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Ventiltechnik

Proportionalventile machen Druck

| Autor/ Redakteur: Jürgen Hammel / Stefanie Michel

Für explosionsfähige Atmosphären in Industrieprozessen ist die Zündschutzart Überdruckkapselung (Ex p) eine Lösung: damit dürfen verifizierte „Nicht-Ex“-Systeme auch in solchen Produktionsbereichen eingesetzt werden. Mit direktwirkenden Proportionalventilen lässt sich dann der Überdruck im schützenden Gehäuse präzise regeln.

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Bild 1: In Anwendungen mit Explosionsgefährdung, wie beispielsweise der chemischen Industrie, ist die Zündschutzart Überdruckkapselung (Ex p) oft eine praxisgerechte Lösung.
Bild 1: In Anwendungen mit Explosionsgefährdung, wie beispielsweise der chemischen Industrie, ist die Zündschutzart Überdruckkapselung (Ex p) oft eine praxisgerechte Lösung.
(Bild: Jürgen Feldhaus / Fotolia)
  • Wer für verfahrensbedingt explosionsfähige Gas- oder Staubatmosphären nicht auf Ex-spezifische Sonderhardware zurückgreifen muss, kann mit der Zündschutzart Überdruckkapselung Ex p „Nicht-Ex“-Systeme einsetzen.
  • Für seine überdruckgekapselten Geräte und Anlagen nutzt Gönnheimer Elektronic statt einfacher Magnetventile Proportionalventile und erreicht damit eine höhere Effizienz.
  • Mit diesen Proportionalventilen lässt sich der Überdruck im schützenden Gehäuse sowohl in der Spülphase als auch im Betrieb präzise regeln. Das spart Spülmedium, schützt das Gehäuse und trägt zur höheren Anlagenverfügbarkeit bei.

Bei vielen Produktionsprozessen – beispielsweise in Chemie, Pharmaindustrie und Maschinenbau – entstehen verfahrensbedingt explosionsfähige Gas- oder Staubatmosphären. Hier bietet sich die Zündschutzart Überdruckkapselung (Ex p) an, von der Anwender gleich in mehrfacher Hinsicht profitieren. Wenn sie nicht auf Ex-spezifische Sonderhardware zurückgreifen müssen, sinken sowohl die Anschaffungs- als auch die Lebenszykluskosten deutlich. Außerdem steigt die Flexibilität bei der Komponentenauswahl und die Lagerhaltung von Ersatzteilen bindet weniger Kapital, da Standardkomponenten günstiger in der Anschaffung und einfacher verfügbar sind.

Mit Standardgeräten in den Ex-Bereich

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 Millibar-Bereich, der mithilfe von Luft oder Inertgas aufgebaut wird, vor dem Eindringen der explosionsfähigen Atmosphäre geschützt. Vor der Inbetriebnahme der Standardkomponenten wird das Ex-p-Gehäuse mit dem Zündschutzgas durchspült, um eventuell darin befindliche, entzündliche Gase zu entfernen.

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Die Überwachung und Steuerung des Überdrucks spielt bei der Zündschutzart Ex p eine zentrale Rolle für den Explosionsschutz und somit für die Sicherheit der Anlage beziehungsweise der Geräte. 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 einem Alarm beziehungsweise einer Abschaltung der im Ex-p-Gehäuse eingebauten Komponenten führt.

Um die Anlagenverfügbarkeit 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.

Druckregelung mit proportionaler Ventiltechnik

Die Gönnheimer Elektronic GmbH nutzt deshalb einen anderen Ansatz, um hier mehr Effizienz zu erreichen: Die Spülluftzufuhr bei ihren überdruckgekapselten Geräten und Anlagen (Bild 2 und 3) wurde nicht über ein einfaches Magnetventil realisiert. Stattdessen setzen die Ex-Schutz-­Spezialisten ein Proportionalventil 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 des Gehäuses. Hierdurch ist es möglich, den Spülgasauslass vollständig zu schließen.

Eine solche Druckregelung mit proportionaler Ventiltechnik bringt 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.

Erfolgreiche Zusammenarbeit seit vielen Jahren

„Auf die proportionale Ventiltechnik sind wir bereits Anfang der 1990er-Jahre gestoßen, als Bürkert Fluid Control Systems erstmals direktwirkende Proportionalventile für die Absaugung von Benzindämpfen an Tankstellen einsetzte“, erzählt Geschäftsführer Prof. Dr.-Ing. Christoph Gönnheimer. „Seitdem arbeiten wir eng mit den Fluidikexperten zusammen. Die als Spülventile eingesetzten Proportionalventile (Bild 4) konnten so kontinuierlich optimiert und perfekt auf den Einsatz in unseren überdruckgekapselten Geräten abgestimmt werden.“ Die Ventile haben alle erforderlichen internationalen Ex-Zulassungen; hinzu kommen die große Auswahl, die kompakten Abmessungen, Langlebigkeit und zuverlässige Funktion.

Bei den Bürkert-Proportionalventilen wirkt die Spule direkt auf den Anker. Die Ansprechempfindlichkeit und Reproduzierbarkeit sind dadurch hoch und die Verzögerungszeiten beim Ansteuern niedrig. „Außerdem sind wir von der Variantenvielfalt begeistert. 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 überdruckgekapselten Einheiten in Anlagen der Chemie, Petrochemie, Pharmaindustrie, dem Maschinenbau oder in der Öl-, Gas- und Automobilindustrie eingesetzt sind“, ergänzt Gönnheimer.

Automatisieren in explosionsgefährdeten Bereichen

Die Gönnheimer Elektronic GmbH mit Hauptsitz in Neustadt an der Weinstraße entwickelt und produziert Automatisierungskomponenten und Lösungen für forschende und produzierende Unternehmen mit explosionsgefährdeten Bereichen. Zu ihren Kunden zählen weltweit tätige Industrieunternehmen aus den Bereichen Chemie und Pharmazie, Petrochemie sowie Maschinen- und Anlagenbau. Das Produktspektrum gliedert sich in drei Bereiche: Ex-PCs und Ex-HMI-Systeme, Überdruckkapselungssysteme und -lösungen (Ex p) sowie eigensichere (Ex i) MSR-Komponenten für die Prozess- und Fabrikautomation. Die Produkte werden im Haus entwickelt, gefertigt und weltweit vertrieben. Umfassende Beratung, Hilfestellung bei der Komponentenauswahl und kompetenter Service gehören dabei zu den selbstverständlichen Dienstleistungen.

Ex p auf dem Weg in Richtung Industrie 4.0

Auch bei unterschiedlichen Anforderungen den gleichen Ansprechpartner kontaktieren zu können, ist im Alltagsgeschäft ein großes Plus. Reibungsverluste bei der Kommunikation verringern sich und das Bestellwesen wird einfacher. „Hinzu kommt, dass wir es über Jahre hinweg immer mit den gleichen Ansprechpartnern zu tun haben, weil es bei Bürkert hier wenig Wechsel gibt“, freut sich Gönnheimer. Die Zusammenarbeit wird deshalb weitergehen. Der Ex-Schutz-­Spezialist ist schon heute für die Zukunft bestens gerüstet, denn die Zündschutzart Ex p ist auf dem Weg in Richtung Industrie 4.0. Die Steuereinheiten der Überdruckkapselungssysteme können zum Beispiel 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.

* Jürgen Hammel ist Area Sales Manager bei Bürkert Fluid Control Systems in 74653 Ingelfingen, Tel. (0 79 40) 10-0, info@buerkert.de

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