Zawory wodorowe do zastosowań związanych z H₂

Podczas eksploatacji instalacji gazowych na zaworze często dochodzi do różnicy ciśnień, co skutkuje wyższym ciśnieniem na wylocie zaworu niż po stronie wlotowej. Tak zwane przeciwciśnienie (ciśnienie na wylocie wyższe niż na wlocie) może spowodować otwarcie zaworu pod przepływem lub w niezamierzony sposób spowolnić proces zamykania. Zawory bezpośredniego działania lub ze sterowaniem wymuszonym zapewniają większe bezpieczeństwo przeciwciśnienia dzięki mocnej sprężynie zamykającej. Norma EN 161 stanowi dobrą wykładnię w kwestii bezpieczeństwa przeciwciśnieniowego i klas zaworów.

W wielu zastosowaniach temperatura otoczenia odgrywa niewielką rolę. Jeśli temperatura otoczenia przekracza 50°C, należy sprawdzić, czy elektrozawory są przystosowane do dłuższego działania w tej temperaturze. Miedziane uzwojenie cewki elektromagnesu reaguje ze „zwiększonym” oporem wraz ze wzrostem temperatury. Powoduje to spadek mocy i wydajności. W przypadku ograniczonej przestrzeni montażowej, izolacji akustycznej i ochronie funkcjonalnej instalacji wodorowych gromadzenie się ciepła może prowadzić do zmniejszenia wydajności, a tym samym do ograniczeń w funkcjonalności.

Kompaktowa konstrukcja stacjonarnych ogniw paliwowych i bliskość stosu mogą prowadzić do dwóch wyzwań jednocześnie. Z jednej strony mamy tu wyższą niż zwykle temperaturę otoczenia, a z drugiej strony dużą liczbę przyłączy procesowych. Każde przyłącze samo w sobie to niewielki wyciek wodoru, który może następnie prowadzić do wzbogacenia w wodór. W wyniku dyfuzji i temperatury klienci i/lub centra testowe często definiują sterowanie stosu jako ATEX strefy 1 lub kategorii 2.

Efekt Joule’a-Thomsona to zjawisko fizyczne występujące, gdy gaz rozpręża się przez dławik, nie wymieniając ciepła z otoczeniem. W ten sposób dochodzi do zmiany temperatury gazu. W przypadku efektu Joule’a-Thomsona gaz może się nagrzewać lub ochładzać w miarę rozszerzania się, w zależności od współczynnika Joule’a-Thomsona. Punktem wyjścia jest tutaj temperatura inwersji gazu. W przypadku wodoru ta temperatura inwersji wynosi >-80°C. Dlatego wodór nagrzewa się w miarę rozszerzania się.

Cząsteczki w systemie mogą prowadzić do niepożądanych wycieków/nieszczelności. Niezależnie od czystego wodoru ważne jest, aby przed uruchomieniem system został oczyszczony i przedmuchany z zanieczyszczeń. Nawet najmniejsze cząsteczki nie tylko uszkadzają stos, ale także twarde, a jednocześnie wrażliwe powierzchnie uszczelniające gniazd zaworów. Dlatego należy zainstalować filtry w systemach, aby uniknąć gromadzących się nieczystości w wyniku tankowania lub serwisowania.

Zastosowania wodorowe stawiają szczególnie wysokie wymagania przed zaworami regulacyjnymi. Muszą one wytrzymywać wartości ciśnienia do 40 barów, ale także niezawodnie działać w wysokich temperaturach. Szczególną rolę odgrywa tutaj związek pomiędzy ciśnieniem i temperaturą, zwłaszcza w przypadku regulacji gazów. Na przykład, aby utrzymać tlen w stanie gazowym, przy wzroście ciśnienia konieczne jest obniżenie temperatury. Prawo gazu doskonałego opisuje tę zależność między ciśnieniem i temperaturą gazów. Dlatego wzrost ciśnienia przy stałej ilości gazu i stałej objętości prowadzi do wzrostu temperatury i odwrotnie.

Inaczej niż w przypadku innych zastosowań, produkcja lub wykorzystanie wodoru wymaga szczególnie dużej szczelności zaworów. Jeśli wystąpią wycieki/nieszczelności, stanowi to nadzwyczajne źródło zagrożenia lub zmniejsza wydajność systemu. Dlatego zawory regulacyjne powinny zapewniać szczelność 10^–4 mbar∙l/s.

