condensadores y precalentadores

CCONDENSADORESONDENSADORES

1.1. FunciónEl condensador es la fuente fría y refrigerante del ciclo térmico, por lo que representa el intercambiador de calor más importante del mismo.

El condensador debe cumplir las siguientes funciones:

Recuperar como agua de condensación, el vapor que sale de la turbina- se recuerda que el agua es tratada, lo que implica un alto costo su obtención. Puesto que esta transformación es un cambio de estado a presión y temperatura constante, el calor intercambiado, es el calor latente de vaporización

Aumentar el área del ciclo funcional mejorando el rendimiento, al provocar que el vapor se expanda hasta un valor de presión inferior a la atmosférica, con lo que se aumenta el salto entálpico de la turbina y así alcanzar la misma potencia con menor cantidad de vapor.

Extraer los gases no condensables.

Formar conjuntamente con el desgasificador y el domo de la caldera, una reserva de agua capaz de enfrentar variaciones bruscas de carga

1.2. Características que definen un condensador

PRODUCCIÓN DEL CONDENSADOR: Es la cantidad neta de calor que del vapor pasa al agua de enfriamiento medida en kcal/h

PRESIÓN ABSOLUTA DEL CONDENSADOR: Es la presión existente en el condensador respecto a las condiciones ideales de vacío absoluto, medida en mmHg.

TEMPERATURA DEL VAPOR A LA ENTRADA: Es la temperatura de saturación relativa a la presión estática del vapor a la entrada del condensador, expresada en ºC (tv).

DIFERENCIA DE TEMPERATURA DEL AGUA: Es el t entre la temperatura del agua de circulación a la entrada y a la salida del condensador, es decir tea-tsa expresada en ºC

Figura 1.2.1.: Diagrama Temperatura –Superficie

DIFERENCIA DE TEMPERATURA TERMINAL: Es la diferencia entre la temperatura del vapor a la entrada del condensador y la descarga del agua de circulación, expresada en ºC (ts).

VACÍO O GRADO DE VACÍO: Es la diferencia entre la presión atmosférica y la presión absoluta existente en el condensador.

COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN DEL CALOR: Es la cantidad media(kc) de calor que pasa del vapor al agua de circulación y es expresada en (kcal/m2 h ºC).

SUPERFICIE DEL CONDENSADOR: Es la superficie total medida por la parte exterior de los tubos y desde una placa tubular a la otra, expresada en m2 (en un condensador de superficie)

1.3. TiposLos condensadores se pueden clasificar de la siguiente manera.

Ecuación página 2

1.3.1.Condensador de mezcla Este tipo de condensador está conformado por un recipiente en el cual el gasto de vapor se condensa al enfrentar un gasto de agua en forma de lluvia.

Para poder utilizar un condensador de este tipo es necesario contar con agua de enfriamiento de las mismas características del agua que está circulando por el ciclo.

Para las mismas condiciones de operación, la presión que reina en el condensador de mezcla es superior a la que reina en el condensador de superficie enfriado por agua. Por otra parte la cantidad de agua para producir la condensación (25-35 lt/kg vapor) va a ser mucho menor que en los condensadores de superficie (70-90 lt/kg vapor). Del condensador el agua y los productos no condensables en general aire, pueden ser extraídos por dos bombas separadas o una sola bomba. Por este motivo, en general el condensador viene provisto de tuberías propias de agua—vapor y extracción de aire—agua. En la figura 1.3.1 puede apreciarse un esquema de un condensador de estas características como así también el diagrama de presiones correspondientes.

Figura 1.3.1

De acuerdo al curso relativo de las corrientes de vapor y agua, se puede hablar de condensador a corrientes paralelas (figura 1.3.2.) o a contracorriente (figura 1.3.3.)

Figura 1.3.2. Figura 1.3.3.

El Sistema a contracorriente presenta ciertas ventajas respecto al otro sistema, ellas son:

1. Menor consumo de agua refrigerante, lo que implica menor consumo de potencia eléctrica.

2. Menor cantidad de aire a extraer, por lo tanto menor consumo de potencia eléctrica.

En efecto, para una dada presión pc del condensador, la presión parcial del aire pa depende de la presión parcial del vapor pv y esta última depende de la correspondiente temperatura de saturación. En particular por la ley de Dalton para mezclas gaseosas, tendremos:

pc = pa + pv

ejemplo con pc = 0,1 kg/cm2 será

1º para t = 15 ºC pv = 0,0173 kg/cm2 pa = 0,0827 kg/cm2

2º para t = 40 ºC pv = 0,0747 kg/cm2 pa = 0,0253 kg/cm2

Es evidente que en el 1er caso, a igualdad de volumen de la mezcla aire—vapor, si hay una cantidad de aire mucho mayor, ese es el punto oportuno para la instalación de la bomba de extracción de aire. Esta condición se verifica en la figura 1.3.3 es decir en el condensador a contracorriente.

En la disposición a corrientes paralelas, el aire es aspirado en un punto a temperatura mayor y es evidente que a igualdad de aire de extracción es necesario enviar una cantidad mayor de vapor, por lo tanto un volumen sumado mucho más grande.

Como dato constructivo del condensador de mezcla se recuerda que la cantidad de agua de mezcla por cada kg de vapor que necesita es de 25 a 35 litros, mientras que el aire de extracción por cada kg de vapor se acerca a 0,55 – 0,77 gr.

1.3.2.Condensador de superficie En el condensador más utilizado en los ciclos térmicos de todo tamaño.

1.3.2.1. Condensador de superficie enfriado por aire

En casos muy excepcionales donde no exista una fuente para la provisión de agua en el lugar, se puede utilizar el condensador enfriado por aire. De tal modo la única cantidad de agua que necesita el ciclo térmico, es el agua de reposición, debido a las fugas a través de juntas, válvulas, purgas de caldera, etc. Un condensador de estas características requiere un espacio voluminosa mayor, ubicándose generalmente en la posición más alta de la construcción.

1.3.2.2. Condensador de superficie enfriado por agua

Son los condensadores más utilizados para pequeña, mediana y gran potencia de las instalaciones termoeléctricas.

En este condensador el agua de enfriamiento es separada del vapor por medio de una superficie metálica, a través de la cual se producen intercambio de calor.

