CONDENSADORES DE VAPOR Y SUS ACCESORIOS APLICACIONES DE LOS CONDENSADORES Los condensadores de vapor son aparatos en los cuales se condensa el vapor de escape procedente de la turbina y de donde el aire y otros gases no condensables son evacuados en forma continua. Dos son las ventajas que pueden conseguirse empleando condensadores en las turbinas de vapor: (1) disminución de la presión de escape, con el consiguiente aumento en energía utilizable; y (2) recuperación del condensado para utilizarlo como agua de alimentación para las calderas. En la mayoría de las centrales de vapor la recuperación del condensado es muy importante, constituyendo una necesidad en la mayoría de las aplicaciones. El agua de alimentación de las calderas tomada de lagos, ríos o mares, debe vaporizarse o tratarse apropiadamente antes de introducirla en los generadores de vapor. Con la tendencia a hacer trabajar las calderas a presión y temperaturas cada vez más elevadas, ha aumentado la necesidad de aguas de alimentación puras, dando como resultado que la mayoría de los condensadores instalados sean del tipo de superficie, los cuales permiten recuperar el condensado. La condensación del vapor de agua en un recinto cerrado produce un vacío parcial, debido a la gran disminución de volumen experimentada por el vapor de baja presión. Un kilogramo de vapor de agua seco, a una presión absoluta de 1,033 kg/cm2 ocupa un volumen de 1,670 m3. Teóricamente si esta cantidad estuviese contenida en un recinto estanco para el vapor, de capacidad de 1,670 m3 a una presión absoluta de 1,033 kg/cm2 y si la condensación dentro del agua tuviese lugar a una temperatura de 61.1 ºC, el líquido ocuparía únicamente un volumen de 0.001 m3, o sea 1/1644 del volumen interior del recinto, quedando reducida la presión absoluta a 0.21 kg/cm2. La energía necesaria teóricamente para el funcionamiento de tal condensador sería la absorbida por la bomba para comprimir el kilogramo de líquido condensado desde 0.21 kg/cm2 hasta 1,033 kg/cm2 más la necesaria para hacer circular el agua de enfriamiento.
TIPOS DE CONDENSADORES. En las centrales térmicas se utilizan dos tipos de condensadores: (1) de superficie, y (2) de chorro. Los condensadores de superficie proporcionan una baja presión de escape y al mismo tiempo permiten recuperar el condensado. Los condensadores de chorro solamente proporcionan una baja presión de escape, pues el condensado se mezcla con el agua de enfriamiento. En las centrales equipadas con grandes turbinas de vapor no pueden emplearse condensadores de chorro, porque, aun prescindiendo de la pérdida del condensado, el consumo de energía de las bombas de estos condensadores y el costo inicial de las necesarias para evacuar el aire neutralizan los beneficios conseguidos con el elevado vacío obtenido con este tipo de condensadores. Sin embargo, tratándose de turbinas de tamaño moderado, así como de máquinas de vapor de émbolo, los condensadores de chorro tienen bastante aplicación, especialmente en el caso que abunde el agua de alimentación de buena calidad. Un condensador de superficie consiste generalmente en un cilindro de hierro colado, o de chapa de hierro, con una tapa porta‐tubos en cada extremo, las cuales unen entre sí una multitud de tubos que forman la superficie de enfriamiento. El vapor de escape entra en el condensador por un orificio situado en la parte superior de la envolvente, y el agua de enfriamiento pasa por el interior de los tubos. Otra forma de condensación de superficie, conocida por condensador evaporativo, es aquella en que el cilindro‐envolvente se ha suprimido. El vapor pasa por el interior de los tubos del condensador sobre los cuales se lanza agua pulverizada. El enfriamiento se produce principalmente por la evaporación del agua en la atmósfera. Los condensadores de chorro pueden ser de nivel bajo nivel bajo y barométrico. Los dos tipos son similares por lo que se refiere a la forma en la cual el vapor de escape y el agua de enfriamiento se ponen en contacto; la diferencia estriba en el método de evacuar el agua y el condensado. Los condensadores de chorro en los
cuales el agua de enfriamiento, el condensado y los gases no condensables son evacuados por medio de una sola bomba, se denominan condensadores de chorro, de vacío reducido y de nivel bajo, debido a la limitada capacidad de aire de la bomba. En el condensador representado en la figura 2.1, los gases no condensables son evacuados por medio de una bomba o eyector independiente, consiguiéndose un vacío más elevado. Este tipo de condensador se denomina de chorro, de vacío elevado y de nivel bajo. En determinadas condiciones el aire y el agua pueden ser evacuados por la acción cinética de la vena de fluido, en cuyo caso el condensador de chorro se denomina condensador eyector o de sifón.
Figura 2.1 Condensador de chorro de nivel bajo (de contacto directo).
