(¿Por qué) un calentador de agua sin mantenimiento utilizaría más energía eléctrica?

Question

Estoy pensando específicamente en la cal/sedimentación en el fondo del calentador de agua, y la calcificación de los elementos calefactores (y no el posible deterioro del aislamiento térmico).

Con mucha frecuencia se afirma (tanto por parte de los expertos gubernamentales en eficiencia energética como por los vendedores/servicios de calentadores de agua, pero sin una explicación teórica sólida, por desgracia) que los elementos calefactores calcificados en los calentadores eléctricos de agua darían lugar a facturas de energía mucho más elevadas por el calentamiento del agua (las cifras suelen oscilar salvajemente entre el 30% y más del 400% de aumento en las facturas de energía eléctrica), y que es imperativo que los calentadores de agua reciban servicio (lo que normalmente se sugiere anualmente) para drenar la sedimentación y limpiar/sustituir los elementos calefactores principalmente por esa razón (entre otras).

pero estoy buscando una explicación teórica/física para eso (o una negación).

Ahora, puedo ver por qué la calcificación sobre y alrededor del elemento calefactor es mala, ya que estaría actuando como aislante térmico entre sí y el agua, lo cual sería:

1. prolongar el tiempo necesario para que el elemento calefactor caliente el tanque lleno de agua (debido a la transferencia más lenta de calor)

2. reducir la vida del elemento calefactor (debido a su sobrecalentamiento, ya que el apagado del termostato se retrasaría debido al punto anterior)

Ambas son razones válidas para el servicio regular. Sin embargo, no veo por qué sería el caso cualquier aumento en el uso de la energía?

He tratado de mirar hacia arriba, y lo mejor que puedo ver, es que la ley de preservación de la energía debería mantenerse. No puedo ver que la energía se convierta en otra cosa que no sea calor debido a la calcificación de los elementos calefactores Y si ese calor fue usado por un calentador, debe ser transferido al agua que lo rodea eventualmente, ¿cierto?

Veo dos cosas que suceden si el elemento calefactor se calcifica:

• al estar aislada del agua fría que la rodea y de las hipótesis iniciales del termostato, se sobrecalentará, lo que aumentaría un poco su resistencia eléctrica y reduciría su potencia en vatios (por ejemplo, de 2000W a 1500W), prolongando así el tiempo necesario para calentar el agua (y reduciendo su vida útil)
• la calcificación/cal actuaría como una "pared" que ralentizaría la transferencia de calor (lo que también prolongaría el tiempo en el que se calentaría todo el depósito de agua); sin embargo, esa energía calórica no se perdería, ya que la propia calcificación continuaría devolviendo esa energía calórica al agua incluso después de que el elemento calefactor fuera desconectado de la corriente eléctrica por el termostato

¿Son correctas esas suposiciones, y si es así, me estoy perdiendo algo más? ¿Dónde se desperdiciaría tal energía usada por el calentador (no transferida al agua caliente)? ¿O es que "el mantenimiento irregular de un calentador de agua conduce a facturas de energía más altas" es sólo una leyenda urbana muy popular?

Por lo tanto, la pregunta es "¿es cierto que los elementos calefactores de agua calcificados consumirían más energía eléctrica, y si es así, por qué?

(nota: Inicialmente consideré publicar esto en diy.SE que tiene mucho que decir sobre los calentadores de agua; pero como busco una explicación teórica y no un uso práctico, la física.SE parece un lugar mucho mejor. Nota: el inglés no es mi lengua materna, así que algunos términos podrían estar equivocados; y mi conocimiento de la física está en [o estaba, hace dos o tres décadas] en el nivel de la escuela secundaria)

Answer 1

La energía eléctrica que pagas no sólo va a los electrodomésticos, sino que una parte de ella termina en forma de calor en la ruta eléctrica desde el medidor hasta las cargas. Además, el calor de una carga como un elemento calefactor puede viajar a lo largo de los conductores eléctricos lejos de la aplicación (el depósito de agua) - recuerda: la mayoría de los buenos conductores eléctricos son también buenos conductores térmicos. Por lo tanto, su elemento calefactor de agua escalado seguirá produciendo el mismo poder calórico que siempre, pero menos del calor termina en el agua, y más termina fuera del calentador de agua. Parte de ese calor desperdiciado se escapa a lo largo del cableado, y, debido al aumento del ciclo de trabajo para compensar la ineficacia, el cableado pasa más tiempo llevando corriente y desperdiciando energía.

En resumen: la energía se conserva en el sentido de que no desaparece simplemente... ...sino que se pierde para convertirse en calor residual en algún lugar y no proporciona ningún beneficio.

Answer 2

La acumulación de incrustaciones hará que el calentador caliente el agua más lentamente debido a la mayor resistencia térmica entre el elemento y el agua. Esto significa que el elemento calefactor en sí mismo se calentará (mucho) más, y su resistencia aumentará. Esto reduce la potencia de salida, y el calentador tiene dificultades para proporcionarle suficiente agua caliente. Esto no aumentará mucho la factura de electricidad, pero sí significa que las duchas largas serán duchas frías.

Por el contrario, en un gas calentador tienes gas caliente fluyendo a través del intercambiador de calor; si hay una resistencia térmica adicional, el gas que sale del intercambiador seguirá estando caliente, y tienes verdaderas ineficiencias. No mantener su calentador de agua a gas le costará más; pero no mantener el calentador de agua eléctrico no lo hará.

La única excepción que puedo ver es una situación en la que tienes precios de demanda: el costo de un kWh cambia con la hora del día. Ahora, un calentador de agua a escala puede tomarse su tiempo para calentar el agua, y puede tener que seguir calentando el agua todo el día; uno más eficiente puede usar sólo las tarifas fuera de las horas punta, y costar menos (el mismo kWh, menos dinero).

En cuanto a las pérdidas "en otra parte" del sistema. Si su calentador eléctrico está conectado a un circuito de 40A, 220 V, estará usando (en los EE.UU.) un cable de 8 calibres (AWG). Asumiendo que usted está a 20 pies del panel del interruptor, tiene 40 pies de cable con una resistencia de 0.025 Ohm. Con 40 A fluyendo, esto te da una caída de 1 V y una disipación de 40 W. Comparado con los 9 kW del calentador, eso es alrededor del 0,5%. No es cero, pero tampoco es tan grande. Ciertamente no tan grande como el número que está citando.

Answer 3

Si recuerdo correctamente, una acumulación de 1/8 de pulgada de calcio en un serpentín de calefacción es lo mismo que varios pies de concreto envuelto alrededor de él para que puedas ver cuánta más electricidad se necesitaría para calentar el agua a la temperatura!