Vloeibare waterstof heeft bepaalde voordelen bij opslag en transport. Vergeleken met waterstof heeft vloeibare waterstof (LH₂) een hogere dichtheid en een lagere druk voor opslag. Waterstof moet echter een temperatuur van -253 °C hebben om vloeibaar te worden, wat betekent dat het vrij moeilijk is. Extreem lage temperaturen en ontvlambaarheidsrisico's maken vloeibare waterstof tot een gevaarlijk medium. Daarom zijn strenge veiligheidsmaatregelen en een hoge betrouwbaarheid absolute vereisten bij het ontwerpen van kleppen voor de relevante toepassingen.
Door Fadila Khelfaoui, Frédéric Blanquet
Velan-klep (Velan)
Toepassingen van vloeibare waterstof (LH2).
Vloeibare waterstof wordt momenteel gebruikt en geprobeerd te gebruiken voor diverse speciale gelegenheden. In de lucht- en ruimtevaart kan het worden gebruikt als brandstof voor raketlanceringen en kan het ook schokgolven opwekken in transsone windtunnels. Gesteund door "big science" is vloeibare waterstof een belangrijk materiaal geworden in supergeleidende systemen, deeltjesversnellers en kernfusie-installaties. Naarmate de wens voor duurzame ontwikkeling groeit, wordt vloeibare waterstof de laatste jaren steeds vaker gebruikt als brandstof voor vrachtwagens en schepen. In de bovenstaande toepassingsscenario's is het belang van kleppen overduidelijk. De veilige en betrouwbare werking van kleppen is een integraal onderdeel van het ecosysteem van de toeleveringsketen voor vloeibare waterstof (productie, transport, opslag en distributie). De werkzaamheden met betrekking tot vloeibare waterstof zijn uitdagend. Met meer dan 30 jaar praktische ervaring en expertise op het gebied van hoogwaardige kleppen tot -272 °C is Velan al lange tijd betrokken bij diverse innovatieve projecten en het is duidelijk dat het de technische uitdagingen van vloeibare waterstof met zijn kracht heeft overwonnen.
Uitdagingen in de ontwerpfase
Druk, temperatuur en waterstofconcentratie zijn allemaal belangrijke factoren die worden meegenomen in een risicobeoordeling van het ontwerp van een klep. Om de prestaties van de klep te optimaliseren, spelen ontwerp en materiaalkeuze een doorslaggevende rol. Kleppen die worden gebruikt in toepassingen met vloeibare waterstof, worden geconfronteerd met extra uitdagingen, waaronder de nadelige effecten van waterstof op metalen. Bij zeer lage temperaturen moeten klepmaterialen niet alleen bestand zijn tegen de aantasting door waterstofmoleculen (sommige van de bijbehorende aantastingsmechanismen worden nog steeds besproken in de academische wereld), maar moeten ze ook gedurende lange tijd gedurende hun levenscyclus normaal blijven functioneren. Gezien het huidige niveau van technologische ontwikkeling heeft de industrie beperkte kennis over de toepasbaarheid van niet-metalen materialen in waterstoftoepassingen. Bij de keuze van een afdichtingsmateriaal is het noodzakelijk om rekening te houden met deze factor. Effectieve afdichting is ook een belangrijk criterium voor ontwerpprestaties. Er is een temperatuurverschil van bijna 300 °C tussen vloeibare waterstof en de omgevingstemperatuur (kamertemperatuur), wat resulteert in een temperatuurgradiënt. Elk onderdeel van de klep ondergaat verschillende graden van thermische uitzetting en krimp. Deze discrepantie kan leiden tot gevaarlijke lekkage van kritieke afdichtingsoppervlakken. De afdichting van de klepsteel is ook het belangrijkste aandachtspunt in het ontwerp. De overgang van koud naar warm creëert warmtestroom. Hete delen van de kapholte kunnen bevriezen, wat de afdichting van de spindel kan verstoren en de werking van de klep kan beïnvloeden. Bovendien betekent de extreem lage temperatuur van -253 °C dat de beste isolatietechnologie vereist is om ervoor te zorgen dat de klep vloeibare waterstof op deze temperatuur kan houden en tegelijkertijd kookverliezen tot een minimum kan beperken. Zolang er warmte wordt overgedragen aan vloeibare waterstof, zal deze verdampen en lekken. Bovendien treedt er zuurstofcondensatie op bij het breekpunt van de isolatie. Zodra zuurstof in contact komt met waterstof of andere brandbare stoffen, neemt het brandrisico toe. Gezien het brandrisico dat kleppen kunnen lopen, moeten kleppen daarom worden ontworpen met explosieveilige materialen in gedachten, evenals brandwerende actuatoren, instrumentatie en kabels, allemaal met de strengste certificeringen. Dit garandeert dat de klep goed functioneert in geval van brand. Verhoogde druk is ook een potentieel risico dat kleppen onbruikbaar kan maken. Als vloeibare waterstof in de holte van het klephuis vastzit en er tegelijkertijd warmteoverdracht en verdamping van vloeibare waterstof plaatsvindt, zal dit een drukstijging veroorzaken. Bij een groot drukverschil treedt cavitatie/geluid op. Deze verschijnselen kunnen leiden tot een vroegtijdig einde van de levensduur van de klep en zelfs tot enorme verliezen door procesfouten. Ongeacht de specifieke bedrijfsomstandigheden kan een veilige en betrouwbare werking van de klep worden gegarandeerd als bovenstaande factoren volledig in overweging worden genomen en de juiste tegenmaatregelen worden genomen in het ontwerpproces. Daarnaast zijn er ontwerpuitdagingen met betrekking tot milieuvraagstukken, zoals vluchtige lekkage. Waterstof is uniek: het is een kleine molecule, kleurloos, geurloos en explosief. Deze eigenschappen bepalen de absolute noodzaak van nul lekkage.
