Flüssiger Wasserstoff bietet gewisse Vorteile bei Lagerung und Transport. Im Vergleich zu Wasserstoff hat flüssiger Wasserstoff (LH2) eine höhere Dichte und benötigt zur Lagerung einen niedrigeren Druck. Allerdings muss Wasserstoff -253 °C erreichen, um flüssig zu werden, was die Lagerung erschwert. Extrem niedrige Temperaturen und Entflammbarkeitsrisiken machen flüssigen Wasserstoff zu einem gefährlichen Medium. Daher sind strenge Sicherheitsmaßnahmen und hohe Zuverlässigkeit bei der Entwicklung von Ventilen für die entsprechenden Anwendungen kompromisslose Anforderungen.
Von Fadila Khelfaoui, Frédéric Blanquet
Velan-Ventil (Velan)
Anwendungen von flüssigem Wasserstoff (LH2).
Flüssiger Wasserstoff wird derzeit in verschiedenen Bereichen eingesetzt und erprobt. In der Luft- und Raumfahrt dient er als Raketentreibstoff und kann in transsonischen Windkanälen Stoßwellen erzeugen. Dank der Unterstützung der Big Science hat sich flüssiger Wasserstoff zu einem Schlüsselmaterial für supraleitende Systeme, Teilchenbeschleuniger und Kernfusionsanlagen entwickelt. Da der Wunsch nach nachhaltiger Entwicklung wächst, wird flüssiger Wasserstoff in den letzten Jahren zunehmend als Treibstoff für Lkw und Schiffe genutzt. In den oben genannten Anwendungsszenarien wird die Bedeutung von Ventilen deutlich. Der sichere und zuverlässige Betrieb von Ventilen ist ein integraler Bestandteil der Lieferkette für flüssigen Wasserstoff (Produktion, Transport, Speicherung 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 die technischen Herausforderungen im Umgang mit flüssigem Wasserstoff mit seiner Stärke gemeistert.
Herausforderungen in der Designphase
Druck, Temperatur und Wasserstoffkonzentration sind wichtige Faktoren bei der Risikobewertung von Ventilkonstruktionen. Für eine optimale Ventilleistung spielen Design und Materialauswahl eine entscheidende Rolle. Ventile für Flüssigwasserstoffanwendungen stehen vor zusätzlichen Herausforderungen, darunter die negativen Auswirkungen von Wasserstoff auf Metalle. Bei sehr niedrigen Temperaturen müssen Ventilwerkstoffe nicht nur dem Angriff von Wasserstoffmolekülen standhalten (einige der damit verbundenen Zersetzungsmechanismen werden in der Wissenschaft noch diskutiert), sondern auch über ihre gesamte Lebensdauer hinweg einwandfrei funktionieren. Nach dem aktuellen Stand der Technik ist das Wissen der Industrie über die Anwendbarkeit nichtmetallischer Werkstoffe in Wasserstoffanwendungen begrenzt. Bei der Auswahl des Dichtungsmaterials muss dieser Faktor berücksichtigt werden. Eine effektive Abdichtung ist ebenfalls ein wichtiges Leistungskriterium. Zwischen Flüssigwasserstoff und Umgebungstemperatur (Raumtemperatur) besteht ein Temperaturunterschied von fast 300 °C, der zu einem Temperaturgradienten führt. Jede Ventilkomponente unterliegt unterschiedlich starker thermischer Ausdehnung und Kontraktion. Diese Diskrepanz kann zu gefährlichen Leckagen an kritischen Dichtflächen führen. Die Dichtheit des Ventilschafts steht ebenfalls im Fokus der Konstruktion. Der Übergang von kalt zu heiß erzeugt Wärmefluss. Heiße Teile im Ventilschaft können gefrieren, was die Dichtleistung der Spindel beeinträchtigen und die Ventilfunktion beeinträchtigen kann. Die extrem niedrige Temperatur von -253 °C erfordert zudem optimale Isolierungstechnologie, um sicherzustellen, dass das Ventil flüssigen Wasserstoff bei dieser Temperatur halten und gleichzeitig Siedeverluste minimieren kann. Solange Wärme auf flüssigen Wasserstoff übertragen wird, verdampft dieser und tritt aus. Darüber hinaus kondensiert Sauerstoff an der Bruchstelle der Isolierung. Sobald Sauerstoff mit Wasserstoff oder anderen brennbaren Stoffen in Kontakt kommt, steigt die Brandgefahr. Angesichts des Brandrisikos müssen Ventile daher aus explosionsgeschützten Materialien sowie feuerbeständigen Antrieben, Instrumenten und Kabeln konstruiert werden, die alle strengsten Zertifizierungen erfüllen. Dies gewährleistet die einwandfreie Funktion des Ventils im Brandfall. Erhöhter Druck stellt ebenfalls ein potenzielles Risiko dar und kann Ventile funktionsunfähig machen. Wenn flüssiger Wasserstoff im Hohlraum des Ventilkörpers eingeschlossen ist und gleichzeitig Wärmeübertragung und Verdampfung des flüssigen Wasserstoffs stattfinden, führt dies zu einem Druckanstieg. Bei großen Druckunterschieden kommt es zu Kavitation (Kavitation)/Lärm. Diese Phänomene können die Lebensdauer des Ventils vorzeitig beenden und durch Prozessfehler sogar zu erheblichen Verlusten führen. Unabhängig von den spezifischen Betriebsbedingungen kann ein sicherer und zuverlässiger Betrieb des Ventils gewährleistet werden, wenn die oben genannten Faktoren umfassend berücksichtigt und entsprechende Gegenmaßnahmen im Konstruktionsprozess getroffen werden. Darüber hinaus ergeben sich konstruktive Herausforderungen im Zusammenhang mit Umweltaspekten, wie beispielsweise flüchtigen Leckagen. Wasserstoff ist einzigartig: kleinmolekular, farblos, geruchlos und explosiv. Diese Eigenschaften machen eine absolute Leckagefreiheit erforderlich.
