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Bomba de calor: cómo funciona

El término bomba de calor generalmente se reserva para un dispositivo que puede calentar una casa en invierno mediante el uso de un motor eléctrico que funciona W para llevar el calor Q _frío desde el exterior a baja temperatura y entrega calor Q _caliente al calentador dentro de la casa.

El principio de funcionamiento de los refrigeradores , aires acondicionados y bombas de calor es el mismo y es exactamente el reverso de un motor térmico . En general, una bomba de calor es un dispositivo que transfiere energía térmica de una fuente de calor a un ” disipador de calor “, pero en este caso la transferencia se produce en la dirección opuesta a la transferencia espontánea de calor mediante la absorción de calor de un espacio frío y su liberación a un uno más cálido. Como se muestra en la figura, al realizar un trabajo externo W, el calor se toma de una región de baja temperatura (fuente de calor) y una mayor cantidad de calor se extrae a una temperatura más alta (disipador de calor).

El ciclo o método termodinámico más utilizado para calefacción, aire acondicionado, refrigeradores y bombas de calor es el ciclo de compresión de vapor .

Ciclo de compresión de vapor – Refrigeración por compresión de vapor

La compresión de vapor utiliza un refrigerante líquido circulante como medio (generalmente R134a ) que absorbe y elimina el calor del espacio a enfriar y posteriormente rechaza ese calor en otros lugares. La figura representa un sistema típico de compresión de vapor de una etapa . El sistema típico de compresión de vapor consta de cuatro componentes:

• Compresor
• Condensador
• Válvula de expansión (también llamada válvula de mariposa)
• Evaporador

En un ciclo ideal de compresión de vapor, el sistema que ejecuta el ciclo se somete a una serie de cuatro procesos: un proceso isoentrópico (adiabático reversible), un proceso de estrangulamiento alternado con dos procesos isobáricos:

• Compresión isentrópica (compresión en el compresor de pistón): un refrigerante circulante como R134a ingresa a un compresor como vapor de baja presión a la temperatura del interior del refrigerador o ligeramente por debajo de ella. El medio gaseoso se comprime adiabáticamente desde el estado 1 al estado 2 mediante un compresor de pistón (o mediante bombas centrífugas) a una presión y temperatura relativamente altas. Los alrededores trabajan con el gas, aumentando su energía interna (temperatura) y comprimiéndolo (aumentando su presión). Por otro lado, la entropía permanece sin cambios. El trabajo requerido para el compresor viene dado por W _C = H ₂ – H ₁ .
• Rechazo de calor isobárico (en un condensador) : el vapor sobrecalentado viaja bajo presión a través de bobinas o tubos que forman el condensador. En esta fase, el refrigerante pasa a través del condensador, donde el refrigerante se condensa y hay transferencia de calor del refrigerante a los alrededores más fríos. El calor neto rechazado viene dado por Q _re = H ₃ – H ₂ . A medida que el refrigerante sale del condensador, todavía está bajo presión, pero ahora solo está ligeramente por encima de la temperatura ambiente.
• Proceso Isenthalpic (expansión en una válvula de expansión): el refrigerante en el estado 3 ingresa a la válvula de expansión y se expande a la presión del evaporador. Este proceso generalmente se modela como un proceso de aceleración para el cual la entalpía permanece constante. H ₄ = H ₃ . La disminución repentina de la presión da como resultado la evaporación instantánea de una porción (típicamente aproximadamente la mitad) del líquido. El calor latente absorbido por esta evaporación instantánea se obtiene principalmente del refrigerante aún líquido adyacente, un fenómeno conocido como auto-refrigeración .
• Adición de calor isobárico ( en un evaporador ): el refrigerante frío y parcialmente vaporizado continúa a través de las bobinas o tubos de la unidad del evaporador. En esta fase (entre el estado 4 y el estado 1) hay una transferencia de calor a presión constante al medio líquido desde una fuente externa, ya que la cámara está abierta para fluir hacia adentro y hacia afuera. A medida que el refrigerante pasa a través del evaporador, la transferencia de calor desde el espacio refrigerado da como resultado la vaporización del refrigerante. El calor neto agregado viene dado por Q _add = H ₁ – H ₄

Durante un ciclo de compresión de vapor, las bombas realizan el trabajo en el fluido entre los estados 1 y 2 ( compresión isentrópica ). El fluido no realiza ningún trabajo, ya que entre las etapas 3 y 4 el proceso es isentálpico. El fluido de trabajo en un ciclo de compresión de vapor sigue un circuito cerrado y se reutiliza constantemente.

