Anoda w bojlerze – jak działa, jakie są rodzaje i którą wybrać?

Anoda w bojlerze jest jednym z kluczowych elementów ochrony katodowej, której zadaniem jest zabezpieczenie stalowych powierzchni przed korozją. Drugą elektrodą (katodą) jest obudowa zbiornika. Zadaniem systemu ochrony katodowej jest zapobieganie korozji zbiornika poprzez wytworzenie odpowiedniego potencjału ochronnego tak, aby nie zachodziło utlenianie materiału, z którego jest wykonany zbiornik. Sama anoda montowana jest wewnątrz zbiornika w taki sposób, aby nie dotykała żadnych elementów wewnętrznych typu wężownice, grzałki elektryczne, elementy konstrukcyjne itd. Choć na co dzień pozostaje niewidoczna dla użytkownika, od jej prawidłowego działania w dużej mierze zależy trwałość całego urządzenia. W nowoczesnych instalacjach stosuje się przede wszystkim dwa rodzaje anod: magnezowe oraz tytanowe, które różnią się zasadą działania, trwałością i wymaganiami eksploatacyjnymi. W tym artykule wyjaśniamy, czym jest anoda, jak działa oraz czym różni się anoda magnezowa od tytanowej.

Dlaczego anoda w bojlerze jest potrzebna?

Anoda w bojlerze pełni ważną funkcję ochronną, ponieważ pomaga zabezpieczyć stalowy zbiornik przed korozją. Zbiorniki ciepłej wody użytkowej w większości wykonane są ze stali czarnej lub nierdzewnej. Każdy z nich narażony jest na naturalny proces korozji. Kontakt metalu z wodą, tlenem oraz rozpuszczonymi w niej minerałami prowadzi do zachodzenia zjawisk elektrochemicznych, które z czasem mogą powodować niszczenie stalowych elementów. Aby ograniczyć ryzyko korozji, wnętrza bojlera wykonanych ze stali czarnej są zabezpieczane najczęściej warstwą emalii ochronnej. Jest ona pierwszą barierą chroniącą stal przed kontaktem z wodą, jednak w praktyce nawet najlepsza powłoka może posiadać mikroskopijne niedoskonałości lub z czasem ulec uszkodzeniu podczas wieloletniej pracy. W przypadku stali nierdzewnej wnętrza zbiorników są pasywowane, tzn. pokrywane warstwą tlenków chromu. Korozja wżerowa w stali nierdzewnej występuje, gdy wąskie szczeliny między powierzchniami metalu zatrzymują wilgoć i substancje chemiczne, tworząc lokalne obszary zubożone w tlen. To uwięzione środowisko prowadzi do rozpadu pasywnej warstwy tlenku chromu, która normalnie chroni stal nierdzewną, co powoduje przyspieszoną korozję. Proces ten jest szczególnie problematyczny w miejscach spawania elementów, gdzie szczelne połączenia, nakładające się powierzchnie lub nagromadzenie zanieczyszczeń tworzą te krytyczne szczeliny. Woda bogata w tlen i zawierająca większe ilości chlorków oraz niektórych innych związków przyspiesza ten proces. Właśnie dlatego stosuje się dodatkowe zabezpieczenie – katodowy system ochrony, którego głównym elementem jest anoda ochronna. System ochrony katodowej ma za zadanie ograniczyć procesy korozyjne i wydłużyć żywotność całego zbiornika. W zależności od zastosowanej technologii jego podstawowym elementem jest anoda magnezowa lub anoda tytanowa z kontrolerem potencjału. Anoda magnezowa jest elektrodą rozpuszczalną i tworzy tzw. galwaniczny system ochrony, a anoda tytanowa jest nierozpuszczalna w wodzie i tworzy tzw. ochronę elektrolityczną z wymuszonym prądem.

Dlaczego stal koroduje? Podstawy procesu korozji elektrochemicznej.

