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Un condensador de superficie es un intercambiador de calor de carcasa y tubos refrigerado por agua, instalado para condensar el vapor de escape de una turbina de vapor en centrales térmicas . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Estos condensadores son intercambiadores de calor que convierten el vapor de su estado gaseoso a su estado líquido a una presión inferior a la atmosférica . Cuando el agua de refrigeración escasea, se suele utilizar un condensador refrigerado por aire. Sin embargo, un condensador refrigerado por aire es significativamente más caro y no puede alcanzar una presión (y temperatura) de escape de la turbina de vapor tan baja como un condensador de superficie refrigerado por agua.
Los condensadores de superficie también se utilizan en aplicaciones e industrias distintas a la condensación de los gases de escape de las turbinas de vapor en las centrales eléctricas.
Objetivo
En las centrales térmicas, la función de un condensador de superficie es condensar el vapor de escape de una turbina de vapor para obtener la máxima eficiencia , y también convertir el vapor de escape de la turbina en agua pura (denominada condensado de vapor) para que pueda reutilizarse en el generador de vapor o la caldera como agua de alimentación de la caldera.
La turbina de vapor es un dispositivo que convierte el calor del vapor en energía mecánica . La diferencia entre el calor del vapor por unidad de masa a la entrada de la turbina y el calor del vapor por unidad de masa a la salida de la turbina representa el calor que se convierte en energía mecánica. Por lo tanto, cuanto mayor sea la conversión de calor por libra o kilogramo de vapor en energía mecánica en la turbina, mayor será su eficiencia. Al condensar el vapor de escape de una turbina a una presión inferior a la atmosférica, aumenta la caída de presión del vapor entre la entrada y la salida de la turbina, lo que incrementa la cantidad de calor disponible para su conversión en energía mecánica. La mayor parte del calor liberado por la condensación del vapor de escape es transportado por el medio de refrigeración (agua o aire) utilizado por el condensador de superficie.
Diagrama de un condensador de superficie refrigerado por agua.
El diagrama adjunto muestra un condensador de superficie refrigerado por agua típico, como los que se utilizan en centrales eléctricas para condensar el vapor de escape de una turbina de vapor que acciona un generador eléctrico , así como en otras aplicaciones. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Existen muchas variaciones en el diseño de fabricación, dependiendo del fabricante, el tamaño de la turbina de vapor y otras condiciones específicas del lugar.
Caparazón
La carcasa es la parte más externa del condensador y contiene los tubos del intercambiador de calor. Está fabricada con placas de acero al carbono y reforzada según sea necesario para garantizar su rigidez. Cuando el diseño lo requiere, se instalan placas intermedias que actúan como deflectores, proporcionando así la trayectoria de flujo deseada para el vapor condensado. Estas placas también brindan soporte y ayudan a evitar la deformación de los tubos largos.
En la parte inferior de la carcasa, donde se acumula el condensado, se instala una salida. En algunos diseños, se incluye un depósito (conocido comúnmente como pozo de agua caliente ). El condensado se bombea desde la salida o el pozo de agua caliente para su reutilización como agua de alimentación de la caldera .
En la mayoría de los condensadores de superficie refrigerados por agua, la carcasa se encuentra bajo vacío [parcial] durante las condiciones normales de funcionamiento.
Sistema de vacío
En los condensadores de superficie refrigerados por agua, el vacío interno de la carcasa se suele generar y mantener mediante un sistema externo de eyectores de vapor . Este sistema utiliza vapor como fluido motriz para eliminar los gases no condensables que puedan estar presentes en el condensador. El efecto Venturi , un caso particular del principio de Bernoulli , se aplica al funcionamiento de los eyectores de vapor.
Las bombas de vacío mecánicas accionadas por motor , como las de anillo líquido , también son populares para este servicio.
Placas tubulares
En cada extremo de la carcasa, se dispone una lámina de espesor suficiente, generalmente de acero inoxidable , con orificios para la inserción y el enrollado de los tubos. El extremo de entrada de cada tubo también tiene forma de campana para facilitar la entrada aerodinámica del agua. Esto evita la formación de remolinos en la entrada de cada tubo que provoquen erosión y reduce la fricción del flujo. Algunos fabricantes también recomiendan el uso de insertos de plástico en la entrada de los tubos para evitar la erosión causada por los remolinos. En unidades más pequeñas, algunos fabricantes utilizan casquillos para sellar los extremos de los tubos en lugar de enrollarlos. Para compensar la expansión longitudinal de los tubos, algunos diseños incorporan una junta de expansión entre la carcasa y la placa tubular, lo que permite el movimiento longitudinal de esta última. En unidades más pequeñas, se les da cierta holgura a los tubos para compensar su expansión, con las cajas de agua de ambos extremos fijadas rígidamente a la carcasa.
