Richtig wählen ist die Kunst

Autor Oliver Saam Geschäftsführender Gesellschafter, Heatsystems Elektrowärme-Technik

Vom großen Schweröl-Lagertank, der frostfrei gehalten werden muss, bis hin zum Durchlauferhitzer für Reinstwasser: Viele Medien werden beheizt. Und entsprechend dieser Vielfalt wurden im Laufe der Zeit völlig verschiedene – und entsprechend spezielle – Ausführungen elektrischer Heizelemente entwickelt.

Bei den Lagertanks, bei denen das Entleeren im Falle eines Heizelementdefekts inakzeptabel ist, setzt man meistens austauschbare Heizelemente ein, bei denen der Widerstandsdraht, der den elektrischen Strom in Wärme umwandelt, auf keramischen Trägern fixiert ist. Diese Heizelemente werden dann in Schutzrohre eingeschoben, die so in dem Behälter montiert sind, dass man sie von außen erreichen kann. Der Vorteil der Austauschbarkeit wird allerdings mit dem Nachteil eines anfälligeren Heizelements erkauft: Der Wärmeübergang vom Widerstandsdraht zum Medium ist bestimmt durch den schlechteren Übergang der Energie auf den Heizelementmantel. Um diesen Verlust zu kompensieren, müssen – im Vergleich zu nicht-austauschbaren Heizelementen – entsprechend höhere Temperaturen erzeugt werden, die wiederum zum früheren Ausfall der Heizelemente führen. Bei den in diesem Fall normalerweise beheizten Medien wie Heiz- oder Schweröl ist dieser Aspekt allerdings eher zu vernachlässigen: Da hier weitgehend mit recht niedrigen Oberflächenbelastungen ge-arbeitet wird, sind auch die Temperaturen relativ gering.

Bei der Erwärmung von Reinstwasser dagegen werden ganz andere Prioritäten gesetzt. Hier muss in erster Linie das Medium richtig behandelt werden, d. h. die benetzte Oberfläche muss extrem glatt sein und darf Keimen keinerlei Möglichkeit zur Ansiedlung bieten. Dafür kann eine relativ hohe Leistung pro Oberfläche übertragen werden, weil keine Fouling-Effekte zu befürchten sind. Beim Reinstwasser werden kaum einmal austauschbare Heizelemente eingesetzt, weil sie die hierfür erforderlichen Leistungsdichten meist gar nicht erbringen können.

Die zweite große Gruppe bilden die Heizelemente, die nicht ausgetauscht werden können, ohne das Medium abzulassen. Fertigungstechnisch unterscheidet man unverdichtete und verdichtete Heizelemente. Die verdichteten Heizelemente, zu denen der weitaus am häufigsten anzutreffende Rohrheizkörper nach DIN 44874 zählt, sind von kreisförmigem Querschnitt. Und weil die elektrischen Anschlüsse an beiden Enden dieser Heizelemente liegen (müssen), werden die Elemente üblicherweise u-förmig gebogen, damit beide elektrischen Anschlüsse auf ein und derselben Seite liegen (diesem Konstruktionsprinzip folgt ein Tauchsieder). Der wesentliche Prozessschritt in der (halb-) automatischen Herstellung ist das mechanische Verdichten, was eine besonders gute Wärmeübertragung vom Draht zum Heizelementmantel sicherstellt.

Unverdichtete Heizelemente werden überwiegend in der Stab- oder Patronenform ausgeführt, ihre elektrischen Anschlüsse liegen an einem Ende des Heizelements. Weil man hier keine Rücksicht auf eine Biegung nehmen muss, können diese patronenförmigen Heizelemente im Bündel dichter gepackt werden. Unverdichtete Heizelemente werden selten automatisch gefertigt, sind aber wegen ihrer Fertigungsweise in größerer Vielfalt anzutreffen. Ihr Querschnitt muss auch nicht rund sein.

In der industriellen Fertigung werden die Heiz-elemente üblicherweise durch Schweißen und/oder Hartlöten in einer Flanschplatte oder einem Einschraubnippel fixiert, um die elektrische Heizung gegen den mediumführenden Behälter abdichten zu können. Gerade in dieser Montageweise finden sich feine Details, die für die Wechselwirkung zwischen Heizung und beheiztem Medium entscheidend wichtig werden können: Werden die Rohrheizkörper durch Schweißen mit der Flanschplatte verbunden, können die Ringspalte, die sich zwischen der Bohrung in der Flanschplatte und dem Heizkörper bilden – bedingt durch den Herstellprozess – nicht wirklich verschlossen werden. Der verdichtete Heizkörper lässt sich auch nicht an die Bohrungswand anlegen, wie es bei den unverdichteten Heizelementen möglich ist. Sobald das Medium hier entsprechendes Potenzial bietet, besteht die Gefahr von Spaltkorrosion, oder es können sich Keime ansiedeln, die sich nicht mehr entfernen lassen, was besonders bei der Beheizung von Reinstwasser (wie zum Beispiel WFI) als absolutes K.o.-Kriterium gilt. Werden die Rohrheizkörper hart eingelötet, was nur bei kleineren Dimensionen möglich ist, so muss das Lot gegen das Medium beständig sein, was wiederum bei Reinstwasser oder bestimmten Reinigungsmedien nicht der Fall ist.

Patronenförmige Heizelemente, die es sowohl in unverdichteter als auch in verdichteter Form gibt, haben gegenüber den Rohrheizkörpern Vorteile, die bei industrieller Anwendung viel Boden gutmachen können. Die Auswahl der Materialien für den Heizelementmantel ist dabei fast unbegrenzt. Zum Produktportfolio von heatsystems Elektrowärme-Technik zählen neben C-Stählen und rostfreien Edelstählen als Standardwerkstoffe auch Nickelbasislegierungen, Kupfer-Nickel oder Duplex-Stähle und sogar Titan zu den täglich verarbeiteten Werkstoffen. Dadurch, dass die Patronenheizkörper im Vergleich zu Rohrheizkörpern wesentlich enger gepackt werden können, ist auf gleichem Bauraum bis zu 50 % mehr Oberfläche unterzubringen. Der wichtigste Punkt ist aber, dass der Spalt zwischen Bohrung in der Flanschplatte und dem Heizelement durch mechanische Expansion verschlossen werden kann. Dies ist dasselbe Prinzip, wie es bei Rohrbündel-Wärmetauschern angewandt wird. Hierdurch wird nicht nur die Schweißnaht entlastet, sondern auch die Gefahr der Spaltkorrosion eliminiert.

Als besondere Ausführung bietet heatsystems auch die totraumfreie Einschweißung der Heizelemente, speziell für die Erwärmung von WFI, an. Hierbei wird das Heizelement von der Mediumseite eingeschweißt, sodass es keine Spalte gibt, in denen sich Keime festsetzen können. Natürlich können diese Konstruktionen auch elektropoliert werden, das Verschleifen der Schweißnähte bis zu einer Rautiefe von Ra <0,4µm ist problemlos möglich.

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