Was ist eine explosionsgeschützte Kammer?

Auf diesen Seiten erörtern wir häufig die Risiken, denen Materialien und Produkte bei Einwirkung normaler Atmosphären ausgesetzt sind. Dazu gehören die Auswirkungen von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Niederschlag und Sonneneinstrahlung.

Doch nicht alle Atmosphären sind gewöhnlich. Manche sind explosiv.

Geräte, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden sollen, müssen strenge Tests in explosionsgeschützten Kammern bestehen.

Wozu dient die explosionsgeschützte Kammer?

Fangen wir mit den Grundlagen an: Was ist eine Explosion?

Wir alle kennen es, aber können wir es präzise definieren?

Die technische Definition für unsere Branche findet sich in der ISO 8421-1:1987 , die das Vokabular für brandbezogene Phänomene umfasst. Eine Explosion wird definiert als „eine plötzliche Oxidations- oder Zersetzungsreaktion mit gleichzeitigem Anstieg von Temperatur, Druck oder beidem“.

Es handelt sich um eine chemische Reaktion, die drei Elemente : Sauerstoff (Luft), einen brennbaren Stoff und eine Zündquelle.

Die explosionsgeschützte Kammer führt einen grundlegenden Test für alle Produkte durch, die in potenziell explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden sollen, und dient dabei als Zündquelle innerhalb des Explosionsdreiecks. 

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Welche Sektoren sind von Explosionsschutzkammerprüfungen betroffen? 

Die Sektoren , die dem explosionsgeschützten Kammertest unterliegen, müssen potenziell explosionsgefährdete Bereiche aufweisen. 

Alle Arbeitsumgebungen, die eine explosionsgefährdete Atmosphäre – d. h. die Sauerstoff, brennbare Stoffe und Zündquellen enthalten – müssen den einschlägigen ATEX-Richtlinien , die unter anderem die Prüfung aller Zündquellen in einer explosionsgeschützten Kammer vorsehen.

Wir werden in Kürze über die ATEX-Richtlinien sprechen; vorerst geben wir an, welche Tätigkeiten und Sektoren betroffen sind:

• chemische und metallurgische Industrie
• Abfallentsorgungsindustrie
• Energieerzeugung
• Bauingenieurwesen
• Malerei
• Landwirtschaft

In all diesen Sektoren herrschen explosionsgefährdete Atmosphären und vor allem müssen Maschinen in explosionsgeschützten Kammern geprüft werden, da sie eine potenzielle Zündquelle darstellen.

Was sind die Normen für Explosionsschutz?

Wie bereits erwähnt, wird die Gesamtheit der EU-Richtlinien, die Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen regeln, als ATEX bezeichnet

ATEX hat zwei Hauptklassifizierungen: eine für explosionsgefährdete Bereiche und eine für Maschinen und Geräte, die als Zündquelle dienen können.

Die Prüfungen der Explosionsschutzkammer für die letztgenannten Geräte sind in UL 1203, IEC 60079-1:2014 und CSA C22.2 Nr. 30.

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Die explosionsgeschützte FDM-Klimakammer

Was haben Klimakammern damit zu tun?

Im Hinblick auf die ATEX-Richtlinien sind Klimakammern in zwei unterschiedlichen Aspekten relevant.

Auf der einen Seite handelt es sich bei explosionsgeschützten Prüfkammern um Klimakammern, oft begehbare Kammern, die zum Testen großer Maschinen dienen.

Andererseits stellen alle Klimakammern sowohl explosionsgefährdete Bereiche als auch potenzielle Zündquellen dar. Aus diesem Grund muss jede Klimakammer als explosionsgeschützter Schrank nach ATEX zertifiziert sein

Alle Klimakammern von FDM sind ATEX-zertifiziert, und wir haben dies hier ausführlich besprochen.

