Einführung
Elektrische Wassererhitzer werden häufig in Haushalten eingesetzt, um kleine Wohn- und Geschäftsgebäude mit Warmwasser zu versorgen. Eine häufige - und allgemein ältere - Alternative zu einem elektrischen Wassererhitzer ist ein Gas-Wassererhitzer, der Gas zur Erzeugung von Wärme anstelle von Elektrizität verwendet. Wassererhitzer werden oft im Keller eines Gebäudes installiert. Sie erhitzen Wasser für den Gebrauch in Küchenspülen, Badezimmerduschen und an jedem anderen Ort, an dem Warmwasser gewünscht wird.
Warmwassersystem
Elektrische Wassererhitzer erhitzen Wasser typischerweise über Heizelemente, die mit Strom betrieben werden. Es gibt jedoch auch andere Designs von elektrischen Wassererhitzern, z.B. Elektrodenkessel, die jedoch nicht für den häuslichen Warmwasserbedarf verwendet werden. Da Wassererhitzer mit Heizelementen arbeiten, werden sie auch als elektrische Widerstandswassererhitzer bezeichnet.
Funktionsweise von elektrischen Wassererhitzern
Kaltwasser wird über ein Steigrohr zum Boden des Erhitzertanks geleitet und dann durch elektrische Heizelemente erhitzt. Während das Wasser erhitzt wird, steigt es aufgrund der natürlichen Konvektion an die Oberseite des Tanks und wird durch den Warmwasserauslass zur Nutzung an anderer Stelle im Gebäude abgegeben.
Teile eines elektrischen Wassererhitzers
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Komponenten eines elektrischen Wassererhitzers
Heiztank & Isolierung
Der Heiztank wird normalerweise aus Edelstahl hergestellt, wobei seine innere Oberfläche durch eine glasbasierte Beschichtung, glasbasierte Auskleidung oder Emaille geschützt wird. Polymerbasierte Beschichtungen werden in einigen neueren Modellen verwendet, sind jedoch nicht üblich.
Der Tank ist von Isolierung umgeben, um die Menge an Wärme zu reduzieren, die an die umgebende Luft verloren geht, und so seine Effizienz zu erhöhen. Das Bild unten zeigt Glasfaserisolierung, eine häufige Art der Wärmedämmung.
Wärmedämmung
Kaltwassereinlass & Steigrohr
Kaltwasser wird über den Kaltwassereinlass zum Wassererhitzer geleitet und fließt durch das Steigrohr bis zum Boden des Tanks. Angesichts des Prozesses der natürlichen Konvektion sorgt die Einführung von kälterem Wasser am Boden des Tanks dafür, dass es natürlich an die Oberseite des Tanks steigt, wenn seine Temperatur steigt; dies geschieht, weil die Dichte des Wassers abnimmt, wenn seine Temperatur steigt. Konvektion bestimmt auch, dass die Wassertemperatur auf verschiedenen Ebenen im Tank variiert, wobei sich das kälteste Wasser am Boden des Tanks und das heißeste an der Oberseite sammelt.
Temperaturvariation im Wassererhitzer
Der Kaltwassereinlass wird ein Ventil enthalten - typischerweise ein Kugelhahn - um das Wasser zu steuern, das in den Tank geleitet wird. Kugelhähne (auch bekannt als Vierteldrehventile) werden verwendet, weil sie einfach und schnell wirkend sind.
Kugelhahn
Warmwasserauslass
Sobald das Wasser im Tank erhitzt ist, verlässt es den Tank über den Warmwasserauslass. Der Warmwasserauslass wird ebenfalls ein eigenes Ventil haben, damit der Wassererhitzer hydraulisch isoliert werden kann; dies wird erreicht, indem die Einlass- und Auslassventile am Wassererhitzer geschlossen werden.
Heizelemente
Die Heizelemente sind senkrecht zur Länge des Tanks installiert. Jedes Heizelement besteht aus einem elektrischen Widerstand, der in einem wärmeleitenden Rohr untergebracht ist und mit einer externen Stromversorgung verbunden ist. Elektrischer Strom fließt durch den Widerstand und Wärme wird erzeugt, weil der Widerstandspfad (gemessen in Ohm) hoch ist; die erzeugte Wärme wird an das Wasser um das Widerstandsrohr übertragen.
In Gas-Wassererhitzern wird ein Gas-Brenner verwendet, um das Wasser zu erhitzen. Gas-Wassererhitzer sind anders konstruiert, da sie sowohl einen Abgasweg als auch einen Lufteinlass benötigen. Der Wärmeaustauschbereich in einem Gas-Wassererhitzer ist größer als der eines elektrischen Widerstandserhitzers, aufgrund des großen Abgasrohrs im Erhitzer.
