Kompakt informieren
- Natürliche Wasserinhaltsstoffe können in Wärmeübertragern für die Trinkwassererwärmung zu Korrosion und Ablagerungen mit entsprechendem Erneuerungs- und Wartungsaufwand führen.
- Um die Standzeit von Wärmeübertragern auch bei kritischen Wässern zu erhöhen und die Wärmeübertragungseigenschaften stabil zu halten, bietet Swep Edelstahlplatten-Wärmeübertrager mit der Nanobeschichtung Sealix an.
- Sealix ist eine funktionalisierte, elastische und gerade noch sichtbare Dünnfilmbeschichtung auf Silicium-Oxid-Basis. Sie wirkt als Diffusionsbarriere, so gelangen weniger kritische Bestandteile des Wassers an die Metalloberfläche.
- Tests belegen eine selbstreinigende Wirkung („Lotuseffekt“) für einen dauerhaft niedrigen Wärmedurchgangswiderstand und eine signifikant höhere Korrosionsbeständigkeit. Zudem wird die Kupfer- und Nickelmigration unterbunden bzw. extrem verlangsamt.
Laut Umweltbundesamt nutzt jeder Deutsche im Mittel 120 l Wasser pro Tag zum Duschen, Geschirr spülen, Wäsche waschen, Kochen … Die Wasserversorgung und die Hausinstallation müssen so beschaffen sein, dass das Wasser sicher, rein und genusstauglich an den Entnahmestellen zur Verfügung steht.
Trinkwasser wird in Deutschland zu 70 % aus Grund- und Quellwasser gewonnen. Der Rest kommt aus See-, Talsperren- und Flusswasser oder Uferfiltrat. Je nach Gewinnungsgebiet unterscheidet sich die Zusammensetzung und hat erheblichen Einfluss auf die Funktionalität und Lebensdauer der zur Trinkwassererwärmung verbauten Platten-Wärmeübertrager.
„Wasser ist sehr kompliziert. Wenn man mal über die Jahrtausende schaut, sieht man ja, was Wasser alles auflöst. Selbst Edelstahl“, erklärt Björn Felgenhauer, Technology Innovation Manager bei Swep. „Wasser nimmt eben gerne Ionen auf. Das können Kalkionen oder Metallionen sein, die temperaturabhängig unterschiedliche Sättigungszustände im Wasser aufweisen. Das ist für den Menschen gut, weil wir darüber auch lebensnotwendige Mineralien aufnehmen. Für Wärmeübertrager ist es das leider gar nicht: Je niedriger der pH-Wert und je ungesättigter das Wasser ist, desto aggressiver ist es z. B. gegenüber Metallen. Hartes Wasser dagegen hat zwar eine weniger korrosive Neigung, führt aber schneller zur Verkalkung.“
In manchen Gebieten kommt es dadurch immer wieder zu unliebsamen Überraschungen. Freie Kohlensäure, Salze, Chloride oder Mineralien führen zu Korrosion und Ablagerungen. Entsprechend häufig müssen Wärmeübertrager dann ausgetauscht werden.
Korrosionsschäden vermeiden
Davon weiß auch Oventrop, einer der führenden europäischen Hersteller von Armaturen, Reglern und Systemen für die Haustechnik, zu berichten. Vertriebsingenieur Dieter Stich: „Wir haben in vielen Städten und Regionen ganz unterschiedliche Anforderungen. In vielen Versorgunsgebieten wird das Trinkwassernetz aus verschiedenen Quellen gespeist. Das macht die Werkstoffauswahl nicht einfacher.“
Wenn heizungsseitig das Sicherheitsventil anspricht, ist die Ursache bei einer hohen Anzahl von Wohnungsstationen in einem Gebäude nicht immer einfach zu lokalisieren. Sind Wärmeübertrager defekt oder fallen ganz aus, ist das für Mieter und Vermieter unangenehm und mit viel Aufwand verbunden. Stich: „Wenn ein Wärmeübertrager korrosionsbedingt undicht wird, sieht man das nicht unbedingt immer von außen. Bei inneren Undichtigkeiten kann Trinkwasser ohne sichtbare Leckage ins Heizungswasser übergehen.“
Oventrop hat verschiedene Systeme mit mehr als 100 Wärmeübertragern erprobt. Stich: „Aufgrund der guten Erfahrungen haben wir uns dazu entschieden, Sealix generell einzusetzen.“
Sealix wirkt als Diffusionsbarriere
Bei Sealix handelt es sich um eine funktionalisierte, elastische und gerade noch sichtbare Dünnfilmbeschichtung auf Silicium-Oxid-Basis (SiOx). Durch die Funktionalisierung der Beschichtung wird eine niedrige Oberflächenenergie eingestellt, wodurch Ablagerungen wie Calciumcarbonat keine benetzende Wirkung zeigen (antiadhäsive Wirkung).