Coeficiente de rendimiento: bomba de calor, refrigerador, aire acondicionado

En general, la eficiencia térmica , η _º , de cualquier motor térmico como la relación entre el trabajo que hace, W , para el calor de entrada a la alta temperatura, Q _H .

La eficiencia térmica , η _th , representa la fracción de calor , Q _H , que se convierte en trabajo .

Pero en bombas de calor y refrigeradores , el trabajo no es una salida. Para una bomba de refrigeración o de calor, la eficiencia térmica indica el grado en que la energía agregada por el trabajo se convierte en salida neta de calor. Desde un punto de vista económico, el mejor ciclo de refrigeración es aquel que elimina la mayor cantidad de calor del interior del refrigerador (depósito frío) para el menor gasto de trabajo mecánico o energía eléctrica. La relación relevante es, por lo tanto, cuanto mayor sea esta relación, mejor será el refrigerador. Llamamos a esta relación el coeficiente de rendimiento , denotado por COP .

El coeficiente de rendimiento ,   COP, se define también para las bombas de calor, pero en este punto seguimos el calor neto agregado al depósito caliente. El COP generalmente excede 1, especialmente en bombas de calor, porque, en lugar de simplemente convertir el trabajo en calor, bombea calor adicional desde una fuente de calor hacia donde se requiere el calor.

En general, el COP depende en gran medida de las condiciones de funcionamiento, especialmente la temperatura absoluta y la temperatura relativa entre el disipador de calor y el sistema.

Ciclo Brayton inverso – Ciclo de refrigeración Brayton

En general, el ciclo de Brayton describe el funcionamiento de un motor térmico de presión constante . Hoy en día, los modernos motores de turbina de gas y los motores de inyección de aire también son motores de calor de presión constante.

Un ciclo de Brayton que se conduce en dirección inversa se conoce como el ciclo de Brayton inverso . Su propósito es mover el calor del cuerpo más frío al más caliente, en lugar de producir trabajo. De conformidad con la segunda ley de la termodinámica, el calor no puede fluir espontáneamente del sistema frío al sistema caliente sin realizar un trabajo externo en el sistema. El calor puede fluir del cuerpo más frío al más caliente, pero solo cuando es forzado por un trabajo externo. Esto es exactamente lo que logran los refrigeradores y las bombas de calor. Estos son impulsados ​​por motores eléctricos que requieren trabajo de su entorno para funcionar. Uno de los ciclos posibles es un ciclo de Brayton inverso, que es similar al ciclo de Brayton ordinario, pero se conduce en reversa, a través de la entrada de trabajo neto. Este ciclo también se conoce como ciclo de refrigeración de gas o ciclo de Bell Coleman. Este tipo de ciclo se usa ampliamente en aviones a reacción para sistemas de aire acondicionado que usan aire de los compresores del motor. También se usa ampliamente en la industria de GNL, donde el ciclo Brayton inverso más grande es para subenfriar GNL utilizando 86 MW de potencia de un compresor impulsado por turbina de gas y refrigerante de nitrógeno.

Sistema de calentamiento de agua de alimentación – Regeneración de calor

En general, el sistema de calentamiento del agua de alimentación consiste en:

• calentadores de agua de baja presión
• desaireador
• calentadores de agua de alimentación de alta presión

Calentadores de agua de alimentación a baja presión.

El condensado de las bombas de condensado luego pasa a través de varias etapas de calentadores de agua de alimentación de baja presión , en los que la temperatura del condensado aumenta por la transferencia de calor del vapor extraído de las turbinas de baja presión. Por lo general, hay tres o cuatro etapas de calentadores de agua de alimentación de baja presión conectados en la cascada. El condensado sale de los calentadores de agua de alimentación a baja presión a aproximadamente p = 1 MPa, t = 150 ° C y entra al desaireador.. El sistema principal de condensado también contiene un sistema mecánico de purificación de condensado para eliminar impurezas. Los calentadores de agua de alimentación son autorregulables. Significa que cuanto mayor es el flujo de agua de alimentación, mayor es la tasa de absorción de calor del vapor y mayor es el flujo de vapor de extracción.

Hay válvulas de retención en las líneas de extracción de vapor entre los calentadores de agua de alimentación y la turbina. Estas válvulas antirretorno evitan el flujo inverso de vapor o agua en caso de disparo de la turbina, lo que provoca una disminución rápida de la presión dentro de la turbina. Cualquier agua que ingrese a la turbina de esta manera podría causar graves daños a los álabes de la turbina.

