Por que os aquecedores de cartucho em chaleiras e aquecedores de água acumulam grandes incrustações, enquanto as paredes internas têm muito menos?

A maioria das casas tem que lidar com a construção de calcário (incrustações de água) em algum momento de suas vidas diárias. Quando você ferve água em uma chaleira elétrica, muitas incrustações se acumulam no fundo. Com o tempo, os aquecedores de água adquirem muitas incrustações em suas peças de aquecimento. Pessoas cuidadosas percebem que a incrustação se acumula principalmente na superfície do aquecedor do cartucho, principalmente na parte inferior ou no próprio elemento de aquecimento. As paredes internas da chaleira ou tanque, por outro lado, apresentam muito menos incrustações. Por que isso acontece?

Em vez das tradicionais hastes submersas, as chaleiras elétricas modernas possuem aquecedores de cartucho planos embutidos na parte inferior. Aquecedores de cartucho imersos diretamente na água eram comuns em dispensadores instantâneos de água quente mais antigos (garrafas ferventes). Esses aquecedores de cartucho eram úteis, mas também muito perigosos, pois causavam muitos incêndios, e é por isso que as universidades têm regras rígidas sobre dormitórios.


A escala é uma grande dificuldade com aquecedores de cartucho. Como as chaleiras e os aquecedores de água são mais antigos, a água demora mais para ferver. Um grande problema com o tamanho é que ele consome mais energia. A incrustação cobre a superfície do aquecedor do cartucho, o que impede o contato direto entre o aquecedor do cartucho e a água. Isso reduz muito a eficácia da condução de calor.

Carbonato de cálcio, sulfato de magnésio, sulfato de cálcio e hidróxido de magnésio constituem a maior parte da incrustação. Comparados aos metais usados ​​nas bainhas dos aquecedores de cartucho, esses compostos têm uma condutividade térmica muito fraca (cerca de 0,5–3 W/m·K). O cobre tem uma condutividade térmica de 385 W/m·K, e o aço inoxidável/ferro tem uma condutividade térmica de cerca de 79,5 W/m·K. Pode ser dezenas a centenas de vezes diferente, então a escala espessa em um aquecedor de cartucho faz com que o elemento superaqueça em um ponto para mover a mesma quantidade de energia. Isto aumenta os gastos com energia e pode danificar o aquecedor do cartucho.

Quando a incrustação cobre o aquecedor do cartucho, ela mantém o calor dentro dele, o que faz com que a temperatura suba rapidamente em alguns lugares. Isso pode quebrar o isolamento de óxido de magnésio dentro do aquecedor do cartucho, fazer com que ele dure menos ou causar problemas de segurança. Em locais com água dura (como o norte), o calcário se acumula rapidamente, portanto, é necessário limpar o aquecedor de cartucho com frequência.

A atividade das bolhas está intimamente relacionada ao estabelecimento de escala. As principais partes da incrustação são carbonato de cálcio, silicato de cálcio, sulfato de cálcio e hidróxido de magnésio que se depositaram na água da torneira. Como o aquecedor do cartucho cria calor, bolhas continuam se formando em sua superfície à medida que aquece.

As primeiras bolhas se formam quando o ar dissolvido escapa à medida que a temperatura aumenta e a solubilidade diminui. À medida que a água esquenta, ela começa a ferver e forma bolhas de vapor. Essas bolhas formam uma interface trifásica: água líquida, bolha de gás e superfície sólida do aquecedor do cartucho. Quando as bolhas se rompem e evaporam, elas fazem com que os sais de cálcio e magnésio próximos ao local de nucleação fiquem muito saturados. Isto provoca precipitação que adere à superfície do aquecedor do cartucho.

Estudos indicam que aquecedores de cartucho escalonados geram maior quantidade de bolhas em comparação aos novos. A superfície áspera e porosa de um aquecedor de cartucho escalonado facilita a formação de incrustações, já que ele tem mais locais de nucleação e adora-a água. Portanto, quanto mais tempo um aquecedor de cartucho funciona com incrustações, mais rápido a nova incrustação se acumula, o que piora o problema.

Por que o aquecedor de cartucho fica com muito mais incrustações do que as paredes da chaleira? Os íons de cálcio e magnésio que formam sais são os blocos de construção da incrustação. A maioria adere à superfície quente do aquecedor de cartucho, enquanto alguns parecem partículas brancas flutuando na água (principalmente carbonato de cálcio e hidróxido de magnésio), o que torna a água menos transparente.

Desde o início do aquecimento, o aquecedor de cartucho produz altas temperaturas localizadas, locais perfeitos para a formação de bolhas. Bolhas se formam imediatamente no aquecedor do cartucho, o que faz com que a incrustação se acumule o tempo todo. Em contraste, a água a granel só fica quente o suficiente mais tarde, e a precipitação precisa de cristalização homogênea, o que consome mais energia.

A teoria da cristalização diz que a cristalização heterogênea (na superfície do aquecedor do cartucho) é energeticamente boa, pois a interface sólido-líquido reduz a energia superficial. A cristalização homogênea (em água a granel) precisa de mais energia para formar núcleos cristalinos. Mesmo que o aquecimento rápido libere energia, a cristalização heterogênea no aquecedor do cartucho é o processo principal, e é por isso que há mais acúmulo ali.

As paredes internas acumulam alguma incrustação porque também são locais onde ocorre nucleação heterogênea, mas a quantidade é consideravelmente menor do que no aquecedor de cartucho porque não há alto calor localizado ou produção severa de bolhas.

Use vinagre, ácido cítrico ou descalcificadores industriais para limpar regularmente o aquecedor de cartucho. Se você mora em uma área com água dura, considere comprar um amaciante de água. Para reduzir os locais de nucleação, escolha um aquecedor de cartucho com bainhas de aço inoxidável lisas e de alta{2}qualidade (304 ou 316). Certifique-se sempre de que tudo está totalmente submerso e fique de olho nos tempos de fervura como sinal de acúmulo de calcário.