集中于紫銅探頭,因探頭溫度高、面積小,更容易在探頭上形成一個水垢包,因熱管的熱量經過熱媒、熱傳感器多次交換,對水垢更敏感,水垢對熱交換的效率影響更大。
    3、水垢的導熱系數極低,不到金屬的百分之一,它附著在太陽能的集熱管內壁導致吸熱管吸收的熱量不能及時傳遞給水,造成溫度過高,極易炸管,水壺燒漏了就是這個道理。同樣你的太陽能水溫一年比一年低,結果造成集熱管報廢,細心的用戶會發現,家里的太陽能水溫沒有去年的高,就是水垢結多了。水垢用傳統的方式清理很難,暖瓶里的水垢我們也清理過,是不是很硬,很難清理干凈。同樣真空管口徑細,更難清理。
    4、水垢腐蝕內膽,造成漏水,破壞保溫效果,減少太陽能熱水器的使用壽命。以前家里用白鐵制造的太陽能用不了幾年就漏了,就是水垢腐蝕的原因。現在的太陽能熱水器水箱一般都是采用304不銹鋼制作。更多資訊請搜索微信公眾號:李曉鋒,在生產焊接時,雖然有氬氣的保護,但受到高溫影響,使焊縫附近的金屬晶像發生改變,即由奧氏體轉變為馬氏體。含有氯離子的水在不斷加熱過程中,加速了焊縫周邊金屬的銹蝕穿孔。
    5、水垢影響水溫儀及電加熱系統的正常使用,導致設備損壞。
    6、因真空管內表面很光滑,垢殼在水流的沖擊下產生脫落,造成真空管內水循環不暢乃至堵塞。

四、水垢對熱泵、空調機組的危害
1、板式換熱器的堵塞穿孔:
    板式換熱器出于提高效率和降低成本,以及減少體積等因素考慮,一般水通道設計的比較窄,面積大,鋁板式鋼板的厚度在1mm以下。面積大,水垢的沉淀面積就大。當水垢的富集厚度到1mm左右時,水的阻力會提高1-2倍,熱交換效率下降15%-20%左右,當水垢的厚度達到2-3mm時,熱交換效率下降20%-30%左右,并引起水流不暢。板式熱交換器的銹蝕穿孔:因水源水PH值偏高或偏低,而導致水的腐蝕性增強,特別是當溫度升高后加速熱交換器的腐蝕穿孔。

板式換熱器


2、套管式熱交換器:
    套管式熱交換器外管材料一般采用紫銅,厚度1mm以上,為增加熱交換效率,的套管式熱交換器的外管表面做成凹凸狀,以期冷熱水在套管表面形成渦流,但水垢一般首先在凹面富集,因此使用3-6月后也就無所謂渦流了。套管式熱交換器成本較板式高、體積也增大,但熱交換效率較低;因其外套管較厚,相較板式交換器不易銹蝕穿孔(在一些水源較差的地方仍時有發生)而被很多熱泵廠家采用;但因其熱交換效率低,必須提高其表面溫度,因此主機工作時需較大的壓縮比,和采用板式熱交換器比,同樣的制熱量其主機功率要大一些,再加上套管熱交換器體積大、成本高,因此不僅整機成本提高,能耗也增大;同時,它只是延緩了故障的發生時間,一般一至兩年后,同樣要采取除垢工作,否則仍會出現種種故障。
3、水垢對中央空調機組的危害:
    1)、降低了換熱效果。多數換熱器都是用碳素鋼制成的,而碳素鋼的導熱系數為46.4-52.2W/(m*k),而水垢的導熱系數為0.464-0.679W/(m*k),只有碳素鋼的1%左右,顯然水垢或其它沉積物的導熱系數比金屬低得多。因此當水垢或其它沉積物覆蓋在換熱器表面上時,就如同在換熱器表面裹上一層厚厚的棉衣,大大降低換熱器的換熱效率,如果想要維持其制熱或制冷,勢必增加能耗。
    2)、使冷卻水的循環速度和流量減少。沉積物或微生物污垢覆蓋在換熱器及其管壁上,甚至堵塞管道,這樣使單位時間通過的循環水量減少了,循環速度減慢了,從而導致換熱效果進一步降低。
    3)、加速腐蝕。沉積物和微生物的存在,促使了濃差腐蝕電池的形成及垢下腐蝕的產生,從而加速了金屬被腐蝕的速度。
    4)、縮短了設備的使用壽命。一方面沉積物和微生物粘泥覆蓋在換熱器表面,阻止了設備的有效換熱,從而使換熱器表面的金屬長期處于高溫熱負荷狀態,導致了金屬疲勞;另一方面,腐蝕的發生會導致換熱器的管壁變薄,尤其是垢下腐蝕還會導致設備穿孔泄漏,這些情況的發生,使得設備的使用壽命縮短。
    5)、增加了運行成本。為使設備保持足夠的換熱效率,必須采取增加水量,增大能源供給等措施,同時為維修、更換因腐蝕原因造成損害的設備,必然增加費用,從而增大了設備的運行成本。

