Válvulas para hidrogênio para suas aplicações com H₂

Durante a operação do sistema de gás, frequentemente ocorrem pressões diferenciais na válvula que resultam em uma pressão mais alta na saída da válvula do que na entrada. A chamada contrapressão (pressão na saída mais alta do que na entrada) pode abrir a válvula contra o fluxo ou retardar o processo de fechamento. As válvulas de efeito direto ou acopladas firmemente (com acoplamento forçado) oferecem maior segurança contra contrapressão graças à sua mola de fechamento forte. A norma EN 161 contém informações valiosas sobre as classes de válvulas e prevenção de contrapressão.

Em muitas aplicações, a temperatura ambiente não tem uma função muito importante. Se a temperatura ambiente exceder 50 °C, você deve verificar se as válvulas solenoides foram projetadas para funcionarem nessa temperatura por períodos prolongados. O enrolamento da bobina é feito de cobre e sua resistência "aumenta" à medida que a temperatura aumenta, ou seja, a potência e o desempenho diminuem. No caso de sistemas com hidrogênio que são instalados em espaços reduzidos, possuem isolamento acústico ou proteção funcional, o acúmulo de calor pode resultar em redução de desempenho e, consequentemente, em funcionalidade reduzida.  

O design compacto das células de combustível estacionárias e a proximidade da pilha apresentam dois desafios. O primeiro é a temperatura ambiente, que é mais alta do que a normal e o segundo é o grande número de interfaces do processo. Cada interface apresenta o risco de um pequeno vazamento, que pode resultar em enriquecimento de hidrogênio. Devido à difusão e à temperatura, os clientes e/ou centros autorizados para realizar testes geralmente atribuem ao acionamento da pilha a classificação ATEX zona 1 ou categoria 2.

O efeito Joule-Thomson é um fenômeno físico que ocorre quando um gás se expande passando por uma válvula de estrangulamento, sem trocar nenhum calor com o ambiente. Nesse caso, a temperatura do gás muda. De acordo com o efeito Joule-Thomson, um gás pode aquecer ou esfriar à medida que se expande, dependendo do seu coeficiente de Joule-Thomson. O ponto de partida para isso é a temperatura de inversão do gás. Para o hidrogênio, essa temperatura de inversão é > -80 °C, portanto, ele aquece à medida que se expande.

Partículas no sistema podem causar vazamentos acidentais. Independentemente da pureza do hidrogênio, o sistema precisa ser limpo e purgado antes de comissionamento. A presença de partículas, mesmo minúsculas, danifica a pilha e as superfícies de vedação de assentos de válvulas que são rígidos, porém sensíveis. Portanto, para evitar contaminação a montante durante o reabastecimento ou manutenção, instale filtros nos sistemas.

Em aplicações com hidrogênio, válvulas de regulação precisam atender às exigências particularmente elevadas. Elas precisam resistir a pressões de até 40 bar e devem funcionar de forma segura em temperaturas altas. A relação entre a pressão e a temperatura é muito importante, especialmente quando se trata de regulação de gases. Por exemplo, para manter o oxigênio no estado gasoso, a temperatura deve ser reduzida quando a pressão aumenta. A lei dos gases ideais descreve essa relação entre a pressão e a temperatura entre gases. Assim, mantendo a quantidade de gás e o volume constantes, o aumento da pressão aumenta a temperatura e vice-versa.  

Diferente de outras aplicações, a produção ou uso de hidrogênio exige um nível de estanqueidade de válvulas muito elevado. Qualquer caso de vazamento é extremamente perigoso e reduz a eficiência do sistema. Por esse motivo, as válvulas de regulação precisam ter a estanqueidade de 10^–4 mbar l/s.

