ATEX-Anforderungen an Dichtheitsprüfgeräte

Bild: Inficon

Alternative Kältemittel wie beispielsweise R 170 (Ethan), R 290 (Propan) oder R 600a (Isobutan) sind leicht brennbar. Für die Anlagen und Geräte zur Dichtheitsprüfung bei der industriellen Fertigung bedeutet dies, dass sie die entsprechenden ATEX-Anforderungen erfüllen müssen, die sich aus der Brennbarkeit dieser immer beliebteren Kältemittel ergeben. Die gute Nachricht ist, dass die Fertigungsumgebung in der Regel als ATEX-Zone  2 eingestuft sein wird. Das heißt, dass eine explosionsgefährliche Atmosphäre im Normalbetrieb nicht oder nur kurzzeitig auftritt. Dennoch stellt auch diese Ex-Einstufung bereits spezifische Anforderungen an die Anlagen und Geräte, die bei der Dichtheitsprüfung von fertig befüllten Kühlanlagen zum Einsatz kommen.

Die Klimaschädlichkeit und das hohe Treibhausgaspotenzial von fluorierten Kältemitteln, die traditionell sehr verbreitet waren, haben die Europäische Union dazu veranlasst, deren Verwendung stufenweise zu verbieten. Die entsprechende F-Gase-Verordnung zielt darauf, die Emission fluorierter Treibhausgase (F-Gase) drastisch zu reduzieren. Die jüngste Novelle der Verordnung (EU) 2024/573 über fluorierte Treibhausgase ist am 11. März 2024 in Kraft getreten. Für die unterschiedlichen Verbotsstufen in der Verordnung ist das Global Warming Potential (GWP) der Gase entscheidend. Darum wird auch das früher allgegenwärtige R 134a mit seinem GWP von 1430 (ausgedrückt in CO2-Äquivalenten) über kurz oder lang verschwinden. So ist etwa sein Einsatz in Kältemaschinen von 2027 an nicht mehr zulässig. Die F-Gase-Verordnung legt fest: Von 2032 an dürfen selbst bei Service- und Wartungsarbeiten für Altanlagen nur noch Kältemittel mit einem GWP von maximal 750 verwendet werden.

Die Grundidee besteht darin, alle elektrischen Komponenten des Lecksuchsystems aus der Ex-Umgebung zu verbannen.

Die alternativen Gase sind leichter brennbar

Hersteller von Kälte- und Klimatechnik sind darum bemüht, die Verwendung alternativer Kältemittel auszuweiten. Eine naheliegende Option ist der Einsatz reiner, natürlich vorkommender Kohlenwasserstoffe wie etwa Propan (R 290), Butan (R 600) oder Isobutan (R 600a). Mit einem GWP-Wert von lediglich 3 sind diese natürlichen Gase Garanten für eine weitaus höhere Nachhaltigkeit. Gemeinsam ist diesen Kohlenwasserstoff-Gasen aber auch, dass sie allesamt brennbar sind. Häufig ist darum in ihrem Zusammenhang auch von den A 3-Kältemitteln die Rede. Denn die American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) reiht in ihrer Norm „ANSI/ASHRAE Standard 34-2019, Designation and Safety Classification of Refrigerants“ die natürlichen Kohlenwasserstoff-Kältemittel in dieselbe Kategorie: in die Sicherheitsklasse A 3 für Kältemittel mit höherer Entflammbarkeit. Die untere Entzündungsgrenze (UEG) – also die Konzentration eines Gases in Luft, bei der es entflammbar wird – ist bei diesen Kohlenwasserstoffen sehr niedrig. Die UEG liegt für Propan bei 1,7 %, für Butan bei 1,4 % und für Isobutan bei 1,8 %. Daraus ergeben sich zwei Konsequenzen: Zum einen die Erfordernis sorgfältiger End-of-Line-Prüfungen an fertig befüllten Kälte-Klima-Systemen und zum anderen die Notwendigkeit, diese Dichtheitsprüfung in der Linie so auszugestalten, dass sie dem potenziellen Brandrisiko Rechnung trägt, das sich gerade durch Groblecks im befüllten Gerät ergeben kann – und zwar schon in der Fertigungslinie. Fest steht: Vom Befüllen mit einem A 3-Kältemittel an findet die Fertigung grundsätzlich in einer Ex-Umgebung statt, die besondere Sicherheitsanforderungen stellt.

