Allgemeine Methode zur Bestimmung von Heizungsanforderungen

Die meisten Probleme mit dem elektrischen Heizen lassen sich einfach lösen, wenn man die Wärme bestimmt, die für die Aufgabe benötigt wird. Dazu muss der Wärmebedarf in elektrische Leistung umgerechnet werden, worauf der geeignetste Heizer für die Aufgabe ausgewählt werden kann. Ob es sich um das Erwärmen von Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen handelt, die Methode bzw. der Ansatz zu Bestimmen des Strombedarfs ist immer gleich.

Alle Heizprobleme beinhalten die folgenden Schritte zu ihrer Lösung:

Schritt 1: Das Heizproblem definieren

  • Anwendungsinformationen sammeln
  • Das Problem zur visuellen Referenz aufzeichnen

Schritt 2: Den Strombedarf berechnen

  • Strombedarf zum Einschalten des Systems
  • Strombedarf zum Betreiben des Systems
  • Wärmeverluste im Betrieb

Schritt 3: Faktoren der Systemanwendung in Betracht ziehen

  • Betriebstemperatur
  • Betriebseffizienz
  • Sichere/erlaubte Wattdichten
  • Mechanische Überlegungen
  • Betriebsumgebung
  • Anforderungen an die Heizelement-Nutzungsdauer
  • Überlegungen bezüglich der Kabel

Schritt 4: Heizelement auswählen

  • Typ
  • Größe
  • Menge

Schritt 5: Regelsystem auswählen

  • Temperatursensor-Typ und Einbaustelle auswählen
  • Temperaturregler-Typ
  • Leistungsregler-Typ

Das Problem definieren

Das Heizproblem muss klar dargelegt werden, wobei die Betriebsparameter sorgfältig einbezogen werden müssen. Ziehen Sie folgende Punkte in Betracht:

  • Erwartete Mindesttemperaturen an Anfang und Ende
  • Maximale Strömungsgeschwindigkeit des/der zu heizenden Materials/Materialien
  • Erforderlicher Zeitaufwand zum Aufwärmen und Prozesszykluszeiten
  • Gewichte und Abmessungen von erwärmten Materialien und Behältern
  • Auswirkungen der Isolierung und ihrer thermischen Eigenschaften
  • Elektrische Anforderungen: Spannung
  • Methoden und Stellen der Temperaturerfassung
  • Temperaturregler-Typ
  • Leistungsregler-Typ
  • Limitierungen seitens der Elektrik
  • Und da das von Ihnen geschaffene thermische System u. U. nicht alle möglichen oder unvorhersehbaren Heizanforderungen einbezogen hat, vergessen Sie nicht, einen Safety Factor zu berücksichtigen. Eine Sicherheitsmarge erweitert die Kapazität eines Heizelements über die berechneten Anforderungen hinaus.

Berechnung der erforderten Wärmeenergie

Wenn Sie ihre eigenen Berechnungen ausführen, siehe Gleichungen für Werte der in diesen Gleichungen verwendeten Materialien.

Die für die Erfüllung der Systemanforderungen erforderliche Gesamtwärmeenergie (kWh oder Btu) ist einer der beiden unten angezeigten Werte, je nachdem, welcher größer ist.

  • Für den Start erforderliche Wärme.
  • Zur Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur erforderliche Wärme

Der erforderliche Strom (kW) ist der Wärmeenergiewert (kWh) geteilt durch den erforderlichen Start oder die Arbeitszykluszeit.

Der kW-Wert des Heizelements ist dann der größere dieser beiden Werte, und dem ist noch eine Sicherheitsmarge hinzuzufügen.

Die Berechnung von Start- und Betriebsanforderungen besteht aus mehreren getrennten Teilen, die am Besten separat behandelt werden. Man kann sich jedoch eine Kurzmethode zu Nutze machen, mit der sich die erforderliche Wärmeenergie schnell schätzen lässt.

Sicherheitsmarge-Berechnung

Man sollte immer eine Sicherheitsmarge unterschiedlicher Größe einbeziehen, um für unbekannte oder unerwartete Bedingungen gewappnet zu sein. Die Größe der Sicherheitsmarge ist abhängig von der Genauigkeit der Wattzahl-Berechnung. Heizelemente sollten immer für einen höheren Wert als den berechneten ausgewählt werden. Ein Faktor von 10 % ist ausreichend für kleine Systeme, die streng berechnet wurden, eine Wattzahl-Zugabe von 20 % ist üblicher. Sicherheitsmargen von 20 % oder gar 35 % sind nicht ungewöhnlich und sollten für große Systeme in Betracht gezogen werden, wie z. B. für Systeme mit Türen, die geöffnet werden können oder große Anwendungen mit Strahlungswärme. Versuchen Sie auch, vorherzusagen, wie lange Ihr System ohne Ausfall arbeiten wird und bestimmen Sie dementsprechend die Nutzungszeit des dazu benötigten Heizelements. Und da Elektrizität Geld kostet, beziehen Sie Effizienzfaktoren in Ihre Betrachtungen mit ein, damit das System im Betrieb so sparsam wie möglich läuft.

Berücksichtigen Sie alle diese Überlegungen, um sicherzugehen, dass Sie wirklich alle Informationen für die Lösung Ihres Heizproblems zu haben. Manche dieser Informationen sind u. U. nicht leicht für Sie bekommen. Es kann vielleicht notwendig sein, die Referenztabellen und Diagramme in diesem Referenzdaten-Abschnitt oder ein Buch zu Rate zu ziehen, das den spezifischen Parameter bespricht, den Sie definieren müssen. Zumindest sind die thermischen Eigenschaften der zu verarbeitenden/erwärmenden Materialien und ihrer Behälter erforderlich.

Das Herausfinden einer Sicherheitsmarge erfordert etwas Intuition Ihrerseits. Die Liste der möglichen Einflüsse kann lang sein. Von jahreszeitbedingt wechselnden Umgebungs-Betriebstemperaturen bis zu einer Änderung des zu verarbeitenden Materials oder der Materialtemperatur müssen Sie alle Einflüsse sorgfältig untersuchen.

Allgemein gesagt gilt: Je kleiner das System mit weniger Variablen und Außeneinflüssen, desto kleiner die Sicherheitsmarge. Umgekehrt gilt: Je größer das System und je größer die Variablen und Außeneinflüsse, desto größer die Sicherheitsmarge.

Hier sind einige allgemeine Richtlinien:

  • Sicherheitsmarge 10 % für kleine Systeme mit streng berechnetem Strombedarf
  • Sicherheitsmarge 20 % ist Durchschnitt, 20 % bis 35 % für große Systeme

Die Sicherheitsmarge sollte größer sein für Systeme mit Produktionsprozessen, die Ausrüstungszyklen haben, die zu extremen Wärmeableitungen führen, wie z. B.: Öffnen von Türen an Hochöfen, Einführen von neuen Materialchargen, die unterschiedliche Temperaturen haben können, große abstrahlende Anwendungen usw.