Flytende hydrogen har visse fordeler ved lagring og transport. Sammenlignet med hydrogen har flytende hydrogen (LH2) en høyere tetthet og krever lavere trykk for lagring. Hydrogen må imidlertid være -253 °C for å bli flytende, noe som betyr at det er ganske vanskelig. Ekstremt lave temperaturer og brannfare gjør flytende hydrogen til et farlig medium. Av denne grunn er strenge sikkerhetstiltak og høy pålitelighet kompromissløse krav ved design av ventiler for de relevante applikasjonene.
Av Fadila Khelfaoui, Frédéric Blanquet
Velan-ventil (Velan)
Anvendelser av flytende hydrogen (LH2).
For tiden brukes og forsøkes flytende hydrogen brukt ved en rekke spesielle anledninger. Innen luftfart kan det brukes som drivstoff for rakettoppskytninger og kan også generere sjokkbølger i transsoniske vindtunneler. Støttet av «big science» har flytende hydrogen blitt et nøkkelmateriale i superledende systemer, partikkelakseleratorer og kjernefusjonsenheter. Etter hvert som folks ønske om bærekraftig utvikling vokser, har flytende hydrogen blitt brukt som drivstoff av stadig flere lastebiler og skip de siste årene. I de ovennevnte bruksscenariene er viktigheten av ventiler svært åpenbar. Sikker og pålitelig drift av ventiler er en integrert del av økosystemet for forsyningskjeden for flytende hydrogen (produksjon, transport, lagring og distribusjon). Drift relatert til flytende hydrogen er utfordrende. Med mer enn 30 års praktisk erfaring og ekspertise innen høyytelsesventiler ned til -272 °C har Velan vært involvert i en rekke innovative prosjekter i lang tid, og det er tydelig at de har vunnet de tekniske utfordringene innen flytende hydrogen med sin styrke.
Utfordringer i designfasen
Trykk, temperatur og hydrogenkonsentrasjon er alle viktige faktorer som undersøkes i en risikovurdering av ventildesign. For å optimalisere ventilens ytelse spiller design og materialvalg en avgjørende rolle. Ventiler som brukes i flytende hydrogenapplikasjoner står overfor ytterligere utfordringer, inkludert de negative effektene av hydrogen på metaller. Ved svært lave temperaturer må ventilmaterialer ikke bare tåle angrep fra hydrogenmolekyler (noen av de tilhørende forringelsesmekanismene diskuteres fortsatt i akademia), men må også opprettholde normal drift over lang tid i løpet av livssyklusen. Med tanke på dagens teknologiske utviklingsnivå har industrien begrenset kunnskap om anvendeligheten av ikke-metalliske materialer i hydrogenapplikasjoner. Når man velger et tetningsmateriale, er det nødvendig å ta hensyn til denne faktoren. Effektiv tetting er også et sentralt kriterium for designytelse. Det er en temperaturforskjell på nesten 300 °C mellom flytende hydrogen og omgivelsestemperatur (romtemperatur), noe som resulterer i en temperaturgradient. Hver komponent i ventilen vil gjennomgå forskjellige grader av termisk utvidelse og sammentrekning. Denne avviken kan føre til farlig lekkasje av kritiske tetningsflater. Tettheten til ventilstammen er også fokus for designet. Overgangen fra kaldt til varmt skaper varmestrøm. Varme deler av dekselhulrommet kan fryse, noe som kan forstyrre spindelforseglingens ytelse og påvirke ventilens drift. I tillegg betyr den ekstremt lave temperaturen på -253 °C at den beste isolasjonsteknologien er nødvendig for å sikre at ventilen kan holde flytende hydrogen ved denne temperaturen samtidig som tap forårsaket av koking minimeres. Så lenge det overføres varme til flytende hydrogen, vil den fordampe og lekke. Ikke bare det, oksygenkondensering oppstår ved isolasjonens bruddpunkt. Når oksygen kommer i kontakt med hydrogen eller andre brennbare stoffer, øker risikoen for brann. Med tanke på brannrisikoen som ventiler kan stå overfor, må ventiler derfor utformes med tanke på eksplosjonssikre materialer, samt brannsikre aktuatorer, instrumenter og kabler, alle med de strengeste sertifiseringene. Dette sikrer at ventilen fungerer som den skal i tilfelle brann. Økt trykk er også en potensiell risiko som kan gjøre ventiler ubrukelige. Hvis flytende hydrogen er fanget i hulrommet i ventilhuset, og varmeoverføring og fordampning av flytende hydrogen skjer samtidig, vil det føre til en trykkeøkning. Hvis det er en stor trykkforskjell, oppstår kavitasjon (kavitasjon)/støy. Disse fenomenene kan føre til for tidlig slutt på ventilens levetid, og til og med lide store tap på grunn av prosessfeil. Uansett de spesifikke driftsforholdene, hvis faktorene ovenfor kan vurderes fullt ut og tilsvarende mottiltak kan iverksettes i designprosessen, kan det sikre sikker og pålitelig drift av ventilen. I tillegg er det designutfordringer knyttet til miljøproblemer, som for eksempel flyktig lekkasje. Hydrogen er unikt: små molekyler, fargeløst, luktfritt og eksplosivt. Disse egenskapene bestemmer den absolutte nødvendigheten av null lekkasje.
