O que é ebulição e condensação – Definição

A ebulição e a condensação diferem de outras formas de convecção, pois dependem do calor latente da vaporização, que é muito alto. Ebulição e condensação

Ebulição e condensação

Diagrama de fases da água
Diagrama de fases da água.
Fonte: wikipedia.org CC BY-SA

Nos capítulos anteriores, discutimos a transferência de calor por convecção com suposição muito importante. Assumimos uma transferência de calor por convecção monofásica sem nenhuma mudança de fase. Neste capítulo, focaremos na transferência de calor por convecção associada à mudança na fase de um fluido . Em particular, consideramos processos que podem ocorrer em uma interface sólido-líquido ou vapor sólido, ou seja, ebulição (mudança de fase de líquido para vapor) e condensação ( mudança de fase de vapor para líquido).

Para esses casos, os efeitos do calor latente associados à mudança de fase são significativos. O calor latente , conhecido também como entalpia da vaporização, é a quantidade de calor adicionada ou removida de uma substância para produzir uma mudança de fase. Essa energia decompõe as forças atrativas intermoleculares e também deve fornecer a energia necessária para expandir o gás (o trabalho pΔV ). Quando o calor latente é adicionado, nenhuma mudança de temperatura ocorre.

Calor latente de vaporização - água a 0,1 MPa, 3 MPa, 16 MPa
O calor da vaporização diminui com o aumento da pressão, enquanto o ponto de ebulição aumenta. Ele desaparece completamente em um determinado ponto chamado ponto crítico.

entalpia da vaporização é uma função da pressão na qual essa transformação ocorre.

Calor latente de vaporização – água a 0,1 MPa (pressão atmosférica)

lg = 2257 kJ / kg

Calor latente de vaporização – água a 3 MPa (pressão dentro de um gerador de vapor)

lg = 1795 kJ / kg

Calor latente de vaporização – água a 16 MPa (pressão dentro de um pressurizador )

lg = 931 kJ / kg

supercritical-phase-critical-point-mincalor da vaporização 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 altosdo que os encontrados em outras formas de processos de convecção que envolvem uma única fase.

Isso ocorre porque, mesmo em fluxo turbulento , existe uma camada de filme fluido estagnada (subcamada laminar), que isola a superfície do trocador de calor. Essa camada de filme fluido estagnado desempenha papel crucial para o coeficiente de transferência de calor por convecção. Observa-se que o fluido para completamente na superfície e assume velocidade zero em relação à superfície. Esse fenômeno é conhecido como condição antiderrapante e, portanto, na superfície, o fluxo de energia ocorre puramente por condução. Porém, nas próximas camadas, ocorrem movimentos de condução e difusão-massa no nível molecular ou no nível macroscópico. Devido ao movimento de massa, a taxa de transferência de energia é maior. Como foi escrito,a ebulição de nucleados na superfície interrompe efetivamente essa camada estagnada e, portanto, a ebulição de nucleados aumenta significativamente a capacidade de uma superfície de transferir energia térmica para o fluido a granel.

Ponto de Ebulição – Saturação

Na termodinâmica, o termo  saturação  define uma condição na qual uma mistura de vapor e líquido pode existir juntos a uma dada temperatura e pressão. A temperatura na qual a  vaporização  (ebulição) começa a ocorrer para uma dada pressão é chamada de  temperatura de saturação  ou  ponto de ebulição . A pressão na qual a vaporização (fervendo) começa a ocorrer para uma determinada temperatura é chamada pressão de saturação.

Quando a qualidade do vapor é igual a 0, é chamado de  estado líquido saturado  (monofásico). Por outro lado, quando a qualidade do vapor é igual a 1, é chamado estado de vapor saturado  ou  vapor seco  (monofásico). Entre esses dois estados, falamos sobre  mistura líquido-vapor  ou  vapor úmido  (mistura bifásica). A pressão constante, uma adição de energia não altera a temperatura da mistura, mas a qualidade do  vapor  e o volume específico mudam. 

Saturação no pressurizador

Propriedades termodinâmicas extensas vs. intensivas
Propriedades extensivas e intensivas do meio 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. Por outro lado, os aquecedores elétricos submersos são projetados para aumentar a pressão por  evaporação da água  no vaso. A pressão da água em um sistema fechado rastreia a temperatura da água diretamente; conforme a temperatura aumenta, a pressão aumenta.