CONDENSADORES DE SUPERFICIE En los condensadores de superficie se puede recuperar el condensado porque no se mezcla con el agua de enfriamiento. El vapor que hay que condensar normalmente circula por fuera de los tubos (figura 2.2), mientras que el agua de enfriamiento, o circulante, pasa por el interior de los mismos. Esto se hace principalmente porque el vapor limpio no ensucia la superficie externa de los tubos, la cual es difícil de limpiar. El agua de enfriamiento frecuentemente está sucia y deja sedimento en el interior de los tubos. El método usual de limpiarlos consiste en desmontar las tapas del condensador y hacer pasar por dentro de los tubos cepillos de alambre movidos por un motor eléctrico. Esta tarea no es tan sencilla como puede parecer, porque un condensador puede tener de mil a once mil tubos.
Figura 2.2 Condensador de superficie Westinghouse, radial de dos pasos.
Los condensadores de superficie pueden ser de paso único, en los cuales el agua circula en un solo sentido a través de todos los tubos o de dos pasos, en los cuales el agua circula en un sentido a través de la mitad de los tubos y vuelve a través de los restantes. La mayoría de los grandes condensadores están equipados con una bomba centrífuga para evacuar el condensado líquido, y un eyector de aire de tipo de chorro para evacuar el aire y los gases. La figura 2.3 representa una instalación moderna típica de turbina con su condensador. El condensador de dos pasos se halla suspendido directamente del fondo de la turbina, no necesitándose ninguna junta de dilatación. Soportes de muelle ayudan a sostener el peso del condensador, y, al mismo tiempo, permiten cierto movimiento para compensar las dilataciones y contracciones. Las tuberías de agua del condensador generalmente van provistas de juntas de dilatación de caucho, debido a que solamente han de soportar la baja presión del agua de enfriamiento. La bomba del condensador evacua el agua tan pronto como ésta va cayendo en el pozo caliente. El condensado actúa de refrigerante en los condensadores intermedio y posterior al ser bombeado al depósito de almacenamiento o al calentador de baja presión. El aire y gases no condensables son evacuados del condensador principal por medio de eyectores de vapor.
Figura 2.3 Instalación de una turbina y condensador. Un condensador de superficie y su equipo auxiliar debe cumplir los requisitos siguientes: 1. El vapor debe entrar en el condensador con la menor resistencia posible, y la caída de presión a través del mismo deberá ser reducido a mínimo. 2. El aire (el cual es un cuerpo mal conductor del calor) debe evacuarse rápidamente de las superficies transmisoras de calor. 3. El aire debe recogerse en puntos apropiados, prácticamente libre de vapor de agua, y enfriado a una temperatura baja. 4. La evacuación del aire debe realizarse con un gasto mínimo de energía. 5. Asimismo debe rápidamente evacuarse el condensado de las superficies transmisoras del calor y devolverse, libre de aire, a la caldera a la máxima temperatura posible. 6. El agua de enfriamiento debe atravesar el condensador con un rozamiento reducido, dejando un mínimo de sedimentos, y con una absorción de calor máxima.
Los tubos de los condensadores generalmente son de latón rojo (85 % de cobre, 15 % de zinc), o de metal Muntz (60 % de cobre, 40 % de zinc) para agua pura, y de latón Admiralty (70 % de cobre, 29 % de zinc, 1 % de estaño) para agua salada, y aguas impuras de ríos. El diámetro exterior de los tubos varía de 15.8 a 25.4 mm, empleándose generalmente el N° 18 B.W.G., el cual tiene un espesor de pared de 1.25 mm.
La figura 2.4 representa una vista de un condensador moderno de dos pasos y doble circulación, construido para requerir una altura de local mínima.
Figura 2.4 Corte ideal de un condensador Foster Wheeler de doble circulación.
La figura 2.5 es una vista en corte de este aparato, el cual tiene 6,510 m2 de superficie de tubo y puede servir a una turbina de 1000 000 kW.
Figura 2.5 Corte transversal en alzado del condensador de doble circulación.
Las flechas indican que el vapor fluye hacia abajo a través de la primera batería de tubos y, al mismo tiempo, pasa por el paso central, siguiendo a continuación una trayectoria ascendente a través de la segunda batería de tubos. Esta disposición da lugar a la denominación “doble circulación”, y a una acción desgasificante y de recalentamiento. Todo el vapor que se condensa sobre los tubos de la batería inferior gotea a contracorriente con respecto al vapor entrante. El vapor que se condensa sobre los tubos de la batería superior pasa por entre los tubos de ésta y se recoge en una bandeja inclinada que separa los tubos de las baterías superior e inferior.
La sección triangular del enfriador de aire que aparece en el centro de la figura anterior se emplea para reducir el volumen de aire y gases no condensables antes de evacuarlos mediante la bomba de aire.