Heizelemente
Thermostat
Ein elektrischer Wassererhitzer enthält mindestens einen Thermostat, der zur Steuerung der Temperatur des Wassers im Tank verwendet wird; er erreicht dies, indem er steuert, wann die Heizelemente ein- und ausgeschaltet werden. Wenn jeder Widerstand seinen eigenen Thermostat hat, wird der obere Widerstand normalerweise so eingestellt, dass er bei einer höheren Temperatur als der untere Widerstand eingeschaltet wird; diese Konfiguration ermöglicht die Temperaturdifferenz, die normalerweise im Tank besteht (beide Heizer schalten sich gleichzeitig ein, wenn die Temperaturdifferenz im Tank berücksichtigt wird, anstatt dass der untere Heizer immer zuerst eingeschaltet wird, weil der untere Teil des Tanks eine niedrigere Temperatur hat). Das Ein- und Ausschalten der Widerstände zur richtigen Zeit führt zu gleichmäßigem Verschleiß der Widerstände, was bedeutet, dass alle Widerstände im gleichen Intervall gewartet werden können.
Die Wassertemperatur in einem Wassererhitzertank beträgt normalerweise 50°C (120F), variiert jedoch je nach gewünschter Temperatur und Anwendung.
Thermostat
Entlüftung
Obwohl nicht in jedem Modell eines elektrischen Wassererhitzers vorhanden, kann eine Entlüftung verwendet werden, um Luft abzulassen aus dem Tank; zum Beispiel nach durchgeführter Wartung. Wenn kein Entlüftungsventil vorhanden ist, kann Luft aus dem Tank abgelassen werden, indem:
- Die Verbindungen des Kaltwassereinlasses, des Warmwasserauslasses oder der Opferanode gelockert werden.
- Der Tank mit Wasser gefüllt wird, bis Wasser durch die gelösten Verbindungen oben am Tank austritt.
- Die Verbindungen wieder festgezogen werden, um zu verhindern, dass weitere Luft in das System gelangt.
Es ist möglich, Luft am Verwendungsort zu entlüften, obwohl es oft Zeit braucht, um die Luft vollständig aus dem System zu entlüften (unregelmäßiger Wasserfluss ist das Ergebnis). Eine alternative Methode ist die Verwendung eines automatischen Entlüftungsventils; diese werden oft an verschiedenen Stellen innerhalb größerer Wassersysteme installiert, um sicherzustellen, dass Luft kontinuierlich aus dem System entlüftet wird.
Temperatur-/Druckentlastungsventil
Ein Temperatur-/Druckventil (TPR-Ventil) ist in der Nähe der Oberseite des Tanks installiert. Das TPR-Ventil öffnet sich, wenn das Wasser im Tank zu hohe Temperaturen erreicht oder wenn eine Überdrucksituation auftritt (der Druck zu hoch wird). In beiden Fällen öffnet sich das Ventil und lässt Wasser durch ein Ablaufrohr ab. Der Zweck des Ablaufrohrs besteht darin, Personen zu schützen, die in der Nähe arbeiten und andernfalls durch das austretende heiße Wasser verbrüht werden könnten.
Das Temperatur-/Druckentlastungsventil (TPR) kann getestet werden, indem sein Hebel angehoben wird, obwohl dies nur den Betriebsmechanismus und nicht die korrekten Übertemperatur- und Überdruck-Einstellpunkte testet.
Temperatur-/Druckentlastungsventil mit hervorgehobenem Hebel
Opferanode
Neben dem Steigrohr befindet sich eine lange zylindrische Stange; dies ist die Opferanode. Die Anode korrodiert im Laufe der Zeit und verhindert, dass galvanische Korrosion an wichtigeren - und teureren - Metalloberflächen auftritt. Opferanoden werden in der Regel aus Magnesium, Aluminium, Zink oder einer Legierung der drei hergestellt; das Anodenmaterial umgibt eine Stahlstange, die entlang der Mittelachse der Anode installiert ist.
Anoden werden für viele andere Anwendungen verwendet, da galvanische Korrosion immer dann auftritt, wenn zwei Metalle elektrisch verbunden sind und ein Elektrolyt vorhanden ist. Häufige Anwendungen umfassen Rohrleitungsschutz und Schiffsschutz.
Anoden schützen Schiffsteile vor galvanischer Korrosion
Ablassventil
Ein Ablassventil befindet sich am Boden des Heiztanks; dies ist in der Regel ein Kugelhahn. Das Ablassventil wird verwendet, um Wasser abzulassen aus dem Tank, zum Beispiel, wenn Wartungsarbeiten durchgeführt werden müssen. Da sich das Ventil am Boden des Tanks befindet, kann es verwendet werden, um abgesetzte Sedimente wie Kalk, Rost, Teile der korrodierten Anode usw. zu entfernen, die sich am Boden des Tanks angesammelt haben. Das Entfernen von Sedimenten vom Boden des Tanks ist eine gute Praxis und sollte regelmäßig durchgeführt werden, z.B. alle 6 Monate. Der Prozess des Entfernens von Sedimenten wird oft als 'Spülen' bezeichnet, da die Sedimente buchstäblich 'aus dem System gespült' werden.
