I. Technische Keramik - was genau ist das?

Sie sind es gewohnt, mit Metallen zu arbeiten? Sie kennen genau die verschiedenen Legierungen und deren Vorteile? Haben umfangreiche Erfahrung in den verschiedenen Metallbearbeitungsverfahren? Wissen genau, wie Sie in Ihren Konstruktionen die Festigkeitswerte der einzelnen Metall-Komponenten auslegen müssen?

Aber bei Keramik kommen Ihnen doch zuerst Teller und Fliesen in den Sinn? Dann geht es Ihnen wie auch manchen unserer Ingenieurkollegen, als Sie sich nach jahrelanger Konstrukteurstätigkeit im Maschinen- und Anlagenbau oder der Robotik der technischen Keramik zugewandt haben.

Denn technische Keramik - und Siliziumnitrid im Besonderen, das bei Bach RC zur Herstellung der vollkeramischen Heizelemente verwendet wird - ist zugegebenermaßen immer noch ein recht exotischer Werkstoff, der sich von den eingangs zitierten Tellern und Fliesen ganz erheblich unterscheidet.

Wie auch bei den verschiedenen metallischen Werkstoffen gilt es, einige Besonderheiten der technischen Keramik zu beachten, damit man das volle Potential dieser faszinierenden Werkstoffklasse voll ausnutzen kann.

Dazu wollen wir Ihnen hier aus unserer praktischen Erfahrung einige Hinweise geben.

Keramik bricht leicht?

Nicht unser Werkstoff! Siliziumnitrid, der für die vollkeramischen Heizelemente von Bach RC verwendete Werkstoff aus der Gruppe der sogenannten „technischen Keramik“, bricht erst ab einer Biegebelastung von 400 N/mm². Das ist ein Wert, der vergleichbar ist mit der Festigkeit von typischen Stählen.

Grundsätzlich ist der Bruch jedoch tatsächlich der Hauptversagensmechanismus von Keramik, denn es handelt sich um sogenannte sprödharte Werkstoffe, die sich nur in sehr geringem Maß elastisch bzw. plastisch verformen. Zwischen verschiedenen Keramiken gibt es aber ganz erhebliche Unterschiede: Typische Biegefestigkeitswerte von Baukeramik - etwa von Fliesen - liegen bei etwa 50 N/mm², während sich die Biegefestigkeit von Siliziumnitrid - wie eingangs erwähnt - auf dem Niveau von Stahl bewegt.

Anders als die meisten metallischen Werkstoffe verformt sich Siliziumnitrid jedoch kaum elastisch. D.h. es kündigt sich nicht „schleichend“ an, dass der Werkstoff nahe an der Versagensgrenze betrieben wird. Es ist also in jedem Fall sinnvoll, die Einbausituation hinsichtlich der mechanischen Belastungen genau zu analysieren.

Hinweise zur Gestaltung der Einbausituation für verschiedene Anwendungsfälle finden Sie unten in unseren FAQ. Gerne unterstützt Sie auch unser Ingenieurteam.

Keramik kann nicht auf Druck belastet werden?

Im Gegenteil: Die Druckbelastbarkeit von Siliziumnitrid ist mit 2000 N/mm² extrem hoch. Auch der direkte Vergleich der E-Module zeigt das enorme Potential der keramischen Werkstoffe. Siliziumnitrid hat einen E-Modul von 320 GPa, ein typischer Baustahl nur 210 GPa.

Um diese extrem hohe Druckfestigkeit und geringe Verformung voll ausnutzen zu können, ist es jedoch wichtig, dass die Druckbelastung nicht von einer Biegebelastung oder gar Kerbschlagbiegung überlagert wird: Das heißt, dass die Druckkräfte gleichmäßig und ohne Schlag in die Keramik eingeleitet werden sollen. Sehr gut eignen sich hierfür ebene und parallele Flächen zur Krafteinleitung. Die keramischen Heizelemente können dafür speziell auf besonders gute Ebenheit und Parallelität gefertigt werden.

Keramik hat raue Oberflächen und keine gute Formgenauigkeit?