El condensador de superficie está esencialmente formado por:

(ver figura 1.3.4.).

Figura 1.3.4. Condensador de superficie de un solo pasaje

1- Entrada de agua de circulación2- Placa tubular3- Caja de agua de circulación4- Haz tubular5- Placa soporte de tubos6- Resortes de apoyo y suspensión

7- Cámara de vacío8- Pozo caliente9- Cañería de extracción de vapor b.p.10- Cuello11- Caja de salida de agua de circulación12- Envuelta exterior

Una ENVUELTA EXTERIOR que delimita las cajas de agua, adecuadamente reforzada, para resistir la presión ejercida desde el exterior hacia el interior, que tiene una amplia abertura superior (entrada de vapor) conectada a través de un acople flexible a la parte de salida de baja presión de la turbina.

Su interior conforma LA CÁMARA DE CONDENSACIÓN , en la cual el vapor se pone en contacto con el haz tubular condensándose. En la cámara de condensación también se inyectan las descargas y drenajes de los precalentadores de baja presión. En correspondencia con esta entrada de agua se colocan chapas deflectoras para evitar que los chorros de descarga dañen los tubos.

LAS PLACAS TUBULARES sobre las cuales están generalmente mandrilados los tubos que constituyen la superficie de intercambio ( haz tubular), dichas placas constituyen la separación entre las cajas de agua y la cámara de condensación por lo tanto deben asegurar la total estanqueidad, dado que de existir pérdidas se contaminará el agua tratada del ciclo.

Dos cabezales laterales de doble pared, que CONSTITUYEN LAS CAJAS DE ENTRADA Y SALIDA DE AGUA REFRIGERANTE instaladas en los extremos de la cámara de condensación de las que están separadas por las placas tubulares, a su vez generalmente están subdivididas en uno de los extremos –el de entrada– para provocar un doble pasaje del agua de enfriamiento.

Una parte inferior llamada POZO CALIENTE , en la cual se recoge el condensado del vapor y está constituido por un gran recipiente, del cual aspiran las bombas de extracción del condensado. El pozo caliente representa también el punto en el cual se recogen otras partes del condensado provenientes del ciclo térmico, como el drenaje de los precalentadores de baja presión y el de condensador de vapor de sellos de la turbina.

EL HAZ TUBULAR , en los condensadores modernos está formado por varios millares de tubos (10.000 a 25.000) mandrilados, es decir expandidos en ambos extremos sobre el agujero de las placas tubulares Para evitar la excesiva flexión de los tubos, éstos se sostienen además que en los extremos, en sus puntos intermedios por medio de PLACAS SOPORTES , que además de sostener parte del peso de los tubos, los ayudan a resistir la presión dinámica del vapor que llega a elevada velocidad por el cuello de entrada.

EL CUELLO , que conecta la salida del vapor del cuerpo de baja presión de la turbina con la cámara de condensación Es importante que el paso de vapor en el cuello produzca una pérdida de carga mínima para tener a la descarga de la turbina todo el grado de vacío que pueda generar el condensador.

En el cuello se colocan generalmente el primero o los primeros dos precalentadores del ciclo, con esta disposición se llena un espacio muerto en el cual el vapor formaría torbellinos empeorando la aerodinamia del flujo, además se evitan largas y grandes tuberías para las conexiones de las extracciones a los precalentadores.

EL ACOPLE , que es la parte que conecta el cuello del condensador al cuerpo de baja presión de la turbina; éste debe permitir que el condensador se dilate cuando es sometido a variaciones de temperatura se emplea cuando el condensador tiene vínculos rígidos con la base y puede estar formado por un aro de goma o una junta de dilatación en chapa de acero. Este acople puede

también no existir y en ese caso el condensador queda rígidamente unido al cuerpo de baja presión Para permitir la dilatación, entonces. se lo apoya sobre resortes.

RECORRIDO DEL AGUA: El haz tubular se divide normalmente en dos partes por exigencias del mantenimiento, y el recorrido del agua puede ser simple(unidireccional) o doble (dos pasajes), donde los tubos superiores están en serie con los inferiores. En los condensadores de un solo paso, la caja de agua de entrada comprende toda la placa tubular, mientras que la de salida comprende toda la del opuesto. En los condensadores de doble pasaje la placa tubular de un lado se divide en dos partes, una sobre la otra que delimitan la parte de entrada y la de salida, y por lo tanto el agua entra a los tubos de la parte inferior, los recorre y vuelve a entrar por el lado opuesto a la parte superior, recorriéndolos en el sentido contrario.(ver figura 1.3.5).

Figura 1.3.5 Condensador de superficie de doble pasaje

1.4. Diseño

1.4.1.Condiciones que se deben cumplir: 1- Que exista la menor pérdida de carga en la faz vapor.

Si la perdida de carga fuera grande dentro del condensador, vamos a reducir el salto entálpico de la turbina.

El grado de vacío que se adopta determina no solo el rendimiento del ciclo, sino también las dimensiones del condensador y de la instalación de agua de refrigeración que debe abastecerlo. El caudal de vapor en volumen, una vez establecida la sección de descarga de la turbina, determina la velocidad del flujo y consecuentemente la energía cinética del vapor a la salida, que constituye una pérdida.

Por estas derivaciones de incidencia económica opuestas se puede afirmar que el diseño del condensador en las plantas termoeléctricas es el resultado de un compromiso entre la mejora en rendimiento que se obtiene llegando a un elevado grado de vacío y los mayores costos ocasionados por la construcción del condensador.

2- La distribución de los tubos debe ser tal, que evite el sub-enfriamiento. En el condensador el vapor debería perder solamente el calor de evaporación: de hecho si el condensado es enfriado algo más, el calor sustraído representa una pérdida neta de energía que debería luego ser reintegrada en la caldera, se procede entonces a dirigir una parte del vapor de acuerdo a la distribución de los tubos para enviarlo contra el agua que está goteando en el pozo caliente de manera que ésta vuelva a la temperatura de saturación. Este proceso se denomina comúnmente "reboiling"

En la figura 1.4.1 se aprecia lo expuesto (reboiling)

Figura 1.4.1

3- La pérdida de carga del lado agua de circulación debe ser la menor posible.

