Bei Ventilatoren ist jede Aufregung unbegründet

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• Mit der neuen ATEX-Richtlinie werden keine neuen materiellen Anforderungen geschaffen, es wird nur eine Anpassung von Begriffen und Strukturen an den Neuen Rechtsrahmen (NLF) vorgenommen.
• Die ATEX-Richtlinie darf nur für einen bestimmten Druck- und Temperaturbereich angewendet werden. Der Zonen-Einteilung muss grundsätzlich der Betreiber für seine Anlage vornehmen.
• Explosionsgeschützte Kunststoffventilatoren mit ATEX-Zertifizierung sind für Anwendungen in der Zone 2 und der Zone 1 und maximal bis zur Temperaturklasse T4 erhältlich.

„Was der Bauer nicht kennt, frisst er nicht“. Unkenntnis ist vermutlich auch der Grund, warum viele Hersteller und Anwender der neuen ATEX-Richtlinie mit Sorge und Skepsis begegnen (ATEX: französische Abkürzung für Atmosphères Explosibles; deutsch: explosionsfähige Atmosphären). Von Kollegen höre ich oft Sätze wie: „Schon wieder etwas Neues? Das machen die in Brüssel extra, nur weil sie zu viel Zeit haben.“ Hier jedenfalls ist das Gegenteil der Fall, die Neufassung der ATEX 94/9/EG war angesichts eines derart sicherheitsrelevanten Themas längst überfällig. Die neue ATEX 2014/34/EU wird nun am 20. April 2016 ohne Übergangsfrist die bestehende Richtlinie aus dem Jahr 1994 ablösen.

Das ist neu: Der bisherige Artikel 95 (für den Hersteller von ATEX-Produkten relevant) wird neu zum Artikel 114, der bisherige Artikel 137 (für Betreiber) wird neu zum Artikel 153 [1]. Es wurden jedoch keine neuen materiellen Anforderungen geschaffen, sondern lediglich eine Anpassung von Begriffen und Strukturen an den Neuen Rechtsrahmen (New Legislative Framework – NLF), mit dem Ziel einer gegenseitigen Angleichung und Anerkennung der technischen Vorschriften in Europa, vorgenommen.

Im gleichen Rahmen wurden allerdings die Vorschriften für die Ventilatoren mit elektrischen Antriebsmotoren überarbeitet, die Niederspannungsrichtlinie 2006/95/EG neu zur 2014/35/EU und die EMV-Richtlinie 2004/108/EG neu zur 2014/30/EU. Lediglich die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG als Vorschrift zur CE-Kennzeichnung ist die „alte“ geblieben.

ATEX-Richtlinie

Die ATEX-Richtlinie definiert eine explosionsfähige Atmosphäre gemäß Abb. 1. Wichtig: Diese Einteilung besagt nicht, dass ein explosionsfähiges Gemisch aus Luft und Brennstoff außerhalb des angegebenen Temperaturbereichs von – 20 bis + 60 °C bzw. des Druckbereichs von 0,8 bis 1,1 bar durch eine Zündquelle nicht explodieren würde, sondern es ist der Bereich für den die ATEX-Richtlinie angewendet werden darf.

Das bedeutet: Wenn ein Ventilator beispielsweise planmäßig bei 70 °C betrieben wird, kann der Ventilator nicht nach der ATEX-Richtlinie behandelt werden und somit auch nicht als konform zu ihr bezeichnet werden. Weitere Randbedingungen zur Anwendung der ATEX-Richtlinie sind maximal 21 % Volumenanteil Sauerstoff bei einer aerodynamischen Energiezunahme von weniger als 25 kJ/kg, was mit der atmosphärischen Luftdichte ungefähr 30 000 Pa Druckdifferenz des Ventilators entspricht; bei Werten über 30 000 Pa spricht man vom Gebläse (bis 300 000 Pa) oder noch höher vom Verdichter oder Kompressor [2].

