CN109520133B - 水加热装置及其制备方法和清除水加热装置中水垢的方法 - Google Patents

水加热装置及其制备方法和清除水加热装置中水垢的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了水加热装置及其制备方法和清除水加热装置中水垢的方法。水加热装置包括：本体，本体限定出加热空间；疏水涂层，疏水涂层设置于本体的内壁上；其中，疏水涂层的热膨胀系数小于水垢的热膨胀系数，且所述疏水涂层的热膨胀系数与所述水垢的热膨胀系数的差不小于2.5×10‑6/摄氏度。疏水涂层与水垢的热膨胀系数相差较大，可以通过在干烧条件下利用脉冲水流冲洗而安全的将水垢清除干净，既不会对水加热装置有所损伤，也不会造成健康安全问题，且可以有效延长水加热装置的使用寿命，而且疏水涂层的水接触角较大，可以使得水垢在疏水涂层上的粘结力及粘附面积大大减小，不仅可以减少水垢的生成，也有利于更容易的清除水垢。

Description

水加热装置及其制备方法和清除水加热装置中水垢的方法
技术领域
本发明涉及电器技术领域，特别的，涉及水加热装置及其制备方法和清除水加热装置中水垢的方法。
背景技术
蒸汽发生器，锅炉，电加热器件等水加热装置在长期运行过程中，由于水中的Ca2+、Mg2+等一些无机盐和其它一些有机物成分(例如细菌残留物、油脂等)，会使得水加热装置内壁上形成一层水垢。水垢积攒到一定程度，会影响水加热装置的加热效率，继而影响水加热装置的性能和使用寿命，而且也会带来一定的安全隐患。以蒸汽发生器为例，可能由于加热器件表面有水垢使得热传导效率降低，使蒸汽发生器喷涂蒸汽温度衰减不到要求温度，有的蒸汽类烹饪家电会因蒸汽工作喷射水垢，严重影响食物卫生安全。针对加热水使用一段时间后有白色粉末、水垢等问题，现有产品的说明书中都要求用户尽量使用纯净水或者蒸馏水，以减少水垢的产生，但并没有从根本上解决清除水垢的问题。
因此，关于水加热装置水垢的清除有待深入研究。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有简单有效清除水垢、使用寿命长，或加热元器件可靠性高等优点的水加热装置。
发明人是基于以下发现和认识完成本发明的：
目前水垢清洗多以酸性除垢剂化学除垢，如采用柠檬酸和醋酸或者缓释的除垢片、除垢剂等一些酸或者化学物质来溶解水加热装置内壁的水垢，但是，长此以往，会使得水加热装置的涂层脱落，从而引起Al3+(铝离子)析出，危害人体健康。为了能高效健康清洗水加热装置的水垢，相关技术中，还采用超声波震荡法、电磁法或者静电场法等物理除垢法，但是，由于目前此类技术应用还不够成熟，除垢成本高、除垢效果不佳，且可靠性和寿命稳定性也不高。基于此，发明人便想通过水加热装置的原有结构有效安全地阻垢。发明人研究发现，现有技术方案涂层多是亲水耐温硅系涂层，水接触角小于90度，只是用耐温防腐涂层作为铝基材的保护处理，对水垢没有抑制作用，并且现有水加热装置表面亲水性较好，涂层上易于形成水垢，水垢形成后加热传导效率会急剧下降，长期以往水垢会富集更多，同时表面水垢也会因为表面不光滑使得更多水垢粘附到涂层表面，而涂层和水垢及铝基材的热膨胀系数差异不大，水垢与涂层界面的应力变化很相近，发热体表面粘附力大，涂层表面光滑度不高，水垢在涂层上面粘结力顽固，参照图1，水垢50紧紧地粘附在涂层60表面，不容易被清洗下来。基于上述发现，发明人提出将上述亲水性涂层替换为疏水涂层，增大疏水涂层与水垢的热膨胀系数的差值，使得水垢在涂层的粘结力及粘附面积大大减小，且由于疏水涂层与水垢的热膨胀系数差值较大，可以通过在干烧条件下利用脉冲水流冲洗有效安全的清除水垢。粘结力
有鉴于此，在本发明的一个方面，本发明提供了一种水加热装置。根据本发明的实施例，所述水加热装置包括：本体，所述本体限定出加热空间；疏水涂层，所述疏水涂层设置于所述本体的内壁上；其中，，所述疏水涂层的热膨胀系数小于水垢的热膨胀系数，且所述疏水涂层的热膨胀系数与水垢的热膨胀系数的差不小于2.5×10-6/摄氏度。由此，疏水涂层与水垢的热膨胀系数相差较大，可以通过在干烧条件下利用脉冲水流冲洗而安全的将水垢清除干净，既不会对水加热装置有所损伤，也不会造成健康安全问题，且可以有效延长水加热装置的使用寿命，而且疏水涂层的水接触角较大，可以使得水垢在疏水涂层上的粘结力及粘附面积大大减小，不仅可以减少水垢的生成，也有利于更容易的清除水垢。
