Flüssiger Wasserstoff bietet Vorteile bei Lagerung und Transport. Im Vergleich zu herkömmlichem Wasserstoff besitzt flüssiger Wasserstoff (LH₂) eine höhere Dichte und benötigt für die Lagerung einen geringeren Druck. Allerdings muss herkömmlicher Wasserstoff auf -253 °C abgekühlt werden, um flüssig zu werden, was die Handhabung erschwert. Aufgrund der extrem niedrigen Temperaturen und der hohen Entflammbarkeit ist flüssiger Wasserstoff ein gefährliches Medium. Daher sind strenge Sicherheitsvorkehrungen und hohe Zuverlässigkeit bei der Konstruktion von Ventilen für entsprechende Anwendungen unerlässlich.
Von Fadila Khelfaoui, Frédéric Blanquet
Velan-Ventil (Velan)
Anwendungen von flüssigem Wasserstoff (LH2).
Flüssiger Wasserstoff wird derzeit in verschiedenen Spezialanwendungen eingesetzt und seine Anwendungsmöglichkeiten werden weiter erforscht. In der Luft- und Raumfahrt dient er als Raketentreibstoff und kann in transsonischen Windkanälen Stoßwellen erzeugen. Dank intensiver Forschung hat sich flüssiger Wasserstoff zu einem Schlüsselmaterial in supraleitenden Systemen, Teilchenbeschleunigern und Kernfusionsanlagen entwickelt. Angesichts des wachsenden Wunsches nach nachhaltiger Entwicklung wird flüssiger Wasserstoff in den letzten Jahren immer häufiger als Treibstoff für Lkw und Schiffe verwendet. In diesen Anwendungsbereichen ist die Bedeutung von Ventilen offensichtlich. Der sichere und zuverlässige Betrieb von Ventilen ist ein integraler Bestandteil der gesamten Lieferkette für flüssigen Wasserstoff (Produktion, Transport, Lagerung und Verteilung). Der Umgang mit flüssigem Wasserstoff ist anspruchsvoll. Mit über 30 Jahren praktischer Erfahrung und Expertise im Bereich Hochleistungsventile bis -272 °C ist Velan seit Langem an verschiedenen innovativen Projekten beteiligt und hat seine Kompetenz im Umgang mit flüssigem Wasserstoff unter Beweis gestellt.
Herausforderungen in der Entwurfsphase
Druck, Temperatur und Wasserstoffkonzentration sind wichtige Faktoren, die bei der Risikobewertung von Ventilen berücksichtigt werden. Für eine optimale Ventilleistung sind Konstruktion und Materialauswahl entscheidend. Ventile für Anwendungen mit flüssigem Wasserstoff stehen vor zusätzlichen Herausforderungen, darunter die schädliche Wirkung von Wasserstoff auf Metalle. Bei sehr niedrigen Temperaturen müssen Ventilwerkstoffe nicht nur dem Angriff von Wasserstoffmolekülen standhalten (einige der damit verbundenen Schädigungsmechanismen werden in der Wissenschaft noch diskutiert), sondern auch über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg einen einwandfreien Betrieb gewährleisten. Aufgrund des aktuellen Stands der Technik verfügt die Industrie nur über begrenzte Kenntnisse zur Anwendbarkeit nichtmetallischer Werkstoffe in Wasserstoffanwendungen. Bei der Wahl des Dichtungsmaterials muss dieser Faktor berücksichtigt werden. Eine effektive Abdichtung ist ebenfalls ein wichtiges Kriterium für die Konstruktionsleistung. Zwischen flüssigem Wasserstoff und Umgebungstemperatur (Raumtemperatur) besteht ein Temperaturgradient von fast 300 °C. Jede Komponente des Ventils erfährt eine unterschiedliche Wärmeausdehnung und -kontraktion. Diese Diskrepanz kann zu gefährlichen Leckagen an kritischen Dichtflächen führen. Die Dichtheit der Ventilspindel steht daher ebenfalls im Fokus der Konstruktion. Der Übergang von kalt zu heiß erzeugt einen Wärmefluss. Heiße Bereiche im Ventilkörper können gefrieren, was die Dichtwirkung der Spindel beeinträchtigen und die Funktion des Ventils gefährden kann. Die extrem niedrige Temperatur von -253 °C erfordert zudem eine optimale Isolierung, um flüssigen Wasserstoff auf dieser Temperatur zu halten und gleichzeitig Verdampfungsverluste zu minimieren. Sobald flüssiger Wasserstoff Wärme aufnimmt, verdampft er und tritt aus. Darüber hinaus kondensiert Sauerstoff an den Bruchstellen der Isolierung. Sobald Sauerstoff mit Wasserstoff oder anderen brennbaren Stoffen in Kontakt kommt, steigt die Brandgefahr. Daher müssen Ventile unter Berücksichtigung des Brandrisikos mit explosionsgeschützten Materialien sowie feuerbeständigen Stellantrieben, Instrumenten und Kabeln konstruiert werden, die alle über strengste Zertifizierungen verfügen. Dies gewährleistet die einwandfreie Funktion des Ventils im Brandfall. Auch erhöhter Druck stellt ein potenzielles Risiko dar und kann Ventile funktionsunfähig machen. Wenn flüssiger Wasserstoff im Ventilkörper eingeschlossen ist und gleichzeitig Wärmeübertragung und Verdampfung stattfinden, führt dies zu einem Druckanstieg. Bei großen Druckdifferenzen treten Kavitation und damit verbundene Geräusche auf. Diese Phänomene können die Lebensdauer des Ventils vorzeitig verkürzen und sogar zu erheblichen Prozessausfällen führen. Unabhängig von den spezifischen Betriebsbedingungen kann der sichere und zuverlässige Betrieb des Ventils gewährleistet werden, wenn die genannten Faktoren bereits im Konstruktionsprozess umfassend berücksichtigt und entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Darüber hinaus bestehen konstruktionstechnische Herausforderungen im Zusammenhang mit Umweltaspekten, wie beispielsweise der Vermeidung von Leckagen. Wasserstoff ist insofern einzigartig, als er kleine, farb- und geruchlose Moleküle bildet und explosiv ist. Diese Eigenschaften erfordern absolute Dichtheit.
