Рідкий водень має певні переваги у зберіганні та транспортуванні. Порівняно з воднем, рідкий водень (LH2) має вищу щільність і вимагає нижчого тиску для зберігання. Однак, щоб водень став рідким, його температура повинна бути -253°C, що означає, що це досить складно. Надзвичайно низькі температури та ризики займання роблять рідкий водень небезпечним середовищем. З цієї причини суворі заходи безпеки та висока надійність є безкомпромісними вимогами при проектуванні клапанів для відповідних застосувань.
Фаділа Хелфауї, Фредерік Бланке
Клапан Велана (Велан)
Застосування рідкого водню (LH2).
Наразі рідкий водень використовується та намагається використовувати в різних особливих випадках. В аерокосмічній галузі його можна використовувати як паливо для запуску ракет, а також він може генерувати ударні хвилі в трансзвукових аеродинамічних трубах. Завдяки «великій науці» рідкий водень став ключовим матеріалом у надпровідних системах, прискорювачах частинок та пристроях ядерного синтезу. Зі зростанням прагнення людей до сталого розвитку, рідкий водень останніми роками використовується як паливо все більшою кількістю вантажівок та суден. У вищезазначених сценаріях застосування важливість клапанів є дуже очевидною. Безпечна та надійна експлуатація клапанів є невід'ємною частиною екосистеми ланцюга постачання рідкого водню (виробництво, транспортування, зберігання та розподіл). Операції, пов'язані з рідким воднем, є складними. Маючи понад 30 років практичного досвіду та знань у галузі високопродуктивних клапанів до -272°C, компанія Velan вже давно бере участь у різних інноваційних проектах, і очевидно, що завдяки своїй силі вона впоралася з технічними викликами, пов'язаними з обслуговуванням рідкого водню.
Проблеми на етапі проектування
Тиск, температура та концентрація водню – це основні фактори, що розглядаються в оцінці ризиків конструкції клапана. Для оптимізації роботи клапана вирішальну роль відіграють конструкція та вибір матеріалу. Клапани, що використовуються в системах з рідким воднем, стикаються з додатковими проблемами, включаючи негативний вплив водню на метали. За дуже низьких температур матеріали клапанів повинні не тільки витримувати вплив молекул водню (деякі з пов'язаних з цим механізмів руйнування досі обговорюються в академічних колах), але й підтримувати нормальну роботу протягом тривалого часу протягом свого життєвого циклу. З огляду на сучасний рівень технологічного розвитку, галузь має обмежені знання про застосовність неметалевих матеріалів у водневих системах. Вибираючи ущільнювальний матеріал, необхідно враховувати цей фактор. Ефективне ущільнення також є ключовим критерієм ефективності конструкції. Існує різниця температур майже 300°C між рідким воднем і температурою навколишнього середовища (кімнатною температурою), що призводить до градієнта температур. Кожен компонент клапана зазнає різного ступеня теплового розширення та стиснення. Ця невідповідність може призвести до небезпечного витоку критичних ущільнювальних поверхонь. Герметичність штока клапана також є основною метою конструкції. Перехід від холодного до гарячого створює тепловий потік. Гарячі частини порожнини кришки можуть замерзнути, що може порушити герметизацію штока та вплинути на працездатність клапана. Крім того, надзвичайно низька температура -253°C означає, що потрібна найкраща технологія ізоляції, щоб клапан міг підтримувати рідкий водень при цій температурі, мінімізуючи втрати, спричинені кипінням. Поки відбувається передача тепла рідкому водню, він випаровуватиметься та витікатиме. Крім того, в точці розриву ізоляції відбувається конденсація кисню. Як тільки кисень вступає в контакт з воднем або іншими горючими речовинами, ризик пожежі зростає. Тому, враховуючи ризик пожежі, з яким можуть зіткнутися клапани, клапани повинні бути розроблені з урахуванням вибухобезпечних матеріалів, а також вогнестійких приводів, контрольно-вимірювальних приладів та кабелів, які мають найсуворіші сертифікати. Це гарантує належну роботу клапана у разі пожежі. Підвищений тиск також є потенційним ризиком, який може зробити клапани непрацездатними. Якщо рідкий водень затримується в порожнині корпусу клапана і одночасно відбувається теплопередача та випаровування рідкого водню, це спричинить підвищення тиску. Якщо є велика різниця тисків, виникає кавітація (кавітація)/шум. Ці явища можуть призвести до передчасного завершення терміну служби клапана і навіть до величезних збитків через дефекти процесу. Незалежно від конкретних умов експлуатації, якщо вищезазначені фактори можна повністю врахувати та вжити відповідних контрзаходів у процесі проектування, це може забезпечити безпечну та надійну роботу клапана. Крім того, існують проблеми проектування, пов'язані з екологічними проблемами, такими як неконтрольовані витоки. Водень унікальний: малі молекули, безбарвний, без запаху та вибухонебезпечний. Ці характеристики визначають абсолютну необхідність нульових витоків.