Korozja stali to naturalny proces zachodzący w wyniku kontaktu metalu z wodą i tlenem. Choć zbiorniki ciepłej wody użytkowej są od wewnątrz pokrywane warstwą emalii ochronnej lub pasywowane w przypadku stali nierdzewnej, z czasem na jej powierzchni mogą pojawić się mikroskopijne uszkodzenia lub miejsca, w których stal nie jest całkowicie odizolowana od wody. To właśnie tam mogą rozpocząć się procesy prowadzące do korozji. Aby zrozumieć, jak działa anoda, warto najpierw przyjrzeć się temu, co dzieje się na poziomie atomowym. Stal składa się głównie z żelaza. W sprzyjających warunkach niektóre atomy żelaza na powierzchni zbiornika oddają elektrony i przechodzą do wody w postaci dodatnio naładowanych jonów. Proces ten można przedstawić w uproszczeniu następującym równaniem:

Fe → Fe²⁺ + 2e⁻

Oznacza to, że atom żelaza traci dwa elektrony i staje się jonem żelaza (Fe²⁺), który przechodzi do otaczającej go wody. Elektrony natomiast nie przemieszczają się przez wodę – pozostają w metalu i przemieszczają się przez jego strukturę do innych miejsc na powierzchni zbiornika, gdzie uczestniczą w kolejnych reakcjach elektrochemicznych. Jednocześnie woda znajdująca się wewnątrz zbiornika nie jest biernym środowiskiem. Zawiera rozpuszczone sole mineralne oraz inne jony, dzięki którym może przewodzić prąd elektryczny. To właśnie dlatego wewnątrz bojlera powstaje niewielkie ogniwo elektrochemiczne – układ, w którym zachodzi przepływ elektronów w metalu oraz jonów w wodzie. W miarę upływu czasu jony żelaza reagują z tlenem i wodą, tworząc związki żelaza, które znamy jako rdzę. Proces ten powoduje stopniowe osłabianie ścian zbiornika i może prowadzić do jego rozszczelnienia. Dlatego ochrona przed korozją nie polega jedynie na pokryciu zbiornika emalią lub pasywowania stali, lecz również na kontrolowaniu procesów elektrochemicznych zachodzących wewnątrz urządzenia. To właśnie w tym celu stosuje się ochronę katodową oraz anody ochronne.

Czym jest ochrona katodowa?

Jedną z najskuteczniejszych metod zabezpieczania stali przed korozją jest ochrona katodowa. Stosuje się ją nie tylko do zbiorników, ale również do ochrony rurociągów, konstrukcji morskich czy podziemnych instalacji stalowych oraz wielu innych. Jej zadaniem jest zmiana warunków elektrochemicznych panujących na powierzchni metalu w taki sposób, aby stal nie ulegała korozji. Mówiąc najprościej, ochrona katodowa ogranicza oddawanie elektronów przez stal, a tym samym zapobiega jej utlenianiu, dzięki czemu proces korozji zostaje znacząco zahamowany. Aby tego dokonać pomiędzy anodą a katodą (obudową zbiornika) płynie prąd, zapewniając potencjał ochronny o odpowiedniej wartości Można to porównać do sytuacji, w której zamiast naprawiać skutki problemu, eliminujemy jego przyczynę. Zamiast dopuścić do stopniowego niszczenia stali, odpowiednio steruje się zachodzącymi reakcjami elektrochemicznymi, aby powierzchnia zbiornika pozostawała chroniona.

W zbiornikach c.w.u. ochronę katodową realizuje się na dwa sposoby:

za pomocą anody magnezowej, która chroni zbiornik, stopniowo zużywając własny materiał,
za pomocą anody tytanowej, która wykorzystuje elektroniczny sterownik do utrzymania odpowiednich warunków ochronnych.

Choć oba rozwiązania opierają się na zasadzie ochrony katodowej, różnią się sposobem jej uzyskania. W kolejnych akapitach wyjaśniamy, jak dokładnie działa każdy z tych systemów.

