L'idrogeno liquido presenta alcuni vantaggi in termini di stoccaggio e trasporto. Rispetto all'idrogeno gassoso, 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 liquefarsi, il che rende il processo piuttosto complesso. 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 imprescindibili nella progettazione di valvole per le relative applicazioni.
Di Fadila Khelfaoui, Frédéric Blanquet
Valvola Velan (Velan)
Applicazioni dell'idrogeno liquido (LH2).
Attualmente, l'idrogeno liquido viene utilizzato e si sta sperimentando il suo impiego in diverse applicazioni speciali. Nel settore aerospaziale, può essere impiegato come combustibile per il lancio di razzi e può anche generare onde d'urto nelle gallerie del vento transoniche. Grazie alla "scienza avanzata", l'idrogeno liquido è diventato un materiale chiave nei sistemi superconduttori, negli acceleratori di particelle e nei dispositivi per la fusione nucleare. Con la crescente attenzione allo sviluppo sostenibile, negli ultimi anni l'idrogeno liquido è stato utilizzato come combustibile da un numero sempre maggiore di camion e navi. In questi scenari applicativi, l'importanza delle valvole è evidente. Il funzionamento sicuro e affidabile delle valvole è parte integrante dell'ecosistema della filiera 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 impegnata in diversi progetti innovativi ed è evidente che ha superato le sfide tecniche del settore dell'idrogeno liquido grazie alla sua competenza.
Sfide nella fase di progettazione
Pressione, temperatura e concentrazione di idrogeno sono tutti fattori principali esaminati nella valutazione del rischio di progettazione di una valvola. Per ottimizzare le prestazioni della valvola, la progettazione e la selezione dei materiali rivestono 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 solo devono resistere all'attacco delle molecole di idrogeno (alcuni dei meccanismi di deterioramento associati sono ancora oggetto di dibattito in ambito accademico), ma devono anche mantenere un funzionamento normale per un lungo periodo del loro ciclo di vita. Allo stato attuale dello 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. Una tenuta efficace 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, con conseguente gradiente termico. Ogni componente della valvola subirà diversi gradi di dilatazione e contrazione termica. Questa discrepanza può portare a pericolose perdite dalle superfici di tenuta critiche. Anche la tenuta dello stelo della valvola è un aspetto fondamentale della progettazione. Il passaggio dal freddo al caldo crea un flusso di calore. Le parti calde della cavità del corpo valvola possono congelare, compromettendo la tenuta dello stelo e il funzionamento della valvola stessa. 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 dovute all'ebollizione. Finché c'è scambio di calore con l'idrogeno liquido, questo evapora e fuoriesce. 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 le valvole possono essere esposte, queste devono essere progettate con materiali antideflagranti, nonché con attuatori, strumentazione e cavi ignifughi, tutti dotati delle certificazioni più rigorose. Ciò garantisce il corretto funzionamento della valvola in caso di incendio. Anche l'aumento di pressione rappresenta un potenziale rischio che può rendere le valvole inutilizzabili. Se l'idrogeno liquido rimane intrappolato nella cavità del corpo valvola e si verificano contemporaneamente scambio di calore ed evaporazione dell'idrogeno liquido, si verifica un aumento di pressione. In presenza di un'elevata differenza di pressione, si verificano fenomeni di cavitazione/rumore. Questi fenomeni possono portare alla fine prematura della vita utile della valvola e persino a ingenti perdite dovute a difetti di processo. Indipendentemente dalle specifiche condizioni operative, se i fattori sopra menzionati vengono pienamente considerati e se si adottano le opportune contromisure in fase di progettazione, si può garantire un funzionamento sicuro e affidabile della valvola. Inoltre, esistono sfide progettuali legate a problematiche ambientali, come le perdite fuggitive. L'idrogeno è un elemento particolare: molecole piccole, incolori, inodori ed esplosivi. Queste caratteristiche determinano l'assoluta necessità di perdite pari a zero.
Presso la stazione di liquefazione dell'idrogeno della costa ovest di North Las Vegas,
Gli ingegneri di Wieland Valve forniscono servizi tecnici
Soluzioni per cristalli
Indipendentemente dalla funzione e dalla tipologia specifiche, le valvole per tutte le applicazioni con 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 di resistenza al fuoco intrinseche. Per lo stesso motivo, anche gli elementi di tenuta e le guarnizioni delle valvole per idrogeno liquido devono soddisfare i requisiti di base sopra menzionati. L'acciaio inossidabile austenitico è un materiale ideale per le valvole per idrogeno liquido. Presenta un'eccellente resistenza agli urti, una minima dispersione di calore e può sopportare elevati gradienti di temperatura. Esistono altri materiali adatti alle condizioni di utilizzo con idrogeno liquido, ma limitati a specifiche condizioni di processo. Oltre alla scelta dei materiali, non bisogna trascurare alcuni dettagli di progettazione, come l'estensione dello stelo della valvola e l'utilizzo di una colonna d'aria per proteggere la guarnizione di tenuta dalle temperature estremamente basse. Inoltre, l'estensione dello stelo della valvola può essere dotata di un anello isolante per evitare la condensa. La progettazione di valvole in base alle specifiche condizioni di applicazione contribuisce a fornire soluzioni più efficaci alle diverse sfide tecniche. Vellan offre valvole a farfalla in due diverse configurazioni: valvole a farfalla con sede metallica a doppia eccentricità e a tripla eccentricità. Entrambe le configurazioni consentono il flusso bidirezionale. Grazie alla progettazione della forma del disco e della traiettoria di rotazione, è possibile ottenere una tenuta ermetica. Nel corpo valvola non si formano cavità in cui non vi sia fluido residuo. Nel caso della valvola a farfalla a doppia eccentricità Velan, il design a rotazione eccentrica del disco, combinato con l'esclusivo sistema di tenuta VELFLEX, garantisce eccellenti prestazioni di tenuta. Questo design brevettato è in grado di resistere anche a forti sbalzi di temperatura all'interno della valvola. Anche il disco a tripla eccentricità TORQSEAL presenta una traiettoria di rotazione appositamente studiata per garantire che la superficie di tenuta del disco entri in contatto con la sede solo al momento del raggiungimento della posizione di chiusura della valvola, evitando graffi. Pertanto, la coppia di chiusura della valvola spinge il disco a raggiungere una sede elastica, producendo un sufficiente effetto cuneo in posizione di chiusura e assicurando un contatto uniforme del disco con l'intera circonferenza della superficie di tenuta della sede. L'elasticità della sede della valvola consente al corpo valvola e al disco di avere una funzione di "autoregolazione", evitando così il bloccaggio del disco durante le variazioni di temperatura. L'albero della valvola rinforzato in acciaio inossidabile è in grado di sopportare un elevato numero di cicli operativi e funziona senza problemi anche a temperature molto basse. Il design a doppio eccentrico VELFLEX consente di eseguire la manutenzione della valvola in linea in modo rapido e semplice. Grazie all'alloggiamento laterale, la sede e il disco possono essere ispezionati o riparati direttamente, senza bisogno di smontare l'attuatore o di utilizzare attrezzi speciali.
Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co.,ltdstanno supportando la tecnologia altamente avanzata valvole con sede resiliente, comprese le valvole con sede resilientevalvola a farfalla wafer, Valvola a farfalla Lug, Valvola a farfalla concentrica a doppia flangiaValvola a farfalla eccentrica a doppia flangia,Filtro a Y, valvola di bilanciamento,Valvola di ritegno a doppia piastra wafer, ecc.
Data di pubblicazione: 11 agosto 2023
