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¿Qué es ebullición y condensación? Definición

La ebullición y la condensación difieren de otras formas de convección en que dependen del calor latente de vaporización, que es muy alto. Ebullición y condensación

Ebullición y condensación

Diagrama de fase del agua.
Diagrama de fase del agua.
Fuente: wikipedia.org CC BY-SA

En capítulos anteriores, hemos discutido la transferencia de calor por convección con una suposición muy importante. Asumimos una transferencia de calor por convección monofásica sin ningún cambio de fase. En este capítulo nos enfocamos en la transferencia de calor por convección asociada con el cambio en la fase de un fluido . En particular, consideramos procesos que pueden ocurrir en una interfaz sólido-líquido o sólido-vapor, a saber, ebullición (cambio de fase de líquido a vapor) y condensación ( cambio de fase de vapor a líquido).

Para estos casos, los efectos del calor latente asociados con el cambio de fase son significativos. El calor latente , conocido también como la entalpía de vaporización, es la cantidad de calor agregado o eliminado de una sustancia para producir un cambio de fase. Esta energía descompone las fuerzas de atracción intermoleculares, y también debe proporcionar la energía necesaria para expandir el gas (el trabajo pΔV ). Cuando se agrega calor latente , no ocurre cambio de temperatura.

Calor latente de vaporización: agua a 0.1 MPa, 3 MPa, 16 MPa
El calor de vaporización disminuye al aumentar la presión, mientras que aumenta el punto de ebullición. Se desvanece por completo en un cierto punto llamado punto crítico.

La entalpía de la vaporización es una función de la presión a la que tiene lugar esa transformación.

Calor latente de vaporización – agua a 0.1 MPa (presión atmosférica)

lg = 2257 kJ / kg

Calor latente de vaporización: agua a 3 MPa (presión dentro de un generador de vapor)

lg = 1795 kJ / kg

Calor latente de vaporización: agua a 16 MPa (presión dentro de un presurizador )

lg = 931 kJ / kg

supercrítico-fase-crítico-punto-minEl calor de vaporización disminuye al aumentar la presión, mientras que aumenta el punto de ebullición . Se desvanece por completo en un cierto punto llamado punto crítico . Por encima del punto crítico, las fases líquida y de vapor son indistinguibles, y la sustancia se llama fluido supercrítico .

El cambio del estado líquido al vapor debido a la ebullición se mantiene mediante la transferencia de calor desde la superficie sólida; por el contrario, la condensación de un vapor al estado líquido da como resultado la transferencia de calor a la superficie sólida. La ebullición y la condensación difieren de otras formas de convección en que dependen del calor latente de vaporización , que es muy alto para presiones comunes , por lo tanto, se pueden transferir grandes cantidades de calor durante la ebullición y la condensación esencialmente a temperatura constante. Los coeficientes de transferencia de calor , h, asociados con la ebullición y la condensación suelen ser mucho más altos.que los encontrados en otras formas de procesos de convección que involucran una sola fase.

Esto se debe al hecho de que, incluso en flujo turbulento , hay una capa de película de fluido estancada (subcapa laminar) que aísla la superficie del intercambiador de calor. Esta capa de película de fluido estancada juega un papel crucial para el coeficiente de transferencia de calor por convección. Se observa que el fluido se detiene completamente en la superficie y asume una velocidad cero en relación con la superficie. Este fenómeno se conoce como la condición antideslizante y, por lo tanto, en la superficie, el flujo de energía ocurre puramente por conducción. Pero en las siguientes capas se producen movimientos de conducción y difusión de masa en el nivel molecular o macroscópico. Debido al movimiento de masa, la tasa de transferencia de energía es mayor. Como fue escrito,La ebullición de nucleados en la superficie altera efectivamente esta capa estancada y, por lo tanto, la ebullición de nucleados aumenta significativamente la capacidad de una superficie para transferir energía térmica al fluido a granel.

Punto de ebullición – Saturación

En termodinámica, el término  saturación  define una condición en la que puede existir una mezcla de vapor y líquido a una temperatura y presión determinadas. La temperatura a la que  comienza a producirse vaporización  (ebullición) para una presión determinada se denomina  temperatura de saturación  o  punto de ebullición . La presión a la que comienza a producirse vaporización (ebullición) para una temperatura dada se denomina presión de saturación.