Si la pérdida de carga es grande, la velocidad dentro de los tubos es grande, por lo tanto la bomba de circulación va a consumir mucha potencia. Si la velocidad dentro de los tubos es pequeña, la

potencia de la bomba de circulación va a ser pequeña, pero la transferencia de calor también es función de la velocidad dentro de los tubos. Por lo tanto se debe hallar una relación de compromiso entre lo técnico y lo económico.

La velocidad del agua de enfriamiento varía entre 1 a 2 m/seg.

4- Las tomas de gases no condensables deben hacerse en una zona muy fría del condensador, a los efectos de que la cantidad necesaria de vapor para accionar los eyectores sea la mínima.

Estas cuatro condiciones se deben tener muy en cuenta para el diseño de un intercambiador de calor como es el condensador.

1.4.2.Ecuaciones de transferencia de calor En un intercambiador de calor confluyen dos fluidos, que pueden desplazarse en el mismo sentido o en sentido contrario, en el cual uno cede calor al otro y casi siempre están separados por una pared metálica.

Figura 1.4.2.

Si se analiza una sección diferencial de un intercambiador de calor, tenemos un fluido G1 de calor específico C1, que circula hacia abajo y a una temperatura t1 + dt1 en la sección F. Del otro lado de la pared circula otro fluido G2 (que lo puede hacer en el mismo sentido o no ) de calor especifico C 2

y temperatura t2 + dt2 en la sección F. Al pasar por la sección F + dF, el fluido G1, tendrá una temperatura t1 y el fluido G2 se encontrará a una temperatura t2, donde si t1 > t2, habrá una transferencia de calor en el sentido indicado en figura 1.4.2.

Aplicando la ecuación de transferencia de calor a través de la placa se tiene:

dQ = k dF (t1 – t2) = k dF t

Siendo k el coeficiente de transmisión total que tiene en cuenta la convección del fluido 1 a la pared, la conducción a través de la pared y la convección a través de la pared al fluido 2.

Se desarrollará la ecuación de intercambio que relacione la diferencia de temperatura., con las distintas posiciones dentro del condensador, para lo cual se partirá de las ecuaciones de calorimetría. Analizando siempre una sección diferencial del intercambiador de calor, y considerando sentido positivo hacia arriba se tiene que:

dQ = - G1 C1 dt1 = G2 C2 dt2

Le cual e. cierto si no hay intercambio de calor entre el equipo y el medio exterior, es decir que toda la cantidad de calor que cede un fluido lo transfiere al otro.

Falta ecuación 1 página 11

El incremento de temperatura en una sección diferencial va a ser igual a:


Denominando al paréntesis que relaciona el caudal y el calor específico de cada uno de los fluido., entonces:

dt = - dQ (1)

Integrando entre ts y te

Falta ecuación 3 página 11 (2)

y dQ, de acuerdo a la cantidad de calor transmitida a través de la pared es:


Integrando a través de toda la superficie de intercambio



Si reemplazamos (4) en (2)


Siendo (5) la ecuación que representa la cantidad de calor transmitida a través de un intercambiador, donde:

Falta ecuación 3 página 12 Es la temperatura media logarítmica

que relaciona las distintas partes del intercambiador respecto de t, y es real cuando te/ts > 2 Cuando te/ts < 2 se puede aplicar la temperatura media aritmética.

Falta ecuación 4 página 12 temperatura media aritmética

Si se desea determinar la diferencia de temperatura en una sección i del intercambiador, se puede utilizar la ecuación (3) de donde

ti = te · e- KF

La ecuación (5) es cierta siempre y cuando el intercambio de calor se realice en sentido opuesto o en direcciones paralela.. Pero en el circuito agua—vapor los intercambiadores no trabajan de esta forma. En el condensador el agua circula en forma horizontal y el vapor en forma vertical. En los precalentadores de agua, tampoco se presenta esta alternativa (ver figura 2.1.5 )

Por lo tanto en ambos casos el intercambio de calor no se realiza en direcciones paralelas. Por esa razón para adoptar la formula (5), se la debe afectar por la cte. C que tiene en cuenta cuando el intercambio de calor no se realiza en el mismo sentido o en sentidos opuestos, entonces:


Figura 1.4.3

Existen gráficos donde en ordenadas se lleva el valor de la cte. y en abscisas un valor que tiene en cuenta la diferencia de temperatura entre entrada y salida de agua, y entrada y salida de vapore Por lo tanto entrando con este último valor hasta cortar a una curva que también esta dada por esa diferencia de temperaturas, obtendremos el valor C a aplicar en la fórmula.

1.4.3.Presión que reina en el condensador La curva de intercambio en el condensador será:

Figura 1.4.4

La cantidad de calor que cede el vapor que sale de la turbina será:

(kcal/h) Q = Gc (kg/h) · (14 – i1 ) (kcal/kg)

Expresado de otra forma será:

Q = Gc · x · r

donde: x1 es el titulo del valor a la salida de la turbina

r1 el calor latente de vaporización

Pero esa cantidad de calor también va a ser igual a la cantidad de calor que se intercambia a través de las paredes de los tubos.

( kcal/h) Q = K · 1 · T

donde: K (kcal/m2 h ºC), es el coeficiente de transformación de calor

F ( m2), es la superficie de calefacción

T (ºC ), es el salto de temperatura medio

Si se trata de la media logarítmica:


Si se trata de la media aritmética:


Donde: te = tv – te

ts = tv – ts


Por lo tanto:


También esa cantidad de calor será igual a la que absorbe el agua de circulación:

Q = W · C · ( ts - te ) (2)

siendo, W: caudal de agua de circulación (kg/h)

C: calor específico del agua (kcal/kg ºC)

ts: temperatura de salida del agua de enfriamiento (ºC)

te: temperatura de entrada del agua de enfriamiento (ºC)

De (1) tenemos:


Y Falta ecuación 6 página 14 (4)

Reemplazando (4) en (3)


La temperatura del vapor es función de la presión que reina en el condensador. Esta ecuación es cierta utilizando la temperatura media aritmética. Pero si se utiliza la temperatura media logarítmica se llegará a la siguiente e presión:


Estas dos ecuaciones dicen que la presión que reina en el condensador es función de

a) Condiciones externasb) Forma operativa de la turbinac) Condiciones de diseño del condensador

a) Cuando la temperatura del agua de circulación es muy baja, la presión que reina en el condensador también es muy baja, por esa razón las centrales son más eficientes en invierno que en verano, porque el salto de temperatura es mucho mayor.

b) La potencia de la máquina es función del caudal de vapor, del salto útil, y se afecta a la fórmula por una constante.

