DE102020103050A1

DE102020103050A1 - Kathodisches Korrosionsschutzsystem für einen Warmwasserspeicher

Info

Publication number: DE102020103050A1
Application number: DE102020103050.9A
Authority: DE
Inventors: Philipp Kronenberg; Ralf-Rainer Nolte
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2020-02-06
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2021-08-12

Abstract

Kathodisches Korrosionsschutzsystem für einen Warmwasserspeicher, das wenigstens eine Gleichspannungsquelle und eine Fremdstromanode umfasst, welche an einer metallischen Behälterwand des Warmwasserspeichers elektrisch isoliert angebracht ist, wobei zwischen der Fremdstromanode und der Behälterwand ein Fremdanoden-Stromkreis mit einer Gleichspannungsquelle ausgebildet ist,- dass zusätzlich zu der Fremdstromanode wenigstens eine Opferanode vorgesehen ist, die elektrisch isoliert an der Behälterwand angebracht ist und- dass mittels wenigstens einer Schalteinrichtung- ein Opferanoden-Stromkreis zwischen der Behälterwand und der Opferanode und/oder der Fremdanoden-Stromkreis zwischen der Behälterwand, der Gleichspannungsquelle und der Fremdanode ein- oder ausschaltbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kathodisches Korrosionsschutzsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Um Warmwasserspeicher mit einem emailliertem Stahlbehälter vor Korrosion zu schützen, ist in der Regel ein kathodischer Korrosionsschutz vorgesehen. Es können dafür Magnesium-Schutzanoden, sogenannte Opferanoden, oder auch Fremdstrom-Anoden-Systeme eingesetzt werden. Opferanoden benötigen keine zusätzlichen Einrichtungen und funktionieren ohne Fremdspannungsquelle. Sie werden durch elektrochemische Reaktionen mit zunehmender Betriebsdauer abgebaut, so dass ein notwendiger Austausch rechtzeitig erkannt und vorgenommen werden muss. Bei Fremdstromanodensystemen wird zwischen Fremdstromanode und Behälter eine Kleinspannung angelegt, so dass sich an der Behälterwand ein elektrisches Schutzpotenzial aufbaut. Fremdstromsysteme funktionieren zwar grundsätzlich verschleißfrei, jedoch sind sie unwirksam, wenn die Stromversorgung unterbrochen ist oder wenn sich Ablagerungen auf der Fremdstromanode bilden, die deren Wirksamkeit im kathodischen Schutzsystem herabsetzen oder aufheben. Der Stromausfall kann insbesondere bei abgelegenen und nicht dauerhaft bewohnten Objekten eine Rolle spielen, insbesondere wenn ein Fremdstrom-Schutzsystem über eine Photovoltaikanlage versorgt wird.
Da bei Versagen des kathodischen Korrosionsschutzes schon nach wenigen Tagen Korrosionserscheinungen am Stahlbehälter auftreten können, ist es die Aufgabe der Erfindung, die Sicherheit vor einem Ausfall des kathodischen Korrosionsschutzes an einem Warmwasserspeicher zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch ein kathodisches Korrosionsschutzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung basiert in allen Ausführungsformen auf einem redundanten Zwei-Anoden-Konzept. Am Warmwasserspeicher sind sowohl eine Opferanode wie auch eine Fremdstromanode mit zugehöriger Gleichspannungsquelle vorgesehen. Beide Korrosionsschutzanoden sind von der Behälterwand elektrisch isoliert eingebaut und nur über eine Steuerungseinheit mit dieser elektrisch zu verbinden. Dabei ist immer nur eines der beiden Korrosionsschutzsysteme aktiv. Wird der Korrosionsschutz über die Fremdstromanode sichergestellt, so wird die die elektrische Verbindung zwischen der isoliert eingebauten Opferanode und dem Behälter unterbrochen. Wird