Ohne eine Überdruckkapselung können industrielle Prozesse oft nicht abgesichert werden

In Anwendungen mit Explosionsgefährdung, wie zum Beispiel der chemischen Industrie, ist die Zündschutzart Überdruckkapselung (Ex p) eine wichtige Komponente. - Bild: Jürgen Feldhaus / Fotolia

Bei einigen industriellen Produktionsprozessen entstehen explosionsfähige Gasgemische oder Staub in explosionsgefährdeten Bereichen. Für solche Anwendungen ist die Zündschutzart Überdruckkapselung (Ex p) oft eine praxistaugliche Lösung. Mit ihr lassen sich verifizierte nicht-Ex-Systeme auch innerhalb solcher Produktionsbereiche einsetzen. Direkt-wirkende Proportionalventile tragen dann dazu bei, dass sich der Überdruck im schützenden Gehäuse präzise regeln lässt - sowohl in der Spülphase als auch im kontinuierlichen Betrieb. Das spart teures Spülmedium, in dem es die Vorspülzeit verkürzt und sdas Gehäuse samt Einbauten schützt. Zudem trägt es zu einer höheren Anlagenverfügbarkeit bei.

Proportionalventile schützen in Ex-Bereichen vor Überdruck
Direkt-wirkende Proportionalventile mit allen erforderlichen internationalen Ex-Zulassungen gibt es in zahlreichen Varianten. - Bild: Bürkert Fluid

Von der Zündschutzart Überdruckkapselung Ex p profitieren Anwender gleich in mehrfacher Hinsicht. Wenn sie nicht auf Ex-spezifische Hardware zurückgreifen müssen, sinken sowohl die Anschaffungs- als auch die Lebenszykluskosten deutlich. Außerdem steigt die Flexibilität bei der Komponentenauswahl. Die Lagerhaltung von Ersatzteilen bindet außerdem weniger Kapital, da Standardkomponenten in der Anschaffung günstiger und leichter verfügbar sind.

Um Standardgeräte und Komponenten für den Einsatz im Ex-Bereich tauglich zu machen, wird innerhalb eines Ex-p-Gehäuses ein Ex-freier Raum geschaffen. Das Innere des Gehäuses wird hierzu durch einen ständigen Überdruck im mbar-Bereich vor dem Eindringen der explosionsfähigen Atmosphäre geschützt. Dieser Bereich wird mit Hilfe von Luft oder Inertgas aufgebaut. Vor der Inbetriebnahme der Standardkomponenten spült der Produktioner das Gehäuse im Ex-Bereich mit Zündschutzgas durch, um eventuell darin befindliche, zündfähige Gase zu entfernen.

Steuerung des Überdrucks bei der Zündschutzart Ex p

Im Schaltschrank schützt die Regelung des Innendrucks im Gehäuse die Komponenten der Anlage.
Schaltschrank mit HMI-Touch-Panel und verschiedenen Eingabegeräten inklusive SPS für die Ex-Zone 1: Die Regelung des Gehäuseinnendrucks schützt die eingebauten Komponenten. - Bild: Gönnheimer Elektronic

Die Überwachung und Steuerung des Überdrucks spielt bei der Zündschutzart Ex p für den Explosionsschutz und somit für die Sicherheit der Anlage sowie deren Steuergerät eine zentrale Rolle. Hierzu tragen auch die eingesetzten Spülmittelventile bei, die für die Zuführung des Zündschutzgases in das Ex-p-Gehäuse verantwortlich sind. Prinzipiell gibt es für die Wahl des Spülmittelventils zwei Möglichkeiten: Die einfachste Variante besteht aus einem Auf-/Zu-Ventil, das während der Vorspülphase vollständig geöffnet ist und danach schließt. Das für den Leckausgleich im Gehäuse erforderliche Zündschutzgas wird dann während des Betriebs über einen Bypass zugeführt. Er lässt gerade so viel Gas einströmen, dass der Mindestdruck im Gehäuse aufrechterhalten bleibt. Sinkt der Druck unter den Mindestwert, kann der Ex-p-Schutz nicht aufrecht erhalten bleiben, was zu einer Alarmierung, respektive Abschaltung der im Ex-p-Gehäuse eingebauten Komponenten führt. Um die Anlagenverfügbarkeit in diesen Zonen zu erhöhen, wird in der Praxis der Bypass-Querschnitt meist überdimensioniert. Das führt aber zu einer Verschwendung von teurem Zündschutzgas, da die überschüssige Gasmenge im Normalbetrieb am Auslass des Gehäuses entweicht.

Spülluftzufuhr über Proportionalventil

Das Unternehmen Gönnheimer Elektronic nutzt deshalb einen anderen Ansatz, um hierbei mehr Effizienz zu erreichen: Die Spülluftzufuhr bei ihren überdruckgekapselten Geräten und Anlagen ist nicht über ein einfaches Magnetventil realisiert. Stattdessen setzen die Ex-Schutz-Spezialisten ein Proportionalventil von Bürkert ein, das als eingangsseitiges Stellglied eines PID-Regelkreises für den Innendruck im Ex-p-Gehäuse dient. Es wird nach der Vorspülphase auf einen kleinen Durchfluss zugefahren und sorgt in der Betriebsphase in Verbindung mit einer Regelelektronik für die adaptive Kompensation der Leckverluste. Hierdurch ist es möglich, den Spülgasauslass vollständig zu schließen.

Eine solche Druckregelung mit proportionaler Ventiltechnik bringt dann gleich mehrere Vorteile: Der Luft- beziehungsweise Inertgas-Verbrauch ist wesentlich geringer und durch die Einregelung eines konstanten Drucks in das Gehäuse steigt die Anlagenverfügbarkeit, denn höhere Leckverluste – beispielsweise durch Alterung der Gehäusedichtungen – werden kompensiert. Die einströmende Luft passt sich den Leckverlusten an und hält somit den Gehäusedruck dauerhaft auf einem Wert. Strömungsgeräusche sind minimiert und die Druckregelung ist auch während der Vorspülphase möglich. Durch den präzise geregelten Überdruck im Gehäuse werden zudem empfindliche Komponenten, wie zum Beispiel Sichtfenster, Folientastaturen oder Touchpanels geschont.

Überdruckkapselung mit digitalem Monitoring

Bei den Bürkert-Proportionalventilen wirkt die Spule direkt auf den Anker. Die Ansprechempfindlichkeit und Reproduzierbarkeit sind dadurch hoch und die Verzögerungszeiten beim Ansteuern niedrig. „Wir haben die Wahl zwischen vielen unterschiedlichen Spannungen, Gehäusematerialien und Nennweiten. So finden wir für unsere sehr vielfältigen Applikationen immer eine passende Lösung, egal ob die Einheiten in Anlagen der Chemie, Petrochemie, Pharmaindustrie, dem Maschinenbau oder in der Öl-, Gas- und Automobilindustrie eingesetzt sind“, ergänzt Geschäftsführer Prof. Dr.-Ing. Christoph Gönnheimer.

Die Steuereinheiten der Überdruckkapselungssysteme können beispielsweise über ein integriertes Ethernet-Interface in die Produktionsnetzwerke eingebunden werden. Hierdurch ist ein Online-Monitoring möglich. Die Schnittstelle kann zudem über ihren Webserver zur Diagnose aus der Ferne genutzt werden. Sie sind somit IoT-fähig.

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