Desaireador

En el desaireador , el condensado se calienta a condiciones saturadas, generalmente por el vapor extraído de la turbina de vapor. El vapor de extracción se mezcla en el desaireador mediante un sistema de boquillas de pulverización y bandejas en cascada entre las cuales se filtra el vapor. Cualquier gas disuelto en el condensado se libera en este proceso y se elimina del desaireador mediante ventilación a la atmósfera o al condensador principal. Directamente debajo del desaireador está el tanque de almacenamiento de agua de alimentación., en el que se almacena una gran cantidad de agua de alimentación en condiciones de casi saturación. En el evento de disparo de la turbina, esta agua de alimentación se puede suministrar a los generadores de vapor para mantener el inventario de agua requerido durante la transición. El desaireador y el tanque de almacenamiento generalmente se ubican a una gran elevación en la sala de turbinas para garantizar una altura de succión positiva neta (NPSH) adecuada en la entrada de las bombas de agua de alimentación. NPSH se usa para medir qué tan cerca está un fluido de las condiciones saturadas. Bajar la presión en el lado de succión puede inducir cavitación . Esta disposición minimiza el riesgo de cavitación en la bomba.

Calentadores de agua de alimentación a alta presión.

La descarga de agua de las bombas de agua de alimentación fluye a través de los calentadores de agua de alimentación de alta presión , ingresa a la contención y luego fluye hacia los generadores de vapor .

Los calentadores de agua de alimentación de alta presión se calientan por extracción de vapor de la turbina de alta presión, HP Turbine. Los drenajes de los calentadores de agua de alimentación de alta presión generalmente se dirigen al desaireador.

El agua de alimentación ( agua 230 ° C; 446 ° F; 6,5MPa ) se bombea al generador de vapor a través de la entrada del agua de alimentación.

Esquema de una turbina de vapor de un PWR típico de 3000MWth.

Generador principal – Generador eléctrico – Turboalternador

Un generador o generador eléctrico es un dispositivo que convierte la energía mecánica de la turbina de vapor en energía eléctrica . Dado que cualquier generador eléctrico de CA puede llamarse un alternador, para las grandes centrales eléctricas los ingenieros también usan el término turboalternador , que se refiere a los alternadores accionados por turbinas de vapor. Dado que el turboalternador generalmente consta de dos partes, la mayor de las dos secciones es el generador principal y el más pequeño es el excitador . En las plantas de energía térmica, generalmente hay un generador principal, que proporciona toda la energía para las redes de energía eléctrica. Una turbina de vapor generalmente está en el mismo eje con un generador principal y un excitador.

En general, un generador principal consta de una parte giratoria y una parte estacionaria:

• Estator . El estator es la parte estacionaria de un generador eléctrico que rodea el rotor. El estator tiene un devanado de alambre en el que el campo cambiante induce una corriente eléctrica.
• Rotor . El rotor es la parte giratoria de un generador eléctrico y genera un campo magnético.

Un turboalternador típico en plantas de energía nuclear consiste en:

• Generador principal
  • Rotor de 4 polos refrigerado por hidrógeno . El devanado del rotor está formado por conductores huecos a través de los cuales fluye el gas hidrógeno. El hidrógeno se enfría en los intercambiadores de calor hidrógeno / agua.
  • Estator con devanado refrigerado por agua (agua desmineralizada).
• Sistema de excitación sin escobillas. Excitador sin escobillas refrigerado por aire, accionado por eje. El excitador mantiene una corriente que pasa a través de los cables del rotor. Cuando este rotor gira, induce un voltaje en el estator.

Por lo general, el generador principal funciona a velocidades de aproximadamente:

• 3000 RPM para sistemas de 50 Hz para generador de 2 polos (o 1500 RPM para generador de 4 polos),
• 1800 RPM para sistemas de 60 Hz para generador de 4 polos (o 3600 RPM para generador de 2 polos).

con un voltaje de salida de 24,000 voltios (es decir, 24kV), clasificación nominal – 1111 MVA, potencia efectiva – 1000 MWel, factor de potencia – 0,9 y eficiencia – 99%.