der Korrosionsschutz hingegen über die Opferanode sichergestellt, so wird die elektrische Verbindung zwischen der Gleichspannungsquelle und der Fremdstromanode unterbrochen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Element zur Unterbrechung der elektrischen Verbindung der Opferanode vorzugsweise im stromlosen Zustand geschlossen und die Schalteinrichtung im Fremdstromanoden-Stromkreis geöffnet. Die Standardbetriebsart sieht in diesem Fall vor, die Opferanode elektrisch abzutrennen und die Fremdstromanode mit der Gleichspannungsquelle zu verbinden. Fällt die Versorgungsspannung aus, fallen die Schaltelemente automatisch in ihre jeweilige stromlose Ausgangslage zurück, wodurch die Betriebsart automatisch gewechselt wird. Dadurch kann der Korrosionsschutz auch im Fall eines Stromausfalls oder ähnlichem sichergestellt werden.
Es kann auch der umgekehrte Fall vorgesehen sein, so dass die primäre Absicherung über die Opferanode erfolgt und ein Fremdstromkreis nur dann eingeschaltet wird, wenn die Opferanode verbraucht ist.
Dazu besitzt bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung die Opferanode vorzugsweise einen Hohlraum, der mit einem Sensor und einem Schaltelement verbunden ist, das durch Wasserkontakt und/oder Wasserdruck auslöst. Sobald der Verschleiß soweit fortgeschritten ist, dass sich der Mantel der Opferanode zersetzt hat, wird der Hohlraum geflutet und ein elektrischer Schalter durch den Wasserdruck oder Wasserkontakt betätigt. Dadurch kommt es zur Unterbrechung des Opferanoden-Stromkreises und zur Schließung des Fremdstromanoden-Stromkreises und/oder zur Einschaltung der Gleichstromquelle bei geschlossenem Fremdstromkreis.
Die Steuerungseinheit umfasst nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zusätzlich eine Potenzialmessvorrichtung, mit der das Schutzpotenzial im Behälter erfasst werden kann. Die dazu erforderliche geregelte Gleichspannungsquelle ist zum Einprägen eines Fremdstrom-Schutzpotenzials ohnehin vorhanden. Über die an die Fremdstromanode angeschlossene Potenzialmessvorrichtung wird zyklisch das Schutzpotenzial im Behälter erfasst.
In der Opferanoden-Betriebsart wird die elektrische Verbindung zwischen Opferanode und Behälterwand kurzzeitig für eine stromlose Potenzialmessung kurzzeitig getrennt. Anhand des dabei erfassten Schutzpotenzials kann auf den Verbrauchszustand der Opferanode zurückgeschlossen werden. Dieser Verbrauchzustand kann dem Benutzer über ein Bedienteil oder eine drahtlose Schnittstelle angezeigt werden und/oder zu regelungstechnischen Zwecken eingesetzt werden.
In einem anderen Betriebsmodus des Warmwasserspeichers ist die Schalteinrichtung zwischen Fremdstromanode und Gleichspannungsquelle geschlossen und die Fremdstromanode ist aktiv. In diesem Betriebszustand ist die Opferanode dauerhaft über die Schalteinrichtung vom Behälter getrennt. Über die Potenzialmessvorrichtung wird das Schutzpotenzial im Behälter zyklisch erfasst; hierfür wird die elektrische Verbindung zwischen Gleichspannungsquelle und Behälterwand kurzzeitig unterbrochen. Das erfasste Potenzial wird zur Regelung der Gleichspannungsquelle eingesetzt; dadurch kann im Fremdstromanodenbetrieb ein optimales Schutzpotenzial gewährleistet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1 ein kathodisches Korrosionsschutzsystem nach einer ersten Ausführungsform;
2 ein kathodisches Korrosionsschutzsystem nach einer zweiten Ausführungsform und
3 ein kathodisches Korrosionsschutzsystem nach einer dritten Ausführungsform.

