Introdução
Aquecedores de água elétricos são amplamente utilizados em ambientes residenciais para fornecer água quente a pequenas edificações residenciais e comerciais. Uma alternativa comum, e geralmente mais antiga, a um aquecedor de água elétrico é um aquecedor de água a gás, que utiliza gás para gerar calor em vez de eletricidade. Os aquecedores de água são frequentemente instalados no porão ou na cave de um edifício. Eles aquecem a água para uso em pias de cozinha, chuveiros de banheiro e qualquer outro local onde se deseje água quente.
Sistema de Água Quente
Aquecedores de água elétricos normalmente aquecem a água através de elementos resistivos alimentados por eletricidade. No entanto, outros designs de aquecedores de água elétricos estão disponíveis, como a caldeira de eletrodos, mas não são utilizados para aplicações de água quente doméstica. Como os aquecedores de água do tipo resistivo utilizam elementos resistivos, eles também são conhecidos como aquecedores de água de resistência elétrica.
Como Funcionam os Aquecedores de Água Elétricos
Água fria é introduzida na parte inferior do tanque do aquecedor através de um tubo de imersão e é então aquecida por elementos elétricos. À medida que a água é aquecida, ela sobe para o topo do tanque devido à convecção natural e é distribuída através da saída de água quente para uso em outras partes do edifício.
Partes do Aquecedor de Água Elétrico
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Componentes do Aquecedor de Água Elétrico
Tanque do Aquecedor & Isolamento
O tanque do aquecedor é geralmente fabricado em aço inoxidável, com sua superfície interna protegida por um revestimento de vidro ou esmalte. Revestimentos à base de polímero são usados em alguns modelos mais novos, mas isso não é comum.
O tanque é envolvido por isolamento para reduzir a perda de calor para o ambiente, aumentando assim sua eficiência. A imagem abaixo mostra isolamento de fibra de vidro, que é um tipo comum de isolamento térmico.
Isolamento Térmico
Entrada de Água Fria & Tubo de Imersão
Água fria é introduzida no aquecedor de água através da entrada de água fria, fluindo através do tubo de imersão até o fundo do tanque. Considerando o processo de convecção natural, introduzir água mais fria no fundo do tanque garante que ela suba naturalmente para o topo do tanque à medida que sua temperatura aumenta; isso ocorre porque a densidade da água diminui à medida que sua temperatura aumenta. A convecção também dita que a temperatura da água variará em diferentes níveis no tanque, com a água mais fria se acumulando no fundo do tanque e a mais quente no topo.
Variação de Temperatura do Aquecedor de Água
A entrada de água fria incluirá uma válvula – tipicamente uma válvula de esfera – para controlar a água sendo alimentada para o tanque. Válvulas de esfera (também conhecidas como válvulas de quarto de volta) são usadas porque são simples e de ação rápida.
Válvula de Esfera
Saída de Água Quente
Uma vez que a água no tanque é aquecida, ela sai do tanque através da saída de água quente. A saída de água quente também terá sua própria válvula para que o aquecedor de água possa ser hidraulicamente isolado; isso é alcançado fechando as válvulas de entrada e saída no aquecedor de água.
Elementos Resistivos/Aquecedores
Os elementos de aquecimento são instalados perpendicularmente ao comprimento do tanque. Cada elemento de aquecimento consiste em um resistor elétrico alojado dentro de um tubo condutor de calor e conectado a uma fonte de alimentação elétrica externa. A corrente elétrica flui através do resistor e o calor é gerado devido à alta resistência (medida em ohms); o calor gerado é transferido para a água ao redor do tubo do resistor.
Em aquecedores de água a gás, um queimador a gás é usado para aquecer a água. Aquecedores de água a gás são projetados de forma diferente, pois requerem tanto um caminho de exaustão quanto uma entrada de ar. A área de troca de calor dentro de um aquecedor de água a gás é maior do que a de um aquecedor de resistor elétrico, devido ao grande duto de gás de exaustão dentro do aquecedor.
