Heizelemente-Ratgeber
So sorgen Heizpatronen und -elemente für die richtige Temperatur
Überall dort, wo Materialien, Werkzeuge oder Bauteile erwärmt oder auf Temperatur gehalten werden müssen, kommen Heizelemente zum Einsatz. Sie gewährleisten den effizienten Betrieb von Heizsystemen, z.B. in Autos oder Pufferspeichern. Wie sie funktionieren, wo sie angewendet werden und wie PTC-Keramik-Heizelementen aufgebaut sind: Das und mehr erfahren Sie in diesem Ratgeber.
Arten von Heizelementen
Elektrische Heizelemente – auch als Heizpatronen, Heizstäbe und Einschraubheizkörper bekannt – können sehr vielseitig eingesetzt werden, unter anderem als Alternative zu klassischen Heizkesseln. Sie wandeln elektrischen Strom in Wärme um und geben diese an ihre Umgebung ab. Diese Heizelemente kommen in vielen Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen oder Haartrocknern zum Einsatz.
Eine Sonderform sind selbstregelnde PTC-Keramik-Heizelemente. Sie erkalten automatisch beim Erreichen einer bestimmten Temperatur. Das macht sie zu einer besonders sicheren und zuverlässigen Heizmöglichkeit, die oft zum Zu- und Beheizen in Automobilen einsetzt wird.
Typische Einsatzbereiche
Elektrische Heizelemente und verdichtete Hochleistungs-Heizpatronen mit bis zu 50 W Leistung pro Quadratzentimeter kommen vor allem in folgenden industriellen Bereichen zum Einsatz:
- in der Kunststoffindustrie zum Temperieren von Thermoplasten,
- in der Prozesswärmetechnik für das Verarbeiten von Zink und Aluminium,
- im allgemeinen Maschinenbau zur Werkzeugbeheizung,
- in der Medizin- und Labortechnik,
- in der Lebensmitteltechnik zum Heizen und Trocknen,
- in der Automobilen-Herstellung zum Beheizen,
- in der Bahntechnik und im Schienenverkehr,
- als Vorheizregister für Wärmetauscher in Lüftungsssystemen,
- als Konvektionsheizung für Schaltschränke und elektrische Gehäuse.
Wie funktionieren elektrische Heizelemente?
Heizpatronen bestehen aus einem elektrischen Leiter, der in einen zylindrischen Metallmantel eingebettet ist. Er wärmt sich unter Spannung auf und gibt über den Mantel die Wärmeenergie an die Umgebung ab. Das innen liegende Heizband oder Heizwendel ist um einen keramischen Kern gewickelt, damit es nicht zu Kurzschlüssen kommt. Spezielle Füllmaterialien wie Magnesiumoxid sorgen dafür, dass die Heizelemente nicht in Kontakt mit dem metallischen Patronenmantel kommen. Werden diese stark verdichtet, entsteht ein hocheffizientes Bauteil, das Leistungen bis 50 W/cm2 erreicht. An einem Ende der Heizpatrone befindet sich oft ein Gewinde, damit sie in eine Heizung geschraubt werden kann. Die Stromversorgung erfolgt über die Steckdose oder den direkten Anschluss an das Stromnetz.
Heizpatronen lassen sich über einen Ein-/Ausschalter stufenweise oder stufenlos schalten und passen so ihre Leistung dem aktuellen Wärmebedarf an. Elektronische Wärmesensoren oder Thermostate zwischen dem zu beheizenden Objekt und der Heizpatrone messen und regeln deren Leistung und Temperatur. Damit die Geräte bei zu hohem Stromdurchfluss nicht kaputtgehen, müssen sie mit einem Überhitzungsschutz ausgestattet werden. Dieser trennt die Heizpatronen bei bedrohlichen Temperaturen vom Netz und lässt sie abkühlen.
Gut zu wissen!
Heizelemente passend einbauen
Heizelemente wärmen nicht nur Flüssigkeiten und Gase. Mit ihnen lassen sich auch leitende Materialien wie Metalle erhitzen. Dazu wird an den Objekten eine Bohrung angebracht, in welche man die Patrone einsteckt. Für eine gute Wärmeübertragung ist eine spielfreie Anpassung nötig, die Bohrung sollte deswegen kleiner als der Nenndurchmesser der Heizpatrone sein.
Elektrische Heizelemente für Pufferspeicher in Heizungsanlagen
Heizpatronen zum Erwärmen von Flüssigkeiten ähneln vom Prinzip her einem Tauchsieder. Ein elektrisch isolierter Leiter, meist in Form eines U, wird in das zu erwärmende Medium getaucht. Der durchfließende Strom lässt seine Oberflächentemperatur ansteigen. Die thermische Energie gibt der Leiter ab und erwärmt so die Flüssigkeit.
