DE2605089B2

DE2605089B2 - Wasserbehaelter mit elektrischem heizelement und kathodischem korrosionsschutz

Info

Publication number: DE2605089B2
Application number: DE19762605089
Authority: DE
Inventors: Hans Prof. Dr.; Holzäpfel Günter Dr.; 4600 Dortmund Rickert
Original assignee: Vereinigte Elektrizitätswerke Westfalen AG, 4600 Dortmund
Priority date: 1976-02-10
Filing date: 1976-02-10
Publication date: 1977-12-22
Also published as: US4255647A; DE2605089C3; DE2605089A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserbehälter mit in dessen unterem Bereich angeordnetem elektrischen Heizelement und einer an der Innenwandung vorgesehenen passiven Korrosionsschicht und mit einen kathodischen Korrosionsschutz bewirkenden fremdstrombeaufschlagten Elektroden.

Warmwasserbehälter kleineren Inhalts, d. h. insbesondere für Haushaltszwecke, hat man bisher praktisch nur mit einer passiven Korrosionsschutzschicht, meister.s aus Emaille, sowie mit einer Opferanode aus Magnesium versehen, wobei man die Magnesiumanode meistens durch einen Stutzen von oben in den Behälter schraubt, während die elektrische Heizung über einen Flansch im unteren Teil angeordnet ist. In der Praxis hat es sich gezeigt, daß derartige Warmwasserbehälter schon nach wenigen Jahren durch Korrosion zerstört werden und zwar im unteren, d. h. das Heizelement aufnehmenden Bereich. Ausführliche Untersuchungen mit Hilfe von Potential- und Strommessungen haben ergeben, daß bei derartigen Warmwasserbehältern das untere Drittel dann nicht mehr kathodisch geschützt ist, wenn der Heizflansch nicht gege den Boiler isoliert ist, was aus elektrotechnischen Gründen meistens nicht der Fall ist. Die Verwendung von Magnesiumopferanoden hat noch weitere Nachteile, nämlich zunächst, daß eine Magnesiumanode eine beträchtliche Eigenkorrosion zeigt, wodurch sie oft schon nach wenigen Jahren völlig zerstört bzw. aufgebraucht ist. Ferner entwickelt sich an einer Magnesiumanode eine nicht unerhebliche Menge Wasserstoffgas, das mit Sauerstoff zu einer Knallgasmischung führt und damit gefährlich ist.

Bei größeren Behältern hat man daher bereits vorgeschlagen, anstelle von Magnesiumopferanoden frerndstrombeaufschlagte Elektroden, vor allem aus Aluminium, zu verwenden (»Handbuch des kathodischen Korrosionsschützes« v. Baeckmann-Schwenk, Verlag Chemie GmbH, 1971, Kapitel XVI, Seiten 330 u. 331), was jedoch deshalb noch zu keinem befriedigenden Ergebnis geführt hat, weil die dafür bisher verwendeten fremdstrombeaufschlagten Elektroden immer nur auf einen Strom eingestellt waren, so daß bei sich ändernden Bedingungen im Behälter, z. B. beim Auftreten einer zusätzlichen Schadstelle in der passsiven Korrosionsschutzschicht, das richtige Potential an der Behälterwand nicht mehr eingestellt ist. Außerdem bringen die bisherigen fremdstrombeaufschlagten Elektroden keine Lösung für das Problem der besonderen Korrosionsgefährdung im Bereich des Heizelements eines mit einem solchen ausgerüsteten Wasserbehälters. Die Schäden in diesem Bereich werden darauf zurückgeführt, dab die Flächen des Heizelements als kathodischer Bereich wirken, an dem Sauerstoff reduziert wird und damit als Oxydationsmittel wirksam werden kann, so daß in diesem Bereich etwa auftretende Fehlstellen in der passiven Korrosionsschutzschicht besonders korrosionsgefährdet sind.

Bekannt ist es weiterhin, bei großen Objekten, z. B. Rohrleitungssystemen und Schiffen (»Handbuch des kathodischen Korrosionsschutzes«, Kapitel Vl, Seiten 151-153), im Rahmen von Fremdstromschutzanlagen beim kathodischen Korrosionsschutz potentiostatisch regelnde Gleichstromquellen zu verwenden, derart, daß bei sich ändernden Verhältnissen, z. B. beim Einflußbereich von Gleichstrombahnen liegenden Rohrleitungen oder beim Auftreten einer Schadstelle in der passiven Korrosionsschutzschicht eines Schiffsrumpfes der Schutzstrom automatisch der normalen Situation angepaßt wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, welche mit vertretbarem wirtschaftlichen Aufwand für kleinere Warmwasserbehälter, insbesondere für Haushaltszwecke, eine wesentliche Langzeil-Verbesserung des Korrosionsschutzes, insbesondere im bisher vor allem gefährdeten unteren, das Heizelement aufweisenden Bereich erbringt.

