■ 韓雷濤 居仁林 沈斌 徐永鋒 沈金俞

(1.浙江省太陽能產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心；2.海寧市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所)

一 引言

家用平板太陽熱水系統(tǒng)優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能、良好的社會效益和實(shí)用性能，為太陽熱水系統(tǒng)的發(fā)展提供了較好的前提。在我國新能源政策推動下，我國太陽熱水系統(tǒng)的使用量越來越大，成為太陽熱利用的主要方式之一。太陽熱水系統(tǒng)的應(yīng)用提高我們的生活質(zhì)量，節(jié)省了一次能源的消耗，為我國的環(huán)保節(jié)能事業(yè)做出了突出的貢獻(xiàn)。我國在太陽能熱水系統(tǒng)的性能改進(jìn)和建筑一體化化方面取得很多的研究成果，但在太陽熱水系統(tǒng)的維護(hù)方面的研究相對較少。太陽熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用年限一般為10年，如何保證太陽熱水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)期內(nèi)高效地運(yùn)行，成為一個亟需解決的問題。本文在原先探索實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上重新對清洗試劑進(jìn)行了優(yōu)化，提出了一種實(shí)用性能和經(jīng)濟(jì)性能較好的太陽熱水系統(tǒng)專用清洗工藝，并探討了其對熱水器清洗技術(shù)的發(fā)展方向。

二 結(jié)垢原因和特點(diǎn)

在我國安裝使用的平板太陽熱水系統(tǒng)多以自來水作為換熱工質(zhì)(少數(shù)地區(qū)采用地下水作為工質(zhì))，平板式集熱部件采用的并聯(lián)式工質(zhì)流道其工作溫度在70℃左右，采用自然循環(huán)的系統(tǒng)工質(zhì)流速相對較低，這樣在高溫低流速的狀態(tài)下水中的礦物質(zhì)容易在太陽熱水系統(tǒng)管道內(nèi)壁上形成水垢，從而影響太陽熱水集熱器和工質(zhì)的換熱，降低了太陽熱水系統(tǒng)的集熱效率。對平板式太陽能熱水系統(tǒng)，當(dāng)水垢厚度超過0.25mm時，傳熱效率降低70%～80%以上。水垢的生成會嚴(yán)重影響熱水器的使用效果，嚴(yán)重的甚至可堵塞流道阻止熱量對流。另外，由于水垢中含有Fe、Cu等金屬元素，與構(gòu)成熱水器的Fe、Cu等材質(zhì)易形成化學(xué)電池，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重影響熱水器的使用壽命。因此，太陽熱水器在使用一定時間后，必須定期進(jìn)行清洗除垢。水垢的主要成分是碳酸鈣(CaCO3)、碳酸鎂(MgCO3)、少量的氧化鐵和二氧化硅等，其成分、結(jié)構(gòu)類似于硅藻土和石灰石的混合物。另外針對水垢不同的形成特點(diǎn)，清洗也具有不同的工藝要求。太陽熱水系統(tǒng)內(nèi)水溫一般在35～70℃，水流量較小，水壓較低。在這樣的條件下形成的水垢較薄且質(zhì)地疏松。

三 清洗原理

水垢的清洗過程是指使水垢處于酸性環(huán)境下溶解，形成可溶性鹽，便從結(jié)垢表面脫落。太陽熱水系統(tǒng)清洗過程中涉及的主要化學(xué)反應(yīng)為：

為了防止鹽酸對太陽熱水系統(tǒng)集熱板的腐蝕，在清洗液中可加入碳酸氨等物質(zhì)作為防腐劑，此外為了增加溶解性可以在清洗液中加入適當(dāng)?shù)慕j(luò)合物。酸洗除垢過程中酸性洗液主要有以下作用：

1 溶解作用

酸能與鈣、鎂的碳酸鹽和氫氧化物反應(yīng)，生成易溶于水的鹽，從而達(dá)到溶解水垢的目的。其主要反應(yīng)過程與清洗原理中相同。

2 剝離作用

酸不但能溶解太陽熱水系統(tǒng)內(nèi)表面的水垢，而且能使附在換熱器內(nèi)表面金屬表面的氧化物剝離下來，使得水垢無法在集熱器內(nèi)表面附著。

3 氣掀作用

酸溶液與鈣、鎂的碳酸鹽水垢發(fā)生反應(yīng)后，產(chǎn)生大量的CO2氣體。CO2氣體在溢出過程中，對難溶或溶解較慢的水垢層，具有一定的掀動力，使水垢從換熱器受熱表面脫落下來。

4 疏松作用

夾雜碳酸鹽的永久性水垢、鹽酸與碳酸鹽反應(yīng)產(chǎn)生大量的CO2，氣體溢出過程中，產(chǎn)生一定的洗液擾動。洗液的攪拌作用使水垢疏散和脫離。

四 金屬防腐蝕原理

因太陽熱水器使用金屬材料較多，因而酸洗除垢時防腐難度相對較高。金屬防腐就是設(shè)法在金屬表面形成一層不宜與酸液發(fā)生反應(yīng)的保護(hù)層，從而使金屬表面不直接與酸液接觸達(dá)到金屬防腐的目的。防腐產(chǎn)品主要有有機(jī)胺類化合物和含有氧、硫、磷等元素的有機(jī)聚羧酸鹽類化合物。有機(jī)胺類化合物，其結(jié)構(gòu)中的氮原子具有非共價電子對，在酸性條件下，和H+按“R3N:+H+→R3N:H+”形式配位成含正電荷的離子，受靜電作用吸引到金屬表面，起到緩蝕作用。含有氧、硫、磷等元素的有機(jī)聚羧酸鹽類化合物，具有非共價電子對，這些電子供給體和金屬配位結(jié)合，形成牢固的化學(xué)吸附層，這里金屬成為電子接受體，二者構(gòu)成配位共價鍵，起到緩蝕作用。此外，在鹽酸作為主洗液的試劑中加入碳酸氫氨(NH4HCO3)也可起到一定的防腐效果。在試驗(yàn)中，證實(shí)多種防腐試劑聯(lián)合使用產(chǎn)生的防腐效果較好。