五、水垢對電熱水器的危害
    可別小看了水垢,電熱水器行業把水垢叫做熱水器的天敵。水垢直接的危害是耗電,一般50升的電熱水器兩個小時就能燒熱了,如果內膽結了水垢,要花三四個小時。
    水垢嚴重的危害在于,容易導致電熱水器金屬發熱管氧化,它不僅降低加熱效率,還會損害內膽的絕緣層,以致水被通電后,如果有人沐浴便可能導致觸電事故發生。據了解,近年來,電熱水器漏電傷人事件的報告不斷傳出。杭州、北京、上海、天津、重慶、溫州、石家莊、濟南、青島等城市連續發生了熱水器漏電傷人事件。數據顯示,自1997年以來,中國年均熱水器傷人事故在1000起以上,引發的投訴逾6000件。  而據不完全統計,國內約有80%的熱水器事故是因水垢引起的。

六、水垢對燃氣及電即熱式熱水器的危害
1、燃氣即熱式熱水器
    燃氣即熱式熱水器采用帶翅的多路紫銅毛絲管盤列,為提高水溫上升效率,紫銅管內水通道狹窄,彎道多,如不采用給水處理工藝,在一些硬水區幾乎一年后必出故障,水垢不僅在狹窄的內管富集降低熱效率,而且脫落的水垢會在彎道集中、堵塞水通道,造成燃氣即熱式熱水器在北方市場的占有率,始終不高(北方多為硬水區)。
2、電即熱式熱水器:
    如同即熱式燃氣熱水器追求超小、超薄,電即熱式熱水器的毛細管更細,毛細管壁更薄,在北方使用有時不到三個月就發生堵塞甚至毛細管穿孔。

七、水垢對熱水輸送管路的危害
    過去熱水管道多采用鍍鋅鋼管,鍍鋅鋼管初步銹蝕后水垢在疏松銹面上著床,碳酸鈣、碳酸鎂再與銹蝕層產生化學反應,在熱水的作用下加速銹蝕,一般一兩年后,管道通徑縮小30%以上。并伴有黃水(銹水)產生,直至5-8年左右管路無法使用;近年推廣PPR管,在PPR管路系統接頭以及轉彎等處,接頭與管道接縫處,水垢富集,使水系統水阻增大,原設計水力平衡被破壞,在供暖系統中造成供暖供冷不平衡現象。

八、水垢對鍋爐的危害
    水壺里長了水垢,不容易傳熱,浪費燃料。這些對于一個家庭來說,浪費還不算嚴重。對于工廠來說,問題就大啦。工廠供暖供汽用的大鍋爐,有的每小時要送出好幾噸蒸汽,相當于燒干幾噸水。據試驗,一噸河水里大約有1.6公斤礦物質;而一噸井水里的礦物質高達30公斤左右。一天輸送幾十噸蒸汽,硬水在鍋爐內壁沉積出的水垢數量,又該多么驚人!大鍋爐里結了水垢,好比鍋爐壁的鋼板和水之間筑起一座隔熱的石墻。鍋爐鋼板挨不著水,爐膛的火一個勁地把鋼板燒得通紅。這時候,如果水垢出現裂縫,水立即滲漏到高溫的鋼板上,急劇蒸發,造成鍋爐內壓力猛增,就要發生爆炸。
    水垢直接威脅鍋爐設備的使用壽命
    水垢的導熱系數比金屬的導熱系數小幾百倍。因此,即使在受熱面上形成不太厚的水垢,也會由于熱阻大,使其導熱效率降低,造成熱損失,浪費燃料。實踐證明,鍋爐受熱面結有1毫米的水垢,能使煤的消耗增加1.5~2%左右。由于受熱面上結有水垢,會使金屬管壁局部過熱,當壁溫超過其工作允許極限溫度時,會使管壁鼓包,嚴重的會引起鍋爐爆管事故,使人身受到威脅。