Kunststoffventilatoren …

Die folgenden Ausführungen beschränken sich zusätzlich auf das „Nischenprodukt“ Kunststoffventilator, weil er in vielen Vorschriften stiefmütterlich oder gar nicht behandelt wird. Dies wird auch einer der Gründe dafür sein, dass insbesondere im TGA-Bereich fehlerhafte Ausschreibungen und falsche Bestellungen bezüglich Kunststoffventilatoren und ihren weiteren lufttechnischen Komponenten zu beobachten sind.

Nach der ATEX-Richtlinie werden Geräte in die Gruppe I (Bergbau) und Gruppe II (alle anderen) und in die Kategorien 1, 2 und 3 unterteilt. Die Kategorie ist ein Maß für die Sicherheit eines Geräts, sie beschreibt die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Gerät in einer bestimmten Zone zu einer Zündquelle Abb. 1 werden kann. Danach sind Ventilatoren der Kategorie 3 so konstruiert, dass sie im Normalbetrieb nicht zu einer Zündquelle werden können, während Kategorie-2-Ventilatoren darüber hinaus auch bei vorhersehbaren Betriebsstörungen nicht zu einer Zündquelle werden dürfen [8].

Explosionsgeschützte Kunststoffventilatoren mit diesen Eigenschaften sind in der für Kunststoffprodukte zutreffenden Gerätegruppe II Kategorie-2G- und Kategorie-3G-Produkte (G: Gas), da die für Kategorie 1 geforderten Bedingungen (Flammendurchschlagsicherheit, explosionsdruckfestes und gasdichtes Gehäuse) mit Standardkunststoffen über eine erforderliche Stück-/Bauartprüfung nicht eingehalten werden können [4].

Dazu sind die Anforderungen nach DIN EN 12 874 für das Gehäuse der Flammendurchschlagsicherung mit Zugfestigkeiten bis zu  350 N/mm² und Bruchdehnungen  12 %, sowie Prüfdrücken von 10⁶ Pa für die daran angeschlossenen Kunststoffgehäuse viel zu hoch. Kunststoffventilatoren sind festigkeitsmäßig auch nicht dafür gebaut Staub/Luft-Gemische zu fördern; deshalb gibt es keinen Kunststoffventilator der Kategorie 2D bzw. 3D (D: Abkürzung für dust; deutsch Staub).

… nur für Zone 1 und Zone 2

Mit einem Ventilator der Kategorie 2G ist es möglich, in Zone 1 (gelegentliche Gefahr, hohe Sicherheit) und in Zone 2 (Gefahr nur selten und kurzzeitig, normale Sicherheit) Abb. 2 zu arbeiten, ein Ventilator der Kategorie 3G ist nur für die Zone 2 konzipiert.

Wichtig ist: Der Betreiber muss diese Zonen-Einteilung für seine Anlage vornehmen und dem Ventilatorenhersteller die notwendige Gerätekategorie benennen, in Ausschreibungen fehlen leider häufig entsprechende Angaben. Der Produzent des Ventilators ist in der Regel nicht vor Ort des Geschehens und kann deshalb auch nicht darüber entscheiden, ob überhaupt ein explosionsfähiges Gemisch auftreten kann. Denn das hängt nicht nur von den Gasgemischen, sondern auch von den Konzentrationen und den Temperaturen ab. Diese Kenntnisse sind ausschließlich beim Betreiber vorhanden, weshalb der Gesetzgeber auch den Betreiber dazu verpflichtet die Zoneneinteilung durchzuführen.

Mit den Anforderungen / Bestellangaben des Kunden für einen Ventilator der Kategorie 3 oder 2 muss dann gemäß ATEX-Richtlinie das Produkt auf einem der beiden in Abb. 3 gezeigten Wege auf Konformität bewertet und hergestellt werden.

UEG, OEG und Temperatur

Jedes explosive Gasgemisch hat eine UEG (untere Explosionsgrenze) und eine OEG (obere Explosionsgrenze) Abb. 4. Zwischen diesen beiden Grenzwerten ist das Gemisch (im zugrunde gelegten Druckbereich) explosiv. Oft sind die Zusammensetzungen der Gemische jedoch nicht exakt bekannt oder variieren je nach Prozess erheblich.