Schnüffellecksuche findet kleinste Lecks

Abschließende Dichtheitsprüfungen mit einem manuellen Multigas-Schnüffellecksuchgerät sind für viele Hersteller die Methode der Wahl, um am Ende ihrer Fertigungslinie für die gebotene Qualitätssicherung zu sorgen. Ein industrielles Schnüffellecksuchgerät wie der Ecotec E 3000 detektiert bis zu vier verschiedene Kältemittelgase gleichzeitig und identifiziert dabei Lecks in einem befüllten Gerät, bis hinab zu einer Größe von 0,05 g Kältemittelverlust pro Jahr. Er eignet sich sowohl für manuelle wie für automatisierte End-of-Line-Prüfungen, etwa an befüllten Kälte-Klima-Systemen, Kühlschränken, Wärmetauschern oder Wärmepumpen. Im Kontext der Trend-Kältemittel wie R 290 oder R 600a bleibt nur eine Herausforderung: Elektrische Geräte implizieren immer ein Kurzschluss- und damit eine Brandgefahr. Es ist darum unerlässlich, das eigentliche Lecksuchgerät aus der Prüfumgebung fernzuhalten und nur die Schnüffelspitze und die Schnüffelleitung, durch die das Gerät die zu prüfende Luft ansaugt, in der Ex-Umgebung zu belassen.

ATEX-VO der EU und US-Norm NEC Art. 501

Die ATEX-Richtlinie 2014/34/EU legt einheitliche, für die gesamte Europäische Union geltende Vorschriften für den Verkauf und die Inbetriebnahme von Geräten und Schutzsystemen in explosionsgefährdeten Bereichen fest. Die ATEX-Richtlinie klassifiziert verschiedene Zonen nach ihrem Gefährdungsgrad. Als Zone 2 gilt ein Bereich, in dem eine explosionsfähige Atmosphäre als Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln normalerweise nur kurzzeitig oder gar nicht auftritt. Das heißt: auf das gesamte Jahr gesehen für weniger als zehn Stunden. Man darf davon ausgehen, dass die Fertigungslinien von Kühlsystemen bei der Verwendung natürlicher Kohlenwasserstoff-Kältemittel als Zone 2 im Sinne der ATEX-Verordnung einzuordnen sind. Dadurch greifen spezifische Vorschriften: Betreiber sind verpflichtet, eine Gefährdungsanalyse durchzuführen und die entsprechenden Bereiche in ihrer Fertigung als Ex-Zonen zu deklarieren. Zu den erforderlichen Explosionsschutzmaßnahmen gehört es, dass dort nur Betriebsmittel mit zuverlässigem Explosionsschutz eingesetzt werden. Für elektrische Geräte und andere potenzielle Zündquellen bedeutet dies, dass sie so beschaffen sein müssen, dass sie selbst bei unerwarteten Ereignissen keine Explosion verursachen können. All die organisatorischen Sicherheitsmaßnahmen sind in einem Explosionsschutzdokument nachzuweisen. Und alle Geräte, die im Ex-Bereich zum Einsatz kommen, müssen über die entsprechenden Kennzeichnungen verfügen. In Analogie zu den ATEX-Klassifizierungen wird in der entsprechenden US-Explosionsschutznorm ANSI/NFPA 70 National

Electrical Code Article 501 (NEC Art. 501) ebenfalls zwischen verschiedenen Klassen von Ex-Umgebungen unterschieden. Die Entsprechung zu einer Zone 2-Umgebung nach ATEX ist dort die NEC 501 Class 1, Division 2 – als eine Ex-Umgebung, in der eine explosionsfähige Gasatmosphäre im Normalbetrieb nicht oder nur kurzzeitig auftritt.

Bild: Inficon

Für Hersteller bedeuten die brennbaren Kältemittel ein besonderes Sicherheits­bewusstsein in der Fertigungslinie.

Die EX-Box als Brandsperre

Aus Perspektive der End-of-Line-Dichtheitsprüfung sind damit Geräte erforderlich, die mit ihren elektrischen Komponenten keine Entzündungsrisken verursachen. Inficon hat darum zu seinen Schnüffellecksuchgeräten eigens eine Schnüffelleitung namens SL 3000 EX konzipiert, die für den Einsatz in Ex-Umgebungen der ATEX Zone 2 ebenso zertifiziert ist wie für den Gebrauch in Ex-Bereichen nach NEC 501 Class 1, Division 2. Die Grundidee der Ex-Schnüffelleitung besteht darin, alle elektrischen Komponenten des Lecksuchsystems aus der Ex-Umgebung der Fertigungslinie zu verbannen. So kommt der mit der Schnüffelleitung verbundene Handgriff für die Schnüffelspitze ohne ein Display aus, und die Schnüffelleitung selbst wird immer nur über eine spezielle „EX-Box“ mit dem Lecksuchgerät verbunden. Diese EX-Box fungiert als Brandsperre zwischen der Schnüffelleitung und dem Lecksuchgerät. Sowohl die EX-Box als auch das Lecksuchgerät sind dann stets in einem sicheren Raum außerhalb der Ex-Umgebung untergebracht. Nur die Schnüffelleitung mitsamt Handgriff verbleibt in der Zone 2. So wird die Möglichkeit einer elektrischen Zündung eines etwaigen Kältemittelgas-Luft-Gemisches konsequent vermieden.