CONDENSADORES DE CHORRO, DE NIVEL BAJO En la figura 2.6 aparece un condensador de chorros múltiples, de nivel bajo.
Figura 2.6 Instalación de un condensador‐eyector. El condensador consiste en cámara cilíndrica cerrada, en cuya parte superior hay una caja de boquillas de agua, la cual va acoplada a un tubo en forma de Venturi, cuyo extremo inferior se halla sumergido en el agua. El agua inyectada pasa por las boquillas por la presión de la bomba y por el vacío existente. Los chorros están dirigidos a la garganta del tubo en donde se reúnen para formar un solo chorro. El vapor de escape en el condensador por la parte superior se pone en contacto directo con los chorros de agua convergentes, y se condensa. Por el efecto combinado de la presión del agua externa, el vacío existente dentro del condensador, y la acción de la gravedad, los chorros de agua alcanzan una velocidad suficiente para arrastrar el vapor condensado, el aire, y los gases no condensables, y para descargarlos en el pozo caliente venciendo la presión atmosférica. Los chorros de agua crean el vacío al condensar el vapor, y lo mantienen al arrastrar y evacuar el aire y los gases no condensables. De esta forma no se requiere bomba alguna para evacuar el aire y el agua La unión que aparece en la figura entre la turbina y el condensador consiste en un tubo de cobre ondulado con bridas de hierro colado. Esta unión permite las dilataciones y contracciones producidas por las variaciones de temperatura.
CONDENSADORES BAROMÉTRICOS La figura 2.7 representa la sección de un condensador barométrico (de contacto directo), a contracorriente, el cual se emplea el sistema de discos para distribuir el agua.
Figura 3.7 Condensador barométrico (de contacto directo), de discos y de contracorriente. En el condensador ilustrado el agua de enfriamiento entra por un punto situado por encima de la entrada del vapor, y el agua va cayendo de disco en disco, como aparece en la figura. El aire contenido es evacuado por medio de un eyector de aire, de chorro de vapor, con dos escalonamientos y con un enfriador intermedio. El vapor a alta presión al expansionarse a través de las toberas a una elevada velocidad, ras a una elevada velocidad, arrastra el aire y los gases no condensables; la energía cinética de esta elevada velocidad se transforma en presión en la garganta del tubo combinador, comprimiendo e impeliendo hacia el exterior la mezcla de aire‐vapor. El agua caliente resultante del proceso de condensación cae en el fondo del condensador y, a continuación, en el tubo de salida, mientras que el aire es enfriado en la parte superior del aparato, quedando a una temperatura próxima a la del agua de entrada. De esta manera el eyector de aire trabaja con gases fríos, que contienen poco vapor y, prácticamente, nada de agua. La parte inferior del tubo de salida (de unos 10.7 m de longitud) está sumergida en el pozo caliente. Como quiera que la presión atmosférica puede soportar una columna de agua de 10.36 m de altura, el tubo de salida constituye una bomba de evacuación automática, y el agua sale de dicho tubo tan rápidamente como se va acumulando en el mismo.
CALOR ABSORBIDO POR UN CONDENSADOR El tamaño del condensador y equipo anexo depende de la entalpía total del vapor entrante, y de la cantidad y temperatura del agua de enfriamiento. Cuando el condensador va directamente acoplado a un grupo generador‐máquina, o generador‐turbina, de vapor, sin recalentamiento ni extracción, la entalpía suministrada al condensador es la suministrada a la máquina motriz, cuyo escape va al condensado, menos la convertida en trabajo y la consumida en pérdidas del generador, rozamientos, convección, radiación, y otras pérdidas no determinables fácilmente. Por consiguiente
ms ht
=
h x
ht −
=
ms h x
860 K +
em
860 K em ms
en donde
h x = entalpía del vapor en el escape, kcal/kg. ht = entalpía del vapor en el estrangulamiento, kcal/kg.
860 = equivalente de 1 kW‐hora, kcal/kW‐hora. K = carga de la máquina motriz, kW. ms = vapor suministrado a la máquina motriz, kg/hora. em = rendimiento eléctrico y mecánico combinado de la máquina motriz, expresado en fracción decimal incluyendo todos los rozamientos, pérdida, eléctricas, resistencia exterior del aire, convección y radiación. Cuando la carga
K
aplicada a la máquina motriz viene expresada en HP, la constante 860 debe sustituirse
por 642. El valor de em varía con el tipo y tamaño de la máquina motriz, y puede suponerse o bien obtenerse del constructor.