Felgenhauer: „Die Nanobeschichtung wirkt als Diffusionsbarriere. Das heißt, es gelangen weniger kritische Bestandteile des Wassers an die Metalloberfläche. Dadurch können wir mit Sealix-beschichteten Wärmeübertragern auch mit höheren Konzentrationen, beispielsweise von Chloriden, umgehen, ohne dass Schäden entstehen.“
Silicium-Oxid spielt auch in vielen anderen Bereichen des Alltags fast unbemerkt eine große Rolle. In Farben und Lacken, Kunst- und Klebstoffen findet es ebenso Verwendung wie als ungiftige Substanz in pharmazeutischen und kosmetischen Produkten bzw. als Diffusionsbarriere (Glasbeschichtung) in der Lebensmittelindustrie. Ebenso geeignet wie für Mineralwasser ist sie auch für Trinkwasser.
Zur Beschichtung eines Platten-Wärmeübertragers leitet Swep den Ausgangsstoff gasförmig für mehrere Stunden durch alle Kanäle des Übertragers. Die hohe Durchgängigkeit und die lange Verweilzeit mit dem Medium sichern eine vollständige Beschichtung selbst in Bereichen mit geringer Durchströmung. Durch kovalente Bindungen zwischen Oxid- und Hydroxid-Verbindungen wird eine robuste Adhäsion zwischen dem Grundmaterial und der Beschichtung erreicht Abb. 2.
So wird eine hohe mechanische und thermische Stabilität gewährleistet, ohne die thermischen und hydraulischen Eigenschaften des Wärmeübertragers zu beeinträchtigen.
Hart im Nehmen
Auch wenn es Gebiete, wie München, Würzburg und Köln, gibt, die für ihr korrosives bzw. kalkhaltiges Trinkwasser bekannter als andere sind: Für die Anbieter von Hausstationen ist kaum vorhersehbar, wo und wann es zu Korrosion kommen kann.
Swep hat deshalb Sealix über vier Jahre sowohl im Labor als auch in verschiedenen Feldtests intensiv erprobt, nicht nur mit Trinkwasser. Felgenhauer: „Wir sehen Sealix als optimal für Trinkwasseranwendungen, aber wir testen es auch in ganz extremen Umgebungen, beispielsweise mit Seewasser, um die Wirkung zu validieren.“
Konkret erprobt Swep die Beschichtung seit anderthalb Jahren im Einsatz in einem ORC-System eines Hochseeschiffs, bei dem der Kondensator mit Seewasser gekühlt wird. Dort liegen bei seeseitigen Temperaturen um 15 °C Wandtemperaturen von etwa 80 °C vor. Bei solchen Bedingungen wird sonst nur Titan eingesetzt. Das wäre aber in diesem Fall etwa fünf- bis achtmal teurer.
Felgenhauer: „Für uns ist das sehr beeindruckend. Ein normaler Edelstahl-Wärmeübertrager wäre unter diesen Bedingungen schon nach ein bis zwei Monaten durchkorrodiert. Nach anderthalb Jahren haben wir hier also schon eine beachtliche Verlängerung. Das sind Umgebungen, in denen wir gut lernen können und die Einsatzgrenzen testen.“
Auch in den üblichen Labortests schneidet Sealix gut ab. Swep hat die Beschichtung verschiedenen elektrochemischen Korrosionstests, Stagnationstests und Verkalkungstests unterzogen. Sie belegen eindeutig, dass sich signifikant weniger Ablagerungen und Korrosion bilden.
Selbstreinigungseffekt
Um das Kalkablagerungsverhalten zu prüfen, wurden insgesamt zwölf Proben für 24 h in Natriumsulfat (Na2SO4) und Kalziumnitrat (Ca(NO3)2) mit einer Temperatur von 35 °C getaucht. Während der Tests bildete sich unlösliches Kalziumsulfat (CaSO4) und fiel auf der Probenoberfläche aus. Durch Einstellen eines konstanten Wärmeflusses bei bekanntem Temperaturanstieg des Heizelements, an dem die Proben befestigt waren, konnte der Wärmewiderstand Rf gemessen werden.
An den Ergebnissen ist deutlich die selbstreinigende Wirkung des funktionalisierten Nanomaterials zu erkennen. Die beschichteten Edelstahlproben erwiesen sich im Vergleich zu den unbeschichteten Proben als deutlich ablagerungsbeständiger. Wenn überhaupt, bildeten sich Ablagerungen nur kurzzeitig auf der Oberfläche und lösten sich bei geringen Bewegungen wieder. Dieser „Lotuseffekt“ sorgt dauerhaft für einen niedrigen Wärmedurchgangswiderstand Abb. 3.
Immersions- und Stagnationstests
Die Korrosionsbeständigkeit und Schwermetallmigration bei kupfergelötetem Edelstahl wurden in Immersions- und Stagnationstests auf die Probe gestellt. Vier kupfergelötete Edelstahlproben wurden dafür zunächst mit Wasser gereinigt. Zwei der Proben wurden mit dem Sealix-Verfahren beschichtet, während die anderen beiden nicht behandelt wurden. Die Proben verblieben für eine Dauer von acht und 48 Stunden in einer Salzwasserlösung mit einer Konzentration von 4 % und einer Temperatur von 50 °C. Durch die Verwendung von angesetztem Salzwasser anstelle von Leitungswasser bei Raumtemperatur wird der Korrosionsprozess beschleunigt und die Testdauer verkürzt. Der Vorgang wurde aufgezeichnet, indem (jeweils im Abstand von 1 min) vor, während und nach dem Test Bilder aufgenommen wurden.