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Referenzstandards

• ATEX-Richtlinie 2014/34/EU – Geräte zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen. Verbindliche EU-Referenz für Hersteller und Anwender.
• IEC 60079-1:2014 — Explosionsgefährdete Bereiche – Teil 1: Geräteschutz durch druckfeste Gehäuse „d“. Norm für explosionsgeschützte Gehäuse Ex d.
• IEC 60079-0:2017 — Explosionsgefährdete Bereiche – Teil 0: Geräte – Allgemeine Anforderungen, allgemeine Anforderungen an alle Ex-Typen.
• IEC 60079-7:2017 — Geräteschutz durch erhöhte Sicherheit „e“, erhöhter Sicherheitsschutz.
• IEC 60079-11:2011 — Geräteschutz durch Eigensicherheit „i“, Eigensicherheit für Niedrigenergie-Stromkreise.
• UL 1203 — Explosionsgeschützte und staubzündgeschützte elektrische Betriebsmittel für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen (klassifizierte Bereiche), nordamerikanische Referenz.
• NFPA 70 (NEC) Artikel 500-506 — Nationaler Elektrotechnik-Code für die Klassifizierung von explosionsgefährdeten Bereichen in den USA.

Autoritative Quellen

• IECEx – IEC-System zur Zertifizierung von Geräten für explosionsgefährdete Bereiche. Internationales Zertifizierungssystem für Ex-Geräte mit weltweiter gegenseitiger Anerkennung.
• Europäische Kommission – ATEX-Leitlinien. Generaldirektion Binnenmarkt der EU, zuständig für die Umsetzung der ATEX-Richtlinie 2014/34/EU und der zugehörigen Anwendungsleitlinien.
• UL Solutions. Amerikanisches Referenzlabor für Zertifizierungen der Klasse I/Div. 1-2 gemäß NEC und UL 1203/913.
• PTB – Physikalisch-Technische Bundesanstalt. Deutsches Metrologieinstitut, die erste ATEX-Benannte Stelle in Europa und eine wissenschaftliche Referenz.

Häufig gestellte Fragen zu explosionsgeschützten Kammern

Wie wird die Explosionsdruckprüfung nach Ex d durchgeführt?

Der Test bestätigt, dass das explosionsgeschützte Gehäuse die interne Explosion ohne Nachgeben gemäß IEC 60079-1 Abschnitt 15Vorgehensweise: (1) Das Gehäuse wird mit einem explosionsfähigen Gasgemisch unter den ungünstigsten Bedingungen der jeweiligen Gruppe befüllt (IIA Propan, IIB Ethylen, IIC Wasserstoff/Acetylen). (2) Zündung mit einem kalibrierten elektrischen Funken. (3) Messung des Referenzdrucks mit einem schnell ansprechenden piezoelektrischen Sensor (≥ 20 kHz). Die Messung wird mindestens dreimal wiederholt und der Maximalwert erfasst. Der hydrostatische Prüfdruck beträgt das 1,5-fache des gemessenen Referenzdrucks (mindestens 3,5 bar für IIC) und wird 10–60 Sekunden lang aufgebracht, ohne dass es zu einem Bruch oder einer bleibenden Verformung von mehr als 0,5 % kommt. Die auf Flammendurchtrittsfestigkeit bestätigt, dass die interne Explosion die Außenluft nicht durch explosionsgeschützte Verbindungen entzündet. Sie wird in einer externen Kammer mit demselben Gemisch durchgeführt, wobei die Verbindungsabstände auf das Minimum reduziert sind (ungünstigste Toleranzen). Bei 5 aufeinanderfolgenden Prüfungen ist keine externe Zündung zulässig.

Welche Gasgruppen und Temperaturklassen sollten berücksichtigt werden?