Ne = G · hu · cte (7)

Es decir que cuando se disminuye la carga de la máquina, se disminuye la cantidad de vapor que se suministra, por lo tanto será menor la cantidad de vapor que entra al condensador, entonces la cantidad de calor intercambiada será menor resultando que si se mantiene la misma temperatura y el caudal de agua de circulación que pasa por el condensador, la presión disminuye cuando disminuye la potencia de la máquina.

c) Los factores de diseño que afectan a la presión que reina en un condensador son;

c.1) Superficie : Antiguamente se condensaba el vapor en la parte superior y en la inferior se producía un subenfriamiento. Para evitar esto, los condensadores cuentan con otra entrada de vapor,, como ya se mencionó. Las superficies de intercambio que se utilizan en la actualidad condensan de 40 a 70 kg de vapor por cada m2 de superficie de tubo.

c.2) Coeficiente de transmisión total : Falta ecuación 1 página 15 (8)

donde: a: coeficiente de convección en la faz agua de circulación

: coeficiente de conductibilidad

e : espesor del tubo

v: coeficiente de convección en la faz vapor

La presión dependerá también del coeficiente de transmisión total, donde el valor de K será menor que el menor de los tres denominadores de la fórmula (8).

El coeficiente de conductibilidad en el material admiral ty (comúnmente utilizado en las instalaciones que funcionan con agua de río) se ubica alrededor de 70 kcal/m2 h ºC; el espesor del tubo puede ser de 1 a 1,2 mm, o sea que si se supone que = 100 y e = 0,001 m, el cociente será del orden de 100.100, por lo tanto se desprecia 1/ /e , ya que afectará muy poco al valor de K.

Según investigaciones el coeficiente de convección en la faz vapor, se ubica en el orden de: 10.000 a 15.000 kcal/m2 h ºC.

v depende de:

1- Como le va a condensar el vapor

2- La diferencia de temperaturas

3- La viscosidad del vapor

4- La velocidad del fluido refrigerante

5- La viscosidad del fluido refrigerante

6- La posición de les tubos dentro del condensador

La que más afecta al valor de v , es como se condensa el vapor. La condensación casi siempre se realiza en forma laminar, de esta forma se aporta una resistencia más al intercambio de calor por medio del film. Para evitar este inconveniente se ha llegado a la, conclusión de que si se encuentra el tubo pulido, la condensación se hace en gotas, que cuando llegan a tener 3 mm de diámetro caen del tubo, hacia el film al interior. De esa forma no existe la resistencia del film al intercambio de calor que antes existía y por lo tanto aumenta de 4 a 8 veces el coeficiente de transmisión.

Figura 1.4.5

El coeficiente de convección lado agua de río, también depende de muchos factores como la velocidad del agua dentro de los tubos, diferencia de temperaturas, viscosidades y peso específico del agua, etc. ; el valor de dicho coeficiente es de aproximadamente 5.000 a 6.000 kcal/m2 h ºC.

El coeficiente de transmisión total de calor oscila en las construcciones actuales alrededor de 2.400 a 2.500 kcal/m2 h ºC además se debe considerar un factor de ensuciamiento.


donde K es el factor ensuciamiento.

Cuando se diseña un condensador se cuenta con una determinada superficie de intercambio, pero con el tiempo se va ensuciando, y los efectos de que no baje el intercambio de calor dentro de los tubos, se afecta a la fórmula de dimensionamiento con un cierto coeficiente que tendrá en cuenta el ensuciamiento que va teniendo el intercambiador a través del tiempo

1.4.4.Detalles constructivos - materiales Los materiales de los tuboa~deben res~onder a tres exigencias fundamentales: resistencia mec~nica, elevada conductibilidad tórmica y elevada resistencia a la corrosión. La experiencia ha demostrado que los mejores resultados se obtienen mediante el empleo de aleaciones de cobre. El material mós e~pleado en los tubos de condensador es bronce adniralty constituido por 70% Cu, 29% zn y 1% Sn, que tieme una conductibili¿ad de 100 ko&1~~ 0C[.~.En este caso las placas tubulares est£R conformadas de metal Muntz que es una aleación simiIa~ al tubo de admiralty.

La utilización de estos materiales es compatible cuando el agua de circulación es agua de río, cuando se trabaja ~on agua de mar, los tubos deberían ser de acero inoxidable o sino de cuproníquel ( cu 70% - Ni 30% ) respectivamente; aunque en instalaciones nuevas la tendencia es utilizar tubos de Titanio (Ti), la conductibilidad de estos tubos ronda 40 - 50 kcal/m2 h 0C.

EEi las instalaciones que traba~an con agua de río si los tubos son de admiralty, generalmente la zona central o corazón, por donde se eliminan lo gases no condensables (altamente corrosivos) es realizada en tubos de Cu-Ni o Ti.

!l espesor de los tubos de admiralty es~ 1 a 1,25 mm, mientras que los aleados o Ti son de menor espesor debido a su elevado coste y a que resisten muche mós la corrosión.

El largo y diáetro d~l condensador est~ condicionado al tipo de turbina, siempre SC coloca en forma transversal al eje de ~sta. La disposición de los tubos es la que se indica en la figura 1.4.6 el rombo formado tiene su centro inclinado con respecte. al e~e horizontal en un ~ngulo«. ~ este caso el condensado que abandona un tubo " laTrie " del inferior solo una cuarta parte de su peri¡feria circunferencial.

La fi~ación de los tubos a las placas es por medio de mandriladura, ello implica colocar un mandril que expansione y deforme el tubo contra la placa tubular, para que haya un cierre herm~tico, de lo contrario el agua de circulación~.ingresaría al lado vapor, contaminando el condensado ( ver figura 1.4.7.)

Los tubos no se disponen perfectamente horizontales, se prefiere una pequefia pendiente para favorecer el vaciado cuando est~n fuera ¿e servicio, en algunos casos se alcanza el mismo efecto mediante una peque~la curvatura hacia arriba, lo que tambi4n proporcionara' una eficiente compensación en las dilataciones.

