Schlankheitskur für Ex-d-Gehäuse

R. Stahl entwickelt Zündschutzart „Druckfeste Kapselung“ weiter

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18.05.2018 Für die Feldverdrahtung im Ex-Bereich sind druckfest gekapselte Gehäuse der Standard. Doch die klobige „U-Boot-Technik“ hat ihren Preis: Die Schaltschränke sind schwer, und ihr Volumen ist limitiert. Das erzeugt bei der Projektierung von Automatisierungssystemen einen hohen Aufwand. Mit einer neuen Technik geht R. Stahl das Problem nun an – und hat dazu die Schutzart Ex d weiterentwickelt.

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Entscheider-Facts für Betreiber und Planer

  • Druckfest gekapselte Gehäuse dienen dazu, elektrische Betriebsmittel sicher im explosionsgefährdeten Bereich einsetzen zu können.
  • „Ex-d“-Schaltschränke sind schwer, und ihr Volumen ist aufgrund der konstruktiven Besonderheiten limitiert.
  • Eine neue Leichtbau-Konstruktion arbeitet mit Metallgittern, die bei einer Explosion entstehende Wärme abbauen und Gase zünddurchschlagsicher ableiten.

Sobald elektrische und elektronische Komponenten in explosionsgefährdeten Bereichen der Chemie eingesetzt werden sollen, sind besondere Vorkehrungen nötig. Denn oberhalb von einem Watt Leistung werden diese zu einer potenziellen Zündquelle. Um zu verhindern, dass explosionsfähige Gas- oder Staub-Luft-Gemische gezündet werden, kommen spezielle Konstruktionen zum Einsatz. Meistens werden die Geräte dann in druckfest gekapselten Gehäusen verbaut – man spricht hier von der Zündschutzart „Ex d“. Diese Gehäuse sorgen dafür, dass Explosionsereignisse auf das Innere eines Gehäuses begrenzt werden und sich nicht nach außen ausbreiten können. Denn auch kleine Mengen zündfähiger Gemische können viel Energie enthalten – Drücke bis 15 bar sind bei Explosionen in Gehäuse keine Seltenheit.

Um dem Explosionsdruck zu widerstehen, werden die Wände entsprechend dick konstruiert. Die durch die Gehäusewand verlaufenden Spalten sind so ausgelegt, dass sich Flammen oder heiße Gase so weit abkühlen, dass sie selbst keine Zündquelle mehr darstellen (zünddurchschlagssichere Spalte). Auch die Gehäuseoberflächen dürfen sich bei einer Explosion im Innern nur so weit aufheizen, dass die Oberflächentemperatur unter der Zündtemperatur eines zündfähigen Gemisches in der Atmosphäre bleibt.

Weil die druckfeste Kapselung relativ einfach erreicht werden kann, und sich mit ihr fast alle elektrischen Betriebsmittel verwenden lassen, ist die Zündschutzart weit verbreitet: „43 Prozent der bei IEC Ex zertifizierten Gerate basieren auf der Zündschutzart ‚Ex d‘“, berichtet Prof. Dr. Thorsten Arnhold, VP Strategy & Technology bei R. Stahl und Chairman des IEC Ex-Systems: „Die Zündschutzart ist sehr robust und zuverlässig und ihre Sicherheit kann durch einfache Wartungsmaßnahmen für eine lange Betriebszeit erhalten werden.“

Teure und schwere Gehäuse

Doch wo Licht ist, gibt es auch Schatten. Soll mehr als ein Messumformer in das Ex-d-Gehäuse gepackt werden, dann werden diese klobig und schwer. So schwer, dass die tragenden Anlagenteile entsprechend aufwendig und stabil gebaut werden müssen. Aber auch ein weiterer Aspekt verursacht hohe Kosten: Umfangreiche Automatisierungs- und Steuerungssysteme müssen auf mehrere „Ex-d“-Gehäuse aufgeteilt werden. „Die erforderliche Druckfestigkeit der Gehäuse bedingt hohe Wandstärken im Bereich von 10 bis 20 mm. Dadurch wird eine wirtschaftlich und technisch sinnvolle Baugröße auf Gehäusevolumen von maximal etwa 500 Litern beschränkt“, erläutert Arnhold: „Die Projektierung und Herstellung solcher Gehäusekombinationen ist wesentlich komplizierter und zeitaufwendiger als die von herkömmlichen Industrie-Schaltschränken.“

Für die elektrischen Verbindungen zwischen den verschiedenen „Ex-d“-Gehäusen sind zünddurchschlagsichere Leitungsdurchführungen notwendig, die in der Herstellung und Installation relativ aufwendig sind. Dazu kommt aus Betreibersicht der zusätzliche Aufwand für die Wartung und Instandsetzung. Nachträgliche Änderungen an der elektrischen Verdrahtung erfordern teure Umbaumaßnahmen, die in der Regel vor Wiederinbetriebnahme durch Ex-Sachverständige abgenommen werden müssen.

In den vergangenen Jahren ging die Entwicklung deshalb dahin, das Gewicht der „Ex-d“-Gehäuse zu reduzieren. In Zusammenarbeit mit der Ernst Abbe Hochschule Jena ist dies dem Anbieter R. Stahl in den vergangenen Jahren auch gelungen: Immerhin 30 % weniger Gewicht als die Vorgänger-Generation bringen die aktuellen druckgekapselten Schaltschränke des Herstellers auf die Waage. Dennoch bleibt das Problem der Aufteilung elektrischer Funktionen auf verschiedene Gehäuse aufgrund des limitierten Platzangebots. Zudem reicht der Platz für Leistungselektrik wie Frequenzumrichter oder Transformatoren oft ohnehin nicht aus. „Es war uns gelungen, einen eleganten Schnellkochtopf zu konstruieren – aber eigentlich wollten wir einen Wasserkessel“, bemüht Arnhold eine Analogie aus der Küchentechnik.

