DE2605089A1

DE2605089A1 - Wasserbehaelter mit elektrischem heizelement und kathodischem korrosionsschutz

Info

Publication number: DE2605089A1
Application number: DE19762605089
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Holzaepfel; Hans Prof Dr Rickert
Original assignee: WESTFAEL ELEKT WERKE
Current assignee: WESTFAEL ELEKT WERKE
Priority date: 1976-02-10
Filing date: 1976-02-10
Publication date: 1977-09-08
Also published as: DE2605089B2; DE2605089C3; US4255647A

Description

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DIPL.-INQ. MElNKE 46 DORTMUND, ^Γ.; ._r. ^

PATENTANWALT . westenhellweg ar ■ '^ο· ':'·'"

TELEFON CO231314581O Kj\[ . "3 PRIVAT CO2 3O 41 24 04

AKTEN-NR: 2/2Ö7O

Vereinigte Elektrizitätswerke Westfalen AO, 4600 Dortmund 1, Cstwall 51

"Wasserbehälter icit elektrisches Heiseleasnt und kathodisehexa Korrosionsschutz"

Die Erfindving betrifft einen Wasserbehälter mit in dessen unteres Bereich engeordnetes elektrischen Heis~ element und einer an der Innenwandung vorgesehenen passiven Korrosionaschutsechicht, vorzugsweise aus Emaille, und alt einsn kathodischen Korrosioneachuts bewirkenden fremdatroiaöeaufschlagten Elektroden.

W&rcKaaserbehälter kleineren Inhalts, d.h. insbesondere für H&ushaltezwecke, hat man bisher praktisch nur mit einer passiven Korrosionseehutsschicht,meistens aus Eaallle₃sowie mit einer Opferanode aus Magnesium ver~ sehen, wobei man die M&gnesiumanode meistena durch einen Stutzen von oben in Gen Behälter schraubt, währnd die elektrische Heizung über einen Plansch im unteren Teil angeordnet 1st. In der Praxis hat-es sich geneigt, daß derartige WarrcwasserbehSlter schon nach wenigen

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Jahren durc-h Korrosion zerstört werden und zwar im unteren, ü.h. das Heizelement aufnehmenden Bereich. Ausführliche Untersuchungen mit Hilfe von Potential- und Strommessungen haben ergeben, daß bei derartigen Warnwasserbehältem das untere Drittel dann nicht mehr kathodisch geschützt 1st, wenn der HeIzflansch nicht gegen den Boiler Isoliert Ist, was aus elektrotechnischen Gründen meistens nicht der Fall Ist. Die Verwendung von Marne3iun:opferanoden hat noch weitere Kachteile, nämlich zunächst, da3 eine 'MagnesiuKanode eine beträchtliche Eigenkorrosion zeigt, wodurch sie oft schon nach v=-enigen Janren völlig zerstört bzw. aufgebraucht ist. Ferner entwickelt sich an einer Kairnesiumancde eine nicht unerhebliche I'fenge Wasserstoffgas, das reit Sauerstoff zu einer issligasirdschunp; führt und damit gefährlich Ist.

Sei größeren Behältern hat nan daher bereits vorgeschlagen, anstelle von Kagneslunopferanoden fremdstroirceauT-sehla£te Elektroden su verwenden, was jedoch noch zu keinen befriedigenden Ergebnis geführt hat und einmal damit zusaHsKenhängt, daß die bisher für größere Warmwasserhenülter verwendeten fremdstrc&beaufschiagten LleKtroden irxier nur auf einen Strom eingestellt waren_f so da» bei sich ändernden Bedingungen in Behälter, ζ .Β, bein Auftreten einer zusätzlichen Schadeteile In der passiven Korrosionsschutsschicht, das ricßtlge Potential an der Behälterwand nicht mehr eingestellt ist. Auüerdesi bringen die bisherigen f re mds t ro r.fc eau fach leiten EieRtro-

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den keine LSsuns für das Problem der besonderen KorrosionscefährDung im Bereich des Heizelementes eines mit einem solchen ausgerüsteten Wasserbehälters. Die Schäden in diesem Bereich werden darauf zurückgeführt, daß die Flächen des Heizelementes als kathodischer Bereich wirken, an aera Sauerstoff reduziert wird und damit als Oxydationsmittel wirksam werden kann, so daß in diesen Bereich etwa auftretende Fehlstellen in der passiven Korrcsionsschutsschicht besonders korros Ions gefährdet sind,

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer LiJsung, welche mit vertretbares wirtschaftlichen Aufwand für kleinere V/armwasserbehälter, insbesondere für Haushaltszveeke, eine wsεentIiehe Langzeit-Verbesserung des Korrosionsschutzes j Insbesondere im bisher vor allem

gefährdeten untex-en, das Heizelement aufweisenden Bereich erbringt.

