Как правильные фитинги улучшают работу водородных топливных систем

Jul 07, 2023

19 января 2022 г.

Изображение: Adobe Stock

Поскольку исследования в области транспортных средств на водородных топливных элементах активизируются, крайне важно признать проблему разработки безопасных и надежных топливных элементов — проблему, которую представляет сам водород.

Будучи низкомолекулярным газом, водород может просачиваться даже через самые маленькие щели, а затем поглощаться окружающими материалами. В автомобилях с водородным двигателем для поддержания необходимой плотности энергии в ячейках требуется давление более 700 бар (рис. 1). Когда водород хранится на заправочных станциях, быстрые изменения температуры и давления могут повлиять на целостность системы, поскольку газ высвобождается и разгерметизируется. В обоих случаях утечки не допускаются.

Изображение: Swagelok

Рисунок 1.Системы подачи водородного топлива для транспортных средств хранят газ под давлением более 700 бар для достижения необходимой плотности энергии.

Вот почему фитинги, используемые в водородных системах, особенно те, которые соединяют наиболее важные части водородных топливных систем высокого давления, должны обеспечивать высокий уровень производительности и надежности. Сегодня доступны специализированные опции, способные удовлетворить повышенные требования к производительности. В этой статье мы рассмотрим, как выглядят эти новые варианты фитингов по сравнению с традиционными фитингами с конусом и резьбой, а также выделим некоторые конкретные конструктивные характеристики, которые делают новые варианты идеальными для применения в водороде.

Герметичность уплотнения

Поскольку водород может выходить через самые маленькие отверстия, герметичность уплотнения и устойчивость к утечкам являются двумя наиболее важными характеристиками при проектировании и выборе фитингов.

Традиционно трубные соединения имеют единственную линию уплотнительного контакта на узкой поверхности между трубкой и фитингом, что хорошо подходит для большинства жидкостей и некоторых газов. Однако водород имеет специфические характеристики, которые делают такие связи более хрупкими. Однолинейные уплотнения также уязвимы к вибрационным повреждениям.

Для сдерживания водорода требуются конструкции, которые включают две линии контакта на более длинных уплотнительных поверхностях — одну на трубке, а другую на фитинге, слегка наклоненных под небольшим углом, чтобы обеспечить необходимый уровень напряжения и сохранить герметичность уплотнений. Определенные типы трубных фитингов с двумя обжимными кольцами могут обеспечить такую ​​целостность уплотнения.

Сила захвата трубки

Насколько сильно фитинг захватывает трубку, является еще одним важным фактором при определении того, подходит ли фитинг для заправочных станций водорода под высоким давлением, а также способен ли он выдерживать вибрации движущихся транспортных средств.

Изображение: Swagelok

Фигура 2. Закаленная передняя втулка (темно-серая) позволяет фитингу физически врезаться в трубку. Задняя втулка (светло-серая) допускает небольшое перемещение фитинга, сохраняя при этом сцепление и усилие.

Чтобы обеспечить надлежащую прочность захвата, идеальной конструкцией водородных фитингов является цанговый механический захват с двумя обжимными кольцами (рис. 2). Если фитинг имеет закаленное переднее обжимное кольцо, он может физически зацепляться за трубку, создавая высокое номинальное давление. Затем задняя втулка обеспечивает возможность трубки слегка перемещаться в фитинге (так называемое «пружинное возвращение»), одновременно сохраняя высокий уровень сцепления и силы, воздействующей на трубку. Эта система устойчива к вибрации, что делает ее предпочтительной для использования в транспортных средствах и на заправочных станциях, где компрессоры и динамические условия могут вызвать серьезные проблемы с вибрацией.

Конструкция с двумя обжимными кольцами и возможностью пружинения также позволяет фитингам выдерживать резкие температурные изменения, которые часто приводят к увеличению или сжатию материалов. В частности, во время заправки температура газообразного водорода может находиться в диапазоне от -50°C до комнатной температуры, что может повлиять на работу обычных фитингов с конусом и резьбой.

Упрощенная установка

Хорошо спроектированные фитинги также должны быть простыми в установке, что помогает сделать монтаж и сборку более эффективными. Это имеет особое значение для производителей оригинального оборудования (OEM) автомобилей на водородных топливных элементах и ​​разработчиков водородной инфраструктуры.