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Verfahrenstechnik 12/2017

Verfahrenstechnik 12/2017

KOMPONENTEN UND SYSTEME

KOMPONENTEN UND SYSTEME Einfacher Austausch Wälzkolbenpumpen im Ex-Bereich sicher betreiben Die neuen Atex-zertifizierten Wälzkolbenpumpen sorgen mit einem nicht blockierten Überströmventil dafür, dass der Austausch und Betrieb der Pumpen sehr einfach wird. Seit 2003 existieren zwei Atex-Richtlinien: Atex 95 (Richtlinie 2014/34/EU) und Atex 137 (Richtlinie 1999/92/EG). Atex 95 definiert die generellen Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen für Geräte, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden. In Atex 137 sind die „Mindestvorschriften zur Verbesserung des Gesundheitsschutzes und der Sicherheit der Arbeitnehmer, die durch explosionsfähige Atmosphären gefährdet werden können“ (RL 199/92/EG, S. 1), aufgeführt. Vakuumpumpen für den Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich müssen gemäß Atex 95 zertifiziert werden. Der erste Schritt ist die Analyse potenzieller Zündquellen. Dabei werden je nach Kategorie in der CE-Kennzeichnung die Zustände Regelbetrieb, zu erwartender Fehlerfall sowie seltener Fehlerfall im Hinblick auf potenzielle Zündquellen betrachtet. Als Nächstes gilt es, das Wirksamwerden der identifizierten Zündquellen zu verhindern. Zeitgleich wird vom Betreiber geprüft, ob eine explosive Atmosphäre vermieden werden kann. Diese liegt vor, wenn eine kritische Menge an brennbarem Material in Gas-, Nebel-, Dampf- oder Staubform und ausreichend Sauerstoff gleichzeitig auftreten. In Kombination mit einer wirksamen Zündquelle führt dies zur Explosion. Mögliche Brennstoffe sind Methan, Wasserstoff oder Kohlenstäube. Mögliche Zündquellen sind z. B. heiße Oberflächen, statische Elektrizität oder exotherme chemische Reaktionen. Eigenschaften der Pumpe begünstigen Aufheizen Das geförderte Medium wird im Inneren der Wälzkolbenpumpen nicht komprimiert. Auch ein Auslassventil ist in den Pumpen nicht enthalten. Aus diesem Grund kommt es bei geöffneten Kolben zu einem Rückstrom des Gases vom Auslass in den Schöpfraum. Als Konsequenz muss dieser Rückstrom auch gegen den Auslassdruck gefördert werden. Durch diesen Effekt kommt es insbesondere bei großem Differenzdruck zwischen Ein- und Auslass zu einem hohen Energieverbrauch, was in einer deutlichen Erwärmung der Pumpe resultiert. Die rotie- renden Wälzkolben sind im Schöpfraum der Pumpe quasi vakuumisoliert. Dadurch können sie, anders als das Gehäuse, nur sehr schwer gekühlt werden. Dies führt zu einer stärkeren Ausdehnung der Wälzkolben im Vergleich zum Gehäuse. Ein eingebautes Überströmventil verhindert durch Begrenzung des maximalen Differenzdrucks, dass sich die Teile im Inneren der Pumpe berühren. Dieses Überströmventil öffnet und schließt einen Bypass, mit dem die Saug- und die Druckseite des Gehäuses verbunden werden. Wird der maximale Differenzdruck überschritten, hebt sich der Ventilkörper an. Entsprechend der Höhe des Gegendrucks strömt dann ein Teil des Gasdurchsatzes zum Einlass zurück. Standard-Wälzkolbenpumpen können nicht gegen Atmosphärendruck arbeiten, da ihr Differenzdruck aus den genannten Gründen begrenzt ist. Mithilfe von Vorpumpen kann der Druck am Auslass ausreichend gering gehalten werden. Dank des Überströmventils kann die Wälzkolbenpumpe bereits bei Atmosphärendruck zusammen mit der Vorpumpe angeschaltet werden. So ist eine schnellere Evakuierung möglich; zudem wird die Nutzung der Pumpe deutlich einfacher. Wälzkolbenpumpen mit Atex-Zertifizierung Bei den Atex-zertifizierten Pumpen ist das zuvor beschriebene Überströmventil blockiert. Diese Maßnahme ist notwendig, da das Ventil beim Betrieb der Wälzkolbenpumpen mit hoher Beschleunigung auf das Gehäuse trifft. Beide Teile bestehen aus Metall, sodass mechanisch erzeugte Funken entstehen können. Aus diesem Grund stellt das Überströmventil eine potenzielle Zündquelle dar, deren Wirksamwerden verhindert werden muss. Durch das Blockieren des Ventils wird das Zurückströmen des Gases vermieden. In diesem Fall muss die Wälzkolbenpumpe mit einem Frequenzumrichter betrieben werden. Dieser stellt das langsame Hochfahren der Pumpe sicher. Alternativ kann auch der Druck am Auslass überwacht und die Pumpe erst bei ausreichend niedrigem Gegendruck eingeschaltet werden. Vor Markteinführung der Atex-Pumpen galt die Nutzung eines Frequenzumrichters als hinreichender Ersatz für das Überströmventil. Durch den engen Kontakt zu den Kunden und den kontinuierlichen Austausch mit ihnen stellten die Experten von Pfeiffer Vacuum jedoch schnell fest, dass der nachträgliche Einbau eines Frequenzumrichters in einigen Fällen nicht möglich war – insbesondere in allen Anwendungen, in denen die Atex-Wälzkolbenpumpe eine bisher verwendete Standard-Version ersetzen sollte. Wenn außerdem keine zusätzlichen Druckmessgeräte vorhanden sind, ist auch das 20 VERFAHRENSTECHNIK 12/2017