AGUA DE ENFRIAMIENTO PARA LOS CONDENSADORES DE CHORRO En los condensadores de chorro el agua de enfriamiento y el condensado se descargan mezclados y, por consiguiente, tienen la misma temperatura media de descarga. Despreciando los efectos de radiación, convección, fugas y aire arrastrado, el calor cedido por el vapor de escape es igual al absorbido por el agua de enfriamiento. Por consiguiente,
ms ( h x
−
h f , 2 ) = mw ( h f , 2
−
h f ,1 )
o
mw
=
( h x
−
(h f , 2
h f , 2 )
−
h f ,1 )
ms
en donde
mw = masa del agua de inyección requerido, kg/hora. h f , 2 = entalpía de la mezcla saliente del condensador, kcal/kg. h f ,1 = entalpía del agua de inyección entrante en el condensador, kcal/kg. La temperatura de la mezcla de agua de enfriamiento y condensado que abandona el condensador sería la misma que la correspondiente a la presión absoluta del condensador, si no fuese por la presión parcial (ley de Dalton) ejercida por los gases no condensables. En los condensadores de chorro, de vacío elevado, la presión del aire es baja y la diferencia se halla comprendida entre 3.3 y 5.5 ºC; en los condensadores de chorro de vacío reducido la diferencia puede ser del orden de 6.6 a 11.1 ºC. La masa de agua de enfriamiento requerido por kilogramo de vapor varía de 20 a 60 kg, dependiendo principalmente de la
temperatura inicial del agua y del vacío deseado. La experiencia demuestra que es preciso añadir al valor calculado de mw , mediante la fórmula anterior, un mínimo del 10 % para obtener la masa de agua de inyección que probablemente hay que emplear.
AGUA DE CIRCULACIÓN REQUERIDA EN LOS CONDENSADORES DE SUPERFICIE Se ha intentado disipar el calor cedido por los condensadores de superficie haciendo pasar sobre sus superficies una corriente de aire. El consumo de energía necesaria para conseguir el efecto refrigerante necesario excluye de las posibilidades prácticas el método de enfriamiento por aire, a excepción de las locomotoras. El agua es el único medio refrigerante efectivo. La masa del agua de enfriamiento varía con la forma del condensador y con las condiciones de funcionamiento, tales como diámetro, espesor y separación entre tubos; grado de limpieza de la superficie de éstos; temperatura inicial y velocidad del agua de circulación, y vacío deseado. La cantidad requerida de agua de circulación puede determinarse aproximadamente por cálculo, incrementando los valores así hallados según la experiencia aconseje. En los condensadores de superficie el calor cedido por el vapor de escape es igual al absorbido por el agua de circulación, si se desprecia el efecto de convección, radiación, fugas y aire arrastrado.
ms ( h x
−
h f ,c ) = mw ( h f , 2
−
h f ,1 )
o
mw
=
( h x
−
(h f , 2
h f ,c )
−
h f ,1 )
ms
en donde
mw = masa del agua de circulación, kg/hora. h f ,c = entalpía del condensado al abandonar el condensador, kcal/kg. h f , 2 = entalpía del agua de circulación al abandonar el condensador, kcal/kg. h f ,1 = entalpía del agua de circulación al entrar en el condensador, kcal/kg.
La temperatura de descarga del agua de circulación acostumbra ser de 5 a 11°C inferior a la correspondiente a la presión del vapor en el condensador. La temperatura del condensado frecuentemente es 8ºC, o más, inferior a la del vapor de escape; pero si el aparato está bien calculado, la temperatura del condensado se aproxima muchísimo a la temperatura correspondiente a la de la presión total del condensador. La masa de agua de circulación requerido por kilogramo de vapor varía de 25 a 50 kg con un vacío reducido, y de 60 a 120 kg para un vacío superior a 686 mm de mercurio, considerando que la presión atmosférica valga 762 mm. Un valor medio para los condensadores de las turbinas de vapor, de vacío elevado, es 39 kg de vapor condensado por hora y metro cuadrado de superficie de tubo. En algunas centrales térmicas se emplean los condensadores de superficie de tipo vertical y de un solo paso; su superficie varía de 0.06 a 0.11 m2 por kW nominal de turbina. Para los tipos horizontales, de paso único y de dos pasos, se requiere aproximadamente de 0.084 a 0.163 m2 por kW. Los grupos generador‐ turbina de pequeña potencia requieren de 0.186. a 0.372 m2 de superficie de tubo por kW.
TRANSMISIÓN CALORÍFICA DE LOS CONDENSADORES DE SUPERFICIE. La actuación de un condensador de superficie se expresa en kilocalorías transmitidas por metro cuadrado de superficie de tubo, por hora y por grado de diferencia media de temperatura entre los fluidos situados en contacto con ambas caras del tubo. Despreciando la convección, radiación y fugas externas, el calor absorbido por el agua de circulación es igual al cedido por el vapor de escape, o sea
Q = UAθ m
A =
Q UAm
=
=
ms ( h x
ms ( h x
−
−
h f , c )
h f , c )
U θ m
en donde
Q = calor transmitido, kcal/hora. A = área de la superficie de enfriamiento, en la cara del vapor, m2. U = coeficiente medio de transmisión calorífica, kcal/h/m2/ºC de diferencia media de temperatura. θ m = diferencia de temperatura media logarítmica entre el vapor y el agua de circulación °C.
