Kapalný vodík má určité výhody při skladování a přepravě. Ve srovnání s vodíkem má kapalný vodík (LH2) vyšší hustotu a vyžaduje nižší tlak pro skladování. Vodík však musí mít teplotu -253 °C, aby se stal kapalinou, což znamená, že je to poměrně obtížné. Extrémně nízké teploty a riziko hořlavosti činí z kapalného vodíku nebezpečné médium. Z tohoto důvodu jsou při navrhování ventilů pro příslušné aplikace nekompromisními požadavky přísná bezpečnostní opatření a vysoká spolehlivost.
Autor: Fadila Khelfaoui, Frédéric Blanquet
Velanův ventil (Velan)
Aplikace kapalného vodíku (LH2).
V současné době se kapalný vodík používá a zkouší se jeho použití při různých zvláštních příležitostech. V leteckém průmyslu jej lze použít jako palivo pro start raket a také může generovat rázové vlny v transsonických aerodynamických tunelech. Díky „velké vědě“ se kapalný vodík stal klíčovým materiálem v supravodivých systémech, urychlovačích částic a zařízeních pro jadernou fúzi. S rostoucí touhou lidí po udržitelném rozvoji se kapalný vodík v posledních letech používá jako palivo stále více nákladních automobilů a lodí. Ve výše uvedených scénářích použití je důležitost ventilů velmi zřejmá. Bezpečný a spolehlivý provoz ventilů je nedílnou součástí ekosystému dodavatelského řetězce kapalného vodíku (výroba, přeprava, skladování a distribuce). Provoz související s kapalným vodíkem je náročný. Společnost Velan se s více než 30 lety praktických zkušeností a odborných znalostí v oblasti vysoce výkonných ventilů až do -272 °C dlouhodobě angažuje v různých inovativních projektech a je zřejmé, že díky svým silným stránkám zvítězila v technických výzvách služby kapalného vodíku.
Výzvy ve fázi návrhu
Tlak, teplota a koncentrace vodíku jsou hlavní faktory zkoumané při hodnocení rizik konstrukce ventilu. Pro optimalizaci výkonu ventilu hraje rozhodující roli konstrukce a výběr materiálu. Ventily používané v aplikacích s kapalným vodíkem čelí dalším výzvám, včetně nepříznivých účinků vodíku na kovy. Při velmi nízkých teplotách musí materiály ventilů nejen odolávat působení molekul vodíku (některé z souvisejících mechanismů zhoršování jsou v akademické sféře stále diskutovány), ale musí také udržovat normální provoz po dlouhou dobu svého životního cyklu. Vzhledem k současné úrovni technologického rozvoje má průmysl omezené znalosti o použitelnosti nekovových materiálů ve vodíkových aplikacích. Při výběru těsnicího materiálu je nutné tento faktor zohlednit. Účinné utěsnění je také klíčovým kritériem konstrukčního výkonu. Mezi kapalným vodíkem a okolní teplotou (pokojovou teplotou) je teplotní rozdíl téměř 300 °C, což má za následek teplotní gradient. Každá součást ventilu bude podléhat různým stupňům tepelné roztažnosti a smrštění. Tento rozdíl může vést k nebezpečnému úniku kritických těsnicích povrchů. Těsnost vřetene ventilu je také středem zájmu konstrukce. Přechod ze studeného do teplého stavu vytváří tepelný tok. Horké části dutiny víka mohou zamrznout, což může narušit těsnění vřetena a ovlivnit funkčnost ventilu. Extrémně nízká teplota -253 °C navíc znamená, že je zapotřebí nejlepší izolační technologie, která zajistí, že ventil dokáže udržet kapalný vodík na této teplotě a zároveň minimalizovat ztráty způsobené varem. Dokud dochází k přenosu tepla do kapalného vodíku, bude se odpařovat a unikat. Nejen to, v místě přerušení izolace dochází ke kondenzaci kyslíku. Jakmile se kyslík dostane do kontaktu s vodíkem nebo jinými hořlavinami, zvyšuje se riziko požáru. Vzhledem k riziku požáru, kterému mohou ventily čelit, musí být ventily navrženy s ohledem na materiály odolné proti výbuchu, stejně jako ohnivzdorné pohony, přístroje a kabely, vše s nejpřísnějšími certifikacemi. To zajišťuje, že ventil v případě požáru funguje správně. Zvýšený tlak je také potenciálním rizikem, které může ventily vyřadit z provozu. Pokud je kapalný vodík zachycen v dutině tělesa ventilu a dochází současně k přenosu tepla a odpařování kapalného vodíku, způsobí to zvýšení tlaku. Pokud je velký tlakový rozdíl, dochází ke kavitaci (kavitaci)/hluku. Tyto jevy mohou vést k předčasnému ukončení životnosti ventilu a dokonce k obrovským ztrátám v důsledku procesních vad. Bez ohledu na specifické provozní podmínky, pokud lze výše uvedené faktory plně zohlednit a v procesu návrhu přijmout odpovídající protiopatření, lze zajistit bezpečný a spolehlivý provoz ventilu. Kromě toho existují konstrukční problémy související s environmentálními problémy, jako jsou fugitivní úniky. Vodík je jedinečný: malé molekuly, bezbarvý, bez zápachu a výbušný. Tyto vlastnosti určují absolutní nutnost nulových úniků.
