Sicherheit für Anlagen mit natürlichen Kältemitteln

Aus Umweltschutzgründen geht heute der Trend zu natürlichen Kältemitteln. Infrage kommen hier zwei Kategorien: nicht brennbare Kältemittel wie beispielsweise CO₂ und brennbare wie Propan oder Butan. Bei nicht brennbaren natürlichen Kältemitteln ist die Ventilatorenauswahl einfach, weil keine besonderen Schutzmaßnahmen zu berücksichtigen sind. Aus Energiespargründen kommen hier immer häufiger EC-Ventilatoren zum Einsatz. Schwieriger dagegen ist die Ventilatorenwahl, wenn brennbare Kältemittel eingesetzt werden, denn hier gilt es, ab einer bestimmten Anlagengröße Ex-Schutzbestimmungen zu berücksichtigen. Heute ist das allerdings kein Problem mehr: Die energiesparenden Eigenschaften des EC-Ventilators, sowohl im Volllast- als auch im Teillastbetrieb, lassen sich jetzt in Exbereichen der Zone 2 und 1 nutzen.
Wenn brennbare natürliche Kältemittel austreten, bildet sich im ungünstigsten Fall zusammen mit der Umgebungsluft ein explosionsfähiges Gemisch. Im stoffspezifischen Zündfenster kann eine Zündquelle dann zu einer Explosion führen. Die Gefahr ist je nach Anwendung recht unterschiedlich zu bewerten. Bei einem Haushaltskühlschrank beispielsweise ist sie vernachlässigbar, weil die Kältemittelmenge vergleichsweise gering ist. Eventuell austretende Gasmengen verflüchtigen sich schnell. Anders sieht es bei größeren Kälte- und Klimaanlagen aus, denn je mehr Kältemittel eine Anlage enthält, desto größer wird das Risiko.

Risikobeurteilung durch
den Arbeitgeber

Überschreitet die Füllmenge der Kälteanlage mit natürlichem brennbaren Kältemittel 150 Gramm, müssen deshalb die Vorgaben zum Explosionsschutz eingehalten werden, was unter Umständen Auswirkungen auf die eingesetzten Ventilatoren hat. Geregelt wird dies durch die Richtlinie (RL) 99/92/EG, besser bekannt als ATEX 137. Mit dieser Arbeitsschutzrichtlinie muss sich z.B. jeder Supermarktbetreiber auseinandersetzten, der eine Kälteanlage mit brennbaren natürlichen Kältemitteln nutzt. Denn die Richtlinie verpflichtet jeden Arbeitgeber, der eine Anlage mit explosionsfähigen Elementen betreibt, für einen ausreichenden Schutz der betroffenen Personen zu sorgen.

Dazu muss er gemäß den Vorgaben der Richtlinie technische und organisatorische Maßnahmen ergreifen, die einerseits Explosionen verhindern und andererseits vor Explosionen schützen. Er muss in diesem Zusammenhang die Explosionsrisiken beurteilen und dafür sorgen, dass die Arbeit im Betrieb nicht gefährdet ist. Entsprechend der Risikobeurteilung werden die Bereiche mit eventuell auftretender explosionsfähiger Atmosphäre in Zonen eingeteilt (Bild 1). Ein Gerät darf in einer Zone nur eingesetzt werden, wenn es den Vorgaben der zugehörigen Kategorie entspricht. Diese Kategorien sind in der ATEX 95 (Richtlinie 95/9/EG), der sogenannten Produktbeschaffenheitsricht­linie, definiert. Die Zoneneinteilung ist dabei hauptsächlich dadurch bestimmt, wie häufig mit einer explosionsfähigen Atmosphäre zu rechnen ist.

Im Zweifelsfall auf der sicheren Seite

Bei einer Kälteanlage wird man Zone 0 mit einer ständig bis häufig auftretenden explosionsfähigen Atmosphäre mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht annehmen müssen. Denn dann wäre die Kälteanlage von vornherein nicht für ihren Einsatzzweck geeignet. Als Zone 0 gilt beispielsweise das Innere von Tanks, in denen explosive Stoffe gelagert werden, z.B. Benzin, Öl etc. Die Bewertung einer Kälte- und Klimaanlage wird sich folglich zwischen Zone 1 und 2 abspielen. Der Arbeitgeber muss also bei der Risikobeurteilung entscheiden, ob mit einer explo-
sionsfähigen Gasatmosphäre gelegentlich (Zone 1) oder selten und kurzzeitig (Zone 2)
zu rechnen ist. Eine Entscheidung, die im Einzelfall nicht immer einfach zu treffen ist. Zertifizierte Stellen können im Zweifel zur Beratung herangezogen werden.