Torres de enfriamiento

Las torres de enfriamiento son dispositivos que rechazan el calor residual a la atmósfera a través del enfriamiento de una corriente de agua a una temperatura más baja. Las torres de enfriamiento se construyen en lugares donde hay escasez de agua . Al usar torres de enfriamiento, se reduce el requerimiento de agua de enfriamiento y solo se debe suministrar agua de reposición. Las torres de enfriamiento reducen significativamente la demanda de agua de enfriamiento, pero se logra a expensas de grandes costos de capital.

Con respecto al mecanismo de transferencia de calor empleado, los tipos principales son:

Las torres de enfriamiento en seco funcionan mediante transferencia de calor a través de una superficie que separa el fluido de trabajo del aire ambiente, como en un intercambiador de calor de tubo a aire, utilizando transferencia de calor por convección. No utilizan la evaporación, por lo tanto, el consumo de agua de reposición es mínimo.

Las torres de enfriamiento húmedo (o las torres de enfriamiento de circuito abierto) funcionan según el principio del enfriamiento por evaporación . El enfriamiento por evaporación es la adición de vapor de agua al aire, lo que provoca una disminución de la temperatura del aire y del agua también. La energía necesaria para evaporar el agua se toma de la masa de agua restante, reduciendo así su temperatura . El agua de enfriamiento de la planta se bombea a una altura de aproximadamente 10 my se distribuye sobre el relleno de la torre de enfriamiento , cayendo en cascada hasta el pozo en el fondo. Dentro de la torre de enfriamiento húmedo, se agregan rellenos para aumentar la superficie de contacto, así como el tiempo de contacto entre el aire y el agua, para proporcionar una mejor transferencia de calor.

Casi todas las plantas de energía nuclear, que usan torres de enfriamiento, usan torres de enfriamiento húmedo basadas en el principio del enfriamiento por evaporación. Parte del agua, aproximadamente el 1%, pasa al aire en forma de vapor de agua al absorber su calor latente de vaporización del agua restante y, por lo tanto, provoca la reducción de la temperatura del agua a medida que el aire ambiente pasa por un flujo de agua. El agua restante (enfriada) se recoge en un sumidero en la parte inferior de la torre y se devuelve al condensador.

Sistema de enfriamiento – Sistema de circulación de agua

El sistema de refrigeración o el sistema de circulación de agua proporciona un suministro continuo de agua de refrigeración al condensador principal para eliminar el calor rechazado por la turbina y los sistemas auxiliares (por ejemplo, el sistema de derivación de la turbina ). En este proceso, el agua de enfriamiento se calienta. Esta energía es rechazada a la atmósfera a través de torres de enfriamiento o directamente al agua de mar o al río. Tenga en cuenta que no todas las plantas de energía nuclear tienen torres de enfriamiento y, por el contrario, el mismo tipo de torres de enfriamiento a menudo se usa también en grandes plantas de energía a carbón.

Sistema de enfriamiento en turbinas de vapor húmedo

En una turbina de vapor de condensación típica , el vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy inferior a la atmosférica (presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C). Este vapor está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

La presión dentro del condensador (por lo tanto, la entalpía del vapor de salida) viene dada por la temperatura del aire ambiente (es decir, la temperatura del agua en el sistema de enfriamiento ). y otros parámetros:

• temperatura del aire, presión y humedad en caso de enfriamiento a la atmósfera
• temperatura del agua y caudal en caso de enfriamiento en un río o mar

Un aumento en la temperatura ambiente puede causar un aumento proporcional en la presión del vapor agotado ( ΔT = 14 ° C suele ser una constante), por lo tanto, la eficiencia térmica del sistema de conversión de energía puede disminuir. En otras palabras, la salida eléctrica de una planta de energía puede variar con las condiciones ambientales , mientras que la energía térmica permanece constante.

Cabe señalar que también hay un límite inferior para la temperatura de salida del vapor, por lo tanto, para el sistema de enfriamiento. Por debajo de 0.008 MPa y 41.5 ° C, el volumen específico de vapor agotado aumenta significativamente, lo que requiere palas enormes en las últimas filas de la etapa de baja presión de la turbina de vapor . Además, con una disminución en la presión de escape de la turbina, la calidad del vapor disminuye (o fracción de sequedad). En algún momento, se debe finalizar la expansión para evitar daños que puedan ser causados ​​a las aspas de la turbina de vapor por vapor de baja calidad .

En las centrales nucleares modernas, la eficiencia térmica general es de aproximadamente un tercio (33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica. Por lo tanto, se deben rechazar aproximadamente 2000 MW de energía inutilizable para cumplir con la segunda ley de la termodinámica .