Cuando la calidad del vapor es igual a 0, se denomina  estado líquido saturado  (monofásico). Por otro lado, cuando la calidad del vapor es igual a 1, se denomina estado de vapor saturado  o  vapor seco  (monofásico). Entre estos dos estados, hablamos  de la mezcla vapor-líquido  o  vapor húmedo  (mezcla de dos fases). A presión constante, una adición de energía no cambia la temperatura de la mezcla, pero la calidad del  vapor  y el volumen específico cambian. 

Saturación en presurizador

Propiedades termodinámicas extensivas versus intensivas
Propiedades extensivas e intensivas del medio en el presurizador.

Un  presurizador  es un componente de un  reactor de agua a presión . La presión en el circuito primario  de los PWR se mantiene mediante un  presurizador , un recipiente separado que está conectado al circuito primario (pata caliente) y se llena parcialmente con agua que se calienta a la  temperatura de saturación  (punto de ebullición) para la presión deseada mediante electricidad sumergida.  calentadores. La temperatura en el presurizador se puede mantener a 350 ° C (662 ° F), lo que proporciona un margen de subenfriamiento (la diferencia entre la temperatura del presurizador y la temperatura más alta en el núcleo del reactor) de 30 ° C. El margen de subenfriamiento es un parámetro de seguridad muy importante de los PWR, ya que se debe excluir la ebullición en el núcleo del reactor. El diseño básico del  reactor de agua a presión  incluye el requisito de que el refrigerante (agua) en el sistema de refrigeración del reactor no debe hervir. Para lograr esto, el refrigerante en el sistema de refrigeración del reactor se mantiene a una presión suficientemente alta que no se produce la ebullición a las temperaturas del refrigerante experimentadas mientras la planta está funcionando o en un transitorio analizado.

Las funciones

La presión  en el presurizador se controla variando la temperatura del refrigerante en el presurizador. Para estos fines, se instalan dos sistemas. Sistema de rociado de agua  y  sistema de calentadores eléctricos . El volumen del presurizador (decenas de metros cúbicos) se llena con agua en los parámetros de saturación y vapor. El sistema de rociado de agua (agua relativamente fría – de la pierna fría) puede disminuir la presión en el recipiente al  condensar el vapor  en las gotas de agua rociadas en el recipiente. Por otro lado, los calentadores eléctricos sumergidos están diseñados para aumentar la presión por  evaporación del agua  en el recipiente. La presión del agua en un sistema cerrado rastrea la temperatura del agua directamente; A medida que aumenta la temperatura, aumenta la presión.

Hervir en generador de vapor

Generador de vapor - vertical
Generador de vapor – vertical

Los generadores de vapor son  intercambiadores de calor  utilizados para convertir el  agua de alimentación en vapor  del calor producido en el núcleo de un  reactor nuclear . El vapor producido impulsa la turbina. Se utilizan en la mayoría de las centrales nucleares, pero hay muchos tipos según el  tipo de reactor .

El refrigerante primario caliente ( agua 330 ° C; 626 ° F; 16MPa ) se bombea al  generador de vapor a  través de la entrada primaria. La alta presión del refrigerante primario se utiliza para mantener el agua en estado líquido. No se debe hervir el refrigerante primario.  El agua líquida fluye a través de cientos o miles de tubos (generalmente de 1,9 cm de diámetro) dentro del generador de vapor. El agua de alimentación (circuito secundario) se calienta desde  ~ 260 ° C 500 ° F  hasta el punto de ebullición de ese fluido  (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . El calor se transfiere a través de las paredes de estos tubos al refrigerante secundario de baja presión ubicado en el lado secundario del intercambiador donde el refrigerante se evapora a vapor presurizado. (vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) . El vapor presurizado sale del generador de vapor a través de una salida de vapor y continúa hacia la turbina de vapor. La transferencia de calor se logra sin mezclar los dos fluidos para evitar que el refrigerante secundario se vuelva radioactivo. El refrigerante primario sale  (agua 295 ° C; 563 ° F; 16MPa)  del generador de vapor a través de la salida primaria y continúa a través de una pierna fría hasta la  bomba de refrigerante del reactor  y luego al reactor.

Condensación en el condensador principal

Condensador - Calentadores LP - DesaireadorEl 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. Dado que ninguno de los 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.

Ciclo Rankine - presión del condensador
La disminución de la presión de escape de la turbina aumenta el trabajo neto por ciclo, pero también disminuye la calidad del vapor del vapor de salida.

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 .
  • La disminución de 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 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%. 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

propiedades de vapor - mesas de vaporUn 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 m3 / s). La entrada de agua del condensador puede tener aproximadamente 22 ° C (dependiendo en gran medida 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 m3 / h.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.