Brintventiler til jeres H₂-applikationer

I driften af gasanlæg opstår der ofte differenstryk ved ventilen, der kan medføre, at der hersker højere tryk ved ventilens udgang end ved dens indgang. Det såkaldte returtryk (et tryk ved udgangen der er højere end ved indgangen) kan åbne ventilen mod flowretningen eller gøre lukkeforløbet uønsket langsomt. Direkte virkende eller sammenkoblede (tvangsstyrede) ventiler har en højere tilbagestrømningssikkerhed takket være den stærke returfjeder. Standarden EN 161 er et godt grundlag for emner som tilbagestrømningssikkerhed og ventilklasser.

Omgivelsestemperaturen spiller en underordnet rolle i mange anvendelser. Ved en omgivelsestemperatur på over 50 °C skal det kontrolleres, om magnetventilerne er egnede til drift ved denne temperatur på langt sigt. Spolens kobbervikling reagerer med "øget" modstand ved stigende temperatur. Det medfører et fald i effekt og performance. På steder med begrænset plads, lydisolering og funktionel beskyttelse af brintanlæggene kan varmeopbygning føre til reduceret performance og dermed til funktionsbegrænsninger.  

Stationære brændselscellers kompakte konstruktion og nærheden til stakken kan medføre to problemer på samme tid. For det første omgivelsestemperaturen, der er højere end normalt, og for det andet det store antal procesgrænseflader. Hver grænseflade medfører en lille lækage af brint, der kan medføre brintberigelse af atmosfæren. Som følge af diffusion og temperatur definerer kunder og/eller prøvningslaboratorier ofte cellestakken som ATEX-zone 1 eller kategori 2.

Joule-Thomson-effekten er et fysisk fænomen, der opstår, når en gasart bliver ekspanderet gennem en drosselspole uden at udveksle varme med omgivelserne. Det medfører en ændring af gastemperaturen. Som følge af Joule-Thomson-effekten kan en gasart enten blive opvarmet eller afkølet ved ekspansion afhængigt af gasartens Joule-Thomson-koefficient. Udgangspunktet er gassens inversionstemperatur. Brint har en inversionstemperatur på > -80 °C. Brint opvarmes altså ved ekspansion.

Partikler i anlægget kan medføre uønskede lækager. Selv med ren brint er det vigtigt, at anlægget bliver rengjort og blæst igennem før ibrugtagning. Selv de mindste partikler kan ikke kun beskadige stakken, de medfører også, at de hårde, men følsomme tætningsflader i ventilsæderne bliver beskadiget. Installer derfor filtre i anlæggene for at undgå at føre urenheder opstrøms ved tankning eller service.

I brintapplikationer stilles der ekstra høje krav til reguleringsventilerne. De skal kunne modstå både tryk op til 40 bar, men de skal også kunne fungere sikkert ved høje temperaturer. Her spiller forholdet mellem tryk og temperatur en helt særlig rolle, ikke mindst inden for regulering af gas. For eksempelvis at holde ilt i gasformig tilstand skal temperaturen sænkes, når trykket øges. Den ideelle gaslov beskriver denne sammenhæng mellem tryk og temperatur af gas. Når trykket øges med en konstant gasmængde og konstant volumen, stiger temperaturen, og omvendt.  

Til forskel fra andre anvendelser stilles der ved fremstilling eller brug af brint krav til ekstra høj tæthed af ventilerne. Skulle der opstå lækager, vil det udgøre en væsentlig farekilde eller reducere anlæggets effektivitet. Derfor bør reguleringsventilerne have en tæthed på 10^-4 mbar∙l/s.

• ISO 15848 – definerer testforløb og lækageklasser for industrielle ventiler
• Tekniske retningslinjer (TR) – Luft – regulerer emissioner fra industrielle anlæg
• ATEX – certificering til komponenter, der anvendes i eksplosionsfarlige områder
• ASME B16.34 – fastlægger krav til ventiler i trykanvendelser
• PED – regulerer konstruktion og anvendelse af trykudstyr, og dermed også ventiler
• Producenterklæring – certificeringer af ventilproducenter vedrørende effekt, kvalitet og driftssikkerhed

Elastomerer er permeable for atomar og molekylær brint. Brint trænger ind i det elastomere tætningsmateriale allerede ved et lavt gastryk. Ved kraftigt trykfald kan indlejret brint ikke komme ud hurtigt nok. Ved denne proces bliver pakningen så stærkt beskadiget, at den mister sin tætningseffekt. Dannelse af bobler i tætningsmaterialet er kendetegnende for eksplosiv dekompression. Beskadigelsen sker altså som følge af et højt differenstryk i koblingsprocessen. Derfor er det vigtigt at vælge det rette materiale til ventiler. Peek er førstevalget til meget højt tryk.

Brintskørhed er forandringen af rustfrit ståls mekaniske egenskaber som følge af, at brintatomer trænger ind i metallets gitterstruktur. Et driftsbetinget højt H₂-anlægstryk fremmer denne proces. På grund af såkaldt brintinduceret spændingsrevnekorrosion kan der opstå mikrorevner i metallet, som forringer metallets mekaniske egenskaber. Det rustfrie ståls flydespænding reduceres, og materialet bliver skørt.  Kernestyrerøret med prop er et eksempel på en kraftigt belastet komponent i en magnetventil. Den udsættes ikke kun for belastningsændringer, men består også af både magnetisk og ikke-magnetisk stål. For at undgå svage punkter, som dem der fx opstår ved svejsning, er komponenterne i brinthøjtryksventiler skruet sammen og udstyret med pakninger. 

I den forbindelse er spørgsmålet om trykområde og maksimalt forventelig lækage væsentligt. Tæthed udadtil kan normalt sikres inden for området 1x 10^-5 mbar l/s uden at slække på kravene til levetid. Det er mere kompliceret ved de dynamiske tætningspunkter på ventilsædet. Et tryk op til 1.000 bar eller en medietemperatur på -40 °C kræver hårde pakninger og præcis mekanik, for at der kan sikres en sædelækage på 10^-4 ml/s. De høje lukkekræfter stiller ekstremt store krav til både metal- og kunststofpakninger. Det medfører, at ventiler inden for brintområdet med et tiltagende antal koblingscyklusser har faste serviceintervaller, da begrænset lækage fra ventilsædet ellers ikke kan garanteres. Vi anbefaler kontrol efter ca. 80.000-100.000 koblingscyklusser.

Den brint, der genereres ved elektrolyse, har et tryk på 30-40 bar. Brinten skal kunne opbevares og transporteres, for at man kan udnytte den økonomisk. Derfor bliver brinten komprimeret til 160 eller 350 bar i gaskompressorer i 2-3 trin, så den kan transporteres på gasflaskepaller eller opbevares i højdebeholdere. Til brug på tankstationer øges opbevaringstrykket i mellem- og buffertanken (indhold 0,4-1,2 t) til 500 eller 1.034 bar (15.000 psi). På den måde kan der ske passiv optankning (uden kompressor) ved hjælp af overløbsteknikken. Der kan genereres ca. 30 tankfyldninger med bufferlagerets indhold. Køretøjets maks. tilladte tanktemperatur er 85 °C. Brinten nedkøles derfor efter komprimeringen til -10 til -40 °C, da den ekspanderer i tanken, og temperaturen derfor stiger ved påfyldningsstudsen. Det får højtryksventilerne til at ise til udefra, da fugt fra omgivelserne kondenserer på det kolde ventilhus. Kunststofmanchetter beskytter ventilen mod tilisning og sikrer på den måde en længere levetid.