Ab 2032: Nur noch Kältemittel mit GWP unter 750.

Schnüffelleitung braucht große Länge

Mit der unvermeidbaren Distanz zwischen Schnüffelspitze und EX-Box, die sich in getrennten Räumen befinden, steigen aber auch die Anforderungen an die Länge der Schnüffelleitung. Standardmäßig liefert Inficon seine Schnüffelleitung für Ex-Umgebungen darum in zwei Längen. Die 5 Meter lange Variante entspricht erfahrungsgemäß dem Bedarf in den meisten Fertigungslinien in der Kälte-Klima-Industrie. Die zehn Meter Version kommt häufiger in der Automotive-Branche zum Einsatz, vor allem in Fertigungslinien für Erdgasfahrzeuge. Der Risikofaktor bei Prüfungen in diesen Ex-Umgebung ist das mögliche Austreten von LNG-Flüssiggas, das überwiegend aus brennbarem Methan besteht – ein Kohlenwasserstoff, dessen UEG bei 4,4 % liegt.

Räumliche Trennung, Absaugung und Lüftung

Elektrische Geräte wie beispielsweise den Schnüffellecksucher aus der eigentlichen Ex-Umgebung fernzuhalten, ist das eine Element zur Erhöhung der Sicherheit bei der Fertigung von Kälte-Klima-Systemen, die A 3-Gase verwenden. Das andere Element besteht darin, die Menge an Kohlenwasserstoffgasen zu begrenzen, die überhaupt in die Ex-Umgebung gelangen können, in der Menschen arbeiten. Es ist beispielsweise immer sinnvoll, vor dem Befüllen mit dem Kältemittel einen Test auf Groblecks durchzuführen. Ebenso sollte die Versorgung der Arbeitsumgebung mit den Kohlenwasserstoff-Gasen überwacht werden. So können etwa Gasalarme dazu dienen, Gaszuleitungen zur Befüllstation automatisch abzusperren. Last but not least: Auch Vorrichtungen für Absaugung und Belüftung können wesentlich dazu beitragen, das Risiko der Entzündung so zu minimieren, dass die neuralgischen Bereiche der Fertigungslinie zu Recht als ATEX-Zone 2 mit nur gelegentlichem Risiko klassifiziert werden können. Dies betrifft nicht nur den Bereich, in dem die Schnüffellecksuche stattfindet. Absaugung und Belüftung sind auch an der vorausgehenden Station für die Befüllung mit Kältemittel sowie an der nachfolgenden Station für die Nacharbeit an undichten, ausgeschleusten Geräten unerlässlich.

Lohnende Sicherheitsmaßnahmen

Als moderne Kältemittel mit geringerem Global Warming Potential haben reine Kohlenwasserstoffe enorme Vorteile gegenüber ihren fluorierten Vorgängern. Für den Trend hin zu diesen Kältemittelgasen gibt es gute Gründe. Die Herausforderung bei diesen A 3-Kältemitteln ist allerdings ihre Brennbarkeit. Für Kälte-Klimatechnik-Hersteller verlangt dies ein besonderes Sicherheitsbewusstsein in der Fertigungslinie – und zwar an allen betroffenen Produktionsschritten: ob beim Befüllen der Kühlsysteme mit Kältemittelgas, bei der End-of-Line-Schnüffellecksuche zur Qualitätssicherung oder bei der Nacharbeit an undichten Geräten. In diesem Zusammenhang erfüllt eine spezielle, zertifizierte Schnüffelleitung für Ex-Umgebungen einen doppelten Zweck: Sie entspricht den Bestimmungen für die ATEX Zone 2, und sie stärkt das Vertrauen der Mitarbeiter in ihre Arbeitssicherheit. ■

www.inficon.com

Emre Germen

Strategic Product Manager

Inficon