1 zeigt ein kathodisches Korrosionsschutzsystem 100 für einen Warmwasserspeicher 10 nach einer ersten Ausführungsform. Im Bodenbereich des Warmwasserspeichers 10 ist ein Heizelement 12 angeordnet. An einer metallischen Behälterwand 11 sind im Bodenbereich außerdem eine Fremdstromanode 21 und eine metallische Opferanode 22 angebracht, und zwar jeweils in Fassungen 26, 27, durch welche die Anoden 21, 22 von der metallischen Behälterwand 11 elektrisch isoliert angebracht sind. Die Opferanode 22 besteht beispielsweise aus Magnesium.
Die Fremdstromanode 21 und die Behälterwand 11 sind mit einer Steuerungseinheit 30 verbunden, wobei die Steuerungseinheit 30 zumindest eine Gleichspannungsquelle 31 enthält oder damit verbunden ist. Optional kann ein Anzeige- und Bediengerät 35 integriert oder als eigene Einheit vorgesehen sein.
Die Behälterwand 11 ist über eine Masseleitung 24 mit der Steuerungseinheit 30 verbunden. Diese wiederum ist über eine Leitung 23 mit der Fremdstromanode 21 verbunden. Die Leitung 23 ist über einen als Schließer ausgebildeten Membranschalter zunächst unterbrochen. Außerdem besteht eine elektrische Verbindung zwischen der Behälterwand 11 und der Opferanode 22 über einen weiteren, als Öffner ausgebildeten Schalter 29. Die beiden Schalter 28, 29 und die Opferanode 22 sind mit einer im Inneren der hohl ausgebildeten Opferanode 22 angeordneten Membran mechanisch gekoppelt bzw. direkt in den Hohlraum integriert. Sobald die Opferanode soweit zersetzt ist, dass sie porös wird und Wasser in den Hohlraum eindringt, wirkt der Druck der Wassersäule im Warmwasserspeicher 10 auf die Membran und verschiebt diese, wodurch der Schließer-Schalter 28 betätigt werden. Dadurch wird der Stromkreis für die Fremdstromanode 21 geschlossen, so dass diese mit der Gleichspannungsquelle 31 verbunden wird. Zugleich wird auch der Öffner-Schalter 29 betätigt, so dass der Opferanoden-Stromkreis unterbrochen und die Opferanode 22 wirkungslos wird.
Somit erfolgt bei dem kathodischen Schutzsystem 100 nach der ersten Ausführungsform im Falle eines fortgeschrittenen Verschleißes der Opferanode eine selbsttätige Umschaltung vom Opferanodenbetrieb auf den Fremdstromanodenbetrieb.
2 zeigt ein kathodisches Korrosionsschutzsystem 100' für einen Warmwasserspeicher 10 nach einer zweiten Ausführungsform. Die Anordnung des Heizelements 12, der Fremdstromanode 21 und der Opferanode 22 mit Membran und Schalter 28 am Warmwasserspeicher 10 stimmt mit der ersten Ausführungsform überein. In der Steuerungseinheit 30' ist auch zumindest eine Gleichspannungsquelle vorgesehen oder eine solche ist damit verbunden. Die Ausbildung der Stromkreise und einer Steuerungseinheit 30' ist jedoch unterschiedlich zur ersten Ausführungsform. Es sind insgesamt sechs Leitungen vorgesehen:

- Die Fremdstromanode 21 ist über eine Leitung 23.1 mit der Steuerungseinheit 30' verbunden. Zu deren Stromkreis gehört eine mit der Behälterwand 11 verbundene Masseleitung 24.1. Der Stromkreis kann innerhalb der Steuerungseinheit 30' geschlossen werden, um die Fremdstromanode 21 mit der Gleichspannungsquelle zu verbinden.
- Die Opferanode 22 ist über eine Leitung 23.2 mit der Steuerungseinheit 30' verbunden. Zu deren Stromkreis gehört eine zusätzliche, ebenfalls mit der Behälterwand 11 verbundene Masseleitung 24.2.
- Der Schließer-Schalter 28 am Membran-Schalter der Opferanode 22 besitzt mit den Leitungen 23.3, 24.3 zwei eigene Anschlüsse an die Steuerungseinheit 30'.

