Vloeibare waterstof heeft bepaalde voordelen bij opslag en transport. Vergeleken met waterstof heeft vloeibare waterstof (LH2) een hogere dichtheid en vereist het een lagere druk voor opslag. Waterstof moet echter -253°C zijn om vloeibaar te worden, wat betekent dat het best lastig is. Extreem lage temperaturen en ontvlambaarheidsrisico’s maken vloeibare waterstof tot een gevaarlijk medium. Om deze reden zijn strikte veiligheidsmaatregelen en hoge betrouwbaarheid compromisloze eisen bij het ontwerpen van afsluiters voor de relevante toepassingen.
Door Fadila Khelfaoui, Frédéric Blanquet
Velan-ventiel (Velan)
Toepassingen van vloeibare waterstof (LH2).
Momenteel wordt vloeibare waterstof bij verschillende speciale gelegenheden gebruikt en geprobeerd. In de lucht- en ruimtevaart kan het worden gebruikt als brandstof voor raketlanceringen en kan het ook schokgolven genereren in transsone windtunnels. Gesteund door ‘grote wetenschap’ is vloeibare waterstof een sleutelmateriaal geworden in supergeleidende systemen, deeltjesversnellers en kernfusie-apparaten. Naarmate het verlangen van mensen naar duurzame ontwikkeling groeit, wordt vloeibare waterstof de afgelopen jaren door steeds meer vrachtwagens en schepen als brandstof gebruikt. 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 van vloeibare waterstof (productie, transport, opslag en distributie). Operaties gerelateerd aan vloeibare waterstof zijn een uitdaging. Met ruim 30 jaar praktijkervaring en expertise op het gebied van hoogwaardige afsluiters tot -272°C is Velan al geruime tijd betrokken bij diverse innovatieve projecten en is het duidelijk dat zij de technische uitdagingen van vloeibare waterstofservice met zijn kracht.
Uitdagingen in de ontwerpfase
Druk, temperatuur en waterstofconcentratie zijn allemaal belangrijke factoren die worden onderzocht bij een risicobeoordeling van het klepontwerp. Om de klepprestaties te optimaliseren, spelen ontwerp en materiaalkeuze een beslissende rol. Kleppen die worden gebruikt in toepassingen voor vloeibare waterstof worden met extra uitdagingen geconfronteerd, waaronder de nadelige effecten van waterstof op metalen. Bij zeer lage temperaturen moeten klepmaterialen niet alleen bestand zijn tegen de aanval van waterstofmoleculen (enkele van de daarmee samenhangende verslechteringsmechanismen worden nog steeds besproken in de academische wereld), maar moeten ze ook gedurende hun hele levenscyclus gedurende lange tijd normaal blijven functioneren. Gezien het huidige niveau van technologische ontwikkeling heeft de industrie beperkte kennis van de toepasbaarheid van niet-metallische materialen in waterstoftoepassingen. Bij het kiezen van een afdichtingsmateriaal is het noodzakelijk om met deze factor rekening te houden. Effectieve afdichting is ook een belangrijk ontwerpprestatiecriterium. Er is een temperatuurverschil van bijna 300°C tussen vloeibare waterstof en de omgevingstemperatuur (kamertemperatuur), waardoor een temperatuurgradiënt ontstaat. Elk onderdeel van de klep ondergaat een verschillende mate van thermische uitzetting en samentrekking. Deze discrepantie kan leiden tot gevaarlijke lekkage van kritische afdichtingsoppervlakken. De afdichting van de klepsteel is ook de focus van het ontwerp. De overgang van koud naar warm zorgt voor een warmtestroom. Hete delen van de motorkapruimte kunnen bevriezen, wat de werking van de klepsteelafdichting kan verstoren en de werking van de klep kan beïnvloeden. Bovendien betekent de extreem lage temperatuur van -253°C dat de beste isolatietechnologie nodig is om ervoor te zorgen dat de klep vloeibare waterstof op deze temperatuur kan houden en tegelijkertijd de verliezen als gevolg van koken tot een minimum beperkt. Zolang er warmte wordt overgedragen aan vloeibare waterstof, zal deze verdampen en gaan lekken. Bovendien treedt er zuurstofcondensatie op op het breekpunt van de isolatie. Zodra zuurstof in contact komt met waterstof of andere brandbare stoffen, neemt het risico op brand toe. Daarom moeten, gezien het brandrisico waarmee afsluiters te maken kunnen krijgen, afsluiters worden ontworpen met explosieveilige materialen in gedachten, evenals brandbestendige actuatoren, instrumentatie en kabels, allemaal met de strengste certificeringen. Dit zorgt ervoor dat de klep goed werkt in geval van brand. Verhoogde druk is ook een potentieel risico dat kleppen onbruikbaar kan maken. Als vloeibare waterstof wordt opgesloten in de holte van het kleplichaam en er tegelijkertijd warmteoverdracht en vloeibare waterstofverdamping plaatsvinden, zal dit een drukverhoging veroorzaken. Als er een groot drukverschil is, ontstaat er cavitatie (cavitatie)/ruis. Deze verschijnselen kunnen leiden tot het voortijdig beëindigen van de levensduur van de klep en zelfs tot enorme verliezen als gevolg van procesfouten. Ongeacht de specifieke bedrijfsomstandigheden, als de bovenstaande factoren volledig in aanmerking kunnen worden genomen en overeenkomstige tegenmaatregelen kunnen worden genomen in het ontwerpproces, kan dit de veilige en betrouwbare werking van de klep garanderen. Daarnaast zijn er ontwerpuitdagingen die verband houden met milieukwesties, zoals diffuse lekkage. Waterstof is uniek: kleine moleculen, kleurloos, geurloos en explosief. Deze kenmerken bepalen de absolute noodzaak van nullekkage.
