Condensação
Fonte: wikipedia.org CC BY-SA
Da mesma forma que no capítulo anterior, neste capítulo, discutiremos a transferência de calor com a mudança de fase, mas, neste caso, discutiremos a condensação da fase gasosa (mudança de fase de vapor para líquido).
Em geral, a condensação é a mudança do estado físico da matéria da fase gasosa para a fase líquida e é o inverso da vaporização . Os processos de fluxo associados à condensação em uma superfície sólida são quase uma imagem espelhada dos envolvidos na fervura. A condensação ocorre quando a temperatura de um vapor é reduzida abaixo da temperatura de saturação ou quando a pressão de um vapor é aumentada acima dos parâmetros de saturação (consulte o diagrama de fases da água).
Calor latente de condensação – água a 0,1 MPa (pressão atmosférica)
h lg = – 2257 kJ / kg
Calor latente de condensação – água a 3 MPa
h lg = – 1795 kJ / kg
Calor latente de condensação – água a 16 MPa (pressão dentro de um pressurizador )
h lg = – 931 kJ / kg
O calor da condensação diminui com o aumento da pressão, enquanto o ponto de ebulição aumenta. Ele desaparece completamente em um determinado ponto chamado ponto crítico . Acima do ponto crítico, as fases líquida e de vapor são indistinguíveis, e a substância é chamada de fluido supercrítico .
A mudança do estado líquido para o vapor devido à ebulição é sustentada pela transferência de calor da superfície sólida; por outro lado, a condensação de um vapor no estado líquido resulta na transferência de calor para a superfície sólida. A ebulição e a condensação diferem de outras formas de convecção, pois dependem do calor latente de vaporização, que é muito alto para pressões comuns; portanto, grandes quantidades de calor podem ser transferidas durante a ebulição e a condensação, essencialmente a temperatura constante . Os coeficientes de transferência de calor , h, associados à ebulição e condensação são tipicamente muito mais altos do que os encontrados em outras formas de processos de convecção que envolvem uma única fase.
Modos de Condensação – Tipos de Condensação
Do ponto de vista prático da engenharia, a condensação pode ser categorizada de acordo com vários critérios .
Em geral, são observadas três formas distintas de condensação:
- Condensação de filme . Na condensação do filme , o condensado molha a superfície e forma um filme líquido na superfície que desliza sob a influência da gravidade. A condensação do filme resulta em baixas taxas de transferência de calor, pois o filme de condensado impede a transferência de calor. A espessura do filme formado depende de muitos parâmetros, incluindo orientação da superfície, viscosidade, taxa de condensação etc. O filme aumenta a resistência térmica ao fluxo de calor entre a superfície e o vapor. A taxa de transferência de calor é reduzida devido a essa resistência.
- Condensação gota a gota . Na condensação gota a gota, o vapor condensado forma gotículas na superfície em vez de um filme contínuo. A condensação gota a gota pode ocorrer quando a superfície não está molhando ou essas gotículas são retiradas da superfície por fluxo externo ou por gravidade. O vapor está em contato direto com a superfície na maior parte da área e as taxas de transferência de calor são muito maiores (mais de 3 a 10 vezes mais), pois há muito pouca resistência ao fluxo de calor entre o vapor e a superfície. As gotículas se desenvolvem nos locais de nucleação (pontos de imperfeições da superfície, como cavidades, arranhões e cavidades) e crescem em tamanho à medida que mais vapor se condensa na superfície exposta. Para condensadores de vapor, é prática comum usar revestimentos de superfície (silicons, teflons ou ceras) que inibem a umectação e, portanto, estimulam a condensação gota a gota. Mas os revestimentos perdem gradualmente sua eficácia devido à remoção, oxidação etc. Como na maioria das aplicações de engenharia, muitas vezes é difícil manter essa condição, o uso do valor dos coeficientes de transferência de calor assumindo que a condensação gota a gota para fins de projeto não é aconselhável.