Und für jedes Gasgemisch gibt es nicht nur den Einfluss der Konzentration, sondern verschiedene Temperaturgrenzen Abb. 5. Das bedeutet, dass nicht nur die zu fördernde Medientemperatur (inklusive der durch die Verdichtung im Ventilator erzeugte Wärme), sondern auch in der unmittelbaren Umgebung des Förderstroms (beispielsweise das Gehäuse mit Dichtung, Laufrad und Antriebsmotor/-welle) die maximal zulässige Oberflächentemperatur für die jeweilige Temperaturklasse T1 bis T6 (bei Kunststoffventilatoren in der Realität maximal T4) eingehalten werden muss.

Die Temperaturklassen T5 und T6 sind mit einem vertretbaren Aufwand für einfache Kunststoffventilatoren nicht darstellbar, da aufgrund der korrosiven oder aggressiven Medien ein radiales oder axiales Dichtungssystem erforderlich ist, das berührungsbehaftet eine hohe Reibungsenergie erzeugt. Die Oberflächentemperatur bei T4 ist diesbezüglich mit 135 °C bereits sehr kritisch und kann z.B. nur mit speziell gekühlten axialen Dichtungssystemen gefahren werden.

Zündschutzart

Neben der Zündschutzart der konstruktiven Sicherheit „c“ für die Ventilator-Komponenten gemäß DIN EN 13 463-5 wird für die Antriebs- und Steuerungsseite die Zündschutzart „n“ und hierzu speziell in Zone 2 nA (nichtfunkende Betriebsmittel wie Elektromotoren) sowie nC (Einrichtungen und Bauteile, wie Sensoren) eingesetzt. Bei Aggregaten, die in Zone 2 und 1 verwendbar sind, wird entweder die höherwertige Zündschutzart „d“ (druckfeste Kapselung), die erhöhte Sicherheit „e“ oder eine Kombination „de“ von beiden Zündschutzarten gemäß DIN EN 60 079-1, -7, -15 eingesetzt. Ein mit Frequenzumrichter betriebener Motor in Zone 1 benötigt mindestens die druckfeste Kapselung. Alternative Antriebskonzepte mit pneumatischen Antriebsmotoren sind auch möglich Abb. 6.

Kategorie innen / außen

Grundsätzlich dürfen einem Ventilator für innen und außen unterschiedliche Kategorien zugeordnet werden. Allerdings dürfen Ventilatoren, besonders deren Wellendichtungen und flexible Anschlüsse am Eintritt und Austritt, nicht als absolut gasdicht betrachtet werden; außerdem sind angeschlossene Kanäle nicht zwangsläufig auf absolute Dichtheit geprüft. Die explosionsgefährliche Atmosphäre darf entweder aus dem Inneren des Ventilators in die angrenzende Umgebung oder von einer etwaigen gefährlichen Umgebung des Ventilators durch undichte Stellen ins Ventilatorgehäuse eindringen, etwa über das Wellendichtungssystem, wenn der innere Druck unterhalb des Atmosphärendrucks liegt.

Wenn die Leckraten nicht bekannt sind, muss der Hersteller den Ventilator so konstruieren, dass sich die Kategorie für innen und außen um nicht mehr als eine Stufe unterscheidet. Wenn der Ventilator einen offenen Einlass und / oder Auslass aufweist (Bauarten A, B, C nach ISO 13 349), muss der Ventilator innen und außen dieselbe Kategorie aufweisen.

Laufrad

Für das neben dem Antriebsmotor wichtigste Bauteil des Ventilators nämlich das Laufrad wird eine Befestigung auf der Welle mittels Spannhülse für Ventilatoren mit einer Motorleistung größer als 15 kW (bei Kategorie 2 nicht größer als 5,5 kW) nicht empfohlen. Alle Laufräder müssen einem mindestens 60-sekündigem Testlauf mit dem 1,15-fachen der maximalen Betriebsdrehzahl unterzogen werden und dürfen dabei kein Entzündungsrisiko darstellen. Die RLT-Richtlinie-02 vom März 2013 [7] geht sogar noch einen Schritt weiter: „Üblicherweise darf der Ventilator in Ex-Ausführung nur mit 80 % seiner maximalen Drehzahl ausgelegt werden, um die Schwingungsproblematik und die mechanische Belastung des Rades zu reduzieren.“

