Condensador (termodinámica)

En sistemas de intercambio térmico, un condensador é un aparello empregado para condensar unha substancia, pasándoa do seu estado gasoso para o líquido.

A condensación pódese producir ben utilizando aire mediante un ventilador ou con auga (isto último adoita ser en circuíto pechado cunha torre de refrixeración, nun río ou no mar). A condensación serve para condensar o vapor, despois de realizar un traballo termodinámico, por exemplo, unha turbina de vapor, ou para condensar o vapor comprimido dun compresor de frío nun circuíto frigorífico. Cabe a posibilidade de seguir arrefriando ese fluído, obténdose así líquido subarrefriado como é o caso do aire acondicionado.

O condensador termodinámico é moi empregado na industria da refrixeración, do aire acondicionado, na industria naval e na produción de enerxía eléctrica, en centrais térmicas e nucleares.

Adopta diferentes formas segundo o fluído e o medio. No caso dun sistema fluído/aire, está composto por un tubo de diámetro constante que curva 180° cada certa lonxitude e unhas láminas, xeralmente de aluminio, entre as que circula o aire.

Un condensador é un cambiador de calor latente que converte o vapor do seu estado gasoso ao seu estado líquido, tamén coñecido como fase de transición. O propósito é condensar a saída (ou extractor) de vapor da turbina de vapor para así obter máxima eficiencia e igualmente obter o vapor condensado en forma de auga pura de regreso á caldeira. Condensando o vapor do extractor da turbina de vapor, a presión do extractor é reducida da presión atmosférica para un valor inferior, incrementando a caída de presión do vapor entre a entrada e a saída da turbina de vapor. Esta redución da presión no extractor da turbina de vapor, xera máis calor por unidade de masa de vapor entregada á turbina de vapor, por conversión de poder mecánico.

A función principal do condensador nunha central térmica é ser o foco frío ou sumidoiro de calor dentro do ciclo termodinámico do grupo térmico. Polo tanto, a súa misión principal é condensar o vapor que provén do escape da turbina de vapor en condicións próximas á saturación e evacuar a calor de condensación (calor latente) ao exterior mediante un fluído de intercambio (aire ou auga).

No caso dunha máquina frigorífica, o condensador ten por obxectivo a disipación da calor absorbida no evaporador e da enerxía do compresor.

Adicionalmente, o condensador recibe os seguintes fluxos:

• As purgas dos quentadores e outros elementos, que unha vez arrefriadas son incorporadas ao circuíto de condensado.
• O aire que procede de entradas furtivas nos diversos elementos do ciclo auga-vapor, a través dos peches da turbina de vapor ou coa auga de reposición ao ciclo. Este debe ser extraído e enviado ao exterior mediante exectores ou bombas de baleiro.
• O vapor procedente do escape da turbo-bomba de auga de alimentación se a hai na instalación.
• O vapor dos by-passes da turbina de vapor, que en determinados modos de operación transitorios (arranques, paradas, disparos, cambios bruscos de carga) conducen directamente ao condensador todo o vapor xerado na caldeira unha vez temperado.
• A auga de achega ao ciclo para repoñer as purgas, fundamentalmente a purga continua. Esta auga é desmineralizada e provén do tanque de reserva de condensado.

As condicións no interior do condensador son de saturación, é dicir, fórmase a presión de saturación correspondente á temperatura de condensación do vapor. Esta presión é sempre inferior á atmosférica, é dicir, pódese falar de baleiro.

Os condensadores que empregan aire como fluído refrixerante, chamados aerocondensadores, teñen un baixo rendemento e, polo tanto, necesitan de grandes superficies para ser instalados. Isto é o motivo polo que o uso deste tipo de condensadores non é xeneralizado, empregándose só nos casos nos que non haxa dispoñibilidade de auga.

Este artigo centrarase nos condensadores de auga como fluído refrixerante. Os condensadores das centrais térmicas son cambiadores de calor tubulares, de superficie, do tipo carcasa e tubo nos que a auga (fluído refrixerante) circula polos tubos e o vapor (fluído arrefriado) circula polo lado da carcasa. Os tubos están dispostos de forma horizontal, cunha pequena pendente para poder ser drenados con facilidade e agrupados en paquetes.