Solche Geräte kommen in Pufferspeichern von Heizungssystemen zum Einsatz. Ein Pufferspeicher sichert die erzeugte Heizungswärme, gibt warmes Wasser an die Heizkörper ab und nimmt zurückfließendes Kaltwasser auf. Damit beim Abkühlen des Pufferspeichers nicht jedes Mal die Heizung anspringt, kann eine Heizpatrone eingesetzt werden. Die Verwendung ist vor allem bei Systemen sinnvoll, bei denen eine schwankende Wärmezufuhr oder ein hoher Wärmeabfluss im Winter ausgeglichen werden muss. Klassische Anwendungsgebiete sind Scheitholz- und Pelletheizungen, Solaranlagen und Wärmepumpen. Die erzeugte Wärme, reicht hier nicht immer aus: Das Heizelement liefert dann die Zusatzenergie, um den Wärmebedarf auszugleichen, kurzfristige Energiespitzen abzudecken und die Temperatur des Pufferspeichers auf gleichem Niveau zu halten. So schützt es vor Ausfällen und Frostschäden im Winter und hilft, Heizsysteme effizienter zu betreiben und deren Nutzungsdauer zu erhöhen.
Eine elektrische Heizpatrone an einer Heizung nachzurüsten ist nicht aufwendig. Die Installation erfolgt direkt am Heizkörper. Hierfür benötigt man keine speziellen Vorkenntnisse. Sie wird einfach in die Elektro- oder Wasserheizkörper geschraubt.
Typische Größen und Leistungen von Heizelementen
Heizelemente und -patronen mit kleiner Leistung bis max. 3 kW lassen sich an eine normale 230 V-Steckdose anschließen. Größere Einschubheizkörper mit 6 kW, 9 kW oder 12 kW benötigen eine höhere Spannung von 400 V und müssen direkt mit dem Stromnetz verbunden werden.
Die Kosten hängen von der Leistung der Geräte ab. Je mehr Masse erhitzt werden soll und je höher die Zieltemperatur sein muss, desto mehr Energie ist nötig. Kleine Heizpatronen bis 1 kW sind schon unter 30 Euro erhältlich. Hochleistungsgeräte kosten bis zu 1.000 Euro.
Typische Größen und Leistungen von Heizelementen
Heizelemente und -patronen mit kleiner Leistung bis max. 3 kW lassen sich an eine normale 230 V-Steckdose anschließen. Größere Einschubheizkörper mit 6 kW, 9 kW oder 12 kW benötigen eine höhere Spannung von 400 V und müssen direkt mit dem Stromnetz verbunden werden.
Die Kosten hängen von der Leistung der Geräte ab. Je mehr Masse erhitzt werden soll und je höher die Zieltemperatur sein muss, desto mehr Energie ist nötig. Kleine Heizpatronen bis 1 kW sind schon unter 30 Euro erhältlich. Hochleistungsgeräte kosten bis zu 1.000 Euro.
Wieviel kW benötigt ein Heizelement?
Welche Leistung ein Heizelement braucht, hängt von der Anwendung ab. Dabei spielt die Menge des zu erhitzenden Materials, seine Wärmekapazität, die gewünschte Temperaturveränderung und die Erhitzungsgeschwindigkeit eine Rolle. Für kleine bis mittlere Badheizkörper reichen Heizpatronen mit einer Leistung von 1 kW meist aus. In Puffer- oder Schichtenspeichern für Heizungssystemen in Häusern kommen Geräte mit mehreren kW zum Einsatz.
Die Zeit, die ein Heizstab zum Erwärmen benötigt, kann man über die spezifische Wärmekapazität des jeweiligen Materials bestimmen. Der Wert bezeichnet die Menge an Energie, die man zuführen muss, um das Material um 1 Kelvin zu erwärmen.
Was macht PTC-Heizelemente aus?
PTC-Keramik-Heizelemente funktionieren auf Halbleiter-Basis und verfügen gleichzeitig über leitende und isolierende Eigenschaften. Sie regeln ihre Temperatur über einen PTC-Widerstand, dessen elektrische Leitfähigkeit von seiner Temperatur abhängt. Er leitet besonders gut bei niedrigen Temperaturen (Kaltleiter). Direkt nach dem Einschalten sinkt zuerst der Eigenwiderstand und es fließt viel Strom. Mit zunehmender Erhitzung steigt der Widerstand dann logarithmisch an: Die elektrische Leitfähigkeit und die Heizleistung nehmen ab, bis eine Art Gleichgewichtszustand erreicht wird. Hier ist der Widerstand so hoch, dass kaum noch Strom fließt. Das PTC-Heizelement regelt sich automatisch und kühlt ab. Dank dieses sogenannten PTC-Effekts können die Bauteile nicht überhitzen. Das macht sie zu einem idealen Heizelement.