• ISO15848 – definiuje procedury testowe i klasy szczelności armatury i zaworów przemysłowych
• Instrukcje techniczne (TA) – Powietrze – reguluje zasady emisji z systemów przemysłowych
• ATEX – certyfikacja dla komponentów stosowanych w obszarach zagrożonych wybuchem
• ASME B16.34 – określa wymagania dotyczące zaworów w zastosowaniach ciśnieniowych
• PED – reguluje zasady konstrukcji i użytkowania urządzeń ciśnieniowych, w tym zaworów
• Deklaracja producenta – certyfikaty producentów zaworów dotyczące wydajności, jakości i niezawodności

Elastomery są przepuszczalne dla wodoru atomowego i molekularnego. Nawet przy niskim ciśnieniu gazu wodór wnika do elastomerowego materiału uszczelniającego. Przy dużym spadku ciśnienia zmagazynowany wodór nie może się dostatecznie szybko ulotnić. Na skutek tego procesu uszczelka zostaje na tyle mocno uszkodzona, że traci swoje właściwości uszczelniające. Powstawanie pęcherzy na materiale uszczelniającym jest oznaką wybuchowej dekompresji. Uszkodzenie następuje zatem na skutek wysokiego ciśnienia różnicowego podczas procesu łączeniowego. Dlatego w przypadku zaworów należy zwrócić uwagę na właściwy wybór materiału. W przypadku bardzo wysokich wartości ciśnienia pierwszym wyborem jest Peek.

Pod pojęciem kruchości wodorowej rozumie się zmianę właściwości mechanicznych na skutek przedostania się atomów wodoru do metalowej siatki stali nierdzewnej. Procesowi temu sprzyja związane z eksploatacją wysokie ciśnienie H₂ instalacji. Skutkiem tak zwanej korozji naprężeniowej indukowanej wodorem mogą być mikropęknięcia w metalu, które negatywnie wpływają na właściwości mechaniczne. Zmniejszają się granice plastyczności stali nierdzewnej, a tworzywo staje się kruche.  Elementem w zaworze elektromagnetycznym o szczególnym obciążeniu dynamicznym jest np. rura prowadząca rdzeń z zatyczką. Jest narażona nie tylko na zmiany obciążenia, ale także składa się ze stali magnetycznej i niemagnetycznej. Aby uniknąć słabych punktów, które powstają np. podczas procesów spawania, komponenty w wodorowych zaworach wysokiego ciśnienia są ze sobą skręcone i uszczelnione.  

W tej kwestii pojawia się pytanie o zakres ciśnienia i maksymalnie spodziewany wyciek. Szczelność na zewnątrz może z reguły zostać osiągnięta bez uszczerbku dla żywotności w zakresie 1x10^-5 mbarów l/s. Bardziej skomplikowane są dynamiczne punkty uszczelnienia w gnieździe zaworu. Ciśnienie do 1000 barów lub temperatury medium -40°C wymagają twardych uszczelek i precyzyjnej mechaniki, aby osiągnąć wyciek w gnieździe na poziomie 10^-4 ml/s. Wysokie siły zamykające obciążają zarówno uszczelki metalowe, jak i te z tworzywa sztucznego. Prowadzi to do tego, że wraz ze wzrostem liczby cykli łączeniowych zawory w obszarze wodorowym podlegają serwisowaniu, ponieważ inaczej nie można zapewnić niewielkiego wycieku z gniazda. Zalecamy kontrolę po ok. 80 000 do 100 000 cykli łączeniowych.

Wodór wytworzony podczas elektrolizy ma ciśnienie 30–40 barów. Aby zapewnić ekonomiczne użytkowanie, musi być magazynowany i transportowany. W tym celu jest sprężany przez kompresory gazu w 2–3 etapach do ciśnienia 160 lub 350 barów i transportowany w wiązkach butli lub magazynowany w wysokich zbiornikach. Do obsługi stacji paliw ciśnienie przechowywania dla zbiornika pośredniego lub buforowego (pojemność 0,4–1,2 t) jest zwiększane do 500 lub 1034 barów (15 000 psi). Umożliwia to pasywne tankowanie (bez kompresora) za pomocą przelewu. Zasób zbiorników buforowych pozwala na wygenerowanie ok. 30 napełnień zbiorników. Maksymalna dopuszczalna temperatura pojazdów wynosi 85°C. Dlatego po sprężeniu wodór jest schładzany do temperatury od -10 do -40°C, ponieważ rozszerza się w zbiorniku i tym samym wzrasta temperatura na króćcu napełniającym. Zawory wysokiego ciśnienia obladzają się od zewnątrz, ponieważ kondensat otoczenia osiada na zimnej obudowie zaworu. Kołnierze z tworzywa sztucznego chronią zawór przed oblodzeniem i zapewniają jego trwałość.