Kvapalný vodík má určité výhody pri skladovaní a preprave. V porovnaní s vodíkom má kvapalný vodík (LH2) vyššiu hustotu a vyžaduje nižší tlak na skladovanie. Vodík však musí mať teplotu -253 °C, aby sa stal kvapalným, čo znamená, že je to dosť ťažké. Extrémne nízke teploty a riziká horľavosti robia z kvapalného vodíka nebezpečné médium. Z tohto dôvodu sú pri navrhovaní ventilov pre príslušné aplikácie nekompromisnými požiadavkami prísne bezpečnostné opatrenia a vysoká spoľahlivosť.
Autori: Fadila Khelfaoui, Frédéric Blanquet
Velanova chlopňa (Velan)
Aplikácie kvapalného vodíka (LH2).
V súčasnosti sa kvapalný vodík používa a snaží sa o jeho použitie pri rôznych špeciálnych príležitostiach. V leteckom priemysle sa môže použiť ako palivo pre štart rakiet a môže tiež generovať rázové vlny v transonických aerodynamických tuneloch. Vďaka „veľkej vede“ sa kvapalný vodík stal kľúčovým materiálom v supravodivých systémoch, urýchľovačoch častíc a zariadeniach na jadrovú fúziu. S rastúcou túžbou ľudí po udržateľnom rozvoji sa kvapalný vodík v posledných rokoch používa ako palivo v čoraz väčšom počte nákladných vozidiel a lodí. Vo vyššie uvedených aplikačných scenároch je dôležitosť ventilov veľmi zrejmá. Bezpečná a spoľahlivá prevádzka ventilov je neoddeliteľnou súčasťou ekosystému dodávateľského reťazca kvapalného vodíka (výroba, preprava, skladovanie a distribúcia). Operácie súvisiace s kvapalným vodíkom sú náročné. Spoločnosť Velan sa s viac ako 30-ročnými praktickými skúsenosťami a odbornými znalosťami v oblasti vysokovýkonných ventilov až do -272 °C dlhodobo podieľa na rôznych inovatívnych projektoch a je zrejmé, že vďaka svojim silným stránkam zvládla technické výzvy v oblasti služieb s kvapalným vodíkom.
Výzvy vo fáze návrhu
Tlak, teplota a koncentrácia vodíka sú hlavné faktory skúmané pri hodnotení rizika návrhu ventilu. Aby sa optimalizoval výkon ventilu, rozhodujúcu úlohu zohráva návrh a výber materiálu. Ventily používané v aplikáciách s kvapalným vodíkom čelia ďalším výzvam vrátane nepriaznivých účinkov vodíka na kovy. Pri veľmi nízkych teplotách musia materiály ventilov nielen odolávať pôsobeniu molekúl vodíka (niektoré súvisiace mechanizmy opotrebovania sú stále predmetom diskusií v akademickej sfére), ale musia si tiež dlhodobo udržiavať normálnu prevádzku počas celej svojej životnosti. Vzhľadom na súčasnú úroveň technologického rozvoja má priemysel obmedzené znalosti o použiteľnosti nekovových materiálov vo vodíkových aplikáciách. Pri výbere tesniaceho materiálu je potrebné zohľadniť tento faktor. Účinné utesnenie je tiež kľúčovým kritériom výkonu návrhu. Medzi kvapalným vodíkom a okolitou teplotou (izbovou teplotou) je teplotný rozdiel takmer 300 °C, čo vedie k teplotnému gradientu. Každá súčasť ventilu bude podliehať rôznemu stupňu tepelnej rozťažnosti a sťahovania. Tento rozdiel môže viesť k nebezpečnému úniku kritických tesniacich plôch. Tesnosť drieku ventilu je tiež zameraná na návrh. Prechod zo studeného do teplého stavu vytvára tepelný tok. Horúce časti dutiny veka môžu zamrznúť, čo môže narušiť tesnenie vretena a ovplyvniť funkčnosť ventilu. Okrem toho extrémne nízka teplota -253 °C znamená, že je potrebná najlepšia izolačná technológia, aby sa zabezpečilo, že ventil dokáže udržať kvapalný vodík pri tejto teplote a zároveň minimalizovať straty spôsobené varom. Pokiaľ sa do kvapalného vodíka prenáša teplo, bude sa odparovať a unikať. Okrem toho dochádza ku kondenzácii kyslíka v mieste prerušenia izolácie. Akonáhle sa kyslík dostane do kontaktu s vodíkom alebo inými horľavinami, zvyšuje sa riziko požiaru. Preto vzhľadom na riziko požiaru, ktorému môžu ventily čeliť, musia byť ventily navrhnuté s ohľadom na materiály odolné voči výbuchu, ako aj ohňovzdorné pohony, prístroje a káble, všetky s najprísnejšími certifikáciami. To zabezpečuje, že ventil bude v prípade požiaru správne fungovať. Zvýšený tlak je tiež potenciálnym rizikom, ktoré môže spôsobiť nefunkčnosť ventilov. Ak je kvapalný vodík zachytený v dutine telesa ventilu a súčasne dochádza k prenosu tepla a odparovaniu kvapalného vodíka, spôsobí to zvýšenie tlaku. Ak je veľký tlakový rozdiel, dochádza ku kavitácii (kavitácii)/hluku. Tieto javy môžu viesť k predčasnému ukončeniu životnosti ventilu a dokonca k obrovským stratám v dôsledku procesných chýb. Bez ohľadu na špecifické prevádzkové podmienky, ak sa vyššie uvedené faktory plne zohľadnia a v procese návrhu sa prijmú zodpovedajúce protiopatrenia, môže sa zabezpečiť bezpečná a spoľahlivá prevádzka ventilu. Okrem toho existujú konštrukčné výzvy súvisiace s environmentálnymi problémami, ako sú napríklad fugitívne úniky. Vodík je jedinečný: má malé molekuly, je bezfarebný, bez zápachu a je výbušný. Tieto vlastnosti určujú absolútnu nevyhnutnosť nulového úniku.