Bei unseren Heizelementen ist das nicht so! Mit Schleifbearbeitung lassen sich bei Siliziumnitrid-Keramik höchste Formgenauigkeiten und Oberflächengüten herstellen: Exakte Bohrungen und Senkungen sind ebenso möglich wie kundenspezifisch angepasste Außengeometrien. Ebenheiten und Parallelitäten können im einstelligen Mikrometer-Bereich gefertigt werden. Und die Besonderheit dabei: Die Wärmedehnung von Siliziumnitrid ist mit 3 * 10^-6/K so gering, dass die hergestellten Maße auch bei hohen Temperaturen erhalten bleiben: Typische Stähle dehnen sich mit Wärmedehnungen von etwa 18 * 10^-6/K um ein Mehrfaches so stark und neigen daher stark zu thermischem Verzug.

Nach dem Sintern, bei dem die zuvor einzelnen Pulverpartikel zu einem monolithischen Festkörper werden, weisen die Heizelemente zunächst tatsächlich eine etwas raue oberflächliche Sinterhaut (R_a ca. 5µm) auf.

Wo es nicht anders erforderlich ist, kann diese Sinterhaut auf der Oberfläche der Heizelemente verbleiben (häufig etwa bei Strahlungsheizelementen). Meistens werden die Heizelemente aber geschliffen. Wegen der hohen Härte der Siliziumnitrid-Keramik kann diese Bearbeitung nur mit Diamantwerkzeugen erfolgen - ein Mehraufwand bei der Bearbeitung, der aber große Vorteile für den Einsatz der Heizelemente hat: Denn so viel Widerstand die Keramik der Bearbeitung entgegensetzt, so verschleißbeständig ist sie auch im Betrieb.

Keramik ist ein elektrischer Isolator - für den Einsatz als Heizelement braucht man also ein Metall als Heizleiter?

Bei unseren Heizelementen wird kein metallischer Heizdraht verwendet! Für den elektrischen Heizleiter kommt die technologische Kernkompetenz von Bach RC zum Einsatz: Mit einer speziell entwickelten Technologie wird das eigentlich elektrisch hochisolierende Siliziumnitrid so dotiert, dass es elektrisch leitfähig wird.

In den - wegen der gleichermaßen keramischen Basis von Heizleiter und Isolator als „vollkeramisch“ bezeichneten - Heizelementen wird der keramische Heizleiter dabei immer von Isolatormaterial umschlossen. Die Hülle des Heizelementes ist daher elektrisch isolierend, der Heizleiter befindet sich im Innern.

Viele technische Keramiken, darunter auch Siliziumnitrid, exzellente elektrische Isolationseigenschaften: Mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 10¹⁵ Ωcm zeigt Siliziumnitrid elektrische Isolationseigenschaften auf dem Niveau von Bauteilen, die in der Hochspannungstechnik Verwendung finden, beispielsweise als Isolatoren an Hochspannungsleitungen. Diese Eigenschaft nutzen wir dort, wo sie wichtig und hilfreich ist: Bei der elektrisch isolierenden Hülle.

II. Vollkeramische Heizelemente: Vorteile, Formen, Größen

Welche Vorteile haben vollkeramische Heizelemente?

Siliziumnitrid, die technische Keramik, aus der die Heizelemente von Bach RC bestehen, ist auch unter widrigen Einsatzbedingungen extrem widerstandsfähig. Es ist auch bei Temperaturen bis 1000°C sehr oxidationsstabil und widersteht vielen aggressiven Medien. Der keramische Heizleiter im Innern der Heizelemente ist von seinen Eigenschaften - insbesondere der Wärmedehnung - genau auf die isolierende keramische Hülle angepasst: So entstehen in den Heizelementen kaum thermische Spannungen. Ein direkter Wärmeübergang vom Heizleiter auf die Hülle ist gewährleistet und so lassen sich extrem schnelle Aufheizraten (bis 200 K/s) und sehr hohe Oberflächenleistungen (bis 150 W/cm²) realisieren.

Durch die sehr geringe Wärmedehnung des keramischen Materials tritt auch bei hohen Temperaturen kaum Verzug auf: Die sehr guten Ebenheiten und Parallelitäten, die wir auch bei großformatigen Heizelementen fertigen können, bleiben auch bei hohen Temperaturen erhalten.

Die niedrige Dichte von Siliziumnitrid hält die „thermische Masse“ gering: Zusammen mit der hohen Leistungsdichte können so punktgenaue Heizsysteme realisiert werden, die sehr dynamisch aufgeheizt werden können und auch sehr schnell wieder abkühlen.

Die Verwendung der vollkeramischen Technologie schafft die Voraussetzungen für die Umsetzung unseres Leitsatzes:

„Wärme dorthin bringen, wo sie wirklich benötigt wird!“

In welchen Formen können vollkeramische Heizelemente hergestellt werden?