Bij het waterstofliquefactiestation aan de westkust van Las Vegas,
De ingenieurs van Wieland Valve leveren technische diensten
Ventieloplossingen
Ongeacht de specifieke functie en het type moeten kleppen voor alle vloeibare waterstoftoepassingen aan een aantal algemene eisen voldoen. Deze eisen omvatten: het materiaal van het structurele onderdeel moet ervoor zorgen dat de structurele integriteit behouden blijft bij extreem lage temperaturen; Alle materialen moeten natuurlijke brandveiligheidseigenschappen hebben. Om dezelfde reden moeten de afdichtingselementen en pakkingen van vloeibare waterstofkleppen ook aan de hierboven genoemde basiseisen voldoen. Austenitisch roestvast staal is een ideaal materiaal voor vloeibare waterstofkleppen. Het heeft een uitstekende slagvastheid, minimaal warmteverlies en is bestand tegen grote temperatuurgradiënten. Er zijn andere materialen die ook geschikt zijn voor vloeibare waterstofomstandigheden, maar die beperkt zijn 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 het verlengstuk van de klepsteel worden voorzien van een isolatiering om condensatie te voorkomen. Het ontwerpen van kleppen volgens specifieke toepassingsomstandigheden helpt om redelijkere 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 bidirectionele stroommogelijkheden. Door de schijfvorm en het rotatietraject te ontwerpen, kan een goede afdichting worden bereikt. Er is geen holte in het kleplichaam waar geen restmedium aanwezig is. In het geval van de Velan dubbele excentrische vlinderklep maakt deze gebruik van het schijf-excentrische rotatieontwerp, gecombineerd met het kenmerkende VELFLEX-afdichtingssysteem, om uitstekende klepafdichtingsprestaties te bereiken. Dit gepatenteerde ontwerp is bestand tegen zelfs grote temperatuurschommelingen in de klep. De drievoudige excentrische schijf van TORQSEAL heeft ook een speciaal ontworpen rotatietraject dat ervoor zorgt dat het schijfafdichtingsoppervlak alleen de zitting raakt op het moment dat de gesloten kleppositie wordt bereikt en niet krast. Daarom kan het sluitkoppel van de klep de schijf aandrijven om een soepele zitting te bereiken, en een voldoende wigeffect produceren in de gesloten kleppositie, terwijl de schijf gelijkmatig contact maakt met de gehele omtrek van het afdichtingsoppervlak van de zitting. Door de flexibiliteit van de klepzitting kunnen het kleplichaam en de klep een “zelfinstellende” functie hebben, waardoor het vastlopen van de klep tijdens temperatuurschommelingen wordt voorkomen. De versterkte roestvrijstalen klepas is geschikt voor hoge bedrijfscycli en werkt soepel bij zeer lage temperaturen. Dankzij het dubbele excentrische VELFLEX-ontwerp kan de klep snel en eenvoudig online worden onderhouden. Dankzij de zijbehuizing kunnen de zitting en schijf direct worden geïnspecteerd of onderhouden, zonder de noodzaak om de actuator of speciaal gereedschap te demonteren.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co., ltdondersteunen zeer geavanceerde technologie kleppen met veerkrachtige zitting, inclusief veerkrachtige zittingenwafer vlinderklep, Lus vlinderklep, Concentrische vlinderklep met dubbele flens, Excentrische vlinderklep met dubbele flens,Y-zeef, inregelafsluiter,Wafer terugslagklep met dubbele plaatenz.
Posttijd: 11 augustus 2023
