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1、引言

電熱水器主要是指大家廣泛使用的沐浴用電器，其中的大部分電熱水器都采用儲水式加熱。所謂儲水式加熱方式是指在熱水器中有一個用于將水加熱的固定式器具，它裝有控制或限制水溫的裝置，可長期或臨時儲存較多的熱水[1]。該裝置被稱為內膽，是電熱水器的核心零件。

由于內膽中的電加熱器長期處于高溫狀態，當水質較差時極易產生水垢，如圖1所示。水垢的導熱系數極低，集聚后會造成電加熱器的加熱效率下降；此外由于熱量不能及時傳遞給水，造成加熱系統表面溫度過高，容易產生爆管危險；結垢層導熱系數差，容易造成加熱效率的大幅度下降，加劇能源消耗，造成浪費。

圖1 電熱水器中的水垢

隨著電加熱器的熱脹冷縮，垢層不斷脫落，堆積在內膽的底部，帶來細菌的滋生。水垢在這種環境中長時間積累會造成水中有害物質的超標，其中軍團菌污染的問題值得關注[2]。據報道，藏匿在水垢中的軍團病菌至今仍無疫苗可預防，法國每年有2000至3000人死于這種病菌[3]。美國環境研究員、營養學家、著名水專家馬丁?福克斯博士在他的著作中寫到：對人體有害物質，成年人大約有60%通過皮膚吸收，通過口腔吸入的27%左右；兒童洗澡過程中皮膚吸收在88%左右，口腔吸入在12%左右[4]。沐浴水質由于水垢導致的惡化，對人體健康的危害不容忽視。

2、電熱水器結垢形成機理分析

2.1 水垢的組成

水垢是指通過在水中的無機鹽沉積在金屬表面上形成的水垢層，如硫酸鈣、磷酸鈣、硅垢、碳酸鈣、氫氧化鎂等。其中水垢的主要成分是CaCO3和MgCO3。熱水器中加熱時，水垢產生的主要原因是：

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2O

Mg(HCO3)2→MgCO3↓+CO2↑+H2O

水垢中的鈣、鎂離子主要自來兩個方面：一是來自于自來水中。在我國北方地區水質硬度較高，如表1所示，硬水中的鈣鎂離子比較多[5]，在電加熱器中加熱容易形成碳酸鎂、碳酸鈣等。（0～60mg/L為軟水；60～120mg/L為中等硬度水120～180mg/L為硬水）[7]

二是來自內膽中的鎂棒。為保護熱水器內膽不發生腐蝕穿孔，現有的儲水式電熱水器的內膽中的都會添加鎂棒進行陽極保護，而鎂棒作為犧牲陽極發生腐蝕，生成鎂的腐蝕產物，產生沉淀，如圖2所示。

圖2 儲水式電熱水器中的鎂棒

除此之外，水中本身還含有各種雜質，例如裝修后的泥沙、金屬水管中的生銹，其他無機鹽沉淀，水中的細菌和微生物等；鎂在特定條件下會轉變成表面粘稠的氫氧化鎂粘結這些懸浮的物質，吸附在內膽壁表面形成粘膠狀的污泥。

2.2 水垢生成的條件

一個電加熱器的結垢程度主要與水的硬度有關，水硬度是形成水垢和影響熱水器壽命至關重要的因素。水硬度包含碳酸鹽硬度(暫時硬度)和非碳酸鹽硬度(永久硬度)。其中，碳酸鹽硬度表示水中溶解的重碳酸鈣Ca(HCO3)2及重碳酸鎂Mg(HCO3)2的含量。熱水器使用過程中,在碳酸鹽硬度較大的水質中,很可能在電加熱器和內膽表面上結垢。

同時，值得注意的是：電加熱器的表面粗糙度對于水垢的形成也有一定的影響。粗糙表面的凸出部分有利于成核，凹下部分又可以減小水流的沖擊效果[8]，這兩方面都會加速水垢的沉積，并且粗糙表面會增加表面化學活性，同樣會加速水垢的生成。

此外，水溫越高，電加熱器的積垢速率越快，如圖3所示。加熱溫度對水垢的影響，主要體現在隨著水溫升高，水中具有逆溶解度的鹽類會析出結晶，附著在加熱管或內膽上。

圖3 水溫對積垢率的影響[9]

