- ¿Qué son las válvulas criogénicas y en qué se diferencian de las válvulas estándar?
- ¿Cuáles son las principales aplicaciones de las válvulas criogénicas en entornos industriales?
- ¿Qué materiales se utilizan normalmente en la construcción de válvulas criogénicas y por qué?
- ¿Cómo se diseñan las válvulas criogénicas para soportar las temperaturas extremadamente bajas asociadas al hidrógeno criogénico?
- ¿Qué medidas de seguridad se aplican en las válvulas criogénicas para evitar fugas o fallos de funcionamiento?
- ¿Cómo gestionan las válvulas criogénicas los retos específicos del hidrógeno, como su baja densidad y su alta reactividad?
- ¿Cuáles son las principales características de rendimiento que hay que evaluar para valorar la calidad de una válvula criogénica?
- ¿En qué se diferencian el mantenimiento y la revisión de las válvulas criogénicas de los de las válvulas estándar?
- ¿Existen reglamentos o normas específicos que rijan el diseño y el uso de las válvulas criogénicas?
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¿Qué son las válvulas criogénicas y en qué se diferencian de las válvulas estándar?
Los tipos de válvulas que se utilizan en las plantas criogénicas de hidrógeno son bien conocidos de otros procesos e incluyen válvulas de globo, válvulas de bola, válvulas de compuerta, así como válvulas de seguridad y válvulas de rebose Las Válvulas criogénicas están diseñadas para poder utilizarse muy por debajo de la temperatura ambiente. En el caso del Hidrógeno, la temperatura más baja suele estar en torno a los -253°C (20K), donde se convierte en líquido. Esto es 59°C más frío incluso que el nitrógeno líquido, lo que significa que hay requisitos adicionales para el diseño de los materiales utilizados en las Válvulas. Muchas Válvulas criogénicas llegan hasta el helio líquido, a -269ºC (4K).
¿Cuáles son las aplicaciones principales de las Válvulas criogénicas en entornos industriales?
Debido a que el Hidrógeno es un gas muy ligero, es necesario aumentar su densidad para poder manipularlo. La licuefacción es una de las opciones que permiten transportar hidrógeno a grandes distancias. Las Válvulas criogénicas se utilizan en el proceso de licuefacción y en todos los pasos posteriores de la cadena de valor. Esto incluye aplicaciones como depósitos de hidrógeno líquido, remolques de transporte y barcos, terminales de exportación e importación, pero también aplicaciones más cercanas al usuario final como camiones y aviones alimentados con hidrógeno líquido.
¿Qué materiales se utilizan normalmente en la construcción de válvulas criogénicas y por qué?
Las Válvulas criogénicas suelen ser de acero austenítico de alta calidad para soportar las bajas temperaturas y aumentar la resistencia a la fragilización por hidrógeno. Sin embargo, la resistencia a la fragilización puede mejorarse aún más garantizando un alto contenido constante de níquel en los materiales utilizados para las Válvulas de hidrógeno. Además, los materiales de sellado deben seleccionarse cuidadosamente y suelen ser variaciones de PTFE, PCTFE o los mismos aceros de alta calidad. A continuación se indican los materiales más utilizados en la construcción de válvulas criogénicas.
- Acero inoxidable (por ejemplo, 316L): El acero inoxidable se utiliza ampliamente en aplicaciones criogénicas debido a sus buenas propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y capacidad para mantener la fuerza a bajas temperaturas. Puede soportar las temperaturas criogénicas del hidrógeno y ofrece una buena durabilidad.
- Inconel: Las aleaciones de Inconel son conocidas por su resistencia a altas temperaturas y a la corrosión y la oxidación. A menudo se utilizan en Válvulas criogénicas para manejar condiciones extremas y evitar la degradación de los materiales. Sin embargo, el Inconel no es muy adecuado para su uso con hidrógeno, ya que sufre fragilización por hidrógeno.
- Aluminio y aleaciones de aluminio: El aluminio y sus aleaciones son ligeros y poseen una resistencia y una resistencia a la corrosión razonables. Pueden ser adecuados para aplicaciones criogénicas específicas en las que la reducción de peso es importante.