1.5- CONTROL DEL FUNCIONAMIENTO DEL C0Nr~NSA»0R

31 funcionamiento del condensador necesita un control continu, de

algunos par~metros, a saber:

1- temperatura y presión o depresi6n del condensador

2- ~t del agua de ~rculación

3- conductibilidad del condensado

1.- 31 incremento de la presión y la temperatura del condensador, implica siempre un empeoramiento del ~endimiento del ciclo tórmieo, y provoca en el case de calentamiento. notable, condiciones anormales de funcionamiento.

La causa y. oom~Sn. del incremento de la presi~n y de la temperatura, es el ensuciamiento de los tubo. y de las placas tubulares, provocado normalmente por dep#~sitos de limo e microorganismos o de la oxidación e incrustación ( las diversa. manifestaciones son debidas al ti~~ de agua de refrigeración utilizada>.

Las medidas para limitar G eliminar estos inconvenientes son sustancialmente del tipo químico o mec~ico.

In el primer tipo, es usual inyectar en el agua de refrigeracidn algun' reactivo químico ( en general hipoclorito o cloro) en dOsis adecuada, para oxidar la materia orgónica evitando la formación de colonias de microorganismos que ademós de su propio ensuciamiento facilitan la deposición~del limo.

En el segundo tipo ~ el grado de ensuciamiente alcanza un cierto valor, con el condensador parc~al o totalmente fuera de servicie, se efe ctua el disparo. de cepillos de pl~stico~con agua a muy alta presión~~m~iando la s~~~er£icie interior de 108 tubos. 2-11 control del salto te~~ice ~t del agua de refrigeraci~n, permité verificar la eficiencia del comdensador, como así tambien la estación de bombeo . Variaciones en el ~t., manteniendo c~5s todas las demós condiciones < caudal de v~por, temperatura de agua de refrigeración, etc. ) son síntomas de ensuciamiente de la placa tubular.

3-11 otro control que debe e~ecutarse con continuidad es el de la pureza del condensado., para evitar que posibles infiltraciones de a~a de enfriamiento lleven a la caldera cloruros que provocan corrosiones e incrustaciones.

La ~~eza del condensado es medida relevando la conductividad, que aumenta bruscamente en presencia d, las~~sales del agua de enfrismien~ to. ______

Las ~e'rdidas en los tubos pue~em ser detErminadas por causas diversai y tener origen del lado vapor o del lado agua. La. p~rdidas del lado vapor, son generalmente concecuencia de anormales concentraciones de amoníaco que provocan la disolución repetida y sucesiva del óxido de cobre que

se forma sobre la superficie de los tubos. Las perforaciones de los tubos del lado del agua, en cambio tienen como origen una combinacio'n de distintos factores de origen electroquí mico, favorecidas a veces por las erosiones.

1.6m EQUIPOS PARA LA A~PIRACION DE LOS NO CONDENSABLES

Los no condensable., están constit~idos por gases que a la temperatura del condensador no pueden condensarse y se deben a filtraciones de aire por los Bellos laberínticos de la turbina y a la presencia de gases disueltos en el vapor. Su presencia impide el mantenimiento del grado de vacio necesario para obtener un elevado rendimiento de la turbina, por lo cual es necesario proceder a su eliminación, aspiran~ dolos desde el condens~dor y comprimie'ndolos hasta expulsarlos a la atmósfera.

Los equipos disponibles para crear el vacio en el condensador durante la puesta en marcha y para mantenerlo durante' 'el ser~~c~o normal son: los eyectores y ~ bombas de vacio.

La figura 1.6.1 muestra una instalación de circuitos relativos al condensador.

1.6.1 Iye~tores

L.s eyectores aprovechan la acción del vapor derivado a una tobera de forma convergente que le eleva la velocidad y crean en una cánara dispuesta para tal fin una fuer~e depresión. La cámara estí en comunicación por medio de una tuberi'a con una zona del condensador de la que aspira los no coILdensables que se mezclan con el vapor y confluyen en un tubo de forma divergente en el cual disminuye la velocidad y aumenta la presión. Sucesivamente el vapor se condensa en un pequefio condensador a presión atmosf~rica, del cual se expulsan los gases no condensables.

~ la figura 1.6.2 se muestra la variación de la presión y la velocidad del fluido que trabaja en el eyector. 31 fluido utilizado puede ser vapor o agua.

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-~ caso que no sea posible Buperar te~o el salto de presión con un solo eyector se puede usar eyectores de mós etapas, ademós si el fluido es vapor generalmente Be prefiere, no descargarlo a la atmósfera y recuperarlo en w~condensador adecuado.

Un esquema de instalación con doble etapa de eyectores se representa en lá figura l.6'.'<3"

1.6.3 Instalación con doble etapa ~e eyect<>~res

1.6.2 de vací.

~s una~r1car de compresor que tie~e la función de comprimir los gases desde una presión inferior a la atmosf~rica. ilormalmente son del tipo de anillo líquido.

Las bombas de anilí, liquido están constituidas por un rotor exce~ntrico respecto del e~e de la carca~>el agua contenida en ella es puesta es rotación por el rotor de manera de formar un anillo liquido, de espesor constante a l~ largo de toda la circunferencia de la carc~~~.

A causa ie la excentricidad, las paletas del rotor se encontr'ara'n sumergidas una parte en el a~ua y una par~e en el aire1 segun' el lugar donde se enc¡1entren. Si se introduce aire entre las paletas cuando t1~nen el mínimo contact~ con el agua, en el momento, en que vayan a encontrarse en la posición de ma'xima inmersión en el agua, el aire debera' ceder~ espacio al agua y por lo tanto subira' estando sometido a una compresión. El aire es aspirado entonces a baja presión del condensador y~comprimido~ en la misma bomba a una presión tal que puede ser descargado a la atmósfera.

La figura 1.6.5 muestra un esqueKLa de una bomba con eyector y circuito de agua aerrado.

La mezcla de aire y agua que de~a la bomba de vacío Be separa en un tanque ( [ aire sale del separador hacia arriba y el agua, se env~a de nuevo a la bomba debidamente enfriada)

La inserci6n del eyector tiene la finalidad de reducir la diferencia de presi6n entre la aspiraci6n y la descarga ( el eyector utilisa como medio de arrastre, el ai~. a la presi6n atmosf~rica que toma del t~~e separador).