Elementos Resistivos
Termostato
Um aquecedor de água elétrico inclui pelo menos um termostato que é usado para controlar a temperatura da água no tanque; ele faz isso controlando quando os elementos de aquecimento são ligados e desligados. Se cada resistor tiver seu próprio termostato, o resistor superior geralmente é configurado para ligar a uma temperatura mais alta do que o resistor inferior; essa configuração permite a diferença de temperatura que geralmente existe dentro do tanque (ambos os aquecedores ligam ao mesmo tempo se a diferença de temperatura no tanque for levada em conta, em vez de o aquecedor inferior sempre ligar primeiro porque a parte inferior do tanque tem uma temperatura mais baixa). Ligar e desligar os resistores no momento correto leva a um desgaste uniforme entre os resistores, o que significa que todos os resistores podem ser mantidos no mesmo intervalo.
A temperatura da água dentro de um tanque de aquecedor de água é geralmente 50°C (120F), mas isso varia dependendo da temperatura desejada e para qual aplicação.
Termostato
Válvula de Sangria de Ar
Embora não esteja presente em todos os modelos de aquecedor de água elétrico, uma válvula de sangria de ar pode ser usada para liberar ar do tanque; por exemplo, após a realização de manutenção. Se uma válvula de sangria de ar não estiver presente, o ar pode ser sangrado do tanque por:
- Afrouxando as conexões da entrada de água fria, ou da saída de água quente, ou do ânodo de sacrifício.
- Enchendo o tanque com água até que a água saia do topo do tanque através das conexões afrouxadas.
- Apertando as conexões novamente para evitar que mais ar entre no sistema.
É possível ventilar o ar no ponto de uso, embora muitas vezes leve tempo para sangrar completamente o ar do sistema (fluxo de água errático e espirrante é o resultado). Um método alternativo é usar uma válvula de sangria automática; estas são frequentemente instaladas em várias posições dentro de sistemas de água maiores para garantir que o ar seja continuamente sangrado do sistema.
Válvula de Alívio de Temperatura/Pressão
Uma válvula de temperatura/pressão (válvula TPR) é instalada perto do topo do tanque. A válvula TPR abrirá se a água no tanque atingir uma temperatura muito alta, ou, se ocorrer superpressurização (a pressão se tornar muito alta). Em qualquer uma dessas circunstâncias, a válvula abre e libera água através de um tubo de drenagem. O objetivo do tubo de drenagem é proteger qualquer pessoa que esteja trabalhando nas proximidades e que, de outra forma, poderia ser escaldada pela água quente descarregada.
A válvula de alívio de temperatura/pressão (TPR) pode ser testada levantando sua alavanca, embora isso teste apenas o mecanismo de operação e não os pontos de ajuste corretos de sobretemperatura e sobrepressão.
Válvula de Alívio de Temperatura/Pressão com Alavanca Destacada
Ânodo de Sacrifício
Ao lado do tubo de imersão está uma longa haste cilíndrica; este é o ânodo de sacrifício. O ânodo corrói ao longo do tempo, prevenindo a ocorrência de corrosão galvânica em superfícies metálicas mais vitais - e caras. Ânodos de sacrifício são geralmente fabricados de magnésio, alumínio, zinco, ou uma liga dos três; o material do ânodo envolve uma haste de aço que é instalada ao longo do eixo central do ânodo.
Ânodos são usados para muitas outras aplicações porque a corrosão galvânica ocorre sempre que dois metais estão conectados eletricamente e um eletrólito está presente. Aplicações comuns incluem proteção de tubulações e proteção de navios.
Ânodos Protegendo Partes de Navios da Corrosão Galvânica
Válvula de Drenagem
Uma válvula de drenagem pode ser encontrada na parte inferior do tanque de aquecimento; esta será tipicamente uma válvula de esfera. A válvula de drenagem é usada para drenar a água do tanque, por exemplo, quando a manutenção precisa ser realizada. Como a válvula está na parte inferior do tanque, ela pode ser usada para remover qualquer sedimento e.g. incrustação, ferrugem, pedaços de ânodo corroído etc. que se acumularam na base do tanque. Remover sedimentos do fundo do tanque é uma boa prática e deve ocorrer periodicamente, e.g. a cada 6 meses. O processo de remoção de sedimentos é frequentemente referido como 'lavagem' porque o sedimento é literalmente 'lavado' para fora do sistema.