PTC-Heizelemente bestehen aus einem oder mehreren Keramikplättchen, die für einen guten Wärmeabfluss möglichst flach und beschichtet sind. Je nach Zusammensetzung der Keramik lässt sich die Temperatur für den maximalen Widerstand und damit deren Arbeitstemperaturbereich ganz genau einstellen. Die Plättchen sind in Aluminiumprofile eingepasst, über die die entstehende Wärmeenergie abgeführt wird. Die Gehäuseformen gibt es in vielen Varianten. Möglich sind alle Formen, die sich mit Aluminiumgussverfahren herstellen lassen. Je nach Bauweise können die elektrischen Bauteile auf Keramikbasis auch direkt in Flüssigkeiten wie Waschwasser, Motoröl oder Kraftstoffe eingesetzt werden.
Merkmale von PTC-Heizelementen
PTC-Heizelemente sind in bestimmten Bereich mehrspannungsfähig. Die meisten können zwischen 230 V und 400 V ohne Leistungsänderung betrieben werden. Gebräuchlich sind auch PTC-Heizelemente zum Betrieb bei 12 V.
Durch die dynamische Anpassung erhöht sich ihre Leistung automatisch, wenn ihnen besonders viel Wärme abgezogen wird. Dabei gilt: Je höher die Temperaturdifferenz zwischen PTC und Umgebungstemperatur, desto höher seine Leistung. Auch die Größe der wärmeabgebenden Fläche wirkt sich positiv auf die Leistung aus. PTC-Heizelemente regeln ihre Temperatur also bedarfsabhängig und selbstständig nach. Erreichen sie jedoch ihre spezifische Höchsttemperatur, werden sie zum Nichtleiter und ihre Leistung nimmt automatisch ab. Diese Selbstbegrenzung macht sie zu einem besonders sicheren Heizelement, das keine zusätzliche Sicherung benötigt.
Durch den hohen Einschaltstrom können sich PTC-Widerstände bei mehrfachem Einschalten übermäßig erwärmen. Dieser Effekt lässt sich durch den Einbau einer trägen Sicherung begrenzen.
Daraus ergeben sich folgende Vorteile für PTC-Heizelemente:
- automatische Temperaturregelung
- Prozesssicherheit: kein Überhitzen oder Durchbrennen
- Energieeffizienz durch dynamische Leistungsanpassung
Anwendungsbeispiele für PTC-Heizelemente
Ein klassisches Anwendungsgebiet für PTC-Heizelemente ist die Automobil-Herstellung. Hier sind besonders robuste und zuverlässige Bauteile gefragt, denn sie sind extremen Temperaturen von -40 °C bis +120 °C und einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung ausgesetzt. Auch der Rüttelfaktor stellt hohe Anforderungen an deren Qualität und Zuverlässigkeit. So finden sich PTC-Keramik-Heizelemente an vielen Stellen am und im Auto: am Kühlwasserthermostat, zum Beheizen von Waschwasser, im Innenraum, in der Sitz- und Lenkradheizung, in der Heckscheibenheizung, zur Kraftstoff- und Kühlmittelvorwärmung, als Glühstiftkerzen für Dieselmotoren, der Motorvorwärmung oder in der Tankheizung.
In Dieselfahrzeugen reduzieren PTC-Heizelemente den Schadstoffausstoß. Im Kraftstofffilter kommt die SCR-Technik zum Einsatz, bei der eine harnstoffwässrige Lösung in den Abgasstrom vor dem Katalysator eingespritzt wird. Diese muss auch bei niedrigen Außentemperaturen und während des Stillstands des Fahrzeugs flüssig sein und entsprechend erwärmt und auf Betriebstemperatur gehalten werden. Gleichzeitig darf sie sich nicht zu sehr erhitzen, denn bei zu hohen Temperaturen drohen unerwünschte chemische Reaktionen. Das ideale Einsatzgebiet für selbstregulierende PTC-Elemente. Sie sind in einer Hülse aus rostfreiem Stahl eingebaut, die das elektrische Innenleben vor Korrosion schützt.
In Motorkühlmittelkreisläufen moderner Pkw-Motoren dienen PTC-Elemente dem Wärmemanagement für einen reduzierten Kraftstoff- und Emissionsverbrauch und eine erhöhte Motorleistung. Kennfeldgesteuerte Thermostate simulieren einen Anstieg der Kühlmitteltemperatur, wenn für den Motor gefährliche Temperaturen erreicht werden. So tritt die Kühlleistung bereits ein, bevor Probleme entstehen können. PTC-Heizelemente sorgen für eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit bei gleichzeitigem Übertemperaturschutz der Thermostate.
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