Жидкий водород обладает определёнными преимуществами при хранении и транспортировке. По сравнению с водородом, жидкий водород (LH2) имеет более высокую плотность и требует более низкого давления для хранения. Однако для перехода водорода в жидкое состояние необходимо иметь температуру -253 °C, что довольно сложно. Экстремально низкие температуры и риск возгорания делают жидкий водород опасной средой. Поэтому строгие меры безопасности и высокая надёжность являются бескомпромиссными требованиями при проектировании клапанов для соответствующих применений.
Фадила Хелфауи, Фредерик Бланке
Клапан Велана (Велан)
Применение жидкого водорода (LH2).
В настоящее время жидкий водород используется и испытывается в различных специальных случаях. В аэрокосмической отрасли он может использоваться в качестве топлива для запуска ракет, а также генерировать ударные волны в трансзвуковых аэродинамических трубах. Благодаря «большой науке», жидкий водород стал ключевым материалом в сверхпроводящих системах, ускорителях частиц и термоядерных реакторах. В последние годы, по мере роста стремления людей к устойчивому развитию, жидкий водород всё чаще используется в качестве топлива для грузовиков и судов. В перечисленных выше сценариях применения важность клапанов совершенно очевидна. Безопасная и надёжная работа клапанов является неотъемлемой частью экосистемы цепочки поставок жидкого водорода (производство, транспортировка, хранение и распределение). Операции, связанные с жидким водородом, представляют собой сложную задачу. Обладая более чем 30-летним практическим опытом и знаниями в области высокопроизводительных клапанов для работы при температурах до -272 °C, компания Velan уже давно участвует в различных инновационных проектах, и очевидно, что благодаря своим преимуществам компания успешно справляется с техническими вызовами, связанными с эксплуатацией жидкого водорода.
Проблемы на этапе проектирования
Давление, температура и концентрация водорода – основные факторы, учитываемые при оценке рисков при проектировании клапана. Для оптимизации производительности клапана решающую роль играют конструкция и выбор материала. 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. Учитывая современный уровень развития технологий, в отрасли ограничены знания о применимости неметаллических материалов в системах с водородом. При выборе уплотнительного материала необходимо учитывать этот фактор. Эффективное уплотнение также является ключевым критерием эффективности конструкции. Разница температур между жидким водородом и окружающей средой (комнатной температурой) составляет почти 300 °C, что приводит к возникновению температурного градиента. Каждый компонент клапана будет подвергаться тепловому расширению и сжатию в разной степени. Это различие может привести к опасным утечкам через критически важные уплотнительные поверхности. Герметичность штока клапана также является приоритетным аспектом конструкции. Переход от холода к теплу создает тепловой поток. Горячие части полости крышки могут замерзнуть, что может нарушить эффективность уплотнения штока и повлиять на работоспособность клапана. Кроме того, экстремально низкая температура -253 °C означает, что требуется лучшая технология изоляции, чтобы гарантировать, что клапан может поддерживать жидкий водород при этой температуре, минимизируя потери, вызванные кипением. Пока есть тепло, передающееся жидкому водороду, он будет испаряться и вытекать. Более того, в точке разрыва изоляции происходит конденсация кислорода. При контакте кислорода с водородом или другими горючими веществами увеличивается риск возгорания. Поэтому, учитывая риск возгорания, с которым могут столкнуться клапаны, клапаны должны быть спроектированы с учетом 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 вывести клапаны из строя. Если жидкий водород попадает в полость корпуса клапана и одновременно происходит теплопередача и испарение жидкого водорода, это приведет к повышению давления. При большой разнице давлений возникает кавитация (кавитация)/шум. Эти явления могут привести к преждевременному окончанию срока службы клапана и даже к огромным потерям из-за технологических дефектов. Независимо от конкретных условий эксплуатации, если вышеуказанные факторы будут полностью учтены и соответствующие контрмеры будут приняты в процессе проектирования, это может обеспечить безопасную и надежную работу клапана. Кроме того, существуют проблемы проектирования, связанные с проблемами окружающей среды, такими как неконтролируемая утечка. Водород уникален: малые молекулы, бесцветный, не имеющий запаха и взрывоопасный. Эти характеристики определяют абсолютную необходимость нулевой утечки.
На станции по сжижению водорода на западном побережье Северного Лас-Вегаса,
Инженеры Wieland Valve оказывают технические услуги
Клапанные решения
Независимо от конкретной функции и типа, клапаны для всех применений с жидким водородом должны соответствовать некоторым общим требованиям. Эти требования включают: материал конструктивной части должен обеспечивать сохранение структурной целостности при экстремально низких температурах; все материалы должны обладать естественными свойствами пожарной безопасности. По этой же причине уплотнительные элементы и набивка клапанов для жидкого водорода также должны соответствовать основным требованиям, упомянутым выше. Аустенитная нержавеющая сталь является идеальным материалом для клапанов для жидкого водорода. Она обладает превосходной ударной вязкостью, минимальными теплопотерями и способна выдерживать большие перепады температур. Существуют и другие материалы, которые также подходят для условий жидкого водорода, но ограничены определенными условиями процесса. Помимо выбора материалов, следует учитывать некоторые конструктивные особенности, такие как удлинение штока клапана и использование воздушного столба для защиты уплотнительной набивки от экстремально низких температур. Кроме того, удлинение штока клапана может быть оснащено изолирующим кольцом для предотвращения конденсации. Проектирование клапанов в соответствии с конкретными условиями применения помогает найти более разумные решения для различных технических задач. Компания Vellan предлагает дисковые затворы двух различных конструкций: с двойным эксцентриком и с тройным эксцентриком с металлическим седлом. Обе конструкции обеспечивают двунаправленный поток. Благодаря особой форме диска и траектории вращения достигается герметичное уплотнение. В корпусе клапана нет полостей, где не скапливалась бы остаточная среда. В двухэксцентриковом дисковом затворе 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 в клапане. Диск TORQSEAL с тройным эксцентриком также имеет специально разработанную траекторию вращения, которая обеспечивает соприкосновение уплотнительной поверхности диска с седлом только в момент достижения закрытого положения клапана, не царапая его. Таким образом, момент закрытия клапана обеспечивает плотное прилегание диска и достаточный эффект клина в закрытом положении клапана, обеспечивая при этом равномерный контакт диска со всей окружностью уплотнительной поверхности седла. Податливость седла клапана обеспечивает саморегулировку корпуса и диска клапана, предотвращая заклинивание диска при колебаниях температуры. Армированный вал клапана из нержавеющей стали способен выдерживать высокие рабочие циклы и обеспечивает плавную работу при очень низких температурах. Конструкция с двойным эксцентриком VELFLEX позволяет быстро и легко обслуживать клапан в режиме онлайн. Благодаря боковому корпусу седло и диск можно осматривать и обслуживать напрямую, без необходимости разборки привода или использования специальных инструментов.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co., Ltd.поддерживают высокотехнологичные упругие седловые клапаны, включая упругие седловые клапанымежфланцевый дисковый затвор, Заслонка-бабочка с выступом, Двухфланцевый концентрический дисковый затвор, Двухфланцевый эксцентриковый дисковый затвор,Y-образный фильтр, балансировочный клапан,Обратный клапан с двумя пластинами, и т. д.
Время публикации: 11 августа 2023 г.
