لماذا تتراكم سخانات الخرطوشة في الغلايات وسخانات المياه على نطاق ثقيل بينما تكون الجدران الداخلية أقل بكثير؟

يتعين على معظم المنازل التعامل مع تراكم الترسبات الكلسية (مقياس المياه) في مرحلة ما من حياتهم اليومية. عند غلي الماء في غلاية كهربائية، يتراكم الكثير من الترسبات الكلسية في القاع. مع مرور الوقت، تحصل سخانات المياه على حجم كبير من أجزاء التسخين الخاصة بها. يلاحظ الأشخاص الذين يتوخون الحذر أن المقياس يتراكم في الغالب على سطح سخان الخرطوشة، ولا سيما الجزء السفلي أو عنصر التسخين نفسه. من ناحية أخرى، تعرض الجدران الداخلية للغلاية أو الخزان حجمًا أقل بكثير. لماذا يحدث هذا؟

بدلاً من القضبان المغمورة التقليدية، تحتوي الغلايات الكهربائية الحديثة على سخانات خرطوشة مسطحة مدمجة في الأسفل. كانت سخانات الخرطوشة التي تم غمرها مباشرة في الماء شائعة في موزعات الماء الساخن الفوري القديمة (قوارير الغليان). كانت سخانات الخرطوشة هذه مفيدة، لكنها كانت أيضًا خطيرة جدًا لأنها تسببت في الكثير من الحرائق، ولهذا السبب وضعت الجامعات قواعد صارمة بشأن المهاجع.


يمثل الحجم مشكلة كبيرة مع سخانات الخرطوشة. بما أن الغلايات وسخانات المياه قديمة، فإن غليان الماء يستغرق وقتًا أطول. إحدى المشاكل الكبيرة المتعلقة بالحجم هي أنه يستخدم المزيد من الطاقة. يغطي المقياس سطح سخان الخرطوشة، مما يمنع الاتصال المباشر بين سخان الخرطوشة والماء. وهذا يقلل بشكل كبير من فعالية التوصيل الحراري.

تشكل كربونات الكالسيوم وكبريتات المغنيسيوم وكبريتات الكالسيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم معظم الحجم. بالمقارنة مع المعادن المستخدمة في أغلفة سخان الخرطوشة، فإن هذه المركبات تتمتع بموصلية حرارية ضعيفة جدًا (حوالي 0.5-3 واط/م·ك). يتمتع النحاس بموصلية حرارية تبلغ 385 واط/م·ك، والفولاذ المقاوم للصدأ/الحديد لديه موصلية حرارية تبلغ حوالي 79.5 واط/م·ك. يمكن أن يكون الأمر مختلفًا بعشرات إلى مئات المرات، لذا فإن المقياس السميك الموجود على سخان الخرطوشة يجعل العنصر يسخن في مكان واحد لتحريك نفس الكمية من الطاقة. يؤدي ذلك إلى زيادة نفقات الطاقة وقد يؤدي إلى الإضرار بسخان الخرطوشة.

عندما يغطي المقياس سخان الخرطوشة، فإنه يحتفظ بالحرارة بداخله، مما يجعل درجة الحرارة ترتفع بسرعة في بعض الأماكن. قد يؤدي ذلك إلى كسر عزل أكسيد المغنيسيوم داخل سخان الخرطوشة، أو جعله يدوم لفترة أقل، أو يسبب مشاكل تتعلق بالسلامة. في الأماكن التي بها ماء عسر (مثل الشمال)، يتراكم القشور بسرعة، لذلك تحتاج إلى تنظيف سخان الخرطوشة بشكل متكرر.

يرتبط نشاط الفقاعات ارتباطًا وثيقًا بتحديد الحجم. الأجزاء الرئيسية من الحجم هي كربونات الكالسيوم، سيليكات الكالسيوم، كبريتات الكالسيوم، وهيدروكسيد المغنيسيوم التي استقرت من ماء الصنبور. نظرًا لأن سخان الخرطوشة يولد الحرارة، فإن الفقاعات تستمر في التشكل على سطحه أثناء تسخينه.