KOMPONENTEN UND SYSTEME Starten der Pumpe bei einem definierten Gegendruck nicht möglich. Anhand dieser Fälle erkannten die Entwicklungsexperten den Bedarf einiger Kunden an Atex-zertifizierten Wälzkolbenpumpen mit einem nicht blockierten Überströmventil, um den Austausch und den Betrieb der Pumpen so einfach wie möglich gestalten zu können. Entwicklung des Atex-zertifizierten Überströmventils Vor diesem Hintergrund war für die Entwickler bei Pfeiffer Vacuum klar: Eine neue Version des Überströmventils musste entwickelt werden. Größte Herausforderung war dabei, eine Materialkombination zu finden, bei der sowohl im Normalbetrieb als auch im Fall von zu erwartenden Fehlern des Ventils keine Funkenbildung und somit keine Zündquelle entsteht. Die Lösung ist ein Atex-Ventil aus PTFE und Edelstahl, bei dem im Kontakt mit dem Gehäuse (Material EN-GJS-400-15) keine Funken entstehen können. Neben der Materialpaarung hat auch die kinetische Energie beim Öffnen oder Schließen Einfluss auf die Funkenbildung. Versuche haben gezeigt, dass bei den Standard- Wälzkolbenpumpen die kinetische Energie beim Öffnen des Ventils ausreichend hoch ist, um ein brennbares Gemisch zu entzünden. Somit musste für die Atex-Version ein Weg gefunden werden, den Aufprall des Ventils zu dämpfen. Besonders wichtig ist dies beim Öffnen, da hier eine besonders hohe kinetische Energie frei wird. In verschiedenen Tests wurde die Wirksamkeit der Maßnahmen auf die Probe Durch das Atex-Überströmventil kann die Pumpe auch in Bereichen mit explosionsfähiger Atmosphäre sicher betrieben werden gestellt. Dazu führten die Entwickler bei Pfeiffer Vacuum den Vorgang des Öffnens und Schließens mehr als 20 000-mal durch. So war es möglich, auch längerfristige Belastungen des Ventils zu simulieren. Die Testergebnisse belegten, dass dank der Veränderungen des Ventils weder beim Öffnen noch beim Schließen Funken gebildet werden. Die kinetische Energie war in keinem der beiden Fälle ausreichend. Somit ermöglicht das Atex-Überströmventil den sicheren Betrieb in Bereichen mit explosionsfähiger Atmosphäre und stellt keine Zündquelle mehr dar. Standardpumpen können problemlos gegen die neuen Atex-Pumpe mit nicht blockiertem Überströmventil ausgetauscht werden. Dazu müssen weder Frequenzumrichter noch Geräte zur Drucküberwachung installiert werden. Die Wälzkolbenpumpe kann nun weiterhin zeitgleich mit der Vor- pumpe gestartet werden, sodass das neue Überströmventil nicht nur sicheren Betrieb, sondern auch eine kürzere Evakuierungszeit gewährleistet. Wird das Atex-Überströmventil zusätzlich zu einem Frequenzumrichter verwendet, ermöglicht es auch im Fall einer Störung des Umrichters den einwandfreien Betrieb. Auch wenn der Ersatz von älteren Aggregaten nun einfacher durchzuführen ist, empfehlen die Experten von Pfeiffer Vacuum, die bisherige Auslegung immer zu überprüfen. Erfahrungen zeigen, dass Prozessabläufe sich mit der Zeit ändern und alte Auslegungen nicht mehr exakt auf den Prozess zugeschnitten sind. Durch eine genaue Betrachtung sind Einsparungen oder Verteilungen der Lasten/Temperaturen möglich. www.pfeiffer-vacuum.com Auswascheffekte minimiert DIN EN 15267 kompatibel Analysentechnik TC-Standard + TC-Double + EGK 2-19+ JETZT INFOBLATT BESTELLEN >> kontakt@buehler-technologies.com • www.buehler-technologies.com

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