1.7 IN~T~L~C1ON D~ ~~UA DE REF~1~ERACION

LQ8 circuitos de agua de refrigeraci¿n de acuerdo a la disponibilidad de agua pueden ser abiertGs o cerradoa..

1.7.1 Instalaci¿n de énfriamiento.. a ciclo abierto

11 esquema general de una instalaci6m a ciclo. abierto esta' constituido por: la obra de toma, el filtro rotativo, la sala o estaci6n dt bombeo, el conducto de aspiraci6n, el conducto de descarga y la obra de d~scarga ( I~ figura l.7.l'representa una instalación de este tipo)

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FIG~.l.7.l Instalaci~n de agua de enfriamiento a ciclo abierto

1.7.1.1 La ob?a de toma. env~a el agua hacia la bomba tomand~a desde el río ' l mar, puede estar constituida en e,<cavaci6n en la tierra

en tal caso el agua arriba a ella por medio de un ca~1 protegido por re~as) o bien puede estar construido directamente en el curso del agua, con ca~eriae de conexi6n asentadas en el fondo, pero la bomba instalada en tierra.

Desde la instalación de toma, a trav4s del canal de aspiraci6n, el agua es enviada a la zona de rejas fijas que representan la primera etapa de filtrade. Dichas rejas est~ constituidas por sucesivas planchuelas instaladas en forma vertical ~ue tienen la fin~~d~& de retener las impurezas de grandes dime~siones ~ue luego son extraídas a trav~s de palas mec~icas con extremos tipo rastrillo para pezietrar entre La. planchuelas de la reja. Da figura 1.7.2 representa un esquema de este tipo de filtrado.

La segunda etapa de ~iltrad~ est~ constituida por el filtro r.tatiyo que consiste en paneles de malla peque~a mo~tados vertica~e~te y adosados a un mecanismo sin fin puesto en rotaci6n por un motor el4ctrico.

En la figura 1.7.3 se muestran ilustraciones referidas a este tipo de filtrado.

In el ~nterior del filtro rotativo se instalan una serie de ca~erias las cuales descargan chorros de agua a presi6n contra el mismo, a contracorriente en toda su lengitud arrojando los residuos depositados sobre los paneles y envi~ndolos a una canaleta lateral para su recolecci6n.

FI~ 1.7.3

Filtro rotativo

Luego del sistema de filtrado el agua llega a las bombas de circula-ci6n, desde las cuales sale a trav~ e de un conducto ~~nico en direccidn a los condensadores.

Los conductos de alimentaci6n entre la obra de toma y el condensador est~ formados por canales de superficie libre antes de las bombas de circulaci¿n o por tuberías propiamente diohas algo presurizadas luego de las bombas, puedea ser de hormig6n armado de secc~6m rectangular o bien tramos de ca~eries~conectados por medio de bridas y juntas de ~

- ~7 -En la actualidad se utilizan construcciones mixtas formadas por

tuberías de acero revestidas hacia ambos lados con hormigdn a.r~ad~. Das v~lvalas sobre el canal de alimentaci6n 7 descarga son de tipo met~lico, a galleta con comando electromec~ico o manual, garantí-zando la eetanqueidad perfecta.

1.7~~~ornbas de circulaci6n: Ábsorb~n una elevada potencia ( 1.700 kw por ejemplo para un grupo de 320 hbv ) y se caracterisan por transportarenormes caudales a baja presidn ( por ejempl.:10m3/seg 10 m1c.a.)

La baja presi~R es debida. al hecho que los condensadores tienen una altura ~xima de 6 a ~ sobre el nivel de agua, adem~s se forma entre la obra de toma-condensador-obra de descarga, un sif6m natural que manti~~ la circulaci¿n del agua, por lo tanto la b~mba solo debe vencer el ~? provoea~~ por la tubería.

Das bombas generalmente son de eje vertical de~:un.a sola etapa de tipo centrifugo o semiaxíal, y est~ siempre instaladas a una altura inferior respecto del nivel mínimo del curso~e agua, de~~a de tener siempre una cierta presi6n de sapiraci6~. En la figura 1.7.4 se muestra una bomba de este tipo.

Las bombas pueden instalarse cei~ca de la obra de toma posterior al filtro rotativo, al final del canal de alimentaci6n, o cerca de los condensadores, ó~biin en una posición intermedia entre la obra de toma y el condensador; tal como se puede observar en la figura 1.7.'

1.7.1.3 Da obra de descarga

Los canales de deucarga están ubicados por subsuelos debajo de la base de apoyo del condensador y funcionan a nive~ de agua libre, desde el punto de vista estructural, la inst~laci6n esta constituida por una estructura en forma de caja. La inyecci6n al río o al mar del agua de descarga se realiza normalmente por medio de un difusor a ciclo abierto, con una velocidad de salida inferior a 1 m/seg. En la figura 1.7.6 se muestra el esquema de la obra de descarga del condensador de la Unidad 7 de Central Costanera de SEGBA.

1.7.2 lustalaci6n de enfriamiento en ciclo c~rrado

Cuando no hay disponibilidadde suficiente c~idad de agua para la refrigeracidn a ciclo abierto, se esta' obligado a recurrir a este tipo de instalaci6n, lo que implica mayores Costos de instalaci6m y func~namiento y un menor rendimiento té~ioo de la instalaci6R. Los principales sistemas de enfriamiento en ciclo cerrado incluyen la utilizaci¿n d torres que pueden ser de dos tipos:

- torre de evaporaci6n

- torre seca

l.7¿.2.l Torre de enfriamiento a evaporaci6n

Das torres de eúaporación suministran el enfriamiento del agua de circulaci6~ del condensador aprovechando la acci6n combinada deY..ia cesi6n de c~or por conv~~i6u del agua caliente al aire que se pone en contacto y de.~a evaporaci6n de una p~s del agua que satura al aire ambiente y se vuelve acondensar.