Ved hydrogenflytendegjøringsstasjonen på vestkysten av Nord-Las Vegas,
Wieland Valve-ingeniører tilbyr tekniske tjenester
Ventilløsninger
Uansett spesifikk funksjon og type, må ventiler for alle applikasjoner for flytende hydrogen oppfylle noen vanlige krav. Disse kravene inkluderer: materialet i den strukturelle delen må sikre at den strukturelle integriteten opprettholdes ved ekstremt lave temperaturer; Alle materialer må ha naturlige brannsikkerhetsegenskaper. Av samme grunn må tetningselementene og pakningen i ventiler for flytende hydrogen også oppfylle de grunnleggende kravene nevnt ovenfor. Austenittisk rustfritt stål er et ideelt materiale for ventiler for flytende hydrogen. Det har utmerket slagfasthet, minimalt varmetap og tåler store temperaturgradienter. Det finnes andre materialer som også er egnet for forhold med flytende hydrogen, men som er begrenset til spesifikke prosessforhold. I tillegg til materialvalg, bør noen designdetaljer ikke overses, for eksempel å forlenge ventilstammen og bruke en luftsøyle for å beskytte tetningspakningen mot ekstremt lave temperaturer. I tillegg kan forlengelsen av ventilstammen utstyres med en isolasjonsring for å unngå kondens. Å designe ventiler i henhold til spesifikke applikasjonsforhold bidrar til å gi mer fornuftige løsninger på ulike tekniske utfordringer. Vellan tilbyr butterflyventiler i to forskjellige design: dobbelt eksentriske og trippel eksentriske metallsete-butterflyventiler. Begge designene har toveis strømningskapasitet. Ved å designe skiveformen og rotasjonsbanen kan man oppnå en tett tetning. Det er ikke noe hulrom i ventilhuset der det ikke er noe gjenværende medium. Når det gjelder Velan dobbelteksentriske butterflyventiler, benytter den skiveeksentriske rotasjonsdesign, kombinert med det særegne VELFLEX-tetningssystemet, for å oppnå utmerket ventiltetningsytelse. Denne patenterte designen tåler selv store temperatursvingninger i ventilen. TORQSEAL trippeleksentriske skiven har også en spesialdesignet rotasjonsbane som bidrar til å sikre at skiveforseglingsflaten bare berører setet i det øyeblikket den når lukket ventilposisjon og ikke riper. Derfor kan ventilens lukkemoment drive skiven til å oppnå komfortabel sete, og produsere en tilstrekkelig kileeffekt i lukket ventilposisjon, samtidig som skiven har jevn kontakt med hele omkretsen av setets forseglingsflate. Ventilsetets fleksibilitet gjør at ventilhuset og skiven har en "selvjusterende" funksjon, og dermed unngår man at skiven setter seg fast under temperatursvingninger. Den forsterkede ventilakselen i rustfritt stål er i stand til høye driftssykluser og fungerer jevnt ved svært lave temperaturer. VELFLEX dobbelteksentriske design gjør at ventilen kan vedlikeholdes online raskt og enkelt. Takket være sidehuset kan setet og skiven inspiseres eller vedlikeholdes direkte, uten behov for å demontere aktuatoren eller bruke spesialverktøy.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co., Ltdstøtter svært avansert teknologi med fjærbelastede ventiler, inkludert fjærbelastede ventilerwafer butterflyventil, Lug butterflyventil, Konsentrisk butterflyventil med dobbel flens, Eksentrisk butterflyventil med dobbel flens,Y-sil, balanseringsventil,Wafer dobbeltplate tilbakeslagsventilosv.
Publisert: 11. august 2023