Bei einem Wasserbehälter der eingangs beseichneten Art wird, diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Elektroden nsittels eines an sich bekannten Potentiostaten und einer ebenfalls an sich bekannten Bezugselektrode auf ein optimales Potential einsteuerbar sind und daß irdndestens eine Frendstrornanode in der Nähe des Heizelementes angeordnet ist.

Dadurch wird zunächst erreicht, daß, sobald Im Betrieb des Behälters eine Scbacsteile in der passiven Korro-

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aionsschutzschicht auftritt, der Schutzstroa automatisch erhöht und der neuen Situation angepaßt wird, so wie dies grundsatzlich von großen Objekten, a.D. bein kathodischen Korrosionsschutz von Schiffs rümpfen bekannt i3t. Ferner wird durch die unmittelbare Zuordnung der Frexadstrornanode zum Heizelement die Wirkung össelben als kathodischer Bereich weitestgehend neutralisiert, so äaä die Sauerstoff abscheidung in dlesec. Bereich kompensiert wird und folglich kein zusätzliches Oxydationsmittel mehr in diesem Bereich auftretende Fehlstellen in der passiven Korrosionsschutsschicht besonders korrosionsgefährden kann.

besonders vorteilhafte Ausbildung ergibt sich oei Vorsehung eines in allgemeinen verwendeten, sich horizontal la) unteren Bereich des Berhälter erstreckenden, im wesentlichen U-fö riaige η elektrischen Heizelementes, wenn die FremcistrojBanode etwas oberhalb des U-förmigen Heize le rentes senkrecht zu dessen Schenkeln angeordnet ist.

Ein noch besseres gleichmäßigeres Potential kann in gesamten Behälter eingestellt werden, wenn man auch, ixa oberen Bereich des Behälters noch eine Premds tropan ode- anordnet, die über die gleiche Bezugselektrode und den gleichen Potentiostaten gesteuert wird.

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Bei Verwendung einer Bezugselektrode aus Ag/AgCL l3t es besonders vorteilhaft, die Bezugselektrode irJ-t einer ε tr3mungs verhindern de η Umhüllung zu umgeben, um zu vermeiden, das sich' das Silberchlorid in verhältnismäßig kurzer Zeit auflöst und die Elektrode damit unbrauchbar wird j was,- wie sich gezeigt hat, besonders dann auftritt, wenn die Elektrode von frischem Wasser umströmt wird. Wenn dagegen die Elektrode aufgrund der erfindungsgen&ß vorgeschlagenen Maßnahme von ruhendem Wasser umgeben ist', kann das Silberchlorid praktisch nur- noch durch Diffusion in Lösung gehen, wodurch sich, eine wesentlich erhöhte Lebensdauer ergibt.

Als Umhüllung kann nan dabei ein am freien Ende offenes Rohr mit geschlossener F.antel fläche verwenden oder einen stirnseitig geschlossenen teilweise oder allseitig porösen Mantel, z.B. ein gelochtes Rohr oder ein aus poröser Keramik gebildetes Bohr.

Die Erfindung 1st nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise n£her erläutert. Diese zeigt in scheinst is eier Darstellung in

Fig 1. einen Wasserbehälter gemäß, der Erfindung in Seitenansicht und in

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie I-I der Pig. I.

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Ein WasaerbehSlter 1 let in seinem unteren Bereich einen Heizflansch 2 jait einem in wesentlichen U-fÜrui-&en Heizelement 3 ausgerüstet.