31 agua de circulaci6n proveniente del condensador se pulveriza en el interior de la torre por sobre una estructura tipo emparrillado de madera u otro material, dispuesta en diversos plano~randes superficies de manera de provocar un notable fraccionamiente del agua que por gravedad cae hacia la parte inferiGr de la torre. De esta manera, el agua asi fr~~cionada encuentra una corriente de aire frí~~ia arriba,ouyo movimiente ascensional es provocado per el tiraje que se produce dentro de la torre o por la acci~n aspirante de un ventilador colocado en la parte alta de la torre misma. Da figura 1.7.7 rep~esenta_una torre de tiro natural

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Las torues de tiro natural se construyen de cement~ y pueden tener una forma troncocónica, con la parte superior cil~ndrica e' bien perfil hiperbólico. 35ta '11t.Ima forma se debe ~icamente a razones de estabilidad y de est4tica y no a razones hidrodináicas. Las dimensiones de estas torres son considerables, se puede conseguir una coasidÉrable reducción, usando tiro forzado, por otra parte esto supone numerosos inconvenientes como elevada potencia de los motores de los ventiladeres, ruido de los mismas, molestias en la zona por el arrastre de agua,etc. ~e trata de utilizar por lo tanto el tiro forzado solamente cuando las dimensiones de las torres deben ser mantenidas dentro de determinados limites.

La figura l.7.~ muestra una torre de tiro forzado.

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1.7.8

Torre de enfriamiento de tiro forzado

l.7e2.2 Torre de enfriamiento a seco

Las torres de enfriamiento aseco estan' e~encialmente constituidas por un intercambiadpr de calor a áire formado por uno e ~s haces tubulares aleteados de aluminio po~ el interior de los cual,*s circula el fluido que se debe enfriar o condensar, p~ el exterior circula el aire de enfriamiento cuyo mov~iento puede ser mantenido mediante tiro mecánico o tiro natural.

Da torres secas pueden dise~rse a ciclo directo o ind~recto. La torre para ciclo dire~to est~ e~encialmente constituida de un condensador enfriado por aire, al cual se envia directamente el vapor e~hauto que sale de la turbina.

31 sistema a ciclo ind~recto es ilustrado en la figura l.7.9.b y esta' constituida por un condensador de mezvla del cual sale un caudal ~e agua que viene subdividido en dos partes, la que correspomde a la cantidad de vapor condensado, se envia a la caldera, mientras la parte restante que es de 50 a 70 veces ~s grande que la anterior, se en~a a la torre de enfriamiento a trav~s de la bomba de circu2~aci~£. En el interior de los intercambiadores de cál~ de la torre, esta agua es enfriada por el flujo de aire.

~obre el circuito del agua de enfriamiento se puede instalar una turbina hidra'ulica que recupera parte de la potencia de circulación del agua de enfriamiento. Todo el circuito del agua se mantiene a

presión superior que la atmosfdrica para impedir la infiltración del aire.

La figura 1.7.19 representa una torre de enfriamiento seca para una instalación a ciclo indirecto de tiro mecánico.

¿.- P~CÁLENT~0~~ DE ÁGUÁ DE ALIMENTACION

El precalentador de agua de alimentaci6n provee una cierta cantidad de ~alor al agua que se destina a la cal~era aprovechando el calor que contiene el vapor extraidó de la turbina.

11 precalentador puede ser del tipo a mezcla o a superficie. In el precalentador a mezcla se ponen en~'contacto dir6~'> el vapor de la e~tracci6n y el céndensado, igual que en el condensador de mezcla, debi~ndose obtener una diferencia nula de temperatura a la salida del equipo entre ambos fluidos.

En este caso se debe instalar una bomba que pueda desplazar un notable caudal. Por este motivo este tipo de precalentado~,.solo es utilizado como desgasificador t4rmico del agua de alimentaci6n y cuya explicaci6n~barcaremos puesto que ya fue realizado en la bolilla " tratamiento de agua

Los ciclos regenerativos-normalmente utilizad~ en todos los ciclos t4rmicos para ~a produccidn de energía eldotrica- son como el representado en la figura 2.1.

Generalaente cuentan con 7 u 8 precalentadores, alimentados por otras tantas e><tracciones, de los cuales 3 o 4 son de baja presión a superficie, uno a mezcla con funciones de desgasificaoi6n y 3 o 4 de alta presión a superficie

Los precalentadore~ de baja presión se ubican antes de la bomba de alimentación y los de alta presión despu4s de ~sta.

2.1. P~~CÁLENT£DO~ i)E $U~>~~~ICIE

Un precalentador de superficie de agua de allaentación esta~ normal~ente constituido por : ( ver figura 2.1.1 )

uña envolvente o cilindro soldado, cerrado por un cabezal de forma elíp~ca ~ lado y soldado o abul~nad~ a la placa tubular por el otro lado. Sobre la envol~eata est~ colocadas las conexiones para los nivel.., las ventilaci~nes, el drenaje de condensado y las v~lval'as ~e seguridad.

T~a dPX~c~. Coj'adeo~~ V~por Naz~~u/or £i,vue/~

z[],dvr,a

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FIG. 2.1.1 Corte 55ccional de un precalentador de superficie

- LP. cabezales, compuestos de una sola pieza de forma hemisff.~rica

o elíptica cuye interior se encuentra subdividido por deflectores

o pantallas met~licau. en cáaras de agua a las cuales se conectan

las ca~erias de llegada y salida del agua que se debe calentar.

- La placa tubular soldada de un lado a la cama~ra de agua y d~IL otro a ~ anillo de acero de gran espesor que contiene las conexio.-nes para la entrada de vapor y para la descarga del ~ndensado.

- 11 haz tubular, en función dela diferencia de temperatura del condensado y el agua que circula en los tubos pueden estar constituidos por tubos en U conectados a una placa tubular o a varios colecto~ res.

2.1.1 ~u~ciouamiento

!l vapor en el interior del precalentador hace un recorrido zigza ~~eante rozando el ~az tubular al que cede su calor, se condensa y

Be recolecta en la parte inferior.

XrL el interior del precalentador se pueden distinguir 3 zonas denominadas

-zona de desobrecalentamiento

-~on~ de cQndensaci~n

~ subenfriamiento

La primera zona es aquella correspondiente al primer tr~o recorrido por el vapor, en el cual ~ste cede su calor de sobrecalentamiento. La zona central es la de condensación en la cual el vapor cede al agua su calor de vaporizaci6n y se condensa.