Ve stanici pro zkapalňování vodíku v severním Las Vegas na západním pobřeží,
Inženýři společnosti Wieland Valve poskytují technické služby
Řešení ventilů
Bez ohledu na specifickou funkci a typ musí ventily pro všechny aplikace s kapalným vodíkem splňovat určité společné požadavky. Mezi tyto požadavky patří: materiál konstrukční části musí zajistit zachování strukturální integrity i při extrémně nízkých teplotách; všechny materiály musí mít přirozené vlastnosti požární bezpečnosti. Ze stejného důvodu musí těsnicí prvky a ucpávky ventilů s kapalným vodíkem splňovat také výše uvedené základní požadavky. Austenitická nerezová ocel je ideálním materiálem pro ventily s kapalným vodíkem. Má vynikající rázovou houževnatost, minimální tepelné ztráty a odolává velkým teplotním gradientům. Existují i další materiály, které jsou vhodné pro podmínky s kapalným vodíkem, ale jsou omezeny na specifické procesní podmínky. Kromě výběru materiálů by se neměly přehlížet některé konstrukční detaily, jako je prodloužení dříku ventilu a použití vzduchového sloupce k ochraně těsnicího těsnění před extrémně nízkými teplotami. Prodloužení dříku ventilu může být navíc vybaveno izolačním kroužkem, aby se zabránilo kondenzaci. Navrhování ventilů podle specifických aplikačních podmínek pomáhá nalézt rozumnější řešení různých technických problémů. Vellan nabízí klapkové klapky ve dvou různých provedeních: dvojitě excentrické a trojitě excentrické klapkové klapky s kovovým sedlem. Obě provedení mají obousměrný průtok. Díky návrhu tvaru disku a trajektorie otáčení lze dosáhnout těsného utěsnění. V tělese ventilu není žádná dutina, kde by se nenacházelo žádné zbytkové médium. V případě dvojitě excentrické motýlkové klapky Velan je použita konstrukce s excentrickou rotací disku v kombinaci s charakteristickým těsnicím systémem VELFLEX pro dosažení vynikajícího těsnicího výkonu ventilu. Tato patentovaná konstrukce odolá i velkým teplotním výkyvům ve ventilu. Trojitě excentrický disk TORQSEAL má také speciálně navrženou trajektorii otáčení, která pomáhá zajistit, aby se těsnicí plocha disku dotýkala sedla pouze v okamžiku dosažení uzavřené polohy ventilu a nepoškrábala se. Uzavírací moment ventilu tak může pohánět disk k dosažení poddajného usazení a vytvořit dostatečný klínový efekt v uzavřené poloze ventilu, přičemž disk rovnoměrně dopadá na celý obvod těsnicí plochy sedla. Poddajnost sedla ventilu umožňuje tělesu ventilu a disku „samoregulační“ funkci, čímž se zabraňuje zadření disku během teplotních výkyvů. Zesílená hřídel ventilu z nerezové oceli je schopna vysokých provozních cyklů a pracuje hladce i při velmi nízkých teplotách. Dvojitě excentrická konstrukce VELFLEX umožňuje rychlý a snadný servis ventilu online. Díky bočnímu krytu lze sedlo a kotouč kontrolovat nebo servisovat přímo, bez nutnosti demontáže pohonu nebo speciálního nářadí.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co.,ltdpodporují vysoce pokročilé technologicky odolné ventily s pružným sedlem, včetněklapkový ventil, klapkový ventil Lug, Dvoupřírubový koncentrický motýlkový ventilDvojitá přírubová excentrická klapková klapka,Y-filter, vyvažovací ventil,Dvouplášťový zpětný ventilatd.
Čas zveřejnění: 11. srpna 2023