Tubos
Generalmente, los tubos se fabrican de acero inoxidable , aleaciones de cobre como latón o bronce, cuproníquel o titanio, según diversos criterios de selección. El uso de aleaciones que contienen cobre, como latón o cuproníquel, es poco común en plantas nuevas debido a la preocupación ambiental que generan las aleaciones tóxicas de cobre. Asimismo, dependiendo del tratamiento del agua del ciclo de vapor de la caldera, puede ser conveniente evitar materiales de tubo que contengan cobre. Los tubos de condensador de titanio suelen ser la mejor opción técnica; sin embargo, su uso se ha reducido drásticamente debido al fuerte aumento de los costos de este material. La longitud de los tubos oscila entre 26 m (85 pies) para las centrales eléctricas modernas, según el tamaño del condensador. El tamaño elegido se basa en la facilidad de transporte desde la fábrica y la facilidad de montaje en el lugar de instalación. El diámetro exterior de los tubos del condensador suele variar entre 19 mm (3/4 de pulgada) y 32 mm (1-1/4 de pulgada), según las consideraciones de fricción del agua de refrigeración del condensador y el tamaño total del mismo.
cajas de agua
La placa tubular, con los extremos de los tubos enrollados, se cierra en cada extremo del condensador mediante una tapa fabricada a medida, conocida como caja de agua, con conexión bridada a la placa tubular o carcasa del condensador. La caja de agua suele estar provista de bocas de inspección en tapas abatibles para facilitar la limpieza.
Estas cajas de agua en el lado de entrada también tendrán conexiones bridadas para válvulas de mariposa de entrada de agua de refrigeración , un pequeño tubo de ventilación con válvula manual para purgar el aire en un nivel superior y una válvula de drenaje manual en la parte inferior para vaciar la caja de agua para mantenimiento. De manera similar, en la caja de agua de salida, la conexión de agua de refrigeración tendrá bridas grandes, válvulas de mariposa , conexión de ventilación también en un nivel superior y conexiones de drenaje en un nivel inferior. Asimismo, se ubican compartimentos para termómetros en los tubos de entrada y salida para mediciones locales de la temperatura del agua de refrigeración.
En las unidades más pequeñas, algunos fabricantes fabrican la carcasa del condensador, así como los depósitos de agua, de hierro fundido .
Corrosión
En el lado del agua de refrigeración del condensador:
Los tubos, las placas tubulares y las cajas de agua pueden estar fabricados con materiales de distinta composición y se encuentran siempre en contacto con el agua circulante. Esta agua, según su composición química, actuará como electrolito entre la composición metálica de los tubos y las cajas de agua. Esto dará lugar a corrosión electrolítica , que comenzará por los materiales más anódicos.
Los condensadores que utilizan agua de mar , especialmente cuando esta contiene contaminantes químicos , presentan las peores características de corrosión. El agua de río contaminada tampoco es recomendable para la refrigeración de los condensadores.
Es necesario tolerar el efecto corrosivo del agua de mar o de río y adoptar medidas correctivas. Una de ellas consiste en el uso de hipoclorito de sodio , o cloro , para evitar la proliferación de organismos marinos en las tuberías. Esta práctica debe estar estrictamente regulada para garantizar que el agua que regresa al mar o al río no se vea afectada.
En el lado del vapor (carcasa) del condensador:
La concentración de gases no disueltos es alta en los tubos de la zona de aire. Por lo tanto, estos tubos están expuestos a mayores tasas de corrosión. En ocasiones, estos tubos se ven afectados por el agrietamiento por corrosión bajo tensión si la tensión original no se elimina por completo durante la fabricación. Para contrarrestar estos efectos de la corrosión, algunos fabricantes ofrecen tubos con mayor resistencia a la corrosión en esta zona.
Efectos de la corrosión
A medida que los extremos de los tubos se corroen, existe la posibilidad de que el agua de refrigeración se filtre al lado del vapor, contaminando el vapor condensado o el condensado, lo cual es perjudicial para los generadores de vapor . Otras partes de las cajas de agua también pueden verse afectadas a largo plazo, lo que requiere reparaciones o reemplazos que implican paradas prolongadas.