根据本发明的实施例，形成所述本体的材料包括为铸铝、铸铁，铝合金，铝镁合金，镀锌板和不锈钢中的至少一种。
根据本发明的实施例，所述疏水涂层的厚度为20-55微米。
根据本发明的实施例，形成所述疏水涂层的材料为纳米陶瓷涂料。
根据本发明的实施例，所述疏水涂层中含有导热纳米填料。
根据本发明的实施例，所述导热纳米填料为纳米氧化铝和纳米氧化钛中的至少一种。
根据本发明的实施例，所述疏水涂层的导热系数不低于0.6W/(m*K)。
根据本发明的实施例，所述疏水涂层的水接触角不低于100度。
根据本发明的实施例，所述疏水涂层的热膨胀系数不高于9×10-6/摄氏度。
在本发明另一方面，本发明提供了一种制备前面所述的水加热装置的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：对本体内壁进行喷砂处理，形成粗糙表面；在所述粗糙表面上形成疏水涂层；其中，所述疏水涂层的热膨胀系数小于水垢的热膨胀系数，且所述疏水涂层的热膨胀系数与水垢的热膨胀系数的差不小于2.5×10-6/摄氏度。由此，该方法可以快速有效的制备前面所述的水加热装置，操作简单、方便，易于实现工业化生产，且制备获得的水加热装置内壁对水垢的粘附力和粘附面积大大减小，水垢生成明显减少，且生成的水垢易于去除，另外，由于疏水涂层和水垢的热膨胀系数差别较大，可以通过干烧使得水垢自动翘起，然后利用脉冲水流冲洗而安全有效的去除水垢，不会对水加热装置产生损伤，可以有效延长水加热装置的使用寿命，且不存在健康安全问题。
根据本发明的实施例，所述喷砂处理是利用80目的玻璃砂或刚玉砂进行的。
根据本发明的实施例，所述疏水涂层是通过以下步骤形成的：在所述粗糙表面的温度为50-100摄氏度的条件下，在所述粗糙表面上喷涂涂料；于280-330摄氏度条件下，将喷涂过涂料的所述本体固化烧结10-15分钟。
在本发明的又一方面，本发明提供了一种清除前面所述的水加热装置中水垢的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：在对所述水加热装置进行干烧的条件下，利用脉冲水流对所述水加热装置上的水垢进行冲洗。由此，由于疏水涂层与水垢之间的热膨胀系数相差较大，对水加热装置干烧，可以使得水垢自动产生裂纹和翘起，在脉冲水流的冲洗下可以有效的从水加热装置上脱落下来，简单有效的清除水垢，且不会对水加热装置产生损伤，有效延长水加热装置的使用寿命，且不存在健康安全问题。
附图说明
图1是现有技术中水垢附着于涂层的结构示意图。
图2是本发明一个实施例中水加热装置的结构示意图。
图3是本发明又一个实施例中制备水加热装置的流程示意图。
图4是本发明又一个实施例中制备水加热装置的流程示意图。
图5是本发明又一个实施例中水垢附着于疏水涂层的结构示意图。
图6是本发明又一个实施例中疏水涂层的微观结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种水加热装置。根据本发明的实施例，参照图2，水加热装置包括：本体10，本体限定出加热空间30；疏水涂层20，疏水涂层20设置于本体10的内壁11上；其中，所述疏水涂层的热膨胀系数小于水垢的热膨胀系数，且疏水涂层20的热膨胀系数与水垢的热膨胀系数的差不小于2.5×10-6/摄氏度。由此，疏水涂层与水垢的热膨胀系数相差较大，可以通过在干烧条件下利用脉冲水流冲洗而安全的将水垢清除干净，既不会对水加热装置有所损伤，也不会造成健康安全问题，且可以有效延长水加热装置的使用寿命，而且疏水涂层的水接触角较大，可以使得水垢在疏水涂层上的粘结力及粘附面积大大减小，不仅可以减少水垢的生成，也有利于更容易的清除水垢。特别是对于蒸汽发生器来说，在脉冲水流冲洗水垢的瞬间，蒸汽压力可以将水垢冲刷成小碎片，随着蒸汽喷射出来。本领域技术人员可以理解，图2仅是示例性说明本发明的水加热装置的结构，并不能理解为对本发明的水加热装置的限制，本发明的水加热装置的具体结构和形状等均没有任何限制，本领域技术人员可以根据需要灵活选择。