Heizwiderstand

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Heizstange einer Elektroheizung mit angepassten Schamott-Steinen

Ein Heizwiderstand bezeichnet ein elektrisches Bauelement, das elektrische Energie in thermische Energie (= Wärme) umwandelt, und ist eine Sonderform des elektrischen Widerstands.

Aufbau[Bearbeiten]

Der Heizwiderstand als Bauteil einer Widerstandsheizung, in seiner einfachsten Ausführung ein hochohmiger Draht oder auch Heizleiter, stellt die Grundform der Elektrowärme dar und kennzeichnet diese gegenüber anderen elektrischen Heizungen; zur Systematik siehe Hauptartikel: Elektrowärme.

Dabei spricht man je nach Form und Ausführung von der Heizpatrone (eine zylindrische Metallpatrone als Gehäuse mit einer gewendelten Heizwicklung innen), der Heizwendel, dem Heizleiter, dem Heizband, der Heizmanschette (meist als flexible Manschette beispielsweise zum Wärmen von Maschinen und Geräten in kalten Arbeitsumgebungen)[1], der Heizmatte oder dem Heizregister, bei dem der erhitzte Draht seine Wärme direkt an einen vorbeiziehenden Luftstrom abgibt oder auch einfach von dem elektrischen Heizkörper.

Prinzip[Bearbeiten]

Die Wärme wird erzeugt, indem ein dem Zweck angepasstes leitfähiges Material mit hohem elektrischem Widerstand von Strom durchflossen wird und sich dadurch erhitzt. Prinzipiell lässt sich jeder stromdurchflossene Metalldraht für diesen Zweck verwenden.

Die Wärmeleistung ist nach dem ohmschen Gesetz abhängig vom Widerstandswert (abhängig vom spezifischen Widerstand des Materials, dessen Querschnitt und Länge) und dem elektrischen Stromdurchfluss und damit abhängig von der angelegten Spannung. Der Stromfluss darf dabei nicht so hoch werden, dass die Schmelztemperatur des Leitermaterials oder die Grenztemperatur des Isolierträgers erreicht wird.

Zur Leistungssteuerung können mehrere Widerstände parallel oder in Serie geschaltet werden, siehe unter anderem Siebentaktschaltung.

Ausführung[Bearbeiten]

Als Material werden meist spezielle Heizleiterlegierungen oder Widerstandslegierungen (DIN 17471) verwendet, die einen über weite Temperaturbereiche annähernd konstanten spezifischen elektrischen Widerstand besitzen (z. B. Konstantan, Manganin), einen besonders hohen Schmelzpunkt haben (z. B. Wolfram für Glühwendeln bei Abwesenheit von Sauerstoff) oder resistent gegenüber Oxidation an Luftsauerstoff sind (z. B. Kanthal und Nickel-Eisen-Legierungen).

Um genügend Wärme zu erhalten, wird oft eine große Drahtlänge benötigt, die meist als Wendel oder Doppelwendel und je nach Verwendungszweck als zylindrische Spule (zum Beispiel in einem Brennofen) oder Spirale (zum Beispiel in einer Kochplatte) aufgewickelt wird.

Die Form und Einbettung hängt auch von der Art der Wärmeübertragung (Wärmestrahlung, Wärmeleitung oder Konvektion) ab.

Heizwendeln werden sowohl freitragend als auch um einen hitzebeständigen Kern gewickelt oder in elektrisch isolierende Materialien gebettet verwendet.

Anwendungsbeispiele[Bearbeiten]

