Explosionsgeschützte Getriebemotoren für Siloanlagen: KSt-Wert, Zonen 20 bis 22, Kennzeichnung Ex tb und Oberflächentemperatur normgerecht auslegen.
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Kenngrößen der Staubexplosion: KSt-Wert, Staubklasse und Mindestzündenergie
Die Auslegung eines explosionsgeschützten Getriebemotors beginnt nicht am Gerät, sondern am Staub. Zentrale Kenngröße ist der KSt-Wert: Er charakterisiert als volumenunabhängige, staubspezifische Größe die Explosionsheftigkeit und entspricht numerisch dem maximalen zeitlichen Druckanstieg in einem 1-m³-Behälter unter genormten Prüfbedingungen. Zusammen mit dem maximalen Explosionsüberdruck ordnet er den Staub einer Staubexplosionsklasse zu.[1]
| Staubexplosionsklasse | KSt-Wert (bar·m/s) |
|---|---|
| St 1 | größer 0 bis 200 |
| St 2 | größer 200 bis 300 |
| St 3 | größer 300 |
Neben der Heftigkeit sind die zündbezogenen Kenngrößen für die Geräteauslegung maßgeblich: die Mindestzündenergie des Staub-Luft-Gemisches sowie die Zündtemperatur der aufgewirbelten Staubwolke und die Glimmtemperatur einer abgelagerten Staubschicht. Aus diesen Werten leiten wir in den folgenden Abschnitten die zulässige Oberflächentemperatur des Getriebemotors ab.
Zonenermittlung im Silo: Zone 20, 21 und 22 richtig unterscheiden
Die Zone beschreibt, wie häufig und wie lange explosionsfähige Staub/Luft-Gemische zu erwarten sind. Das Siloinnere mit ständig vorhandenem Staub-Luft-Gemisch gehört in der Regel zu Zone 20. Zone 21 liegt außerhalb staubeinschließender Behältnisse, etwa an Füll- und Entnahmestellen, Probeentnahmestellen oder Öffnungen mit häufiger Entnahme. Zone 22 betrifft Bereiche mit seltenem, kurzzeitigem Austritt, beispielsweise Aspirationsöffnungen von Filtern oder Stellen, an denen bei innerem Überdruck Staub ausgeblasen werden kann.
- Zone 20: Inneres von Silos, Zyklonen, Filtern, Mühlen und Trocknern mit ständigem Staub-Luft-Gemisch
- Zone 21: Umgebung von Befüll- und Entnahmestellen, Förderbändern und Arbeitsöffnungen mit gelegentlicher Bildung explosionsfähiger Atmosphäre im Normalbetrieb
- Zone 22: Bereiche mit seltenem, kurzzeitigem Austritt, etwa an Filteransaugungen oder leckageanfälligen Verbindungen
Aus der Zone folgt die Gerätekategorie nach Richtlinie 2014/34/EU: Zone 20 erfordert Kategorie 1D, Zone 21 Kategorie 2D und Zone 22 Kategorie 3D. Für den Antrieb am Silo bedeutet das: Der am Silo außen sitzende Getriebemotor fällt meist unter Kategorie 2D oder 3D, während Geräte im Siloinneren der höchsten Kategorie entsprechen müssen. Die Grundlagen der Auswahl passender ATEX-Getriebe haben wir dazu separat aufbereitet.
Kennzeichnung Ex tb / Ex tc und Staubgruppen IIIA bis IIIC lesen
Die Kennzeichnung auf dem Typenschild verdichtet Zone, Staubart und Temperaturangabe in einer Zeichenfolge. Am Beispiel Ex tb IIIB T125 °C Db lässt sie sich wie folgt entschlüsseln:
- tb: Zündschutzart „Schutz durch Gehäuse mit Zündquellenüberwachung“ für nichtelektrische Geräte, zugeordnet zur Kategorie 2D für Zone 21
- tc: entsprechende Schutzart für Kategorie 3D, einsetzbar in Zone 22
- IIIB: Staubgruppe für nichtleitfähigen Staub; IIIA steht für flockige Stoffe und Flusen, IIIC für leitfähigen Staub
- T125 °C: maximal zulässige Oberflächentemperatur des Geräts
- Db: Equipment Protection Level (EPL) mit hohem Schutzniveau, passend zur Kategorie 2D
Die Staubgruppe ist kein Formalismus: Leitfähige Stäube der Gruppe IIIC stellen zusätzliche Anforderungen an Isolationsabstände und Potentialverhältnisse des Geräts. Konstrukteure sollten die Gruppenzuordnung daher frühzeitig mit der Staubanalyse des Betreibers abgleichen und nicht erst bei der Inbetriebnahme.