Ebulição no gerador de vapor

Gerador de vapor - vertical
Gerador de vapor – vertical

Geradores de vapor são  trocadores de calor  usados ​​para converter  água de alimentação em vapor a  partir do calor produzido no núcleo de um  reator nuclear . O vapor produzido aciona a turbina. Eles são usados ​​nas usinas mais nucleares, mas existem muitos tipos de acordo com o  tipo de reator .

O líquido de arrefecimento primário quente ( água 330 ° C; 626 ° F; 16MPa ) é bombeado para  o gerador de vapor  através da entrada primária. A alta pressão do líquido de arrefecimento primário é usada para manter a água no estado líquido. A ebulição do líquido de arrefecimento primário não deve ocorrer.  A água líquida flui através de centenas ou milhares de tubos (geralmente 1,9 cm de diâmetro) dentro do gerador de vapor. A água de alimentação (circuito secundário) é aquecida de  ~ 260 ° C a 500 ° F  até o ponto de ebulição desse fluido  (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . O calor é transferido através das paredes desses tubos para o líquido de refrigeração secundário de baixa pressão localizado no lado secundário do trocador, onde o líquido de refrigeração evapora para vapor pressurizado (vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) . O vapor pressurizado sai do gerador de vapor através de uma saída de vapor e continua até a turbina a vapor. A transferência de calor é realizada sem a mistura dos dois fluidos para impedir que o líquido de arrefecimento secundário se torne radioativo. O líquido de arrefecimento primário sai  (água 295 ° C; 563 ° F; 16MPa)  do gerador de vapor através da saída primária e continua através de uma perna fria até  uma bomba de líquido de refrigeração do reator  e depois para o reator.

Condensação no Condensador Principal

Condensador - Aquecedores de LP - Desaeradorcondensador deve manter um baixo vácuo 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. Porém, esse sub-resfriamento aumenta a ineficiência do ciclo, porque é necessária mais energia para reaquecer a água.

Ciclo Rankine - pressão do condensador
Diminuir a pressão de escape da turbina aumenta o trabalho líquido por ciclo, mas também diminui a qualidade do vapor de saída.

O objetivo de manter a menor pressão prática de exaustão da turbina é a principal razão para incluir o condensador em uma usina termelétrica. O condensador fornece um vácuo que maximiza a energia extraída do vapor, resultando em um aumento significativo no trabalho líquido e na eficiência térmica. Mas também este parâmetro (pressão do condensador) tem seus limites de engenharia:

  • Diminuir a pressão de exaustão da turbina diminui a qualidade do vapor (ou fração de secura). Em algum momento, a expansão deve ser encerrada para evitar danos que podem ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de  baixa qualidade .
  • Diminuir a pressão de exaustão da turbina aumenta significativamente o volume específico de vapor exaurido, o que requer grandes lâminas nas últimas fileiras do estágio de baixa pressão da turbina a vapor.

Em uma turbina a vapor úmida típica  , o vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de  0,008 MPa,  que corresponde a 41,5 ° C). Este vapor está em um estado parcialmente condensado (ponto F), normalmente com uma qualidade próxima a 90%. Observe que a pressão dentro do condensador também depende das condições atmosféricas do ambiente:

  • temperatura do ar, pressão e umidade em caso de resfriamento na atmosfera
  • temperatura da água e vazão em caso de resfriamento em um rio ou mar

propriedades do vapor - tabelas de vaporUm aumento na temperatura ambiente causa um aumento proporcional na pressão do vapor exaurido ( ΔT = 14 ° C  é geralmente uma constante), portanto, a eficiência térmica do sistema de conversão de energia diminui. Em outras palavras, a  produção elétrica  de uma usina  pode variar de acordo  com as  condições ambientais , enquanto a energia térmica permanece constante.

Para manter os parâmetros no interior do condensador (0,008 MPa e 41,5 ° C), a  água  de resfriamento do sistema de resfriamento deve estar suficientemente fria e não pode haver grande diferença de temperatura entre o temperador da água de saída e de entrada, portanto a vazão através do sistema de resfriamento deve ser muito alto. A vazão do sistema de resfriamento (com torres de resfriamento úmidas) pode ser de até 100 000 m3 / h (27,7 m3 / s). A água de entrada do condensador pode ter cerca de 22 ° C (dependendo fortemente das condições ambientais), enquanto a saída do condensador pode ter cerca de 25 ° C. Os sistemas de refrigeração da água do mar operam com vazões mais altas, por exemplo, 130 000 m3 / h.

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.