Vollkeramische Heizelemente lassen sich in ganz verschiedenen Formen herstellen. Einfache geometrische Grundformen wie Quader oder Zylinder sind ebenso herstellbar wie hochgenau gefertigte äußerst komplexe Geometrien: Bohrungen, Passungen, Taschen, Kanäle und Rillen, Oberflächenstrukturierungen können in die Heizelemente ebenso eingebracht werden wie sich aus mehreren (Keramik)bauteilen Baugruppen zusammensetzen lassen. Die konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten sind nahezu unbegrenzt.

Bedingt durch unsere Fertigungstechnologie gibt es allerdings Formen, die dem Fertigungsverfahren, dem keramischen Material und der Funktion besonders entgegenkommen - vor allem sind dies plattenförmige Geometrien. Wir beraten Sie gerne zur optimalen Form des Heizelementes für Ihre Anwendung!

In welchen Größen sind vollkeramische Heizelemente verfügbar?

Die keramischen Heizelemente von Bach RC sind in unterschiedlichsten Größen verfügbar: Es lassen sich beheizte Flächen von wenigen Quadratmillimetern ebenso herstellen wie Heizplatten aus einem Stück mit einem Durchmesser von 400mm. Auf der Homepage finden Sie eine kleine Auswahl der verfügbaren Größen und Formen. Wir haben insgesamt aber bereits über 1000 verschiedene Heizelementtypen gefertigt. Und wenn auch unter diesen 1000 Typen nicht Ihr Wunschkandidat dabei sein sollte, können wir gerne ein kundenspezifisches Heizleiterdesign für Sie entwerfen. Bitte sprechen Sie uns darauf an!

Können die vollkeramischen Heizelemente nach kundenspezifischen Anforderungen gefertigt werden?

Ja. Bach RC ist spezialisiert auf die Fertigung kundenspezifischer Heizelemente - auch in kleinen Stückzahlen bis hin zu Einzelstücken. Wir suchen immer nach neuen Herausforderungen, Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten. Bitte kontaktieren Sie uns auch bei „exotischen“ Anfragen: Unsere Heizelemente befinden sich schon im All und im ewigen Eis, auch Gestein wird mit ihnen geschmolzen. Wir sind guter Dinge, dass wir auch für Ihre Anforderungen eine kreative Lösung finden! Unsere Ingenieure beraten Sie gerne zu den Möglichkeiten!

III. Vollkeramische Heizelemente: Temperaturen

Welche Temperatur können unsere keramischen Heizelemente erreichen?

Wir bieten keramische Heizelemente an, die bis 1000°C betrieben werden können. Einige Typen sind für den Betrieb bis 500°C ausgelegt. Mehr über die Unterschiede bei der konstruktiven Auslegung erfahren sie unter „Was ist eine kalte Zone“ und „Was versteht man unter einer beheizten Zone“.

Siliziumnitrid hat eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit. Auch bei sehr hohen Temperaturen kommt es daher nur zu extrem geringer Reaktion des Heizelementes mit dem Luftsauerstoff - das erlaubt eine sehr lange Lebensdauer der Heizelemente auch bei hohen Betriebstemperaturen.

Was ist eine „kalte Zone“?

Die „kalte Zone“ ist ein Bereich des Heizelementes, in dem konstruktiv vorgesehen eine geringere Heizleistung erzeugt wird. Dadurch erwärmt sich hier das Heizelement auch nur in geringerem Maße. Der Bereich der „kalten Zone“ wird zum Anlöten der elektrischen Kontakte verwendet. Die geringere Temperatur der „kalten Zone“ schützt die Kontakte, denn das Lotmaterial darf nur bis maximal 500°C erwärmt werden.

Heizelemente, die bei einer Temperatur von über 500°C betrieben werden sollen, benötigen eine sogenannte „kalte Zone“ für die elektrischen Kontakte.

Beim Einbau der Heizelemente ist darauf zu achten, dass im Bereich der „kalten Zone“ - insbesondere direkt an den angelöteten elektrischen Kontakten - eine ausreichende Wärmeabfuhr gewährleistet ist. Keinesfalls darf etwa in diesem Bereich eine thermische Isolation um das Heizelement gelegt werden. „Kalt“ ist für die „kalte Zone“ ein relativer Begriff: Im Extremfall kann auch die Temperatur an der „kalten Zone“ bis zu 500°C betragen.

