Wie Druckbegrenzer den sicheren Betrieb von Kälte- und Klimaanlagen ermöglichen
Schutzeinrichtungen sind besondere Bauteile mit Sicherheitsfunktionen zur Überwachung von Grenzwerten. Als solche Einrichtungen gelten Sicherheitsventile, Berstscheiben, Knickstäbe und Schmelzpfropfen, die für eine Druckentlastung sorgen, und Begrenzungsgeräte zum sicheren Abschalten des Druckerzeugers.
Während der Schutz vor überhöhtem Druck in erster Linie der Sicherheit von Personen und Anlagen dient, kann eine Druckverringerung zu Fehlsituationen in der Anlage führen und ist meist auch ein Hinweis auf eine Leckage. Damit ist die Minimaldruckbegrenzung für die Effizienz der Maschine und vor allem auch im Hinblick auf den Umweltschutz nicht zu vernachlässigen.
Wann und welche Maßnahmen vorzusehen sind, wird durch entsprechende Richtlinien, wie die Maschinenrichtlinie, die Druckgeräterichtlinie und durch fachgebietsspezifische Vorschriften, festgelegt. Für Kälteanlagen und Wärmepumpen ist die EN 378 anzuwenden (Bild 1).
Sicherheitsschalteinrichtungen zur Druckbegrenzung
Je nach Wirkungsrichtung gibt es Geräte zur Begrenzung auf fallenden Druck (Niederdruckbegrenzung bzw. Minimaldruckbegrenzung) und Geräte zum Schutz vor überhöhtem Druck (Hochdruck- bzw. Maximaldruckbegrenzung).
Diese Sicherheitsschalteinrichtungen müssen so konstruiert sein, dass die Maschine bzw. Anlage auch im Fehlerfall immer in einen sicheren Zustand gesteuert wird. Diese Geräte sind einer Baumusterprüfung zu unterziehen, in der der Gerätehersteller einer Prüf- und Zertifizierungsstelle den einwandfreien Aufbau und die fehlerfreie Funktion nachweisen muss.
Für die Druckbegrenzung werden drei Arten von Sicherheitsschaltgeräten (Tabelle) unterschieden, die je nach Maschinen- und Anlagensituation einzusetzen sind. Funktionell sind es Druckschalter mit unterschiedlichen Entriegelungsmethoden.
Im Folgenden sind die Geräte für den Schutz vor steigendem Druck dargestellt. Für Sicherheitsschaltgeräte zur Begrenzung auf fallenden Druck wird bei der Gerätekennzeichnung das „H“ durch ein „L“ ersetzt, z. B. PZL für den baumustergeprüften Minimaldruckbegrenzer.
Die Schaltpunkte der Druckbegrenzungseinrichtung sind so einzustellen, dass ein Abschalten des Druckerzeugers noch vor dem Auslösen der Druckentlastungseinrichtung sichergestellt werden kann. Wenn ein präzises Einstellen der Schaltpunkte möglich ist, darf die Differenz von 10 Prozent zwischen der Einstellung der Sicherheitsschalteinrichtung (DWK, DBK bzw. SDBK) und der Druckentlastungseinrichtung entsprechend verringert werden. Das ermöglicht eine Optimierung der Effizienz im Maschinendesign und bei der Auswahl von Bauteilen.
Bei herkömmlichen mechanischen Schaltgeräten wird der Druckschaltpunkt meist über eine Einstellspindel durch Schraubendreher oder Drehknopf und Referenz-Manometer eingestellt. Dabei muss der Druck in der Anlage bis zur Schaltschwelle vorsichtig angefahren werden. Demgegenüber sind elektronische Druckbegrenzer einfach, genau und schnell einstellbar.
Die Zila GmbH bietet für die Druckbegrenzung entsprechend der Wirkungsrichtung und Funktion eine Gerätefamilie an, die je nach Typ Druckwächter, Druckbegrenzer und Sicherheitsdruckbegrenzer in einem Gerätegehäuse kombiniert. In der Version DB 1000/2 (Bild 2) werden dabei Druckbegrenzer und Sicherheitsdruckbegrenzer (PZH + PZHH bzw. PZL + PZLL) und in der Version DW 500 Druckwächter und Sicherheitsdruckbegrenzer (PSH + PZHH bzw. PSL + PZLL) zusammengefasst.
Da außer den Sicherheitsrelais keine bewegten Teile verbaut sind und somit nahezu kein mechanischer Verschleiß auftritt, sind die elektronischen Geräte durch Langzeitstabilität gekennzeichnet. Im Gegensatz zu herkömmlichen mechanischen Begrenzern können Schaltpunkteinstellungen sowie Tests der Schaltfunktion im drucklosen Zustand an der Anlage, aber auch schon im Vorfeld, einfach mittels PC-Software oder Android App durchgeführt werden.
