Condensatore a Turbina a Vapore Spiegato
I condensatori a turbina a vapore sono impiegati nelle centrali termiche per convertire il vapore in condensato (acqua). Questo articolo offre una panoramica sui condensatori a turbina a vapore, i loro diversi design, componenti e funzionamento.
Condensatore di Superficie a Vapore
Nota – i 'condensatori a turbina a vapore' sono talvolta denominati 'condensatori di superficie', ma i condensatori di superficie rappresentano solo una specifica tipologia di condensatore a turbina a vapore.
Cos'è un condensatore a turbina a vapore?
I condensatori a turbina a vapore sono utilizzati nelle centrali termiche per trasformare il vapore in condensato (acqua). Una turbina a vapore a bassa pressione è posizionata direttamente sopra il suo condensatore associato, con un giunto flessibile che collega la turbina al condensatore. Il vapore di scarico a bassa pressione viene scaricato da una turbina a bassa pressione direttamente nel suo condensatore associato.
Condensatore a Vapore Evidenziato in Scatola Arancione
Nota – il giunto flessibile è essenziale per gestire l'espansione termica delle parti durante il riscaldamento e il raffreddamento; senza di esso, potrebbero verificarsi crepe e perdite.
Perché sono necessari i condensatori a turbina a vapore?
- Efficienza – il raffreddamento del vapore a bassa pressione riduce la pressione del sistema. La pressione differenziale (DP) attraverso il sistema è un indicatore diretto dell'efficienza del sistema, quindi un DP maggiore indica un sistema più efficiente, ovvero maggiore è la differenza di pressione tra la pressione del vapore di scarico della caldaia e la pressione del condensatore, maggiore è l'efficienza del sistema.
- Riutilizzo dell'Acqua – trasformare il vapore a bassa pressione in acqua consente di riutilizzare l'acqua; il riutilizzo dell'acqua riduce i costi operativi poiché richiede meno pretrattamento. L'acqua viene facilmente restituita al deaeratore (apparato di pretrattamento) in grandi quantità, ma questo non è vero per il vapore a bassa pressione, che richiederebbe tubazioni grandi e una maggiore differenza di pressione per fluire.
- Deaerazione – i condensatori rimuovono gas come ossigeno e CO2 dal sistema, riducendo così la probabilità di corrosione all'interno dei sistemi di alimentazione e vapore.
- Punto di Raccolta – i condensatori servono come punto di raccolta principale per altri sistemi di estrazione del vapore e scarichi di condensato.
Nota – l'acqua trattata ma non ancora entrata nella caldaia è classificata come 'acqua di alimentazione'. L'acqua all'interno della caldaia è classificata come 'acqua di caldaia'. Il vapore che si è condensato di nuovo in acqua è classificato come 'condensato'. Il condensato diventa acqua di alimentazione dopo essere stato trattato.
Nota - ulteriori informazioni sui sistemi e macchinari delle centrali elettriche possono essere trovate nel nostro Corso Video sui Fondamenti dell'Ingegneria Energetica.
Parti del Condensatore a Turbina a Vapore
Le principali parti di un condensatore a turbina a vapore sono indicate di seguito.
Parti del Condensatore di Superficie a Vapore
Ingresso Vapore a Bassa Pressione
Il vapore a bassa pressione dalla turbina a vapore a bassa pressione viene scaricato nel condensatore. Il condensatore è mantenuto a vuoto per fornire una bassa contropressione per lo scarico della turbina, aumentando l'efficienza complessiva dell'impianto.
Scafo
Lo scafo ospita gli interni del condensatore, inclusi i piatti di supporto dei tubi, i piatti tubieri, i tubi, il pozzo caldo (parte inferiore del condensatore) e le tubazioni di estrazione; è solitamente realizzato in piastre d'acciaio pesanti saldate in un unico pezzo. I tubi sono distanziati dallo scafo per consentire al vapore di accedere a tutte le parti dei tubi, aumentando così l'efficienza del condensatore e riducendo la probabilità di surriscaldamento.
Fascio di Tubi
I tubi che attraversano il condensatore sono assemblati per formare un 'fascio'; questi sono montati su piatti tubieri. I turbolatori sono spesso installati all'interno dei tubi per promuovere il flusso turbolento, che aumenta la capacità di trasferimento del calore dei tubi e quindi l'efficienza complessiva del condensatore.
Tubo con Turbolatore Installato
Piatti Tubieri
I piatti tubieri sono montati alle estremità opposte dei fasci di tubi; tengono i tubi in posizione e conferiscono resistenza meccanica ai tubi. Ogni tubo è arrotolato ed espanso nel suo piatto tubiero associato.
Tubazioni di Estrazione
Il vapore di estrazione entra nel condensatore attraverso queste tubazioni. Anche il vapore di scarico dalle pompe di alimentazione della caldaia viene scaricato nel condensatore.