Maximale Oberflächentemperatur aus der Glimmtemperatur der Staubschicht ableiten
Die Temperaturangabe in der Kennzeichnung wird nicht frei gewählt, sondern aus den Staubkenngrößen abgeleitet. Bei Anwesenheit einer Staubwolke darf die Oberflächentemperatur maximal 66 % der Mindestzündtemperatur des aufgewirbelten Staubes betragen. Bei Staubschichten bis 5 mm Dicke muss sie mindestens 75 K unterhalb der Glimmtemperatur liegen (TRGS 723). Für Mehlstaub mit einer Mindestzündtemperatur von 380 °C und einer Glimmtemperatur von 300 °C ergeben sich daraus 253 °C für die Wolke und 225 °C für die Schicht; maßgeblich ist stets der niedrigere Wert.[3]
Normativ gelten für nichtelektrische Geräte wie Getriebe und Bremsen die Normen ISO 80079-36 und ISO 80079-37. Sie ersetzen die Teile 1, 5, 6 und 8 der früheren Normenreihe DIN EN 13463 und bilden zusammen mit der Normenreihe IEC 60079 ein integriertes internationales Regelwerk für den Explosionsschutz, das als harmonisierte Norm mit der ATEX-Richtlinie 2014/34/EU verknüpft ist.[4] Für elektrische Betriebsmittel des Antriebsstrangs, etwa Flammgeschützte Motoren, gelten die Zündschutzarten der IEC 60079-Reihe.
Staubablagerung am Getriebemotor: Wärmestau und Reinigungsintervalle
Der Betrieb entscheidet darüber, ob die rechnerisch abgeleitete Oberflächentemperatur auch im Dauerbetrieb sicher bleibt. Ablagerter Staub wirkt als Wärmedämmung und lässt die Gehäuseoberfläche lokal stärker aufheizen als im sauberen Zustand. Die genannten Grenzwerte gelten daher nur, solange die Staubschichten nicht dicker als 5 mm sind; bei größeren Schichtdicken reduziert sich die maximal zulässige Oberflächentemperatur deutlich.[3] Reinigungsintervalle und ein Ablagerungslimit von üblicherweise maximal 5 mm Schichtdicke gehören deshalb fest in die Ex-Dokumentation der Anlage.
- Reinigungsintervalle festlegen und dokumentieren, abgestimmt auf Staubmenge und Betriebsweise der Anlage
- Ablagerungslimit von maximal 5 mm als Prüfkriterium in die betriebliche Ex-Prüfung aufnehmen
- Kühlrippen sowie Ansaug- und Ausblasöffnungen des Lüfters freihalten; der Abstand der Lufteintrittsfläche zur nächsten Wand sollte mindestens dem halben Motordurchmesser entsprechen
- Fundament eben, sauber und robust ausführen und Verspannungen, Schläge und Unwuchten im Antriebssystem vermeiden
Potentialausgleich und Erdung gegen elektrostatische Aufladung
Eine zweite betriebliche Zündquelle entsteht durch elektrostatische Aufladung: Der Staubfluss in Leitungen, Filtern und Silo lädt Anlagenteile auf, und leitfähige, von Erde isolierte Gegenstände können Funkenentladungen bilden. Die TRGS 727 fordert daher, leitfähige Gegenstände zu erden und ableitfähige mit Erdkontakt zu versehen; im Allgemeinen soll der Ableitwiderstand 10⁶ Ω nicht überschreiten. Bestehen Einrichtungen aus mehreren leitfähigen Komponenten, sind diese einzeln zu erden oder untereinander leitend zu verbinden und insgesamt zu erden.
Für die Praxis am Getriebemotor folgt daraus: Erdung und Potentialausgleich müssen dauerhaft und zuverlässig ausgeführt und regelmäßig geprüft werden. Auch mechanische Bauteile des Antriebsstrangs, etwa ATEX-Bremsen, sind als potenzielle Zündquellen in die Zündquellenanalyse einzubeziehen und in der Gefährdungsbeurteilung nachzuweisen.
Explosionsdruckentlastung nach DIN EN 14491 im Gesamtkonzept
Primärer Explosionsschutz verhindert Zündquellen; bleibt eine Restgefährdung, greifen nachgelagerte Schutzmaßnahmen. Die DIN EN 14491 legt die grundlegenden Anforderungen an die konstruktive Gestaltung und die Auswahl von Schutzsystemen zur Druckentlastung von Staubexplosionen fest. Sie gehört zu einem Normenkonzept, zu dem auch die EN 14797 für Einrichtungen zur Explosionsdruckentlastung und die EN 14460 für explosionsfeste Geräte zählen.[5]
- Druckentlastungseinrichtungen am Silo: Explosionsklappen, Berstscheiben oder Reißfolien, damit im Explosionsfall der Druck gefahrlos abströmen kann
- Ortfeste Brandeindämmung: Sprühwasser-Löscheinrichtungen oder Löschanlagen, die im Brandfall Löschwasser durch geeignete Düsen gleichmäßig und in kleinen Tröpfchen über den gesamten Siloquerschnitt verteilen und dadurch Schwebstaub niederschlagen, wodurch die Explosionsgefahr erheblich reduziert wird[6]
- Betriebliche Vorgaben: Geschlossene Silos im Brandfall weder öffnen noch mit Wasser- oder Löschpulverstrahl löschen, da Lufteintritt und Aufwirbelung ein explosionsfähiges Gemisch erzeugen können; die Brandbekämpfungsmaßnahmen sind mit der Feuerwehr abzustimmen[6]
Wichtig für die Auslegung bleibt: Eine Sprühwasserlöschung dient im Brandfall zur Staubbindung und Brandeindämmung; eine Löschung von Glimmnestern in der Materialschüttung ist mit einer Sprühwasserlöscheinrichtung nicht möglich, das Material muss in jedem Fall ausgetragen werden.[6] Diese Wechselwirkung zwischen Löschkonzept und Anlagentechnik zeigt, dass der Getriebemotor nur ein Baustein des Schutzes ist. Sicherheit entsteht durch das Zusammenspiel von Gerätekennzeichnung, Ablagerungsmanagement, Erdung und Druckentlastung.
