Ciekły wodór ma pewne zalety w przechowywaniu i transporcie. W porównaniu z wodorem, ciekły wodór (LH2) ma większą gęstość i wymaga niższego ciśnienia do przechowywania. Jednak wodór musi mieć temperaturę -253°C, aby stać się płynnym, co oznacza, że jest to dość trudne. Ekstremalnie niskie temperatury i ryzyko łatwopalności sprawiają, że ciekły wodór jest niebezpiecznym medium. Z tego powodu ścisłe środki bezpieczeństwa i wysoka niezawodność są bezkompromisowymi wymaganiami przy projektowaniu zaworów do odpowiednich zastosowań.
Fadila Khelfaoui, Frédéric Blanquet
Zawór Velana (Velan)
Zastosowania ciekłego wodoru (LH2).
Obecnie ciekły wodór jest używany i próbuje się go używać przy różnych specjalnych okazjach. W lotnictwie kosmicznym może być używany jako paliwo do startu rakiety, a także może generować fale uderzeniowe w naddźwiękowych 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 pragnienia zrównoważonego rozwoju wśród ludzi, ciekły wodór jest używany jako paliwo przez coraz więcej ciężarówek i statków w ostatnich latach. W powyższych scenariuszach zastosowań znaczenie zaworów jest bardzo oczywiste. Bezpieczna i niezawodna praca zaworów jest integralną częścią ekosystemu łańcucha dostaw ciekłego wodoru (produkcja, transport, przechowywanie i dystrybucja). Operacje związane z ciekłym wodorem są trudne. Dzięki ponad 30-letniemu doświadczeniu praktycznemu i wiedzy specjalistycznej w dziedzinie zaworów o wysokiej wydajności do -272°C, Velan od dawna bierze udział w różnych innowacyjnych projektach i jest jasne, że wygrał techniczne wyzwania związane z obsługą ciekłego wodoru dzięki swojej sile.
Wyzwania w fazie projektowania
Ciśnienie, temperatura i stężenie wodoru to główne czynniki badane w ocenie ryzyka projektowego zaworu. Aby zoptymalizować wydajność zaworu, decydującą rolę odgrywają projekt i dobór materiałów. Zawory stosowane w zastosowaniach z ciekłym wodorem stają w obliczu dodatkowych wyzwań, w tym niekorzystnego wpływu wodoru na metale. W bardzo niskich temperaturach materiały zaworów muszą nie tylko wytrzymać atak cząsteczek wodoru (niektóre z powiązanych mechanizmów pogorszenia jakości są nadal przedmiotem debaty w środowisku akademickim), ale także muszą przez długi czas utrzymywać normalną pracę w całym cyklu życia. Biorąc pod uwagę obecny poziom rozwoju technologicznego, branża ma ograniczoną wiedzę na temat przydatności materiałów niemetalowych w zastosowaniach z wodorem. Wybierając materiał uszczelniający, należy wziąć pod uwagę ten czynnik. Skuteczne uszczelnienie jest również kluczowym kryterium wydajności projektowej. Istnieje różnica temperatur wynosząca prawie 300°C między ciekłym wodorem a temperaturą otoczenia (temperaturą pokojową), co powoduje gradient temperatury. Każdy element zaworu będzie podlegał różnym stopniom rozszerzalności cieplnej i kurczenia się. Ta rozbieżność może prowadzić do niebezpiecznego wycieku krytycznych powierzchni uszczelniających. Szczelność uszczelnienia trzpienia zaworu jest również przedmiotem zainteresowania projektu. Przejście z zimna do gorąca powoduje przepływ ciepła. Gorące części wnęki pokrywy mogą zamarznąć, co może zakłócić działanie uszczelnienia trzonu 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, jednocześnie minimalizując straty spowodowane wrzeniem. Dopóki ciepło jest przekazywane do ciekłego wodoru, będzie on odparowywał i przeciekał. Co więcej, w punkcie pęknięcia izolacji następuje kondensacja tlenu. Gdy tlen wejdzie w kontakt z wodorem lub innymi materiałami palnymi, ryzyko pożaru wzrasta. Dlatego też, biorąc pod uwagę ryzyko pożaru, z jakim mogą się mierzyć zawory, zawory muszą być projektowane z myślą o materiałach przeciwwybuchowych, a także ognioodpornych siłownikach, instrumentach i kablach, wszystkie z najsurowszymi certyfikatami. Zapewnia to prawidłowe działanie zaworu w przypadku pożaru. Zwiększone ciśnienie jest również potencjalnym ryzykiem, które może spowodować, że zawory staną się niesprawne. Jeśli ciekły wodór zostanie uwięziony w wnęce korpusu zaworu, a jednocześnie nastąpi przekazywanie ciepła i parowanie ciekłego wodoru, spowoduje to wzrost ciśnienia. Jeśli występuje duża różnica ciśnień, występuje kawitacja (kawitacja)/hałas. Zjawiska te mogą prowadzić do przedwczesnego zakończenia okresu eksploatacji zaworu, a nawet do ogromnych strat z powodu wad procesu. Niezależnie od konkretnych warunków pracy, jeśli powyższe czynniki mogą zostać w pełni uwzględnione i odpowiednie środki zaradcze mogą zostać podjęte w procesie projektowania, może to zapewnić bezpieczną i niezawodną pracę zaworu. Ponadto istnieją wyzwania projektowe związane z kwestiami środowiskowymi, takimi jak wyciek ulotny. Wodór jest wyjątkowy: małe cząsteczki, bezbarwne, bezwonne i wybuchowe. Te cechy determinują absolutną konieczność zerowego wycieku.