Bei einem Wasserbehälter der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Elektroden mittels eines Potentiostaten und einer Bezugseleketrode auf ein optimales Potential einsteuerbar sind, und daß mindestens eine Fremdstromanode in der Nähe des Heizelements angeordnet ist.

Es hat sich gezeigt, daß durch eine derartige Ausbildung und Anordnung auch relativ kleine Warmwasserbehälter wider Erwarten mit relativ geringem Aufwand exakt potentiostatisch so geregelt und geschützt werden können, daß, sobald im Betrieb des Behälters eine Schadstelle in der passiven Korrosionsschutzschicht auftritt, der Schutzstrom automatisch erhöht und der neuen Situation angepaßt wird. Vor allem hat sich auch herausgestellt, daß durch die unmittelbare Zuordnung der i-remdstromanocie zum Heizelement die Wirkung desselben als kathodischer Bereich weitestgehend neutralisiert wird, so daß die Sauerstoffabscheidung in diesem Bereich kompensiert

wird und folglich keine Korrosionsgefahrdung an in diesem Bereich auftretenden Fehlstellen in der passiven Korrosionsschutzschicht mehr vorhanden ist, obschon ursprünglich gerade bei mit Heizelementen ausgerüsteten geschlossenen Behältern die bei freiliegenden , Flächen, wie Schiffsrümpfen und Rohrleitungen, nicht gegebene Befürchtung bestand, daß wegen der Entwicklung vr.-ii Wasserstoff insbesondere am Heizelement und der Entwicklung von Sauerstoff an einer frenulstrom.beaufschlagten Anode erhöhte Knallgasgefahr gegeben υ sein würde. Durch die gemäß der Erfindung erfolgende Einstellung eines optimalen Potentials ist aber die Wasserstoffentwicklung im Behälter in Wirklichkeit mich geringer als in einem mittels einer Magnesiumopferanode geschützten Behälter, so daß statt der ; -befürchteten Erhöhung der Kanalgasgefahr bei Verwendung einer Fremdstromanode tatsächlich durch die Erfindung eine wesentliche Reduzierung dieser Gefahr erreicht wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung ergibt sich bei :> > Vorsehung eines im allgemeinen verwendeten, sich norizontal im unteren Bereich des Behälters erstreckenden, im wesentlichen U-förmigen elektrischen Heizelementes, wenn die Fremdstromanode oberhalb des U-förmigen Heizelementes senkrecht zu dessen Sehen- ;* kein .ingeordnet ist.

Ein noch besseres gleichmaßigeres Potential kann im gesamten Behälter eingestellt werden, wenn man auch •ni oberen Bereich des Behälters noch eine Fremd-Mromanode anordnet, die über die gleiche Be/ugselek- ;·■ '.rode und den gleichen Poteiuiostaten gesteuert wird.

Bei Verwendung einer Bezugselektrode aus Ag/AgCi is-, os besonders vorteilhaft, die Bezugselektrode mit einer s'.rb;,iungsverhmdernden Umhüllung zu umgeben. u'n .'u vermeiden, daß sich das Silberchloric in \ erhältmsmäi.iig kurzer Zeh auflöst und die Elektrode damit unbrauchbar wird. was. wie sich gezeigt hai. besonders dann auftritt, wenn die Elektrode von h !schein NV asser umströmt wird. Wenn dagegen die Elektrode aufgrund der erfindungsgemäß vorgeschiage- ·., r.en Maßnahme von ruhendem Wasser umgeben ist. kann das Silberchlorid praktisch nur noch durch Diffusion ir. Lösung gehen, wodurch sich eine wesentlich erhöhte Lebensdauer ergibt.

Ah Umhüllung kann man dabei ein am freien linde ■; ■ ,-iiepcs Roh¹.¹ mit geschlossener Mantelfläche verwenden oder einen stirnseitig geschlossenen teilweise oder .;i.se:tic porösen Mantel. z. B. ein gelochtes Rohr oder er. ,uis poröser Keramik gebildetes Ruhr.