Was versteht man unter einer „beheizten Zone“?

Die beheizte Zone ist der Bereich des Heizelementes, der bis zur spezifizierten Maximaltemperatur betrieben werden kann. Die „beheizte Zone“ schließt sich geometrisch an die „kalte Zone“ an. Die „beheizte Zone“ ist für die spezifizierte Maximaltemperatur des Heizelementes (beispielsweise 800°C oder 1000°C) ausgelegt. Am Übergang zwischen „kalter“ und „beheizter“ Zone bildet sich ein Bereich mit Temperaturverlauf aus.

Einige Heizelemente von Bach RC dürfen nur bis 500°C betrieben werden. Warum ist das so?

Das für die elektrischen Kontakte der Heizelemente verwendete Hochtemperatur-Lot darf bis maximal 500°C betrieben werden. Wenn ein Heizelement keine „kalte Zone“ hat, werden die Kontakte in der „beheizten Zone“ angelötet und für das gesamte Heizelement gilt eine Maximaltemperatur von 500°C.

Wie kann ich die Temperatur des Heizelementes messen?

Zur Messung der Temperatur des Heizelementes bieten wir in das Heizelement integrierte Bohrungen an. In diese Bohrungen können Mantel-Thermoelemente oder Widerstands-Temperaturmesssensoren eingebracht werden. So erfolgt die Temperaturmessung direkt am Heizelement.

Wie kann ich die Temperatur des Heizelementes regeln?

Zur Temperaturregelung der Heizelemente bieten wir verschiedene Temperaturregelgeräte an. Die Ausstattung der Regelgeräte reicht dabei von einer einfachen Solltemperaturvorgabe, die das Heizelement einhält, bis zu aufwendigen Regelgeräten mit Programmsteuerung des Temperaturverlaufes, mehrzoniger Regelung, Prozessvisualisierung und -protokollierung. Auch eine Integration in eine übergeordnete SPS ist möglich.

Können die Heizelemente mit mehreren separat regelbaren Heizzonen ausgestattet werden?

Das ist möglich: Wir können Ihr Heizelement als Multizonen-Heizer auslegen und Ihnen auch passende Regelungstechnik anpassen. So können gezielt Wärmeverluste in die Umgebung (zum Beispiel an Befestigungsstellen des Heizelementes) kompensiert werden, um eine optimale Temperaturhomogenität zu erzielen, oder aber gezielte Temperaturverläufe eingestellt werden.

Lässt sich bei vollkeramischen Heizelementen ein gezieltes Temperaturprofil einstellen?

Ja. Es gibt sogar mehrere Möglichkeiten, mit denen sich ein gezieltes Temperaturprofil einstellen lässt: Zum einen kann der Heizleiter im Innern des Heizelementes in seiner Form und Lage so angepasst werden, dass sich beim Betrieb des Heizelementes das gewünschte Temperaturprofil einstellt.

Wenn das Temperaturprofil zudem noch zeitlich veränderbar sein soll, können auch mehrere Heizzonen vorgesehen werden.

Ist die Temperatur der Heizelemente selbstlimitierend?

Grundlegend sind die Heizelemente nicht selbstlimitierend ausgelegt. Eine separate Temperaturregelung ist erforderlich.

Ausgewählte Heizelementtypen können für genau definierte Einsatzbedingungen so ausgelegt werden, dass sie bei Betrieb an Nennspannung keiner zusätzlichen Temperaturregelung bedürfen und durch Konvektion und Abstrahlung bei ihrer Zieltemperatur selbstlimitierend sind.

Wo muss ich die Temperatur des Heizelementes messen?

Wenn am Heizelement selbst eine Temperaturmessung erfolgen soll, empfehlen wir, den Temperatursensor mittig in der „beheizten Zone“ anzubringen. So wird die höchste Temperatur des Heizelementes erfasst.

Häufig ist für einen Erwärmungsprozess aber gar nicht die Temperatur des Heizelementes, sondern die eines erwärmten Bauteils - etwa eines Werkzeugs oder einer Materialprobe - wichtig. Dann kann die Temperaturmessung natürlich auch in etwas Entfernung vom Heizelement in dem betreffenden Bauteil erfolgen. Bitte beachten Sie aber dabei: Je weiter entfernt vom Heizelement die Temperaturmessung gemessen wird, desto stärkere Unterschiede zwischen der gemessenen Temperatur und der tatsächlichen Temperatur am Heizelement können auftreten. Für die Betriebssicherheit des Heizelementes muss aber immer sichergestellt sein, dass die zulässigen Maximaltemperaturen nicht überschritten werden, insbesondere darf die Temperatur an den gelöteten elektrischen Kontakten maximal 500°C betragen.