- Condensação por contato direto. A condensação de contato direto, DCC, ocorre quando o vapor entra em contato com um líquido frio. Como nos condensadores de jato, a água de resfriamento é pulverizada no vapor de exaustão e há contato direto entre o vapor de exaustão e a água de resfriamento. O processo de condensação é muito rápido e eficiente, mas aqui a água de resfriamento e o vapor condensado são misturados. As vantagens da condensação de contato direto sobre os processos convencionais usando superfícies de transferência metálicas são devidas à relativa simplicidade do projeto, menos problemas de corrosão e descamação, custos de manutenção mais baixos, áreas de transferência específicas mais altas e taxas de transferência mais altas. Apesar dessas vantagens, os condensadores de jato não são comuns em usinas termelétricas, principalmente devido à perda de condensado .
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Condensação em Usinas – Condensador Principal
O sistema principal do condensador de vapor (MC) foi projetado para condensar e desaerar o vapor de exaustão da turbina principal e fornecer um dissipador de calor para o sistema de desvio da turbina. O vapor exaurido das turbinas LP é condensado passando por tubos que contêm água do sistema de resfriamento. Existe uma unidade condensadora principal sob cada turbina LP , geralmente abaixo da turbina com seu eixo perpendicular ao eixo da turbina. Como as usinas nucleares geralmente contêm também um condensador auxiliar (por exemplo, para condensar o vapor de bombas de água de alimentação movidas a vapor), os engenheiros usam o termo ” condensador principal “.
Veja também: Condensador principal
O condensador deve manter um vácuo baixo suficiente para aumentar a eficiência da usina. As bombas de vácuo mantêm um vácuo suficiente no condensador, extraindo ar e gases não condensados. A menor pressão viável do condensador é a pressão de saturação correspondente à temperatura ambiente (por exemplo, pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C ). Observe que sempre há uma diferença de temperatura entre (em torno de ΔT = 14 ° C) a temperatura do condensador e a temperatura ambiente, que se originam do tamanho finito e da eficiência dos condensadores. Como nem o condensador é um trocador de calor 100% eficiente, sempre há uma diferença de temperatura entre a temperatura de saturação (lado secundário) e a temperatura do líquido de arrefecimento no sistema de refrigeração. Além disso, há uma ineficiência de projeto, que diminui a eficiência geral da turbina. Idealmente, o vapor descarregado no condensador não teria sub-resfriamento . Mas os condensadores reais são projetados para sub-resfriar o líquido em alguns graus Celsius, a fim de evitar a cavitação de sucção nas bombas de condensado.
Os condensadores de vapor são amplamente classificados em dois tipos:
- Condensadores de superfície (ou condensadores do tipo sem mistura). Nos condensadores de superfície, não há contato direto entre o vapor de exaustão e a água de resfriamento.
- Condensadores a jato (ou condensadores do tipo mistura). Nos condensadores a jato, há contato direto entre o vapor de exaustão e a água de resfriamento.
Condensação no pressurizador
Um pressurizador é um componente de um reator de água pressurizada . A pressão no circuito primário dos PWRs é mantida por um pressurizador , um vaso separado que é conectado ao circuito primário (perna quente) e parcialmente preenchido com água que é aquecida até a temperatura de saturação (ponto de ebulição) para a pressão desejada por energia elétrica submersa. aquecedores. A temperatura no pressurizador pode ser mantida a 350 ° C (662 ° F), o que fornece uma margem de sub-resfriamento (a diferença entre a temperatura do pressurizador e a temperatura mais alta no núcleo do reator) de 30 ° C. A margem de sub-resfriamento é um parâmetro de segurança muito importante dos PWRs, pois a ebulição no núcleo do reator deve ser excluída. O projeto básico do reator de água pressurizada inclui tal requisito que o líquido de refrigeração (água) no sistema de refrigeração do reator não deve ferver. Para conseguir isso, o líquido de refrigeração no sistema de refrigeração do reator é mantido a uma pressão suficientemente alta para que a ebulição não ocorra nas temperaturas do líquido de refrigeração experimentadas enquanto a planta está em operação ou em um transiente analisado.
