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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER INGENIERIA MECANICA TERMODINAMICA II

LOS CONDENSADORES

PRESENTADO A: NÉSTOR RAÚL D'CROZ

PRESENTADO POR: GERMAN ANDRES VELASCO MANTILLA CRISTIAN JAVIER RUIZ DANIELA BECERRA CARREÑO

GRUPO: C1

BUCARAMANGA, 2014

INTRODUCCION El condensador es la parte de la máquina frigorífica que va instalada fuera del recinto refrigerado y que se encarga de intercambiar calor entre el fluido refrigerante y el medio ambiente, disipando el calor que se ha absorbido al producto. En el siguiente texto se trataran las ventajas que brindan los condensadores térmicos y el porque se han transformado en dispositivos casi que imprescindibles en los sistemas de refrigeración actuales. Se analizan los diferentes tipos de condensadores que existen y porque son los más adecuados para estar operando en sus respectivas aplicaciones, se hará un enfoque en sus dos ventajas, disminución en la presión y recuperación del condensado. Por último se trata un problema de la vida cotidiana, donde es necesario incorporar un condensador y los diferentes conocimientos termodinámicos con el fin de dar una solución eficiente y definitiva a dicha situación problema.

OBJETIVOS Objetivo general: Analizar los tipos, usos y aplicaciones de los condensadores de una manera superficial con la cual se pueda llegar a conocer las bases necesarias para dar solución a una aplicación ingenieril.

Objetivos específicos:    

Conocer los tipos, conceptos y aplicaciones de cada uno de los condensadores. Identificar cada uno de los condensadores, sus utilidades y beneficios. Tomar la elección adecuada del condensador de acuerdo a la necesidad y requerimiento. Demostrar cada uno de los usos de los condensadores teniendo en cuenta los tipos y aplicaciones de tiene cada uno de ellos.

MARCO TEORICO

Un condensador es un intercambiador térmico, en cual se pretende que el fluido que lo recorre cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el intercambio de calor (cesión de calor al exterior, que se pierde sin posibilidad de aprovechamiento) con otro medio. La condensación se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un ventilador (aerocondensadores) o con agua (esta última suele ser en circuito semicerrado con torre de refrigeración, o en circuito abierto proveniente de un río o del mar). El tipo de condensador más empleado en centrales termoeléctricas es el que utiliza agua como fluido refrigerante, que además utiliza un circuito semiabierto de refrigeración con una torre evaporativa como sumidero del calor latente de vaporización.

Los aerocondensadores se utilizan cuando no se dispone de agua suficiente para alimentar una torre evaporativa. Aunque son más caros y provocan en el ciclo agua-vapor una pérdida de rendimiento, se utilizan cuando no existe otra posibilidad para condensar el vapor. El propósito del condensador termodinámico es provocar el cambio de estado del vapor a la salida de la turbina para así obtener máxima eficiencia e igualmente obtener el vapor condensado en forma de agua pura de regreso al tren de generación de vapor. Adicionalmente, el condensador recibe los siguientes flujos:  

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Las purgas de los calentadores y otros elementos, que una vez enfriadas son incorporadas al circuito de condensado. El aire que procede de entradas furtivas en los diversos elementos del ciclo agua-vapor, a través de los cierres de la turbina de vapor o con el agua de reposición al ciclo. Éste debe ser extraído y enviado al exterior mediante eyectores o bombas de vacío. El vapor procedente del escape de la turbo-bomba de agua de alimentación si la hay en la instalación.

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El vapor de los by-pass de las turbinas, que en determinados modos de operación transitorios (arranques, paradas, disparos, cambios bruscos de carga) conducen directamente al condensador todo el vapor generador en la caldera una vez atemperado. El agua de aportación al ciclo para reponer las purgas, fundamentalmente la purga continúa. Esta agua es desmineralizada y proviene del tanque de reserva de condensado.

Las condiciones en el interior del condensador son de saturación, es decir, está a la presión de saturación correspondiente a la temperatura de condensación del vapor. Esta presión es siempre inferior a la atmosférica, es decir, se puede hablar de vacío.

TIPOS DE CONDENSADORES Y SUS APLICACIONES En las centrales térmicas se utilizan dos tipos de condensadores: De superficie, y de chorro. -

Condensadores de superficie En los condensadores de superficie se puede recuperar el condensado porque no se mezcla con el agua de refrigeración. El vapor que hay que condensar normalmente circula por fuera de los tubos (fig. 2), mientras que el agua de enfriamiento o circulante pasa por el interior de los mismos. Esto se hace porque el vapor limpio no ensucia la superficie externa de los tubos, la cual es difícil de limpiar. El agua de refrigeración, 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.

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 en la mitad de los tubos y regresa 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 chorro para evacuar el aire y los gases. La figura 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 4 juntas de dilatación de caucho, debido a que solamente han de soportar la baja presión del agua de refrigeración. 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.

Un condensador de superficie y su equipo auxiliar debe cumplir con 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 al mínimo. 2. El aire (el cual es un mal conductor de calor) deberá 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 temperatura más 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 refrigeración debe atravesar el condensador con un rozamiento reducido, dejando un mínimo de sedimentos, con una absorción de calor máxima. La figura 4 representa una vista de un condensador moderno de dos pasos y doble circulación, construido para requerir una altura de local mínima. De esta forma, las fundaciones de la turbina pueden ser bajas o más económicas.