IV. Vollkeramische Heizelemente: Leistung, Spannung, Widerstand

Mit welcher Nennspannung können die vollkeramischen Heizelemente von Bach RC betrieben werden?

Wir bieten Heizelemente für sämtliche gebräuchliche Niederspannungen an: 12V, 24V, 48V, 110V, 230V und 400V. Dabei sind die angegebenen Nennspannungen jeweils als maximale Nennspannungen für das betreffende Heizelement zu sehen, d.h. ein Betrieb an einer niedrigeren Spannung ist möglich.

Ist für den Betrieb der Heizelemente Gleich- oder Wechselspannung erforderlich?

Grundlegend sind die Heizelemente von Bach RC ohmsche Widerstände, daher ist ein Betrieb sowohl an Gleich- als auch an Wechselspannung möglich.

Für welche elektrischen Ströme sind die Heizelemente ausgelegt?

Die zulässigen Stromstärken der einzelnen Heizelemente entnehmen Sie bitte den Betriebsanleitungen Ihres Heizelementes. Sie können die zulässigen Stromstärken auch gerne im Vorfeld bei uns erfragen.

Welche Leistung haben die keramischen Heizelemente von Bach RC?

Mit der vollkeramischen Technologie von Bach RC können sehr hohe Oberflächenleistungen bis 150 W/cm²; erzeugt werden. Auch bei kompakten Bauformen lassen sich so große Wärmemengen erzeugen.

Wichtig für den dauerhaft stabilen Betrieb der Heizelemente ist, dass die erzeugte Wärme in den zu beheizenden Körper eingeleitet oder an die Umgebung abgegeben wird. Wird mehr Wärme erzeugt, als abgegeben werden kann, droht das Heizelement zu überhitzen bzw. muss die Heizleistung vom Regelgerät heruntergeregelt werden.

Daher sollte die benötigte Heizleistung immer aus den konstruktiven und thermischen Gegebenheiten der Anwendung abgeleitet werden (vgl. unten “Welche Heizleistung benötige ich für mein Heizelement“).

Warum wird bei den meisten Heizelementen der Widerstand und nicht die Leistung angegeben?

Der elektrische Widerstand ergibt sich aus der Beschaffenheit der Heizelemente selbst, insbesondere aus der Länge, dem Querschnitt und dem sogenannten spezifischen elektrischen Widerstand des verwendeten Materials für den elektrischen Heizleiter.

Die Leistung hingegen wird zudem noch von Faktoren bestimmt, die unabhängig vom Heizelement selbst sind, namentlich von der anliegenden elektrischen Spannung.

Elektrisch betrachtet verhalten sich die Heizelemente von Bach RC in den spezifizierten Betriebsspannungs- und Frequenzbereichen wie ohmsche Widerstände, d.h. die Widerstandswerte sind unabhängig von der Betriebsspannung, der Stromstärke und der Frequenz.

Der Widerstandwert der Heizelemente wird bei Bach RC in der Regel bei Raumtemperatur (20°C) und immer mit einer Schwankungsbreite angegeben (üblicherweise ±25%).

Wie verhält sich der elektrische Widerstand der Heizelemente unter Temperatur?

Mit steigender Temperatur der Heizelemente erhöht sich auch deren Widerstand, die Heizelemente zeigen ein sogenanntes PTC-Verhalten (Positive Temperature Coefficient). Beim Abkühlen der Heizelemente sinkt der Widerstand wieder auf den ursprünglichen Wert ab.

Wie lässt sich aus den angegebenen Widerstandswerten die Leistung berechnen?

Nach dem ohmschen Gesetz berechnet sich die Leistung P in Watt [W] aus der Betriebsspannung U in Volt [V] und dem Widerstand R in Ohm [Ω] nach P = U²
R. Für die Widerstandsangabe der Heizelemente wird i.d.R. der sogenannte „Kaltwiderstand“ (Heizelement bei 20°C Bezugstemperatur) angegeben. Mit ansteigender Temperatur des Heizelementes steigt - wie oben beschrieben - auch der Widerstand. Damit sinkt die Heizleistung.

Welche Heizleistung benötige ich für mein Heizelement?