Funções
A pressão no pressurizador é controlada variando a temperatura do líquido de refrigeração no pressurizador. Para esses fins, dois sistemas estão instalados. Sistema de pulverização de água e sistema de aquecimento elétrico . O volume do pressurizador (dezenas de metros cúbicos) é preenchido com água nos parâmetros de saturação e vapor. O sistema de pulverização de água (água relativamente fria – da perna fria) pode diminuir a pressão no recipiente, condensando o vapor nas gotas de água pulverizadas no recipiente. Como o vapor entra em contato com um líquido frio, neste caso, estamos falando de condensação de contato direto . Por outro lado, os aquecedores elétricos submersos são projetados para aumentar a pressão por evaporação da água no navio. A pressão da água em um sistema fechado rastreia a temperatura da água diretamente; conforme a temperatura aumenta, a pressão aumenta.
Condensação no edifício de contenção
No caso de acidentes de base do projeto, como o LBLOCA, o aumento de pressão é geralmente significativo e sistemas de contenção ativos (sistemas de supressão de pressão ) devem estar disponíveis para manter a integridade (para manter a pressão e a temperatura). sob certos limites) do edifício de contenção .
Os sistemas de supressão de pressão são críticos para a segurança e afetam bastante o tamanho da contenção. Supressão refere-se à condensação do vapor após uma grande quebra libertá-lo do sistema de resfriamento. Existem muitos projetos de sistemas de supressão em todo o mundo.
A maioria das contenções de reatores de água pressurizada (PWRs) usa sistemas de supressão de pressão em dois estágios:
- Sistema de refrigeração do ventilador . Este sistema circula o ar através de trocadores de calor e filtros para fornecer o resfriamento da atmosfera de contenção. Como esse sistema não é suficiente para a supressão durante graves perdas de acidentes com líquido de arrefecimento, o sistema de pulverização de contenção deve estar disponível como sistema ativo secundário de supressão de pressão.
- Sistema de pulverização de contenção . Este sistema geralmente consiste em três elementos:
- Bomba do sistema de pulverização
- Tanque do sistema de pulverização
- Anéis e bocais do sistema de pulverização
Quando o aumento de pressão dentro do confinamento é indicado, o sistema de pulverização de contenção é iniciado automaticamente e as bombas (geralmente com redundância de 3 × 100%) aspiram o tanque (o tanque de armazenamento de água para reabastecimento também pode ser usado) e bombeiam a água para os bicos de pulverização localizado na parte superior do confinamento. As gotas de água, sendo mais frias que o vapor, removerão o calor do vapor, o que fará com que o vapor se condense. Isso causará uma redução na pressão do edifício e também reduzirá a temperatura da atmosfera de contenção. O sistema de pulverização geralmente contém aditivos químicos extras dissolvidos no tanque para melhorar a remoção de radionuclídeos específicos da atmosfera de contenção. Especialmente o radioiodo, que é de particular importância,
A maioria das contenções de reatores de água fervente ( BWR) usa piscinas de supressão de pressão para manter a integridade do edifício de contenção. Os principais desenhos de contenção são o Mark I, Mark II e o Mark III. As contenções Mark I e Mark II consistem em duas partes principais:
- Drywell . Um poço seco abriga o sistema de refrigeração do reator.
- Wetwell . Um poço úmido é uma câmara de supressão, que armazena uma grande quantidade de água e, portanto, é comumente chamada de piscina de supressão.
Os sistemas de pulverização de água são geralmente instalados no poço seco e no poço úmido. O projeto Mark III consiste em uma contenção primária e um poço seco.
Os edifícios de contenção e os sistemas de supressão de pressão de contenção variam muito, dependendo do projeto de certos reatores. Em alguns casos, tecnologias realmente únicas podem ser instaladas. Por exemplo, o prédio de contenção da Loviisa NPP usa dois condensadores de gelo como sistema de supressão de pressão.
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