Die unbeschichteten Proben und die entsprechenden Elektrolytlösungen wurden durch die Freisetzung von Korrosionsprodukten sichtbar verfärbt. Die Sealix-Proben zeigten dagegen am Ende des Tauchzeitraums keinerlei Verfärbungen und die Lösungen keine Eintrübungen Abb. 4.
Da Reinheit bei Trinkwasser eine besondere Rolle spielt, wurden zudem Stagnationstests durchgeführt. Auch diese bestand die Beschichtung mit Bravour: Während die unbehandelten Proben dem typischen Migrationsverlauf folgten, konnte bei den Sealix-Proben keine Kupfer- und Nickelmigration festgestellt werden.
Sealix bietet eine signifikant höhere Korrosionsbeständigkeit
Ein häufig verwendeter Parameter zur Bewertung der Lochfraßbeständigkeit von Edelstahl ist das Lochfraß-Aktivierungspotenzial, welches das niedrigste Aktivierungspotenzial definiert, unter dem Korrosionslöcher als nicht weiterwachsend betrachtet werden.
Die Tests gemäß ISO 15 158 wurden in chlorid-, sulfat- und bikarbonathaltigen Lösungen durchgeführt, die ein aggressives Trinkwasser simulieren. Dazu wurde das anodisch-potentiodynamische Polarisationsverfahren angewendet. In diesem Verfahren wird das Potenzial der Elektrode durch Anlegen eines Stroms durch den Elektrolyten variiert. Dabei bildet eine hohe Stromdichte den Korrosionsprozess und eine niedrige Stromdichte die Passivität des Stahls ab. Wenn mit dem Durchbruch der Passivschichten die Korrosion beginnt, kann ein plötzlicher Anstieg der Stromstärke beobachtet werden.
Im Vergleich von beschichteten und unbeschichteten Proben zeigte sich, dass Sealix das Lochfraß-Aktivierungspotenzial und damit die Korrosionsbeständigkeit deutlich erhöht. Selbst bei beschädigter Beschichtung liegen die gemessenen Lochfraß-Aktivierungspotenziale signifikant über den Werten für nicht beschichtete Proben Abb. 5.
Risikominderung für Planer
Alexander Braun, Geschäftsführer Swep Germany, freut sich, den Kunden mit der Sealix-Serie eine sichere und effiziente Lösung für Warmwasseranwendungen mit geringerem Wartungsaufwand und höherer Lebensdauer anbieten zu können. Dabei denkt er besonders an die Planer. „Planer stehen mit den von ihnen erarbeiteten Lösungen immer in der Haftung, deshalb ist Sealix für sie perfekt. Wir führen ja kein neues Produkt ein, das neue Risiken birgt, sondern veredeln ein bestehendes Produkt, das bereits tausendfach im Einsatz ist, indem wir zusätzlich diese Diffusionsbarriere aufbringen. Mit Sealix können wir die Risiken minimieren – das zeigen unsere Extrem-Tests, wo wir die Nanobeschichtung unter Bedingungen einsetzen, wo das unbeschichtete Grundmaterial sonst völlig ungeeignet wäre.“
Seit 2018 bietet Oventrop alle neuen Regudis-Wohnungsstationen und Regumaq- Frischwasserstationen auch mit Sealix-Wärmeübertragern an, inzwischen sind davon mehr als 1000 Stationen in Betrieb. Stich: „Bei Einsatzorten mit kritischen Wasserverhältnissen raten wir unseren Kunden generell zum Einsatz unserer Sealix-Varianten. Aber wir haben auch Kunden, die diese zusätzliche Sicherheit einfach haben möchten. Sie haben Vertrauen in Silicium-Oxid als sehr beständigen, gegen chemischen Angriff und Verwitterung schützenden Stoff, den sie auch aus anderen Bereichen wie der Glas- oder Lebensmittelindustrie kennen.“
Kontakt zum Anbieter
2 Sealix: Beschichtungsprozess und -effekt. Der Ausgangsstoff wird zum Beschichten gasförmig für mehrere Stunden durch alle Kanäle des Wärmeübertragers geleitet.
3 Wärmedurchgangswiderstände der beschichteten und unbeschichteten Edelstahlproben.
4 Nach 48 h in der Salzwasserlösung sind die unbeschichteten Proben gegenüber den Sealix-Proben sichtbar verfärbt.
5 Korrosionsbeständigkeit für verschiedene Proben. Je höher das normierte Lochfraß-Aktivierungspotenzial ist, desto besser ist die Korrosionsbeständigkeit.