La figura 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 1 000 000 kW. 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 se recoge en una bandeja inclinada que separa los tubos de las baterías superior e inferior. Este condensado atraviesa, a continuación, un cierre hidráulico y sigue hacia abajo pasando por encima del borde de un tabique vertical sobre el cual forma una película delgada. Cuando esta película de agua abandona el borde inferior del tabique, cae a través del vapor vivo, originando la desgasificación y evitando, al mismo tiempo, el sobreenfiramiento. La gran superficie de entrada y la trayectoria relativamente corta seguida por el vapor contribuyen a que los rozamientos y la caída de presión sean pequeños. La sección triangular del enfriador de aire que aparece en el centro de la figura se emplea para reducir el volumen de aire y gases no condensables antes de evacuarlos mediante la bomba de aire.

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Condensadores de chorro, de nivel bajo

En la figura 7 aparece un condensador de chorros múltiples, de nivel bajo. El condensador consiste en una 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 vació 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 par te superior se pone en contacto directo con los chorros de agua convergentes, y se condensa. Por el efecto combinado de la presión de 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.

El condensador eyector requiere más agua que cualquier otro tipo de condensador de chorro, pero la ausencia de bombas de vacío compensa esta desventaja. Los condensadores de chorros múltiples pueden mantener un vacío del orden de 737 mm con respecto a una presión barométrica de 762 mm, con agua de refrigeración a 15,6r C; este tipo de condensador es apropiado para turbinas de una potencia hasta 10 000 kW. En los condensadores de chorro, de nivel bajo, la cámara de condensación se halla a poca altura, el agua se saca mediante una bomba, y su altura total es lo suficientemente baja para poderlos instalar debajo de la turbina o máquina de vapor. Los condensadores de tipo barométrico se colocan a un nivel suficientemente elevado (del orden de 12 m), sobre el punto por donde se descarga el agua, para que ésta pueda salir por sí sola por la acción de la gravedad a través de un tubo con cierre hidráulico o columna barométrica. La figura 8 representa una vista y una sección de un condensador de chorro, de nivel bajo. La bomba del vacío-húmedo evacua el condensado, el aire arrastrado y los otros gases no condensables. El condensado líquido ayuda a hacer la junta delos anillos del émbolo y disminuye las fugas, no necesitándose ningún eyector de aire independiente. Estos condensadores se fabrican de hierro colado y de bronce; estos últimos se emplean cuando el agua es salada. Los condensadores de este tipo de construyen en tamaños capaces de condensar de 5 153 a 11 350 kg de vapor de hora cuando trabajan con agua a 21 r C y contra una presión absoluta de escape de101,6 mm de mercurio. El cono regulable admite el agua en láminas delgadas cónicas en el extremo del codo de inyección. El caudal de agua puede regularse en consonancia con las variaciones de la carga de vapor y de la temperatura del agua de refrigeración.

Para evitar que el agua alcance un nivel impropio en el interior del condensador en el caso de que la bomba deje de funcionar, se dispone un flotador de bola, de cobre, el cual rompe el vacío cuando se presentan tales casos. La bomba de vacío -húmedo es accionada por una máquina de vapor simplex.

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Condensadores barométricos

La figura 9 representa la sección de un condensador barométrico (de contacto directo), a contracorriente, en el cual se emplea el sistema de discos para distribuir el agua. En el condensador ilustrado el agua de refrigeración entra por un punto situado por encima de la entrada del vapor, y el agua va cayendo de disco en disco, tal 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 un refrigerador intermedio. El vapor a alta presión al expansionarse a través de las toberas 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 combinado, comprimiendo e impidiendo hacia el exterior la mezcla aire-vapor. Fig. 8. Condensador de chorro Worthington, con bomba de vacío húmedo. 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 aguade 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 pueda 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. En los condensadores barométricos y de nivel bajo es normal elevar el aguade la fuente de alimentación a la altura necesaria para la inyección, mediante el vacío que existe dentro del condensador. La altura máxima a que por este procedimiento puede elevarse el agua es de unos 5,49 m con un vacío de 712 mm con respecto a una presión barométrica de 762 mm. Cuando resulta necesario se emplea una bomba para ayudar a elevar el agua a la altura requerida por el condensador. Los condensadores barométricos son de construcción simple, sin órganos móviles, ni toberas, ni orificios estrangulados que pueden taparse y no necesitan válvulas de comunicación con la atmósfera.

PLANTEACION DEL PROBLEMA El antiguo barco RMS Mauretania construido en el siglo XX funcionaba mediante la propulsión de turbinas a vapor, la cual proporciona un flujo másico de vapor de escape a una temperatura de 600°C y una presión de 5 bar, el cual ingresa a un condensador situado en el caldo medio del barco, con el fin de que parte del agua que ingrese por los agujeros laterales del barco vaya a los serpentines y sirva para enfriar el aire hasta una temperatura de 30°C; dicha temperatura es necesaria para que la emisión de vapor al exterior a través de los largos ductos de acero no generen grandes efectos corrosivos sobre estos, debido que se podría presentar la condensación del vapor con el aire del ambiente que normalmente se encuentra una temperatura de 15°C en los mares británicos. El agua que ingresa a los serpentines sale nuevamente al mar mediante los agujeros laterales del barco, debido a que el barco se encuentra en movimiento no es necesario una bomba para retirar esta agua. Por otro lado el agua producto de la condensación debe ser retirada mediante una bomba pues esta se estanca en el fondo del condensador. Se desea hallar la masa de agua necesaria para enfriar este aire, el calor retirado del vapor de escape y la masa de agua condensada.

BIBLIOGRAFIA

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GARCIA Garrido Santiago. Ciclo agua-vapor. Biblioteca [en línea]. Actualizada: 10 julio 2014. [Fecha de consulta: 12 agosto 2014]. Disponible en: http://www.cicloaguavapor.com/ RENOVETEC. Ciclo agua-vapor en centrales termoeléctricas.