Anders formuliert lautet diese Frage: Wie viel Material von welcher Art soll innerhalb welcher Zeit von welcher Anfangstemperatur auf welche Endtemperatur bei welchen Umgebungsbedingungen erwärmt werden? Eine sehr komplexe Frage…

Es bieten sich mehrere Wege an, um darauf eine Antwort zu finden:

• Für eine Erstdimensionierung können Sie unseren „Leistungs-Rechner“
• Gerne können Sie zur Beratung einen unserer Vertriebsmitarbeiter kontaktieren
• Bach RC bietet Ihnen FEM-Berechnungen als Dienstleistung an. So können ziemlich genaue Vorhersagen für die benötigte Heizleistung getroffen werden. Bei bestehenden Konstruktionen benötigen wir dazu vollständige CAD-Daten sowie die verwendeten Materialien und deren thermische Kennwerte. Auch noch weitergehende Ingenieurdienstleistungen - bis hin zur konstruktiven Auslegung und dem Bau ganzer Baugruppen - sind möglich. Bitte sprechen Sie uns darauf an!

Lässt sich die benötigte Heizleistung abschätzen?

Ja, die benötigte Heizleistung kann man überschlägig abschätzen.

Die wichtigsten Rahmenbedingungen ergeben sich natürlich aus den Anforderungen ihrer geplanten Anwendung. Dazu müssen zunächst einige grundlegende Fragen geklärt werden:

Was ist die Anfangstemperatur des Materials, das erwärmt werden soll?

Auf welche Temperatur soll das Material erwärmt werden?

Wie viel Zeit soll der Aufheizvorgang dauern?

Um welches Material handelt es sich?

Wie viel wiegt das Material?

Wenn Sie diese Werte ermitteln und in den untenstehenden „Leistungs-Rechner“ eingeben, erhalten sie einen ersten Hinweis auf die Heizleistung, die Sie für Ihren Prozess benötigen.

Man sieht leicht: Wenn man die zu erwärmende Masse gering halten kann, reicht auch eine geringere Heizleistung aus. Der thermische Prozess wird sowohl energieeffizienter als auch dynamischer.

Aber Achtung: Dieser einfache Berechnungsansatz bezieht nur den Körper bzw. das Medium ein, das Sie tatsächlich erwärmen wollen. Der zugrunde gelegte Wirkungsgrad beträgt 100%. Leider ist das in technischen Anwendungen nicht realisierbar. Denn sobald die Temperatur eines Körpers oder eines Mediums sich von der Umgebungstemperatur unterscheidet, beginnt er oder es, Wärme an die Umgebung abzugeben oder von ihr aufzunehmen.

Bei Aufheizprozessen, bei denen die Umgebung meist kälter ist, geht Wärme an die Umgebung verloren (Verlustleistung), der Wirkungsgrad sinkt. Will man nicht die Aufheizzeit verlängern, muss die Heizleistung um die Verlustleistung erhöht werden.

Wie viel Wärme verloren geht, ist von der konstruktiven Auslegung im jeweiligen Prozess abhängig. Die untenstehenden Wirkungsgrade für verschiedene Wärmeübertragungsarten sind wirklich nur als grobe Anhaltspunkte zu verstehen. Unter realen Bedingungen können sich u.U. stark abweichende Werte ergeben.

Als Leitfaden empfehlen wir daher meist, eine deutlich höhere Heizleistung vorzuhalten, als tatsächlich benötigt wird. Die kann meist durch eine einfache Anpassung des Widerstandes ohne Mehrkosten für Sie geschehen. Dann haben Sie für alle Fälle einen Rennwagen zur Verfügung, mit dem Sie aber ganz entspannt auch Schrittgeschwindigkeit fahren können.

Joule, Watt und Wärmekapazität. Wie war das nochmal mit der Physik?

Einige grundlegende Überlegungen aus der Physik helfen bei einer groben Erst-Dimensionierung der benötigten Leistung.

Um einen Körper oder ein Medium zu erwärmen, muss ihm eine bestimmte Wärmemenge zugeführt werden. Die Einheit für die Wärme ist Joule [J].

Leistung ist allgemein als „Arbeit pro Zeit“ definiert. Für thermische Prozesse lässt sich diese allgemeine Definition zu „Wärmemenge pro Zeit“ konkretisieren, angegeben in der Einheit Joule pro Sekunde oder gebräuchlicher Watt [W].

