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ATEX und die Umsetzung bei Exzenterschneckenpumpen Der europaweite Explosionsschutz ATEX stellt neue Anforderungen an Betreiber und Hersteller. Das Ziel ist, gleichzeitig sichere Produkte herzustellen und Handelshemmnisse abzubauen. Ein wichtiger Termin sowohl für Hersteller als auch Betreiber war der 1.7.2003. Seit diesem Stichtag gilt die Richtlinie 94/9/EG (ATEX 100 a) in vollem Umfang. Die Richtlinie enthält die grundlegenden Sicherheitsanforderungen für Geräte und Schutzsysteme, die in explosionsgefährdeten Atmosphären eingesetzt werden sollen. Während bis zu diesem Termin nur elektrische Betriebsmittel durch europäische Richtlinien und Normen geregelt waren, unterliegen jetzt auch mechanische Geräte, die in einer explosionsgefährdeten Umgebung eingesetzt werden, den neuen Richtlinien zum Explosionsschutz. Mechanische Geräte wie Pumpen, die in einer explosionsgefährdeten Umgebung („Ex-Zone“) eingesetzt werden, weisen „eigene potenzielle Zündquellen“ auf und können somit eine Gefahrenquelle sein. Konsequenterweise unterliegen sie daher den neuen ATEX- Richtlinien. Der Beitrag beschreibt den Weg zu einer richtlinienkonformen, sicheren Exzenterschneckenpumpe. Exzenterschneckenpumpen gehören zu den Kernkompetenzen der ALLWEILER AG, dem ältesten deutschen Hersteller industrieller Pumpen (gegründet 1860). Die ALLWEILER Exzenterschneckenpumpen fördern besonders gleichmäßig und pulsationsarm. Fördermedien können dünnflüssig bis hochviskos, neutral oder aggressiv, gashaltig und zum Schäumen neigend sein und auch Feststoffanteile beinhalten. Die Aggregate sind besonders auf drei Einsatzbereiche abgestimmt: den Chemiebereich, die Lebensmittelindustrie sowie die Abwasser- und Klärtechnik. Um der europaweiten Nachfrage nach diesen Pumpen in ATEX-Ausführung zu entsprechen, hat ALLWEILER bereits frühzeitig mit der Umsetzung der Richtlinie 94/9/EG (ATEX 100 a) begonnen; die erste Konformitätsbescheinigung für Exzenterschneckenpumpen wurde schon im März 2003 ausgestellt. Voraussetzung für diese Bescheinigung ist, dass eine potenzielle Zündquelle nicht wirksam werden kann. Um dies sicherzustellen, ist die Gefahrenanalyse vorgeschrieben. Diese Analyse führt alle erkennbaren Gefährdungen auf, die durch den Betrieb der Pumpe in der Ex-Zone entstehen können. Als Hauptrisiko erwies sich im Rahmen der Gefahrenanalyse eine unzulässig starke Erwärmung des Stators. Bei Exzenterschneckenpumpen bilden die rotierende Exzenterschnecke (Rotor) und der feststehende Stator die Förderelemente. Der Rotor und der mit verschiedenen

Elastomerqualitäten ausgekleidete Stator berühren sich und arbeiten im normalen Betrieb wie ein Gleitlager (Bild 1). Die Abfuhr der entstehenden Wärme wird über das Fördermedium vorgenommen, welches auch die Aufgabe hat, die Förderelemente zu schmieren. Die durch Reibung zwischen Rotor und Stator sowie durch Walkarbeit im Elastomer entstehende Oberflächentemperatur des Stators kann eine potentielle Zündquelle darstellen. Für Pumpen, die in der ATEX-Gerätekategorie 2 und 3 eingeordnet sind, wird nach ATEX in Abhängigkeit der Zündtemperatur der explosiven Atmosphäre die höchst zulässige Oberflächentemperatur durch Vorgabe einer von sechs Temperaturklassen festgelegt. Die Oberflächentemperatur des Stators darf die Temperaturgrenze der entsprechenden Temperaturklasse nicht übersteigen. Sobald also die Betriebstemperaturen im Normalbetrieb bekannt sind, kann die Freigabe für Kategorie 3 erfolgen. Für Kategorie 2 müssen zusätzlich die Temperaturen bei einer „zu erwartenden“ Störung etwa durch Trockenlauf ermittelt werden. Durch Messungen hat ALLWEILER die zulässigen Mediumtemperaturen für den Pumpenbetrieb in unterschiedlichen Temperaturklassen ermittelt (Bild 2). Dabei zeigte sich im Normalbetrieb eine deutliche Abhängigkeit der Temperatur an der Statoroberfläche von der Rotordrehzahl, dem Förderdruck und der Mediumtemperatur. Weiterhin ist die Oberflächentemperatur von den Elastomerwerkstoffen sowie von der Elastomerwandstärke abhängig (Bild 3 und 4). So kann bei Einsatz von Statoren mit gleichmäßiger Elastomerwandstärke die Oberflächentemperaturdifferenz bei sonst gleichen Betriebsbedingungen halbiert werden. In Summe dürfen die Temperaturen des Mediums sowie die Oberfächentemperaturdifferenz des Stators zum Medium nicht größer als die zulässige Temperatur der jeweiligen Temperaturklasse sein. Aus dieser Beziehung wird die zulässige Mediumtemperatur im Normalbetrieb ermittelt. Im Störbetrieb, bei Trockenlauf der Pumpe und/oder Wellendichtung, führen die gemessenen Temperaturen innerhalb kürzester Zeit zu einer Überschreitung der zulässigen Temperaturen der entsprechenden Temperaturklasse. Hauptursache für die unzulässige starke Erwärmung ist die Trockenreibung zwischen Rotor und Stator, wobei der Stator schon innerhalb einer Minute thermisch zerstört werden kann (Bild 5). Auch die Temperaturerhöhung der Gleitringdichtung („GLRD“) ist zu berücksichtigen, weil die Dichtung mit explosiven Gasen in Kontakt kommen kann. Die GLRD kann einen länger dauernden Trockenlauf nicht schadlos überstehen und erwärmt sich wegen des geringen Wärmespeichervermögens und der schlechten Wärmeleitung über die Elastomerteile (O-Ring, Winkelmanschette, Balg). Am schnellsten werden unzulässig hohe Temperaturen erreicht, wenn die Wellendichtung durch eine Einfach-