El coeficiente U que interviene en la fórmula anterior se refiere a valor promedio de la totalidad de la superficie de tubos y no a un valor local, debido a que éste varía muchísimo en las diferentes partes del condensador. El valor local varía desde más de 4,880 kcal para vapor exento de aire, en la parte superior del condensador, hasta casi 24.4 kcal para tubos rodeados únicamente por aire (como ocurre aproximadamente en la parte más baja de un condensador de superficie). Los resultados obtenidos en los ensayos realizados con varios tipos de condensadores de superficie sirvieron de base para los coeficientes de transmisión calorífica indicados en la figura 2.8. Estas curvas demuestran que el valor del coeficiente aumenta con la velocidad del agua que circula por el interior de los tubos; que varía con la temperatura del agua de entrada, siendo más grande con altas que con bajas temperaturas del agua y que los tubos de pequeño diámetro dan un coeficiente de transmisión algo más elevado que los de diámetro más grande.
Figura 2.8 Curvas de transmisión de calor para condensadores de superficie instalados con turbinas de vapor; para condensadores instalados con máquinas de vapor que no sean turbinas, utilícese 0.65 de los valores de U indicados en este gráfico.
Es asimismo sabido que el estado de las superficies (interna y externa) de los tubos, por lo que se refiere a la limpieza, película de aire e incrustaciones, influyen en gran escala en la transmisión de calor. El que el vacío sea elevado en los condensadores depende principalmente de que la temperatura del agua de enfriamiento sea lo más baja posible. La figura 2.8 representa las curvas de transmisión calorífica correspondiente a tres diámetros de tubos, a saber: 19 mm, 22 mm y 25.4 mm (diámetros exteriores), cada uno con el espesor No 18 B.W.G.; el tubo de 19 mm posee el coeficiente de transmisión más elevado. Estas curvas están basadas en una temperatura de entrada del agua de circulación de 21ºC y una cantidad de vapor de 39 kg/m2/hora. También aparece una curva de corrección para varias temperaturas del agua, y otra para el caso de cargas parciales. Puede suceder en la práctica que no se utilice eficientemente la totalidad de la superficie, de enfriamiento, con lo cual baja el valor medio de U. Por ejemplo, si un condensador estuviese construido para trabajar con agua de entrada a 21ºC, 39 kg de vapor/m2/hora, tubos de 19 mm y una velocidad del agua de circulación por el interior de los tubos de 1.83 m/seg., el valor de U dado por la figura sería 3,220.8 kcal. Pero si este condensador estuviese alimentado con agua a 15.6ºC a una velocidad de 1.37 m/seg y la carga fuese 19.5 kg de vapor por m2 y por hora, el valor de U sería:
U = (0.92)(0.85)(2,806) = 2200 Estos valores presuponen que los tubos se hallan “comercialmente” limpios. El coeficiente U debe multiplicarse por un factor que varía de 0.8 a 0.9 para tener en cuenta la diferencia entre los tubos limpios y sucios con aguas en condiciones normales. Para máquinas con vapor de escape aceitoso este factor vale corrientemente 0.65. La cantidad de calor que atraviesa la superficie de enfriamiento de cualquier intercambiador de calor es proporcional a la diferencia de temperatura en cualquier instante para un punto dado. La diferencia de temperatura local es indeterminada, y por esta razón es preciso establecer una diferencia de temperatura media para el período total del contacto térmico entre el vapor y el agua de circulación. La temperatura media aritmética o logarítmica puede ser útil para este fin, pero la determinación de cada valor se basa en una hipótesis que no representa condiciones reales. En general, de la figura siguiente θ m
=
θ a
− θ b
ln
θ a θ b
en donde θ m = diferencia de temperatura media logarítmica, ºC. θ a = diferencia de temperatura entre el fluido caliente entrante y su alrededor, ºC. θ b = diferencia de temperatura entre el fluido caliente saliente y su alrededor, ºC.
Figura 2.9 Diferencia de temperatura en los condensadores.
Asimismo,
θ
=
T s
−
2
T c
−
T 2
+
T 1
2
=
(T s
−
T 2 ) + (T c
−
T 1 )
2
en donde θ = diferencia de temperatura media aritmética, °C.
T s = temperatura en el recinto de vapor, ºC. T c = temperatura del condensado al salir del condensador, ºC. T 2 = temperatura del agua de circulación al salir del condensador, °C. T 1 = temperatura del agua de circulación al entrar en el condensador, ºC.
