Unter der Oberflächenbelastung versteht man den Quotienten aus Leistung und Oberfläche. Die Oberflächenbelastung wird meistens in W/cm² angegeben. Die Oberflächenbelastung ist eines der wichtigsten Kriterien für die Auslegung bzw. Charakterisierung eines elektrischen Heizelements.
Die Berechnung (bei Heizelementen mit rundem Querschnitt):
Oberflächenbelastung = Leistung / Durchmesser in cm / 3,14 / beheizte Länge in cm
Die Wahl der Oberflächenbelastung ist zum einen von der Art des Heizelements und zum anderen von der Art des Mediums abhängig.
Je schlechter das Medium die Wärme von der Oberfläche der Heizung abführen kann, oder je thermisch sensibler das Medium ist, umso geringer muss man die Oberflächenbelastung wählen. Während bei konventionellen Wärmetauschern die übertragbare Wärmemenge durch die Mediumtemperaturen begrenzt wird (die höchste auftretende Temeratur ist durch das Heizmedium bestimmt), ist bei elektrischen Heizelementen die abgegebene Wärmemenge konstant. Nahezu die komplette aufgenommene elektrische Leistung geht auf das Medium über. Ist die Wärmeübertragung behindert (also die Oberflächenbelastung für diesen Fall zu hoch), so wird das Medium (und das Heizelement) überhitzt. Das elektrische Heizelement wird so lange heißer, bis es die elektrische Energie loswird (oder es kaputt ist).
Unterschiedliche Heizelementkonstruktionen haben unterschiedliche maximale Oberflächenbelastungen:
- austauschbare Keramikpatronen max. ca. 6 W/cm²
- unverdichtete Heizelemente mit Metallmantel max. ca. 8 W/cm²
- verdichtete Heizelemente max. ca. 20 W/cm²
- Höchstleistungs-Keramikheizpatronen max. ca. 100 W/cm²
Diese maximalen Oberflächenbelastungen können nur bei entsprechenden Medien erzielt werden.
Für die nachfolgend aufgeführten Medien haben sich in der Praxis diese Werte als brauchbar erwiesen:
- Wasser 0°dH max. 20 W/cm²
- Kreislaufwasser, sauerstoffarm, VDI 2035 max. 10 - 15 W/cm²
- Trinkwasser < 18°dH max. 6 W/cm²
- Trinkwasser > 18°dH max. 3 - 4 W/cm²
- Wärmeträgeröl max. 4-10 W/cm²
- Heizöl EL/ Diesel max. 4 W/cm²
- Rapsöl max. 4 W/cm²
- Hydrauliköl max. 1 - 2 W/cm²
- Schweröl max. 2 W/cm²
- Milch max. 1 W/cm²
- Honig max. 0,5 W/cm²
Andere Medien werden ähnlich ausgelegt. Grundsätzlich können bei Medien, bei denen die Stoffdaten bekannt sind, die maximal zulässigen Oberflächenbelastungen errechnet werden. Dies wird bei Wärmeträgerölanlagen mit organischen Medien auch in der Norm (DIN 4754) gefordert. Bei der Berechnung muss auch berücksichtigt werden, dass in Bereichen schlechter Durchströmung auch die Wärmeenergie hinreichend abgeführt werden muss. Dies führt in der Praxis zu so großen Abschlägen, dass die oben genannten Werte auch ohne exakte Berechnung für die üblichen Auslegungen benutzt werden.
Wenn man sich beispielsweise bei einer haushaltsüblichen Fritteuse die Heizstäbe ansieht, bekommt man eine Idee, was mit dem Medium an den Heizstäben passiert: die unbeheizten Bereiche sind noch metallisch blank, die behezten Bereiche färben sich zunehmend dunkler. Und das bei einem thermisch eher robusten Öl und relativ kurzen Betriebsdauern. In industriellen Anlagen (Dauerbetrieb) und empfindlichen Medien ist bei falscher Auslegung schnell das Medium an der Heizstaboberfläche überhitzt. Das schadet nicht nur den Heizstäben, sondern auch dem Medium.
Zuckerhaltige Lösungen neigen bei Überhitzung zum Karamelisieren. Das macht sich auch geschmacklich bemerktbar. Es gibt also nicht nur chemisch nachweisbare Schädigungen des beheizten Mediums (wie man beispielsweise beim Thermalöl duch regelmäßige Analyse die weitere Eignung des Öls festellen muss), sondern man kann es auch (bei geeignetem Medium) mit dem Geschmacksinn feststellen.