Jak działa anoda magnezowa w bojlerze?

Anoda magnezowa jest powszechnie stosowanym dodatkowym zabezpieczeniem antykorozyjnym w zbiornikach c.w.u. Sama anoda to zwykle walec, którego długość i średnica są dobierane do wielkości i konstrukcji chronionego zbiornika. Składa się głównie z magnezu (będącego bazą stopu) oraz domieszek aluminium i cynku (najczęściej oznaczany jako stop MgAl6Zn3), a także zawiera metalowy rdzeń montażowy (często ze stali) lub gwint mosiężny. Stop ten ma odpowiednio niższy potencjał w środowisku wodnym niż stal, dlatego pomiędzy anodą a obudową zbiornika płynie prąd ochronny. Natężenie prądu płynącego w niezasilanym z zewnątrz obwodzie ochronnym (ochrona galwaniczna) jest proporcjonalne do szybkości rozpuszczania się materiału anody. Efektywność uzyskiwania prądu ochronnego zależy od rodzaju użytego materiału i przewodności wody.

Proces ten można przedstawić w uproszczeniu następującym równaniem:

Mg → Mg²⁺ + 2e⁻

Oddawane przez magnez elektrony docierają do powierzchni stalowego zbiornika, utrzymując ją w stanie katodowym i ograniczając korozję. W efekcie anoda stopniowo się zużywa, natomiast sam zbiornik pozostaje chroniony. Ponieważ anoda magnezowa jest elementem eksploatacyjnym, wymaga regularnej kontroli oraz okresowej wymiany. Częstotliwość jej zużycia zależy m.in. od jakości wody, temperatury pracy oraz intensywności użytkowania zbiornika.

Jak działa anoda tytanowa w bojlerze?

Anoda tytanowa tworzy ochronę elektrolityczną z wymuszonym prądem. System składa się z pręta tytanowego pokrytego specjalną powłoką przewodzącą (MMO) oraz elektronicznego sterownika zasilanego z sieci zwanego potencjostatem. Sterownik dostarcza do drutu tytanowego prąd rozpływający się do katody tj. obudowy zbiornika wytwarzając tym samym potencjał ochronny. Potencjał ochronny jest na tyle duży, aby skutecznie zahamować oddawanie elektronów przez stal czyli aby powstrzymać korozję.

W przeciwieństwie do anody magnezowej, anoda tytanowa nie chroni zbiornika poprzez własne rozpuszczanie się w wodzie. Drut tytanowy dodatkowo pokryty jest tlenkami ziem rzadkich typowo rutenu i irydu tworząc tzw powłokę MMO, która dodatkowo zabezpiecza tytan przed korozją, nadaje anodzie wysoką przewodność elektryczną i aktywuje reakcje elektrochemiczne nie zużywając na to tytanu. Jednak pomimo zastosowania trwałego tytanu i MMO następuje niewielkie zużycie anody liczone w mikrogramach na dzień. Z tego względu anoda tytanowa również może wymagać wymiany, jednak jej żywotność jest wielokrotnie dłuższa niż w przypadku anody magnezowej i wynosi od 10 do 20 lat. Ochrona działa w sposób ciągły, o ile potencjostat jest podłączony do zasilania i cały układ funkcjonuje prawidłowo.

Dlaczego warto wybrać anodę tytanową zamiast magnezowej?