An der Wasserstoffverflüssigungsanlage an der Westküste in North Las Vegas,
Die Ingenieure von Wieland Valve bieten technische Dienstleistungen an.
Ventillösungen
Unabhängig von Funktion und Typ müssen Ventile für alle Flüssigwasserstoffanwendungen bestimmte allgemeine Anforderungen erfüllen. Dazu gehört, dass das Material der Bauteile die strukturelle Integrität auch bei extrem niedrigen Temperaturen gewährleisten muss und über natürliche Brandschutzeigenschaften verfügen muss. Aus demselben Grund müssen auch die Dichtungselemente und die Packung von Flüssigwasserstoffventilen die genannten Grundanforderungen erfüllen. Austenitischer Edelstahl ist ein ideales Material für Flüssigwasserstoffventile. Er zeichnet sich durch hohe Schlagfestigkeit, minimale Wärmeverluste und Beständigkeit gegenüber großen Temperaturgradienten aus. Es gibt zwar weitere Materialien, die für Flüssigwasserstoff geeignet sind, jedoch nur unter bestimmten Prozessbedingungen. Neben der Materialwahl sollten auch Konstruktionsdetails beachtet werden, wie beispielsweise die Verlängerung der Ventilspindel und der Einsatz einer Luftsäule zum Schutz der Dichtung vor extrem niedrigen Temperaturen. Zusätzlich kann die Ventilspindelverlängerung mit einem Isolierring versehen werden, um Kondensation zu vermeiden. Die anwendungsspezifische Auslegung der Ventile trägt dazu bei, optimale Lösungen für unterschiedliche technische Herausforderungen zu finden. Vellan bietet Absperrklappen in zwei Ausführungen an: doppelt exzentrische und dreifach exzentrische Metallsitz-Absperrklappen. Beide Ausführungen sind bidirektional. Durch die gezielte Gestaltung der Scheibenform und Rotationsbahn wird eine dichte Abdichtung erreicht. Im Ventilkörper befinden sich keine Hohlräume ohne Restmedium. Die doppelt exzentrische Absperrklappe Velan nutzt die exzentrische Scheibenrotation in Kombination mit dem einzigartigen VELFLEX-Dichtungssystem, um eine hervorragende Dichtleistung zu erzielen. Diese patentierte Konstruktion widersteht selbst großen Temperaturschwankungen im Ventil. Auch die dreifach exzentrische Scheibe TORQSEAL verfügt über eine speziell entwickelte Rotationsbahn, die sicherstellt, dass die Dichtfläche der Scheibe den Ventilsitz erst beim Erreichen der geschlossenen Position berührt und nicht beschädigt wird. Dadurch wird durch das Schließmoment des Ventils ein nachgiebiger Sitz der Scheibe erreicht und in der geschlossenen Position eine ausreichende Keilwirkung erzielt, während die Scheibe gleichmäßig über den gesamten Umfang der Dichtfläche des Ventilsitzes anliegt. Die Nachgiebigkeit des Ventilsitzes ermöglicht eine Selbstjustierung von Ventilkörper und Scheibe und verhindert so ein Festfressen der Scheibe bei Temperaturschwankungen. Die verstärkte Ventilwelle aus Edelstahl ist für hohe Schaltzyklen ausgelegt und arbeitet auch bei sehr niedrigen Temperaturen reibungslos. Die VELFLEX-Doppelexzenterkonstruktion ermöglicht eine schnelle und einfache Wartung des Ventils im laufenden Betrieb. Dank des seitlichen Gehäuses können Sitz und Scheibe direkt geprüft oder gewartet werden, ohne dass der Stellantrieb demontiert oder Spezialwerkzeuge benötigt werden.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co., Ltdunterstützen hochentwickelte, elastisch dichtende Ventile, einschließlich elastisch dichtender VentileScheiben-Absperrklappe, Lug-Absperrklappe, Doppelflansch-Konzentrisches AbsperrklappenventilDoppelflansch-Exzenter-Absperrklappe,Y-Sieb, Ausgleichsventil,Wafer-Doppelplatten-Rückschlagventil, usw.
Veröffentlichungsdatum: 11. August 2023