Auch bei dieser Ausführungsform ist zunächst eine Betriebsweise vorgesehen, bei der der kathodische Schutz zunächst über die Opferanode 22 bewirkt wird. Eine zwangsweise Betriebsartumschaltung auf die Fremdstromanode 21 kann, ebenso wie bei der ersten Ausführungsform, bei Defekt der Opferanode 22 über den Membranschalter 28 erfolgen, wobei dann in diesem Ausführungsbeispiel die Umschaltung aber nicht direkt, sondern über die Steuerungseinheit 30' erfolgt. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt zum einen darin, dass alle Leitungen in der Steuerungseinheit 30' zusammengeführt sind. Diese kann so ausgebildet bzw. programmiert werden, dass bei Stromausfall automatisch der Opferanoden-Stromkreis über die Leitungen 23.2, 24.2 geschlossen wird, so dass trotz Stromausfalls der kathodische Korrosionsschutz weiterhin gewährleistet ist.
Außerdem kann bei dieser Ausführungsform über die Leitungen 23.2, 24.2 und mittels der Opferanode 22 eine Potenzialmessung in dem mit Wasser gefüllten Warmwasserspeicher 10 ausgeführt werden. Die Fremdstromanode 21 bleibt dabei vorübergehend von der Gleichspannungsquelle getrennt, und der Umschaltstromkreis mit den Leitungen 23.3, 24.3 und dem Schalter 28 ist ohnehin zunächst ohne Funktion. Mit der Potenzialmessung kann z. B. das Schutzpotenzial im gesamten System des Warmwasserspeichers 10 und darüber auch der Zustand der Opferanode 22 bestimmt werden, bevor ein vollständiges Versagen eintritt. So kann beispielsweise eine Passivierung der Opferanodenoberfläche erfasst werden. Selbst wenn bereits Wasser in den Hohlraum der Opferanode 22 eingedrungen sein sollte und der Membranschalter 28 ausgelöst hat, kann der Fremdstromanoden-Stromkreis in der Steuerungseinheit 30' kurzzeitig unterbrochen werden, um eine Potenzialmessung durchzuführen, denn möglicherweise ist die Opferanode 22 doch noch weiter brauchbar, und der Wassereintritt nur auf einen kleineren Riss zurückzuführen.
Bei einer dritten Ausführungsform eines kathodischen Korrosionsschutzsystems 100", die in 3 dargestellt ist, ist eine Heizeinrichtung 12" zwischen der Fremdstromanode 21 und einer Opferanode 22" angeordnet. Die Opferanode 22" besitzt in diesem Fall keinen Membranschalter; die Umschaltungen zwischen dem Korrosionsschutz durch die Opferanode 22" oder durch die Fremdstromanode 21 wird nur durch die Steuerungseinheit 30" vorgenommen. Ein Stromkreis, der die Leitungen 23, 24, die Fremdstromanode 21, die Gleichspannungsquelle 31" in der Steuerungseinheit 30" und die Behälterwand 11 umfasst, kann durch eine innerhalb der Steuerungseinheit 30" vorgesehene elektrische Schalteinrichtung 32" geschlossen werden. Dadurch wird die Betriebsart „kathodischer Korrosionsschutz durch Fremdstrom“ aktiv.
Die Opferanode 22" ist über eine Leitung 25 mit der Steuerungseinheit 30 verbunden. Über eine weitere Schalteinrichtung 33" in der Steuerungseinheit 30 kann ein Opferanoden-Stromkreis zwischen der Behälterwand 11 und der Opferanode 22" geschlossen werden, um eine Potenzialmessung im Warmwasserspeicher 10 durchführen zu können.
Die Schalteinrichtungen 32", 33" können miteinander gekoppelt sein, z. B. indem sie in einem mehrpoligen Relais zusammengefasst sind. Dabei kann eine Zwangsumschaltung vorgesehen sein, so dass mit dem Schließen des einen Stromkreises zugleich der andere unterbrochen wird.
Eine Ausnahme von einer solchen EXKLUSIV-ODER-Logik der beiden Stromkreise ist nur dann geboten, wenn die Steuerungseinheit 30" zusätzlich noch die Potenzialmessvorrichtung 34" enthält und das Korrosionsschutzsystem 100 primär mit der Fremdstromanode 21 betrieben wird. In diesem Fall ist die Opferanode 22" ohnehin elektrisch getrennt, aber es muss, wie oben beschrieben, auch eine gleichzeitige Unterbrechung des Fremdanoden-Stromkreises möglich sein, um das Schutzpotenzial im Wasserbehälter 10 messen zu können.