Scatole d'Acqua
L'acqua di raffreddamento entra ed esce da un condensatore tramite le scatole d'acqua; queste sono installate alle estremità opposte del condensatore. Un'estremità del condensatore forma l'ingresso, mentre l'altra forma l'uscita (scarico). A seconda delle dimensioni dell'unità, un condensatore può avere uno o più ingressi e scarichi, sebbene più di due sia insolito. Le scatole d'acqua dovrebbero avere un rivestimento resistente alla corrosione che copra tutte le superfici a contatto con l'acqua.
Nota – è essenziale che le scatole d'acqua rimangano completamente riempite con acqua di raffreddamento quando in servizio, poiché un fallimento nel farlo potrebbe portare a surriscaldamenti localizzati dei tubi.
Bocchettone
La grande forma di un bocchettone di scatola d'acqua è progettata per mantenere basse le velocità dell'acqua.
Pozzo Caldo
Il pozzo caldo (hot well) forma la parte inferiore del condensatore. Il vapore condensato forma condensato, che si raccoglie nel pozzo caldo e viene scaricato tramite tubazioni alla base del pozzo caldo.
Pompa di Estrazione del Condensato
Il condensato viene scaricato tramite una pompa di estrazione del condensato. Poiché il condensato ha un volume molto più piccolo del vapore (un rapporto di 1600:1), il tubo di scarico è molto più piccolo dell'ingresso principale del vapore del condensatore.
Strumentazione
I sensori sono installati in diverse aree del condensatore per scopi di monitoraggio. Ogni sensore registra dati operativi relativi a flusso, pressione, livello e temperatura. Tutti i dati vengono quindi inviati a un sistema di monitoraggio in tempo reale. Allarmi e arresti sono attivati in base ai dati ricevuti dai sensori installati.
Riscaldatore di Acqua di Alimentazione a Bassa Pressione
Le grandi centrali elettriche spesso installano riscaldatori di acqua di alimentazione a bassa pressione nel collo del condensatore; i due principali motivi per questo sono spazio e costo.
- Spazio – un riscaldatore di acqua di alimentazione richiede molto spazio, questo spazio aggiunge costo alla costruzione dell'edificio, cosa non desiderata.
- Costo – installare il riscaldatore di acqua di alimentazione all'interno del collo del condensatore riduce la lunghezza delle tubazioni di estrazione del vapore necessarie, il che riduce il numero di supporti, giunti, valvole ecc. richiesti; quindi, si verifica un risparmio di costo e spazio posizionando il riscaldatore di acqua di alimentazione a bassa pressione all'interno del condensatore.
Come funzionano i condensatori a turbina a vapore?
Il vapore di scarico a bassa pressione trasferisce il suo calore (energia termica) a un mezzo di raffreddamento, che lo fa raffreddare (diminuzione della temperatura) e condensare, mentre la temperatura del mezzo di raffreddamento aumenta. Lo scopo principale di un condensatore a vapore è raffreddare il vapore di scarico e farlo cambiare stato in un liquido.
I dissipatori di calore sono necessari per trasferire l'energia termica dal vapore di scarico all'ambiente. Un tipico dissipatore di calore può essere un lago, un fiume o un oceano. Se non è disponibile un grande corpo d'acqua per fungere da dissipatore di calore, vengono utilizzate torri di raffreddamento e l'acqua di raffreddamento viene ricircolata; possono essere utilizzati anche condensatori raffreddati ad aria anche se questo è raro per le grandi centrali elettriche a causa delle loro elevate esigenze di capacità di raffreddamento.
In questo esempio, assumiamo che venga utilizzata una torre di raffreddamento a tiraggio naturale come dissipatore di calore. La torre di raffreddamento è responsabile della dissipazione del calore dallo scarico della turbina a vapore. L'acqua di raffreddamento dal bacino della torre di raffreddamento viene diretta ai condensatori dove scorre attraverso i tubi. Quando il vapore di scarico entra nel condensatore, circonda i tubi pieni d'acqua.
Sezione Trasversale della Torre di Raffreddamento a Tiraggio Naturale
Man mano che il vapore si muove all'esterno dei tubi, viene raffreddato dall'acqua al loro interno, portando alla sua condensazione. L'acqua di raffreddamento (all'interno dei tubi) assorbe il calore dal vapore, il che provoca un corrispondente aumento della sua temperatura. L'acqua di raffreddamento riscaldata viene quindi inviata di nuovo alla torre di raffreddamento, dove viene raffreddata tramite raffreddamento evaporativo prima che il processo si ripeta.
Condensatori Raffreddati ad Acqua e Aria
Il principio di funzionamento di un condensatore a turbina a vapore prevede il trasferimento di calore dallo scarico della turbina a vapore a bassa pressione a un mezzo di raffreddamento separato, tipicamente acqua o aria.