Etwas oberhalb dieses ü~förisigen Heizelementes 3 ist senkrecht su dessen Schenl^n verlaufend eine FressdstroniEnode 4 engeordnet, sowie ferner im benachbarten Bereich eine Bezugselektrode 5, die beide Kit einen Potentiostaten 6 verbunden sind, der in ^rundö ätz lieh bekannter Weise das optimale Potential irc Behälter einsteuert. Der Behälter 1 und der Kciz·flansch 2 ßind hierbei εεerdet und als Kefcelektrode (-estaltet, v?cbei ihr Potential ne/ienüber der Bezugselektrode 5 durch den Potenticstaten o'geßteuert wird. Leτ Behälter 1 ist innen iuit einer nicht näher gezeigten passiven iiorros ions schicht aus Enaille versehen.

Unter einen vie vorstehend benannten Potentiostaten wird ein Rejrel^erät verstanden, das die Aufns.be hat, die tfeßelektroae einer elektrochemischen Zelle zu? einem konstanten, mit Sollspannungsgeber einstellbaren Potential gegenüber einer 3ezucselektrode eu halten- Hierzu verstärkt der Potentiostat eine sehr kleine Abweichung des Potentials der Keßelektrsde von tier Sollspannung und regelt d&rrdt den durch die Zelle zwischen J*e£elektrode und Gegenelektrode fließenden Strcia.

Dieses Wirkungsprlnzip wird auf den vorliegendan FsIl dee kathodischen Korrosionsschutzes mit Freuidstros übertragen und zvar wird mit Hilfe des Potentiostaten ß und der Bezugselektrode 5_t c.B. aus itj/AsCL, dem die

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Keßelektrode bildenden zu schützenden Gegenstand, r.finlich dera Wasserbehälter 1, ein derart negatlvos Potential aufgezwungen, daß eine Korrosion verhindert wird und möglichst wenig Wasserstoffentwicklung auftritt. Weicht das Potential des Behälters i von der vorgegebenen Sollspannung üb, verstärkt der Potentiostat diese kleine Abweichung und regelt daait den durch die Anordnung zwischen dem Behälter 1 und der Frendstronancda U fließenden Strom derart, daß die Spannung ih-..ren konstanten Wert behält. Durch das derart fest vorgegebene Potential wird ein iCorroöionsschutz dauernd gewährleistet, die unerwünschte Wasserstoffentwicklung weitgehend verhindert und durch die potentiostatische Schaltung der Strom jeweils gerade in der Höhe eingeregelt» wie er für den Korrosionsschutz benötigt airdj so daS ein unnötiger Stromverbrauch vermieden wird.

Ein für einen Haüshaltswarmwasserbehälter von ca. 80 Pas3ungaverja3gen erforderlicher Potentioatat baeteht im wesentlichen aus einem Trafo 220/2 χ l8V, einem Gleichrichter- und Stabiliaierungsteil, bestehend aus Gleichrichtern, Zener-Diodan_f Transistoren, Kondensatoren und Widerständen, einea sogenannten Sollapannungsgeber, bestehend &us Diodan, Widerständen und Potentiometern, einea Differential- und. Vorverstärker als integriertes E lenient (IC) und aus zwei Trans ist o-

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ren als Leistungsverstärker!! in der Endstufe. Die Einzelheiten einä3 aolchen Potentiostaten bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung und sind daher auch nicht näher beschrieben.

Um den potentiostatischen kathodiechen Sorrosions3chuts an suit Frischwasser beaufschlagten yarmvasserbehältern über lange Zeit aufrechterhalten zu können, mu8> eine Bezugselektrode verwendet werden, welche in Trinkwasser ein praktisch konstantes Potential besitst, das wenig temperaturabhängig iat. Ferner mu£> die betreffende Elektrode eine κδglichst lange Lebensdauer beeitzen. Hierzu ist eine Silber/Silberchlorld-Besugselöktrode besonders geeignet· Diese besteht aus einem Silberdreht, auf welchem auf elektrochemischen Weg eine Silbercnloridschleht aufgebracht ißt. Dieser Draht taucht in eine Lösung mit bekannter Chloricnensktivität. Eine solche Anordnung hat ein sehr konstantes, reproduzierbares Potential, auch über lange Zeiten, welche3 eine verhältnismäßig geringe Temperatur abhängigkeit zeigt. Pis Lebensdauer einer in Wasser tauchenden Ag/AgCL-Elektrode hängt unter anderen von der Löslichkeit dea Silberchlorida in Wasser ab. Diese Löslichkeit let bei niederen Tansperaturen verhältnismäßig gering_t ninuat Jedoch bei Temperaturerhöhung stark zu. Sie beträgt bei 60° C (der Arbeite temperatur in einem noncalen Hausiialtswarmwaaaerbehälter) ca 7 2 10 ^J g pro Liter, d.h. xtsnn diese Elektrode direkt von frischem Wasser angeströmt »ird, wilrds sich des Silberchlorid in verh3.ltkurzer Seit auflösen und die Elektrode würde

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unbrauchbar.