Para mantener los parámetros dentro del condensador (0.008 MPa y 41.5 ° C), el agua de enfriamiento debe estar suficientemente fría y no puede haber una gran diferencia de temperatura entre la temperatura del agua de salida y la de entrada, por lo tanto, el caudal a través del sistema de enfriamiento debe ser muy alto . El caudal a través del sistema de enfriamiento (con torres de enfriamiento húmedo ) puede ser de hasta 100 000 m ³ / h (27,7 m ³ / s). El agua de entrada al condensador puede tener aproximadamente 22 ° C (fuertemente dependiendo de las condiciones ambientales), mientras que la salida del condensador puede tener aproximadamente 25 ° C .

Los sistemas de enfriamiento de agua de mar funcionan a caudales más altos, por ejemplo, 130 000 m ³ / h. En general, la energía puede ser rechazada a la atmósfera a través de torres de enfriamiento o directamente al agua de mar o al río.

Sistema de enfriamiento – Sistema de circulación de agua

El sistema de refrigeración o el sistema de circulación de agua proporciona un suministro continuo de agua de refrigeración al condensador principal para eliminar el calor rechazado por la turbina y los sistemas auxiliares (por ejemplo, el sistema de derivación de la turbina ). En este proceso, el agua de enfriamiento se calienta. Esta energía es rechazada a la atmósfera a través de torres de enfriamiento o directamente al agua de mar o al río. Tenga en cuenta que no todas las plantas de energía nuclear tienen torres de enfriamiento y, por el contrario, el mismo tipo de torres de enfriamiento a menudo se usa también en grandes plantas de energía a carbón.

Sistema de enfriamiento en turbinas de vapor húmedo

En una turbina de vapor de condensación típica , el vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy inferior a la atmosférica (presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C). Este vapor está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

La presión dentro del condensador (por lo tanto, la entalpía del vapor de salida) viene dada por la temperatura del aire ambiente (es decir, la temperatura del agua en el sistema de enfriamiento ). y otros parámetros:

• temperatura del aire, presión y humedad en caso de enfriamiento a la atmósfera
• temperatura del agua y caudal en caso de enfriamiento en un río o mar

Un aumento en la temperatura ambiente puede causar un aumento proporcional en la presión del vapor agotado ( ΔT = 14 ° C suele ser una constante), por lo tanto, la eficiencia térmica del sistema de conversión de energía puede disminuir. En otras palabras, la salida eléctrica de una planta de energía puede variar con las condiciones ambientales , mientras que la energía térmica permanece constante.

Cabe señalar que también hay un límite inferior para la temperatura de salida del vapor, por lo tanto, para el sistema de enfriamiento. Por debajo de 0.008 MPa y 41.5 ° C, el volumen específico de vapor agotado aumenta significativamente, lo que requiere palas enormes en las últimas filas de la etapa de baja presión de la turbina de vapor . Además, con una disminución en la presión de escape de la turbina, la calidad del vapor disminuye (o fracción de sequedad). En algún momento, se debe finalizar la expansión para evitar daños que puedan ser causados ​​a las aspas de la turbina de vapor por vapor de baja calidad .

En las centrales nucleares modernas, la eficiencia térmica general es de aproximadamente un tercio (33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica. Por lo tanto, se deben rechazar aproximadamente 2000 MW de energía inutilizable para cumplir con la segunda ley de la termodinámica .

Para mantener los parámetros dentro del condensador (0.008 MPa y 41.5 ° C), el agua de enfriamiento debe estar suficientemente fría y no puede haber una gran diferencia de temperatura entre la temperatura del agua de salida y la de entrada, por lo tanto, el caudal a través del sistema de enfriamiento debe ser muy alto . El caudal a través del sistema de enfriamiento (con torres de enfriamiento húmedo ) puede ser de hasta 100 000 m ³ / h (27,7 m ³ / s). El agua de entrada al condensador puede tener aproximadamente 22 ° C (fuertemente dependiendo de las condiciones ambientales), mientras que la salida del condensador puede tener aproximadamente 25 ° C .

Los sistemas de enfriamiento de agua de mar funcionan a caudales más altos, por ejemplo, 130 000 m ³ / h. En general, la energía puede ser rechazada a la atmósfera a través de torres de enfriamiento o directamente al agua de mar o al río.