Nota – consulta il nostro articolo su calore latente e sensibile per comprendere il calore e le sue varie proprietà.
Condensatore Raffreddato ad Acqua
Nel caso di un condensatore raffreddato ad acqua, l'acqua di raffreddamento scorre attraverso i tubi all'interno del condensatore. Il vapore di scarico scorre attorno a questi tubi e si condensa in acqua mentre viene raffreddato. Questo tipo di condensatore è altamente efficiente nel trasferire calore grazie alla grande superficie di contatto tra i tubi e il vapore. Il vapore condensato, ora sotto forma di condensato, viene raccolto sul fondo del condensatore e pompato di nuovo al deaeratore e poi alla caldaia (solitamente una caldaia a tubi d'acqua). L'acqua di raffreddamento riscaldata viene raffreddata utilizzando una torre di raffreddamento, se non è disponibile un lago, un fiume o un oceano (ci sono vari tipi di dissipatori di calore).
Condensatore Raffreddato ad Aria
Nei condensatori raffreddati ad aria, il raffreddamento è ottenuto facendo fluire aria su tubi alettati attraverso i quali passa il vapore di scarico. I condensatori raffreddati ad aria sono utilizzati in aree dove le risorse idriche sono limitate. Tuttavia, i condensatori raffreddati ad aria sono generalmente meno efficienti rispetto ai tipi raffreddati ad acqua a causa del loro tasso di trasferimento di calore inferiore (questo perché l'aria ha una densità inferiore rispetto all'acqua e quindi non è in grado di raffreddare altrettanto efficacemente).
Condensatori di Superficie e Raffreddati ad Aria
Esistono diversi tipi principali di condensatore a turbina a vapore ed è importante discutere il raffreddamento diretto e indiretto per comprendere il loro design.
Condensatori di Superficie – questi sono il tipo più comune di condensatori; sono essenzialmente grandi scambiatori di calore a fascio tubiero. Raffreddano indirettamente il vapore, cioè il vapore non entra in contatto diretto con l'acqua di raffreddamento.
Condensatori Raffreddati ad Aria – questi sono utilizzati quando non è disponibile una fonte d'acqua facilmente accessibile. Ci sono due tipi principali di condensatori raffreddati ad aria:
- Azione Diretta – il vapore di scarico scorre attraverso tubazioni con alette di scambio termico saldate. Ventilatori elettrici soffiano aria attraverso le tubazioni e le alette, che raffreddano il vapore e lo fanno condensare.
Condensatore Raffreddato ad Aria Diretta
- Azione Indiretta – il vapore di scarico della turbina viene condensato da un circuito di acqua di raffreddamento all'interno di un condensatore di superficie convenzionale. L'acqua di raffreddamento quindi rilascia il calore all'atmosfera tramite un condensatore raffreddato ad aria.
Condensatore Raffreddato ad Aria Indiretta
Fattori che Influenzano le Prestazioni del Condensatore
Ambiente Circostante
La temperatura dell'acqua di raffreddamento è influenzata dall'ambiente circostante. Ad esempio, in climi più freddi, l'acqua di raffreddamento avrà una temperatura più bassa. L'acqua più fredda migliora l'efficienza complessiva del condensatore, ma non dovrebbe essere così fredda da provocare uno shock termico al condensatore o da congelare. Se l'acqua di raffreddamento è troppo calda, la sua capacità di trasferimento del calore e la capacità di raffreddamento diminuiscono.
Qualità dell'Acqua
Il tipo di acqua utilizzata (acqua dolce o salata) può influenzare le prestazioni di un condensatore. L'acqua salata, essendo corrosiva, richiede che il condensatore sia realizzato con materiali resistenti alla corrosione. Tutti i tipi di fonte d'acqua richiederanno una sorta di filtraggio prima dell'uso.
Nota – 'acqua dolce' è talvolta chiamata 'acqua dolce'. L'acqua dolce è anche scritta 'acqua-dolce' o 'acqua dolce', ma tutte le grafie significano la stessa cosa.
Incrostazioni
I depositi (incrostazioni ecc.) che si accumulano all'interno dei tubi o sulle superfici esterne dei tubi possono ridurre il loro tasso di trasferimento del calore, il che causa una corrispondente riduzione della capacità di raffreddamento del condensatore.
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Fonti Aggiuntive
https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_condenser
https://engineering.fandom.com/wiki/Condenser_(steam_turbine)
https://www.powerplantandcalculations.com/2020/05/steam-condenservacuum-and-calculations.html
https://learnmech.com/steam-condenser-types-function-diagram-advantages
https://www.nuclear-power.net/nuclear-power-plant/turbine-generator-power-conversion-system/what-is-steam-turbine-description-and-characteristics/condensing-steam-turbine