九、水垢對人體健康的危害
    據化學分析,每一克水垢中就會含有鉛12毫克、砷21毫克、汞44毫克、鎘3.4毫克、鐵24毫克,其危害非常大,不但會引起人體重金屬含量超標,還會引起膽結石病癥,甚至還會導致器官癌變以及中毒。
    水的硬度,是指水中的鈣、鎂、鐵、鋁、錳的碳酸鹽、重碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽及硝酸鹽等所有的鹽類的含量,并常含有汞、鎘、砷、鉛等少量的有害元素。水的硬度單位通常是將水中的全部鹽類換算為碳酸鈣來計量。當水中的硬度以碳酸鈣計小于150毫克/升時,稱為軟水;150—450毫克/升時,稱為硬水;450—714毫克/升時為高硬水;大于714毫克/升時為特硬水。生活飲用水硬度的衛生標準為小于450毫克/升(以碳酸鈣計)。
    高硬度的水質嚴重地影響了工業生產和人們的生活與健康。在工業上用高硬度的水漿洗和漂染紡織物易出現斑點、發花、色澤黯淡,潔白度下降,形成廢品和次品;用硬水釀酒易使果酒和啤酒出現渾濁與沉淀而報廢;硬水不能供做化學試驗、造紙、制藥、電子、化工、食品飲料等工業用水,否則會產生廢品、出現嚴重事故的惡果;更多資訊請搜索微信公眾號:李曉鋒。用硬水洗衣物易使紡織物纖維變硬發脆而損壞;用硬水洗澡、洗頭時有發澀發黏的感覺;用硬水燒豆與肉類不易熟爛;用硬水燒開水易使水壺結垢,浪費燃料1/3以上。在人體健康上,飲用高硬水易使人患暫時性胃腸不適、腹脹、瀉肚、排氣多,甚至引起腎結石等疾病。不僅如此,水壺與暖水瓶使用一段時間后,其內壁就會結滿一層白色的水堿,除大部分為碳酸鈣、碳酸鎂外、還含有多種有害的汞、鎘、鉛、砷等元素,如不經常及時清除,反復用來燒水、裝水后,有害元素積累越來越多,并能再次溶于水中,當人們飲用后就進入人體,從而引起人體慢性中毒甚至可致癌和致畸,嚴重危害人體健康。

十、常見的熱水工程水處理的方法以及評價
    1、離子交換法:采用特定的陽離子交換樹脂,以鈉離子將水中的鈣鎂離子置換出來,由于鈉鹽的溶解度很高,所以就避免了隨溫度的升高而造成水垢生成的情況。主要優點是:效果穩定準確,工藝成熟,可以將硬度降低至0。采用這種方式的軟化水設備一般也叫做“離子交換器”(由于采用的多為鈉離子交換樹脂,所以也多稱為“鈉離子交換器”)。其缺點為:
    (1)、會產生過量的再生廢液,用于空氣源熱泵成本較高;
    (2)、耗鹽量大,需經常還原;
    (3)、排出大量含鹽廢水易引起管道腐蝕,熱水使用存在隱患。
    2、電磁法:采用在水中加上一定的電場或磁場來改變水分子的特性,從而改變碳酸鈣(碳酸鎂)沉積的速度及沉積時的物理特性來阻止水垢的形成。其特點是:設備投資小,安裝方便,運行費用低;但是效果不夠穩定,沒有統一的衡量標準,因為通過磁場后的水分子將在半個小時左右時間恢復通磁前的狀態,所以處理后對水的使用時間、距離都有一定局限。更多資訊請搜索微信公眾號:李曉鋒,從方法上看只能應用于對循環水的處理,對磁力大小有硬性指標要求,磁場強度要在2000高斯以上,主要的是現在磁化功能并沒有得到相關的認證,對其可行性與實效性存在質疑。
    3、膜分離法:納濾膜(NF)及反滲透膜(RO)均可以攔截水中的鈣鎂離子,從而從根本上降低水的硬度。這種方法的特點是,效果明顯而穩定,處理后的水適用范圍廣;但是對進水壓力有較高要求,設備投資、運行成本都較高。
    4、加藥法:向水中加入專用的阻垢劑,可以使鈣鎂離子、碳酸根離子與藥劑的分子形成絡合物,增加其在高溫水中的溶解度,從而使水垢不能析出、沉積。目前工業上可以使用的阻垢劑很多,在水處理中常用的阻垢劑有復磷酸鹽、有機膦酸、膦羧酸、有機膦酸脂、聚羧酸等。這種方法的特點是:一次性投入較少,適應性廣,阻垢、除垢能力強,尤其適合于儲水式加熱器,但因其需不斷的投入藥劑,從而系統較為復雜。
    5、高頻電子除垢儀除垢
這種方法在安裝時需要切割管道,且電極容易粘附水中的懸浮物造成系統失靈。安裝煩鎖,工程量大。現在出現新一種防垢產品量子環,用其產生的頻率和水中礦物質離子的固有頻率產生共振而使其提前析出,這種產品的除垢防垢效果不錯,但使用特種材料及生產技術,費用相當高,一般用戶難接受。
    6、永磁設備除垢
    外觀是一個一個圓環型的磁鐵,然后套在直管道上,利用穿管路的磁場處理經過管道的水。多用于管道較大的場所,由于其磁場頻率和強度固定,所以它適用的水質范圍是比較窄,在某些特定水質條件下表現的比較好,但再換一種水質后或許就沒有了效果。