  • Elektrische Lötkolben haben eine zylindrische Heizpatrone mit einer gewendelten Heizwicklung im Inneren oder ein selbstregelndes Heizelement (Kaltleiter, kurz PTC)
  • Tauchsieder und Heizelemente in Back- und Grillgeräten bestehen aus einem Rohr und einem gewendelten, gegen das Rohr isolierten Heizleiter im Inneren
  • Heizelemente von Folienschweißgeräten haben ein flaches isoliertes Heizband
  • Heizlüfter, Wäschetrockner, Heißluftpistolen und Haartrockner haben im Luftstrom eines Ventilators Heizwendeln oder Heizregister, teils auch frei gespannte Heizdrähte, oft aber auch metallisch gekapselte Heizwiderstände.
  • Xerox-Kopierer und Laserdrucker verwenden Heizstäbe ähnlich einer Halogenglühlampe oder auch Dickschicht-Heizwiderstände zum Fixieren
  • Thermodrucker in Faxgeräten oder Registrierkassen besitzen eine Zeile aus einzeln steuerbaren kleinen Widerstandselementen
  • Elektrische Öfen für hohe Temperaturen besitzen Heizstäbe aus Siliziumcarbid
  • Bei der Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse im Hall-Héroult-Verfahren wird ein Teil der hohen Stromstärke (bis zu 330.000 Ampere) dazu benötigt, die Schmelztemperatur der Aluminiumoxid-Kryolith-Schmelze durch Widerstandsheizung aufrechtzuerhalten[2][3]
  • Widerstandsbeheizte Schiffchen von Bedampfungsanlagen bestehen oft aus Wolfram-Blech

In Schaltschränken, Schaltanlagen und anderen Geräten für Außeneinsatz, aber auch in Elektroboilern werden Heizwiderstände mit einem Thermostat (Temperaturschalter) kombiniert. Zum Frostschutz oder in Schaltschränken werden oft selbstregelnde Heizwiderstände (bestehen aus oder enthalten einen Kaltleiter) verwendet.

Ebenfalls auf Widerstandsheizung beruht die Induktive Erwärmung.

Wirkungsgrad[Bearbeiten]

Ein Heizwiderstand hat prinzipiell einen Wirkungsgrad von 100 Prozent, jedoch kommt unter Umständen nur ein geringer Teil der erzeugten Wärme am Zielobjekt an. Der Wirkungsgrad hängt daher stark von der verwendeten Bauform und vom Einsatzzweck ab. Ein Tauchsieder oder Wasserkocher erzeugt ungenutzte Wärme lediglich zu seiner eigenen Erwärmung bzw. zur Erwärmung des Topfes, er hat einen Wirkungsgrad von ca. 90 Prozent. Eine Kochplatte im Elektroherd, deren Heizwendel in eine Metall- und Keramikkonstruktion eingebettet ist, hat eine wesentlich größere Wärmekapazität, so dass ein nicht unbeachtlicher Teil der eingesetzten Energie nicht der Erwärmung der Speisen dient. Ein weiterer Teil der Wärmeleistung geht zudem durch Wärmeleitung in die Herdfläche über.

Vor allem aber bleibt bei dieser Betrachtung der Wirkungsgrad bei der Erzeugung der elektrischen Energie aus Primärenergie unberücksichtigt, obwohl er bei Wärmekraftwerken weit unter 50 % liegt. Die Wirkungsgrade von Heizgeräten berücksichtigen jedoch lediglich die Umwandlung von elektrischer Energie in genutzte Wärme. Trotz des hohen Wirkungsgrades einer elektrischen Heizung handelt es sich somit um eine sehr ineffiziente und teure Art der Wärmeerzeugung. Sie wird daher im Allgemeinen auf Fälle beschränkt, bei denen kein anderer Energieträger benutzt werden kann.

Quellenangaben[Bearbeiten]

  1. Flexible Heizmanschetten. Abgerufen am 2012.
  2. Volkmar M. Schmidt: Elektrochemische Verfahrenstechnik, ISBN 978-3-527-62362-4
  3. Scriptum Elektrochemie (PDF; 1,3 MB) der Universität Siegen, Seite 184

Literatur[Bearbeiten]

Fachbücher[Bearbeiten]

  • Hans Fischer: Werkstoffe in der Elektrotechnik. 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München/Wien 1982, ISBN 3-446-13553-7
  • Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9
  • A. Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4. Auflagen, Verlag Europa–Lehrmittel, Wuppertal 1965

Fachbroschüren und Fachartikel[Bearbeiten]

  • Dieter Brockers: Lexikon Widerstände. Gino Else GmbH Elektrotechnische Fabrik, 1998