Жидкий водород обладает определёнными преимуществами при хранении и транспортировке. По сравнению с обычным водородом, жидкий водород (LH2) имеет более высокую плотность и требует меньшего давления для хранения. Однако для перехода в жидкое состояние водороду необходимо достичь температуры -253°C, что делает этот процесс довольно сложным. Экстремально низкие температуры и опасность возгорания делают жидкий водород опасной средой. Поэтому при проектировании клапанов для соответствующих областей применения предъявляются бескомпромиссные требования к строгим мерам безопасности и высокой надёжности.
Фадила Хелфауи, Фредерик Бланке
Клапан Велан (Velan)
Применение жидкого водорода (LH2).
В настоящее время жидкий водород используется и тестируется в различных особых случаях. В аэрокосмической отрасли он может использоваться в качестве топлива для запуска ракет, а также для генерации ударных волн в трансзвуковых аэродинамических трубах. Благодаря «большой науке», жидкий водород стал ключевым материалом в сверхпроводящих системах, ускорителях частиц и термоядерных установках. По мере роста стремления к устойчивому развитию, жидкий водород в последние годы все чаще используется в качестве топлива грузовиками и судами. В вышеуказанных сценариях применения важность клапанов очевидна. Безопасная и надежная работа клапанов является неотъемлемой частью экосистемы цепочки поставок жидкого водорода (производство, транспортировка, хранение и распределение). Эксплуатация жидкого водорода представляет собой сложную задачу. Обладая более чем 30-летним практическим опытом и экспертизой в области высокоэффективных клапанов, работающих при температурах до -272°C, компания Velan на протяжении длительного времени участвует в различных инновационных проектах и, несомненно, успешно решает технические задачи, связанные с эксплуатацией жидкого водорода.
Трудности на этапе проектирования
Давление, температура и концентрация водорода — все это основные факторы, учитываемые при оценке рисков при проектировании клапанов. Для оптимизации характеристик клапанов решающую роль играют конструкция и выбор материалов. Клапаны, используемые в системах с жидким водородом, сталкиваются с дополнительными проблемами, включая негативное воздействие водорода на металлы. При очень низких температурах материалы клапанов должны не только выдерживать воздействие молекул водорода (некоторые из связанных с этим механизмов разрушения до сих пор обсуждаются в академических кругах), но и сохранять нормальную работу в течение длительного времени на протяжении всего срока службы. С учетом текущего уровня технологического развития, промышленность имеет ограниченные знания о применимости неметаллических материалов в водородных системах. При выборе уплотнительного материала необходимо учитывать этот фактор. Эффективное уплотнение также является ключевым критерием проектирования. Разница температур между жидким водородом и температурой окружающей среды составляет почти 300 °C, что приводит к температурному градиенту. Каждый компонент клапана будет подвергаться различной степени теплового расширения и сжатия. Это несоответствие может привести к опасной утечке через критически важные уплотнительные поверхности. Герметичность штока клапана также является важным аспектом проектирования. Переход от холода к теплу создает тепловой поток. Нагретые участки полости крышки могут замерзнуть, что может нарушить герметичность штока и повлиять на работоспособность клапана. Кроме того, чрезвычайно низкая температура -253°C означает, что для обеспечения поддержания жидкого водорода при этой температуре требуется наилучшая технология изоляции, минимизирующая потери, вызванные кипением. Пока происходит передача тепла жидкому водороду, он будет испаряться и протекать. Более того, в точке разрушения изоляции происходит конденсация кислорода. Как только кислород вступает в контакт с водородом или другими горючими веществами, риск возгорания возрастает. Поэтому, учитывая риск возгорания, с которым могут столкнуться клапаны, их конструкция должна предусматривать использование взрывозащищенных материалов, а также огнестойких приводов, приборов и кабелей, имеющих самые строгие сертификаты. Это гарантирует надлежащую работу клапана в случае пожара. Повышенное давление также является потенциальным риском, который может привести к неработоспособности клапанов. Если жидкий водород задерживается в полости корпуса клапана, и одновременно происходит теплопередача и испарение жидкого водорода, это приводит к повышению давления. При большой разнице давлений возникает кавитация/шум. Эти явления могут привести к преждевременному завершению срока службы клапана и даже к огромным убыткам из-за технологических дефектов. Независимо от конкретных условий эксплуатации, если вышеуказанные факторы будут полностью учтены и будут приняты соответствующие меры в процессе проектирования, это обеспечит безопасную и надежную работу клапана. Кроме того, существуют конструктивные проблемы, связанные с экологическими аспектами, такими как утечка. Водород уникален: малые молекулы, бесцветный, без запаха и взрывоопасный. Эти характеристики определяют абсолютную необходимость нулевой утечки.