• ISO 15848 — define os procedimentos de teste e as classes de vazamento para conexões e válvulas industriais
• Technische Anleitung (TA) -Luft — norma que regula as emissões de instalações industriais
• ATEX — certificação para componentes utilizados em atmosferas explosivas
• ASME B16.34 — especifica requisitos para válvulas em aplicações de pressão
• PED — regulamenta a construção e uso de equipamentos de pressão, incluindo válvulas
• Declaração do fabricante — certificações do fabricante de válvulas sobre seu desempenho, qualidade e confiabilidade

Os elastômeros são permeáveis ​​ao hidrogênio atômico e molecular. Mesmo com baixa pressão de gás, o hidrogênio penetra no material de vedação feito em elastômero. No caso de uma queda brusca de pressão, o hidrogênio armazenado não poderá sair com rapidez suficiente. Esse processo causa na vedação os danos tão severos, que ela perde a capacidade de vedar. A formação de bolhas no material de vedação é um sinal de descompressão explosiva. O dano ocorre devido à pressão diferencial alta durante o processo de comutação. Por esse motivo, é importante prestar atenção na hora de escolher o material certo para válvulas. O PEEK é a primeira escolha para pressões muito altas.

A fragilização decorrente de exposição a hidrogênio é a mudança nas propriedades mecânicas causada pela penetração de átomos de hidrogênio na estrutura metálica do aço inoxidável. A pressão operacional mais alta de H₂ no sistema promove esse processo. A chamada fragilização por corrosão sob tensão, induzida por hidrogênio, pode resultar em microfissuras no metal, que prejudicam as propriedades mecânicas. Os limites de escoamento do aço inoxidável diminuem e o material se torna quebradiço.  Um exemplo de componente sujeito a alta carga dinâmica em uma válvula solenoide seria o tubo de guia do núcleo com bujão. Ele suporta as mudanças de carga e é feito de aço magnético e não magnético. Para evitar pontos fracos (por exemplo, os pontos resultantes dos processos de soldagem), os componentes de válvulas de pressão alta para hidrogênio são aparafusados ​​e selados.  

Este tópico levanta a questão da faixa de pressão e do vazamento máximo esperado. A estanqueidade para o lado externo geralmente pode ser alcançada sem comprometer a vida útil, na faixa de 1x 10^-5 mbar l/s. A situação se torna mais complicada no caso dos pontos de vedação dinâmicos, no assento da válvula. Pressões de até 1.000 bar ou temperaturas de fluido de -40 °C requerem vedações rígidas e mecânica precisa para alcançar vazamento de 10^-4 ml/s no assento. As altas forças de fechamento criam extrema tensão nas vedações metálicas e plásticas. À medida que o número de ciclos de comutação aumenta, as válvulas que são usadas com hidrogênio precisam passar por manutenção em intervalos regulares, para garantir baixo vazamento no assento. Recomendamos realizar um teste após aprox. 80.000 …100.000 ciclos de comutação.

O hidrogênio produzido por meio de processo de eletrólise tem pressão de 30 … 40 bar. Para uso comercial, ele deve ser armazenado e transportado. A compressão a 160 ou 350 bar é realizada por meio de compressores de gás em 2 a 3 estágios e, durante o transporte, o gás é armazenado em conjuntos de cilindros em skids ou em reservatórios elevados. Para uso em postos de gasolina, a pressão de armazenamento para o reservatório intermediário ou reservatório tampão (conteúdo 0,4...1,2 t) é aumentada para 500 ou 1.034 bar (15.000 psi). Isso significa que o overflow pode ser usado para abastecimento passivo (sem compressor). Com o reservatório tampão, é possível encher o tanque aproximadamente 30 vezes. A temperatura máxima permitida do tanque de veículo é de 85 °C. Portanto, após a compressão, o hidrogênio é resfriado até -10…-40 °C, já que ele se expande no tanque e a temperatura no bocal de enchimento aumenta. O condensado do ambiente se acumula no corpo da válvula frio, formando uma camada de gelo no exterior das válvulas de pressão alta. Mangas plásticas protegem a válvula contra formação de gelo e prolongam sua vida útil.