Gleitringdichtung erfolgt. Das gilt auch für Einfach-Dichtung mit Quench und DoppelGLRD, wenn die Kühlung wegen ausbleibender Zirkulation, leerem Versorgungsbehälter oder Lufteinschlüssen wegfällt. Überwachungsmaßnahmen müssen daher gestörte Betriebszustände erkennen und eine Sicherheitsabschaltung auslösen. Beim Betrieb der Pumpe in Kategorie 2 muss die durch eine mögliche Betriebsstörung verursachte unzulässige Erwärmung mit einer Überwachungseinrichtung verhindert werden. Eine Durchfluss- und / oder Niveau-Überwachung kann den Störbetrieb erkennen. Fazit: Für Einsätze in Kategorie 3 sind keine zusätzlichen Überwachungseinrichtungen erforderlich. In Kategorie 2 darf eine „zu erwartenden“ Störung nicht zu einer Zündgefahr werden. Um dies sicherzustellen, muss der Trockenlauf der Pumpe und der Gleitringdichtung durch Überwachungsgeräte verhindert werden. Maßnahmenpaket für sicheren Betrieb Generell sind beim Einsatz von Exzenterschneckenpumpen im Ex-Bereich folgende Maßnahmen zu empfehlen: u Der Trockenlauf der Pumpe ist nicht zulässig, weil dabei an der Pumpenoberfläche

unzulässig hohe Temperaturen auftreten. u Exzenterschneckenpumpen sind Verdrängerpumpen und können theoretisch einen

unendlich hohen Druck erzeugen. Bei geschlossener Druckleitung, z.B. durch Verstopfung oder durch zufälliges Schließen eines Ventils, kann der Druck, welchen die Pumpe erzeugt, ein vielfaches des zulässigen Druckes der Anlage erreichen. Das kann zum Platzen von Leitungen führen, was speziell bei brennbaren Förderprodukten unbedingt vermieden werden muss. Es sind daher in der Anlage entsprechende Sicherheitseinrichtungen (z.B. Druckschalter) zu installieren. u Ein Blockieren der Pumpe durch Feststoffe mit unzulässiger Korngröße oder

Faserlängen ist zu vermeiden. u Der Trockenlauf der Gleitringdichtung muss unbedingt verhindert werden. Die

Kühlwirkung der Spül-, Quench- oder Sperrflüssigkeit muss durch Überwachung der Temperatur sicher gestellt werden. u Die Wellenabdichtung mit Packungsstopfbuchsen ist nicht zulässig, weil falsches

Anziehen leicht zu unzulässig hohen Temperaturen an der rotierenden Welle führt. u Die Eigenheiten jedes einzelnen Einsatzfalls müssen detailliert betrachtet werden,

damit die Wahl auf eine geeignete Exzenterschneckenpumpe fällt. Dies geht nur über einen intensiven Kontakt zwischen Anlagenbetreiber beziehungsweise Anlagenbauer und dem Pumpenhersteller.

1: Schnitt durch eine Exzenterschneckenpumpe. Die saugseitigen Innenwände sind blau und die druckseitigen rot

2: Abgeleitet aus den Erkenntnissen von Testläufen im Normal- und Störbetrieb lässt sich zu jeder Temperaturklasse eine maximal zulässige Mediumtemperatur definieren. Alle Temperaturangaben beziehen sich auf eine maximale Umgebungstemperatur von 40 °C

Elastomer (DIN ISO 1629)

NR

FPM

EPDM

NBR

CR

CSM

HNBR

AU

MVQ

Beharrungstemperatur

3: Oberflächentemperatur von Statoren mit verschiedenen Elastomeren

4: Durch den Einsatz von Statoren mit gleichmäßiger Elastomerwandstärke wird die maximale Beharrungstemperatur deutlich gesenkt

5: Durch Trockenlauf zerstörtes Statorelastomer