Condensador de Turbina a Vapor Explicado
Condensadores de turbina a vapor são utilizados em usinas termoelétricas para condensar vapor em condensado (água). Este artigo oferece uma visão geral dos condensadores de turbina a vapor, seus diversos designs, componentes e funcionamento.
Condensador de Superfície a Vapor
Nota – ‘condensadores de turbina a vapor’ também são conhecidos como ‘condensadores de superfície’, mas condensadores de superfície são apenas um tipo específico de condensador de turbina a vapor.
O que é um condensador de turbina a vapor?
Condensadores de turbina a vapor são usados em usinas termoelétricas para converter vapor em condensado (água). Uma turbina a vapor de baixa pressão está diretamente conectada ao seu condensador associado, com uma junta flexível ligando a turbina ao condensador. Vapor de escape de baixa pressão é descarregado de uma turbina de baixa pressão diretamente em seu condensador associado.
Condensador de Vapor Destacado em Caixa Laranja
Nota – a junta flexível é necessária para acomodar a expansão térmica das partes à medida que aquecem e esfriam; rachaduras e vazamentos ocorreriam se a junta não estivesse presente.
Por que os condensadores de turbina a vapor são necessários?
- Eficiência – o resfriamento do vapor de baixa pressão causa uma redução da pressão do sistema. A pressão diferencial (DP) através do sistema é um indicador direto da eficiência do sistema, assim um DP maior indica um sistema mais eficiente, ou seja, quanto maior a diferença de pressão entre a pressão de descarga da caldeira e a pressão do condensador, maior a eficiência do sistema.
- Reutilização da Água – transformar o vapor de baixa pressão de volta em água permite que a água seja reutilizada; a reutilização da água reduz os custos operacionais, pois necessita de menos pré-tratamento. A água também é facilmente retornada ao desaerador (aparelho de pré-tratamento) em grandes quantidades, mas isso não é verdade para o vapor de baixa pressão, que exigiria grandes tubulações e uma maior diferença de pressão para fluir.
- Desaeração – os condensadores liberam gases como oxigênio e CO2 do sistema, assim reduzindo a probabilidade de corrosão nos sistemas de água de alimentação e vapor.
- Ponto de Coleta – os condensadores servem como o principal ponto de coleta para outros sistemas de extração de vapor e drenos de condensado.
Nota – a água que foi tratada mas ainda não entrou na caldeira é classificada como ‘água de alimentação’. A água que está dentro da caldeira é classificada como ‘água da caldeira’. O vapor que se condensou de volta em água é classificado como ‘condensado’. O condensado torna-se água de alimentação após ser tratado.
Nota - mais informações sobre sistemas e maquinários de usinas de energia podem ser encontradas em nosso Curso de Vídeo de Fundamentos de Engenharia de Energia.
Partes do Condensador de Turbina a Vapor
As principais partes de um condensador de turbina a vapor são indicadas abaixo.
Partes do Condensador de Superfície a Vapor
Entrada de Vapor de Baixa Pressão
O vapor de baixa pressão da turbina a vapor de baixa pressão é descarregado para o condensador. O condensador é mantido a vácuo para fornecer uma baixa contrapressão para o escape da turbina, o que aumenta a eficiência geral da planta.
Carcaça
A carcaça abriga os componentes internos do condensador, incluindo as placas de suporte dos tubos, chapas tubulares, tubos, poço quente (parte inferior do condensador) e tubulação de extração; geralmente é fabricada a partir de placas de aço pesadas que são soldadas em uma peça única. Os tubos são espaçados da carcaça para permitir que o vapor acesse todas as partes dos tubos, aumentando assim a eficiência do condensador e reduzindo a probabilidade de superaquecimento.
Feixe de Tubos
Tubos que passam pelo condensador são montados para formar um ‘feixe’; estes são montados em chapas tubulares. Turbuladores são frequentemente instalados dentro dos tubos para promover o fluxo turbulento, o que aumenta a capacidade de transferência de calor dos tubos e, assim, a eficiência geral do condensador.