3、幾種電熱水器內膽中水垢的處理方法

電熱水器內膽水垢的處理措施，可以通過“防、緩、測、除”四種不同方法，有效減少或者去除電熱水器內膽中的水垢，保持內膽清潔和水質健康。

3.1 防

“防”是指通過電子陽極、磁化裝置、水質凈化、添加阻垢劑等處理方法，降低或分解水中容易結垢的物質。

這種方式應用的主要技術為電子陽極技術，是指通過一些電子裝置和金屬陽極，在水中形成微電流來提供內膽防腐所需的電子，形成對內膽的防護，有效替代鎂棒，避免因鎂棒電解后產生的碳酸鎂沉淀；同時，預先進行水質處理，降低內膽水中的鈣鎂離子、硬水硬度等，可以有效降低熱水器內膽、電加熱器等零件的結垢概率。這一方式的主要措施包括增加前置過濾、前置軟水裝置或前置磁化裝置等，通過離子交換樹脂的使用可以有效降低水中的大顆粒雜質和容易結垢的物質，從而降低水垢問題的風險；而磁化阻垢技術已被很多文獻報道[10-11]，所謂磁化阻垢，是指在水中添加一定的磁場以改變水分子特性，從而改變沉積過程中碳酸鈣、碳酸鎂的物理性質，進而改變沉積速度，防止結垢。磁化處理時間對結垢的影響如圖4所示。

圖4 磁化處理時間對結垢的影響[9]

而添加特殊阻垢劑則可以與藥劑分子形成鈣離子，鎂離子和碳酸根離子的絡合物，增加其在高溫水中的溶解度，阻止水垢的產生和沉積，阻垢劑濃度、溫度分別對阻垢率的影響如圖5所示。目前，有許多可用于工業的阻垢劑，適用于水處理[12,13]。其中，生活用水中常用的阻垢劑是硅磷晶[14]。硅磷晶技術使用方便，無功耗，不增加水系統的阻力，無需特殊維護。具有一次性投入少，適應性廣，阻垢性強，除垢能力強，性能穩定的特點，適用于儲水式熱水器。

圖5 阻垢劑濃度、溫度分別對阻垢率的影響[15]

3.2 緩

“緩”是指通過改變加熱設備和加熱條件，減緩水垢的生成速度。此方法主要通過提升電加熱器表面光潔度、降低表面負荷、采用智能控制程序等，減緩水垢的生成速度。

在加工和設計時，提升加熱管表面的光潔度，可以有效降低電加熱器的結垢速度。目前行業里普遍采用的是搪瓷電加熱器技術，該技術通過電加熱器表面的搪瓷處理，提升表面光潔度，大幅度降低水垢生成的速度。同時，通過加大電加熱器表面積或降低電加熱器功率來降低電加熱器的表面負荷，進而降低電加熱管的表面溫度，也有利于減緩電加熱器的結垢速度。

除上述方式外，還可通過智能控制程序，減少內膽中水處于高溫的區間時間。此方法主要是指應用智能控制程序，例如通過自學習功能或者預約功能，只在用戶需要用水的時間段前完成加熱，在用戶不使用的時間段保持中溫或者不加熱狀態，避免設備長時間處于易結垢的高溫區間。

3.3 測

“測”是指通過各種傳感器對水垢情況進行檢測，主動發現水垢問題并且實施主動干預。電加熱器的加熱速度曲線會隨著水垢的累積產生相應的變化，對加熱速度進行檢測，得出加熱曲線統計結果，有利于判斷電加熱器的結垢情況。而TDS水質檢測[16.17]是指通過在內膽下部設置TDS檢測裝置，檢測內膽下部形成的水垢脫落或者沉積情況，從而判斷出內膽中水垢的狀態，可以安裝多個探頭，避免誤判。當檢測到內膽或電加熱器的水垢增多或者沉積到一定程度時，立即提醒消費者進行排污處理或通過物聯網平臺傳遞到服務機構，進行清潔或更換。

3.4 除

“除”是指通過自動化或者快捷排污方式去除水垢。利用超聲波除垢[18.19]，有助于去除電加熱器上的水垢。將超聲波裝置安裝在電加熱器上，通過超聲波對電加熱器的震動，有效去除加熱管上的水垢，使其通過排污排出。搪瓷的脫落會加速內膽的腐蝕，因此，在利用超聲波除垢時，需要注意裝置的安裝位置，不能對內膽搪瓷造成影響。

目前電熱水器常規的排污需要用專用工具拆卸掉排污口，目前行業開始使用快速排污措施，以降低排污的專業度和復雜度?？焖倥盼垩b置（如圖6所示）是目前行業內利用率最高的排污裝置，一般多采用球閥式結構進行手動排污，或利用步進電機替代人手控制實現自動排污。

圖6 電熱水器快速排污裝置實物

4、總結

隨著生活水平的提高，消費者對水質健康也越來越重視。電熱水器作為人們沐浴的重要電器，其水垢問題也被相關廠商日益重視。

本文綜述了水垢對電熱水器的影響以及一些目前行業內通用的防治和監控水垢的做法，有助于電熱水器水質的健康升級，并使消費者更加直觀地了解和檢測到電熱水器的水垢狀況，以期綜合改善水垢對電熱水器的影響。但文中提到的只是部分解決方案，希望未來有更多新技術研究出來，有效降低內膽中的水垢，實現健康沐浴的升級。

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