Die IEC 60079-0-Klassifizierung definiert drei Gruppen für die Oberflächenindustrie (außerhalb des Bergbaus): IIA (weniger aggressive Gase, Propan, Butan, Benzin), IIB (Ethylen, H₂S_,Diethylether) und IIC (Wasserstoff, Acetylen, Kohlenstoffdisulfid; aufgrund des niedrigen minimalen Zündstroms (MIC) und des maximalen experimentellen Sicherheitsabstands (MESG) am gefährlichsten). Die IIC-Zertifizierung umfasst auch IIA und IIB. Die Temperaturklassen begrenzen die maximale Oberflächentemperatur des Geräts unterhalb der Selbstentzündungstemperatur des jeweiligen Gases: T1 ≤ 450 °C (Methan, Ammoniak), T2 ≤ 300 °C (Acetylen, Butan), T3 ≤ 200 °C (Benzin), T4 ≤ 135 °C (Acetaldehyd, Ether), T5 ≤ 100 °C und T6 ≤ 85 °C (Kohlenstoffdisulfid). Die vollständige Kennzeichnung lautet beispielsweise: „Ex d IIB T4 Gb“, wobei Gb = EPL-Geräteschutzpegel für Zone 1 (Gas). Für Staub definiert IEC 60079-31 IIIA (Fasern), IIIB (nichtleitender Staub) und IIIC (leitende Stoffe wie Aluminium und Magnesium).

Welche Klimatests sind in der ATEX-Zertifizierung enthalten?

Die IEC 60079-0 fordert zusätzlich zu den spezifischen Ex-Prüfungen eine Reihe von Umweltprüfungen: (1) Wärmebeständigkeit, Alterung über 7 Tage bei maximaler Betriebstemperatur (z. B. +80 °C) + 20 K Sicherheitszuschlag; (2) Kältebeständigkeit, 7 Tage bei minimaler Betriebstemperatur (-20, -40 oder -60 °C) + 5 K Sicherheitszuschlag; (3) Temperaturwechselprüfung, Temperaturwechsel von T_max auf 0–5 °C mit Wasser; (4) Fallprüfung bei T_min und T_max (IEC 60068-2-32) für tragbare Gehäuse; (5) IP-Prüfung nach IEC 60529 mit mindestens Schutzart IP54 (Zone 1) oder IP66/IP67 für Außen-/Staubanwendungen; (6) Vibrationsprüfung nach IEC 60068-2-6 für elektromechanische Strukturen. Diese Prüfungen werden in einer Klimakammer mit einem erweiterten Temperaturbereich von -60 bis +150 °C und einem elektrodynamischen Vibrator durchgeführt. Die vollständige Dokumentation umfasst die ATEX-Technische Akte, die EU-Baumusterprüfbescheinigung einer Benannten Stelle (z. B. IMQ, DEKRA, PTB, LCIE), die Qualitätssicherungsmeldung für die Serienproduktion, die CE-Kennzeichnung sowie das Ex-Symbol mit Kategorie (1G, 2G, 3G für Gase; 1D, 2D, 3D für Stäube).

Wie wird eine Explosionsprüfkammer aufgebaut?

Die Explosionsprüfkammer ist ein verstärkter Druckbehälter aus Edelstahl AISI 316L mit einer Wandstärke von 15–40 mm. Sie ist gemäß PED 2014/68/EU für Spitzendrücke bis zu 20–30 bar ausgelegt. Das Volumen variiert je nach Prüflingsgröße zwischen 0,1 und 10 m³. Die Kammer ist ausgestattet mit: (1) einem Gasdosiersystem mit Massenflussregler für kalibrierte Gemische (Genauigkeit ± 0,5 Vol.-%); (2) Zündelektroden mit kalibrierter Entladung von 0,1–10 J; (3) schnell ansprechenden piezoelektrischen Drucksensoren (100 kHz, Messbereich 0–50 bar) und Thermoelementen vom Typ K zur Flammentemperaturmessung; (4) einer Stickstoff-Nachbehandlungsanlage zur Entfernung brennbarer Stoffe; (5) einem gepanzerten Sichtfenster mit Mehrschichtglas für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen (10.000 Bilder/s). Für kombinierte Umwelttests sind ein Thermoelement -Thermostatsystem mit einem Temperaturbereich von -40 bis +100 °C und eine Feuchtigkeitssimulation integriert . Zu den Sicherheitsmerkmalen gehören ausfallsichere Not-Aus-Taster, ein Explosionsschutz, eine Zwangslüftung nach dem Test und eine SIL2-zertifizierte SPS-Überwachung. Die Installationen erfordern einen separaten Bunker mit Stahlbetonwänden von mindestens 300 mm Stärke.