Erforschung der Explosionsmechanismen führt zu Leichtbau-Gehäuse

Um zu einer grundlegend neuen Konstruktion zu kommen, erforschte der Hersteller gemeinsam mit der Hochschule Jena, was tatsächlich bei einer Explosion in einem „Ex-d“-Gehäuse passiert, und kam zu einer wichtigen Erkenntnis: Der bei einer Explosion entstehende Druck wird sehr schnell abgebaut. Dabei helfen zwei verschiedene physikalische Vorgänge: Auf der einen Seite die Volumenarbeit, weil die gasförmigen Verbrennungsprodukte über den zünddurchschlagssicheren Spalt nach außen abgeführt werden, und auf der anderen Seite die Wärmeabfuhr über die Gehäusewand. Die erstaunliche Erkenntnis: Die Abkühlung ist der wesentliche Faktor für den Druckabbau.

Um die Wärmeabfuhr zu beschleunigen und zu intensivieren, entwickelte der Hersteller gemeinsam mit den Forschern ein Metallgitter, das mechanisch stabil ist, eine hohe Gasdurchlässigkeit und eine hohe Wärmekapazität bei geringer Wärmeleitfähigkeit besitzt. „Ziel des Projektes war es, ein Material zu finden, das den Druck im Lastfall maximal reduziert und gleichzeitig den Zünddurchschlag verhindert“, erklärt Prof. Dr. Frank Engelmann von der Ernst-Abbe-Hochschule Jena. Die Zünddurchschlagfestigkeit wird erreicht, weil die freigesetzte Reaktionswärme sehr schnell von der Gitter-Luft-Struktur aufgenommen wird und zudem ein Teil des unverbrauchten Gas-Luft-Gemisches aus dem Gewebe herausgedrückt wird.

Das aus Schichten von übereinander liegenden Drahtgittergeweben aufgebaute Metallgitter wird entweder in Aluminiumgehäuse eingegossen oder in Edelstahlgehäuse eingeschweißt. „Das Ergebnis ist frappierend: Misst man in einem gleich großen herkömmlichen Ex-d-Gehäuse Drücke von 10 bar, so liegt der Spitzendruck in den neuen Gehäusen bei Werten weit unter einem bar“, stellt Thorsten Arnhold fest. Zudem konnte verhindert werden, dass die äußere Oberfläche der Gitterschichten den für die Temperaturklasse T4 zulässigen Wert überschreitet.

Um zu verhindern, dass das Metallgitter im rauen Betriebsalltag verschmutzt oder vereist, werden auf die Entlastungsflächen Berstscheiben installiert, die sich im Explosionsfall bei einem Solldruckwert von 0,1 bar öffnen und im Normalbetrieb die Schutzart IP66 erreichen.

„Ex-d“-Gehäuse mit 3 mm Wandstärke

Auf Basis der in acht Jahren Entwicklungsarbeit gewonnenen Erkenntnisse hat R. Stahl nun neue druckfest gekapselte Gehäuse entwickelt, die unter dem Markennamen „Expressure“ angeboten werden. Im Gegensatz zu den bisherigen Ex-d-Gehäusen kommen diese mit Wandstärken von ca. 3 mm aus und nähern sich damit den Maßen üblicher Industrieschaltschränke an. Die neuen Gehäuse sind zudem 30 bis 50 % leichter als klassische Ex-d-Ausführungen, was insbesondere für Offshore-Anwendungen ein wesentlicher Faktor ist. Die Expressure-Schränke werden aktuell in Größen bis 1.400 mm Höhe und 1.000 mm Breite bei einer Tiefe von 700 mm angeboten. Noch größere Schränke sind laut Hersteller bereits geplant. Dadurch soll es möglich sein, einerseits auch große Betriebsmittel wie Frequenzumformer und Transformatoren unterzubringen, andererseits Steuerungen und Verteilungen einfacher zu projektieren, weil diese nicht mehr auf verschiedene Gehäuse aufgeteilt werden müssen.

Die Zertifizierung nach Atex und IEC Ex hat der Hersteller parallel bei der PTB und Dekra Exam durchführen lassen. „Für den Atex-Bereich konnten unter Inanspruchnahme des Anhangs II der Richtlinie 2014/34/EU reine Ex-d-Zertifikate ausgestellt werden“, erläutert Arnhold den für Betreiber wichtigen Aspekt. Für die IEC-Ex-Zertifikate wurden die Normen IEC 60079-1 und IEC 60079-33: Sonderschutz verwendet. Die beiden Prüfstellen wirkten dabei als zwei unabhängige Gutachter.

Fazit: Die Leichtbaukonstruktion ermöglicht „Ex-d“-Gehäuse, die ähnlich wie Industrieschaltschränke verwendet werden können, aber für Zone 1 geeignet sind. Dies vereinfacht die Unterbringung großer elektrischer Betriebsmittel im Ex-Bereich und erleichtert die Projektierung komplexer und verteilter Steuerungssysteme.

Achema 2018 Halle 11.1 – C45

Homepage R. Stahl.

 

Heftausgabe: Juni/2018
Armin Scheuermann ist Chefredakteur der CHEMIE TECHNIK

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Armin Scheuermann ist Chefredakteur der CHEMIE TECHNIK
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