- Latón y Bronce: Estos materiales se utilizan a menudo para componentes de válvulas que requieren una buena mecanizabilidad y resistencia a la corrosión. No sufren fragilización por Hidrógeno. Sin embargo, su uso no es común por debajo de una temperatura de nitrógeno líquido de -196°C.
- Cobre: El cobre y sus aleaciones pueden proporcionar una buena conductividad térmica y resistencia a la corrosión. Pueden utilizarse en Válvulas criogénicas específicas en las que estas propiedades sean ventajosas.
- PTFE (Politetrafluoroetileno): El PTFE y el PCTFE son opciones comunes para juntas y asientos de válvulas debido a su excelente rendimiento a bajas temperaturas y resistencia química. Mantienen un sellado fiable incluso a temperaturas criogénicas.
- Vitón y otros elastómeros: Ciertos elastómeros, como el Viton, están diseñados para conservar su flexibilidad y propiedades de sellado a bajas temperaturas. Se utilizan en juntas y sellos de válvulas para garantizar la estanqueidad.
- Aceros criogénicos: Algunos aceros especializados están diseñados específicamente para aplicaciones criogénicas. Estos aceros están formulados para mantener la ductilidad y tenacidad a temperaturas extremadamente bajas. Para estos aceros debe evaluarse la compatibilidad con el Hidrógeno.
- Aleaciones criogénicas: Se desarrollan diversas aleaciones para su uso en condiciones criogénicas, que combinan propiedades como baja expansión térmica, buena resistencia y resistencia a la corrosión. Estas aleaciones están diseñadas para mantener sus prestaciones en condiciones de frío extremo. Al igual que ocurre con los aceros criogénicos, debe evaluarse la compatibilidad con el hidrógeno.
- Titanio: El titanio y sus aleaciones ofrecen una buena relación resistencia-peso, resistencia a la corrosión y baja conductividad térmica, lo que los hace adecuados para determinados componentes de válvulas criogénicas. Mientras que el titanio puro tiene una resistencia al hidrógeno relativamente buena, la de las aleaciones de titanio puede serlo menos.
- Nilón y otros polímeros: Algunos materiales poliméricos pueden utilizarse en componentes no metálicos de válvulas, como asas o empuñaduras. Sin embargo, su uso en aplicaciones criogénicas podría estar limitado debido a su potencial fragilidad a bajas temperaturas.
¿Cómo están diseñadas las Válvulas criogénicas para soportar las temperaturas extremadamente bajas asociadas al Hidrógeno criogénico?
Además de seleccionar los materiales adecuados, el diseño debe tener en cuenta la contracción de los distintos materiales cuando la temperatura se reduce a estos valores tan bajos. Al igual que en otras Válvulas criogénicas, el volante (o actuador) está colocado sobre un vástago alargado para garantizar que los usuarios no entren en contacto con las partes extremadamente frías. Para estas temperaturas tan bajas, es importante minimizar el flujo de calor del exterior al sistema de hidrógeno. Para ello se requieren diseños especiales que reduzcan la conducción a través del metal y el aislamiento al vacío de las Válvulas y las Tuberías.
¿Qué medidas de seguridad se aplican en las válvulas criogénicas para evitar fugas o funcionamientos defectuosos?
Las medidas de seguridad aplicadas en las Válvulas criogénicas de hidrógeno para evitar fugas o fallos de funcionamiento coinciden fundamentalmente con los factores que se tienen en cuenta al seleccionar válvulas para otras sustancias. Estos factores abarcan la compatibilidad de materiales, el rango de temperatura, el límite de presión y el caudal necesario. Sin embargo, debido a los desafíos únicos que plantea el hidrógeno criogénico, se toman consideraciones de diseño especializadas y precauciones adicionales para garantizar un funcionamiento seguro.
Diseño de la Válvula y Selección de Materiales: Las Válvulas criogénicas de hidrógeno están meticulosamente diseñadas y construidas para soportar el frío extremo y las posibles tensiones térmicas. Los materiales se eligen por su capacidad para mantener la integridad estructural y las propiedades de sellado en condiciones criogénicas.
Sistemas de doble bloqueo y purga (DBB): Muchas Válvulas de hidrógeno criogénicas incorporan una configuración de doble bloqueo y purga, que mejora la seguridad al proporcionar mecanismos de cierre dobles y una válvula de purga intermedia para la liberación controlada de gas entre cierres.
