Ciekły wodór ma pewne zalety w zakresie magazynowania i transportu. W porównaniu z wodorem, ciekły wodór (LH₂) ma wyższą gęstość i wymaga niższego ciśnienia do magazynowania. Jednak wodór musi mieć temperaturę -253°C, aby przejść w stan ciekły, co oznacza, że jest to dość trudne. Ekstremalnie niskie temperatury i ryzyko łatwopalności sprawiają, że ciekły wodór jest niebezpiecznym medium. Z tego powodu rygorystyczne środki bezpieczeństwa i wysoka niezawodność są bezkompromisowymi wymogami przy projektowaniu zaworów do odpowiednich zastosowań.
Fadila Khelfaoui, Frédéric Blanquet
Zawór Velana (Velan)
Zastosowania ciekłego wodoru (LH2).
Obecnie ciekły wodór jest wykorzystywany i testowany w różnych specjalnych sytuacjach. W lotnictwie i kosmonautyce może być używany jako paliwo do startów rakiet, a także generować fale uderzeniowe w tunelach aerodynamicznych. Wspierany przez „wielką naukę”, ciekły wodór stał się kluczowym materiałem w układach nadprzewodzących, akceleratorach cząstek i urządzeniach do syntezy jądrowej. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na zrównoważony rozwój, ciekły wodór jest w ostatnich latach wykorzystywany jako paliwo w coraz większej liczbie ciężarówek i statków. W powyższych scenariuszach zastosowań znaczenie zaworów jest bardzo oczywiste. Bezpieczne i niezawodne działanie zaworów stanowi integralną część ekosystemu łańcucha dostaw ciekłego wodoru (produkcja, transport, magazynowanie i dystrybucja). Operacje związane z ciekłym wodorem stanowią wyzwanie. Dzięki ponad 30-letniemu doświadczeniu praktycznemu i wiedzy specjalistycznej w dziedzinie wysokowydajnych zaworów do temperatur do -272°C, firma Velan od dawna angażuje się w różnorodne innowacyjne projekty i jest oczywiste, że dzięki swojej sile sprostała wyzwaniom technicznym związanym z obsługą ciekłego wodoru.
Wyzwania w fazie projektowania
Ciśnienie, temperatura i stężenie wodoru to główne czynniki analizowane w ocenie ryzyka projektowego zaworu. Aby zoptymalizować działanie zaworu, decydującą rolę odgrywa konstrukcja i dobór materiałów. Zawory stosowane w zastosowaniach z ciekłym wodorem napotykają dodatkowe wyzwania, w tym niekorzystny wpływ wodoru na metale. W bardzo niskich temperaturach materiały zaworów muszą nie tylko wytrzymać atak cząsteczek wodoru (niektóre z powiązanych mechanizmów degradacji są nadal przedmiotem debaty w środowisku akademickim), ale także muszą zapewniać prawidłowe działanie przez długi czas w całym cyklu życia. Biorąc pod uwagę obecny poziom rozwoju technologicznego, wiedza w branży na temat możliwości zastosowania materiałów niemetalowych w zastosowaniach z wodorem jest ograniczona. Wybierając materiał uszczelniający, należy wziąć pod uwagę ten czynnik. Skuteczne uszczelnienie jest również kluczowym kryterium projektowym. Różnica temperatur między ciekłym wodorem a temperaturą otoczenia (temperaturą pokojową) wynosi prawie 300°C, co powoduje gradient temperatury. Każdy element zaworu będzie podlegał różnym stopniom rozszerzalności i kurczenia cieplnego. Ta rozbieżność może prowadzić do niebezpiecznych wycieków z krytycznych powierzchni uszczelniających. Szczelność trzpienia zaworu jest również priorytetem w projektowaniu. Przejście z zimnego do gorącego powoduje przepływ ciepła. Gorące części komory pokrywy mogą zamarzać, co może zakłócić szczelność trzpienia i wpłynąć na działanie zaworu. Ponadto, ekstremalnie niska temperatura -253°C oznacza, że wymagana jest najlepsza technologia izolacji, aby zapewnić, że zawór może utrzymać ciekły wodór w tej temperaturze, minimalizując jednocześnie straty spowodowane wrzeniem. Dopóki ciekły wodór jest przenoszony na ciepło, będzie on parował i wyciekał. Co więcej, w punkcie pęknięcia izolacji następuje kondensacja tlenu. W momencie kontaktu tlenu z wodorem lub innymi materiałami palnymi wzrasta ryzyko pożaru. Dlatego, biorąc pod uwagę ryzyko pożaru, na jakie mogą być narażone zawory, zawory muszą być projektowane z uwzględnieniem materiałów przeciwwybuchowych, a także ognioodpornych siłowników, oprzyrządowania i kabli, posiadających najsurowsze certyfikaty. Zapewnia to prawidłowe działanie zaworu w przypadku pożaru. Wzrost ciśnienia jest również potencjalnym zagrożeniem, które może spowodować, że zawory nie będą działać. Jeśli ciekły wodór zostanie uwięziony w komorze korpusu zaworu, a jednocześnie nastąpi przenoszenie ciepła i parowanie ciekłego wodoru, spowoduje to wzrost ciśnienia. W przypadku dużej różnicy ciśnień występuje kawitacja/hałas. Zjawiska te mogą prowadzić do przedwczesnego zużycia zaworu, a nawet do ogromnych strat spowodowanych wadami procesowymi. Niezależnie od konkretnych warunków pracy, uwzględnienie powyższych czynników i podjęcie odpowiednich środków zaradczych na etapie projektowania pozwala na zapewnienie bezpiecznej i niezawodnej pracy zaworu. Dodatkowo, istnieją wyzwania projektowe związane z kwestiami środowiskowymi, takimi jak wycieki niezorganizowane. Wodór jest wyjątkowy: ma małe cząsteczki, jest bezbarwny, bezwonny i wybuchowy. Te cechy determinują absolutną konieczność zapewnienia zerowego wycieku.