Bij het waterstofliquefactiestation aan de westkust van North Las Vegas,
Wieland Valve-ingenieurs leveren technische diensten
Klepoplossingen
Ongeacht de specifieke functie en het type moeten kleppen voor alle toepassingen met vloeibare waterstof voldoen aan een aantal algemene eisen. Deze eisen omvatten: het materiaal van het constructiedeel moet ervoor zorgen dat de structurele integriteit behouden blijft bij extreem lage temperaturen; alle materialen moeten natuurlijke brandwerende eigenschappen hebben. Om dezelfde reden moeten de afdichtingselementen en pakking van kleppen voor vloeibare waterstof ook voldoen aan de bovengenoemde basiseisen. Austenitisch roestvast staal is een ideaal materiaal voor kleppen voor vloeibare waterstof. Het heeft een uitstekende slagvastheid, minimaal warmteverlies en is bestand tegen grote temperatuurgradiënten. Er zijn andere materialen die ook geschikt zijn voor vloeibare waterstof, maar deze zijn beperkt tot specifieke procesomstandigheden. Naast de materiaalkeuze mogen enkele ontwerpdetails niet over het hoofd worden gezien, zoals het verlengen van de klepsteel en het gebruik van een luchtkolom om de afdichtingspakking te beschermen tegen extreem lage temperaturen. Bovendien kan de verlenging van de klepsteel worden voorzien van een isolatiering om condensatie te voorkomen. Het ontwerpen van kleppen op basis van specifieke toepassingsomstandigheden helpt om meer redelijke oplossingen te bieden voor verschillende technische uitdagingen. Vellan biedt vlinderkleppen in twee verschillende uitvoeringen: dubbel excentrische en drievoudig excentrische vlinderkleppen met metalen zitting. Beide ontwerpen hebben een bidirectionele stromingsmogelijkheid. Door de vorm van de schijf en het rotatietraject te ontwerpen, kan een goede afdichting worden bereikt. Er is geen holte in het klephuis waar zich geen restmedium bevindt. De Velan dubbel excentrische vlinderklep maakt gebruik van het excentrische rotatieontwerp met schijf, gecombineerd met het kenmerkende VELFLEX-afdichtingssysteem, om uitstekende afdichtingsprestaties te bereiken. Dit gepatenteerde ontwerp is bestand tegen zelfs grote temperatuurschommelingen in de klep. De TORQSEAL drievoudig excentrische schijf heeft ook een speciaal ontworpen rotatietraject dat ervoor zorgt dat het afdichtingsoppervlak van de schijf de zitting alleen raakt op het moment dat de klep gesloten is en niet krast. Daardoor kan het sluitmoment van de klep de schijf aandrijven om een soepele zitting te bereiken en een voldoende wigeffect te creëren in de gesloten positie, terwijl de schijf gelijkmatig contact maakt met de gehele omtrek van het afdichtingsoppervlak van de zitting. De soepelheid van de klepzitting zorgt ervoor dat het klephuis en de schijf een "zelfinstellende" functie hebben, waardoor vastlopen van de schijf tijdens temperatuurschommelingen wordt voorkomen. De versterkte roestvrijstalen klepas is geschikt voor hoge bedrijfscycli en werkt soepel bij zeer lage temperaturen. Het VELFLEX dubbel-excentrische ontwerp maakt snel en eenvoudig online onderhoud van de klep mogelijk. Dankzij de zijbehuizing kunnen de zitting en de klep direct worden geïnspecteerd of onderhouden, zonder demontage van de actuator of speciaal gereedschap.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co., ltdondersteunen zeer geavanceerde technologie veerkrachtige zittingkleppen, inclusief veerkrachtige zittingkleppenwafer vlinderklep, Lug vlinderklep, Dubbele flens concentrische vlinderklep, Dubbele flens excentrische vlinderklep,Y-zeef, inregelafsluiter,Wafer dubbelplaat terugslagklep, enz.
Plaatsingstijd: 11-08-2023
