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Stetig steigende Energiekosten zwingen
heute zur Optimierung aller industriellen
Prozesse, die auf große Energiemengen
angewiesen sind. Eine dieser Anwendungen
ist der Einsatz von Durchlauftrocknern oder
auch Trockenöfen. Sie werden im Bereich
der Lackierung, Beschichtung und Veredelung
eingesetzt, um frisch beschichtete
Oberflächen schnell und zuverlässig zu
trocknen. Diesem Wunsch der Energiekostenreduktion
steht jedoch die Forderung
nach Betriebssicherheit gegenüber.
Explosionsgefahren im
Durchlauftrockner
Im Inneren eines Durchlauftrockners wird
dem Beschichtungsmaterial (Farben, Kleber
etc.) das Lösemittel entzogen, welches für
die Verarbeitung zwingend erforderlich ist.
Diese zumeist brennbaren Lösemittel verdampfen
und werden durch einen kontinuierlichen
Luftstrom abtransportiert. Der
Anfall an Lösemittel hängt dabei stark vom
jeweiligen Prozess ab. Er wird beeinflusst
vom Anteil an Lösemittel in dem Beschichtungsmaterial,
von der aufgebrachten
Schichtdicke und von der Fördergeschwindigkeit
des Transportbandes oder dem Vorschub
der zu beschichtenden Folie. Wird
zu viel Lösemittel in den Ofen eingebracht
oder ist der Luftstrom zu gering, können im
Inneren des Durchlauftrockners Lösemitteldampfkonzentrationen
entstehen, die oberhalb
der UEG (untere Explosionsgrenze)
des jeweiligen Lösemittels liegen. Verursacht
werden solche gefährlichen Situationen
durch Fehlbedienungen oder auftretende
Betriebsstörungen. Untersuchungen haben
ergeben, dass Anstiegsraten von 10 %
UEG pro Sekunde erreicht werden können,
wenn es z. B. zum Materialstau auf dem
Förderband kommt oder das Belüftungssystem
ausfällt. Diese extrem schnelle
Änderung von einem sicheren zu einem
unsicheren Betrieb führte zur Erarbeitung
entsprechender Normen, die bei Planung
und Bau solcher Durchlauftrockner zu
berücksichtigen sind.
Schutzeinrichtungen
Die EN 1539 legt fest, dass die maximale
Dampfkonzentration einen Wert von 50 %
UEG unter keinen Umständen überschreiten
darf und dass die Alarmzeit nicht länger
als 1,5 Sekunden sein darf wenn nicht
durch andere geeignete Maßnahmen die
Sicherheit erhalten bleibt. Diese Alarmzeit
bestimmt die Zeit vom Auftreten einer gefährdenden
Situation bis zur Wirksamwerden
der Gegenmaßnahme. Deshalb muss
die Atmosphäre im Inneren des Durchlauftrockners
permanent mit einem geeigneten
Gasmesssystem überwacht und müssen, wenn nötig, geeignete Gegenmaßnahmen
automatisch eingeleitet werden. Geeignete
Maßnahmen können die einfache Erhöhung
des Luftdurchsatzes oder im Extremfall die
vollständige Abschaltung der Anlage inklusive
aller elektrischen Betriebsmittel sein.
Regeln statt Steuern
Zur Vermeidung dieser kritischen Situationen
werden die Betriebsparameter solcher
Durchlauftrockner grundsätzlichen sehr
sicher, d. h. mit sehr viel Reserve, berechnet.
Die berechneten Werte für Fördergeschwindigkeit
und Luftdurchsatz führen in
der Regel zu weitaus niedrigeren Konzentrationen
als vorgesehen. Durchlauftrockner,
deren Parameter für eine Betriebskonzentration
von z.B. 25 % UEG berechnet wurden,
erreichen in der Praxis nicht selten
Konzentrationen von weniger als 15 %
UEG. Solche Durchlauftrockner arbeiten
bei weitem nicht so wirtschaftlich, wie sie
eigentlich könnten. Sie arbeiten entweder
mit zu geringen Fördergeschwindigkeiten
oder zu großem Luftdurchsatz, wobei der
große Luftdurchsatz für die hohen Energiekosten
verantwortlich ist. Mehr Luft als notwendig
muss auf die Betriebstemperatur
des Trockners erwärmt werden.
Die einzig mögliche Lösung dieses Problems
ist der Schritt weg von der reinen
Steuerung des Durchlauftrocknerprozesses
hin zu einer echten Regelung. Regelgröße
muss dabei die Dampfkonzentration im
Inneren des Trockners sein. Stellgrößen
sind Material- und Luftdurchsatz. Ein so geregelter Prozess macht es möglich die
durch Vorschriften vorgegebenen Schwellwerte
deutlich und sicher zu unterschreiten
und gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit des
Trocknerbetriebs zu erhöhen. Entscheidend
für die sichere Funktion solch einer Regelung
ist natürlich die zuverlässige und aussagefähige
Messung der Konzentrationswerte.