Problemas Comuns & Solução de Problemas
Tubo de Imersão Quebrado
Um tubo de imersão pode quebrar e se desprender do topo do tanque de aquecimento, caindo então para o fundo do tanque. Consequentemente, a água fria entrará no topo do tanque do aquecedor em vez do fundo, e, se não permanecer no tanque tempo suficiente para ser aquecida, será removida pela saída de água quente para distribuição às torneiras de água quente do edifício.
Tubo de Imersão Anexado e Desanexado
Como Substituir um Tubo de Imersão Quebrado
Para substituir um tubo de imersão, o aquecedor de água deve ser isolado eletricamente e hidraulicamente (desligar a energia e fechar as válvulas de entrada e saída de água). Bombas de água quente que retiram água do aquecedor devem ser desligadas. A pressão da água dentro do tanque deve ser aliviada abrindo lentamente a válvula de drenagem. Uma vez que a pressão é aliviada, feche a válvula de drenagem e desconecte o tubo de entrada de água fria para que o tubo de imersão possa ser removido e substituído. Após a substituição, ventile o ar (sangre o ar) e retorne o aquecedor ao serviço.
Ânodo Corroído
O ânodo de sacrifício de um aquecedor deve ser monitorado, pois ele corroerá ao longo do tempo. O ânodo deve ser avaliado visualmente periodicamente e substituído quando pouco do ânodo permanecer. Deixar um ânodo por muito tempo entre as substituições pode fazer com que a haste de aço no meio fique exposta, o que pode ser um sinal de que a proteção inadequada das superfícies metálicas dentro do aquecedor está ocorrendo. A imagem abaixo mostra um ânodo novo comparado a um que foi corroído/desgastado; a haste de aço pode ser vista como uma fina peça de metal cilíndrico no ânodo desgastado.
Ânodo Novo e Corroído Comparado
Como Substituir o Ânodo do Aquecedor de Água
Para substituir o ânodo, o aquecedor deve ser hidraulicamente isolado fechando as válvulas de entrada e saída, para que nenhuma água entre ou saia do aquecedor. Bombas de água quente que retiram água do aquecedor devem ser desligadas antes da isolação hidráulica. Os elementos de aquecimento devem ser desligados, e a pressão dentro do aquecedor deve ser liberada através da drenagem. A tampa do ânodo no topo do tanque do aquecedor pode então ser afrouxada para que o ânodo possa ser levantado/retraído do aquecedor. Uma vez que o ânodo é removido, seu corpo pode ser girado no sentido anti-horário para desparafusar a haste de aço da tampa, então um novo ânodo pode ser instalado, e o aquecedor remontado.
Acúmulo de Calcário
Um acúmulo de calcário (carbonato de cálcio) e outros minerais solidificados dentro do aquecedor, é comum em qualquer aparelho que use água; esses minerais solúveis se separam da água e se solidificam em superfícies dentro do aparelho. Incrustação é outro termo usado para depósitos minerais solidificados dentro de um sistema de água; incrustação consiste em muitos minerais, enquanto calcário refere-se apenas ao carbonato de cálcio.
O acúmulo de incrustação e calcário é especialmente problemático nos elementos de aquecimento de um aquecedor de água. A incrustação atua como um isolante térmico, absorvendo o calor gerado pelo(s) elemento(s) de aquecimento, mas transferindo pouco dele para a água circundante. Isso pode levar a pontos quentes no elemento de aquecimento onde ele está superaquecendo enquanto tenta aquecer a água à temperatura desejada. Esse uso ineficiente de energia elétrica pode não apenas levar a contas de eletricidade mais altas, mas também pode causar a ruptura e falha dos elementos de aquecimento; o elemento de aquecimento falhado deve então ser substituído.
Outro componente que é vulnerável ao acúmulo de incrustação é a válvula de alívio de temperatura/pressão. Caso isso ocorra, o mecanismo de operação da válvula pode ficar preso, consequentemente falhando em abrir na temperatura ou pressão correta. Isso pode levar a água muito quente no tanque, ou a pressão excessiva sendo forçada a escapar do tanque em outro lugar no sistema de água, potencialmente danificando outros componentes e juntas de tubulação.
Elemento de Aquecimento Coberto de Calcário/Incrustação
Recursos Adicionais
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_heating
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Domestic_water_heating