Genau dieses Zusammenspiel projektieren wir als Gesamtsystem: Auslegungsdaten wie Leistung und Drehmoment werden bei explosionsgeschützten Antrieben bereits in der Projektierung mit Sicherheitsfaktoren größer 1,2 beaufschlagt, und die errechnete Getriebelebensdauer wird auf die geforderte Betriebsdauer der Anlage ausgelegt. ATEK Drive Solutions liefert dazu projektfertige Antriebslösungen für den kompletten Antriebsstrang aus einer Hand, von der passenden Getriebestufe über ATEX-Bremsmotoren bis zu explosionsgeschützten Getriebemotoren für den Einsatz an Siloanlagen. So entsteht eine nachvollziehbar dokumentierte, passgenaue Lösung, die Zonenermittlung, Kennzeichnung und betriebliche Schutzmaßnahmen zu einem belastbaren Gesamtkonzept verbindet.
Häufig gestellte Fragen
Was bedeutet der KSt-Wert bei brennbaren Stäuben?
Der KSt-Wert ist eine volumenunabhängige, staubspezifische Kenngröße, die das Reaktionsverhalten eines Staub-Luft-Gemischs charakterisiert. Er entspricht dem maximalen zeitlichen Druckanstieg in einem 1-m³-Behälter. Stäube werden danach in die Klassen St1 (bis 200 bar·m/s), St2 (über 200 bis 300) und St3 (über 300) eingeteilt.
Welche Ex-Zone gilt im Inneren eines Silos?
Das Innere von Silos, Zyklonen und Filtern gehört in der Regel zu Zone 20, weil dort explosionsfähige Staub-Luft-Gemische ständig oder langzeitig vorhanden sind. Bereiche außerhalb von Behältnissen an Füll- und Entnahmestellen oder mit aufwirbelbaren Staubschichten sind typischerweise Zone 21 oder 22, abhängig von Häufigkeit und Dauer der Staubfreisetzung.
Wie liest man die Kennzeichnung Ex tb IIIB T125 °C Db?
tb steht für die Schutzart Gehäuse mit Zündquellenüberwachung (Gerätekategorie 2D für Zone 21), IIIB für nichtleitfähigen Staub, T125 °C für die maximal zulässige Oberflächentemperatur und Db für den zugehörigen Equipment Protection Level. Für Zone 22 gilt entsprechend die Kennzeichnung Ex tc mit Kategorie 3D.
Wie wird die maximal zulässige Oberflächentemperatur eines Getriebemotors ermittelt?
Bei Staubablagerungen bis 5 mm Schichtdicke muss die Oberflächentemperatur mindestens 75 K unterhalb der Glimmtemperatur liegen. Bei Anwesenheit einer Staubwolke sind maximal 66 % der Mindestzündtemperatur zulässig. Der niedrigere der beiden Werte bestimmt die Auslegung, nicht eine T-Klasse wie bei Gasen.
Warum sind Reinigungsintervalle Teil der Ex-Dokumentation?
Ablagerter Staub wirkt als Wärmedämmung und lässt die Gehäuseoberfläche lokal stärker aufheizen als im sauberen Zustand. Bei Schichtdicken über 5 mm reduziert sich die zulässige Oberflächentemperatur deutlich. Deshalb sind ein Ablagerungslimit und festgelegte Reinigungsintervalle Bestandteil der Explosionsschutz-Dokumentation.
Welche Norm regelt die Explosionsdruckentlastung von Silos?
DIN EN 14491:2012-10 legt die grundlegenden Anforderungen an die konstruktive Gestaltung und Auswahl von Schutzsystemen zur Druckentlastung von Staubexplosionen fest. Sie bildet zusammen mit DIN EN 14797 (Einrichtungen zur Explosionsdruckentlastung) und DIN EN 14460 (explosionsfeste Geräte) das Gesamtkonzept der Druckentlastung.
Warum ist Potentialausgleich bei Getriebemotoren in Siloanlagen erforderlich?
Staubfluss und Förderprozesse können Gehäuseteile elektrostatisch aufladen; eine Funkenentladung ist dann eine wirksame Zündquelle. Die TRGS 727 fordert daher Erdung und Potentialausgleich leitfähiger Gegenstände, damit Aufladungen kontrolliert abgeleitet werden, bevor zündfähige Entladungen entstehen können.