Condensador de superficie

Los condensadores de vapor se clasifican en general en dos tipos:

• Condensadores de superficie (o condensadores de tipo no mezclador). En los condensadores de superficie, no hay contacto directo entre el vapor de escape y el agua de enfriamiento.
• Condensadores de chorro (o condensadores de tipo de mezcla). En los condensadores de chorro hay contacto directo entre el vapor de escape y el agua de enfriamiento.

Condensador de superficie

El condensador de superficie está diseñado para condensar y desairear el vapor de escape de la turbina principal y proporcionar un disipador de calor para el sistema de derivación de la turbina. En los condensadores de superficie, no hay contacto directo entre el vapor de escape y el agua de enfriamiento. El vapor extraído de las turbinas de LP se condensa al pasar sobre tubos que contienen agua del sistema de enfriamiento . El vapor se condensa cuando entra en contacto con la superficie fría de los tubos y debido a la transferencia de calor al agua de enfriamiento por conducción y convección. Estos tubos generalmente están hechos de acero inoxidable, aleaciones de cobre o titanio, según varios criterios de selección (como conductividad térmica o resistencia a la corrosión).  Tubos condensadores de titanioPor lo general, son la mejor opción técnica, sin embargo, el titanio es un material muy costoso y el uso de tubos condensadores de titanio está asociado con costos iniciales muy altos. En general, hay dos tipos de condensadores de superficie:

• condensador de superficie refrigerado por agua
• condensador de superficie refrigerado por aire

En las centrales térmicas, donde el agua de refrigeración es escasa, se puede utilizar un condensador refrigerado por aire. Sin embargo, un condensador enfriado por aire es significativamente más costoso y no puede alcanzar una presión (y temperatura) de escape de la turbina de vapor tan baja como un condensador de superficie enfriado por agua.

El agua que se calienta en el condensador se descarga en el sistema de enfriamiento (es decir, torre de enfriamiento, río, mar o estanque de enfriamiento). El condensado recogido de estos condensadores se reutiliza como agua de alimentación en la caldera. Como el agua de enfriamiento y el vapor no se mezclan, el condensado se recupera y se puede usar cualquier tipo de agua de enfriamiento. En comparación con los condensadores de chorro, en los condensadores de superficie se puede mantener un alto vacío, por lo tanto, se puede lograr una mayor eficiencia térmica. Por otro lado, los condensadores de superficie son voluminosos, requieren gran área y altos costos de capital. Pero estos costos de capital pueden recuperarse mediante la mejora de la eficiencia térmica (es decir, mayor ahorro) en el costo de funcionamiento.

Por lo tanto, estos condensadores son los más adecuados para las centrales térmicas modernas. En general, se utilizan cuando hay disponible una gran cantidad de agua inferior y se debe suministrar una mejor calidad de agua de alimentación a la caldera.

Tipos de condensadores de vapor

Los condensadores de vapor se clasifican en general en dos tipos:

• Condensadores de superficie (o condensadores de tipo no mezclador). En los condensadores de superficie, no hay contacto directo entre el vapor de escape y el agua de enfriamiento.
• Condensadores de chorro (o condensadores de tipo de mezcla). En los condensadores de chorro hay contacto directo entre el vapor de escape y el agua de enfriamiento.

Condensador de superficie

El condensador de superficie está diseñado para condensar y desairear el vapor de escape de la turbina principal y proporcionar un disipador de calor para el sistema de derivación de la turbina. En los condensadores de superficie, no hay contacto directo entre el vapor de escape y el agua de enfriamiento. El vapor extraído de las turbinas de LP se condensa al pasar sobre tubos que contienen agua del sistema de enfriamiento . El vapor se condensa cuando entra en contacto con la superficie fría de los tubos y debido a la transferencia de calor al agua de enfriamiento por conducción y convección. Estos tubos generalmente están hechos de acero inoxidable, aleaciones de cobre o titanio, según varios criterios de selección (como conductividad térmica o resistencia a la corrosión).  Tubos condensadores de titanioPor lo general, son la mejor opción técnica, sin embargo, el titanio es un material muy costoso y el uso de tubos condensadores de titanio está asociado con costos iniciales muy altos. En general, hay dos tipos de condensadores de superficie:

• condensador de superficie refrigerado por agua
• condensador de superficie refrigerado por aire

En las centrales térmicas, donde el agua de refrigeración es escasa, se puede utilizar un condensador refrigerado por aire. Sin embargo, un condensador enfriado por aire es significativamente más costoso y no puede alcanzar una presión (y temperatura) de escape de la turbina de vapor tan baja como un condensador de superficie enfriado por agua.

