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2025-12-08T18:56:10Z

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[[Datei:Nachtspeicherheizung 2.jpg|mini|300px|Heizstange einer Elektroheizung mit angepassten [[Schamotte|Schamott-Steinen]]]]
Ein '''Heizwiderstand''' ist ein [[Widerstand (Bauelement)|Widerstand]], der den Zweck hat, [[Elektroenergie|elektrische Energie]] in thermische Energie ([[Wärme]]) umzuwandeln.

== Aufbau ==
Ein Heizwiderstand als Bauteil einer '''Widerstandsheizung''' ist in seiner einfachsten Ausführung ein Metalldraht, auch Heizleiter oder '''Heizdraht''' genannt. Zum Heizen mittels [[joulesche Wärme|Joulescher Wärme]] siehe auch [[Elektrowärme]].

Selbst schlecht leitende Metalle ergeben meist eine große erforderliche Drahtlänge, um mit gängigen Spannungen (zum Beispiel 230 V Netzspannung) nicht zu überhitzen, daher [[helix|wendelt]] man die Drähte oft oder legt sie in Mäanderform.

Werden [[Halbleiter]], wie zum Beispiel [[Siliciumcarbid|Siliziumcarbid]] oder [[Graphit]], als Heizleiter verwendet, sind die Heizelemente kompakter aufgebaut und haben die Gestalt von Stäben oder Rohren. Siehe auch [[Globar]].

Heizwendeln werden, wenn sie nicht frei liegen können, in isolierende Formteile eingelegt oder z. B. mittels Sand bzw. Zement in Metallrohren oder -platten fixiert. Mit Drähten oder Bändern umwickelte Isolierkörper oder Rohre finden sich z. B. in [[Lötkolben]] oder [[Toaster]]n.

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

Je nach Anwendung werden Heizpatronen (zylindrische Metallhülse als Gehäuse mit einer Heizwendel innen), Heizbänder, Heizmanschetten,<ref>{{Internetquelle |url=http://lcs-isotherm.de/index.php?option=com_content&view=article&id=85&Itemid=96&lang=de |titel=Flexible Heizmanschetten |zugriff=2012}}</ref> Heizmatten oder Heizregister (Heizdrähte geben die Wärme direkt an die vorbeiströmende Luft ab) gefertigt. Elektrische Heizkörper verteilen die aus einer Widerstandsheizung stammende Wärme mittels Wärmeleitung auf eine große Fläche oder z. B. mittels Konvektion auf ein großes Volumen ([[Ölradiator]]).

== Prinzip ==
Die Wärme wird erzeugt, indem ein leitfähiges Material von Strom durchflossen wird und sich durch die Joulesche Wärme erhitzt. Prinzipiell lässt sich jeder stromdurchflossene Metalldraht für diesen Zweck verwenden, jedoch wählt man Stoffe und Legierungen, die eine besonders hohe Temperatur erreichen können, ohne zu schmelzen oder zu oxidieren. Der [[Spezifischer elektrischer Widerstand|spezifische Widerstand]] sollte möglichst hoch sein, um kürzere Heizleiter einsetzen zu können. Zweckmäßig ist zudem ein möglichst geringer positiver Temperaturkoeffizient (Metalllegierungen auf Basis Eisen, Nickel, Chrom, Kobalt) oder sogar ein negativer Temperaturkoeffizient des spezifischen elektrischen Widerstandes (Halbleiter wie SiC oder Graphit). Dadurch wird lokale Überhitzung vermieden.

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

Zur Leistungssteuerung können mehrere Widerstände parallel oder in Serie geschaltet werden, siehe z. B. [[Siebentaktschaltung]] bei Kochplatten.

== Materialien ==
Als Material werden meist spezielle [[Heizleiterlegierung]]en oder Widerstandslegierungen (DIN 17471) aus austenitischen CrFeNi-Legierungen oder ferritischen CrFeAl-Legierungen verwendet, die einen über weite Temperaturbereiche annähernd konstanten [[Spezifischer Widerstand|spezifischen elektrischen Widerstand]] besitzen, einen besonders hohen Schmelzpunkt haben (z. B. [[Wolfram]] für [[Glühwendel]]n bei Abwesenheit von Sauerstoff) oder resistent gegenüber [[Oxidation]] an Luftsauerstoff sind (z. B. [[Heizleiterlegierung#Kanthal|Kanthal]] und Nickel-Eisen-Legierungen). Die hohe Temperaturbeständigkeit dieser Materialien beruht auf der Ausbildung einer schützenden Oxidhaut auf der Oberfläche.

Halbleitende Materialien wie [[Siliziumkarbid]], [[Molybdändisilicid]] und [[Graphit]] haben einen bei Temperaturerhöhung sinkenden Widerstand und können daher oft nicht ungesteuert betrieben werden.<ref name="Verfahren">{{Literatur |Autor=Carl Kramer, Alfred Mühlbauer |Titel=Praxishandbuch Thermoprozess-Technik Grundlagen |Verlag=Vulkan-Verlag |Datum=2002 |ISBN=978-3-8027-2922-5 |Seiten=288 |Online={{Google Buch | BuchID=cGDdtkxVE_IC | Seite=288 }}}}</ref>

Heizwendeln werden sowohl [[freitragend]] als auch um einen hitzebeständigen Kern gewickelt oder in elektrisch isolierende Materialien gebettet verwendet. Isoliermaterialien sind zum Beispiel [[Porzellan]], Glas, [[Quarzglas]], [[Glimmer]], [[Schamotte]], [[Steatit]] (Elektroporzellan) oder Steinwolle.