根据本发明的实施例，为了进一步提高清洁水垢的效果，可以适当增大疏水涂层的热膨胀系数与水垢的热膨胀系数的差值，在本发明的一些实施例中，疏水涂层的热膨胀系数与水垢的热膨胀系数的差值可以不小于3×10-6/摄氏度、3.5×10-6/摄氏度、4×10-6/摄氏度、42.5×10-6/摄氏度、5×10-6/摄氏度、52.5×10-6/摄氏度、6×10-6/摄氏度、6.5×10-6/摄氏度、7×10-6/摄氏度、7.5×10-6/摄氏度、8×10-6/摄氏度、8.5×10-6/摄氏度等等，优选疏水涂层的热膨胀系数与水垢的热膨胀系数的差值可以为6～8.5×10-6/摄氏度。由此，可选材料范围广泛，且清除水垢的效果理想。
根据本发明的实施例，形成本体的材料没有限制要求，本领域技术人员可以根据需求选择本领域中可以作为水加热装置本体的任何材料。在本发明的一些实施例中，形成本体的材料包括为铸铝、铸铁，铝合金，铝镁合金，镀锌板和不锈钢中的至少一种。由此，本体具有良好的导热性，使用性能好，安全系数高。
根据本发明的实施例，疏水涂层的厚度也没有限制要求，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择。在本发明的一些实施例中，疏水涂层的厚度为20-55微米，例如可以为25微米、30微米、35微米、40微米、45微米、50微米等。该疏水涂层厚度范围是通过对导热系数，疏水涂层寿命以及成本综合考量而获得的效果较佳的厚度范围，太薄疏水涂层寿命，耐蒸汽冲刷性能相对较差，而太厚会影响导热性，也会相应增加成本，而对于蒸汽发生器等需要密封的水加热装置会影响其密封性，导致蒸汽喷水现象。，可以起到对本体很好的保护作用，若太薄则容易受到损坏，太厚则浪费原料，提高成本。
根据本发明的实施例，为了使疏水涂层具有较高的导热系数，较低的热膨胀系数及较大的水接触角，形成疏水涂层的材料为纳米陶瓷涂料。由此，可以满足疏水涂层对较高的导热系数，较低的热膨胀系数及较大的水接触角等一系列要求：较低的热膨胀系数使疏水涂层与水垢的膨胀系数相差较大，在干烧条件下利用脉冲水流冲洗可以自动、安全的将水垢清除干净；较大的水接触角可以使得水垢在疏水涂层上的粘结力及粘附面积大大减小，不仅有利于减少水垢的生长，且可使得水垢更易于去除；较高的导热系数可以提高水的加热效率。
需要说明的是，纳米陶瓷粉涂料是指一种通过化学反应而形成陶瓷涂层的材料。本发明中可以采用的纳米陶瓷涂料的具体种类不受特别限制，只要满足接触角较大、导热系数较高，且与水垢的热膨胀系数差别较大的使用要求即可，本领域技术人员可以根据实际需要灵活选择任何已知的纳米陶瓷涂料。
根据本发明的实施例，为了进一步提高导热系数，疏水涂层中含有导热纳米填料。由此，可以进一步的提高水的加热效率，又可以使得疏水涂层的水接触角增大，从而减少水垢生成时的附着面积及粘结力，使水垢可以在水流或者外力作用下快速简单的脱附，而达到清除水垢的目的。
根据本发明的实施例，导热纳米填料的具体材料没有限制要求，只要满足使用要求，本领域技术人员根据实际需求灵活选择即可。在本发明的一些实施例中，导热纳米填料为纳米氧化铝和纳米氧化钛中的至少一种。由此，来源广，成本低，导热系数高。
根据本发明的实施例，参照图6，疏水涂层设置在本体21上，且疏水涂层在结构上包括中间层22(包括但不限于氧化物层)、底油层23和陶瓷面油24。由此，该疏水涂层与水加热装置的结合力强、疏水性好，有利于进一步提高水垢清除效果。
根据本发明的实施例，疏水涂层的导热系数不低于0.6W/(m*K)，例如可以为0.7W/(m*K)、0.8W/(m*K)、0.9W/(m*K)、1.0W/(m*K)等。由此，可以保证疏水涂层具有较高的导热系数，加热效率较高，热利用率也较高，有利于降低能耗，经济性好。
根据本发明的实施例，为了减少水垢与疏水涂层之间的接触面积及粘结力，疏水涂层的水接触角不低于100度，例如可以为101度、102度、103度、104度、105度、106度、107度、108度、109度、110度、115度等。由此，可以减少水垢生成时的附着面积及粘结力，不仅利于减少水垢的生成，且生成的水垢在水流或者外力作用下可以快速简单的脱附，提升水垢清除效果。