Protección contra la corrosión
La protección catódica se emplea habitualmente para solucionar este problema. Se instalan ánodos de sacrificio de zinc (por ser el material más económico) en lugares adecuados dentro de las cajas de agua. Estas placas de zinc se corroen primero al ser los ánodos de menor resistencia. Por lo tanto, requieren inspección y reemplazo periódicos. Esto implica un tiempo de inactividad relativamente menor. Las cajas de agua, fabricadas con placas de acero, también se protegen internamente con pintura epoxi.
Efectos de la obstrucción en el lateral del tubo
Como es de esperar, con millones de galones de agua circulando por los tubos del condensador, ya sea agua de mar o agua dulce, cualquier cosa que contenga el agua que fluye por los tubos puede terminar en la placa tubular del condensador (como se mencionó anteriormente) o dentro de los propios tubos. La incrustación en los tubos de los condensadores de superficie se divide en cinco categorías principales: incrustaciones particuladas como limo y sedimentos, incrustaciones biológicas como limo y biopelículas , incrustaciones y cristalizaciones como carbonato de calcio, incrustaciones macroscópicas que pueden incluir desde mejillones cebra que pueden crecer en la placa tubular hasta madera u otros desechos que obstruyen los tubos y, finalmente, productos de corrosión (como se mencionó anteriormente).
Dependiendo del grado de ensuciamiento, el impacto puede ser bastante severo en la capacidad del condensador para condensar el vapor de escape proveniente de la turbina. A medida que se acumula ensuciamiento dentro de la tubería, se crea un efecto aislante y las características de transferencia de calor de los tubos disminuyen, lo que a menudo requiere que la turbina se ralentice hasta un punto en el que el condensador pueda manejar el vapor de escape producido. Por lo general, esto puede ser bastante costoso para las centrales eléctricas en forma de reducción de la producción, aumento del consumo de combustible y aumento de las emisiones de CO₂ . Esta "reducción de potencia" de la turbina para acomodar la tubería ensuciada u obstruida del condensador indica que la planta necesita limpiar la tubería para volver a la capacidad nominal de la turbina . Hay una variedad de métodos de limpieza disponibles, incluidas opciones en línea y fuera de línea, según las condiciones específicas de la planta.
Otras aplicaciones de los condensadores de superficie
- evaporación al vacío
- refrigeración al vacío
- Energía térmica oceánica (OTEC)
- Sustitución de condensadores barométricos en sistemas de eyectores accionados por vapor.
- Recuperación de energía geotérmica
- Sistemas de desalinización
Pruebas
Los códigos de ensayo nacionales e internacionales se utilizan para estandarizar los procedimientos y las definiciones empleadas en las pruebas de condensadores de gran tamaño. En Estados Unidos, la ASME publica varios códigos de ensayo de rendimiento para condensadores e intercambiadores de calor. Entre ellos se incluyen el ASME PTC 12.2-2010, Condensadores de superficie de vapor, y el PTC 30.1-2007, Condensadores de vapor enfriados por aire.
Véase también
Referencias
- ↑ Robert Thurston Kent (Editor en jefe) (1936). Manual del ingeniero mecánico de Kent (Undécima edición (dos volúmenes) ed.). John Wiley & Sons (Serie de manuales de ingeniería de Wiley).
{{cite book}}:|author=tiene nombre genérico ( ayuda ) - 1 2 Babcock & Wilcox Co. (2005). Vapor: su generación y uso (41.ª ed.). ISBN 0-9634570-0-4.
- 1 2 Thomas C. Elliott, Kao Chen, Robert Swanekamp (coautores) (1997). Manual estándar de ingeniería de centrales eléctricas (2.ª ed.). McGraw-Hill Professional. ISBN 0-07-019435-1.
{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace ) - ↑ Curso de orientación sobre control de la contaminación atmosférica del sitio web del Instituto de Capacitación en Contaminación Atmosférica
- ↑ Ahorro de energía en sistemas de vapor Archivado el 27/09/2007 en Wayback Machine Figura 3a, Disposición del condensador de superficie (desplácese a la página 11 de 34 páginas del PDF)
- Tecnología de centrales eléctricas
- Intercambiadores de calor
- Conversión de energía
- Energía de vapor