== Anwendungsbeispiele ==
* [[Elektroherd]]e zur Speisenzubereitung
* [[Durchlauferhitzer#Elektrische Durchlauferhitzer|Elektrische Durchlauferhitzer]] zur Wassererwärmung
* Elektrische [[Lötkolben]] haben eine zylindrische Heizpatrone mit einer gewendelten Heizwicklung im Inneren oder ein selbstregelndes Heizelement ([[Kaltleiter]] oder PTC-Widerstand).
* [[Tauchsieder]] und Heizelemente in [[Wasserkocher]]n sowie in Back- und Grillgeräten bestehen aus einem Rohr und einem gewendelten, gegen das Rohr isolierten Heizleiter im Inneren.
* [[Fußbodenheizung#Elektro-Heizungen|Elektrische Fußbodenheizungen]]
* Heizelemente von [[Folienschweißgerät]]en (siehe dazu [[Vakuumiergerät]]) haben ein flaches isoliertes Heizband.
* [[Heizlüfter]], [[Wäschetrockner]], [[Heißluftpistole]]n 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 [[Dickschichttechnik|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]].
* Mittels Stromdurchfluss beheizte Schiffchen zum [[Bedampfen]] 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 einem oder enthalten einen [[Kaltleiter]]) verwendet.

Ebenfalls auf Widerstandsheizung beruht die [[Induktive Erwärmung]]. Hier bildet das zu erwärmende Gut in Form einer Kurzschlussspule (Wirbelstrom) den Heizwiderstand.

Folgende Verfahren nutzen ebenfalls Stromwärme bei Stromfluss im zu erwärmenden Gut:
* Bei der Herstellung von Aluminium durch [[Schmelzflusselektrolyse]] im [[Hall-Héroult-Prozess|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.<ref>Volkmar M. Schmidt: ''Elektrochemische Verfahrenstechnik'', ISBN 978-3-527-62362-4.</ref><ref>[http://www2.uni-siegen.de/~pciii/PC14.pdf Scriptum ''Elektrochemie''] (PDF; 1,3 MB) der Universität Siegen, Seite 184.</ref>
* [[Schmelz-Reduktionsofen|Schmelz-Reduktionsöfen]] zur Erschmelzung von Produkten für das [[Metallurgie|Hüttenwesen]].

== Wirkungsgrad ==
Ein Heizwiderstand hat prinzipiell einen [[Wirkungsgrad]] von 100 Prozent in der Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme, jedoch kommt unter Umständen nur ein geringer Teil der erzeugten Wärme am Zielobjekt an. Die [[Energieeffizienz]] 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 kann über 90 Prozent der Wärme ins Kochwasser abgegeben. 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, und ein Teil der Wärmeleistung geht durch Wärmeleitung in den Herd 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 Widerstandsheizung handelt es sich somit um eine ineffiziente und teure Art der Wärmeerzeugung. Sie wird daher im Allgemeinen auf Fälle beschränkt, bei denen kein anderer [[Energieträger]] benutzt werden kann oder wenn elektrische Energie im Überfluss vorhanden ist. Dies ist zunehmend der Fall bei Windkraft und Photovoltaik, wenn mehr Strom erzeugt wird, als im Netz gebraucht wird und keine andere Verwendung wie Batteriespeicher oder Wasserstofferzeugung vorhanden oder zu teuer ist. Mit dem Konzept [[Power-to-Heat]] ist die Energiespeicherung in großen Wassertanks viel günstiger, wenn die Wärme lokal oder in einem Fernwärmenetz genutzt werden kann. Obwohl dazu bevorzugt Wärmepumpen dienen, kann es so große Leistungsspitzen von kurzer Dauer geben, die nur durch Widerstandsheizelemente aufgenommen werden können.

Auch die [[Strahlungsheizung]] benötigt viel mehr Strom als eine Wärmepumpe für die Lieferung derselben Wärmemenge. Jedoch ist kurzfristige Regulierbarkeit sehr hoch bei mobilen oder temporären Anwendungen. Dasselbe gilt für elektrische Durchlauferhitzer, die nahe bei Verbrauchern wie Duschen montiert sind. Hier sind die Stillstandsverluste klein oder fallen weg. Je nach Art des Gebrauchs kann auf Dauer eine Energieersparnis erreicht werden trotz des momentan hohen Stromverbrauchs.

== Literatur ==
'''Fachbücher'''
* Hans Fischer: ''Werkstoffe in der Elektrotechnik.'' 2. Auflage. Hanser, München / Wien 1982, ISBN 3-446-13553-7
* Günter Springer: ''Fachkunde Elektrotechnik.'' 18. Auflage. Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9
* Adolf Senner: ''Fachkunde Elektrotechnik.'' 4. Auflage. Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1965, {{DNB|451091205}}.

'''Fachbroschüren und Fachartikel'''
* Dieter Brockers: [http://www.gino.de/lexikon.html?pe_id=18&lexikon_char=1 ''Lexikon Widerstände''.] Gino Ese Elektrotechnische Fabrik, Bonn 1998 / 2006.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Widerstand]]
[[Kategorie:Elektrowärmegerät]]

Heizwiderstand - Versionsgeschichte

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