Schwerentflammbar …

Das Kunststoffmaterial selbst muss für die Kategorie 3 schwerentflammbar sein, die für das Laufrad und das Ventilatorgehäuse verwendeten Werkstoffe müssen damit einer kurzzeitigen Flammeneinwirkung standhalten. Diese Anforderung ist erfüllt, wenn die Bauteile 30 s in eine ungefähr 150 mm lange und ohne zusätzliche Luftzufuhr brennende (Propan-)Bunsenbrennerflamme gehalten und dabei nur teilweise zerstört werden, aber nicht selbstständig weiter brennen.

… und elektrisch ableitfähig

Für die Kategorie 2 müssen die Werkstoffe zusätzlich elektrisch ableitfähig sein (Oberflächenwiderstand  10⁹  bzw. Durchgangswiderstand  10⁶ ) und bauseits durchgängig geerdet werden Abb. 7, wenn die maximal zulässigen Projektionsflächen gemäß DIN EN13 463 [3] nichtleitender Geräteteile überschritten werden. Im Wesentlichen sind das für die Gase IIA und IIB 100 cm² und für Gase aus IIC (z. B. Wasserstoff) nur 20 cm².

Die Ventilatoren müssen so konstruiert sein, dass Zündgefahren wegen elektrostatischer Entladungen nicht eintreten. Selbst die Schichtdicken auf mit nichtleitender Farbe beschichteten, aber geerdeten Metallgestellen sind bei Gasen und Dämpfen der Gruppe IIA und IIB auf höchstens 2 mm und bei IIC auf 0,2 mm begrenzt – zusätzlich dürfen in beiden Fällen keine Gleitstielbüschelentladungen (bipolar aufgeladene Oberflächen, wie dies beispielsweise bei Folien und Verpackungen dünner 10 mm oft in Verbindung mit geringer Luftfeuchtigkeit vorkommt) auftreten können.

Schutzgitter

Wenn der Ventilator dazu bestimmt ist, ohne Eintritts- oder Austrittsleitungen eingebaut und betrieben zu werden, müssen bei Kategorie 2 und 3 Eintritts- und / oder Austrittsschutzgitter angebaut sein, die mindestens die Anforderungen von ISO 12 499 und EN 294 erfüllen. Wenn der Ventilator dafür bestimmt ist, mit zusätzlichen Eintritts- oder Austrittsleitungen betrieben zu werden, muss der Benutzer in der Bedienungsanleitung über die Gefahren durch das Eindringen von Fremdkörpern informiert werden.

Werden alle vorgenannten Bedingungen eingehalten, kann der Ventilator gemäß Abb. 8 gekennzeichnet werden. Werden Ventilatoren für die ATEX-Kategorien außerhalb des Umgebungstemperaturbereichs von – 20 bis + 40 °C betrieben, muss auf dem Typenschild zusätzlich dieser Bereich mit T_a oder T_amb (ambient) angegeben werden, bzw. durch ein symbolisiertes „X“ darauf aufmerksam gemacht werden. Alle Komponenten, beispielsweise der Antriebsmotor, müssen dann für den neu angegebenen Bereich freigegeben sein. Die Kennzeichnung lautet dann beispielsweise: 0 °C a  + 60 °C.

Ventilator-nahes Zubehör

Der Inhalt von DIN EN 14 986 [4] ist auch auf Ventilator-nahes Zubehör wie Absperrklappen sinngemäß anwendbar. Konstruktive Hinweise, welche bei einem Ventilator gültig sind, können mit technischem Sachverstand auf solche Bauteile übertragen werden (siehe Tabelle 4 in [11]). Dies beschreibt auch die RLT-Richtlinie 02 [7] im Kap 5.4 für Klappen. Sie zeigt, wie eine statische Aufladung der Klappenblätter von Luftregel- bzw. Absperrklappen vermieden wird. Dazu müssen die Klappenblätter zum Klappenrahmen einen leitenden Kontakt mittels leitenden Verbindungselementen, beispielsweise leitfähigen Buchsen, Zahnrädern oder außenliegenden Gestängen, aufweisen.

