Kryogenes Ventil für Wasserstoff

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Was sind Kryogenische Ventile, und wie unterscheiden sie sich von Standardventilen?

Die in kryogenen Wasserstoffanlagen verwendeten Armaturen sind aus anderen Prozessen bekannt und umfassen Durchgangsventile, Kugelhähne, Schieber sowie Sicherheits- und Überlaufventile.
Kryogenische Ventile sind so konstruiert, dass sie weit unter der Umgebungstemperatur eingesetzt werden können. Bei Wasserstoff liegt die niedrigste Temperatur normalerweise bei -253 °C (20 K), wo er flüssig wird. Dies ist sogar 59° kälter als flüssiger Stickstoff, was zusätzliche Anforderungen an die Konstruktion der in den Ventilen verwendeten Materialien stellt. Viele Kryogenventile reichen bis zur Temperatur von flüssigem Helium bei -269°C (4K) hinunter.

Was sind die wichtigsten Anwendungen von Kryogenische Ventilen in der Industrie?

Da Wasserstoff ein sehr leichtes Gas ist, muss seine Dichte erhöht werden, um ihn zu handhaben. Die Verflüssigung ist eine der Optionen, die den Transport von Wasserstoff über große Entfernungen ermöglichen. Kryogenische Ventile werden im Verflüssigungsprozess und in allen nachfolgenden Schritten der Wertschöpfungskette eingesetzt. Dazu gehören Anwendungen wie Flüssigwasserstofftanks, Transportanhänger und Schiffe, Export- und Importterminals, aber auch Anwendungen, die näher am Endverbraucher liegen, wie mit Flüssigwasserstoff betriebene Lastwagen und Flugzeuge.

Welche Materialien werden in der Regel für die Konstruktion von Kryogenische Ventile verwendet und warum?

Kryogenische Ventile werden in der Regel aus hochwertigem austenitischem Stahl hergestellt, um kalten Temperaturen standzuhalten und die Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung zu erhöhen. Die Versprödungsbeständigkeit kann jedoch durch einen gleichbleibend hohen Nickelgehalt der für Wasserstoffventile verwendeten Werkstoffe weiter verbessert werden. Auch die Dichtungsmaterialien müssen sorgfältig ausgewählt werden und sind in der Regel Variationen von PTFE, PCTFE oder denselben hochwertigen Stählen. Nachfolgend sind die am häufigsten verwendeten Materialien für den Bau von Kryogenische Ventile aufgeführt.

  • Rostfreier Stahl (z. B. 316L): Rostfreier Stahl wird aufgrund seiner guten mechanischen Eigenschaften, seiner Korrosionsbeständigkeit und seiner Fähigkeit, die Festigkeit bei niedrigen Temperaturen zu erhalten, häufig für kryogene Anwendungen verwendet. Es hält den kryogenen Temperaturen des Wasserstoffs stand und bietet eine gute Haltbarkeit.
  • Inconel: Inconel-Legierungen sind bekannt für ihre Hochtemperaturfestigkeit und ihre Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit. Sie werden häufig in Tieftemperaturventilen eingesetzt, um extreme Bedingungen zu bewältigen und Materialverschlechterungen zu verhindern. Inconel ist jedoch für die Verwendung mit Wasserstoff nicht sehr geeignet, da es unter Wasserstoffversprödung leidet.
  • Aluminium und Aluminiumlegierungen: Aluminium und seine Legierungen sind leicht und verfügen über eine angemessene Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Sie können für bestimmte kryogene Anwendungen geeignet sein, bei denen eine Gewichtsreduzierung wichtig ist.
  • Messing und Bronze: Diese Werkstoffe werden häufig für Ventilkomponenten verwendet, die eine gute Bearbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit erfordern. Sie leiden nicht unter Wasserstoffversprödung. Unterhalb einer Flüssigstickstofftemperatur von -196°C ist ihre Verwendung jedoch unüblich.
  • Kupfer: Kupfer und seine Legierungen können eine gute Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit bieten. Sie können in speziellen Tieftemperaturventilen verwendet werden, wo diese Eigenschaften von Vorteil sind.
  • PTFE (Polytetrafluorethylen): PTFE und PCTFE werden aufgrund ihrer hervorragenden Tieftemperaturleistung und chemischen Beständigkeit häufig für Ventildichtungen und -sitze verwendet. Sie hält auch bei kryogenen Temperaturen zuverlässig dicht.
  • Viton und andere Elastomere: Bestimmte Elastomere, wie z. B. Viton, sind so konzipiert, dass sie ihre Flexibilität und Dichtungseigenschaften bei niedrigen Temperaturen beibehalten. Sie werden in Ventildichtungen und Dichtungen verwendet, um die Dichtheit zu gewährleisten.
  • Kryogenische Stähle: Einige Spezialstähle sind speziell für kryogene Anwendungen konzipiert. Diese Stähle sind so formuliert, dass sie auch bei extrem niedrigen Temperaturen ihre Duktilität und Zähigkeit behalten. Für diese Stähle muss die Wasserstoffverträglichkeit geprüft werden.
  • Kryogenische Legierungen: Für den Einsatz unter kryogenen Bedingungen wurden verschiedene Legierungen entwickelt, die Eigenschaften wie geringe Wärmeausdehnung, gute Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit vereinen. Diese Legierungen sind so beschaffen, dass sie auch bei extremer Kälte ihre Leistungsfähigkeit behalten. Wie bei kryogenen Stählen muss auch hier die Wasserstoffverträglichkeit geprüft werden.
  • Titan: Titan und seine Legierungen bieten ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, wodurch sie sich für bestimmte kryogene Ventilkomponenten eignen. Während Reintitan eine relativ gute Wasserstoffbeständigkeit aufweist, kann diese bei Titanlegierungen geringer sein.
  • Nylon und andere Polymere: Einige polymere Werkstoffe können in nichtmetallischen Ventilkomponenten, wie z. B. Griffe oder Griffflächen, verwendet werden. Ihre Verwendung in kryogenen Anwendungen könnte jedoch aufgrund der möglichen Sprödigkeit bei niedrigen Temperaturen eingeschränkt sein.
 
