O que é ebulição e condensação – Definição

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

h _lg = 931 kJ / kg

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 . 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

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

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

O condensador 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.

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

Um 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.