La zona de subenfriamiento es aquella donde se produce el contact~ cén el agua entrante al precalentador, en ¡a que el condensado sufre una disminución de temperatura por debaje del va~or correspondiente a la temperatura de saturación que determina la presi6n del precalentador.

Los preca~lentadores de a.p. cuentan generalmente con las dos primeras superficies, mientras que los precalentadores de b.p. generalmente estan' provistos de las dos últimas.

La caracter~stioa~~de funcionamiento de los precalentadores est~ relacionada con;~

- ~l valor de la diferencia ~t entre la temperatura de saturación del vapor de agua, correspondiente a la presión con la que el vapor se inyecta al precalentador y la temperatura del agua de alimentación a la salida del precalentador.

- 11 valor de la diferencia At entre la temperatura del c.'áendensado en la salida del precalentador (drenaje) y la teaperatura de entrada del agua de alimentación al precalentador.

- La indicacióa de la cantidad total de calor (Q) que se transmite en el precalentador a la carga de funcionamiento prevista.

Gs _ Ga ( in - ie 15 - in'

donde:

G~, ¿5

Go,t'g, Go Le

~G5, ¿i>'

Gs: awto de vapor de ext..racción en el precalentador (~~)

Ga: ~ de agua de alimentación en el precalentador (kg/li)

in: ~ta1~a del agua de alimentción a la salida (kcal/kg)

ie: ~talpia del agua de alimentación a la entrada (kcal/kg>

is.. &italpia del vapor a la entrada (kcal/kg)

in': ~talp~a del condensado (kcal/lig)

2.1.2 ilateriales y detelles constructivos

Los cabezales se construyen en chapa de acero al carbono forjado en una sola pieza.

La envuelta tambi~n se construye en chapa de acero al carbono soldada o tubo de acuerdo al diam'etro4:

Tambi~n la placa tubular se construye sobre chapa de acero forjado. Para la elecci~n del material del tubo son determinantes los factoreu de resistencia mec~ica y resistencia a la corrosión normalmente SOR utilizados:

- Tubos de acero ( ~ 25mm 2,5mm de espesor> generalmente para a.p.

- Tubos de cupréniquel ( ~ 16mm - l,8mm de espesor) 'E

11 punto más delicado de un precalentador resulta ser la cone~i6~ entre los tubos y la placa tubular, al principio la unión se obtenía por mandriladura, hoy en día se ha generalizado el empleo de solda-dura para dicha conexion, asociada a un mandrilado que tiene la finalidad principal de descargar las tensiones de la soldadura.

&i la figura 2.1.3 se muestran en detalle dos tipos de cabezales normalmente usados en la construcción de precalentadores de agua de alimentaci6n; uno de forma bombeeda, con las conexiones de entrada y salida de agua sobre ~l, y el otro de forma plana.

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externa

Tapa

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Cabezal de forma bombeada Cabezal de forma plana

~ 2.1.3 i>ístintos tipos de cabezales de precalentadores

el caso de la figura 2.i.4 se puede observar las placas o tabique que independizan los inconvenientes de la presión hidráulica ~ie la hermeticidad lograda por el efecto cuña debido al dispositivo de cierre por dientes~ fabricado co~l block en sernianillo que presiona sobre la jUzLta. I

¡sta es la más moderna y típica disposicidn de cabezal para precalen de agua de alimentación de alta presi6n.

E n~O¿~ ¿e vapor

~aca ¿iV,~.Or

Las divisiones en el interior de los cabezales, determinan el recorrido del agua en el haz tubular que pueden ser de 1 a 4 pasajes, tal cual se observa en la figura 2.13.5.

Por medio de divisiones o diafragmas se establece y alarga el recorrido del vapor y el condensado en torno al haz tubular. Ver figura 2.1.6. k la llegada del vapor y el condensado proveniente de los precalentadores ubicados aguasarriba, adecuadas placas protegen los tubos contra la erosión.

+

rI1~t1

+

Fl~. 2.1.5

Detalle de distintos tipos de recorrido de los fluido i agua-vapor en distintos tipos de precalentadores

F1~. ¿.1.6

Detalle de la uti1iz~ci6n de diafragmas ó pantallas desviadoras para el recorrido dei vapor

V~f ar

e ~ 'e'e' eeeee

~ e\, ,e,e ~ e,C,' e e

~

e::::e :~ e e :~:: e:,e,o,e ::::e ee:e eeee

e,C,D ~ e C~CC~ ~CC~C 'e C~t~

Los precalentadores se pueden subdividir en dos ca~egorias; aquellos que se instalan en posic1~L<borizontal, y los que se instalan en posición vertical, para este último tipo se puede tener el cabezal

o caja de ~gua en la parte inferior o en la parte superior. La figura 2.1.7 ilustra dichos precalentadores.

Desde el punto de vista termodi~ico todas las soluciones son va'li~ das, desde el punto de vista funcional en cambio esnecesario; considerar los detalles de fabricación seg~ sea el caso.

Para los precalentadores verticales prevalece el criter~o de mantener la placa tubular mojada ( cabezal hacia abajo), lo cu~l significa tener aproximadamente la misma temperatura sobre toda la superficie de la placa y asegurarse pr~cticamente siempre la desear-ga de condensado por caida.

Los pr ecalentadores horizontales se pueden ubtcar fa'cilmente debajo de la turbina o a niveles intermedios de la unidad.

La descarga del condensado en estos precalentadores se ~~faci1itado por su pequefla altura. ~l accsso es fa'cil ael como la abertura y el desarme. Zí lugar que ocupa sobre el piso es grande y es necesarí prever el espacio ~ara el desmontaje del haz tubular. ~er figura

2.1.8

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1?IG. ¿.1.~ ~recalentador horizontal de baja presión

Los precalentadores verticales utilizan un espacio muy peque~~ sobre el piso, pero se debe preve~; un espacio libre en altura como medio-de mantenimiento y desmontaje para extraer el haz tubular. Según sea la potencia del turbógrupo los precalentadores tan~o sea de alta como de baja presión se ubican sobre una O ~&5 lineas, en el primer caso en general cada calentador esta' equipado con ~lvulas propias de corte y aislación en el segundo caso es posible aislar y by-pasaear una fila entera, por cuanto no se colocan v~lvulas de aislaci6n o corte para cada uno de los precalentadores,

condensadores y precalentadores

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