Tubo com Turbulador Instalado
Chapas Tubulares
Chapas tubulares são montadas nas extremidades opostas dos feixes de tubos; elas mantêm os tubos na posição e conferem resistência mecânica aos tubos. Cada tubo é enrolado e expandido em sua chapa tubular associada.
Tubulação de Extração
Vapor de extração entra no condensador através desta tubulação. O vapor de escape das bombas de água de alimentação da caldeira também é descarregado para o condensador.
Caixas de Água
Água de resfriamento entra e sai de um condensador através das caixas de água; estas são instaladas em extremidades opostas do condensador. Uma extremidade do condensador forma a entrada, enquanto a outra forma a saída (descarga). Dependendo do tamanho da unidade, um condensador pode ter uma ou mais entradas e descargas, embora mais de duas seja incomum. As caixas de água devem ter um revestimento resistente à corrosão cobrindo todas as superfícies do lado da água.
Nota – é essencial que as caixas de água permaneçam totalmente cheias de água de resfriamento quando em serviço, pois a falha em fazê-lo pode levar ao superaquecimento localizado dos tubos.
Bocal
A grande forma de um bocal de caixa de água é projetada para manter as velocidades da água baixas.
Poço Quente
O poço quente forma a parte inferior do condensador. O vapor condensado forma condensado, que se acumula no poço quente e é descarregado através de tubulação na base do poço quente.
Bomba de Extração de Condensado
O condensado é descarregado através de uma bomba de extração de condensado. Como o condensado tem um volume muito menor do que o vapor (uma proporção de 1600:1), o tubo de descarga é muito menor do que a entrada principal de vapor do condensador.
Instrumentação
Sensores são instalados em várias áreas do condensador para fins de monitoramento. Cada sensor registra dados operacionais relacionados a fluxo, pressão, nível e temperatura. Todos os dados são então alimentados a um sistema de monitoramento em tempo real. Alarmes e desligamentos são acionados com base nos dados recebidos dos sensores instalados.
Aquecedor de Água de Alimentação de Baixa Pressão
Grandes usinas frequentemente instalam aquecedores de água de alimentação de baixa pressão no pescoço do condensador; as duas principais razões para isso são espaço e custo.
- Espaço – um aquecedor de água de alimentação requer muito espaço, esse espaço adiciona custo à construção do edifício, o que não é desejado.
- Custo – instalar o aquecedor de água de alimentação dentro do pescoço do condensador reduz o comprimento da tubulação de vapor de extração necessária, o que reduz o número de suportes, juntas, válvulas etc. necessários; assim, ocorre uma economia de custo e espaço ao localizar o aquecedor de água de alimentação de baixa pressão dentro do condensador.
Como funcionam os condensadores de turbina a vapor?
O vapor de escape de baixa pressão transfere seu calor (energia térmica) para um meio de resfriamento, o que faz com que ele esfrie (diminuição da temperatura) e condense, enquanto a temperatura do meio de resfriamento aumenta. O principal objetivo de um condensador de vapor é resfriar o vapor de escape e fazer com que ele mude de estado para líquido.
Sumidouros de calor são necessários para transferir a energia térmica do vapor de escape para o ambiente. Um sumidouro de calor típico pode ser um lago, rio ou oceano. Se um grande corpo de água não estiver disponível para atuar como um sumidouro de calor, torres de resfriamento são usadas, e a água de resfriamento é recirculada; condensadores resfriados a ar também podem ser usados, embora isso seja raro para grandes usinas devido aos seus altos requisitos de capacidade de resfriamento.
Neste exemplo, assumimos que uma torre de resfriamento de tiragem natural é usada como o sumidouro de calor. A torre de resfriamento é responsável por dissipar o calor do escape da turbina a vapor. A água de resfriamento da bacia da torre de resfriamento é direcionada para os condensadores, onde flui através dos tubos. Quando o vapor de escape entra no condensador, ele envolve os tubos cheios de água.
Seção Transversal da Torre de Resfriamento de Tiragem Natural
À medida que o vapor se move sobre o exterior dos tubos, ele é resfriado pela água dentro deles, levando à sua condensação. A água de resfriamento (dentro dos tubos) absorve o calor do vapor, o que faz com que sua temperatura aumente correspondentemente. A água de resfriamento aquecida é então enviada de volta para a torre de resfriamento, onde é resfriada por meio de resfriamento evaporativo antes que o processo se repita.
