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 hay escasez de agua de refrigeración, se suele utilizar un condensador enfriado por aire. Sin embargo, un condensador enfriado por aire es significativamente más caro y no puede alcanzar una presión (y temperatura) de escape de turbina de vapor tan baja como un condensador de superficie enfriado por agua.
Los condensadores de superficie también se utilizan en aplicaciones e industrias distintas de la condensación de los gases de escape de las turbinas de vapor en las centrales eléctricas.
En las centrales térmicas, el propósito 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 vapor condensado) para que pueda ser reutilizado. en el generador de vapor o caldera como agua de alimentación de la caldera.
La turbina de vapor en sí es un dispositivo para convertir el calor del vapor en energía mecánica . La diferencia entre el calor del vapor por unidad de masa en la entrada de la turbina y el calor del vapor por unidad de masa en 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, mejor será su eficiencia. Al condensar el vapor de escape de una turbina a una presión inferior a la atmosférica, la caída de presión del vapor entre la entrada y el escape de la turbina aumenta, lo que aumenta la cantidad de calor disponible para la conversión en energía mecánica. La mayor parte del calor liberado debido a la condensación del vapor de escape es transportado por el medio refrigerante (agua o aire) utilizado por el condensador de superficie.
El diagrama adyacente muestra un condensador de superficie enfriado por agua típico que se usa 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 sitio.
La carcasa es el cuerpo más externo del condensador y contiene los tubos del intercambiador de calor. La carcasa está fabricada con placas de acero al carbono y se refuerza según sea necesario para proporcionar rigidez a la carcasa. Cuando el diseño seleccionado lo requiere, se instalan placas intermedias que sirven como placas deflectoras que proporcionan la ruta de flujo deseada del vapor de condensación. Las placas también brindan soporte que ayuda a evitar que los tubos largos se hundan.
En la parte inferior de la carcasa, donde se acumula el condensado, se instala una salida. En algunos diseños, se proporciona un sumidero (a menudo denominado pozo caliente). El condensado se bombea desde la salida o el pozo caliente para su reutilización como agua de alimentación de la caldera .
Para la mayoría de los condensadores de superficie enfriados por agua, la carcasa está bajo vacío [parcial] durante las condiciones normales de funcionamiento.
Para los condensadores de superficie enfriados por agua, el vacío interno de la carcasa generalmente es suministrado y mantenido por un sistema eyector de chorro de vapor externo. Un sistema eyector de este tipo utiliza vapor como fluido motor para eliminar cualquier gas no condensable que pueda estar presente en el condensador de superficie. El efecto Venturi , que es un caso particular del principio de Bernoulli , se aplica al funcionamiento de eyectores de chorro de vapor.
Las bombas de vacío mecánicas accionadas por motor , como las de anillo líquido , también son populares para este servicio.
En cada extremo de la carcasa se proporciona una lámina de espesor suficiente, normalmente de acero inoxidable , con orificios para insertar y enrollar los tubos. El extremo de entrada de cada tubo también tiene una boca acampanada para facilitar la entrada de agua. Esto es para evitar remolinos en la entrada de cada tubo que provoquen erosión y para reducir la fricción del flujo. Algunos fabricantes también recomiendan inserciones de plástico en la entrada de los tubos para evitar remolinos que erosionen el extremo de entrada. En unidades más pequeñas, algunos fabricantes utilizan casquillos para sellar los extremos del tubo en lugar de enrollarlos. Para cuidar la expansión longitudinal de los tubos, algunos diseños tienen una junta de expansión entre la carcasa y la placa del tubo, lo que permite que esta última se mueva longitudinalmente. En unidades más pequeñas, los tubos se comban un poco para cuidar la expansión del tubo con ambas cajas de agua de extremo fijadas rígidamente al armazón.
Generalmente los tubos están fabricados en acero inoxidable , aleaciones de cobre como latón o bronce, cuproníquel o titanio dependiendo de varios criterios de selección. El uso de aleaciones que contienen cobre, como latón o cuproníquel, es poco común en plantas nuevas, debido a las preocupaciones ambientales que plantean las aleaciones de cobre tóxicas. También dependiendo del tratamiento del agua del ciclo de vapor para la caldera, puede ser conveniente evitar materiales de tubos que contengan cobre. Los tubos de condensador de titanio suelen ser la mejor opción técnica; sin embargo, el uso de tubos de condensador de titanio ha sido prácticamente eliminado debido al fuerte aumento de los costes de este material. Las longitudes de los tubos varían hasta aproximadamente 85 pies (26 m) para las centrales eléctricas modernas, dependiendo del tamaño del condensador. El tamaño elegido se basa en la transportabilidad desde el sitio del fabricante y la facilidad de montaje en el lugar de instalación. El diámetro exterior de los tubos del condensador generalmente varía de 3/4 de pulgada a 1-1/4 de pulgada, según las consideraciones de fricción del agua de refrigeración del condensador y el tamaño general del condensador.