Messsysteme
Optimal, im Sinne von Genauigkeit und
Schnelligkeit, wäre die Messung direkt über
oder sehr nah am Förderband. Nachteil
einer solchen Anordnung sind die hohen
Kosten für die Vielzahl der Detektoren entlang
des Trockners und die teilweise wenig
aussagekräftigen Angaben über Lokalkonzentrationen,
auf die nicht geregelt werden
kann, da nicht jedem Messpunkt ein eigenes
selbstständiges Belüftungssystem
zugeordnet ist. Die Messung mit weniger
Detektoren in den Abluftkanälen hingegen
ergibt zwar ein etwas verspätetes Abbild
der Konzentration, jedoch hat bereits ein
Ausgleich der verschiedenen Lokalkonzentrationen
stattgefunden und eine Prozessregelung
kann diesen Wert verwenden. Mit
Hilfe der Prozessregelung ist man nun in
der Lage, die Konzentration im Durchlauftrockner
so einzustellen, dass einerseits ein
ausreichend großer Abstand zur Abschaltschwelle
von 50 % UEG eingehalten wird
und andererseits der Luftdurchsatz auf das
notwendige Minimum reduziert wird.
Entsprechend den Vorschriften der oben
erwähnten EN 1539 dürfen die Gasmesssysteme,
die die Betriebssicherheit sicherstellen,
nicht gleichzeitig zur Regelung des
Prozesses benutzt werden. Das macht eine
Verdopplung der notwendigen Messpunkte
notwendig. Eine Investition, die sich jedoch
rasch durch die sinkenden Energiekosten
amortisiert.
Schwierig wird es, wenn ein Durchlauftrockner
für verschiedene Beschichtungsprozesse
verwendet wird. Dabei kommt es in der
Regel auch zum Wechsel des Lösemittels,
was bei der Mehrzahl der Gasmesssysteme
auch eine Neukalibrierung auf die neue
Substanz notwendig macht. |
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Teuer und gut
Eine Ausnahme davon bilden die FIDs
(Flammenionisationsdetektoren) und FTAs
(Flammenthermische Analyse), die auf
Grund der mehr oder weniger gleichen
Empfindlichkeit auf alle Kohlenwasserstoffe
auf die Neukalibrierung verzichten können.
Erkauft wird dieser Vorteil allerdings mit
deutlich höheren Anschaffungs- und Betriebskosten.
Beide Systeme benötigen
zum Betrieb ihrer „Pilotflamme“ eine permanente
Gasversorgung (H2).
Preiswert
Wesentlich günstiger in der Anschaffung
und im Unterhalt sind Sensoren, die nach dem Wärmetönungsprinzip arbeiten, so genannte
katalytische Ex-Sensoren. Sie arbeiten
als Teil einer Wheatstoneschen Brücke,
deren Verstimmung von der Gaskonzentration
abhängt. Da sich die Empfindlichkeit
auf die verschiedenen Lösemitteldämpfe
unterscheiden, ist eine Umkalibrierung bei
Substanzwechsel in der Regel erforderlich.
Leider unterscheiden sich nicht nur die
Empfindlichkeiten gegenüber verschiedenen
Substanzen, sondern auch die individuellen
Empfindlichkeiten zwischen den Sensoren. Dadurch ist es nahezu unmöglich
zur Erleichterung des Kalibrierprozesses
mit einfach zu handhabenden Ersatzkalibriergasen
zu arbeiten. Die Kalibrierungen
wären zu ungenau, um mit den Messergebnissen
eine Regelung zu betreiben.
Ein weiterer Nachteil der katalytischen Sensoren
ist ihre Neigung durch Vergiftung
des katalytischen Materials an den Messelementen
relativ rasch ihre Empfindlichkeit
zu verlieren. Nur Sensoren mit speziell
auf diese Messaufgabe eingestellten Betriebsströmen
sind in der Lage akzeptable
Lebensdauern zu erreichen.
Günstig und gut
Deutlich besser geeignet als katalytische
Sensoren sind Messsysteme, die auf Infrarot-
Absorption basieren. Sie sind grundsätzlich
vergiftungsbeständig und können den
Bedingungen einer Prozessanwendung
widerstehen. Ähnlich wie die katalytischen
Sensoren haben auch IR-Sensoren unterschiedliche
Empfindlichkeiten gegen verschiedene
Substanzen, was bei einem
Lösemittelwechsel im Durchlauftrockner eine
Umkalibrierung des Sensors notwendig
macht. Jedoch sind Kalibrierarbeiten an
IR-Sensoren deutlich einfacher durchzuführen,
da auf Ersatzgaskalibrierung ausgewichen
werden kann. An Stelle aufwendiger
Apparaturen zur Zielgaskalibrierung mit
Lösemitteldampf kann bei IR-Sensoren mit
Kalibriergasen wie zum Beispiel Propan gearbeitet
werden. Dies ist möglich, weil sich
die Empfindlichkeitsverhältnisse zwischen
den verschiedenen Stoffen nicht wie bei
katalytischen Sensoren durch Vergiftung
oder Alterung ändern.