Na stacji skraplania wodoru na zachodnim wybrzeżu North Las Vegas
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. Wymagania te obejmują: materiał części konstrukcyjnej musi zapewniać utrzymanie integralności konstrukcyjnej w ekstremalnie niskich temperaturach; Wszystkie materiały muszą mieć naturalne właściwości przeciwpożarowe. Z tego samego powodu elementy uszczelniające i uszczelnienia zaworów z ciekłym wodorem muszą również spełniać podstawowe wymagania wymienione powyżej. Austenityczna stal nierdzewna jest idealnym materiałem na zawory z ciekłym wodorem. Ma doskonałą wytrzymałość na uderzenia, minimalną utratę ciepła i może wytrzymać duże gradienty temperatury. Istnieją inne materiały, które również nadają się do warunków z ciekłym wodorem, ale są ograniczone do określonych warunków procesu. Oprócz wyboru materiałów nie należy pomijać niektórych szczegółów konstrukcyjnych, takich jak przedłużenie trzpienia zaworu i użycie kolumny powietrza w celu ochrony uszczelnienia przed ekstremalnie niskimi temperaturami. Ponadto przedłużenie trzpienia zaworu można wyposażyć w pierścień izolacyjny, aby uniknąć kondensacji. Projektowanie zaworów zgodnie ze specyficznymi warunkami zastosowania pomaga zapewnić bardziej rozsądne rozwiązania różnych wyzwań technicznych. Vellan oferuje zawory motylkowe w dwóch różnych konstrukcjach: zawory motylkowe z podwójnym mimośrodem i potrójnym mimośrodem z metalowym gniazdem. Oba projekty mają dwukierunkową możliwość przepływu. Dzięki odpowiedniemu kształtowi dysku i trajektorii obrotu można uzyskać szczelne uszczelnienie. W korpusie zaworu nie ma wnęki, w której nie ma resztkowego medium. W przypadku zaworu motylkowego Velan z podwójnym mimośrodem zastosowano mimośrodową konstrukcję obrotu dysku w połączeniu z charakterystycznym systemem uszczelniającym VELFLEX, aby uzyskać doskonałe właściwości uszczelniające zaworu. Ta opatentowana konstrukcja wytrzymuje nawet duże wahania temperatury w zaworze. Potrójny mimośrodowy dysk TORQSEAL ma również specjalnie zaprojektowaną trajektorię obrotu, która pomaga zapewnić, że powierzchnia uszczelniająca dysku dotyka gniazda tylko w momencie osiągnięcia pozycji zamkniętej zaworu i nie rysuje się. Dlatego moment obrotowy zamykający zaworu może napędzać dysk, aby uzyskać zgodne osadzenie i wytworzyć wystarczający efekt klina w pozycji zamkniętej zaworu, jednocześnie zapewniając równomierny kontakt dysku z całym obwodem powierzchni uszczelniającej gniazda. Zgodność gniazda zaworu umożliwia korpusowi zaworu i dyskowi „samoregulację”, zapobiegając w ten sposób zatarciu dysku podczas wahań temperatury. Wzmocniony wał zaworu ze stali nierdzewnej jest zdolny do wysokich cykli roboczych i działa płynnie w bardzo niskich temperaturach. Podwójna mimośrodowa konstrukcja VELFLEX umożliwia szybką i łatwą obsługę zaworu online. Dzięki obudowie bocznej gniazdo i tarcza mogą być sprawdzane lub serwisowane bezpośrednio, bez konieczności demontażu siłownika lub specjalnych narzędzi.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co., Ltdwspierają wysoce zaawansowaną technologię zaworów o elastycznym gnieździe, w tym zaworów 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 dwupłytkowyitd.
Czas publikacji: 11-08-2023