Condensadores Resfriados a Água e a Ar
O princípio de funcionamento de um condensador de turbina a vapor envolve a transferência de calor do escape da turbina a vapor de baixa pressão para um meio de resfriamento separado, tipicamente água ou ar.
Nota – veja nosso artigo sobre calor latente e sensível para entender o calor e suas várias propriedades.
Condensador Resfriado a Água
No caso de um condensador resfriado a água, a água de resfriamento flui através dos tubos dentro do condensador. O vapor de escape flui ao redor desses tubos e condensa em água à medida que é resfriado. Este tipo de condensador é altamente eficiente na transferência de calor devido à grande área de contato entre os tubos e o vapor. O vapor condensado, agora na forma de condensado, é coletado na parte inferior do condensador e bombeado de volta para o desaerador e depois para a caldeira (geralmente uma caldeira aquatubular). A água de resfriamento aquecida é resfriada usando uma torre de resfriamento, se não houver lago, rio ou oceano disponível (existem vários tipos de sumidouros de calor).
Condensador Resfriado a Ar
Em condensadores resfriados a ar, o resfriamento é alcançado pelo ar que flui sobre tubos aletados pelos quais o vapor de escape passa. Condensadores resfriados a ar são usados em áreas onde os recursos hídricos são limitados. No entanto, condensadores resfriados a ar são geralmente menos eficientes do que os tipos resfriados a água devido à sua menor taxa de transferência de calor (isso ocorre porque o ar tem uma densidade menor do que a água e, portanto, não é capaz de resfriar tão eficientemente).
Condensadores de Superfície e Resfriados a Ar
Existem vários tipos principais de condensador de turbina a vapor e é importante discutir o resfriamento direto e indireto para entender seu design.
Condensadores de Superfície – estes são o tipo mais comum de condensadores; eles são essencialmente grandes trocadores de calor de casco e tubo. Eles resfriam indiretamente o vapor, ou seja, o vapor não entra em contato direto com a água de resfriamento.
Condensadores Resfriados a Ar – estes são usados quando não há uma fonte de água prontamente disponível. Existem dois tipos principais de condensadores resfriados a ar:
- Atuação Direta – o vapor de escape flui através de tubulações com aletas de trocador de calor soldadas a elas. Ventiladores elétricos sopram ar através dos tubos e aletas, o que resfria o vapor e faz com que ele condense.
Condensador Resfriado a Ar Direto
- Atuação Indireta – o vapor de escape da turbina é condensado por um circuito de água de resfriamento dentro de um condensador de superfície convencional. A água de resfriamento então rejeita o calor para a atmosfera através de um condensador resfriado a ar.
Condensador Resfriado a Ar Indireto
Fatores que Influenciam o Desempenho do Condensador
Ambiente
A temperatura da água de resfriamento é influenciada pelo ambiente. Por exemplo, em climas mais frios, a água de resfriamento terá uma temperatura mais baixa. A água mais fria melhora a eficiência geral do condensador, mas não deve ser tão fria a ponto de causar choque térmico no condensador ou para que congele. Se a água de resfriamento estiver muito quente, sua capacidade de transferência de calor e capacidade de resfriamento diminuem.
Qualidade da Água
O tipo de água usada (água doce ou salgada) pode afetar o desempenho de um condensador. A água salgada, sendo corrosiva, requer que o condensador seja feito de materiais resistentes à corrosão. Todos os tipos de fonte de água exigirão algum tipo de filtragem antes do uso.
Nota – ‘água doce’ é às vezes chamada de ‘água doce’. Água doce também é escrita como ‘água-doce’ ou ‘água doce’, mas todas as grafias significam a mesma coisa.
Incrustação
Depósitos (incrustações etc.) que se acumulam dentro dos tubos ou nas superfícies externas dos tubos podem reduzir sua taxa de transferência de calor, o que causa uma redução correspondente na capacidade de resfriamento do condensador.
Fontes Adicionais
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