El agua que se calienta en el condensador se descarga en el sistema de enfriamiento (es decir, torre de enfriamiento, río, mar o estanque de enfriamiento). El condensado recogido de estos condensadores se reutiliza como agua de alimentación en la caldera. Como el agua de enfriamiento y el vapor no se mezclan, el condensado se recupera y se puede usar cualquier tipo de agua de enfriamiento. En comparación con los condensadores de chorro, en los condensadores de superficie se puede mantener un alto vacío, por lo tanto, se puede lograr una mayor eficiencia térmica. Por otro lado, los condensadores de superficie son voluminosos, requieren gran área y altos costos de capital. Pero estos costos de capital pueden recuperarse mediante la mejora de la eficiencia térmica (es decir, mayor ahorro) en el costo de funcionamiento.

Por lo tanto, estos condensadores son los más adecuados para las centrales térmicas modernas. En general, se utilizan cuando hay disponible una gran cantidad de agua inferior y se debe suministrar una mejor calidad de agua de alimentación a la caldera.

Condensador de chorro

En los condensadores de chorro, el agua de enfriamiento se rocía sobre el vapor de escape y existe un contacto directo entre el vapor de escape y el agua de enfriamiento. El proceso de condensación es muy rápido y eficiente, pero aquí se mezclan el agua de enfriamiento y el vapor condensado.. El condensado no puede reutilizarse como agua de alimentación a las calderas. La temperatura del condensado es la misma que la del agua de enfriamiento que sale del condensador. Debido a la mezcla más íntima del vapor y el condensador de chorro de agua de enfriamiento, se requiere menos cantidad de agua de enfriamiento para la condensación del vapor. En general, los condensadores de chorro requieren menos espacio de construcción y su construcción es más simple y su costo de capital es menor. A pesar de estas ventajas, los condensadores de chorro no son habituales en las centrales térmicas, especialmente debido a la pérdida de condensado .

Parámetros del condensador principal

El condensador debe mantener un vacío bajo suficiente para aumentar la eficiencia de la central eléctrica. Las bombas de vacío mantienen un vacío suficiente en el condensador mediante la extracción de aire y gases no condensados. La presión de condensador más baja posible es la presión de saturación correspondiente a la temperatura ambiente (por ejemplo, presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C ). Tenga en cuenta que siempre hay una diferencia de temperatura entre (alrededor de ΔT = 14 ° C) la temperatura del condensador y la temperatura ambiente, que se origina en el tamaño finito y la eficiencia de los condensadores. Como ninguno de los dos condensadores es un intercambiador de calor 100% eficiente, siempre hay una diferencia de temperatura entre la temperatura de saturación (lado secundario) y la temperatura del refrigerante en el sistema de enfriamiento. Además, existe una ineficiencia en el diseño, que disminuye la eficiencia general de la turbina. Idealmente, el vapor extraído al condensador no tendría subenfriamiento . Pero los condensadores reales están diseñados para subenfriar el líquido unos pocos grados centígrados para evitar la cavitación por succión en las bombas de condensado. Pero, este subenfriamiento aumenta la ineficiencia del ciclo, porque se necesita más energía para recalentar el agua.

El objetivo de mantener la presión de escape de turbina práctica más baja es una razón principal para incluir el condensador en una central térmica. El condensador proporciona un vacío que maximiza la energía extraída del vapor, lo que resulta en un aumento significativo en el trabajo neto y la eficiencia térmica. Pero también este parámetro (presión del condensador) tiene sus límites de ingeniería:

• Disminuir la presión de escape de la turbina disminuye la calidad del vapor (o fracción de sequedad). En algún momento, se debe finalizar la expansión para evitar daños que puedan ser causados ​​a las aspas de la turbina de vapor por vapor de baja calidad .
• Disminuir la presión de escape de la turbina aumenta significativamente el volumen específico de vapor extraído, lo que requiere palas enormes en las últimas filas de la etapa de baja presión de la turbina de vapor.

En una turbina de vapor húmedo típica , el vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C). Este vapor está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%. Tenga en cuenta que la presión dentro del condensador también depende de las condiciones atmosféricas ambientales:

• temperatura del aire, presión y humedad en caso de enfriamiento a la atmósfera
• temperatura del agua y caudal en caso de enfriamiento en un río o mar

Un aumento en la temperatura ambiente provoca un aumento proporcional en la presión del vapor agotado ( ΔT = 14 ° C suele ser una constante), por lo tanto, la eficiencia térmica del sistema de conversión de energía disminuye. En otras palabras, la salida eléctrica de una planta de energía puede variar con las condiciones ambientales , mientras que la energía térmica permanece constante.