Materiales de asiento y juntas: Las Válvulas están equipadas con materiales de asiento y juntas optimizados para temperaturas criogénicas, lo que garantiza un rendimiento de sellado fiable y duradero.
Aislamiento de la válvula: El aislamiento se aplica a menudo a las válvulas criogénicas para evitar la acumulación de hielo y mantener temperaturas de funcionamiento estables, minimizando el riesgo de congelación y las interrupciones operativas.
Presión nominal y diseño: Las Válvulas criogénicas de hidrógeno están diseñadas con presiones nominales específicas que indican la presión máxima que pueden soportar con seguridad. Estos valores se determinan mediante cálculos de ingeniería, pruebas y el cumplimiento de las normas del sector. Los materiales, componentes y construcción general de las Válvulas criogénicas de hidrógeno se eligen para soportar las presiones que se encuentran en las aplicaciones de hidrógeno criogénico
¿Cómo manejan las Válvulas criogénicas los retos únicos del hidrógeno, como su baja densidad y alta reactividad?
La densidad relativamente baja del hidrógeno, e incluso del hidrógeno líquido, significa que se necesitan válvulas más grandes para manejar el mismo caudal másico que otros fluidos. Podemos calcular el tamaño necesario para varias aplicaciones o se pueden utilizar varios Software de dimensionamiento como Valvio para calcular el tamaño de las Válvulas para las aplicaciones requeridas. La alta reactividad se controla seleccionando materiales adecuados para las válvulas y asegurándose de que no haya nada en las tuberías que pueda reaccionar químicamente con el hidrógeno, por ejemplo instalando válvulas antirretorno y filtros. Todo ello forma parte del diseño global del Equipamiento de proceso de Hidrógeno.
Las Válvulas criogénicas deben cumplir las normas pertinentes y seguir siendo duraderas y fiables sobre el terreno. A la hora de evaluar la calidad de una Válvula de hidrógeno criogénica, deben valorarse cuidadosamente varias características de rendimiento clave para garantizar un funcionamiento seguro y fiable en la manipulación de gas hidrógeno extremadamente frío. Estas características proporcionan información sobre la idoneidad de la válvula para la aplicación prevista y su capacidad para cumplir los requisitos operativos. Algunas de estas características importantes son el índice de fugas, la caída de presión, la capacidad de flujo, la estabilidad de temperatura, la compatibilidad de materiales, la fiabilidad, el tiempo de respuesta, el mecanismo de sellado, el mecanismo de actuación y el impacto medioambiental.
¿En qué se diferencian el mantenimiento y las revisiones de las Válvulas criogénicas de las válvulas estándar?
Es importante que no pueda entrar aire ni otros medios en los equipos de proceso de hidrógeno. Esto es aún más importante en los sistemas criogénicos de hidrógeno, donde el oxígeno y el nitrógeno se solidificarían creando condiciones inseguras. Si se abre un sistema de hidrógeno para su mantenimiento, habrá que purgarlo con nitrógeno e hidrógeno antes de que pueda volver a ponerse en marcha. En el caso de las válvulas de seguridad, esto puede evitarse utilizando una válvula de inversión, que desvía el flujo de una a otra válvula de seguridad. La primera válvula de seguridad puede entonces mantenerse o sustituirse sin detener el proceso.
Del mismo modo, las válvulas de entrada superior, como las FullX, permiten acceder al interior de la válvula sin tener que romper el vacío del aislamiento, lo que abarata enormemente el mantenimiento.
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¿Existen regulaciones o normas específicas que gobiernen el diseño y uso de válvulas criogénicas?
El diseño de las Válvulas criogénicas se rige por los mismos reglamentos y normas que otros tipos de válvulas, aunque se aplican diferentes cálculos y criterios de selección de materiales a temperaturas extremas. Hay muchas normas en diferentes etapas de Listo para aplicaciones específicas y áreas del mundo. Estas normas incluyen.
- Normas ASME (Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos)
- Normas ISO
- Normas europeas
- Estándares europeos
- Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA)
- Asociación de Gas Comprimido (CSA)
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Última actualización: 05.09.2023