MÉTODOS PARA ENFRIAR EL AGUA. Cuando no se dispone de agua en abundancia con un costo reducido, o de una fuente natural, es preciso servirse de algún procedimiento para enfriar el agua de circulación. Frecuentemente el agua de enfriamiento circula continuamente, debiendo enfriarse después de cada paso a través del condensador. El enfriamiento se consigue a base de exponer al aire una gran superficie de agua. La evaporación resulte de parte del agua con la absorción del calor latente de vaporización enfría el resto, de suerte que el agua enfriada puede volver a circular de nuevo. Este proceso de reenfriamiento del agua se acostumbra a realizar mediante estanques o torres de enfriamiento. El procedimiento más antiguo de enfriar y almacenar el agua de circulación de los condensadores consistía en descargar el agua caliente en un estanque de suficiente superficie, de forma que el agua se enfriaba al pasar el aire sobre la superficie del estanque. Con el fin de reducir la gran superficie que se requiere, el agua caliente se deja caer en forma de lluvia sobre el es‐ tanque, aumentando de esta manera la velocidad de enfriamiento, el cual se lleva a cabo por convección y evaporación. Los estanques naturales si rociadores requieren de 30 a 50 veces la superficie de las instalaciones de enfriamiento con rociadores. Las limitaciones impuestas por el espacio disponible y las pérdidas producidas por el viento dieron origen a la creación de las torres de enfriamiento, las cuales son estructuras rectangulares de madera o metálicas provistas de pantallas apropiadas. El agua caliente llega por su parte alta y cae, en forma de láminas delgadas o lluvia, en el depósito situado debajo. El aire entra por el fondo y asciende por el interior de la torre, enfriando el agua por contacto (convección) y por la evaporación parcial que se produce. La circulación del aire puede ser por tiro natural o bien por tiro forzado. Con tiro natural (en este caso el tiro se origina por la diferencia de temperaturas entre el aire interior y el exterior de la torre) se puede mejorar el efecto disponiendo de una chimenea en la parte alta de la estructura. Las torres con tiro forzado tienen tapadas las caras laterales, exceptuando los orificios correspondientes a los ventiladores; el aire caliente y saturado sale por la parte alta de la torre, la cual está destapada. La figura 2.10 representa el esquema de una instalación típica, compuesta de condensador de superficie y de torre de enfriamiento para el agua circulación.
Figura 2.10 Diagrama de funcionamiento de un condensador de superficie.
Las centrales termoeléctricas que tienen una potencia instalada muy grande, la cantidad requerida de agua es realmente muy grande. Por las razones anteriores las centrales termoeléctricas normalmente se instalan en las proximidades de ríos o del mar, y muchas veces recurre a la circulación del agua enfriamiento mediante el uso de TORRES DE ENFRIAMIENTO de manera que se tenga un circuito cerrado. Este enfriamiento del agua que sale del condensador se puede sugerir ya sea de la poca disponibilidad, de la poca pureza y también de la excesiva temperatura. El enfriamiento se obtiene generalmente haciendo que el agua se convierta en una fina lluvia por medio de una corriente de aire. LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO se construyen básicamente en dos tipos:
Torres de enfriamiento con tiro natural. Torres de enfriamiento con tiro mecánico. Las principales ventajas y desventajas de cada uno de estos tipos de torres se indican a continuación:
Torres de enfriamiento con tiro natural En este tipo de torres la temperatura del agua de enfriamiento es mayor que en aquellas de tiro mecánico por lo que la temperatura del aire exterior provoca una variación mayor. Presentan las siguientes ventajas y desventajas. a) Ventajas Es una estructura estática sin partes en movimiento por lo que su funcionamiento es seguro y requiere de poco mantenimiento. Cuando el aire húmedo se descarga a una altura grande, no existe el problema de recirculación. b) Desventajas Por lo general la construcción de estas torres requiere de una superficie mayor en su base que las de tiro mecánico y su inversión inicial es mayor. La temperatura del agua de enfriamiento es más elevada, lo que puede traer como consecuencia una ligera reducción en la potencia de la turbina y un incremento en el consumo de combustible.
Torres de enfriamiento con tiro mecánico a) Ventajas Se obtiene un enfriamiento mayor con lo cual se puede obtener un incremento en la potencia de la turbina. Ofrece mayor flexibilidad en su operación y requiere de una inversión inicial menor. b) Desventajas Como este tipo de torres requiere para su operación del uso de ventiladores se requiere de un consumo adicional de la energía, requiere también de más mantenimiento y paros para revisión de las partes en un movimiento. Tiene algunos problemas de recirculación con la descarga de aire húmedo a alturas cercanas al nivel del suelo: La elección del tipo de torre de enfriamiento obedece a un análisis técnico económico que depende en una buena parte de las condiciones climatológicas y de la curva de utilización anual de las centrales, así como de la variación de la potencia de la turbina con la temperatura. De acuerdo a estas consideraciones es posible que en México el tipo de torre de enfriamiento recomendable sea el de tiro mecánico.
