Flüssiger Wasserstoff hat gewisse Vorteile bei der Lagerung und dem Transport. Im Vergleich zu Wasserstoff hat flüssiger Wasserstoff (LH2) eine höhere Dichte und benötigt zur Speicherung einen geringeren Druck. Allerdings muss Wasserstoff eine Temperatur von -253 °C haben, um flüssig zu werden, was bedeutet, dass es ziemlich schwierig ist. 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 Auslegung von Ventilen für die jeweiligen Anwendungen.
Von Fadila Khelfaoui, Frédéric Blanquet
Velan-Ventil (Velan)
Anwendungen von flüssigem Wasserstoff (LH2).
Derzeit wird flüssiger Wasserstoff zu verschiedenen besonderen Anlässen verwendet und versucht, ihn einzusetzen. In der Luft- und Raumfahrt kann es als Treibstoff für Raketenstarts verwendet werden und auch in transsonischen Windkanälen Stoßwellen erzeugen. Unterstützt durch die „große Wissenschaft“ ist flüssiger Wasserstoff zu einem Schlüsselmaterial in supraleitenden Systemen, Teilchenbeschleunigern und Kernfusionsgeräten geworden. Da der Wunsch der Menschen nach nachhaltiger Entwicklung wächst, wird flüssiger Wasserstoff in den letzten Jahren von immer mehr Lastkraftwagen und Schiffen als Kraftstoff verwendet. In den oben genannten Anwendungsszenarien ist die Bedeutung von Ventilen sehr offensichtlich. Der sichere und zuverlässige Betrieb von Ventilen ist ein integraler Bestandteil des Ökosystems der Flüssigwasserstoff-Lieferkette (Produktion, Transport, Lagerung und Verteilung). Betriebe im Zusammenhang mit flüssigem Wasserstoff sind eine Herausforderung. Mit mehr als 30 Jahren praktischer Erfahrung und Fachwissen im Bereich Hochleistungsventile bis -272 °C ist Velan seit langem an verschiedenen innovativen Projekten beteiligt und es ist klar, dass es die technischen Herausforderungen gemeistert hat Flüssigwasserstoff-Service mit seiner Stärke.
Herausforderungen in der Designphase
Druck, Temperatur und Wasserstoffkonzentration sind wichtige Faktoren, die bei einer Risikobewertung der Ventilkonstruktion untersucht werden. Um die Ventilleistung zu optimieren, spielen Design und Materialauswahl eine entscheidende Rolle. Ventile, die in Flüssigwasserstoffanwendungen eingesetzt werden, stehen vor zusätzlichen Herausforderungen, einschließlich der nachteiligen Auswirkungen von Wasserstoff auf Metalle. Bei sehr niedrigen Temperaturen müssen Ventilmaterialien nicht nur dem Angriff von Wasserstoffmolekülen standhalten (einige der damit verbundenen Schädigungsmechanismen werden in der Wissenschaft immer noch diskutiert), sondern auch über einen langen Zeitraum ihres Lebenszyklus den normalen Betrieb aufrechterhalten. Angesichts des aktuellen Stands der technologischen Entwicklung verfügt die Branche nur über begrenzte Kenntnisse über die Anwendbarkeit nichtmetallischer Materialien in Wasserstoffanwendungen. Bei der Auswahl eines Dichtungsmaterials muss dieser Faktor berücksichtigt werden. Eine wirksame Abdichtung ist ebenfalls ein wichtiges Leistungskriterium für die Konstruktion. Zwischen flüssigem Wasserstoff und der Umgebungstemperatur (Raumtemperatur) besteht ein Temperaturunterschied von fast 300°C, wodurch ein Temperaturgradient entsteht. Jede Komponente des Ventils unterliegt einem unterschiedlichen Ausmaß an thermischer Ausdehnung und Kontraktion. Diese Diskrepanz kann zu gefährlichen Leckagen an kritischen Dichtflächen führen. Auch die Dichtheit des Ventilschafts steht im Fokus der Konstruktion. Der Übergang von kalt zu heiß erzeugt einen Wärmefluss. Heiße Teile im Bereich des Motorhaubenhohlraums können einfrieren, was die Dichtwirkung des Schafts beeinträchtigen und die Funktionsfähigkeit des Ventils beeinträchtigen kann. Darüber hinaus erfordert die extrem niedrige Temperatur von -253 °C die beste Isolationstechnologie, um sicherzustellen, dass das Ventil flüssigen Wasserstoff auf dieser Temperatur halten und gleichzeitig Verluste durch Sieden minimieren kann. Solange dem flüssigen Wasserstoff Wärme übertragen wird, verdampft dieser und tritt aus. Darüber hinaus kommt es an der Bruchstelle der Isolierung zur Sauerstoffkondensation. Sobald Sauerstoff mit Wasserstoff oder anderen brennbaren Stoffen in Kontakt kommt, steigt die Brandgefahr. Angesichts des Brandrisikos, dem Ventile ausgesetzt sein können, müssen Ventile daher unter Berücksichtigung explosionssicherer Materialien sowie feuerbeständiger Antriebe, Instrumente und Kabel konstruiert werden, die alle über die strengsten Zertifizierungen verfügen. Dadurch wird sichergestellt, dass das Ventil im Brandfall ordnungsgemäß funktioniert. Auch ein erhöhter Druck stellt ein potenzielles Risiko dar, das dazu führen kann, dass Ventile nicht mehr funktionieren. Wenn flüssiger Wasserstoff im Hohlraum des Ventilkörpers eingeschlossen ist und gleichzeitig Wärmeübertragung und Verdampfung von flüssigem Wasserstoff stattfinden, führt dies zu einem Druckanstieg. Bei einem großen Druckunterschied kommt es zur Kavitation (Kavitation)/Geräusch. Diese Phänomene können zu einem vorzeitigen Ende der Lebensdauer des Ventils und sogar zu enormen Verlusten aufgrund von Prozessfehlern führen. Unabhängig von den spezifischen Betriebsbedingungen kann der sichere und zuverlässige Betrieb des Ventils gewährleistet werden, wenn die oben genannten Faktoren vollständig berücksichtigt und entsprechende Gegenmaßnahmen im Konstruktionsprozess ergriffen werden können. Darüber hinaus gibt es Designherausforderungen im Zusammenhang mit Umweltproblemen, wie z. B. flüchtige Leckagen. Wasserstoff ist einzigartig: kleine Moleküle, farblos, geruchlos und explosiv. Diese Eigenschaften bestimmen die absolute Notwendigkeit einer Leckagefreiheit.