La placa tubular en cada extremo con los extremos de los tubos enrollados, para cada extremo del condensador está cerrada por una cubierta de caja fabricada conocida como caja de agua, con conexión bridada a la placa tubular o carcasa del condensador. La caja de agua suele estar provista de orificios de acceso sobre tapas con bisagras para permitir la inspección y 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 ventilar el aire a un nivel superior y una válvula de drenaje manual en la parte inferior para drenar 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 el nivel superior y conexiones de drenaje en el nivel inferior. De manera similar , hay bolsas para termómetros ubicadas en las tuberías de entrada y salida para mediciones locales de la temperatura del agua de refrigeración.
En unidades más pequeñas, algunos fabricantes fabrican la carcasa del condensador y las cajas de agua de hierro fundido .
En el lado del agua de refrigeración del condensador:
Los tubos, las placas de tubos y las cajas de agua pueden estar hechos de materiales que tengan diferentes composiciones y están siempre en contacto con el agua en circulación. Esta agua, dependiendo de su composición química, actuará como electrolito entre la composición metálica de tubos y cajas de agua. Esto dará lugar a corrosión electrolítica que comenzará primero en materiales más anódicos.
Los condensadores a base de agua de mar , en particular cuando al agua de mar se le han añadido contaminantes químicos , tienen las peores características de corrosión. El agua de río con contaminantes tampoco es deseable para el agua de refrigeración del condensador.
Es necesario tolerar el efecto corrosivo del agua de mar o de río y adoptar métodos correctivos. Un método es el uso de hipoclorito de sodio , o cloro , para garantizar que no haya crecimiento marino en las tuberías o los tubos. Esta práctica debe estar estrictamente regulada para garantizar que el agua circulante que regresa al mar o al nacimiento del río no se vea afectada.
En el lado de 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 índices de corrosión. Algunas veces estos tubos se ven afectados por grietas por corrosión bajo tensión, si la tensión original no se alivia completamente durante la fabricación. Para superar estos efectos de la corrosión, algunos fabricantes proporcionan tubos con mayor resistencia a la corrosión en esta área.
A medida que los extremos de los tubos se corroen, existe la posibilidad de que se produzca una fuga de agua de refrigeración hacia el lado del vapor, contaminando el vapor condensado o el condensado, lo que es perjudicial para los generadores de vapor . Las otras partes de las cajas de agua también pueden verse afectadas a largo plazo, lo que requiere reparaciones o reemplazos que impliquen paradas prolongadas.
Normalmente se emplea protección catódica para superar este problema. Los ánodos de sacrificio de placas de zinc (que son las más baratas) se montan en lugares adecuados dentro de las cajas de agua. Estas placas de zinc se corroerán primero al estar en el rango más bajo de ánodos. Por lo tanto, estos ánodos de zinc requieren inspección y reemplazo periódicos. Esto implica comparativamente menos tiempo de inactividad. Las cajas de agua fabricadas con chapa de acero también están protegidas en su interior con pintura epoxi.
Como era de esperar, con millones de galones de agua circulante fluyendo a través de la tubería del condensador desde agua de mar o agua dulce, cualquier cosa que esté contenida dentro del agua que fluye a través de los tubos puede terminar en última instancia en la placa de tubos del condensador (discutida anteriormente) o dentro del tubo en sí. La suciedad del lado del tubo para condensadores de superficie se divide en cinco categorías principales; incrustaciones de partículas como limo y sedimentos, bioincrustaciones como limo y biopelículas , incrustaciones y cristalización como carbonato de calcio, macroincrustaciones que pueden incluir cualquier cosa, desde mejillones cebra que pueden crecer en la placa tubular hasta madera u otros desechos que bloquean la tubería y, finalmente, corrosión. productos (discutidos anteriormente).
Dependiendo del alcance de la contaminación, 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 suciedad 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 desacelere hasta un punto en el que el condensador pueda manejar el vapor de escape producido. Normalmente, esto puede resultar bastante costoso para las centrales eléctricas en forma de reducción de la producción, aumento del consumo de combustible y aumento de las emisiones de CO 2 . Esta "reducción de potencia" de la turbina para acomodar la tubería sucia o bloqueada del condensador es una indicación de 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 del sitio de la planta.
Se utilizan códigos de prueba nacionales e internacionales para estandarizar los procedimientos y definiciones utilizados en las pruebas de condensadores grandes. En EE.UU., ASME publica varios códigos de prueba de rendimiento para condensadores e intercambiadores de calor. Estos incluyen ASME PTC 12.2-2010, Condensadores de superficie de vapor, y PTC 30.1-2007, Condensadores de vapor enfriados por aire.
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