Para mantener los parámetros dentro del condensador (0.008 MPa y 41.5 ° C), el agua  de enfriamiento del sistema de enfriamiento debe estar suficientemente fría y no puede haber una gran diferencia de temperatura entre la temperatura del agua de salida y la de entrada, por lo tanto, el caudal a través del sistema de enfriamiento debe ser muy alto. El caudal a través del sistema de enfriamiento (con torres de enfriamiento húmedo) puede ser de hasta 100 000 m3 / h (27.7 m 3 / s). El agua de entrada al condensador puede tener aproximadamente 22 ° C (fuertemente dependiendo de las condiciones ambientales), mientras que la salida del condensador puede tener aproximadamente 25 ° C . Los sistemas de enfriamiento de agua de mar funcionan a caudales más altos, por ejemplo, 130 000 m 3 / h .

Conductividad térmica de fluidos (líquidos y gases)

En física, un fluido es una sustancia que se deforma (fluye) continuamente bajo un esfuerzo cortante aplicado. Los fluidos son un subconjunto de las fases de la materia e incluyen líquidos , gases , plasmas y, en cierta medida, sólidos plásticos. Debido a que el espacio intermolecular es mucho mayor y el movimiento de las moléculas es más aleatorio para el estado fluido que para el estado sólido, el transporte de energía térmica es menos efectivo. La conductividad térmicade gases y líquidos es, por lo tanto, generalmente más pequeño que el de los sólidos. En líquidos, la conducción térmica es causada por difusión atómica o molecular. En los gases, la conducción térmica es causada por la difusión de moléculas desde el nivel de energía más alto al nivel más bajo.

Conductividad térmica de gases

El efecto de la temperatura, la presión y las especies químicas sobre la conductividad térmica de un gas puede explicarse en términos de la teoría cinética de los gases . El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes, en ausencia de convección. Por lo tanto, muchos materiales aislantes (por ejemplo, poliestireno) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala . La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.

La conductividad térmica de los gases es directamente proporcional a la densidad del gas, la velocidad molecular media, y especialmente a la trayectoria libre media de la molécula. La ruta libre media también depende del diámetro de la molécula, con moléculas más grandes con mayor probabilidad de experimentar colisiones que las moléculas pequeñas, que es la distancia promedio recorrida por un portador de energía (una molécula) antes de experimentar una colisión. Los gases ligeros, como el hidrógeno y el helio, suelen tener una alta conductividad térmica . Los gases densos como el xenón y el diclorodifluorometano tienen baja conductividad térmica.

En general, la conductividad térmica de los gases aumenta con el aumento de la temperatura.

Conductividad térmica de líquidos

Como se escribió, en líquidos, la conducción térmica es causada por difusión atómica o molecular, pero los mecanismos físicos para explicar la conductividad térmica de los líquidos no se conocen bien. Los líquidos tienden a tener una mejor conductividad térmica que los gases, y la capacidad de fluir hace que un líquido sea adecuado para eliminar el exceso de calor de los componentes mecánicos. El calor puede eliminarse canalizando el líquido a través de un intercambiador de calor. Los refrigerantes utilizados en los reactores nucleares incluyen agua o metales líquidos, como sodio o plomo.

La conductividad térmica de los líquidos no metálicos generalmente disminuye al aumentar la temperatura.

¿Qué es la conductividad térmica? Definición

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada conductividad térmica , k (o λ), medida en W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por conducción. Tenga en cuenta que la ley de Fourier se aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gaseoso), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La conductividad térmica de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión.

¿Qué es la conductividad térmica? Definición

La mayoría de los materiales son casi casi homogéneos, por lo tanto, generalmente podemos escribir k = k (T) . Definiciones similares se asocian con conductividades térmicas en las direcciones y y z (k _y , k _z ), pero para un material isotrópico la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, k _x = k _y = k _z = k.

De la ecuación anterior, se deduce que el flujo de calor de conducción aumenta al aumentar la conductividad térmica y aumenta al aumentar la diferencia de temperatura. En general, la conductividad térmica de un sólido es mayor que la de un líquido, que es mayor que la de un gas. Esta tendencia se debe en gran parte a las diferencias en el espacio intermolecular para los dos estados de la materia. En particular, el diamante tiene la mayor dureza y conductividad térmica de cualquier material a granel.