Was ist ein Heizelement? Arten industrieller Heizelemente und Einsatzbereiche

Was ist ein Heizelement?

In der Elektrotechnik bezeichnet der Begriff Widerstand den Widerstand, den ein Leiter dem Stromfluss entgegensetzt, in der Elektronik das Bauelement selbst. Im industriellen Sprachgebrauch ist mit einem Heizwiderstand meist ein elektrisches Heizelement gemeint: ein Bauteil aus einem Heizleiter, der sich bei Stromdurchfluss erwärmt, und einem Körper, der diesen Leiter schützt und die Wärme an das Ziel überträgt.

Die Elemente, die den Zylinder einer Kunststoffspritzgießmaschine, die Flüssigkeit eines chemischen Bades, die Luft eines Trockenofens oder eine Siegelbacke in der Verpackungstechnik beheizen, fallen alle unter diese Definition. Sie unterscheiden sich darin, wohin und auf welchem Weg sie die Wärme übertragen.

Wie funktioniert ein Heizelement?

Das Funktionsprinzip beruht auf dem Joule-Effekt: Fließt Strom durch einen Leiter mit elektrischem Widerstand, wird elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Die Leistung eines Heizelements ergibt sich aus der angelegten Spannung und dem Widerstand des Heizleiters (P = U² / R). Ein Element, das bei 230 V eine Leistung von 1000 W abgibt, hat zum Beispiel einen Widerstand von etwa 53 Ω.

Die Umwandlung elektrischer Energie in Wärme erfolgt praktisch verlustfrei. Entscheidend für den Wirkungsgrad eines Heizsystems ist vielmehr, wie gut die erzeugte Wärme auf das zu beheizende Material übertragen wird. Kontaktfläche, Isolierung und Montage sind deshalb ebenso wichtig wie die Leistung.

Wärme wird auf drei Wegen übertragen, und die Bauarten von Heizelementen lassen sich weitgehend nach diesen Wegen unterscheiden:

• Wärmeleitung (Konduktion): Das Heizelement berührt das zu beheizende Metallteil. Heizpatronen, Heizbänder und Gussheizkörper gehören zu dieser Gruppe.
• Konvektion: Das Heizelement befindet sich in einem Medium wie Wasser, Öl oder Luft oder in dessen Strömungsweg. Rohrheizkörper, Flanschheizkörper und Rippenrohrheizkörper gehören zu dieser Gruppe.
• Wärmestrahlung: Die Wärme wird berührungslos als Infrarotstrahlung übertragen. Quarzstrahler und Keramik-Infrarotstrahler gehören zu dieser Gruppe.

Aus welchen Komponenten besteht ein Heizelement?

Unabhängig von der Bauart besteht jedes Heizelement aus drei Grundkomponenten:

• Heizleiter: Meist eine Nickel-Chrom-Legierung (NiCr 80/20). Die Legierung bestimmt die maximale Betriebstemperatur und die Lebensdauer.
• Elektrische Isolierung: Sie muss den Heizleiter gegenüber dem Mantel isolieren und gleichzeitig Wärme durchlassen. In rohrförmigen Elementen wird verdichtetes Magnesiumoxid (MgO) verwendet, in Heizbändern Glimmer oder Keramik.
• Mantel (Gehäuse): Der äußere Teil, der die Wärme an das Ziel überträgt und den Heizleiter vor der Umgebung schützt. Er kann aus Edelstahl (AISI 304, 316, 321), Alloy-800-Serie, Kupfer, Titan, Quarzglas oder Silikonkautschuk bestehen.

Hinzu kommen Montage- und Anschlussteile wie Leitung, Anschlussbolzen, Einschraubnippel oder Flansch. Die Auslegung eines anwendungsspezifischen Heizelements besteht im Kern darin, die richtige Kombination dieser Komponenten zu wählen.

Arten industrieller Heizelemente

Industrielle Heizelemente lassen sich nach Bauform und Einsatzort in folgende Hauptgruppen einteilen:

• Heizpatrone (cartridge heater): Zylindrisches Element, das in eine Bohrung im Metallblock eingesetzt wird. In Werkzeugen, Heißkanälen und Siegelbacken sorgt sie mit hoher Flächenbelastung für eine lokale Beheizung.
• Heizband: Ein Element, das eine zylindrische Fläche von außen umschließt. Bei mittleren Temperaturen werden glimmerisolierte, bei höheren Temperaturen keramikisolierte Ausführungen an den Zylindern von Kunststoffmaschinen eingesetzt.
• Wendelrohrpatrone und Düsenheizband: Kompakte Elemente für Teile mit kleinem Durchmesser wie Spritzdüsen und Heißkanaldüsen.
• Rohrheizkörper: Heizleiter in einem MgO-gefüllten Metallrohr. Gerade oder in die gewünschte Form gebogen, ist er die am weitesten verbreitete Bauart für die Beheizung von Flüssigkeiten, Luft und Werkzeugen.
• Flanschheizkörper und Tankheizungen: Tauchheizkörper, bei denen mehrere Rohrheizkörper auf einem Flansch oder Einschraubnippel zusammengefasst sind und die in Tanks und Kessel eingebaut werden.
• Rippenrohrheizkörper: Rohrheizkörper mit aufgewickelten Metallrippen. Er erwärmt Luft in Lüftungskanälen und Trockenöfen.
• Quarzstrahler und Keramik-Infrarotstrahler: Sie übertragen Wärme durch Strahlung und werden für Lacktrocknung, Thermoformen und Oberflächenerwärmung eingesetzt.
• Silikonheizmatten und Heizkabel und Heizbänder: Dank ihrer Flexibilität werden sie um Fässer, Rohrleitungen und unregelmäßige Oberflächen gewickelt oder aufgeklebt.
• Siliziumkarbid- und MoSi₂-Heizelemente: Keramische Heizelemente für Hochtemperaturöfen, in denen die Grenzen metallischer Heizleiter überschritten werden.
• Explosionsgeschützte Heizer: Heizeinheiten für explosionsfähige Gas- oder Staubatmosphären, die so ausgelegt sind, dass sie keine Zündquelle bilden.