Wenn man nun einerseits weiß, welche Wärmemenge man benötigt, um einen Körper oder ein Medium auf eine bestimmte Temperatur zu bringen und andererseits, wie viel Zeit dieser Aufheizvorgang benötigen darf, lässt sich die benötigte Heizleistung einfach ausrechnen.

Zur Berechnung der Wärmemenge benötigt man einerseits die Masse des zu erwärmenden Körpers oder Mediums [kg] und andererseits dessen spezifische Wärmekapazität. Die spezifische Wärmekapazität ist eine Stoffeigenschaft, meist angegeben in kJ/(kg*K). Für einige häufig verwendete Materialien haben wir für Sie im „Leistungs-Rechner“ aufgeführt.

Die Zeit, die der Aufheizvorgang benötigen darf, ergibt sich aus den Anforderungen ihres thermischen Prozesses.

V. Vollkeramische Heizelemente: Einbau

Was muss ich allgemein beim Einbau der Heizelemente beachten?

Bei der Inbetriebnahme von Heizelementen sollte die Gesamteinbausituation des Heizelementes thermisch und elektrisch nochmals eingehend geprüft werden. Wichtig ist ein fester Sitz des Heizelementes, der auch bei hohen Temperaturen erhalten bleibt, ohne dass aber durch Wärmedehnung von Befestigungsmaterialien zu starker Druck oder Biegung auf das Heizelement ausgeübt wird.

Es sollte ermittelt werden, welche tatsächlichen Temperaturen am Heizelement herrschen um Schäden durch Übertemperatur zu vermeiden. Besonders zu beachten ist, dass die gelöteten Kontaktstellen der Heizelemente bei maximal 500°C betrieben werden. Dazu muss es möglich sein, dass das Heizelement die erzeugte Wärme auch sicher und unter allen Betriebsbedingungen an seine Umgebung abgeben kann.

Die elektrische Isolation des Heizelementes muss so beschaffen sein, dass sie den gültigen Sicherheitsvorschriften entspricht.

Sofern vorhanden, sollte der feste Sitz und die Funktion des oder der Temperaturfühler geprüft werden.

Das Ingenieurteam von Bach RC hat umfangreiche Erfahrungen bei der konstruktiven Gestaltung der Einbausituation unserer vollkeramischen Heizelemente. Gerne beraten wir Sie und fertigen Komponenten zum Einbau der Heizelemente.

Wie werden die Heizelemente elektrisch angeschlossen?

Die elektrischen Anschlüsse werden an die Heizelemente mit kleinen keramischen Kontakt-Pads angelötet. Um diese Pads bildet sich eine Lot-Hohlkehle aus, an der im Betrieb die Betriebsspannung anliegt.

Als Standard befinden sich an den Heizelementen angelötete Nickel-Drähte, meist mit einem Durchmesser von 1mm. Andere Drahtmaterialien und Durchmesser sind möglich. An diese Drähte können mit verschiedenen Verbindungstechniken (Schraubverbindung, Punktschweißung, Crimpen) längere und elektrisch isolierte Leitungen oder Stecker angebracht werden. Bach RC hält ein großes Portfolio möglicher Verlängerungen bereit.

Wie werden Thermoelemente am Heizelement befestigt?

Wir bieten an, in Heizelemente Bohrungen für Mantelthermoelemente einzubringen. Die Bohrungsdurchmesser sind so gewählt, dass sich die Thermoelemente bei Raumtemperatur „saugend“ in diese Bohrungen einstecken lassen. Wird das Heizelement erwärmt, dehnt sich der Stahlmantel des Thermoelementes etwas stärker als die Bohrung aus. Dadurch liegt das Thermoelement noch fester an und hat guten thermischen Kontakt mit dem Heizelement.

Was sollte ich bei der Nutzung des Heizelementes für Wärmeleitung beachten?

Bei Einsatz des Heizelementes zur Kontaktbeheizung muss auf gleichmäßigen Wärmeübergang vom Heizelement in das zu beheizende Material geachtet werden. Ein guter Wärmeübergang lässt sich durch eine möglichst große Berührungsfläche zwischen der beheizten Zone des Heizelements und dem zu beheizenden Material erzielen.

Bei Festkörpern sollte man dazu eine möglichst gute Ebenheit der Kontaktflächen anstreben. Bitte beachten Sie, dass Siliziumnitrid - anders als die meisten Metalle - eine sehr geringe Wärmedehnung aufweist. Viele Metalle neigen aufgrund Ihrer höheren Wärmedehnung beim Erhitzen zum Verzug, wodurch sich die Kontaktfläche zum Heizelement verringert und erhebliche Temperaturgradienten entstehen können.

