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 tot -253 °C afkoelen om vloeibaar te worden, wat betekent dat het vrij moeilijk is. Extreem lage temperaturen en het risico op ontvlambaarheid maken vloeibare waterstof tot een gevaarlijk medium. Om deze reden zijn strenge veiligheidsmaatregelen en een hoge betrouwbaarheid ononderhandelbare eisen bij het ontwerpen van kleppen voor de betreffende toepassingen.
Door Fadila Khelfaoui, Frédéric Blanquet
Velan-klep (Velan)
Toepassingen van vloeibare waterstof (LH2).
Momenteel wordt vloeibare waterstof gebruikt en worden er pogingen gedaan om het in diverse speciale toepassingen te gebruiken. In de ruimtevaart kan het worden ingezet als brandstof voor raketten en kan het schokgolven genereren in transsonische windtunnels. Dankzij baanbrekend wetenschappelijk onderzoek is vloeibare waterstof een sleutelcomponent geworden in supergeleidende systemen, deeltjesversnellers en kernfusie-installaties. Naarmate de behoefte aan duurzame ontwikkeling groeit, wordt vloeibare waterstof de laatste jaren steeds vaker als brandstof gebruikt door vrachtwagens en schepen. In deze toepassingsscenario's is het belang van kleppen evident. De veilige en betrouwbare werking van kleppen is een integraal onderdeel van het ecosysteem van de vloeibare waterstofvoorzieningsketen (productie, transport, opslag en distributie). De werkzaamheden met betrekking tot vloeibare waterstof zijn complex. Met meer dan 30 jaar praktijkervaring en expertise op het gebied van hoogwaardige kleppen tot -272 °C is Velan al lange tijd betrokken bij diverse innovatieve projecten en heeft het bedrijf met zijn expertise bewezen de technische uitdagingen van vloeibare waterstofdiensten te overwinnen.
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 cruciale rol. Kleppen die worden gebruikt in vloeibare waterstoftoepassingen staan voor 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 degradatiemechanismen worden nog steeds in de academische wereld bediscussieerd), maar moeten ze ook gedurende hun levensduur een normale werking behouden. Gezien het huidige technologische ontwikkelingsniveau heeft de industrie beperkte kennis over de toepasbaarheid van niet-metalen materialen in waterstoftoepassingen. Bij de keuze van een afdichtingsmateriaal moet met deze factor rekening worden gehouden. Een effectieve afdichting is ook een belangrijk ontwerpcriterium. 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 zal in verschillende mate thermisch uitzetten en krimpen. Dit verschil kan leiden tot gevaarlijke lekkage van kritische afdichtingsoppervlakken. De afdichtingsdichtheid van de klepstang is ook een belangrijk aandachtspunt bij het ontwerp. De overgang van koud naar warm creëert warmtestroom. Hete delen van de klephuisruimte kunnen bevriezen, wat de afdichting van de klepstang kan verstoren en de werking van de klep kan beïnvloeden. Bovendien vereist de extreem lage temperatuur van -253 °C de beste isolatietechnologie om ervoor te zorgen dat de klep vloeibare waterstof op deze temperatuur kan houden en tegelijkertijd verliezen door koken te minimaliseren. Zolang er warmte wordt overgedragen aan vloeibare waterstof, zal deze verdampen en lekken. Daarnaast treedt er zuurstofcondensatie op bij het breken van de isolatie. Zodra zuurstof in contact komt met waterstof of andere brandbare stoffen, neemt het brandrisico toe. Daarom moeten kleppen, gezien het brandrisico, worden ontworpen met explosieveilige materialen, evenals brandwerende actuatoren, instrumentatie en kabels, allemaal met de strengste certificeringen. Dit garandeert dat de klep correct functioneert in geval van brand. Verhoogde druk is ook een potentieel risico dat kleppen onbruikbaar kan maken. Als vloeibare waterstof in de klephuisruimte is opgesloten en er tegelijkertijd warmteoverdracht en verdamping van vloeibare waterstof plaatsvinden, zal dit een drukverhoging veroorzaken. Bij een groot drukverschil treedt cavitatie (cavitatie)/geluidsoverlast op. Deze verschijnselen kunnen leiden tot een voortijdige uitval van de klep en zelfs tot grote verliezen als gevolg van procesfouten. Ongeacht de specifieke bedrijfsomstandigheden, kan een veilige en betrouwbare werking van de klep worden gegarandeerd door bij het ontwerp rekening te houden met bovenstaande factoren en de bijbehorende tegenmaatregelen te treffen. Daarnaast zijn er ontwerpuitdagingen met betrekking tot milieuaspecten, zoals lekkage. Waterstof is uniek: kleine moleculen, kleurloos, geurloos en explosief. Deze eigenschappen maken een lekvrije werking absoluut noodzakelijk.
Bij het North Las Vegas West Coast Hydrogen Liquefaction-station,
De technici van Wieland Valve leveren technische diensten.
Ventieloplossingen
Ongeacht de specifieke functie en het type, moeten kleppen voor alle vloeibare waterstoftoepassingen aan een aantal gemeenschappelijke eisen voldoen. Deze eisen omvatten: het materiaal van het constructiedeel moet de structurele integriteit garanderen bij extreem lage temperaturen; alle materialen moeten van nature brandveilig zijn. Om dezelfde reden moeten de afdichtingselementen en pakkingen van vloeibare waterstofkleppen ook aan de bovengenoemde 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 ook andere materialen die 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 klepstang en het gebruik van een luchtkolom om de afdichting te beschermen tegen extreem lage temperaturen. Bovendien kan de verlenging van de klepstang worden voorzien van een isolatiering om condensatie te voorkomen. Het ontwerpen van kleppen op basis van specifieke toepassingsomstandigheden helpt om meer doordachte 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 doorstroming. Door de vorm en het rotatietraject van de schijf te ontwerpen, kan een perfecte afdichting worden bereikt. Er is geen holte in het klephuis waar geen restmedium aanwezig is. De Velan dubbel excentrische vlinderklep maakt gebruik van een excentrisch rotatieontwerp van de 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 in de gesloten stand staat en niet bekrast raakt. Hierdoor kan het sluitkoppel van de klep de schijf naar een soepele zitting drijven en een voldoende wigwerking creëren in de gesloten stand, terwijl de schijf gelijkmatig contact maakt met de gehele omtrek van het afdichtingsoppervlak van de zitting. De flexibiliteit van de klepzitting zorgt ervoor dat het klephuis en de schijf een "zelfstellende" functie hebben, waardoor vastlopen van de schijf bij temperatuurschommelingen wordt voorkomen. De versterkte roestvrijstalen klepas is bestand tegen hoge bedrijfscycli en functioneert 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 klepschijf direct worden geïnspecteerd of onderhouden, zonder dat de actuator of speciaal gereedschap hoeft te worden gedemonteerd.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co., ltdondersteunen zeer geavanceerde technologie voor veerkrachtig afgedichte kleppen, waaronder veerkrachtig afgedichte kleppen.wafer vlinderklep, Aansluiting vlinderklep, Dubbele flens concentrische vlinderklepExcentrische vlinderklep met dubbele flens,Y-zeef, balansklep,Wafer dubbelplaat terugslagklepenz.
Geplaatst op: 11 augustus 2023
