condensador

Hablamos de un condensador como un intercambiador de calor (térmico), en donde tiene como objetivo que un fluido cambie a fase liquida desde su fase gaseosa , debido a un intercambio de calor con otro medio.

Hablamos de condensación por distintos aspectos , podría hablarse de aire mediante el uso de un ventilador o agua en un proceso de refrigeración. El condensador mas utilizado en centrales termoeléctricas es el que funciona con agua , siendo este el fluido refrigerante y a su vez trabaja con un circuito semiabierto de refrigeración en conjunto con un sumidero de calor latente de vaporización

El propósito del condensador termodinámico es pues provocar el cambio de estado del vapor a la salida de la turbina para así obtener máxima eficiencia e igualmente obtener el vapor condensado en forma de agua pura de regreso al tren de generación de vapor.

Beneficios de condensar vapor:

• Se aprovecha el vapor a la salida de la turbina, cerrando el ciclo del agua
•  Se reduce la presión a la salida, incluso por debajo de la atmosférica, con lo que el salto de presión es mayor y por lo tanto el rendimiento y la potencia de la turbina aumentan
• El posterior aumento de presión del fluido puede realizarse en una bomba hidráulica, con un consumo energético menor que si se realiza en una caldera o en un compresor

Flujos recibidos por el condensador:

1.   Las purgas de los calentadores y otros elementos, que una vez enfriadas son incorporadas al circuito de condensado.
2. El aire que procede de entradas furtivas en los diversos elementos del ciclo agua-vapor, a través de los cierres de la turbina de vapor o con el agua de reposición al ciclo. Éste debe ser extraído y enviado al exterior mediante eyectores o bombas de vacío.
3.   El vapor procedente del escape de la turbo-bomba de agua de alimentación si la hay en la instalación.
4. El vapor de los by-pass de las turbinas, que en determinados modos de operación transitorios (arranques, paradas, disparos, cambios bruscos de carga) conducen directamente al condensador todo el vapor generador en la caldera una vez atemperado.
5.   El agua de aportación al ciclo para reponer las purgas, fundamentalmente la purga continúa. Esta agua es desmineralizada y proviene del tanque de reserva de condensado.

Las condiciones en el interior del condensador son de saturación, lo cual indica que  está a la presión de saturación que corresponde a la temperatura de condensación del vapor. Esta presión es siempre inferior a la atmosférica, es decir, se puede hablar de vacío.

 ciclo de vapor

 

Función

El condensador es la fuente fría y refrigerante del ciclo térmico, por lo que representa el intercambiador de calor más importante del mismo.

El condensador debe cumplir las siguientes funciones:

• Recuperar como agua de condensación, el vapor que sale de la turbina- se recuerda que el agua es tratada, lo que implica un alto costo su obtención. Puesto que esta transformación es un cambio de estado a presión y temperatura constante, el calor intercambiado, es el calor latente de vaporización.
•  Aumentar el área del ciclo funcional mejorando el rendimiento, al provocar que el vapor se expanda hasta un valor de presión inferior a la atmosférica, con lo que se aumenta el salto entálpico de la turbina y así alcanzar la misma potencia con menor cantidad de vapor.
•  Extraer los gases no condensables.
•  Formar conjuntamente con el desgasificador y el domo de la caldera, una reserva de agua capaz de enfrentar variaciones bruscas de carga.

Características que definen un condensador

•  Producción del condensador: Es la cantidad neta de calor que del vapor pasa al agua de enfriamiento medida en kcal/h
• Presión absoluta del condensador: Es la presión existente en el condensador respecto a las condiciones ideales de vacío absoluto, medida en mmHg.
•  Temperatura del vapor a la entrada: Es la temperatura de saturación relativa a la presión estática del vapor a la entrada del condensador, expresada en ºC (tv).
• Diferencia de temperatura del agua: Es el ∆t entre la temperatura del agua de circulación a la entrada y a la salida del condensador, es decir tea-tsa expresada en ºC.
   

diagrama de temperatura vs superficie 

Tipos

Los condensadores se pueden clasificar de la siguiente manera.