Bei beweglichen Teilen, wie Klappenblätter etc. müssen deren Verbindungen elektrisch leitfähig ausgeführt sein. Beim Einbau von Stellantrieben in explosionsfähiger Atmosphäre (innen oder außen) muss der Stellantrieb für die entsprechende Zone geeignet sein, die Anforderung der entsprechenden Kategorie erfüllen und eine EG-Baumusterprüfbescheinigung aufweisen Abb. 9.

Literatur

 [1] Grätz, Rainer: BAM-Chem. Sicherheitstechnik, VDMA Infotag, 15. Juli 2015

 [2] Eurovent 1/1 Fan Terminology, 1972

 [3] DIN EN 13 463-1 Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen – Teil 1: Grundlagen und Anforderungen. Berlin: Beuth Verlag, Juli 2009

 [4] DIN EN 14 986 Konstruktion von Ventilatoren für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, Berlin: Beuth Verlag, Mai 2007 (seit April 2014 liegt ein Überarbeitungs-Entwurf vor)

 [5] BGR 104 Explosionsschutz-Regeln – Regeln für das Vermeiden der Gefahren durch explosionsfähige Atmosphäre mit Beispielsammlung (2007); seit März 2015 Anlage 5 der DGUV Regel 113-001 Explosionsschutz-Regeln (EX-RL) – Sammlung technischer Regeln für das Vermeiden der Gefahren durch explosionsfähige Atmosphäre mit Beispielsammlung zur Einteilung explosionsgefährdeter Bereiche in Zonen, Download auf www.bgrci.de

 [6] TRBS 2153 Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladung, GMBl. Nr. 15/16 vom 9. April 2009, S. 278, Download auf www.baua.de

 [7] RLT-Richtlinie 02 Explosionsschutzanforderungen an Raumlufttechnische Geräte. Bietigheim-Bissingen: Herstellerverband RLT-Geräte, März 2013, Download auf www.rlt-geraete.de

 [8] Frobese, Dirk-Hans: Explosionsschutz an Ventilatoren DIN EN 14986. DIN Mitteilungen Mai 2007

 [9] Bild modifiziert aus R. Stahl „Grundlagen Explosionsschutz“, überarbeitete Version 2011

[10] Tabelle 6c aus R. Stahl„Grundlagen Explosionsschutz“, überarbeitete Version 2011

[11] Grunewald, Thomas: Nichtelektrischer Explosionsschutz und das europäische Regelwerk. Technische Überwachung (TÜ), Bd. 41, 06-2000

… ist einer der wenigen Hersteller, der Kunststoff-Ventilatoren mit ATEX-Zertifizierung anbietet und über Erfahrung mit ATEX-Geräten verfügt. Ventilatoren stehen bezüglich des Gefahrenpotenzials an exponierter Stelle, sowohl wenn bei diesen Geräten im Aufstellungsraum (außen) Ex-Atmosphäre existiert als auch bei der Förderung (innen) von Ex-Atmosphäre. Die angebotenen Lösungen mit ATEX-Zertifizierung werden in der Zone 1 und Zone 2 angewendet. Dabei ist zu betonen, dass eine Kombination von konformen und nicht-konformen Bauteilen insgesamt nicht ATEX-konform ist. So entspricht zum Beispiel ein Standard-Ventilator, auch wenn er mit druckgekapseltem Motor ausgestattet ist, nicht der ATEX-Richtlinie. Darum bieten Hürner-Funken zertifizierte Ventilatoren und Komponenten für jede Konfiguration. Sie erfüllen bei richtiger Auslegung die gewünschten ATEX-Anforderungen. www.huerner-funken.de

ist Technischer Geschäftsführer der Hürner-Funken GmbH, 35325 Mücke-Atzenhain, h.mauch@huerner-funken.de, www.huerner-funken.de