Gleichgültig, wie die Entscheidung letztendlich ausfällt, sind heute die Hersteller der Kälteanlagen nicht mehr auf die bisher nur am Markt verfügbaren für Zone 1 und 2
zugelassenen Asynchronmotoren angewiesen. Asynchronmotoren sind zwar zuverlässig und robust, arbeiten jedoch „energie­intensiv“ mit vergleichsweise schlechteren Wirkungsgraden. Außerdem muss der für eine Drehzahlregelung notwendige Frequenzumrichter außerhalb der EX-Zone montiert und über geschirmte Leistungen mit dem Ventilatorenantrieb verbunden werden. Jetzt erschließen sich hier Einsparpotentiale.

Für den Einsatz in Zone 1 und 2 hat der Motoren- und Ventilatorenspezialist ebm-papst Mulfingen (www.ebmpapst.com) einen energiesparenden „GreenTech“-EC-Motor entwickelt. Die Leistungsdaten des Motors erlauben den Einsatz in Axialventilatoren mit Durchmessern von 630 bis 990 mm bzw. in Radialventilatoren der Baugröße 400 bis 710 mm. Damit lässt sich für praktisch jede denkbare Anwendung in Kälte- und Klimaanlagen eine „maßgeschneiderte“ „GreenTech“-EC-Ventilatorenlösung finden. Die Ex-Schutz-Klassifizierung des neuen EC-Motors (vgl. Kastentext) belegt, dass sich damit ausgestattete Ventilatoren aber auch für andere Ex-Bereiche eignen, beispielsweise zur Belüftung von Zone-1-Bereichen, bei denen gelegentlich mit Benzindämpfen zu rechnen ist.

Ex-Schutz, integrierte
Elektronik und
Außenläuferbauweise

Ebenso wie bei den Standard-Motoren in „GreenTech“-EC-Technologie von ebm-papst ist auch bei der ex-geschützten Variante die Leistungselek­tronik komplett im Motor integriert. Hinzu kommen jedoch gleich eine ganze Reihe ex-relevanter Schutzmaßnahmen (Bild 2): So ist die Leistungselektronik druckfest gekapselt und Motor sowie Anschlüsse erfüllen die Anforderungen der Zündschutzart e (erhöhte Sicherheit).

Der Motoraufbau als Außenläufer ist für Ventilatoren vorteilhaft, da Axialflügel oder Radialräder am drehenden Rotor, also direkt am „Gehäuse“ des Motors, befestigt werden können. Kompakte Abmessungen vor allem in axialer Richtung sind die Folge und die Kühlung vereinfacht sich, da der Motor durch die vom Ventilator geförderte Luft gleich mit gekühlt wird. Außerdem ergibt sich durch die große Luftspaltfläche eine hohe Durchflutung des Motors, auch bei Verwendung von Hartferriten. Man ist also nicht wie bei Innenläufermotoren auf Selten-Erde-Magnete angewiesen.

Der ex-geschützte EC-Motor bietet ansonsten die gleichen Eigenschaften wie die anderen „GreenTech“-EC-Motoren aus dem Produktprogramm von ebm-papst. Die elektrische Schnittstelle stellt zwei analoge Eingänge (0 ... 10 V oder 4 ... 20 mA), einen
0 ... 10 V-Ausgang für das Geschwindigkeitssignal und eine Spannungsversorgung von +10 V und +24 V zur Verfügung. Es ist damit z.B. möglich, auch in einem Ex-Bereich eine Verflüssigerdruckregelung mit nur einem externen Drucksensor aufzubauen (Bild 3). Ein zusätzlicher Motorschutzschalter wird zum Beispiel nicht benötigt. Natürlich müssen auch die für die Ventilatorenflügel bzw. -räder eingesetzten Materialien den Ex-Schutzanforderungen genügen. Bild 4 zeigt den Aufbau eines kompletten, für Exbereiche der Zone 2 und 1 zugelassenen, Axialventilators. Der Wandring aus Blech bildet zusammen mit den HyBlade-Flügeln aus einem speziellen Hochleistungskunststoff eine nicht zündfähige Materialkombination.

Ein schlüssiges Konzept für den Umweltschutz

Durch den Einsatz solcher EC-Ventilatoren werden Kälteanlagen, die mit natürlichen Kältemitteln arbeiten, jetzt zu einem schlüssigen Gesamtkonzept, da die energiesparenden und damit umweltschonenden Eigenschaften des Ventilators die ebenfalls umweltschonenden Eigenschaften des Kältemittels ergänzen. Durch den möglichen Einsatztemperaturbereich von −40 °C bis +60 °C können mit Axialventilatoren Verflüssiger- und  Verdampferanwendungen oder mit Radialventilatoren beispielsweise Entlüftungsanlagen ausgerüstet werden. Damit setzt ebm-papst mit „Green-Tech“-Philosophie jetzt im anspruchsvollen explosionsgefährdeten Bereich Maßstäbe. Die ex-geschützten Ventilatoren sind in Serienproduktion und die Zulassungsbescheinigungen durch eine benannte Stelle für die Produkte und die Produktion liegen vor. Damit können die für Ex-Bereiche der Zone 2 und 1 zugelassenen Axialventilatoren auch in anderen Einsatzgebieten eingesetzt werden, z.B. in chemischen Prozessen.