Im täglichen Leben kommt es in den meisten Haushalten zwangsläufig zu Kalkablagerungen (Wasserablagerungen). Beim Kochen von Wasser in einem Wasserkocher bilden sich starke Kalkablagerungen am Boden. Im Laufe der Zeit bilden sich bei Warmwasserbereitern starke Ablagerungen an den Heizkomponenten. Vorsichtige Benutzer bemerken, dass sich Kalk hauptsächlich auf der Oberfläche der Heizpatrone - ansammelt, insbesondere auf dem Boden oder dem Heizelement selbst -, während die Innenwände des Wasserkochers oder Tanks deutlich weniger Kalk aufweisen. Warum passiert das?
Moderne Wasserkocher verwenden anstelle herkömmlicher eingetauchter Stäbe flache, unten eingebettete Heizpatronen. Bei älteren Instant-Heißwasserspendern (Kochflaschen) wurden üblicherweise direkt in Wasser getauchte Heizpatronen verwendet. Diese Heizpatronen waren zwar praktisch, stellten jedoch erhebliche Sicherheitsrisiken dar, darunter häufige Brände, die zu strengen Vorschriften für Wohnheime an Universitäten führten.
Ablagerungen stellen für Heizpatronen ein ernstes Problem dar. Mit zunehmendem Alter von Wasserkochern und Warmwasserbereitern verlängert sich die Kochzeit merklich. Dies ist ein großer Nachteil der Skalierung: höherer Energieverbrauch. Kalk bedeckt die Oberfläche der Heizpatrone und bildet eine Barriere, die den direkten Kontakt zwischen der Heizpatrone und dem Wasser unterbricht und die Effizienz der Wärmeleitung drastisch verringert.
Ablagerungen bestehen hauptsächlich aus Calciumcarbonat, Magnesiumsulfat, Calciumsulfat und Magnesiumhydroxid. Diese Verbindungen haben eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit (nur 0,5–3 W/m·K) im Vergleich zu den in Heizpatronenhüllen verwendeten Metallen - Kupfer mit 385 W/m·K und Edelstahl/Eisen mit etwa 79,5 W/m·K. Der Unterschied kann das Zehn- bis Hundertfache betragen. Daher zwingt eine dicke Ablagerung auf der Heizpatrone das Element dazu, lokal zu überhitzen, um die gleiche Energiemenge zu übertragen, was die Stromrechnung erhöht und das Risiko einer Beschädigung der Heizpatrone birgt.
Wenn Kalkablagerungen die Heizpatrone isolieren, wird die Wärme im Inneren eingeschlossen, was zu schnellen lokalen Temperaturspitzen führt. Dies kann die Magnesiumoxid-Isolierung im Inneren der Heizpatrone beeinträchtigen, ihre Lebensdauer verkürzen oder Sicherheitsprobleme auslösen. In Regionen mit hartem Wasser (z. B. im Norden) bilden sich schnell Ablagerungen, die eine regelmäßige Reinigung der Heizpatrone erfordern.
Die Bildung von Ablagerungen hängt eng mit der Blasenaktivität zusammen. Ablagerungen bestehen hauptsächlich aus ausgefälltem Calciumcarbonat, Calciumsilikat, Calciumsulfat und Magnesiumhydroxid aus gelösten Calcium- und Magnesiumionen im Leitungswasser. Während des Erhitzens bilden sich ständig Blasen auf der Oberfläche der Heizpatrone, da die Wärme von der Heizpatrone stammt.
Die ersten Blasen entstehen durch gelöste Luft, die bei steigender Temperatur und abnehmender Löslichkeit entweicht. Bei weiterer Erhitzung entstehen Dampfblasen, wenn das Wasser den Siedepunkt erreicht. Diese Blasen erzeugen eine drei{2}}Phasengrenzfläche (flüssiges Wasser, Gasblase, feste Heizpatronenoberfläche). Wenn sich Blasen lösen und verdampfen, verursachen sie eine lokale Übersättigung von Kalzium- und Magnesiumsalzen rund um die Keimbildungsstelle, was zu Niederschlägen führt, die an der Oberfläche der Heizpatrone haften bleiben.
Untersuchungen zeigen, dass verkalkte Heizpatronen mehr Blasen erzeugen als neue. Die raue, poröse Oberfläche der verkalkten Heizpatrone bietet mehr Keimbildungsstellen und ist hydrophiler, was die Bildung von Ablagerungen beschleunigt. Je länger also eine Heizpatrone mit vorhandenen Ablagerungen arbeitet, desto schneller sammelt sich neue Ablagerungen an - und es entsteht ein Teufelskreis.
Warum sammelt sich auf der Heizpatrone viel mehr Kalk an als auf den Innenwänden des Wasserkochers? Kalkvorläufer sind Calcium- und Magnesiumionen, die als Salze ausfallen. Die meisten haften an der heißen Heizpatronenoberfläche, während einige als weiße Schwebepartikel (hauptsächlich Calciumcarbonat und Magnesiumhydroxid) im Wasser erscheinen und die Klarheit beeinträchtigen.
Die Heizpatrone erzeugt bereits zu Beginn des Erhitzens lokal hohe Temperaturen und bietet so ideale Keimstellen für die Blasenbildung. Auf der Heizpatrone bilden sich sofort Blasen, die zu einer kontinuierlichen Kalkablagerung führen. Im Gegensatz dazu erreicht Grundwasser erst später ausreichend hohe Temperaturen und die Ausfällung dort erfordert eine homogene Kristallisation, die mehr Energie erfordert.
Gemäß der Kristallisationstheorie ist die heterogene Kristallisation (auf der Oberfläche der Heizpatrone) energetisch günstig, da die Grenzfläche zwischen Feststoff und Flüssigkeit die Oberflächenenergie senkt. Die homogene Kristallisation (in Wasser) erfordert eine höhere Energie zur Bildung von Kristallkeimen. Obwohl schnelles Erhitzen Energie liefert, dominiert die heterogene Kristallisation auf der Heizpatrone, was die stärkere Ablagerung dort erklärt.
In den Innenwänden sammelt sich zwar etwas Ablagerungen an, da sie auch als heterogene Keimbildungsstellen dienen, aber ohne lokalisierte hohe Hitze oder intensive Blasenbildung bleibt die Menge viel geringer als auf der Heizpatrone.
Um die Heizpatrone zu schützen, entkalken Sie sie regelmäßig mit Essig, Zitronensäure oder handelsüblichen Entkalkern. Erwägen Sie in Gebieten mit hartem-Wasser die Installation von Wasserenthärtern. Wählen Sie Heizpatronen mit glatten Ummantelungen aus hochwertigem Edelstahl (304 oder 316), um Keimbildungsstellen zu reduzieren. Stellen Sie immer sicher, dass das Produkt vollständig untergetaucht ist, und überwachen Sie die Kochzeiten, um frühzeitig vor Kalkablagerungen zu warnen.