An der Wasserstoffverflüssigungsstation an der Westküste von North Las Vegas
Die Ingenieure von Wieland Valve erbringen technische Dienstleistungen
Ventillösungen
Unabhängig von der spezifischen Funktion und Art müssen Ventile für alle Flüssigwasserstoffanwendungen einige allgemeine Anforderungen erfüllen. Zu diesen Anforderungen gehören: Das Material des Strukturteils muss sicherstellen, dass die strukturelle Integrität auch bei extrem niedrigen Temperaturen erhalten bleibt. Alle Materialien müssen über natürliche Brandschutzeigenschaften verfügen. Aus dem gleichen Grund müssen auch die Dichtelemente und Packungen von Flüssigwasserstoffventilen die oben genannten Grundanforderungen erfüllen. Austenitischer Edelstahl ist ein ideales Material für Flüssigwasserstoffventile. Es verfügt über eine hervorragende Schlagzähigkeit, einen minimalen Wärmeverlust und kann großen Temperaturgradienten standhalten. Es gibt andere Materialien, die ebenfalls für Flüssigwasserstoffbedingungen geeignet sind, jedoch auf bestimmte Prozessbedingungen beschränkt sind. Neben der Wahl der Materialien sollten einige konstruktive Details nicht außer Acht gelassen werden, wie zum Beispiel die Verlängerung des Ventilschafts und der Einsatz einer Luftsäule, um die Dichtungspackung vor extrem niedrigen Temperaturen zu schützen. Zusätzlich kann die Verlängerung des Ventilschafts mit einem Isolierring zur Vermeidung von Kondenswasserbildung ausgestattet werden. Die Konstruktion von Ventilen entsprechend spezifischer Anwendungsbedingungen trägt dazu bei, sinnvollere Lösungen für verschiedene technische Herausforderungen zu finden. Vellan bietet Absperrklappen in zwei verschiedenen Ausführungen an: doppelt exzentrische und dreifach exzentrische Metallsitz-Absperrklappen. Beide Designs verfügen über einen bidirektionalen Durchfluss. Durch die Gestaltung der Scheibenform und der Rotationsbahn kann eine dichte Abdichtung erreicht werden. Im Ventilkörper gibt es keinen Hohlraum, in dem sich kein Restmedium befindet. Bei der doppelexzentrischen Absperrklappe Velan wird das exzentrische Rotationsdesign der Scheibe in Kombination mit dem charakteristischen VELFLEX-Dichtungssystem verwendet, um eine hervorragende Ventildichtleistung zu erzielen. Dieses patentierte Design hält selbst großen Temperaturschwankungen im Ventil stand. Die TORQSEAL-Dreifach-Exzenterscheibe verfügt außerdem über eine speziell entwickelte Rotationsbahn, die dazu beiträgt, dass die Scheibendichtfläche den Sitz erst im Moment des Erreichens der geschlossenen Ventilposition berührt und nicht zerkratzt. Daher kann das Schließdrehmoment des Ventils die Scheibe antreiben, um einen nachgiebigen Sitz zu erreichen und einen ausreichenden Keileffekt in der geschlossenen Ventilstellung zu erzeugen, während die Scheibe gleichzeitig den gesamten Umfang der Sitzdichtfläche gleichmäßig berührt. Die Nachgiebigkeit des Ventilsitzes ermöglicht eine „selbstjustierende“ Funktion des Ventilkörpers und der Klappe, wodurch ein Festfressen der Klappe bei Temperaturschwankungen vermieden wird. Der verstärkte Ventilschaft aus Edelstahl ist für hohe Betriebszyklen geeignet und arbeitet reibungslos bei sehr niedrigen Temperaturen. Das doppelexzentrische VELFLEX-Design ermöglicht eine schnelle und einfache Online-Wartung des Ventils. Dank des seitlichen Gehäuses können Sitz und Scheibe direkt überprüft oder gewartet werden, ohne dass der Antrieb oder Spezialwerkzeuge zerlegt werden müssen.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co., Ltdunterstützen hochentwickelte Ventile mit elastischem Sitz, darunter Ventile mit elastischem SitzWafer-Absperrklappe, Lug-Absperrklappe, Konzentrische Doppelflansch-Absperrklappe, Doppelflansch-Exzenter-Absperrklappe,Y-Sieb, Ausgleichsventil,Wafer-Doppelplatten-Rückschlagventil, usw.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 11. August 2023