Ochrona katodowa z anodą tytanową ma zdecydowaną przewagę nad tradycyjnym rozwiązaniem wykorzystującym anodę magnezową:

Najważniejszą zaletą jest stałość napięcia ochronnego. Potencjostat 50 razy na sekundę sprawdza wielkość napięcia ochronnego i tak zmniejsza lub zwiększa prąd ochronny, aby napięcie ochronne było na stałym poziomie. Wielkość prądu ochronnego zależy głównie od wielkości chronionej powierzchni wliczając w to powierzchnie zbiornika i wszystkie elementy wewnątrz oraz przewodności wody. Przewodność wody zależy z kolei od jej temperatury, która w zbiorniku c.w.u. zmienia się w miarę poboru wody ciepłej i jej podgrzewania, a także składu chemicznego. Anoda magnezowa w miarę zużywania się traci możliwość utrzymania prądu ochronnego na wystarczającym poziomie. Nigdy nie wiemy, czy napięcie ochronne jest jeszcze prawidłowe.
Kolejną zaletą jest kontrola pracy. Prawidłowość pracy systemu można kontrolować za pomocą wskaźnika na sterowniku. Jeśli świeci się zielona dioda na potencjostacie, potencjał ochronny jest na prawidłowym poziomie. Jeśli świeci się czerwona dioda to układ nie działa prawidłowo i trzeba to zgłosić instalatorowi.
Anoda tytanowa może działać przez 10 lat lub dłużej, natomiast anoda magnezowa wymaga regularnej wymiany, zazwyczaj co 12–18 miesięcy, w zależności od jakości wody i zaleceń producenta. Przy wodach o wysokiej przewodności już nawet po 3 miesiącach anoda magnezowa może być zużyta.
Eliminacja zapachu zgniłych jaj (siarkowodoru) – to również przewaga anody tytanowej nad anodą magnezową. Gdy woda jest uboga w tlen, a tak często jest przy studniach głębinowych, to w zbiorniku c.w.u. rozwijają się bakterie beztlenowe, dla których obecność magnezu wpływa na zwiększoną aktywność. Ubocznym skutkiem procesów życiowych tych bakterii jest wydzielanie metanu i siarkowodoru. Usuwając anodę magnezową i zastępując ją anodą tytanową, hamujemy namnażanie się bakterii beztlenowych, a więc i ilość siarkowodoru w wodzie.
Całkowite koszty eksploatacji – tu zdecydowanie wygrywa anoda tytanowa. Chociaż jej cena zakupu jest wyższa niż anody magnezowej to już przy pierwszej wymianie anody magnezowej biorąc pod uwagę koszty zakupu anody i koszty serwisu następuje zwrot z inwestycji. A przy anodzie magnezowej trzeba to robić raz na 12-18 miesięcy.

Należy jednak pamiętać, że anoda tytanowa nie jest rozwiązaniem pozbawionym wad. Do prawidłowego działania wymaga zasilania elektrycznego chociaż pobór prądu jest minimalny. Typowo moc pobierana przez zasilacz wynosi 100 mW do max 1 W.

Anoda magnezowa czy tytanowa – porównanie

Anoda magnezowa

Materiał: stop MgAl6Zn3 na metalowym rdzeniu.
Zasada działania: rozpuszcza się podczas pracy i zużywa zamiast stalowego zbiornika.
Zasilanie: nie wymaga zasilania elektrycznego.
Trwałość: zazwyczaj wymaga regularnej wymiany co 12–18 miesięcy.
Koszt eksploatacji: wyższy ze względu na konieczność okresowej wymiany.
Kontrola: zalecana kontrola i wymiana co 12–18 miesięcy.

Anoda tytanowa

Materiał: czysty tytan (Grade 1) z pokryciem MMO.
Zasada działania: zapewnia ochronę katodową dzięki prądowi ochronnemu dostarczanemu przez sterownik.
Zasilanie: wymaga zasilania elektrycznego.
Trwałość: może działać 10–20 lat i dłużej.
Koszt eksploatacji: niższy dzięki długiej żywotności i brakowi konieczności częstej wymiany.
Kontrola: zalecana kontrola co 3–4 lata.

Kiedy warto zastosować anodę tytanową w bojlerze?

