L'idrogeno liquido offre alcuni vantaggi in termini di stoccaggio e trasporto. Rispetto all'idrogeno, l'idrogeno liquido (LH₂) ha una densità maggiore e richiede una pressione inferiore per lo stoccaggio. Tuttavia, l'idrogeno deve raggiungere una temperatura di -253 °C per diventare liquido, il che lo rende piuttosto difficile. Le temperature estremamente basse e i rischi di infiammabilità rendono l'idrogeno liquido un mezzo pericoloso. Per questo motivo, rigorose misure di sicurezza e un'elevata affidabilità sono requisiti inderogabili nella progettazione di valvole per le relative applicazioni.
Di Fadila Khelfaoui, Frédéric Blanquet
Valvola velana (Velan)
Applicazioni dell'idrogeno liquido (LH2).
Attualmente, l'idrogeno liquido viene utilizzato e si sta tentando di utilizzarlo in diverse occasioni speciali. Nel settore aerospaziale, può essere utilizzato come carburante per i lanci di razzi e può anche generare onde d'urto nelle gallerie del vento transoniche. Supportato dalla "grande scienza", l'idrogeno liquido è diventato un materiale chiave nei sistemi superconduttori, negli acceleratori di particelle e nei dispositivi di fusione nucleare. Con la crescente aspirazione delle persone a uno sviluppo sostenibile, negli ultimi anni l'idrogeno liquido è stato utilizzato come carburante da un numero sempre maggiore di camion e navi. Negli scenari applicativi sopra descritti, l'importanza delle valvole è evidente. Il funzionamento sicuro e affidabile delle valvole è parte integrante dell'ecosistema della catena di approvvigionamento dell'idrogeno liquido (produzione, trasporto, stoccaggio e distribuzione). Le operazioni relative all'idrogeno liquido sono complesse. Con oltre 30 anni di esperienza pratica e competenza nel campo delle valvole ad alte prestazioni fino a -272 °C, Velan è da tempo coinvolta in diversi progetti innovativi ed è evidente che ha vinto le sfide tecniche del servizio di idrogeno liquido grazie alla sua forza.
Sfide nella fase di progettazione
Pressione, temperatura e concentrazione di idrogeno sono tutti fattori importanti da considerare nella valutazione del rischio di progettazione di una valvola. Per ottimizzare le prestazioni della valvola, la progettazione e la selezione dei materiali svolgono un ruolo decisivo. Le valvole utilizzate nelle applicazioni con idrogeno liquido devono affrontare ulteriori sfide, tra cui gli effetti negativi dell'idrogeno sui metalli. A temperature molto basse, i materiali delle valvole non devono solo resistere all'attacco delle molecole di idrogeno (alcuni dei meccanismi di deterioramento associati sono ancora dibattuti in ambito accademico), ma devono anche mantenere un normale funzionamento per lungo tempo durante il loro ciclo di vita. In termini di attuale livello di sviluppo tecnologico, l'industria ha una conoscenza limitata dell'applicabilità dei materiali non metallici nelle applicazioni con idrogeno. Nella scelta di un materiale di tenuta, è necessario tenere conto di questo fattore. Un'efficace tenuta è anche un criterio chiave per le prestazioni di progettazione. Esiste una differenza di temperatura di quasi 300 °C tra l'idrogeno liquido e la temperatura ambiente (temperatura ambiente), con conseguente gradiente di temperatura. Ogni componente della valvola subirà diversi gradi di espansione e contrazione termica. Questa discrepanza può portare a pericolose perdite dalle superfici di tenuta critiche. Anche la tenuta dello stelo della valvola è al centro della progettazione. Il passaggio dal freddo al caldo crea un flusso di calore. Le parti calde della cavità del cappello potrebbero congelarsi, compromettendo le prestazioni di tenuta dello stelo e compromettendo il funzionamento della valvola. Inoltre, la temperatura estremamente bassa di -253 °C richiede la migliore tecnologia di isolamento per garantire che la valvola possa mantenere l'idrogeno liquido a questa temperatura, riducendo al minimo le perdite causate dall'ebollizione. Finché viene trasferito calore all'idrogeno liquido, questo evaporerà e perderà. Non solo, la condensazione dell'ossigeno si verifica nel punto di rottura dell'isolamento. Quando l'ossigeno entra in contatto con l'idrogeno o altri combustibili, il rischio di incendio aumenta. Pertanto, considerando il rischio di incendio a cui possono andare incontro le valvole, queste devono essere progettate con materiali antideflagranti, nonché con attuatori, strumentazione e cavi resistenti al fuoco, tutti dotati delle più rigorose certificazioni. Ciò garantisce il corretto funzionamento della valvola in caso di incendio. Anche l'aumento di pressione rappresenta un potenziale rischio che può rendere inutilizzabili le valvole. Se l'idrogeno liquido rimane intrappolato nella cavità del corpo valvola e si verificano contemporaneamente il trasferimento di calore e l'evaporazione dell'idrogeno liquido, si verificherà un aumento della pressione. In presenza di una notevole differenza di pressione, si verifica cavitazione/rumore. Questi fenomeni possono portare alla fine prematura della vita utile della valvola e persino a perdite ingenti dovute a difetti di processo. Indipendentemente dalle specifiche condizioni operative, se i fattori sopra menzionati vengono considerati attentamente e si adottano le contromisure appropriate in fase di progettazione, è possibile garantire un funzionamento sicuro e affidabile della valvola. Esistono inoltre sfide progettuali legate a problematiche ambientali, come le perdite fuggitive. L'idrogeno è un elemento unico: piccole molecole, incolore, inodore ed esplosivo. Queste caratteristiche determinano l'assoluta necessità di zero perdite.
