Widerstandsheizung

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

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 ja nach Form und Ausführung von der Heizpatrone (eine zylindrische Metallpatrone als Gehäuse mit einer gewendelte Heizwicklung innen), der Heizwendel, dem Heizleiter, dem Heizband, der Heizmanschette (meist als flexible Manschette beispielsweise zum Wärmen von Maschinen und Geräten in kalten Arbeitsumgebungen), 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

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

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 meist 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

• 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.

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.

Wirkungsgrad

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 lediglich verlorene Wärme zu seiner eigenen Erwärmung bzw. zu derjenigen des Topfes, er hat daher einen Wirkungsgrad von ca. 90 Prozent. Eine Elektroherd-Kochplatte, deren Heizwendel in eine Metall- und Keramikkonstruktion eingebettet ist, hat eine wesentlich größere Wärmekapazität, ein Teil der Wärmeleistung geht überdies durch Wärmeleitung in die Herdfläche verloren.

Diese Wirkungsgrade berücksichtigen nur die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme. Der Wirkungsgrad bei der Herstellung dieser elektrischen Energie aus Primärenergie ist erheblich geringer. Trotz des hohen Wirkungsgrades einer elektrischen Heizung ist dies somit einer sehr ineffiziente und teure Art der Wärmeerzeugung. Sie ist daher auf Fälle beschränkt, bei denen kein anderer Energieträger benutzt werden kann.

Literatur

Fachbücher

• 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

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