Generalnie zawsze warto zastosować anodę tytanową zamiast magnezowej. Anoda tytanowa sprawdzi się przede wszystkim wtedy, gdy zależy nam na długotrwałej ochronie zbiornika c.w.u. przy ograniczeniu czynności serwisowych. Dzięki swojej wysokiej trwałości nie wymaga wymiany, co jest szczególnie istotne w przypadku zbiorników zamontowanych w trudno dostępnych miejscach lub użytkowanych intensywnie. Jest również dobrym rozwiązaniem dla osób, które chcą uniknąć regularnych przeglądów związanych z kontrolą anody magnezowej. W wielu przypadkach wyższy koszt zakupu rekompensowany jest rzadszą koniecznością serwisowania oraz długą żywotnością całego systemu. Anodę tytanową można zastosować zarówno w nowym, jak i w używanym zbiorniku. Jeśli zbiornik jest skorodowany to należy zastosować model wyższy niż zalecany ze względu na wyższy zakres prądowy anody.

Jak dobrać anodę tytanową do bojlera?

To, jaka anoda w bojlerze będzie odpowiednia, zależy przede wszystkim od materiału i pojemności zbiornika. W ofercie AQUAKROS dostępne są dwa podstawowe typy systemów:

AME – przeznaczone do zbiorników emaliowanych,
AMT – przeznaczone do zbiorników wykonanych ze stali nierdzewnej.

Drugim istotnym kryterium jest powierzchnia chronionych elementów. Wchodzi w to powierzchnia wewnętrzna zbiornika, powierzchnia wszystkich wężownic, powierzchnia wsporników wewnątrz jeśli są, itd. Wraz ze wzrostem chronionej powierzchni rosną wymagania na prąd ochronny. Żywotność (trwałość) drutu anody zależy od gęstości prądu wypływającego z niego. Aby zapewnić minimum 20 lat trwałości, gdyż na tyle liczone są druty w warunkach wody standardowej (reguluje to norma europejska), gęstość prądu nie może przekraczać określonego poziomu. Aby utrzymać gęstość prądu na określonym poziomie wraz ze wzrostem zakresu prądowego określonego modelu rośnie długość drutu, a z nim powierzchnia drutu. W tabeli poniżej bardzo orientacyjny dobór modelu anody w zależności od pojemności zbiornika c.w.u.

Dobór anody tytanowej w zależności od pojemności zbiornika c.w.u.

0–150 l:
zbiornik emaliowany – AME-200
zbiornik ze stali nierdzewnej – AMT-400
0–300 l:
zbiornik emaliowany – AME-200
zbiornik ze stali nierdzewnej – AMT-800
0–800 l:
zbiornik emaliowany – AME-400
zbiornik ze stali nierdzewnej – AMT-800
0–1000 l:
zbiornik emaliowany – AME-400
zbiornik ze stali nierdzewnej – brak
0–2000 l:
zbiornik emaliowany – AME-800
zbiornik ze stali nierdzewnej – brak

Podsumowanie

Dobrze dobrana anoda w bojlerze może znacząco ograniczyć rozwój korozji i wydłużyć żywotność zbiornika. Anoda tytanowa działa dzięki prądowi ochronnemu dostarczonemu przez sterownik, co pozwala zapewnić długotrwałą ochronę zbiornika i ograniczyć liczbę czynności serwisowych. Wybór odpowiedniego modelu powinien uwzględniać materiał i pojemność zbiornika, sposób użytkowania instalacji oraz zalecenia producenta. Prawidłowo dobrana i zamontowana anoda może znacząco ograniczyć rozwój korozji, wydłużyć żywotność zbiornika c.w.u. i zmniejszyć ryzyko kosztownej awarii. Szukasz trwałego zabezpieczenia swojego zbiornika? Sprawdź anody tytanowe AQUAKROS z serii AME i AMT i wybierz system dopasowany do rodzaju oraz pojemności zbiornika c.w.u.

Opisane rozwiązania to tylko część możliwości. Więcej informacji oraz szczegóły oferty czekają w wizytówce firmy na naszym portalu.