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 al metal de la caldera cuando el agua de alimentación se introduce nuevamente en el ciclo de vapor.
En una planta de energía de 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 inevitables irreversibilidades 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 tales irreversibilidades .
La energía utilizada para calentar el agua de alimentación suele derivarse del vapor extraído entre las etapas de la turbina de vapor . Por lo tanto, el vapor que se utilizaría para realizar trabajos de expansión en la turbina (y por tanto generar energía) no se utiliza para ese fin. 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 producción de energía 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, 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 de calentador de agua de alimentación abierto que está diseñado específicamente para eliminar gases no condensables del agua de alimentación.
Los calentadores de agua de alimentación cerrados suelen ser intercambiadores de calor de carcasa y tubos donde el agua de alimentación pasa a través de los tubos y se calienta mediante vapor de extracción de turbina. Estos no requieren bombas separadas antes y después del calentador para aumentar el agua de alimentación a la presión del vapor extraído como ocurre con un calentador abierto. Sin embargo, el vapor extraído (que probablemente esté casi completamente condensado después de calentar el agua de alimentación) debe luego estrangularse a la presión del condensador, un proceso isentálpico que resulta en 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 de combustible fósil como nucleares.
Un economizador tiene un propósito similar al de un calentador de agua de alimentación, pero es técnicamente diferente ya que no utiliza vapor de ciclo para calentar. En las plantas de combustibles fósiles, el economizador utiliza los gases de combustión de temperatura más baja del horno para calentar el agua antes de que ingrese a la caldera propiamente dicha. Esto permite que la transferencia de calor entre el horno y el agua de alimentación se produzca a través de un gradiente de temperatura promedio más pequeño (para el generador de vapor en su conjunto). Por lo tanto, la eficiencia del sistema aumenta aún más cuando se considera con respecto al contenido energético real del combustible.
La mayoría de las centrales nucleares no tienen economizador. Sin embargo, el diseño de la planta nuclear Combustion Engineering System 80+ y sus sucesores evolutivos (por ejemplo, el APR-1400 de Korea Electric Power Corporation ) incorporan un economizador integral de agua de alimentación. 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, instrucciones y guías para determinar el rendimiento termohidráulico de un calentador de agua de alimentación cerrado es el Estándar ASME PTC 12.1 para calentadores de agua de alimentación.
La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), publica el siguiente Código:
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