На станції скраплення водню на західному узбережжі Північного Лас-Вегаса,
Інженери Wieland Valve надають технічні послуги
Рішення для клапанів
Незалежно від конкретної функції та типу, клапани для всіх застосувань рідкого водню повинні відповідати деяким загальним вимогам. Ці вимоги включають: матеріал конструктивної частини повинен забезпечувати збереження структурної цілісності за надзвичайно низьких температур; усі матеріали повинні мати природні властивості пожежної безпеки. З цієї ж причини ущільнювальні елементи та набивка клапанів рідкого водню також повинні відповідати основним вимогам, згаданим вище. Аустенітна нержавіюча сталь є ідеальним матеріалом для клапанів рідкого водню. Вона має чудову ударну в'язкість, мінімальні втрати тепла та може витримувати великі градієнти температур. Існують інші матеріали, які також підходять для умов рідкого водню, але обмежені певними умовами процесу. Окрім вибору матеріалів, не слід ігнорувати деякі конструктивні деталі, такі як подовження штока клапана та використання повітряного стовпа для захисту ущільнювальної набивки від екстремально низьких температур. Крім того, подовження штока клапана може бути оснащене ізоляційним кільцем, щоб уникнути конденсації. Проектування клапанів відповідно до конкретних умов застосування допомагає знайти більш розумні рішення для різних технічних проблем. Vellan пропонує дросельні клапани у двох різних конструкціях: подвійні ексцентрикові та потрійні ексцентрикові дросельні клапани з металевим сідлом. Обидві конструкції мають двонаправлену здатність до потоку. Завдяки розробці форми диска та траєкторії обертання можна досягти герметичного ущільнення. У корпусі клапана немає порожнин, де не було б залишкового середовища. У випадку з подвійним ексцентриковим дросельним клапаном Velan використовується конструкція ексцентрикового обертання диска в поєднанні з відмінною системою ущільнення VELFLEX для досягнення чудової герметичності клапана. Ця запатентована конструкція може витримувати навіть значні коливання температури в клапані. Потрійний ексцентриковий диск TORQSEAL також має спеціально розроблену траєкторію обертання, яка допомагає забезпечити, щоб ущільнювальна поверхня диска торкалася сідла лише в момент досягнення закритого положення клапана і не дряпала його. Таким чином, крутний момент закриття клапана може привести диск у рух для досягнення сумісного сідла та створити достатній клиновий ефект у закритому положенні клапана, одночасно забезпечуючи рівномірний контакт диска з усією окружністю ущільнювальної поверхні сідла. Податливість сідла клапана дозволяє корпусу клапана та диску мати функцію «саморегулювання», що запобігає заклинюванню диска під час коливань температури. Посилений вал клапана з нержавіючої сталі здатний виконувати високі робочі цикли та плавно працювати за дуже низьких температур. Подвійна ексцентрикова конструкція VELFLEX дозволяє швидко та легко обслуговувати клапан в режимі реального часу. Завдяки бічному корпусу, сідло та диск можна перевіряти або обслуговувати безпосередньо, без необхідності розбирати привід або спеціальних інструментів.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co., Ltdпідтримують високотехнологічні клапани з еластичним сідлом, включаючи клапани з еластичним сідломвафельний дросельний клапан, Клапан-метелик Lug, Двофланцевий концентричний дросельний клапан, Двофланцевий ексцентричний дросельний клапан,Y-подібний фільтр, балансувальний клапан,Зворотний клапан з подвійною пластиноютощо.
Час публікації: 11 серпня 2023 р.
