Warum sammeln sich in Heizpatronen in Wasserkochern und Warmwasserbereitern starke Ablagerungen an, während in den Innenwänden viel weniger Ablagerungen vorkommen?
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Die meisten Haushalte haben irgendwann im Alltag mit der Bildung von Kalkablagerungen (Wasserablagerungen) zu kämpfen. Wenn Sie Wasser in einem Wasserkocher kochen, bildet sich am Boden eine Menge Kalk. Im Laufe der Zeit bilden sich an den Heizungsteilen von Warmwasserbereitern starke Ablagerungen. Wer vorsichtig ist, bemerkt, dass sich Kalk hauptsächlich auf der Oberfläche der Heizpatrone ansammelt, insbesondere auf der Unterseite oder dem Heizelement selbst. Die Innenwände des Wasserkochers oder Tanks weisen dagegen deutlich weniger Kalkablagerungen auf. Warum passiert das?
Anstelle herkömmlicher Tauchstäbe verfügen moderne Wasserkocher über im Boden integrierte flache Heizpatronen. In älteren Instant-Heißwasserspendern (Kochkolben) waren Heizpatronen üblich, die direkt in Wasser getaucht wurden. Diese Heizpatronen waren nützlich, aber auch sehr gefährlich, da sie viele Brände verursachten, weshalb an Universitäten strenge Regeln für Wohnheime gelten.
Ablagerungen sind bei Heizpatronen ein großes Problem. Da Wasserkocher und Warmwasserbereiter älter sind, dauert es länger, bis das Wasser kocht. Ein großes Problem bei der Größe besteht darin, dass sie mehr Energie verbraucht. Kalk bedeckt die Oberfläche der Heizpatrone und verhindert so den direkten Kontakt zwischen Heizpatrone und Wasser. Dadurch wird die Wirksamkeit der Wärmeleitung stark verringert.
Calciumcarbonat, Magnesiumsulfat, Calciumsulfat und Magnesiumhydroxid machen den größten Teil der Ablagerungen aus. Im Vergleich zu Metallen, die in Heizpatronenhüllen verwendet werden, weisen diese Verbindungen eine sehr schwache Wärmeleitfähigkeit auf (ca. 0,5–3 W/m·K). Kupfer hat eine Wärmeleitfähigkeit von 385 W/m·K und Edelstahl/Eisen hat eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 79,5 W/m·K. Sie kann um das Zehn- bis Hundertfache unterschiedlich sein, so dass dicke Ablagerungen auf einer Heizpatrone dazu führen, dass das Element an einer Stelle überhitzt, um die gleiche Energiemenge zu bewegen. Dies erhöht die Stromkosten und könnte die Heizpatrone beschädigen.
Wenn Kalk die Heizpatrone bedeckt, bleibt die Wärme im Inneren, wodurch die Temperatur an manchen Stellen schnell ansteigt. Dies könnte die Magnesiumoxid-Isolierung im Inneren der Heizpatrone beschädigen, ihre Lebensdauer verkürzen oder Sicherheitsprobleme verursachen. An Orten mit hartem Wasser (z. B. im Norden) bilden sich schnell Kalkablagerungen, sodass Sie die Heizpatrone häufig reinigen müssen.
Die Aktivität von Blasen steht in engem Zusammenhang mit der Bildung von Ablagerungen. Die Hauptbestandteile der Ablagerungen sind Kalziumkarbonat, Kalziumsilikat, Kalziumsulfat und Magnesiumhydroxid, die sich im Leitungswasser abgelagert haben. Da die Heizpatrone Wärme erzeugt, bilden sich beim Erhitzen immer wieder Blasen auf ihrer Oberfläche.
Die ersten Blasen entstehen, wenn bei steigender Temperatur und sinkender Löslichkeit gelöste Luft entweicht. Wenn das Wasser heißer wird, beginnt es zu kochen und es bilden sich Dampfblasen. Diese Blasen bilden eine dreiphasige Grenzfläche: flüssiges Wasser, Gasblase und feste Heizpatronenoberfläche. Wenn Blasen abplatzen und verdampfen, führen sie dazu, dass die Calcium- und Magnesiumsalze in der Nähe der Keimbildungsstelle zu stark gesättigt werden. Dadurch entstehen Niederschläge, die an der Oberfläche der Heizpatrone haften bleiben.
Studien zeigen, dass verkalkte Heizpatronen im Vergleich zu neuen Heizpatronen eine größere Menge an Blasen erzeugen. Die raue, poröse Oberfläche einer verkalkten Heizpatrone erleichtert die Bildung von Ablagerungen, da sie mehr Keimbildungsstellen aufweist und wasserliebender ist. Je länger also eine Heizpatrone mit Kalk darauf läuft, desto schneller bildet sich neuer Kalk, was das Problem verschlimmert.
Warum verkalkt die Heizpatrone viel stärker als die Wände des Wasserkochers? Calcium- und Magnesiumionen, die Salze bilden, sind die Bausteine der Ablagerungen. Die meisten haften an der heißen Oberfläche der Heizpatrone, während einige wie im Wasser schwimmende weiße Partikel aussehen (hauptsächlich Kalziumkarbonat und Magnesiumhydroxid), wodurch das Wasser weniger klar wird.
Schon zu Beginn des Erhitzens erzeugt die Heizpatrone lokal hohe Temperaturen, die perfekte Orte für die Blasenbildung sind. An der Heizpatrone bilden sich sofort Blasen, wodurch sich ständig Kalkablagerungen bilden. Im Gegensatz dazu wird Wasser in großen Mengen erst später heiß genug, und der Niederschlag dort erfordert eine homogene Kristallisation, die mehr Energie erfordert.
Die Kristallisationstheorie besagt, dass die heterogene Kristallisation (auf der Oberfläche der Heizpatrone) energetisch gut ist, da die Fest-{0}}Flüssigkeitsgrenzfläche die Oberflächenenergie senkt. Die homogene Kristallisation (in Wasser) benötigt mehr Energie, um Kristallkeime zu bilden. Auch wenn beim schnellen Erhitzen Energie abgegeben wird, ist die heterogene Kristallisation an der Heizpatrone der Hauptprozess, weshalb es dort zu mehr Ablagerungen kommt.
An den Innenwänden bilden sich zwar gewisse Ablagerungen, da dort auch heterogene Keimbildung stattfindet, die Menge ist jedoch deutlich geringer als bei der Heizpatrone, da keine örtliche hohe Hitze oder starke Blasenbildung auftritt.
Verwenden Sie zur regelmäßigen Reinigung der Heizpatrone Essig, Zitronensäure oder industrielle Entkalker. Wenn Sie in einer Gegend mit hartem Wasser leben, sollten Sie über die Anschaffung eines Wasserenthärters nachdenken. Um Keimbildungsstellen zu reduzieren, wählen Sie eine Heizpatrone mit glatten, hochwertigen -Edelstahlummantelungen (304 oder 316). Stellen Sie immer sicher, dass alles vollständig eingetaucht ist, und achten Sie auf die Kochzeiten als Anzeichen für Kalkablagerungen.