Zuverlässigkeit durch fehlersicheres Design
Sicherheitsgeräte müssen in jeder Situation fehlerfrei und zuverlässig funktionieren. Das wird beim elektronischen Sicherheitsdruckbegrenzer zum einen durch seinen redundanten Aufbau und zum anderen durch ein fehlersicheres Gerätedesign erreicht.
Wie in Bild 3 dargestellt, besteht das Gerät im Wesentlichen aus zwei sich gegenseitig überwachenden Microcontrollern, den beiden Sensorzellen und den Sicherheitsrelais. Für die Sicherheitsrelais werden 1 Mio. Schaltspiele unter Nennlast garantiert. Darüber hinaus wird ein Druckwert als 4 … 20 mA-Drucksignal für den Anwender zur Verfügung gestellt, sodass jederzeit der Anlagendruck angezeigt und mitprotokolliert werden kann.
Die baumustergeprüften Geräte sind fehlersicher aufgebaut, das heißt, auch bei zwei unabhängig voneinander auftretenden Fehlern wird gewährleistet, dass eine sichere Funktion fortgeführt oder das Ausgangsrelais zuverlässig abgeschaltet wird. Das wird durch spezielle Schaltungsmaßnahmen sowie zusätzliche Überwachungsfunktionen im Gerät erreicht.
Beispielsweise nutzten beim Modell DB 1000/2 der Druckbegrenzer (PZH) und der Sicherheitsdruckbegrenzer (PZHH) den jeweils „fremden“ Drucksensor zu einem reziproken Vergleich der Messwerte. Somit können Fehler an den Sensoren sofort erkannt werden.
Des Weiteren existieren vom Microcontroller unabhängige Baugruppen (Hardware-Watchdog, Monoflop und Komparator), um Zeitabläufe bzw. die Betriebsspannung ständig zu überwachen. Unterstützt wird dieses Hardware-Design durch die Gerätesoftware, welche neben umfangreichen zyklisch aufgerufenen Prüfroutinen für alle sicherheitsrelevanten Hardware-Baugruppen auch Plausibilitätsprüfungen der Speicher und des Microcontroller-Befehlssatzes beinhaltet.
Schnelles und präzises Schaltverhalten
Die Vielseitigkeit der Sicherheitsgeräte von Zila für die Überwachung und Begrenzung des Drucks in Flüssigkeiten, Gasen und Dämpfen erfordern eine hohe Medienkompatibilität sowie zuverlässige Druckmesszellen, die schnelles und präzises Reagieren auf kritische Situationen erlauben.
Bei den in den Modellen DB 1000 und DW 500 eingebauten elektronischen Drucksensoren erfolgt die Druckaufnahme über eine Edelstahlmembran. Dadurch sind die Geräte für alle Edelstahl-kompatiblen Medien, auch für brennbare, einsetzbar.
Die Geräte sind für einen Nenndruckbereich von bis zu 500 bar zugelassen und können so auch zum Beispiel für CO2-Anwendungen im transkritischen Bereich verwendet werden. Der modulare Aufbau erlaubt die Auswahl der für den Anwendungsfall geeigneten Druckmesszelle, die wiederum einen Überlastschutz gegenüber Druckspitzen von 2,5- bis zum 4-fachen des Nenndruckes bietet.
Die Druckwerte der beiden Sensoren werden alle 5 ms erfasst und verglichen. Um einzelne Druckspitzen herauszufiltern, können Schaltverzögerungen von 0,1 bis 1 s eingestellt werden. Die Festlegung der Druckschaltpunkte bzw. Rücksetzpunkte kann auf 0,1 bar genau erfolgen. Somit ist eine stabile und robuste Drucküberwachung bezogen auf die Anlagenanforderungen möglich.
Prüfung der Sicherheitsfunktionen
Durch ein schnelles und akkurates Einstellen des Druckbegrenzers mittels einer kostenfreien PC-Software bzw. App (Bild 4) wird nicht nur Sicherheit erreicht, sondern auch der Aufwand für die Inbetriebnahme der Anlage sowie für die Prüfung der Sicherheitsfunktionen reduziert.
Mit der Software können Geräteeinstellungen ausgelesen, Druckschaltpunkte konfiguriert sowie Funktionstests durchgeführt werden. Alle Änderungen werden mitgeloggt. Zusätzlich können diese Einstellungen in der Software gespeichert und auf andere Geräte übertragen werden.
Dieser Artikel von Frank Wiedmann ist zuerst erschienen in KK - Die Kälte + Klimatechnik Ausgabe: 01-2018.