Claims

Kathodisches Korrosionsschutzsystem (100; 100'; 100'') für einen Warmwasserspeicher (10), das wenigstens eine Gleichspannungsquelle (31; 31'') und eine Fremdstromanode (21; 21'') umfasst, welche an einer metallischen Behälterwand (11) des Warmwasserspeichers (10) elektrisch isoliert angebracht ist, wobei zwischen der Fremdstromanode (21; 21'') und der Behälterwand (11) ein Fremdanoden-Stromkreis mit einer Gleichspannungsquelle (31, 31'') ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, - dass zusätzlich zu der Fremdstromanode (21; 21'') wenigstens eine Opferanode (22; 22'') vorgesehen ist, die elektrisch isoliert an der Behälterwand (11) angebracht ist und - dass mittels wenigstens einer Schalteinrichtung (28, 29; 31'', 32'') - ein Opferanoden-Stromkreis zwischen der Behälterwand (11) und der Opferanode (22; 22'') - und/oder der Fremdanoden-Stromkreis zwischen der Behälterwand (11), der Gleichspannungsquelle (31, 31'') und der Fremdanode (21; 21'') ein- oder ausschaltbar sind.
Kathodisches Korrosionsschutzsystem (100; 100') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Opferanode (22) einen Hohlraum enthält, in welchem ein durch Wassereintritt betätigbarer Membranschalter angeordnet ist.
Kathodisches Korrosionsschutzsystem (100; 100') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Öffner-Schalters (29, 31") der Opferanoden-Stromkreis zu öffnen ist und mittels eines Schließer-Schalters (29; 32") der Fremdanoden-Stromkreis zu schließen ist.
Korrosionsschutzsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung eine Umschalteinrichtung ist, die entweder den Opferanoden-Stromkreis oder den Fremdanoden-Stromkreis schließt und den jeweils anderen Stromkreis öffnet.
Kathodisches Korrosionsschutzsystem (100') nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fremdstromanoden-Stromkreis, der Opferanoden-Stromkreis und der Membranschalter (28) jeweils zweipolig an die Steuerungseinheit (30') angeschlossen sind.
Kathodisches Korrosionsschutzsystem (100") nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fremdstromanoden-Stromkreis mit einer mit der Behälterwand (11) verbundenen Masseleitung (24) und einer Leitung (23) zweipolig an die Steuerungseinheit (30") angeschlossen sind und dass die Opferanode (22") über eine Leitung (25) mit der Steuerungseinheit (30") verbunden ist, welche die Schalteinrichtungen (31", 32") enthält.
Korrosionsschutzsystem (100") nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Potenzialmessvorrichtung (34"), die im Fremdanoden-Stromkreis angeordnet ist und die zur Unterbrechung beider Stromkreise während der Potenzialmessung mit den Schalteinrichtungen (31", 32") gekoppelt ist.