Почему картриджные нагреватели в чайниках и водонагревателях накапливают большую накипь, а на внутренних стенах ее гораздо меньше?

Большинству домов в какой-то момент повседневной жизни приходится сталкиваться с известковым налетом (накипью воды). Когда вы кипятите воду в электрическом чайнике, на дне скапливается много накипи. Со временем на нагревательных частях водонагревателей образуется большое количество накипи. Люди, которые осторожны, замечают, что накипь скапливается в основном на поверхности картриджного нагревателя, особенно на нижней части или на самом нагревательном элементе. С другой стороны, внутренние стенки чайника или резервуара имеют гораздо меньший масштаб. Почему это происходит?

Вместо традиционных погружных стержней в днище современных электрочайников встроены плоские картриджные нагреватели. Картриджные нагреватели, которые погружались непосредственно в воду, были обычным явлением в старых диспенсерах для мгновенной подачи горячей воды (колбах для кипячения). Эти картриджные обогреватели были полезны, но они также были очень опасны, поскольку вызывали множество пожаров, поэтому в университетах действуют строгие правила в отношении общежитий.


Накипь представляет собой большую проблему для картриджных нагревателей. Поскольку чайники и водонагреватели устарели, для закипания воды требуется больше времени. Одна большая проблема с размером заключается в том, что он потребляет больше энергии. Накипь покрывает поверхность картриджного нагревателя, что предотвращает прямой контакт между картриджным нагревателем и водой. Это значительно снижает эффективность теплопроводности.

Большую часть накипи составляют карбонат кальция, сульфат магния, сульфат кальция и гидроксид магния. По сравнению с металлами, используемыми в оболочках патронных нагревателей, эти соединения обладают очень слабой теплопроводностью (около 0,5–3 Вт/м·К). Медь имеет теплопроводность 385 Вт/м·К, а нержавеющая сталь/железо имеет теплопроводность около 79,5 Вт/м·К. Она может отличаться в десятки и сотни раз, поэтому толстая накипь на картриджном нагревателе приводит к перегреву элемента в одном месте, чтобы передать такое же количество энергии. Это увеличивает затраты на электроэнергию и может повредить картриджный нагреватель.

Когда накипь покрывает картриджный нагреватель, он удерживает тепло внутри, что приводит к быстрому повышению температуры в некоторых местах. Это может привести к разрушению изоляции из оксида магния внутри картриджного нагревателя, сокращению его срока службы или возникновению проблем с безопасностью. В местах с жесткой водой (например, на севере) быстро образуется накипь, поэтому картриджный нагреватель необходимо чистить чаще.

Деятельность пузырей тесно связана с установлением масштаба. Основными частями накипи являются карбонат кальция, силикат кальция, сульфат кальция и гидроксид магния, осевшие в водопроводной воде. Поскольку нагреватель картриджа выделяет тепло, по мере нагревания на его поверхности продолжают образовываться пузырьки.

Первые пузырьки образуются, когда растворенный воздух выходит при повышении температуры и снижении растворимости. Когда вода становится горячее, она начинает кипеть и образовывать пузырьки пара. Эти пузырьки образуют трех-фазную границу: жидкая вода, газовый пузырек и поверхность нагревателя твердого картриджа. Когда пузырьки отрываются и испаряются, соли кальция и магния вблизи места зародышеобразования становятся слишком насыщенными. Это приводит к образованию осадков, которые прилипают к поверхности картриджного нагревателя.

Исследования показывают, что картриджные нагреватели с накипью генерируют большее количество пузырьков по сравнению с новыми. Шероховатая пористая поверхность картриджного нагревателя с накипью облегчает образование накипи, поскольку имеет больше мест зародышеобразования и более водо-любит воду. Таким образом, чем дольше картриджный нагреватель работает с уже имеющейся накипью, тем быстрее образуется новая накипь, что усугубляет проблему.

Почему на картриджном нагревателе образуется намного больше накипи, чем на стенках чайника? Ионы кальция и магния, образующие соли, являются строительными блоками накипи. Большинство из них прилипают к поверхности горячего картриджа-нагревателя, а некоторые выглядят как белые частицы, плавающие в воде (в основном карбонат кальция и гидроксид магния), что делает воду менее прозрачной.

С самого начала нагрева картриджный нагреватель создает локальные высокие температуры, которые являются идеальным местом для образования пузырьков. На нагревателе картриджа сразу же образуются пузырьки, из-за чего постоянно образуется накипь. Напротив, объемная вода становится достаточно горячей только позже, и осаждение там требует гомогенной кристаллизации, что требует больше энергии.

Теория кристаллизации утверждает, что гетерогенная кристаллизация (на поверхности картриджного нагревателя) энергетически выгодна, поскольку граница раздела твердое тело-жидкость снижает поверхностную энергию. Гомогенная кристаллизация (в объеме воды) требует больше энергии для образования кристаллических зародышей. Несмотря на то, что быстрый нагрев отдает энергию, основным процессом является гетерогенная кристаллизация на картриджном нагревателе, поэтому там происходит больше наростов.

На внутренних стенках образуется некоторый накипь, поскольку они также являются местами, где происходит гетерогенное зародышеобразование, но его количество значительно меньше, чем на картриджном нагревателе, поскольку здесь нет локального сильного нагрева или сильного образования пузырьков.

Для регулярной очистки картриджного нагревателя используйте уксус, лимонную кислоту или промышленные средства для удаления накипи. Если вы живете в районе с жесткой водой, возможно, вам стоит подумать о приобретении смягчителя воды. Чтобы сократить количество мест зародышеобразования, выберите картриджный нагреватель с гладкими оболочками из высококачественной-нержавеющей стали (304 или 316). Всегда следите за тем, чтобы все было полностью погружено в воду, и следите за временем кипения, которое указывает на образование накипи.