 

 

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Wie sind Kryogenische Ventile für die extrem niedrigen Temperaturen von kryogenem Wasserstoff ausgelegt?

Neben der Auswahl geeigneter Materialien muss bei der Konstruktion auch die Kontraktion der verschiedenen Materialien berücksichtigt werden, wenn die Temperatur auf diese sehr niedrigen Werte gesenkt wird. Wie bei anderen kryogenen Ventilen ist das Handrad (oder der Stellantrieb) auf einer verlängerten Spindel angebracht, um sicherzustellen, dass die Benutzer nicht mit extrem kalten Teilen in Berührung kommen. Bei diesen sehr niedrigen Temperaturen ist es wichtig, dass der Wärmefluss von außen in das Wasserstoffsystem minimiert wird. Dies erfordert spezielle Konstruktionen, um die Wärmeleitung durch das Metall und die Vakuumisolierung der Ventile und der Rohrleitungen zu verringern.

Welche Sicherheitsvorkehrungen werden bei Kryogenische Ventile getroffen, um Lecks oder Fehlfunktionen zu verhindern?

Die Sicherheitsmaßnahmen, die bei Ventilen für kryogenen Wasserstoff zur Verhinderung von Leckagen oder Fehlfunktionen getroffen werden, entsprechen im Wesentlichen den Faktoren, die auch bei der Auswahl von Ventilen für andere Stoffe berücksichtigt werden. Diese Faktoren umfassen die Materialverträglichkeit, den Temperaturbereich, die Druckgrenze und die erforderliche Durchflussmenge. Aufgrund der besonderen Herausforderungen, die kryogener Wasserstoff mit sich bringt, müssen jedoch spezielle Konstruktionsüberlegungen angestellt und zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
Ventilkonstruktion und Materialauswahl: Ventile für kryogenen Wasserstoff werden sorgfältig konstruiert und gebaut, um extremer Kälte und möglichen thermischen Belastungen standzuhalten. Die Materialien werden nach ihrer Fähigkeit ausgewählt, die strukturelle Integrität und die Dichtungseigenschaften unter kryogenen Bedingungen zu erhalten.
Systeme mit doppelter Absperrung und Entlüftung (DBB): Viele Kryogenische Ventile verfügen über eine doppelte Absperr- und Entlüftungskonfiguration, die die Sicherheit durch einen doppelten Schließmechanismus und ein dazwischenliegendes Entlüftungsventil für eine kontrollierte Gasabgabe zwischen den Schließvorgängen erhöht.
Sitz- und Dichtungswerkstoffe: Die Ventile sind mit Sitz- und Dichtungsmaterialien ausgestattet, die für kryogene Temperaturen optimiert sind und eine zuverlässige und dauerhafte Dichtungsleistung gewährleisten.
Ventil-Isolierung: Kryogenische Ventile werden häufig isoliert, um Eisbildung zu verhindern und stabile Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten, wodurch das Risiko des Einfrierens und von Betriebsstörungen minimiert wird.
Druckstufe und Konstruktion: Ventile für kryogenen Wasserstoff sind mit bestimmten Druckstufen ausgelegt, die den maximalen Druck angeben, den sie sicher bewältigen können. Diese Werte werden durch technische Berechnungen, Tests und die Einhaltung von Industrienormen ermittelt. Die Werkstoffe, Komponenten und die Gesamtkonstruktion der Ventile sind so gewählt, dass sie den in kryogenen Wasserstoffanwendungen auftretenden Drücken standhalten.

