Ein Gittergewebe aus Draht

Die 'Expressure'-Technik von R. Stahl basiert auf einem mehrschichtigen Edelstahlgewebe mit Strömungskanälen, in denen Explosionsenergie sicher abgebaut wird.

© R. Stahl Schaltgeräte

Das aus feinen Edelstahldrähten gewebte Metallgitter wird in mehreren übereinanderliegenden Schichten aufgebaut. Jede dieser Schichten wurde im Zuge zahlreicher Versuche hinsichtlich ihrer geometrischen und technischen Parameter wie Drahtstärke, Maschenweite und Web-Art optimiert. Die verschiedenen Schichten werden zu einem stabilen Verbund versintert. So weist das fertige Drahtgittergewebe neben der Zünddurchschlagfestigkeit eine hohe Gasdurchlässigkeit, mechanische Festigkeit und Wärmekapazität bei einer relativ geringen Wärmeleitfähigkeit auf und eignet sich somit für die Integration in druckfest gekapselte Gehäuse. Mittels spezieller Verfahren lässt es sich sowohl in Aluminiumgussgehäuse eingießen als auch in Edelstahlgehäuse einschweißen. Dabei hat sich ein Verhältnis zwischen gasdurchlässigen Flächen und geschlossenen Seitenwänden von 10 bis 15 % als ideal herausgestellt. 

Die Seitenwände mit durchlässigen Druckentlastungselementen sind auf der Außenseite durch Berstscheiben verschlossen und gemäß IP66 geschützt.

© R. Stahl Schaltgeräte

Kommt es zur Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre im Inneren eines so präparierten Gehäuses, wird die freigesetzte Energie schnell und effizient abgebaut. Dabei werden unterschiedliche physikalische Effekte wirksam (nachfolgend sehr vereinfacht dargestellt). Das gasdurchlässige Gewebe ermöglicht einen raschen Druckabbau nach außen. Dabei wird, je nach Lage der Zündquelle im Druckraum, auch ein gewisser Teil des unverbrannten Gas-Luft-Gemisches herausgedrückt und kann so nicht explosionswirksam werden. Ein nicht unbeträchtlicher Teil der entstehenden Reaktionswärme wird von der Gitter-Luft-Struktur des Drahtgewebes aufgenommen und steht somit zum inneren Druckaufbau nicht zur Verfügung. Das Ergebnis: Während in einem gleich großen herkömmlichen Ex-d-Gehäuse Spitzendrücke von circa 10 bar gemessen werden, liegt der gemessene Spitzendruck in den neuen Gehäusen bei Werten weit unter 1 bar. Durch eine geeignete Anordnung konnte zudem sicher verhindert werden, dass die äußere Oberfläche der Gitterschichten auf Temperaturen über den für die Temperaturklasse T4 zulässigen Wert erhöht wird. 

Zur Funktions-Sicherstellung der Lösung unter den unterschiedlichsten harten Umgebungsbedingungen wie Verschmutzung oder Vereisung ist allerdings ein guter Schutz der außenliegenden Gitteroberflächen notwendig. Dies wird durch die Montage herkömmlicher Berstscheiben ermöglicht, die im Normalbetrieb Schutzart IP66 gewährleisten, sich aber im Explosionsfall bei einem Solldruckwert von 0,1 bar öffnen und so dem ausströmenden Gas den Weg ins Freie ebnen.

3 mm Wandstärke

Die geschilderte Druckreduzierung macht neue Gestaltungen für druckfest gekapselte Gehäuse möglich. Die unter dem Markennamen ‚Expressure‘ von R. Stahl entwickelten Gehäuse kommen mit Wandstärken von circa 3 mm aus und sind damit nicht weit von den entsprechenden Maßen der Industrieschaltschränke entfernt. Dies wirkt sich deutlich auf Gewicht und Kompaktheit der Bauweise aus. Vergleichende Beispielberechnungen ergaben Einsparungen von 30 bis 50 % beim Gewicht und 25 % bei den äußeren Abmessungen gegenüber herkömmlichen Schaltgerätekombinationen. Dies ist insbesondere relevant, wenn es um eng gepackte Installationen im Offshore-Bereich geht.

Ein großformatiges Gehäuse genügt

Ebenso ist es möglich, druckfest gekapselte Schaltschränke mit sehr großen Abmaßen zu bauen. Der größte derzeit verfügbare Expressure-Schrank hat eine Höhe von 1400 mm bei einer Breite von 100 mm und einer Tiefe von 700 mm; noch größere Schrankabmaße sind geplant. Dies erleichtert die Projektierung deutlich. War mit der herkömmlichen Technik noch die Kombination mehrerer Gehäuse zur Aufnahme komplexer Steuerungen und Verteilungen nötig, genügt nun in der Regel ein einziges Expressure-Gehäuse. Große Betriebsmittel wie zum Beispiel Transformatoren oder Frequenzumformer, die bisher entweder gar nicht oder nur mit sehr viel Aufwand für den Ex-Bereich ertüchtigt werden konnten, lassen sich nun sicher in die großvolumigen Gehäuse einbauen. 

Die ATEX- und IECEx-Zertifizierung wurden parallel bei den beiden deutschen Prüfstellen durchgeführt, für die ersten vier Gehäusegrößen liegen die notwendigen Zertifikate bereits vor. Für den ATEX-Bereich konnten unter Inanspruchnahme des Anhangs II der Richtlinie 2014/34/EU reine Ex-d-Zertifikate ausgestellt werden (dieser Anhang ermöglicht bewusst innovative Lösungen, die noch nicht 100 % in den relevanten harmonisierten Normen enthalten sind). Für die IECEx-Zertifikate wurden sowohl die Norm IEC 60079-1 als auch die Norm IEC 60079-33: Sonderschutz verwendet. Beide genannten Prüfstellen wirkten dabei als die zwei von der 60079-33 geforderten ‚Unabhängigen Gutachter‘ (Independent verifier).

Autor: 
Prof. Dr. Thorsten Arnhold ist Vice President Strategy & Technology bei R. Stahl Schaltgeräte und Chairman des IECEx-Systems in Waldenburg.