Na stacji skraplania wodoru w North Las Vegas West Coast,
Inżynierowie firmy Wieland Valve świadczą usługi techniczne
Rozwiązania zaworowe
Niezależnie od konkretnej funkcji i typu, zawory do wszystkich zastosowań z ciekłym wodorem muszą spełniać pewne wspólne wymagania. Należą do nich: materiał części konstrukcyjnej musi zapewniać zachowanie integralności strukturalnej w ekstremalnie niskich temperaturach; wszystkie materiały muszą posiadać naturalne właściwości przeciwpożarowe. Z tego samego powodu elementy uszczelniające i uszczelnienia zaworów do ciekłego wodoru muszą również spełniać podstawowe wymagania wymienione powyżej. Austenityczna stal nierdzewna jest idealnym materiałem na zawory do ciekłego wodoru. Charakteryzuje się doskonałą udarnością, minimalną utratą ciepła i wytrzymuje duże gradienty temperatury. Istnieją inne materiały, które również nadają się do zastosowań z ciekłym wodorem, ale ich zastosowanie jest ograniczone do określonych warunków procesowych. Oprócz wyboru materiałów, nie należy pomijać pewnych szczegółów konstrukcyjnych, takich jak przedłużenie trzpienia zaworu i zastosowanie słupa powietrza w celu ochrony uszczelnienia przed ekstremalnie niskimi temperaturami. Ponadto przedłużenie trzpienia zaworu można wyposażyć w pierścień izolacyjny, aby zapobiec kondensacji. Projektowanie zaworów zgodnie z konkretnymi warunkami zastosowania pomaga znaleźć bardziej racjonalne rozwiązania różnych wyzwań technicznych. Firma Vellan oferuje zawory motylkowe w dwóch różnych konstrukcjach: z podwójnym mimośrodem i potrójnym mimośrodem z metalowym gniazdem. Obie konstrukcje umożliwiają przepływ dwukierunkowy. Dzięki odpowiedniemu kształtowi i trajektorii obrotu dysku możliwe jest uzyskanie szczelnego uszczelnienia. W korpusie zaworu nie ma wnęki, w której nie gromadziłoby się medium resztkowe. W przypadku zaworu motylkowego Velan z podwójnym mimośrodem, zastosowano mimośrodową konstrukcję obrotu dysku w połączeniu z charakterystycznym systemem uszczelnienia VELFLEX, aby uzyskać doskonałą szczelność zaworu. Ta opatentowana konstrukcja wytrzymuje nawet duże wahania temperatury w zaworze. Potrójnie mimośrodowy dysk TORQSEAL ma również specjalnie zaprojektowaną trajektorię obrotu, która pomaga zapewnić, że powierzchnia uszczelniająca dysku dotyka gniazda dopiero w momencie osiągnięcia pozycji zamkniętej zaworu i nie rysuje go. Dzięki temu moment obrotowy zamykający zaworu może napędzać dysk, zapewniając podatne osadzenie i wytwarzając wystarczający efekt klina w pozycji zamkniętej, jednocześnie zapewniając równomierny kontakt dysku z całym obwodem powierzchni uszczelniającej gniazda. Podatność gniazda zaworu umożliwia korpusowi zaworu i dyskowi „samoregulację”, zapobiegając w ten sposób zatarciu dysku podczas wahań temperatury. Wzmocniony wałek zaworu ze stali nierdzewnej wytrzymuje długie cykle pracy i działa płynnie w bardzo niskich temperaturach. Podwójnie mimośrodowa konstrukcja zaworu VELFLEX umożliwia szybki i łatwy serwis zaworu online. Dzięki bocznej obudowie, gniazdo i dysk można sprawdzić lub naprawić bezpośrednio, bez konieczności demontażu siłownika lub stosowania specjalistycznych narzędzi.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co., Ltdwspierają zawory o bardzo zaawansowanej technologii, w tym zawory o elastycznym gnieździezawór motylkowy waflowy, Zawór motylkowy Lug, Zawór motylkowy koncentryczny z podwójnym kołnierzem, Zawór motylkowy mimośrodowy z podwójnym kołnierzem,Filtr Y, zawór równoważący,Zawór zwrotny dwupłytkowyitp.
Czas publikacji: 11-08-2023
