Un calentador de agua de alimentación es un componente de una planta de energía que se utiliza para precalentar el agua suministrada a una caldera generadora de vapor . [1] [2] [3] El precalentamiento del agua de alimentación reduce las irreversibilidades involucradas en la generación de vapor y, por lo tanto, mejora la eficiencia termodinámica del sistema. [4] Esto reduce los costos operativos de la planta y también ayuda a evitar el choque térmico en el metal de la caldera cuando el agua de alimentación se reintroduce en el ciclo de vapor.
En una planta de energía a vapor (generalmente modelada como un ciclo Rankine modificado ), los calentadores de agua de alimentación permiten que el agua de alimentación alcance la temperatura de saturación de manera muy gradual. Esto minimiza las irreversibilidades inevitables asociadas con la transferencia de calor al fluido de trabajo (agua). Consulte el artículo sobre la segunda ley de la termodinámica para obtener más información sobre dichas irreversibilidades .
La energía utilizada para calentar el agua de alimentación se deriva generalmente del vapor extraído entre las etapas de la turbina de vapor . Por lo tanto, el vapor que se utilizaría para realizar el trabajo de expansión en la turbina (y, por lo tanto, generar energía) no se utiliza para ese propósito. El porcentaje del flujo másico de vapor del ciclo total utilizado para el calentador de agua de alimentación se denomina fracción de extracción [4] y debe optimizarse cuidadosamente para lograr la máxima eficiencia térmica de la planta de energía , ya que el aumento de esta fracción provoca una disminución en la potencia de salida de la turbina.
Los calentadores de agua de alimentación también pueden ser intercambiadores de calor "abiertos" o "cerrados" . Un intercambiador de calor abierto es aquel en el que se permite que el vapor extraído se mezcle con el agua de alimentación. Este tipo de calentador normalmente requerirá una bomba de alimentación tanto en la entrada como en la salida de la alimentación, ya que la presión en el calentador está entre la presión de la caldera y la presión del condensador . Un desaireador es un caso especial del calentador de agua de alimentación abierto que está diseñado específicamente para eliminar los gases no condensables del agua de alimentación.
Los calentadores de agua de alimentación cerrados son típicamente intercambiadores de calor tubulares en los que el agua de alimentación pasa por los tubos y se calienta mediante vapor extraído de una turbina. Estos no requieren bombas separadas antes y después del calentador para aumentar la presión del agua de alimentación a la del vapor extraído como en el caso de un calentador abierto. Sin embargo, el vapor extraído (que probablemente esté casi completamente condensado después de calentar el agua de alimentación) debe luego regularse a la presión del condensador, un proceso isentálpico que da como resultado una cierta ganancia de entropía con una ligera penalización en la eficiencia general del ciclo:
Muchas centrales eléctricas incorporan varios calentadores de agua de alimentación y pueden utilizar componentes tanto abiertos como cerrados. Los calentadores de agua de alimentación se utilizan tanto en centrales eléctricas alimentadas con combustibles fósiles como nucleares.
Un economizador cumple una función similar a la de un calentador de agua de alimentación, pero es técnicamente diferente, ya que no utiliza vapor cíclico para calentar. En las plantas de combustibles fósiles, el economizador utiliza los gases de combustión de menor temperatura del horno para calentar el agua antes de que entre en la caldera propiamente dicha. Esto permite que la transferencia de calor entre el horno y el agua de alimentación se produzca a lo largo de un gradiente de temperatura promedio menor (para el generador de vapor en su conjunto). Por lo tanto, la eficiencia del sistema aumenta aún más cuando se la analiza en relación con el contenido energético real del combustible.
La mayoría de las centrales nucleares no tienen economizador. Sin embargo, el diseño de la central nuclear Combustion Engineering System 80+ y sus sucesores evolutivos (por ejemplo, el APR-1400 de Korea Electric Power Corporation ) incorporan un economizador de agua de alimentación integrado. Este economizador precalienta el agua de alimentación del generador de vapor en la entrada del generador de vapor utilizando el refrigerante primario de temperatura más baja.
Un código ampliamente utilizado para los procedimientos, la dirección y la guía para determinar el rendimiento termohidráulico de un calentador de agua de alimentación cerrado es el Estándar de calentadores de agua de alimentación ASME PTC 12.1.
La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), publica el siguiente Código:
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