根据本发明的实施例，参照图5，由于水垢50的热膨胀系数一般为11.7×10-6/摄氏度左右，所以为了使疏水涂层20与水垢50之间的膨胀系数有一定的差距，一般要求疏水涂层20的热膨胀系数与水垢50的热膨胀系数的差不小于2.5×10-6/摄氏度，因此疏水涂层20的热膨胀系数不高于9×10-6/摄氏度，例如可以为8×10-6/摄氏度、7×10-6/摄氏度、6×10-6/摄氏度、5×10-6/摄氏度、4×10-6/摄氏度、3×10-6/摄氏度、2×10-6/摄氏度、1×10-6/摄氏度等。由此，由于疏水涂层20与水垢50之间的热膨胀系数差异较大，在加热条件下，水垢50自身膨胀起翘，在水流的冲刷下可以自然地将水垢分离出来。
根据本发明的实施例，上述水加热装置的具体种类没有特别限制，可以为任何涉及对水进行加热的装置，例如包括但不限于蒸汽发生器、锅炉、挂烫机、电加热器件等，且该水加热装置的结构也没有特别限制，可以为任何常规水加热装置的常规结构，例如锅炉可以包括炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁、热水器、过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成的锅炉本体和其他辅助设备，在此不再一一赘述。
在本发明另一方面，本发明提供了一种制备前面所述的水加热装置的方法。根据本发明的实施例，参照图3，该方法包括：
S100：对本体内壁进行喷砂处理，形成粗糙表面。
根据本发明的实施例，喷砂的方式没有限制要求，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择。在本发明的一些实施中，喷砂处理是利用80目的玻璃砂或刚玉砂进行的。由此，可以在本体的内壁形成粗糙的表面，利于后续步骤中疏水涂层的形成。
根据本发明的一些实施例，喷砂处理可以通过以下步骤进行：首先将铸铝或铝制本体在喷砂机中，用80目的玻璃砂或80目的刚玉砂喷射表面，获得粗糙表面，接着依次用水，乙醇，水在超声清洗槽里清洗干净粗糙表面粘附的砂粒，接着放置在烘箱中烘干水分。由此，操作简单、方便，易于控制和实施，且获得的粗糙表面可以大大提高疏水涂层的结合力，避免疏水涂层脱落。
根据本发明的实施例，此处描述的本体与前文描述一致，在此不再过多赘述。
S200：在粗糙表面上形成疏水涂层，其中，，所述疏水涂层的热膨胀系数小于水垢的热膨胀系数，且疏水涂层的热膨胀系数与水垢的热膨胀系数的差不小于2.5×10-6/摄氏度。
根据本发明的实施例，形成疏水涂层的具体方式没有特别限制，只要能够有效在粗糙表面上形成疏水涂层即可，例如可以采用喷涂、涂覆等方式形成疏水涂层。
根据本发明的实施例，参照图4，疏水涂层可以通过以下步骤形成：
S210：在粗糙表面的温度为50-100摄氏度的条件下，在粗糙表面上喷涂涂料。
根据本发明的实施例，为了后续步骤涂料喷涂的顺利进行，粗糙表面需要一定的洁净度，因此，在喷涂涂料之前可以对粗糙表面进行清洗，具体的清洗方法没有限制要求，只要将粗糙表面清洗干净即可。在本发明的一些实施例中，将上一步骤得到的本体放入盛有水或醇的超声清洗槽中进行清洗，之后再将其放置在烘箱烘干水分，保持表面温度在50-100℃，较佳的，保持表面温度在55-65℃，然后喷涂涂料。
根据本发明的实施例，该步骤中采用的涂料的种类、形成的疏水涂层的厚度等与前文水加热装置部分描述的形成疏水涂层的涂料的种类和疏水涂层的厚度一致，在此不再过多赘述。
S220：于280-330摄氏度条件下，将喷涂过涂料的本体固化烧结10-15分钟。
根据本发明的实施例，实施固化烧结的具体方式、设备等均没有特别限制，本领域技术人员可以根据需要灵活选择，可以为本领域任何常规的固化烧结工艺和设备。
根据本发明的实施例，该方法可以快速有效的制备前面所述的水加热装置，操作简单、方便，易于实现工业化生产，且制备获得的水加热装置内壁对水垢的粘附力和粘附面积大大减小，水垢生成明显减少，且生成的水垢易于去除，另外，由于疏水涂层和水垢的热膨胀系数差别较大，可以通过干烧使得水垢自动翘起，然后利用脉冲水流冲洗而安全有效的去除水垢，不会对水加热装置产生损伤，可以有效延长水加热装置的使用寿命，且不存在健康安全问题
