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Explosionsschutz für trockenlaufende Vakuumpumpen
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Die Ablösung der nationalen Explosionsschutzvorschriften durch die europäischen Regelungen führte auch zu einer Veränderung der Randbedingungen für trockenlaufende Vakuumpumpen in der chemischen Industrie. Die Vakuumpumpe Sihidry wurde entsprechend den neuen Richtlinien konstruiert und ist nach Atex 100a zugelassen.

Dr. Heiner Kösters

Die Richtlinie 94/9/EG legt die grundlegenden Sicherheitsanforderungen an Geräte und Schutzsysteme zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen auf europäischer Ebene fest und beschreibt die notwendigen Voraussetzungen für das Inverkehrbringen. In der Fachwelt hat sich die Bezeichnung Atex 100a (atmorpshère explosible, Artikel 100a EWG-Vertrag) eingebürgert. Neben den formalen Voraussetzungen wird auch die Vorgehensweise bei der Konstruktion solcher Geräte ausgeführt. Die Beschreibungen gehen von einer bestehenden Zoneneinteilung aus. Die Vorgehensweise bei der Festlegung der Zonen wird jedoch nicht in dieser Richtlinie geregelt, da sie sich mit den Produkten und damit den Herstellerpflichten befaßt. Die Betreiberpflichten und somit auch die Vorgehensweise bei der Zoneneinteilung wird in Atex 118a festgelegt, die sich in Vorbereitung befindet. Die Richtlinie 94/9/EG ist in Deutschland durch die elfte Verordnung des Gerätesicherheitsgesetzes in nationales Recht umgesetzt worden. Seit Inkrafttreten dieser Verordnung am 20.12.1996 kann die Atex 100a angewendet werden. Die Übergangsfrist endet am 30.06.2003.
Geänderte Bestimmungen
Die europäische Richtlinie Atex 100a löst eine ganze Reihe nationaler Regelungen in den einzelnen Ländern ab. Einer der größten Unterschiede zu der bisherigen deutschen Regelung ist der Geltungsbereich der Richtlinie. Sie behandelt den Explosionsschutz nicht nur für elektrische Betriebsmittel, sondern allgemeiner für Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen.
Das Konzept der Richtlinie basiert auf dem „new approach“ der für alle europäischen Richtlinien zur Produktsicherheit gilt. Das bedeutet im einzelnen:
• die Richtlinien definieren Schutzziele und nicht konkrete Anweisungen,
• europäische Normen konkretisieren die Anforderungen, sind aber nicht verpflichtend,
• die Konformität mit der Richtlinie muß nachgewiesen werden,
• die bestimmungsgemäße Verwendung und somit die Produktdokumentation erhält eine hohe sicherheitstechnische Bedeutung.
Die Verantwortlichkeiten bei der Auswahl der geeigneten Schutzart werden in der neuen Richtlinie anders verteilt. Eine zentrale Rolle nimmt hierbei die Zoneneinteilung für den geplanten Aufstellungsort ein. Hierzu erfolgt die Einstufung und Zulassung der Geräte in Gerätekategorien, die für den Einsatz in bestimmten Zonen geeignet sind. Gerätekategorie 1 bedeutet, daß das Gerät für den Einsatz in Zone 0 geeignet ist. Für den Einsatz in Zone 1 wird ein Gerät der Kategorie 2 benötigt.
Umsetzung der Richtlinien
Für einen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen müssen zusätzlich zum elektrischen Antrieb in Zukunft auch die Vakuumpumpen selbst nach Atex 100a zertifiziert sein. Die formale Vorgehensweise für eine derartige Zertifizierung und Prüfung unterscheidet sich wesentlich von der Vorgehensweise bei der Zulassung elektrischer Betriebsmittel. Diese werden auf Übereinstimmung mit einer entsprechenden Schutzart wie EEx d oder EEx p und den zugehörigen harmonisierten EU-Normen überprüft. Standardisierte Schutzmethoden sind für nichtelektrische Betriebsmittel nur eingeschränkt verfügbar und wohl auch in der Zukunft nur für einige spezielle Fälle zu erwarten. Nach den EU-Richtlinien sind diese detaillierten Normen nicht zwingend notwendig. Durch die schutzzielorientierten Beschreibungen in den Richtlinien ist eine Prüfung der Pumpe auf Erfüllung dieser Ziele möglich. Die methodenorientierten Normen sind hier vor allem Hilfsmittel für den Prüfer und den Konstrukteur, um die Erfüllung dieser Ziele nachzuweisen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, andere Normen und Regelungen heranzuziehen, um die Übereinstimmung mit den Schutzzielen nachzuweisen. Für die Prüfung und die Konstruktion von Vakuumpumpen ist diese neben der DIN EN1127, die die grundlegende Methodik und die Vorgehensweise bei der Risikoanalyse beschreibt, die europäische Norm zur Sicherheit von Vakuumpumpen (DIN EN 1012-2) und die deutsche UVV Verdichter. Sie beschreiben im wesentlichen den Stand der Maßnahmen, die die Konstruktion und der Bau der Pumpe erfüllen muß.