Wie gehen Kryogenventile mit den besonderen Herausforderungen von Wasserstoff um, z. B. mit seiner geringen Dichte und hohen Reaktivität?

Die relativ geringe Dichte von Wasserstoff und sogar von flüssigem Wasserstoff bedeutet, dass im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten größere Ventile benötigt werden, um den gleichen Massendurchfluss zu bewältigen. Wir können die für verschiedene Anwendungen benötigte Größe berechnen oder verschiedene Auslegungssoftware wie Valvio verwenden, um die Größe der Ventile für die erforderlichen Anwendungen zu berechnen. Die hohe Reaktivität wird durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe für die Armaturen und die Sicherstellung, dass sich in den Rohrleitungen nichts befindet, was chemisch mit Wasserstoff reagieren kann, z. B. durch den Einbau von Rückschlagventilen und Schmutzfängern, bewältigt. Dies ist Teil der Gesamtkonzeption der Wasserstoffprozessausrüstung.

Welches sind die wichtigsten Leistungsmerkmale, die bei der Beurteilung der Qualität eines Tieftemperaturventils zu bewerten sind?

Kryogenische Ventile müssen die einschlägigen Normen erfüllen und in der Praxis langlebig und zuverlässig sein. Bei der Beurteilung der Qualität eines kryogenen Wasserstoffventils sollten mehrere wichtige Leistungsmerkmale sorgfältig bewertet werden, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb beim Umgang mit extrem kaltem Wasserstoffgas zu gewährleisten. Diese Merkmale geben Aufschluss über die Eignung der Armatur für die vorgesehene Anwendung und ihre Fähigkeit, die betrieblichen Anforderungen zu erfüllen. Einige dieser wichtigen Merkmale sind Leckrate, Druckabfall, Durchflusskapazität, Temperaturstabilität, Materialverträglichkeit, Zuverlässigkeit, Ansprechzeit, Dichtungsmechanismus, Betätigungsmechanismus und Umweltauswirkungen.

Wie unterscheidet sich die Wartung und Instandhaltung von Tieftemperaturventilen von Standardventilen?

Es ist wichtig, dass keine Luft oder andere Medien in die Wasserstoffprozessausrüstung eindringen können. Dies gilt umso mehr für kryogene Wasserstoffsysteme, in denen sich Sauerstoff und Stickstoff verfestigen und unsichere Bedingungen schaffen würden. Wenn Sie ein Wasserstoffsystem zur Wartung öffnen, müssen Sie es mit Stickstoff und Wasserstoff spülen, bevor Sie es wieder in Betrieb nehmen können. Bei Sicherheitsventilen kann dies durch den Einsatz eines Umschaltventils verhindert werden, das den Durchfluss von einem auf ein anderes Sicherheitsventil umleitet. Das erste Sicherheitsventil kann dann gewartet oder ausgetauscht werden, ohne den Prozess zu unterbrechen.
Ebenso ermöglichen Top-Entry-Ventile wie FullX den Zugang zum Inneren des Ventils, ohne dass das Vakuum der Isolierung unterbrochen werden muss, was die Wartung wesentlich billiger macht.

 
 

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Gibt es spezielle Vorschriften oder Normen, die die Konstruktion und Verwendung von Tieftemperaturventilen regeln?

Für die Konstruktion von Tieftemperaturventilen gelten die gleichen Vorschriften und Normen wie für andere Ventile, wobei bei extremen Temperaturen andere Berechnungen und Materialauswahlkriterien gelten. Es gibt viele Normen, die für bestimmte Anwendungen und Regionen der Welt in unterschiedlichen Stadien der Entwicklung sind. Diese Normen umfassen.

  1. ASME-Normen (Amerikanische Gesellschaft der Maschinenbauingenieure)
  2. ISO-Normen
  3. Europäische Normen
  4. Nationale Feuerschutzvereinigung (NFPA)
  5. Verband für komprimiertes Gas (CGA)

InhaltlicheBeiträge der HEROSE GmbH

 

Letzte Aktualisierung: 05.09.2023

Sections: Wissen