Die Frfindimg ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese ic.g.\ in schem.v.iheiu'-r Darstellung ir

Γ ; _?:. : e^:nen Wasserbehälter gemäß der Erfindung m Seitenansicht und in

!■ ; c. 2 einer, Schnitt kings der Linie A- A der E \ f.. \.

t^;!r \λ asserbchälter 1 ist in seinem untere- Bereich •.■V. einem Hci.'flansch 2 mit einem im wesentlicher, U-icrmige:·, Heizelement λ ausgerüstet.

! '.v. as oberhalb dieses U-iorrr.ige:; Hctzeiements i ;s', senkrecht .",: CiCssen Schenkeln \criauienci emc Hem,..· s'.romanocie 4 ,ingeordne;, sowie ferner irn henachiv.r '.en Bereich eine Bezugselektrode 5. die beide mit einen: roientiosLuen b verbunden sind, der in grundsätzlich bekannte. V* eise das optimale Potent:.:, im Rchäiici einsteuert. Der Behälter 1 und eier Heizfiansch 2 sind merbei geercici und als Mciielektrode gestaltet, wöbe, i:u Potentia': gegenüber eier Bezugselektrode 5 durch ölen Poientiostaten ti gcsteuer' wird Der Behälter 1 is" innen mit einer nicht näher gezeigten passiven Korrosionsschicht aus Emaille versehen.

Unter einem wie vorstehend benannten Potentiostaten wird ein Regelgerät verstanden, das die Aufgabe hat. die Meßelektrode einer elektrochemischen Zelle auf einem konstanten, mit Sollspannungsgeber einstellbaren Potential gegenüber einer Bezugselektrode zu !.alten. Hierzu verstärkt der Potentiostat eine sehr ■ 'ine Abweichung des Potentials der Meßelektrode von der Sollspannung und regelt damit den durch die Zelle zwischen Meßelektrode und Gegenelektrode fließenden Strom.

Dieses Wirkungsprinz.ip wird auf den vorliegenden Fall des kathodischen Korrosionsschutzes mit Fremdstrom übertragen und zwar wird mit Hilfe des Potentiostaten 6 und der Bezugselektrode 5, z. B. aus Ag/AgCI, dem die Meßelektrode bildenden zu schützenden Gegenstand, nämlich äem Wasserbehälter 1, ein derart negatives Potential aufgezwungen, daß eine Korrosion verhindert wird und möglichst wenig Wasserstoffentwicklung auftritt. Weicht das Potential des Behälters 1 von der vorgegebenen Sollspannung ab, \ erstarkt der Potentiostat diese kleine Abweichung und regelt damit den durch die Anordnung zwischen dem Behälter 1 und der Fremdsiromanode 4 fließenden Strom derart, daß die Spannung ihren konstanten Wert behält. Durch das derart fest vorgegebene Potential wird ein Korrosionsschutz dauernd gewährleistet, die unerwünschte Wasserstoffentw icklung weitgehend verhindert und durch die potentiostatische Schaltung der Strom jeweils gerade in der Höhe eingeregelt, wie er für den Korrosionsschutz benötigt wird, so daß ein unnötiger Stromverbrauch vermieden wird.

Em für einen Haushaltswarmwasserbehälter von ca. 801 Fassungsvermögen erforderlicher Potentiostat besteht im wesentlichen aus einem Trafo 220/2 χ ISN. einem Gleichrichter- und Stabilisierungstcil. bestehend .ms Gleichrichtern. Zener-Dioden. Transistoren, Kondensatoren und Widerständen, einem sogenannten Sollspannungsgeber, bestehend aus Dioden. Widerständen und Potentiometern, einem Differential- und Wirverstärker als integriertes Element (ICl und aus zwei Transistoren als Leistungsverstärkern in der F.ndstuie. Die Einzelheiten eines solchen Poientiostaten bilden keinen Teil der \erliegender. Erfindung und sind daher auch mehl näher beschrieben.