Häufige Probleme & Fehlerbehebung
Gebrochenes Steigrohr
Ein Steigrohr kann brechen und sich vom oberen Teil des Heiztanks lösen und dann auf den Boden des Tanks fallen. Infolgedessen wird Kaltwasser oben in den Heiztank anstatt unten eingeführt, und wenn es nicht lange genug im Tank bleibt, um erhitzt zu werden, wird es durch den Warmwasserauslass zur Verteilung an die Warmwasserhähne des Gebäudes entfernt.
Befestigtes und gelöstes Steigrohr
Wie man ein gebrochenes Steigrohr ersetzt
Um ein Steigrohr zu ersetzen, sollte der Wassererhitzer elektrisch und hydraulisch isoliert werden (Strom aus und Wasserzulauf- und -ablaufventile geschlossen). Warmwasserpumpen, die vom Wassererhitzer ziehen, sollten ausgeschaltet werden. Der Wasserdruck im Tank sollte durch langsames Öffnen des Ablassventils abgelassen werden. Sobald der Druck abgelassen ist, schließen Sie das Ablassventil und trennen Sie das Kaltwasserzulaufrohr, damit das Steigrohr entfernt und ersetzt werden kann. Nach dem Austausch die Luft entlüften und den Erhitzer wieder in Betrieb nehmen.
Korrodiertes Anode
Die Opferanode eines Erhitzers muss überwacht werden, da sie im Laufe der Zeit korrodiert. Die Anode muss regelmäßig visuell überprüft und ersetzt werden, wenn nur noch wenig von der Anode übrig ist. Wenn eine Anode zu lange zwischen den Ersetzungen belassen wird, kann die Stahlstange in der Mitte freigelegt werden, was ein Zeichen dafür sein kann, dass der Schutz der Metalloberflächen im Erhitzer unzureichend ist. Das Bild unten zeigt eine neue Anode im Vergleich zu einer, die korrodiert/abgenutzt ist; die Stahlstange ist als dünnes Stück zylindrisches Metall auf der abgenutzten Anode zu sehen.
Neue und korrodierte Anode im Vergleich
Wie man die Anode des Wassererhitzers ersetzt
Um die Anode zu ersetzen, muss der Erhitzer hydraulisch isoliert werden, indem die Einlass- und Auslassventile geschlossen werden, sodass kein Wasser in den Erhitzer hinein- oder herausfließt. Warmwasserpumpen, die vom Wassererhitzer ziehen, sollten vor der hydraulischen Isolation ausgeschaltet werden. Die Heizelemente müssen ausgeschaltet und der Druck im Erhitzer über den Ablauf abgelassen werden. Die Anodenkappe oben am Erhitzertank kann dann gelockert werden, sodass die Anode aus dem Erhitzer gehoben/zurückgezogen werden kann. Sobald die Anode entfernt ist, kann ihr Körper gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden, um die Stahlstange von der Kappe abzuschrauben, dann kann eine neue Anode installiert und der Erhitzer wieder zusammengebaut werden.
Kalkablagerungen
Eine Ansammlung von Kalk (Calciumcarbonat) und anderen verfestigten Mineralien im Erhitzer ist in jedem Gerät, das Wasser verwendet, üblich; diese löslichen Mineralien werden vom Wasser getrennt und verfestigen sich auf den Oberflächen im Gerät. Kesselstein ist ein weiterer Begriff für verfestigte Mineralablagerungen in einem Wassersystem; Kesselstein besteht aus vielen Mineralien, während Kalk sich nur auf Calciumcarbonat bezieht.
Kesselstein- und Kalkablagerungen sind besonders problematisch auf den Heizelementen eines Wassererhitzers. Kesselstein wirkt als Wärmeisolator, absorbiert die von den Heizelementen erzeugte Wärme, überträgt jedoch nur wenig davon auf das umgebende Wasser. Dies kann zu Hotspots auf dem Heizelement führen, wo es überhitzt, während es versucht, das Wasser auf die gewünschte Temperatur zu erhitzen. Diese ineffiziente Nutzung elektrischer Energie kann nicht nur zu höheren Stromrechnungen führen, sondern auch dazu, dass Heizelemente reißen und ausfallen; das ausgefallene Heizelement muss dann ersetzt werden.
Ein weiteres Bauteil, das anfällig für Kesselsteinablagerungen ist, ist das Temperatur-/Druckentlastungsventil. Sollte dies auftreten, kann der Betriebsmechanismus des Ventils stecken bleiben und folglich nicht bei der richtigen Temperatur oder dem richtigen Druck öffnen. Dies kann dazu führen, dass sehr heißes Wasser im Tank verbleibt oder dass überschüssiger Druck an anderer Stelle im Wassersystem aus dem Tank entweicht, was möglicherweise andere Komponenten und Rohrverbindungen beschädigt.
Mit Kalk/Kesselstein bedecktes Heizelement
Zusätzliche Ressourcen
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_heating
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Domestic_water_heating