تتشكل الفقاعات الأولى عندما يهرب الهواء المذاب مع ارتفاع درجة الحرارة وانخفاض قابلية الذوبان. عندما تصبح المياه أكثر سخونة، تبدأ في الغليان وتشكل فقاعات بخار. تشكل هذه الفقاعات واجهة ثلاثية-مرحلة: الماء السائل، وفقاعة الغاز، وسطح سخان الخرطوشة الصلبة. عندما تنفصل الفقاعات وتتبخر، فإنها تتسبب في تشبع أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم بالقرب من موقع النواة بشكل كبير. يؤدي هذا إلى هطول الأمطار التي تلتصق بسطح سخان الخرطوشة.

تشير الدراسات إلى أن سخانات الخرطوشة المتدرجة تولد كمية أكبر من الفقاعات مقارنة بالفقاعات الجديدة. إن السطح الخشن المسامي لسخان الخرطوشة المتدرج يجعل من السهل تكوين القشور نظرًا لأنه يحتوي على المزيد من مواقع النواة كما أنه أكثر -حبًا للماء. لذلك، كلما طالت مدة تشغيل سخان الخرطوشة مع وجود مقياس موجود عليه بالفعل، كلما تراكم مقياس جديد بشكل أسرع، مما يجعل المشكلة أسوأ.

لماذا يحصل سخان الخرطوشة على حجم أكبر بكثير من جدران الغلاية؟ أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم التي تشكل الأملاح هي اللبنات الأساسية للحجم. يلتصق معظمها بسطح سخان الخرطوشة الساخنة، بينما يبدو بعضها مثل جزيئات بيضاء تطفو في الماء (معظمها كربونات الكالسيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم)، مما يجعل الماء أقل وضوحًا.

منذ بداية التسخين، يقوم سخان الخرطوشة بإصدار درجات حرارة عالية موضعية، وهي أماكن مثالية لتكوين الفقاعات. تتشكل الفقاعات على الفور على سخان الخرطوشة، مما يؤدي إلى تراكم الحجم طوال الوقت. في المقابل، لا تصبح المياه السائبة ساخنة بدرجة كافية إلا في وقت لاحق، ويحتاج هطول الأمطار هناك إلى بلورة متجانسة، الأمر الذي يتطلب المزيد من الطاقة.

تقول نظرية التبلور أن التبلور غير المتجانس (على سطح سخان الخرطوشة) يعد أمرًا جيدًا من حيث الطاقة نظرًا لأن الواجهة الصلبة-السائلة تقلل من طاقة السطح. يحتاج التبلور المتجانس (في الماء السائب) إلى المزيد من الطاقة لتكوين النوى البلورية. حتى في حين أن التسخين السريع يوفر الطاقة، فإن التبلور غير المتجانس على سخان الخرطوشة هو العملية الرئيسية، وهذا هو سبب وجود المزيد من التراكم هناك.

تقوم الجدران الداخلية ببناء بعض القشور لأنها أيضًا أماكن يحدث فيها نواة غير متجانسة، ولكن الكمية أصغر بكثير مما هي عليه في سخان الخرطوشة لأنه لا توجد حرارة عالية موضعية أو إنتاج فقاعات شديدة.

استخدم الخل أو حامض الستريك أو مواد إزالة الترسبات الصناعية لتنظيف سخان الخرطوشة بشكل منتظم. إذا كنت تعيش في منطقة بها مياه عسرة، فقد ترغب في التفكير في شراء منقي الماء. لتقليل مواقع النواة، اختر سخان خرطوشة بأغلفة ناعمة وعالية الجودة من الفولاذ المقاوم للصدأ (304 أو 316). تأكد دائمًا من غمر كل شيء بالكامل وراقب أوقات الغليان كعلامة على تراكم الحجم.