Was sollte ich bei der Nutzung des Heizelementes für Wärmestrahlung beachten?

Bei der Nutzung des keramischen Heizelementes als Strahlungsheizelement sind angepasste Emissionswerte des abstrahlenden und zu erwärmenden Materials entscheidend. Das vollkeramische Heizelement ist ein langwelliger Infrarotstrahler. Informationen zur Strahlungsemission bei 1000°C finden Sie hier.

Was sollte ich bei der Nutzung des Heizelementes für konvektive Erwärmung beachten?

Bei Nutzung des Heizelementes zur konvektiven Erwärmung von Gasen ist darauf zu achten, dass die Konvektion des Gases dem Heizelement gleichmäßig Wärme entzieht und keine kritischen Temperaturgradienten auftreten können. Dazu sollte die Gasströmung zum Beispiel durch geeignete Leitbleche oder ähnliches geführt werden und sichergestellt werden, dass erwärmtes Gas mit einer Temperatur > 500°C nicht über die Lötstellen der elektrischen Kontakte geleitet wird. Druck und Volumenstrom des Gases und die elektrische Leistung des Heizelementes sollten regelungstechnisch miteinander gekoppelt sein, um optimale Gaserwärmung sicherzustellen und eine Überhitzung des Heizelementes zu vermeiden.

Inhalt

I. Technische Keramik - was genau ist das?

• Keramik bricht leicht?
• Keramik kann nicht auf Druck belastet werden?
• Keramik hat raue Oberflächen und keine gute Formgenauigkeit?
• Keramik ist ein elektrischer Isolator - für den Einsatz als Heizelement braucht man also ein Metall als Heizleiter?

II. Vollkeramische Heizelemente: Vorteile, Formen, Größen

• Welche Vorteile haben vollkeramische Heizelemente?
• In welchen Formen können vollkeramische Heizelemente hergestellt werden?
• In welchen Größen sind vollkeramische Heizelemente verfügbar?
• Können die vollkeramischen Heizelemente nach kundenspezifischen Anforderungen gefertigt werden?

III. Vollkeramische Heizelemente: Temperaturen

• Welche Temperatur können unsere keramischen Heizelemente erreichen?
• Was ist eine „kalte Zone“?
• Was versteht man unter einer „beheizten Zone“?
• Einige Heizelemente von Bach RC dürfen nur bis 500 °C betrieben werden. Warum ist das so?
• Wie kann ich die Temperatur des Heizelementes messen?
• Wie kann ich die Temperatur des Heizelementes regeln?
• Können die Heizelemente mit mehreren separat regelbaren Heizzonen ausgestattet werden?
• Lässt sich bei vollkeramischen Heizelementen ein gezieltes Temperaturprofil einstellen?
• Ist die Temperatur der Heizelemente selbstlimitierend?
• Wo muss ich die Temperatur des Heizelementes messen?

IV. Vollkeramische Heizelemente: Leistung, Spannung, Widerstand

• Mit welcher Nennspannung können die vollkeramischen Heizelemente von Bach RC betrieben werden?
• Ist für den Betrieb der Heizelemente Gleich- oder Wechselspannung erforderlich?
• Für welche elektrischen Ströme sind die Heizelemente ausgelegt?
• Welche Leistung haben die keramischen Heizelemente von Bach RC?
• Warum wird bei den meisten Heizelementen der Widerstand und nicht die Leistung angegeben?
• Wie verhält sich der elektrische Widerstand der Heizelemente unter Temperatur?
• Wie lässt sich aus den angegebenen Widerstandswerten die Leistung berechnen?
• Welche Heizleistung benötige ich für mein Heizelement?
• Lässt sich die benötigte Heizleistung abschätzen?
• Joule, Watt und Wärmekapazität. Wie war das nochmal mit der Physik?

V. Vollkeramische Heizelemente: Einbau

• Was muss ich allgemein beim Einbau der Heizelemente beachten?
• Wie werden die Heizelemente elektrisch angeschlossen?
• Wie werden Thermoelemente am Heizelement befestigt?
• Was sollte ich bei der Nutzung des Heizelementes für Wärmeleitung beachten?
• Was sollte ich bei der Nutzung des Heizelementes für Wärmestrahlung beachten?
• Was sollte ich bei der Nutzung des Heizelementes für konvektive Erwärmung beachten?