Condensador de mezcla

Este tipo de condensador está conformado por un recipiente en el cual el gasto de vapor se condensa al enfrentar un gasto de agua en forma de lluvia.

Para poder utilizar un condensador de este tipo es necesario contar con agua de enfriamiento de las mismas características del agua que está circulando por el ciclo.

Para las mismas condiciones de operación, la presión que rige en el condensador de mezcla es superior al que rige en el condensador de superficie enfriado por agua. Por otra parte la cantidad de agua para producir la condensación (25-35 lt/kg vapor) va a ser mucho menor que en  los  condensadores  de  superficie  (70-90  lt/kg  vapor).  Del  condensador  el  agua  y  los productos no condensables en general aire, pueden ser extraídos por dos bombas separadas o una sola bomba. Por este motivo, en general el condensador viene provisto de tuberías propias de agua—vapor y extracción de aire—agua. En la figura se puede apreciar un esquema de un condensador de estas características como así también el diagrama de presiones correspondientes.

De  acuerdo  al  curso  relativo  de  las  corrientes  de  vapor  y  agua,  se  puede  hablar  de condensador a corrientes paralelas o a contracorrientes.

El sistema a contracorriente presenta ciertas ventajas respecto al otro sistema, ellas son:

1.   Menor consumo de agua refrigerante, lo que implica menor consumo de potencia eléctrica.

2.   Menor cantidad de aire a extraer, por lo tanto menor consumo de potencia eléctrica.

En efecto, para una dada presión pc del condensador, la presión parcial del aire pa depende de la presión parcial del vapor pv y esta última depende de la correspondiente temperatura de saturación. 

En particular por la ley de Dalton para mezclas gaseosas, tendremos: 

 pc = pa + pv

ejemplo:

                pc = 0,1 kg/cm2 será

1º para t = 15 ºC           pv = 0,0173 kg/cm2                        pa = 0,0827 kg/cm2

2º para t = 40 ºC        pv = 0,0747 kg/cm2                            pa = 0,0253 kg/cm2

Es evidente que en el 1er caso, a igualdad de volumen de la mezcla aire—vapor, si hay una cantidad de aire mucho mayor, ese es el punto oportuno para la instalación de la bomba de extracción de aire. Esta condición se verifica en la figura 1.3.3 es decir en el condensador a contracorriente.

En la disposición a corrientes paralelas, el aire es aspirado en un punto a temperatura mayor y es evidente que a igualdad de aire de extracción es necesario enviar una cantidad mayor de vapor, por lo tanto un volumen sumado mucho más grande.

Como dato constructivo del condensador de mezcla se recuerda que la cantidad de agua de mezcla por cada kg de vapor que necesita es de 25 a 35 litros, mientras que el aire de extracción por cada kg de vapor se acerca a 0,55 – 0,77 gr.

Condensador de superficie

es este el condensador mas utilizado en todos los ciclos termicos de todo tamaño.

• Condensador de superficie enfriado por aire

En casos muy excepcionales donde no exista una fuente para la provisión de agua en el lugar, se puede utilizar el condensador enfriado por aire. De tal modo la única cantidad de agua que necesita el ciclo térmico, es el agua de reposición, debido a las fugas a través de juntas, válvulas, purgas de caldera, etc. Un condensador de estas características requiere un espacio voluminosa mayor, ubicándose generalmente en la posición más alta de la construcción.

 

Condensador de superficie enfriado por agua

Son los condensadores más utilizados para pequeña, mediana y gran potencia de las instalaciones termoeléctricas.

En este condensador el agua de enfriamiento es separada del vapor por medio de una superficie metálica, a través de la cual se producen intercambio de calor.

El condensador de superficie está esencialmente formado por: .