Presso la stazione di liquefazione dell'idrogeno della costa occidentale di North Las Vegas,
Gli ingegneri di Wieland Valve forniscono servizi tecnici
Soluzioni per valvole
Indipendentemente dalla funzione e dal tipo specifici, le valvole per tutte le applicazioni a idrogeno liquido devono soddisfare alcuni requisiti comuni. Questi requisiti includono: il materiale della parte strutturale deve garantire il mantenimento dell'integrità strutturale a temperature estremamente basse; tutti i materiali devono possedere proprietà ignifughe naturali. Per lo stesso motivo, anche gli elementi di tenuta e la baderna delle valvole a idrogeno liquido devono soddisfare i requisiti di base sopra menzionati. L'acciaio inossidabile austenitico è un materiale ideale per le valvole a idrogeno liquido. Presenta un'eccellente resistenza agli urti, una minima dispersione termica e può sopportare ampi gradienti di temperatura. Esistono altri materiali adatti alle condizioni a idrogeno liquido, ma sono limitati a specifiche condizioni di processo. Oltre alla scelta dei materiali, non vanno trascurati alcuni dettagli progettuali, come l'estensione dello stelo della valvola e l'utilizzo di una colonna d'aria per proteggere la baderna di tenuta dalle temperature estremamente basse. Inoltre, l'estensione dello stelo della valvola può essere dotata di un anello isolante per evitare la condensa. Progettare le valvole in base a specifiche condizioni applicative aiuta a fornire soluzioni più ragionevoli a diverse sfide tecniche. Vellan offre valvole a farfalla in due diversi design: valvole a farfalla a sede metallica a doppio eccentrico e a triplo eccentrico. Entrambi i design consentono un flusso bidirezionale. Progettando la forma del disco e la traiettoria di rotazione, è possibile ottenere una tenuta stagna. Non vi sono cavità nel corpo valvola in cui non vi sia fluido residuo. Nel caso della valvola a farfalla a doppio eccentrico Velan, il design di rotazione eccentrica del disco, combinato con il caratteristico sistema di tenuta VELFLEX, garantisce eccellenti prestazioni di tenuta. Questo design brevettato è in grado di resistere anche a notevoli variazioni di temperatura nella valvola. Il disco a triplo eccentrico TORQSEAL presenta inoltre una traiettoria di rotazione appositamente progettata che contribuisce a garantire che la superficie di tenuta del disco tocchi la sede solo al momento del raggiungimento della posizione di chiusura della valvola, senza graffiarla. Pertanto, la coppia di chiusura della valvola può azionare il disco per ottenere una sede cedevole e produrre un effetto cuneo sufficiente nella posizione di chiusura della valvola, garantendo al contempo un contatto uniforme del disco con l'intera circonferenza della superficie di tenuta della sede. La cedevolezza della sede valvola consente al corpo valvola e al disco di avere una funzione di "auto-regolazione", evitando così il grippaggio del disco durante le variazioni di temperatura. L'albero valvola in acciaio inossidabile rinforzato è in grado di sopportare elevati cicli di funzionamento e funziona senza problemi a temperature molto basse. Il design a doppio eccentrico della valvola VELFLEX consente una manutenzione online rapida e semplice. Grazie all'alloggiamento laterale, la sede e l'otturatore possono essere ispezionati o sottoposti a manutenzione direttamente, senza la necessità di smontare l'attuatore o di utilizzare utensili speciali.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co.,ltdsupportano valvole con sede resiliente con tecnologia altamente avanzata, comprese le valvole con sede resilientevalvola a farfalla wafer, Valvola a farfalla Lug, Valvola a farfalla concentrica a doppia flangia, Valvola a farfalla eccentrica a doppia flangia,Filtro a Y, valvola di bilanciamento,Valvola di ritegno a doppia piastra wafer, ecc.
Data di pubblicazione: 11-08-2023
