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. Aus diesem Grund sind strenge Sicherheitsmaßnahmen und hohe Zuverlässigkeit kompromisslose Anforderungen bei der Entwicklung von Ventilen für die entsprechenden Anwendungen.
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 Treibstoff für Raketenstarts 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 der Menschen nach nachhaltiger Entwicklung wächst, wird flüssiger Wasserstoff in den letzten Jahren zunehmend als Treibstoff für Lastwagen und Schiffe verwendet. In den oben genannten Anwendungsszenarien wird die Bedeutung von Ventilen deutlich. Der sichere und zuverlässige Betrieb von Ventilen ist ein integraler Bestandteil des Ökosystems der Flüssigwasserstoff-Lieferkette (Produktion, Transport, Lagerung und Vertrieb). Der Betrieb von Flüssigwasserstoff 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 Flüssigwasserstoff mit Bravour gemeistert.
Herausforderungen in der Designphase
Druck, Temperatur und Wasserstoffkonzentration sind wichtige Faktoren, die bei der Risikobewertung eines Ventildesigns berücksichtigt werden. 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 Ventilmaterialien 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 normal funktionieren. Angesichts des aktuellen Stands der Technologieentwicklung ist das Wissen der Industrie über die Anwendbarkeit nichtmetallischer Materialien 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, was zu einem Temperaturgradienten führt. Jede Komponente des Ventils 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 Dichtwirkung 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 der Brandgefahr müssen Ventile daher aus explosionsgeschützten Materialien sowie feuerbeständigen Antrieben, Instrumenten und Kabeln konstruiert werden, die alle strengsten Zertifizierungen erfüllen. Dies gewährleistet die ordnungsgemäße 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 aufgrund von Prozessfehlern 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 vollständig berücksichtigt und entsprechende Gegenmaßnahmen im Konstruktionsprozess ergriffen werden. Darüber hinaus gibt es konstruktive Herausforderungen im Zusammenhang mit Umweltaspekten, wie z. B. flüchtigen Leckagen. Wasserstoff ist einzigartig: kleinmolekular, farblos, geruchlos und explosiv. Diese Eigenschaften machen eine absolute Leckagefreiheit unerlässlich.
An der Wasserstoffverflüssigungsstation 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 einige gemeinsame Anforderungen erfüllen. Dazu gehören: Das Material der Bauteile 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 Flüssigwasserstoff geeignet sind, jedoch auf bestimmte Prozessbedingungen beschränkt sind. Neben der Materialauswahl sollten einige Konstruktionsdetails nicht vernachlässigt werden, wie z. B. 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 ausgestattet werden, um Kondensation zu vermeiden. Die Auslegung von Ventilen nach spezifischen Anwendungsbedingungen trägt dazu bei, maßgeschneiderte Lösungen für verschiedene technische Herausforderungen zu finden. Vellan bietet Absperrklappen in zwei verschiedenen Ausführungen an: doppelt exzentrische und dreifach exzentrische Absperrklappen mit Metallsitz. Beide Ausführungen sind bidirektional durchströmbar. Durch die 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 die exzentrische Rotationskonstruktion der Scheibe mit dem einzigartigen VELFLEX-Dichtungssystem und erzielt so eine hervorragende Ventildichtleistung. Diese patentierte Konstruktion 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 eine Selbstjustierung von Ventilkörper und Scheibe, wodurch ein Festfressen der Scheibe bei Temperaturschwankungen verhindert wird. 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 Doppelflansch-Absperrklappe, Doppelflansch-Exzenter-Absperrklappe,Y-Sieb, Ausgleichsventil,Wafer-Doppelplatten-Rückschlagventil, usw.
Veröffentlichungszeit: 11. August 2023