• Una envuelta exterior que delimita las cajas de agua, adecuadamente reforzada, para resistir la presión ejercida desde el exterior hacia el interior, que tiene una amplia abertura superior (entrada de vapor) conectada a través de un acople flexible a la parte de salida de baja presión de la turbina.
• Su interior conforma la cámara de condensación, en la cual el vapor se pone en contacto con el haz tubular condensándose. En la cámara de condensación también se inyectan las descargas y drenajes de los precalentadores de baja presión. En correspondencia con esta entrada de agua se colocan chapas deflectoras para evitar que los chorros de descarga dañen los tubos.
•   Las placas tubulares sobre las cuales están generalmente mandrilados los tubos que constituyen la superficie de intercambio ( haz tubular), dichas placas constituyen la separación entre las cajas de agua y la cámara de condensación por lo tanto deben asegurar la total estanqueidad, dado que de existir pérdidas se contaminará el agua tratada del ciclo.
•  Dos cabezales laterales de doble pared, que constituyen las cajas de entrada y salida de agua refrigerante instaladas en los extremos de la cámara de condensación de las que están separadas por las placas tubulares, a su vez generalmente están subdivididas en uno de los extremos –el de entrada– para provocar un doble pasaje del agua de enfriamiento.
•   Una parte inferior llamada pozo caliente, en la cual se recoge el condensado del vapor y está constituido por un gran recipiente, del cual aspiran las bombas de extracción del condensado. El pozo caliente representa también el punto en el cual se recogen otras partes del condensado provenientes del ciclo térmico, como el drenaje de los precalentadores de baja presión y el de condensador de vapor de sellos de la turbina.

• El haz tubular, en los condensadores modernos está formado por varios millares de tubos (10.000 a 25.000) mandrilados, es decir expandidos en ambos extremos sobre el agujero de las placas tubulares Para evitar la excesiva flexión de los tubos, éstos se sostienen además que en los extremos, en sus puntos intermedios por medio de placas soportes, que además de sostener parte del peso de los tubos, los ayudan a resistir la presión dinámica del vapor que llega a elevada velocidad por el cuello de entrada.

•   El cuello, que conecta la salida del vapor del cuerpo de baja presión de la turbina con la cámara de condensación Es importante que el paso de vapor en el cuello produzca una
• pérdida de carga mínima para tener a la descarga de la turbina todo el grado de vacío que pueda generar el condensador. En el cuello se colocan generalmente el primero o los primeros dos precalentadores del ciclo, con esta disposición se llena un espacio muerto en el cual el vapor formaría torbellinos empeorando la aerodinamia del flujo, además se evitan largas y grandes tuberías para las conexiones de las extracciones a los precalentadores.
•  El acople, que es la parte que conecta el cuello del condensador al cuerpo de baja presión de la turbina; éste debe permitir que el condensador se dilate cuando es sometido a
• variaciones de temperatura se emplea cuando el condensador tiene vínculos rígidos con la base y puede estar formado por un aro de goma o una junta de dilatación en chapa de acero. Este acople puede también no existir y en ese caso el condensador queda rígidamente unido al cuerpo de baja presión Para permitir la dilatación, entonces. se lo apoya sobre resortes.

1-   ENTRADA DE AGUA DE CIRCULACIÓN
2-   PLACA TUBULAR
3-   CAJA DE AGUA DE CIRCULACIÓN
4-   HAZ TUBULAR
5-   PLACA SOPORTE DE TUBOS
6-   RESORTES DE APOYO Y SUSPENSIÓN
7-   CÁMARA DE VACÍO
8-   POZO CALIENTE
9-   CAÑERÍA DE EXTRACCIÓN DE VAPOR B.P.
10- CUELLO
11- CAJA DE SALIDA DE AGUA DE CIRCULACIÓN
12- ENVUELTA EXTERIOR

 la figura anterior muestra un condensador de superficie de un solo pasaje

Recorrido del agua: El haz tubular se divide normalmente en dos partes por exigencias del mantenimiento, y el recorrido del agua puede ser simple(unidireccional) o doble (dos pasajes), donde los tubos superiores están en serie con los inferiores. En los condensadores de un solo paso, la caja de agua de entrada comprende toda la placa tubular, mientras que la de salida comprende toda la del opuesto. En los condensadores de doble pasaje la placa tubular de un lado se divide en dos partes, una sobre la otra que delimitan la parte de entrada y la de salida, y por lo tanto el agua entra a los tubos de la parte inferior, los recorre y vuelve a entrar por el lado opuesto a la parte superior, recorriéndolos en el sentido contrario.