Bei konventionellen IR-Transmittern sind
die Messwerte jedoch unter Umständen
relativ ungenau. Die Ungenauigkeit entsteht
aufgrund einer nicht optimierten Linearisierung
des IR Sensorsignals durch die verwendete
Transmitterelektronik. In der
Regel linearisieren die Schaltungen das
Signal nur für einige Standardgase. Bei der
Verwendung des Sensors für ein anderes
als eines dieser Standardgase kann nur
eine Linearisierung verwendet werden, die
der notwendigen möglichst nahe kommt.
Wirklich exakt ist dadurch die Messung
nur am Kalibrierpunkt, das heißt bei der
Konzentration, mit der der Transmitter kalibriert
wurde. Eine zusätzliche Ungenauigkeit
ergibt sich durch die individuellen Fertigungstoleranzen
zwischen den Sensoren
eines Typs. Leichte Unterschiede in der
verwendeten Absorptionswellenlänge können
schon zu deutlichen Unterschieden in
der Empfindlichkeit auf eine bestimmte
Substanz führen. Ist das Ziel der Messung,
die Betriebssicherheit zu gewährleisten, ist
diese Eigenschaft unkritisch, ist das Ziel
jedoch die Verbesserung der Energieeffizienz,
ist solch eine Messung nur bedingt
geeignet.
Günstig und besser
Einen ganz anderen Weg bei der Messwertaufbereitung
ihres IR-Transmitters
beschritt hingegen Dräger Safety mit ihrem
Polytron IR. Dieser Transmitter arbeitet
im Gegensatz zu anderen IR-Transmittern
nicht nur mit den Linearisierungen für
wenige Standardgase, sondern verwendet
intern zurzeit 38 verschiedene Absorptionskennlinien.
Die Kennlinien werden für
jeden Transmitter individuell bestimmt und
in einem Datenspeicher, der so genannten
Gasbibliothek, abgelegt. Zwischen diesen
Kennlinien kann beliebig umgeschaltet werden,
ohne an Messqualität zu verlieren. Wie
das messtechnische Gutachten der EXAM
BBG Prüf- und Zertifizier GmbH bestätigt,
liegt der Messfehler innerhalb der vorgeschriebenen
Grenzen nach DIN EN 50057.
Dadurch erhält auch die Ersatzkalibrierung
dieses Transmitters eine ganz neue Qualität.
Die Messung ist nicht mehr nur in einem
Punkt korrekt, sondern ist nun über
den ganzen Messbereich ausreichend genau
um mit den Messergebnissen eine
Regelung zu betreiben.
Zusätzlich ist der rasche Wechsel zwischen
den Substanzen durch eine automatisierte
Fernkonfiguration über PC nochmals vereinfacht
worden. Eine Software ermöglicht
die Definition unterschiedlicher, rezepturabhängiger
Anlagenkonfigurationen, die bei
Umstellung des Beschichtungsprozesses
durch Mausklick ausgewählt und auf die Transmitter übertragen werden können.
Eine anschließende Kalibrierung ist dabei
nicht mehr notwendig. Es ist sogar möglich
die Transmitter an einem Trockner auf
unterschiedliche Substanzen zu kalibrieren,
wenn dies bei einem so genannten Mehrzonentrockner
einmal notwendig ist.
Neben der Messgüte des Transmitters ist
jedoch auch die Empfindlichkeitsverteilung
gegenüber den verschiedenen Lösemitteln
ein Maß für die Qualität der angestrebten
Konzentrationsregelung im Inneren des
Durchlauftrockners. Nur Messsysteme mit
einer gleichmäßigen Verteilung der Empfindlichkeiten
können zum Aufbau einer
Regelung verwendet werden, da es sonst
beim Einsatz von Lösemittelgemischen zu
Messwertabweichungen kommt, die einen
störungsfreien Betrieb unmöglich machen.
Um eine ausreichend gleichmäßige Empfindlichkeitsverteilung
zu erhalten, bietet
Dräger Safety den Polytron IR mit unterschiedlichen
Absorptionswellenlängen an.
Die dabei verwendeten Wellenlängen von
3,34 µm und 3,44 µm optimieren die
Transmitter auf spezifische Stoffgruppen.
Um bei gleichzeitigem Einsatz verschiedener
Typen des Polytron IR Transmitter Verwechslungen
und damit verbunden fehlerhafte
Kalibrierung zu vermeiden, ist in
diesem Fall die Verwendung der Konfigurationssoftware
besonders sinnvoll, da die
verwendeten Sicherheitsabfragen eine
Fehlkalibrierung der Transmitter wirkungsvoll
verhindert. Untersuchungen der EXAM
BBG Prüf- und Zertifizier GmbH bestätigten
die sichere Funktion der Software,
und so wurde das messtechnische Gutachten
des Transmitters um dieses Zubehör
erweitert.
Ingo Edler
Dräger Safety AG & Co. KGaA
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Dräger Safety AG & Co. KGaA |
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Revalstraße 1 |
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