An der Wasserstoffverflüssigungsanlage an der Westküste von North Las Vegas
Die Ingenieure von Wieland Valve bieten technische Dienstleistungen an
Ventillösungen
Unabhängig von Funktion und Typ müssen Ventile für alle Flüssigwasserstoffanwendungen bestimmte Anforderungen erfüllen. Dazu gehören: Das Material des Bauteils muss die strukturelle Integrität auch bei extrem niedrigen Temperaturen gewährleisten; alle Materialien müssen über natürliche Brandschutzeigenschaften verfügen. Aus demselben Grund müssen auch die Dichtungselemente und Packungen von Flüssigwasserstoffventilen die oben genannten Grundanforderungen erfüllen. Austenitischer Edelstahl ist ein ideales Material für Flüssigwasserstoffventile. Er verfügt über eine ausgezeichnete Schlagzähigkeit, minimalen Wärmeverlust und hält großen Temperaturgradienten stand. Es gibt auch andere Materialien, die für Flüssigwasserstoffbedingungen geeignet sind, jedoch nur unter bestimmten Prozessbedingungen einsetzbar sind. Neben der Materialauswahl sollten auch einige Konstruktionsdetails berücksichtigt werden, wie beispielsweise die Verlängerung des Ventilschafts und die Verwendung einer Luftsäule zum Schutz der Dichtungspackung vor extrem niedrigen Temperaturen. Zusätzlich kann die Verlängerung des Ventilschafts mit einem Isolierring zur Vermeidung von Kondensation ausgestattet werden. Die Auslegung von Ventilen nach spezifischen Anwendungsbedingungen ermöglicht maßgeschneiderte Lösungen für verschiedene technische Herausforderungen. Vellan bietet Absperrklappen in zwei verschiedenen Ausführungen an: doppelt und dreifach exzentrisch mit Metallsitz. Beide Ausführungen sind bidirektional strömungsfähig. Durch die gezielte Gestaltung der Scheibenform und der Rotationsbahn wird eine dichte Abdichtung erreicht. Im Ventilkörper befinden sich keine Hohlräume, in denen sich kein Medium ansammeln könnte. Die doppelexzentrische Velan-Absperrklappe kombiniert das exzentrische Rotationsdesign der Scheibe mit dem einzigartigen VELFLEX-Dichtungssystem und erzielt so eine hervorragende Ventildichtleistung. Dieses patentierte Design hält selbst großen Temperaturschwankungen im Ventil stand. Die dreifach exzentrische TORQSEAL-Scheibe verfügt über eine speziell entwickelte Rotationsbahn, die sicherstellt, dass die Dichtfläche der Scheibe den Sitz nur beim Erreichen der geschlossenen Ventilposition berührt und nicht verkratzt. Dadurch kann das Schließdrehmoment des Ventils die Scheibe in einen nachgiebigen Sitz treiben und in der geschlossenen Ventilposition eine ausreichende Keilwirkung erzeugen, während die Scheibe gleichzeitig gleichmäßig am gesamten Umfang der Sitzdichtfläche anliegt. Die Nachgiebigkeit des Ventilsitzes ermöglicht die Selbsteinstellung von Ventilkörper und Scheibe und verhindert so ein Festfressen der Scheibe bei Temperaturschwankungen. Der verstärkte Ventilschaft aus Edelstahl ermöglicht hohe Schaltzyklen und läuft auch bei sehr niedrigen Temperaturen reibungslos. Das doppelexzentrische Design des VELFLEX Ventils ermöglicht eine schnelle und einfache Online-Wartung. Dank des seitlichen Gehäuses können Sitz und Scheibe direkt geprüft oder gewartet werden, ohne dass der Antrieb zerlegt oder Spezialwerkzeuge benötigt werden.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co., Ltdunterstützen hochentwickelte Technologie weichdichtender Ventile, einschließlich weichdichtenderWafer-Absperrklappe, Absperrklappe mit Öse, Konzentrische Absperrklappe mit Doppelflansch, Doppelflansch-Exzenter-Absperrklappe,Y-Sieb, Ausgleichsventil,Wafer-Doppelplatten-Rückschlagventil, usw.
Veröffentlichungszeit: 11. August 2023