 

condensador de superficie de doble pasaje 

Ecuaciones de transferencia de calor:

En un intercambiador de calor confluyen dos fluidos, que pueden desplazarse en el mismo sentido o en sentido contrario, en el cual uno cede calor al otro y casi siempre están separados por una pared metálica.

 

 

Si se analiza una sección diferencial de un intercambiador de calor, tenemos un fluido G1 de calor específico C1, que circula hacia abajo y a una temperatura t1 + dt1 en la sección F. Del otro lado de la pared circula otro fluido G2 (que lo puede hacer en el mismo sentido o no ) de calor especifico C2 y temperatura t2 + dt2 en la sección F. Al pasar por la sección F + dF, el fluido G1, tendrá una temperatura t1 y el fluido G2 se encontrará a una temperatura t2, donde si t1 > t2, habrá una transferencia de calor en el sentido indicado en figura 1.4.2.

Aplicando la ecuación de transferencia de calor a través de la placa se tiene:

dQ = k dF (t1 – t2) = k dF ∆t

Siendo k el coeficiente de transmisión total que tiene en cuenta la convección del fluido 1 a la pared, la conducción a través de la pared y la convección a través de la pared al fluido 2.

Se desarrollará la ecuación de intercambio que relacione la diferencia de temperatura., con las distintas posiciones dentro del condensador, para lo cual se partirá de las ecuaciones de calorimetría. Analizando siempre una sección diferencial del intercambiador de calor, y considerando sentido positivo hacia arriba se tiene que:

dQ = - G1 C1 dt1 = ± G2 C2 dt2

Lo cual es cierto si no hay intercambio de calor entre el equipo y el medio exterior, es decir que toda la cantidad de calor que cede un fluido lo transfiere al otro.

El incremento de temperatura en una sección diferencial va a ser igual a:

Denominando µ al paréntesis que relaciona el caudal y el calor específico de cada uno de los fluidos, entonces:

 integrando entre ts y te

y dQ, de acuerdo a la cantidad de calor transmitida a través de la pared es:

donde :

Integrando a través de toda la superficie de intercambio

Si reemplazamos (4) en (2)

Siendo  (5)  la  ecuación  que  representa  la  cantidad  de  calor  transmitida  a  través  de  un intercambiador, donde:

Es la temperatura media logarítmica que relaciona las distintas partes

del intercambiador respecto de ∆t, y es real cuando  ∆te/∆ts > 2. Cuando ∆te/∆ts < 2 se puede aplicar la temperatura media aritmética.

temperatura media aritmética

Si se desea determinar la diferencia de temperatura en una sección  i del intercambiador, se puede utilizar la ecuación (3) de donde

∆ti = ∆te · e-µ KF

La ecuación (5) es cierta siempre y cuando el intercambio de calor se realice en sentido opuesto o en direcciones paralela.. Pero en el circuito agua—vapor los intercambiadores no trabajan de esta forma. En el condensador el agua circula en forma horizontal y el vapor en forma vertical. En los precalentadores de agua, tampoco se presenta esta alternativa 

Por lo tanto en ambos casos el intercambio de calor no se realiza en direcciones paralelas. Por esa razón para adoptar la formula (5), se la debe afectar por la cte. C que tiene en cuenta cuando el intercambio de calor no se realiza en el mismo sentido o en sentidos opuestos, entonces:

Existen gráficos donde en ordenadas se lleva el valor de la cte. y en abscisas un valor que tiene en cuenta la diferencia de temperatura entre entrada y salida de agua, y entrada y salida de vapore Por lo tanto entrando con este último valor hasta cortar a una curva que también esta dada por esa diferencia de temperaturas, obtendremos el valor C a aplicar en la fórmula.

video que relata uno de los funcionamientos del condensador , para un cuarto frio