在本发明的又一方面，本发明提供了一种清除前面所述的水加热装置中水垢的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：在对所述水加热装置进行干烧的条件下，利用脉冲水流对所述水加热装置上的水垢进行冲洗。由此，由于疏水涂层与水垢之间的热膨胀系数相差较大，对水加热装置进行干烧，可以使得水垢产生裂纹并翘起，然后在脉冲水流的冲洗下自动的从水加热装置上脱落下来，简单有效的清除水垢，且不会对水加热装置产生损伤，有效延长水加热装置的使用寿命，且不存在健康安全问题，提升水加热装置的可靠性。
实施例
实施例1-实施例7：
制备疏水涂层的方法为：
步骤一：在喷砂机中对本体内壁用80目的玻璃砂或刚玉砂进行喷砂处理，形成粗糙表面；
步骤二：将上一步骤得到的粗糙表面放入盛有水的超声清洗槽中进行清洗，之后再将其放置在烘箱烘干水分，保持粗糙表面的温度在50-100℃，喷涂涂料；
步骤三：于280-330摄氏度条件下，将喷涂过涂料的本体固化烧结10-15分钟。
实施例1-实施例7制备方法中的试验参数见表1。
实施例1-实施例7制备的疏水涂层的性能检测结果见表2。由实验结果可以看出，疏水涂层的热膨胀系数较低，与水垢的热膨胀系数相差较大，导热系数也较高，水接触角也较大。较低的热膨胀系数使疏水涂层与水垢的膨胀系数相差较大，在加热条件下，水垢自身膨胀起翘，在脉冲水流的冲刷下可以自然地将水垢分离出来；较大的水接触角可以使得水垢在疏水涂层上的粘结力及粘附面积大大减小，水垢生成明显减少，且生成的水垢易于去除；较高的导热系数可以提高水的加热效率。
表1
Figure BDA0001413866370000071
Figure BDA0001413866370000081
表2
Figure BDA0001413866370000082
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种制备水加热装置的方法，其特征在于，包括：
对本体内壁进行喷砂处理，形成粗糙表面，其中，所述喷砂处理是利用80目的玻璃砂或刚玉砂进行的；
在所述粗糙表面的温度为50-100摄氏度的条件下，在所述粗糙表面上喷涂涂料；
于280-330摄氏度条件下，将喷涂过所述涂料的所述本体固化烧结10-15分钟，形成疏水涂层；
其中，所述疏水涂层中含有导热纳米填料，所述疏水涂层的热膨胀系数小于水垢的热膨胀系数，且所述疏水涂层的热膨胀系数与水垢的热膨胀系数的差不小于2.5×10-6/摄氏度，所述疏水涂层的导热系数不低于0.6W/(m*K)，所述疏水涂层的水接触角不低于100度，所述疏水涂层的热膨胀系数不高于9×10-6/摄氏度。
2.一种利用权利要求1所述的方法制备得到的水加热装置，其特征在于，包括：
本体，所述本体限定出加热空间；
疏水涂层，所述疏水涂层设置于所述本体的内壁上；
其中，所述疏水涂层的热膨胀系数小于水垢的热膨胀系数，且所述疏水涂层的热膨胀系数与所述水垢的热膨胀系数的差不小于2.5×10-6/摄氏度，
所述疏水涂层中含有导热纳米填料，
所述疏水涂层的厚度为20-55微米，所述疏水涂层的水接触角不低于100度，所述疏水涂层的热膨胀系数不高于9×10-6/摄氏度。
3.根据权利要求2所述的水加热装置，其特征在于，形成所述本体的材料包括铸铝、铸铁，铝合金，铝镁合金，镀锌板和不锈钢中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的水加热装置，其特征在于，形成所述疏水涂层的材料为纳米陶瓷涂料。
5.根据权利要求2所述的水加热装置，其特征在于，所述导热纳米填料为纳米氧化铝和纳米氧化钛中的至少一种。
6.根据权利要求2或5所述的水加热装置，其特征在于，所述疏水涂层的导热系数不低于0.6W/(m*K)。
7.一种清除权利要求2-6中任一项所述的水加热装置中水垢的方法，其特征在于，包括：
在对所述水加热装置进行干烧的条件下，利用脉冲水流对所述水加热装置上的水垢进行冲洗。
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