五 清洗液的配制

試驗(yàn)中，主要選取工業(yè)鹽酸、碳酸氫氨、檸檬酸氨作為主要原料制備清洗夜，防腐采用TPR1-6EDTA、HKNT-Ⅰ和HKNT-Ⅱ等防腐緩施劑共用的措施。經(jīng)多組對比型試驗(yàn)，并結(jié)合清洗工程中應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，得到了一組配比清洗效果和經(jīng)濟(jì)效益較為理想的自制洗液HLT-2，其配方見表1。

表1 HLT-2的配方

六 HLT-2的試驗(yàn)性能

1 金屬表面腐蝕試驗(yàn)

太陽熱水系統(tǒng)的主要部件由鋁、銅和鋼等材料制造，因此選取角鋁、銅管和銅箔進(jìn)行浸泡腐蝕試驗(yàn)。在試驗(yàn)中pH值控制在3～4。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

2 對巖石的溶解性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證HLT-2洗液對水垢的清洗作用，選取花崗巖石片(主要成分是碳酸鈣和硅酸鈣)，在500mL洗液中進(jìn)行浸泡試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為20℃，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 金屬表面腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 巖石浸泡試驗(yàn)

該試驗(yàn)中巖石的結(jié)構(gòu)致密，試驗(yàn)過程中無攪拌，試驗(yàn)溫度為20℃，pH值為3～4的條件下該試劑對巖石的溶解能力較強(qiáng)。該試劑用于太陽熱水系統(tǒng)(清洗溫度為太陽熱水儲熱水箱內(nèi)水溫一般為40～70℃，在清洗過程中溶液強(qiáng)制流動，水垢質(zhì)地較松軟，水垢相對表面積較大)清洗，其溶解速率比試驗(yàn)中有較大提高。在實(shí)際應(yīng)用過程中該洗液的除垢效果得到了證實(shí)。

七 清洗水垢的具體步驟

1 水冼

酸洗前先對換熱器進(jìn)行開式?jīng)_洗，使換熱器內(nèi)部沒有泥、垢等雜質(zhì)，這樣既能提高酸洗的效果，又能降低酸洗的耗酸量。水洗時間控制在0.5h內(nèi)，采用高流速水流對太陽熱水系統(tǒng)沖洗，可在集熱器開口兩端分別安置一臺水泵同時作業(yè)。為減小流體阻力也可分解太陽熱水系統(tǒng)集熱器組件。

2 酸洗

(1)酸洗過程

將酸洗液加入清洗裝置儲液水箱，控制pH值3～4，水采用太陽熱水系統(tǒng)儲熱水箱中的熱水。如水溫偏低則將集熱器與清洗裝置連接充水后，日照1h后在儲液水箱中配制洗液。在酸洗過程中適時測量洗液的pH值，適當(dāng)補(bǔ)充鹽酸和碳酸氫氨，直至酸洗終點(diǎn)。

(2)酸洗終點(diǎn)的判定

在酸洗進(jìn)行過程中，終點(diǎn)的判定是一個重要的環(huán)節(jié)。若酸洗結(jié)束過早，可能有部分水垢尚未除去；若酸洗結(jié)束過晚，水垢全部反應(yīng)完后還會繼續(xù)和金屬反應(yīng)。因此，在酸洗過程中，避免酸洗過程過早或過遲，可對酸液進(jìn)行取樣分析。用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液測定酸液的硬度，當(dāng)兩次測定的酸液總硬度基本趨于穩(wěn)定時，就可認(rèn)為酸洗過程接近終點(diǎn)。

3 堿洗

酸洗結(jié)束之后，采用按一定的比例配制好的NaOH和Na3PO4混合液，利用動態(tài)循環(huán)的方式對換熱器進(jìn)行堿洗，達(dá)到酸堿中和。

4 水洗

堿洗結(jié)束后，采用開放式?jīng)_洗的方式對集熱器進(jìn)行高流量的水洗，使集熱器在酸洗過程中清洗下的殘液和脫落的殘?jiān)懦黾療嵯到y(tǒng)。維持20min，恢復(fù)太陽熱水系統(tǒng)的水質(zhì)。

5 鈍化處理

水洗完成后，將清水注入集熱器并遮蔽陽光2h，使表面形成良好鈍化膜，防止運(yùn)行期腐蝕。在酸洗后，金屬表面膜被酸溶解，金屬基本處于裸露狀態(tài)，且表面化學(xué)性質(zhì)活潑，極易被腐蝕，因此用水將酸液沖出，將金屬裸露部分浸泡在水中緩慢恢復(fù)金屬表面氧化層，避免空氣中的氧對金屬的深度腐蝕。

八 太陽熱水系統(tǒng)除垢的發(fā)展方向

太陽熱水系統(tǒng)水垢采用該化學(xué)清洗的辦法可高效地清除集熱器內(nèi)部的水垢，并具有較好的經(jīng)濟(jì)性適合商業(yè)應(yīng)用，但酸洗法對環(huán)境具有一定的危害。太陽熱水系統(tǒng)除垢還應(yīng)和防垢相結(jié)合， 開發(fā)綠色、環(huán)保、高效型的防垢、除垢產(chǎn)品和技術(shù)。除垢工藝的發(fā)展將為保持太陽熱水系統(tǒng)工作效率提供保證，對我國新能源開發(fā)利用有積極的意義。

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