Figura 2.11 TORRE DE ENFRIAMIENTO HIPERBÓLICA
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Condensador Vapor de la turbina Bomba de agua fresca Rejilla de salida de vapor Aire fresco Salida del aire Descarga del agua Agua fresca
Figura 2.12 Torre de enfriamiento de aspersión atmosférica.
Figura 2.13 Torre eyectora de enfriamiento.
Figura 2.14 Torres de enfriamiento de tiro inducido y tiro forzado; (a) Tiro inducido, a contra‐flujo. (b) Tiro forzado (a contra‐flujo).
Figura 3.15 Torre de enfriamiento de tiro inducido (disposición de flujo cruzado).
PROBLEMAS 1. Calcular la cantidad teórica de agua de enfriamiento a 21.1ºC necesaria por kg y por libra de vapor saturado seco que alimenta un condensador de chorro, el cual trabaja a una presión absoluta de 0.103 kg/cm2. 2. Un condensador barométrico recibe el vapor de una turbina, la cual descarga 2,724 kg de vapor por hora a una presión absoluta de 0.069 kg/cm2 y de un título del 90 %. (a) Determinar el volumen de agua de enfriamiento necesaria por minuto, estando ésta a una temperatura de 15.6 °C. (b) Determinar la temperatura a la cual sale el agua de enfriamiento. 3. Si en el problema anterior se emplea un condensador de superficie en lugar del condensador barométrico, calcular (a) la energía, kcal/hora sobre 0ºC que se recuperará en el condensado si no se efectúa ningún enfriamiento posterior, y (b) el volumen de agua en circulación requerido por minuto, entrando a 15.6ºC y saliendo a 26.7ºC. 4. Una máquina de vapor produce 100 HP al freno cuando se alimenta con vapor a una presión absoluta de 10.5 kg/cm2 de un título de 98 %. El escape va a un condensador de chorro, cuya presión absoluta es de 101.6 mm de mercurio. Hallar la masa de agua de inyección a 15.6ºC requerido teóricamente por hora, en el supuesto de que la máquina consuma 12.7 kg de vapor por HP al freno por hora, y que el rendimiento térmico sea del 90 %. Despreciar la radiación. Solución 19,158.8 kg por hora. 5. Determinar la superficie de tubo requerida para un condensador que trabaja en las siguientes condiciones temperatura de entrada del vapor, 43.3ºC; temperatura del agua de circulación, entrada 21.1ºC, salida 36.7ºC; temperatura del condensado, 43.3ºC. El coeficiente total de transmisión calorífica U vale 3416 kcal/h/m2/ºC. El caudal de vapor es de 22,700 kg por hora. Entalpía del vapor al entrar en el condensador 566.7 kcal/kg. 6. Utilizando los datos del problema 5, determinar el número y la longitud de tubos de 19 mm de diámetro exterior, de 1.2 mm de grueso de pared, necesarios para un condensado de dos pasos en el supuesto que la velocidad del agua sea de 2.13 m/seg. Solución: 460 tubos por paso; 5.03 m. 7. Un condensador de superficie con una superficie de enfriamiento de 244.6m2 se alimenta con 13,153 litros por minuto de agua de enfriamiento, la cual entra a 0ºC y sale a 12.2ºC. El condensado abandona el condensador a 33.18 °C, la presión absoluta en el condensador es de 38 mm de mercurio. (Peso del agua, 0.99 kg/litro,) Hallar (a) el calor absorbido por el agua de enfriamiento, en kcal/hora; (b) la diferencia de temperatura media logarítmica entre el vapor y el agua de enfriamiento, en ºC; y (c) el coeficiente de transmisión calorífica U, en kcal/hora/m2/ºC. 8. Un condensador de superficie recibe vapor de escape con un título del 90 %. El vacío en el condensador es de 699 mm de mercurio referido a una presión barométrica de 750 mm de mercurio. El agua de enfriamiento entra a 15.6°C, sale a 26.7°C y la temperatura del condensado es 29.5°C. Calcular el peso de agua de enfriamiento requerido por unidad de peso de vapor condensado.
9. En un condensador de superficie el vapor entra a una presión absoluta de 25.4 mm de mercurio, con una velocidad de 182.8 m/seg, y con un título del 95 %, y sale en forma de condensado a una temperatura de 23.9°C y con una velocidad de 3.05 m/seg. El agua de refrigeración entra a 15.6°C y sale a 21.1°C. Determinar (a) e peso del agua de refrigeración requerido por unidad de peso de vapor condensado; (b) el volumen total de agua de refrigeración requerido por minuto para una turbina de 25 000 kW con un consumo específico de vapor de 5.45 kg por kW‐hora; y (e) el diámetro de la entrada al condensador.