Vakuumpumpe mit Ex-Zulassung
Die Vakuumpumpe Sihidry wurde 1997 nach Atex 100a als Gerät der Kategorie 2 zugelassen. Atex100a schreibt eine klare Reihenfolge bei der Planung von Explosionsschutzmaßnahmen vor:
• Maßnahmen zur Vermeidung explosionsfähiger Atmosphäre,
• Vermeidung von Zündquellen,
• Begrenzung der Auswirkungen einer Explosion.
Die Reihenfolge entspricht der Sicherheit der entsprechenden Maßnahmengruppe und räumt daher den ursächlichen Maßnahmen die höhere Priorität ein. Von diesen Vorgaben ausgehend wurde der elektrische Explosionsschutz der Sihidry in der Schutzart EEx p (Überdruckkapselung) realisiert. Diese Schutzart ist nicht nur die sicherste im Sinne der Vermeidung explosiver Atmosphäre, sondern ermöglicht auch, im Zusammenhang mit dem vollständigen Verzicht auf Öl, die Abdichtung des Antriebsraums ohne berührende Wellendichtung und die Integration des Antriebes in die Pumpe. Das hat den Vorteil, daß keine Gefahren für die Umgebung von beweglichen Teilen ausgehen können.
Niedrige Oberflächentemperatur
Da die Bildung explosiver Atmosphäre im Förderraum und am Aufstellungsort der Pumpe nicht durch den Hersteller der Vakuumpumpe beeinflußt werden kann, wurde bei der Konstruktion der Sihidry großer Wert auf die Vermeidung von Zündquellen gelegt. Eine wichtige Größe ist hierbei die Oberflächentemperatur der Bauteile. Trockenlaufende Vakuumpumpen zeichnen sich durch hohe Verdichtungswärme bei sehr kleinem Gasmassenstrom aus. Bei der Sihidry sind Pumpengehäuse, Antrieb und bei den größeren Pumpen auch die Rotoren wassergekühlt. Zusammen mit der besonderen Bauart der Schraubenspindeln ermöglicht die intensive Kühlung eine Begrenzung der Verdichtungsendtemperatur und somit die Gefahr einer Zündung durch adiabatische Kompression. Für die Klassifizierung der Oberflächen- und Verdichtungsendtemperaturen hat es sich bewährt, die Temperaturklassen der elektrischen Betriebsmittel zu verwenden. Das bedeutet für die Pumpe, daß sowohl die Temperaturklasse für den Aufstellungsort als auch für die geförderten Stoffe spezifiziert werden muß. Während die Temperaturklasse T4 für den Aufstellungsort kein großes Problem darstellt oder bei den größeren Pumpen sogar Standard ist, erfordert die Temperaturklasse T4 im Förderraum zusätzliche Maßnahmen zur Kühlung (Gaskühlung) sowie eine spezielle Auslegung und Überwachung der Betriebsparameter. Die Geometrie der Schraubenspindeln mit Gaskühlung sowie die Rotorkühlung und die Kennlinienprogrammierung ermöglichen den Einsatz entsprechender Sihidry-Ausführungen auch für diese Anwendungen.
Geringe Zündgefahr
Zündgefahren durch Reibung betreffen bei der Sihidry nur die beweglichen Teile im Förderraum, da der Antrieb in der Pumpe integriert und durch Überdruckkapselung geschützt ist. Das Schraubenspindelpaar dreht sich im Förderraum gegensinnig und berührungsfrei. Der Abstand zwischen Schraubenspindeln und Pumpengehäuse wird durch den Außendurchmesser der Spindeln bestimmt, da keine axialen Dichtspalten vorhanden sind. Da sich der Gehäusespalt durch Verschleiß nicht verkleinert, ist auch nach langen Betriebszeiten nicht mit erhöhter Zündgefahr zu rechnen.
Im Rahmen der Baumusterprüfung wurde auch die Verschleißfreiheit der Verdrängersynchronisation untersucht. Hier ist die elektronische Synchronisation mit redundanter, berührungsfrei laufender, mechanischer Synchronisation von Vorteil. Die elektronische Synchronisation läuft verschleißfrei. Die mechanische Synchronisation berührt die elektronische Synchronisation lediglich im Störfall kurzzeitig. Da die Sihidry keine schleifenden Wellendichtungen besitzt und die Sperrgasdrosselringe durch das Sperrgas überlagert sind, geht auch von dieser Seite keine Zündgefahr durch Reibung aus.
Der Einsatz von Vakuumpumpen in Zone 1 erfordert darüber hinaus die Freiheit von Zündquellen bei üblichen Betriebsstörungen. Die Sihidry muß daher immer mit dem mitgelieferten Saugsieb betrieben werden. Das Saugsieb verhindert, daß Partikel in die Pumpe gerissen werden, die Zündfunken im Förderraum erzeugen könnten. Die Vakuumpumpe ist zudem mit einem explosionsfesten Pumpengehäuse nach DIN EN 1012-2 ausgestattet, so daß im Falle einer Explosion im Inneren der Pumpe keine Gefährdung für die Umgebung entsteht.
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