Zum System gehören neben dem Heizer auch Thermoelemente und Pt100-Fühler, die die Temperatur messen, sowie Temperaturregler, die das Heizelement schalten. Für Anwendungen, die in keine Standardform passen, werden kundenspezifische Heizelemente gefertigt.

Unser Produktprogramm ist entsprechend in sechs Familien gegliedert: Werkzeug- und Zylinderheizungen, Flüssigkeits-, Tank- und Prozessheizer, Luft- und Raumheizsysteme, Quarz-Infrarotstrahler, Heizkabel und flexible Flächenheizer sowie Regelung, Messung und Sensoren.

Wo werden industrielle Heizelemente eingesetzt?

Elektrische Beheizung ist sauber, präzise regelbar und direkt am Verbrauchsort installierbar. Deshalb wird sie in vielen Industriezweigen eingesetzt:

• Kunststoffverarbeitung: Spritzgieß- und Extruderzylinder, Düsen, Heißkanalsysteme und Werkzeuge.
• Verpackungsmaschinen: Siegel- und Schneidbacken, Schrumpftunnel.
• Lebensmittelmaschinen: Öfen, Garlinien und Tanks zur Flüssigkeitserwärmung.
• Chemie und Prozesstechnik: Chemische Bäder, Reaktor- und Tankbeheizung, korrosive Flüssigkeiten.
• Energie- und Kesselanlagen: Elektrokessel, Dampf- und Thermalölsysteme.
• Textil und Lüftungs- und Klimatechnik: Trocknungslinien, Klimazentralen und Luftkanäle.

Welche Angaben braucht die Auswahl eines Heizelements?

Um das passende Heizelement festzulegen, muss zuerst die Anwendung beschrieben werden, nicht der Produktname. In der technischen Bewertung werden folgende Angaben abgefragt:

1. Was beheizt wird: Metallblock, Flüssigkeit (Art und chemische Zusammensetzung), Luft oder Oberfläche.
2. Zieltemperatur und gewünschte Aufheizzeit.
3. Einbaugeometrie und Abmessungen: Bohrungsdurchmesser, Zylinderdurchmesser, Tankmaße, Kanalquerschnitt.
4. Leistung und Spannung: Gesamtleistung, Versorgungsspannung, Anzahl der Phasen.
5. Umgebungsbedingungen: Feuchtigkeit, Korrosion, Vibration, explosionsgefährdete Atmosphäre.
6. Anschluss und Regelung: Leitungsabgang, Anschlusskasten, Bedarf an Temperaturfühlern.

Sind diese Angaben geklärt, werden Mantelwerkstoff, Isolierung und Flächenbelastung gemeinsam festgelegt. Die Flächenbelastung, also die pro Flächeneinheit der Oberfläche abgegebene Leistung, ist der Parameter mit dem größten Einfluss auf die Lebensdauer. Wird dieselbe Leistung auf eine größere Fläche verteilt, sinkt die Elementtemperatur und die Lebensdauer steigt.

Ausführliche Auswahlkriterien finden Sie in den Ratgebern zur Auswahl von Heizpatronen, zu Rippenrohrheizkörpern und zu Thermoelement und Pt100, für explosionsgefährdete Bereiche im Ratgeber zu Ex-Schutz und ATEX.

Was bestimmt die Lebensdauer eines Heizelements?

Heizelemente fallen meist durch Überhitzung des Heizleiters oder durch Korrosion des Mantels aus. Die häufigsten Ursachen in der Praxis sind:

• Lockerer Einbau: Ein Spalt zwischen Heizpatrone und Bohrung oder ein Heizband, das den Zylinder nicht vollständig umschließt, verhindert die Wärmeabfuhr vom Element.
• Für das Medium ungeeignete Flächenbelastung: In Öl und viskosen Flüssigkeiten führt eine hohe Flächenbelastung zu Verkokung und Überhitzung.
• Trockenlauf: Ein Tauchheizkörper läuft an der Luft, wenn der Flüssigkeitsstand sinkt.
• Falscher Mantelwerkstoff: Der Mantel wird in korrosiver Umgebung durchgefressen.
• Feuchtigkeit: Nimmt die MgO-Füllung Feuchtigkeit auf, sinkt der Isolationswiderstand. Elemente, die lange gelagert wurden, sollten vor der ersten Inbetriebnahme geprüft werden.
• Ungeregelter Betrieb: Betrieb ohne Temperaturfühler oder mit einem falsch platzierten Fühler.

Häufig gestellte Fragen