As partes máis significativas dun condensador deste tipo son:

• Colo. É o elemento de unión co escape da turbina de vapor. Ten unha parte máis estreita que se une ao escape da turbina de vapor ben directamente mediante soldadura ou ben a través dunha xunta de expansión metálica ou de goma que absorbe os esforzos orixinados polas dilatacións e o pulo da presión atmosférica exterior. A parte máis ancha vai soldada á carcasa do condensador.
• Carcasa ou corpo. É a parte máis voluminosa que constitúe o corpo propiamente dito do condensador e que alberga os paquetes de tubos e as placas. Adoita ser de aceiro ao carbono.
• Caixas de auga. Colector á entrada e saída da auga de refrixeración (auga de circulación) co fin de que esta se reparta de forma uniforme por todos os tubos de intercambio. Adoitan ser de aceiro ao carbono cun recubrimento de protección contra a corrosión que varía desde a pintura tipo epoxy (para a auga de río) até o engomado (para a auga de mar). Adoitan ir aparafusados ao corpo do condensador.
• Tubos. Son os elementos de intercambio térmico entre a auga e o vapor. A súa disposición é perpendicular ao eixe da turbina. Adoitan ser de aceiro inoxidable (auga de río) e titanio (auga de mar).
• Placas de tubos. Son dúas placas perforadas que soportan os dous extremos dos tubos. Constitúen a parede de separación física entre a zona da auga das caixas de auga e a zona de vapor do interior da carcasa. Adoitan ser de aceiro ao carbono cun recubrimento (cladding) de titanio na cara exterior cando o fluído de refrixeración é auga de mar. A estanquidade entre os extremos dos tubos e as placas de tubos conséguese mediante o aborcardado dos extremos dos tubos e mediante unha soldadura de selado.
• Placas soporte. Placas perforadas situadas no interior da carcasa e atravesadas perpendicularmente polos tubos. A súa misión é aliñar e soportar os tubos, así como impedir que estes vibren debido á súa gran lonxitude. O seu número depende da lonxitude dos tubos. Adoitan ser de aceiro ao carbono.
• Pozo quente. Depósito situado na parte inferior do corpo que recolle e acumula a auga que resulta da condensación do vapor. Ten unha certa capacidade de reserva e contribúe ao control de niveis do ciclo. Deste depósito aspiran a bombas de extracción de condensado.
• Zona de arrefriamento de aire. Zona situada no interior dos paquetes de tubos, protexida da circulación de vapor mediante unhas chapas para conseguir condicións de subarrefriamento. Desta maneira, o aire disolto no vapor sepárase do mesmo e mediante un sistema de extracción de aire pode ser sacado ao exterior.
• Sistema de extracción de aire. Dispositivos baseados en exectores que empregan vapor como fluído motriz ou bombas de baleiro de anel líquido. A súa misión, en ambos casos, é succionar e extraer o aire do interior do condensador para manter o baleiro. Estes dispositivos aspiran da zona de arrefriamento de aire.

Segundo a súa disposición relativa con respecto da turbina de vapor, os condensadores poden clasificarse en:

• Axiais. Están situados ao mesmo nivel que a turbina de vapor. Son típicos de turbinas de vapor de até 150 MW, potencias nas cales o corpo de baixa presión é dun só fluxo e escape axial.
• Laterais. Están situados ao mesmo nivel que a turbina de vapor. O corpo de baixa presión da turbina de vapor é de dous fluxos.
• Inferiores. Están situados debaixo da turbina de vapor de baixa presión, o que lles obriga a estar metidos nun foso e que o pedestal do grupo turboxerador estea nunha cota máis elevada, encarecéndose a obra civil. Dadas as potencias das centrais convencionais actuais, este é o tipo de condensador máis usualmente empregado. A turbina de vapor de baixa ten dobre fluxo, podendo haber ademais varios corpos.

Segundo o número de pasos, poden ser:

• Dun paso: hai unha única entrada e unha única saída de auga en cada corpo do condensador. Típica en circuítos abertos de refrixeración.
• De dous pasos: a auga entra e sae dúas veces no corpo do condensador.

Segundo o número de corpos:

• Dun corpo: o condensador ten unha soa carcasa.
• De dous corpos: o condensador ten dúas carcasas independentes. Esta disposición é moi útil, xa que permite funcionar só con medio condensador.

Os tipos de condensadores máis utilizados nunha máquina frigorífica son os seguintes:

• De tubos e aletas: utilízanse cando se disipa a calor dunha corrente de aire.
• De placas: para cando se disipa a calor dunha corrente de auga.
• Multitubular.

Wikimedia Commons ten máis contidos multimedia na categoría:  Condensador

• Condensers Encyclopedia of Chemical Engineering Equipment Universidade de Míchigan (en inglés)