Um den potentiostatischen kiuhodischer. Korrosionsschutz a;' mit Frischwasser beaufschlagten Wa.'mwasserrx-ruil'.ern über lange Zeit aufrechterhalten zn Können, nuii? eine Bezugselektrode verwende; werden. weiche ή Trinkwasser em praktisch konstantes Potentui besK.M. das wenig \emperatur.ibhancic .>t. i-erner muß die betreffende Elektrode eine mögiichs: Uiρ,ce Lebensdauer besitze!*;. H;e;v;i ist emc Silber S_:;-l'c rc !liorid-Be;· ui* se ie Kt rode besonder.- geeignet. Diese besteh: aus einem Süberc.r;;;::. auf ueicneir, .:..; cicNtrochemischcn V. ec emc Siibereh'oriclschicr.·. ?.J.· Diese:¹ Draht \i.w:.\ :" eine Lösung nv;

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rriäitnismaß¹.·: Die LebensM^r.g; unter rAnde-e:-: ν on der Losiieriker. des S:!beroh!onds :n Wasser ab Diese Lo>'.ic:u.c^:'. im bei niederen Temperatiire:· \ erh.-:!;n;s;nä£y:g gennc. nimm; jedoch bei Tempera:;.rerhönung s;ar'k .m Sie betrag; bei oO C (eier •\rbcitstenu¹era;.:r .;* eine:": no'niaien Vtausnaits-

warmwasserbehälter) ca. 7 χ 10~^Jg pro Liter, d.h. wenn diese Elektrode direkt von frischem Wasser angeströmt wird, würde sich das Silberchlorid in verhältnismäßig kurzer Zeit auflösen und die Elektrode würde unbrauchbar.

Aus diesem Grund wird eine Bezugselektrode verwendet, die mit einer strömungsverhindernden Umhüllung versehen ist, derart, daß die eigentliche Elektrode von ruhendem Wasser umgeben ist, so daß das Silberchlorid praktisch nur durch Diffusion in Lösung gehen kann. Beispielsweise kann man dabei einen mit Silberchlorid überzogenen Silberstab in einer Kunststoffumhüllung von ca. 1 cm Innendurchmesser anordnen, die soviel öffnungen von ca. 3 mm Durchmesser aufweist, daß der gesamte Lochquerschnitt ca. lern² beträgt. Als zusätzliche strömungsverhindernde Maßnahme kann die mit öffnungen versehene Kunststoffumhüllung nochmals von einem einseitig offenen Kunststoffrohr mit geschlossener Mantelfläche umgeben sein. Die gesamte Anordnung ist in der Warmwasserbehälter einschraubbar. Die durchgeführ ten Rechnungen zeigen, daß in diesem Fall bei einerr Diffusionsquerschnitt von 1 cm² und einem Diffusions ■3 weg von 1 cm bei einem angenommenen Diffusionsko

effizienten von ΙΟ"⁵-"¹ für Silberchlorid in etwa K see

Jahren sich nur 30 —50 mg Silberchlorid auflöser würden. Da die auf dem Silberdraht abgeschiedene

ίο Menge Silberchlorid etwal g beträgt, ergibt sich untei den angegebenen Bedingungen für eine solche Elektro de eine ausreichende Lebensdauer.

Es könnte, wie vorstehend schon erwähnt, auch irr oberen Bereich des Behälters noch eine zusätzlicht

ι ■) Fremdstromanode vorgesehen sein, die über die gleicht Bezugselektrode und den gleichen Potentiostater gesteuert wird, womit der Vorteil verbunden ist, daß eir noch gleichmäßigeres Potential über den ganzer Behälter einstellbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wasserbehälter mit indessen unterem Bereich angeordnetem elektrischen Heizelement und einer an der Innenwandung vorgesehenen passiven Korrosionsschutzschicht und mit einen kathodischen Korrosionsschutz bewirkenden fremdstrombeaufschlagten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mittels eines ι ο Potentiostaten (6) und einer Bezugselektrode (5) auf ein optimales Potential einsteuerbar sind und daß mindestens eine Fremdstromanode (4) in der Nähe des Heizelements (3) angeordnet ist.

2. Wasserbehälter nach Anspruch 1, mit einem im r"> wesentlichen U-förmigen elektrischen Heizelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdstromanode (4) oberhalb des U-förmigen Heizelements (3) senkrecht zu dessen Schenkeln verlaufend angeordnet ist. :o

3. Wasserbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Fremdstromanode im oberen Bereich des Behälters angeordnet ist.

4. Wasserbehälter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden mit einer Bezugselektrode aus Ag/AgCl, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (5) von einer strömungsverhindernden Umhüllung umgeben ist.

5. Wasserbehälter nach Anspruch 4, dadurch so 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 js stirnseitig geschlosss.nen, teilweise oder allseitig porösen Mantel gebildet ist.