Pumpen im Ex-Bereich

Erwin Hauser

Membranpumpen kommen zum Einsatz, wenn Gase und Dämpfe zu fördern oder zu verdichten oder Behältnisse zu evakuieren sind. Von besonderer Bedeutung für Anwendungen in Chemie und Analytik sind die konstruktiven Eigenschaften der Membranpumpe. Sie fördert ölfrei und verunreinigt oder verfälscht Anwendungsmedien nicht. Durch die Verwendung chemieresistenter Werkstoffe für Pumpenkopf und Ventile sowie einer PTFE-Beschichtung für die Membran lassen sich die Pumpen wirkungsvoll für den Einsatz mit korrosiven und aggressiven Medien auslegen. Ein weiteres Plus ist die hohe Gasdichtigkeit der Pumpe.

KNF Neuberger hat alle Membrankompressoren und -pumpen zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen nach der Richtlinie 94/9/EG gestaltet und die geforderten Dokumentationen erstellt. Das Angebot reicht von Mini-Membranpumpen mit Förderleistungen ab 7,5 l/min bis hin zu Geräten mit Förderleistungen von 280 l/min (Abb. 1). Die Pumpen entsprechen der Gerätegruppe II, Kategorie 2G. Dies bedeutet, sie sind für den industriellen Einsatz verwendbar, sie sind für die Medien Gase, Dämpfe und Nebel geeignet, eine explosionsfähige Atmosphäre darf nur gelegentlich auftreten und der Schutzumfang bietet ein hohes Maß an Sicherheit. Die Geräte sind sicher bei üblicherweise zu erwartenden häufigen Störungen oder Fehlern.

Während für das elektrische Gerät, den Antriebsmotor der Pumpe, bewährte Sicherheitsstandards bestehen, auf deren Übereinstimmung der Motor zu prüfen ist, existieren für nichtelektrische Geräte keine vergleichbaren Standards. Zu verschieden sind die unterschiedlichen Maschinen. Stattdessen gibt die Richtlinie 94/9/EG Schutzziele vor, die der Gerätehersteller erfüllen muss.

Als Leitfaden zur Beurteilung möglicher Zündquellen nichtelektrischer Betriebsmittel dient die Norm EN 1127-1 Explosionsschutz, Grundlagen und Methodik. Sie fordert, für den nichtelektrischen Teil der Pumpe im Betrieb unter anderem heiße Oberflächen, adiabatische Kompression, mechanisch erzeugte Funken und statische Elektrizität als Zündquellen zu vermeiden.

Zündgefahren durch heiße Oberflächen werden bei KNF-Pumppen dadurch ausgeschlossen, dass sich der Pumpenkopf nicht über die zulässige maximale Oberflächentemperatur hinaus erwärmen kann, selbst wenn ein Druckstutzen verschlossen wäre. Die maximal auftretende Kompressionswärme ergibt – im Zusammenspiel mit der Wärmeableitung des Pumpenkopfes – eine geringere Temperatur als die maximal zulässige Oberflächentemperatur. Die hermetische Trennung des Förderraumes vom Pumpenantrieb durch die Membran bietet weitere Sicherheit gegenüber Zündgefahren. Durch Berechnungen hat der Hersteller für jeden Pumpentyp aufgezeigt, dass die Zündtemperatur von Medien mit ungünstigem Adiabatenexponent durch Verdichtung auf den maximal zulässigen Überdruck der Pumpe nicht erreicht werden kann. Dabei wurde von dem theoretisch ungünstigsten, in der Praxis aber nie eintretenden Falle einer adiabatischen Kompression ausgegangen, bei der der Pumpenkopf keine Wärme an die Umgebung abgibt. Mechanisch erzeugte Funken werden sowohl im Pumpenkopf als auch im Pumpengehäuse durch die Materialwahl verhindert. Alle Metallteile des Pumpenkopfes sind über das Kompressorengehäuse und den Motor geerdet. Eine elektrostatische Aufladung der Kunststoff- und Elastomerteile im Pumpenkopf kann bei kleinen Pumpentypen ausgeschlossen werden, da die für Reibung zugängliche Oberfläche kleiner als 100 cm² ist. Um bei größeren Pumpentypen die elektrostatische Aufladung der Kunststoff- und Elastomerteile zu vermeiden, sind die Bauteile in einer elektrostatisch nicht aufladbaren Mischung ausgeführt. Der Oberflächenwiderstand dieser Mischung liegt unter 109 Ohm. Als weitere Sicherheitsmaßnahme hat der Hersteller die mechanische Festigkeit der Pumpen konservativ ausgelegt. Die Prüfprotokolle und Berechnungen hierüber sind Bestandteil der Dokumentation, die bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt hinterlegt sind.

Gestaltung und Ausführung der Membran haben einen wichtigen Einfluss auf die Pumpeneigenschaften. KNF verwendet in vielen Pumpen die spannungsoptimierte Strukturmembran (Abb. 2) und die Formmembran, die beide aufgrund ihrer geschlossenen Membranoberfläche eine besonders hohe Gasdichtigkeit aufweisen. Ein Dichtwulst am Membranrand trägt ebenfalls zur hohen Gasdichtigkeit bei. Für besonders hohe Anforderungen an die Gasdichtigkeit und die Betriebssicherheit der Pumpe setzt das Unternehmen das patentierte Doppelmembran-System ein. Unter der Arbeitsmembran ist eine Sicherheitsmembran angebracht (Abb. 3). Diese doppelte Membrananordnung führt zusammen mit zusätzlichen O-Ringen zu einer Leckrate kleiner 6 x 10-6 mbar/ls. Außerdem bietet das Doppelmembran-System einen weiteren großen Sicherheitsvorteil: Würde die Arbeitsmembran im Betrieb einen Defekt erleiden, verhindert die Sicherheitsmembran, dass das Medium aus der Pumpe austreten und sich mit Luft vermischen kann. Dies ist gewährleistet, da die Sicherheitsmembrane im Pumpenbetrieb mechanisch deutlich geringer belastet ist als die Arbeitsmembran.

Während KNF an den größeren explosionsgeschützten Pumpen zugekaufte Antriebsmotoren verwendet, setzt das Unternehmen für die Minipumpen selbstentwickelte Motoren aus eigener Produktion ein. Durch die eigene Motorenproduktion gelingt es, lange Lieferzeiten zu vermeiden. Die Motoren wurden durch die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) geprüft und erhielten die EG-Baumusterprüfbescheinigung. Überdies hat sich das Unternehmen durch den TÜV Süddeutschland für die „Herstellung elektrischer Antriebsmotoren nach Atex“ zertifizieren lassen.