Aus diesem Grund wird eine Bezugselektrode verwendet, die Kit einer strSmunssverhindernden Umhüllung versehen ist, derart, daß die eigentliche Elektrode von ruhendem Wasser umgeben Iat, so daS das Silberchlorid praktisch nur durch Diffusion in Lösung gehen kann. Beispielsweise kann man dabei einen mit Silberchlorld uberso^enen Silberstab in einer Kuriststoffunihiilluns von ca. 1 cn Innendurchmesser anordnen, die eoviel öffnungen von ca. 3 ran» Durchmesser aufweist, daß der gesamte Loehquer-

schnitt ca i cn beträgt. Als zusätzliche ströaungsverhindernde Kaßnahree kann die mit Öffnungen versehene Kunststoff umhüllung nochsala von einen einseitig offenen Kunststoffrohr mit geschlossener KanteIfleiche umgeben sein. Die ceöaiate Anordnung i3t In den WannwasserbehSLltör einschraubbar· Die durchgeführten Rechnungen zeilen _t üaä In dieses Fall bei einem Diffusionsquerschnitt von 1 cm und einesi Diffus ions weg von 1 c*n bei einen ancenomr:

-ς οι² riffuslonskoeffizleten von 10 ^ §fö für Silberchlorld In etwa 10 Jahren sich nur $0 - 50 ing Silberchlorid auflösen würden» Da die auf dem Silberdraht abgeseniede-ns Menge Silberchlorid etwa 1 g beträgt, ergibt sich unter den angegebenen Bedinsungen für eine solche Elektrode eine ausreichende Lebensdauer.

Natürlich ist das beschriebene Ausführunssbeispiel In vielfacner V/eise abzuändern, ohne den Grundgedanken

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der Erfindung zu verlassen. So könnte, wie vorstehend schon erwähnt, auch im oberen Bereich des Behälters noch eine ausStsIiehe Frernestromenode vorgesehen sein, die über die gleiche Beaugeelektrode und den gleichen Fotentiostaten gesteuert wird, womit der Vorteil verbunden ist, daß ein noch gleichmäßigeres Potential aber den ganzen Behälter einstellbar ist.

Ansprüche :

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Claims

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1. Wasserbehälter isit in dessen unterem Bereich angeordneter elektrischen Heizalenu&nt und einer en der Innenwandung vorgesehenen passiven Korrcsionsschutaschicht, vorzugsweise aus Erseille, und mit einen kathodischen Korro-

• sion&scbuta bewirkenden freniistroEbeauischlagten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mit-' ' tela eines an sich bekannten Potentiostaten (6) und einer ebenfalls an sich bekannten Bezugselektrode (5) auf ein optimales Potential einsteuerber sind und dafl mindestens

, eine Fresxdstroisanode {4) in dar üäho des Heisselesnentes (3) angeordet ist« -

. 2* a as s erbe hit It er noch Anspruch I, mit ebnest im wesentlichen . U~£5rinigen elektrischen Heiselecsnfc, dadurch gekeianseichnet, daS öla FremdstroHisiiode (4) etwas oberhalb das üförisigsn Heiseleisöates (5) senkrtücht su dessen Schenkeln verlaufend angecrdnet iefc.

3» Kasserbeh&lter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, ÖS.& eine weiter© Preindstromanode im oberen Bereich öes Behälters engeordnet ißt.

%. Wasserbehälter nach Anspruch 1 oder eineis der folgenden

ffiifc einer Bezugselektrode aus Ag/AgCL, dadurch gakenn- -_ zeichnet, as& die Becugselektrode (5) von einsr ströiaungsverhindernden OashUllung umgjshen ist.

- ORIGINALiNSPECTEP

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5. Wasserbehälter nach Anspnch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die umhüllung von einem am freien Ende offenen Rohr mit geschlossener Mantelfläche gebildet ist.

6. Wasserbehälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung von einem stirnseitig geschlossenen, teilweise oder allseitig por3sen Kantel gebildet ist.

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