板式換熱器


    7、電子感應水處理器
    原理是通過主機在水中產生一個頻率強度都按一定規律變化的感應電磁場。該電磁場使水中的成垢離子結合成大量的文石晶核,當水中礦物質含量超過水的飽和溶解度時,成垢離子就會析出并優先生長在這些晶核上形成文石晶體,取代了方解石晶體的析出,而文石晶體呈松軟絮狀,很容易被水沖走。此方法安裝簡單,無須切割打孔,無須更換電極和保養,耗電量極小,是比較完善的解決方案。但推廣上由于廠商意見不一,導致應用受限。
    8、酸洗法:
    可用鹽酸、磷酸、鉻酸,但不能用硫酸。因為硫酸與水接觸時,在水垢表面生成硫酸鈣硬膜,使膜下的水垢不易接觸到酸液。磷酸和鉻酸雖然比鹽酸有效,但由于價格太貴,所以一般都用鹽酸。鹽酸只能清洗碳酸鹽水垢,酸洗時生成的氯化鎂和氯化鈣溶解度很大,容易除去,并伴有二氧化碳產生,有攪拌鹽酸液的作用。硫酸鹽和硅酸鹽為主的混合水垢,也可使用鹽酸清洗。酸洗的作用在于用酸溶液溶解水垢與金屬壁間的氧化鐵層,使酸接觸到金屬,從而產生氫氣泡使水垢脫落。它與鹽酸鹽垢的鹽酸清洗道理不同。酸洗前,必須首先根據結垢程度,精確的計算出鹽酸用量。由于空氣能熱水器的結垢速度是非常快的,所以每隔2-3個月甚至1個月就需酸洗一次。由于供水對象的特殊性,所以,在酸洗時也不能中斷供水,不像鍋爐熱水那樣進行低濃度不間斷的酸洗。如此頻繁的酸洗,用戶是接受不了的。所以,這種方法可行性也不高。
    9、堿洗法:
    主要是清除硫酸鹽和硅酸鹽水垢,還可以清除硫酸鹽和硅酸鹽的混合水垢。不能清除碳酸鹽水垢。用堿洗法不是使水垢溶解除去,而是使水垢軟化,再用機械的方法清除。所用的藥劑有碳酸鈉和氫氧化鈉兩種。
    化學方法操作起來復雜,成本高、難度大。一般應用于鍋爐等設備的除垢,而不太適應太陽能熱水器。另外,物理方法有以下幾種方法,供大家參考:
    1.機械法:用水沖洗或刷子清除。如果水垢很堅硬,可用電力或水力帶動的洗管器來清洗。此法在水垢形成初期比較適用。
    2.電子法:利用電訊號改變水分子結構使水加速釋放出礦物質并讓礦物質緊密結合在一起,結合的礦物質隨水流動而帶走,可以預防水垢的產生。
    3.其他方法:如使用鎂棒、添加礦物質、磁化等等,這些方法都能有效預防水垢的產生

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