電極脈沖除垢式熱水器系統(tǒng)設(shè)計

魯滄

摘 要：電熱水器內(nèi)部的水垢會隨著使用年限的增加不斷聚集，從而導(dǎo)致其壽命縮短，成本提高，危險增加的問題，我們設(shè)計了電熱水器除垢裝置。該裝置利用水及水中礦物質(zhì)的電化學(xué)特性，通過電解來調(diào)節(jié)水中礦物質(zhì)的平衡，而實現(xiàn)阻垢、防腐和防治微生物的目的。該除垢裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計體積小，對使用環(huán)境和場地要求無限制。

關(guān)鍵詞：脈沖;智能除垢;大數(shù)據(jù)

1前言

電熱水器由于使用方便， 是目前大部分家庭的首選。而電熱水器使用時間久了后， 容易產(chǎn)生水垢等問題。水垢不僅影響水質(zhì)， 還影響到熱水器的安全使用。電熱水器使用時間久了以后， 內(nèi)膽中會產(chǎn)生許多水垢。

目前市場上有多種除垢方式，最主要的還是請專業(yè)的維修工來清潔，此舉措耗費人力、耗時、后期花費資金大，不是最佳選擇。本系統(tǒng)解決現(xiàn)有電熱水器造成熱水器水溫降低、供水量減少等問題，減少家庭使用中的維修和使用成本，在除垢防垢的過程中不使用任何化學(xué)藥劑，無腐蝕，無污染，無干擾，無輻射，對環(huán)境無污染。

2 系統(tǒng)原理

2.1 反應(yīng)原理

2.1.1、低壓電子除垢機理

低壓電子除垢時的電極采用的是惰性電極，目的是為了避免陽極的金屬離子被電子出來，這樣就可以保證陽極的金屬量不變。在除垢的過程中，陽極釋放出電子，與陰極之間有電流形成，從而構(gòu)成回路。低壓電子除垢技術(shù)的主要原理是利用陽極釋放出的電子與水中的成垢離子結(jié)合，促使成垢離子減少。低壓電子除垢中陽極附近的正電荷較多，從而陽極會吸引水中的陰離子，如能成垢的碳酸氫根和碳酸根、以及水中的氫氧根等;陰極附近是由于負電荷較多，所以水中的陽離子會被吸引到陰極附近，如氫離子和鈣離子等。

2.1.2脈沖鋅電解除垢機理

考慮除垢的最終目的，在對低壓電子除垢技術(shù)和電化學(xué)法除垢機理進行深入研究的基礎(chǔ)上，本裝置提出了脈沖鋅電解防除垢技術(shù)，能滿足以上要求且優(yōu)于低壓電子除垢技術(shù)，其機理如下：將脈沖交變電場施加到兩個電極上，在交變電場的作用下陰陽極和水的界面之間會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在陰極附近會生成 OH-，陰極附近的 PH 值會上升，如式（1和式（2）所示，同時CO32-會增多，相應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)如下：

當(dāng)陰極的 CO32-增加時會促使溶液中的 Ca2+與之結(jié)合生成 CaCO3 沉淀在陰極表面，反應(yīng)如式（3）所示，從而導(dǎo)致水中的成垢離子濃度急劇下降，進而使換熱設(shè)備表面的水垢減少，達到防除垢的效果。

整個電化學(xué)反應(yīng)過程中不僅僅是減少了成垢的離子，而且還會生成少量的氣體，當(dāng)這些氣體逸出的過程中會對沉淀物質(zhì)起到浮出水面的作用，即電氣浮作用，主要就是將水垢結(jié)在陰極上。作為陽極的鋅電極，會以離子的形式被釋放到溶液中，形成Zn2+離子，Zn2+可以使水垢的晶型發(fā)生改變，并且Zn2+還會與溶液中形成水垢的陰離子結(jié)合。鋅離子的作用不僅使得結(jié)合成的化合物不會成為水垢，還可以減少成垢離子，相應(yīng)的反應(yīng)化學(xué)方程式如式（11）。

以上可以看出鋅電極的電化學(xué)除垢技術(shù)過程包含多種反應(yīng)同時進行，既可以減少成垢離子又可以避免水垢結(jié)在換熱設(shè)備上，同時也可以使結(jié)在換熱設(shè)備上水垢為文石水垢而不是方解石水垢，易于被水流沖走，兼顧了低壓電子除垢技術(shù)和銅鋅除垢技術(shù)的優(yōu)點。

2.2整體系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計原理圖如圖1所示，通過變換器AC/DC輸入220v交流電，交流電經(jīng)過整流濾波電路的濾波相應(yīng)處理成直流電，并同時通過電壓電流反饋采樣電路反饋到PWM芯片與智能控制器輸出的給定的電壓或電流信號進行比較實現(xiàn)在額定電流以內(nèi)輸出一可任意設(shè)定的穩(wěn)定電壓，此時的電壓和電流大小通過水的雜質(zhì)含量而變化。然后再經(jīng)高頻雙極脈沖換向器處理實現(xiàn)輸出大功率的雙極高頻脈沖以向雙電解電極提供低壓電解能源，將脈沖交變電場施加到兩個電極上，在交變電場的作用下陰陽極和水的界面之間會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)既可以減少成垢離子。

脈沖信號發(fā)生器利用可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源和電路板輸出一定頻率的交流脈沖方波電壓信號，采用不同的電壓值對溶液進行處理，并觀察其除垢的效果，極板間距過大其電阻值越大，除垢效果會不好，間距過小易產(chǎn)生短路現(xiàn)象。當(dāng) PWM=0.5 時，此時正負電壓值是平均分配的，本實驗是要求最大值為+5V，那么就要求穩(wěn)壓源輸出是 10V，當(dāng)要得到電壓值為 4.5V 時穩(wěn)壓源就需要輸出 9V。極板間距分別取8.0cm、5.0cm、3cm，方波信號的最大電壓值分別取 3V、3.5 V、4 V、4.5 V、5 V，則穩(wěn)壓源輸出分別為 6V、7 V、8V、9 V、10 V，其除垢實驗結(jié)果如表1 所示。

當(dāng)極板間距為 8.0cm 時，所加的電壓不同其除垢效果不同。由于其極板間距較大所以兩個電極之間的電阻比較大，其整體的除垢率會相對小一些。從表1中得出當(dāng)電壓為 4.0V 時的除垢率最好，除垢率衰減的最慢。所以在極板間距為 8.0cm時，最佳除垢率可以達到 50.5%，此時的電壓值為 4.0V。

從上述模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)脈沖鋅電解設(shè)備輸出電壓為 4.5V，極板間距為 5cm 時，其防垢率最高，此時的電壓值和極板間距為此實驗的除垢效果最高的最佳參數(shù)。

4結(jié)論

對于電脈沖除垢具有低功耗、結(jié)構(gòu)簡單、適合于低壓等特點，除應(yīng)用于熱水器除垢外，在一些大功率中央空調(diào) 、鍋爐、熱交換設(shè)備或者管道等的結(jié)垢問題上也可以得到應(yīng)用。

參考文獻：

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