10. Un turbogenerador de 10 000 kW consume 5.8 kg de vapor por kW‐hora cuando desarrolla la potencia nominal. La presión absoluta inicial del vapor es 35 kg/cm2; su temperatura, 315.6°C; la contrapresión absoluta, 25.4 mm de mercurio. El agua de refrigeración entra a 18.3°C y sale a 23.9°C; el condensado tiene una temperatura 2.2°C menos que la del vapor de escape. El rendimiento del turbogenerador es 92 % (rendimiento eléctrico y mecánico combinados de la máquina motriz y generador, incluyendo los rozamientos, resistencia del aire y otras pérdidas). (a) Calcular el peso de agua de circulación requerido por hora. (b) En el supuesto de que U, basada en la diferencia de temperatura media logarítmica, valga 3,952.8 kcal/h/m2°C ¿cuántos metros cuadrados de superficie de tubo de condensador serán necesarios? 11. En un condensador de superficie la temperatura inicial del agua de circulación es 12.8°C y la salida, 37.8°C. En la máquina de vapor este fluido entra saturado seco a una presión absoluta de 9.8 kg/cm2; el escape de la máquina entra en el condensador a una presión absoluta de 0.14 kg/cm2. La máquina desarrolla una potencia indicada de 180 HP y consume 9.08 kg de vapor por HP indicado. La temperatura final del vapor condensado es 52.2°C. (a) ¿Cuál es el titulo del vapor al entrar en el condensador (b) ¿Cuál es el rendimiento térmico de la máquina basándose en la potencia indicada? Solución (a) 95 %; (b) 11.59 % 12. Utilizando las curvas de transmisión de calor de la figura 189, hallar el valor de U correspondiente a un condensador de superficie construido con tubos de 19 mm de diámetro exterior y con un factor de carga de 39 kg de vapor por m2, una temperatura del agua de enfriamiento de 21.1°C y una velocidad de 2.67 m/seg. Solución: U=3,904 unidades métricas. 13. Utilizando las curvas de transmisión de calor de la figura 189, hallar el valor de U correspondiente a un condensador de superficie construido con tubos de 25.4 mm (1 puIg) de diámetro exterior, y con un factor de carga de 19.5 kg de vapor por m2, una temperatura del agua de enfriamiento de 10°C y una velocidad de 2.9 m/seg. 14. Calcular la superficie de tubo requerida para un condensador de superficie que recibe el vapor procedente de una turbina cuyo consumo específico es 8.17 kg por kW‐hora. El vapor entra en la turbina a una presión absoluta de 14 kg/cm2, y a una temperatura de 248°C; la presión absoluta en el condensador es de 51mm de mercurio. La carga del generador es de 3000 kW; su rendimiento mecánico, 90 %. Suponer que no hay pérdidas ni subenfriamiento en el condensado. El agua entra a 23.9°C y sale a 35°C. Tomar U = 3 172. Solución: 547.8 m2. 15. Una turbina de vapor de 2,000 kW consume 5.45 kg de vapor por kW‐hora para la carga nominal cuando se alimenta con vapor a una presión absoluta de 42 kg/cm2 y a una temperatura total de 371°C; la presión absoluta en el condensador es de 51 mm de mercurio. Calcular la superficie de tubo de 19 mm requerida en un condensador del tipo de superficie apropiado para esta unidad; el agua entra a 29.5°C y sale a 35°C el condensado no sufre subenfriamiento. Suponer que no hay pérdidas y que la velocidad del agua por el interior de los tubos vale 2.13 m/seg. Para hallar el valor de U utilizar la figura 189. Suponer que em vale 0.92. (Este problema requiere sucesivas aproximaciones.) 16. Un turbogenerador de 10,000 kW consume 4.54 kg de vapor por kW‐hora para la carga nominal. El vapor es suministrado a una presión absoluta de 45.5 kg/cm2; temperatura, 371°C, y vacío en el condensador de superficie, 737mm, referido a una presión barométrica de 762mm. Temperatura de entrada del agua de circulación, 15.6°C; temperatura de salida, 22.2°C; el condensado no sufre subenfriamiento. Rendimiento mecánico del generador, 92 %. Los tubos del condensador son de 19mm de diámetro exterior, y de 1.2mm de espesor; la velocidad del agua por el interior de los tubos vale 2.13 m/seg. Suponiendo que no hay pérdidas, hallar (a) el volumen de agua de circulación requerido por minuto; (b) la superficie de tubo del condensador; (c) el número de tubos para un condensador de dos pasos; y (d) longitud de los tubos. Determinar el valor de U mediante la figura 189.