На станции сжижения водорода на западном побережье Северного Лас-Вегаса,
Инженеры компании Wieland Valve предоставляют технические услуги.
Решения для клапанов
Независимо от конкретной функции и типа, клапаны для всех применений с жидким водородом должны соответствовать ряду общих требований. Эти требования включают в себя: материал конструктивной части должен обеспечивать сохранение структурной целостности при экстремально низких температурах; все материалы должны обладать естественными огнестойкими свойствами. По той же причине уплотнительные элементы и сальниковое уплотнение клапанов для жидкого водорода также должны соответствовать вышеупомянутым основным требованиям. Аустенитная нержавеющая сталь является идеальным материалом для клапанов жидкого водорода. Она обладает превосходной ударопрочностью, минимальными теплопотерями и может выдерживать большие температурные перепады. Существуют и другие материалы, которые также подходят для условий работы с жидким водородом, но они ограничены определенными технологическими условиями. Помимо выбора материалов, не следует упускать из виду некоторые конструктивные детали, такие как удлинение штока клапана и использование воздушного столба для защиты уплотнительного уплотнения от экстремально низких температур. Кроме того, удлинение штока клапана может быть оснащено изоляционным кольцом для предотвращения конденсации. Проектирование клапанов в соответствии с конкретными условиями применения помогает найти более рациональные решения различных технических задач. Компания Vellan предлагает дисковые затворы двух различных конструкций: дисковые затворы с двойным и тройным эксцентриком и металлическим седлом. Обе конструкции обладают возможностью двунаправленного потока. Благодаря продуманной форме диска и траектории вращения достигается герметичное уплотнение. В корпусе клапана отсутствуют полости, в которых могла бы находиться остаточная среда. В случае двухэксцентрикового поворотного затвора Velan используется конструкция с эксцентриковым вращением диска в сочетании с уникальной системой уплотнения VELFLEX, что обеспечивает превосходную герметичность клапана. Эта запатентованная конструкция способна выдерживать даже значительные колебания температуры внутри клапана. Трехэксцентриковый диск TORQSEAL также имеет специально разработанную траекторию вращения, которая гарантирует, что уплотнительная поверхность диска касается седла только в момент достижения закрытого положения клапана и не царапает его. Таким образом, момент закрытия клапана обеспечивает податливое прилегание диска и создает достаточный клиновой эффект в закрытом положении клапана, обеспечивая при этом равномерный контакт диска со всей окружностью уплотнительной поверхности седла. Податливость седла клапана обеспечивает «саморегулирующуюся» функцию корпуса клапана и диска, предотвращая заклинивание диска при колебаниях температуры. Усиленный вал клапана из нержавеющей стали способен выдерживать высокие рабочие циклы и плавно работает при очень низких температурах. Конструкция VELFLEX с двойным эксцентриком позволяет быстро и легко проводить техническое обслуживание клапана в режиме реального времени. Благодаря боковому корпусу, седло и диск можно осмотреть или обслужить напрямую, без необходимости разборки привода или использования специальных инструментов.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co., Ltd.поддерживают высокотехнологичные клапаны с эластичным уплотнением, включая клапаны с эластичным уплотнением.дисковой затвор, Заслонка с выступом, Двухфланцевый концентрический поворотный затворДвухфланцевый эксцентриковый поворотный затвор.Y-образный фильтруравнительный клапанДвухпластинчатый обратный клапан, и т. д.
Дата публикации: 11 августа 2023 г.