V stanici skvapalňovania vodíka na západnom pobreží severného Las Vegas,
Inžinieri spoločnosti Wieland Valve poskytujú technické služby
Riešenia ventilov
Bez ohľadu na špecifickú funkciu a typ musia ventily pre všetky aplikácie s kvapalným vodíkom spĺňať niektoré spoločné požiadavky. Medzi tieto požiadavky patria: materiál konštrukčnej časti musí zabezpečiť zachovanie štrukturálnej integrity pri extrémne nízkych teplotách; všetky materiály musia mať prirodzené vlastnosti požiarnej bezpečnosti. Z rovnakého dôvodu musia tesniace prvky a upchávky ventilov s kvapalným vodíkom spĺňať aj vyššie uvedené základné požiadavky. Austenitická nehrdzavejúca oceľ je ideálnym materiálom pre ventily s kvapalným vodíkom. Má vynikajúcu rázovú húževnatosť, minimálne tepelné straty a odoláva veľkým teplotným gradientom. Existujú aj iné materiály, ktoré sú vhodné pre podmienky s kvapalným vodíkom, ale sú obmedzené na špecifické procesné podmienky. Okrem výberu materiálov by sa nemali prehliadať ani niektoré konštrukčné detaily, ako je predĺženie drieku ventilu a použitie vzduchového stĺpca na ochranu tesniaceho upchávky pred extrémne nízkymi teplotami. Okrem toho môže byť predĺženie drieku ventilu vybavené izolačným krúžkom, aby sa zabránilo kondenzácii. Navrhovanie ventilov podľa špecifických podmienok aplikácie pomáha poskytnúť rozumnejšie riešenia rôznych technických problémov. Spoločnosť Vellan ponúka klapkové ventily v dvoch rôznych prevedeniach: dvojito excentrické a trojito excentrické klapkové ventily s kovovým sedlom. Obe prevedenia majú obojsmerný prietok. Vďaka návrhu tvaru disku a trajektórie otáčania je možné dosiahnuť tesné utesnenie. V tele ventilu nie je žiadna dutina, kde by sa nenachádzalo zvyškové médium. V prípade dvojito excentrického motýlikového ventilu Velan je použitá konštrukcia excentrického otáčania disku v kombinácii s charakteristickým tesniacim systémom VELFLEX, čo umožňuje dosiahnuť vynikajúci tesniaci výkon ventilu. Táto patentovaná konštrukcia odolá aj veľkým teplotným výkyvom vo ventile. Trojitý excentrický disk TORQSEAL má tiež špeciálne navrhnutú trajektóriu otáčania, ktorá pomáha zabezpečiť, aby sa tesniaca plocha disku dotýkala sedla iba v momente dosiahnutia zatvorenej polohy ventilu a nepoškriabala ho. Uzatvárací krútiaci moment ventilu preto môže poháňať disk, aby sa dosiahlo poddajné uloženie a vytvoril sa dostatočný klinový efekt v zatvorenej polohe ventilu, pričom sa disk rovnomerne dotýka celého obvodu tesniacej plochy sedla. Poddajnosť sedla ventilu umožňuje telesu ventilu a disku „samonastavovaciu“ funkciu, čím sa zabráni zadretiu disku počas teplotných výkyvov. Vystužený hriadeľ ventilu z nehrdzavejúcej ocele je schopný vysokých prevádzkových cyklov a pracuje hladko aj pri veľmi nízkych teplotách. Dvojito excentrický dizajn VELFLEX umožňuje rýchly a jednoduchý servis ventilu online. Vďaka bočnému krytu je možné sedlo a kotúč skontrolovať alebo opraviť priamo bez nutnosti demontáže ovládača alebo špeciálneho náradia.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co., Ltdpodporujú vysoko pokročilé technologicky odolné ventily s pružným sedlom vrátanemotýľový ventil, Lug motýľový ventil, Dvojitá prírubová koncentrická klapková klapkaDvojitá prírubová excentrická klapková klapka,Y-filter, vyvažovací ventil,Dvojitý spätný ventil s doskouatď.
Čas uverejnenia: 11. augusta 2023
