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Condensatori - Condensatori a superficie

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Condensatori

Un condensatore è uno scambiatore di calore il cui scopo è quello di sottrarre calore al vapore d’acqua, il quale è il fluido di lavoro negli impianti termoelettrici per la produzione di energia elettrica.

Si distinguono i condensatori a superficie, in cui lo scambio di calore tra vapore e un altro fluido ausiliario avviene tramite una parete metallica, e i condensatori a miscela, in cui lo scambio avviene per miscelazione del vapore con il fluido ausiliario.

Il fluido ausiliario normalmente acqua di fiume, di pozzo o di mare, più raramente è aria.

Scopi della condensazione:

·      Abbassamento della pressione finale di espulsione del vapore al di sotto della pressione atmosferica e quindi aumento del lavoro che esso può fare

·      Recupero del calore posseduto dal vapore di scarico



·      Recupero della condensa

Condensatori a superficie

I condensatori a superficie che utilizzano acqua come fluido ausiliario sono costituiti da un cassone approssimativamente cilindrico o a forma di parallelepipedo, di solito ad asse orizzontale, contenente fasci di tubi percorsi internamente dall’acqua e lambiti esternamente dal vapore. I tubi sono assicurati alle piastre tubiere disposte sulle testate laterali del cassone. Tali testate costituiscono le camere di ingresso e di uscita dell’acqua condensatrice. Il percorso dell’acqua può essere semplice (da una testata all’altra) o più volte ripiegato.


Per facilitare la diffusione del vapore all’interno del cassone i tubi sono disposti secondo forme particolari (vedi fotocopie); in questo modo la condensazione non è concentrata unicamente nella parte alta del cilindro. Inoltre i tubi sono disposti in modo tale che le gocce che si formano per condensazione su un dato tubo non cadano sul tubo sottostante, impedendo così uno scambio termico efficiente.

Condensatori a miscela

L’acqua è introdotta direttamente nella camera di condensazione in modo tale da offrire la massima superficie di contatto con il vapore con cui si mescola. Il contatto avviene spruzzando l’acqua sotto pressione in modo da formare corone di getti finissimi che investono il vapore; più comunemente si fa traboccare l’acqua lungo una serie di bacinelle sovrapposte in modo da formare veli liquidi che il vapore attraversa.

Coefficiente di trasmissione del calore per i condensatori a superficie

Il calore trasmesso, nell’unità di tempo, dal vapore all’acqua si può esprimere con la classica formula vista con gli scambiatori di calore:

dove:

h è un coefficiente globale di trasmissione del calore dal vapore all’acqua

S è la superficie di scambio

 è la differenza di temperatura media tra vapore ed acqua; infatti durante il processo la differenza di temperatura non rimane costante

La superficie di scambio è, generalmente, pari alla somma delle superfici esterne dei tubi nel cassone. Il calcolo della  è complesso perché dipende dalla geometria del condensatore e dal tipo di percorso che compie l’acqua.

Normalmente si utilizza la media logaritmica definita come segue:

              (1)

Th’’

 

Tv è la temperatura è la temperatura del vapore, Th è la temperatura dell’acqua.

 


Se definiamo:

dove ch è la capacità termica dell’acqua e  la portata in massa dell’acqua,



possiamo scrivere la (1) in questa forma:

La quantità indicata con a è analoga agli NTU definiti negli scambiatori di calore.

La media logaritmica espressa dalla (1) fornisce la differenza di temperatura media per uno scambiatore di calore a circolazione semplice, nell’ipotesi che uno dei due fluidi si mantenga a temperatura costante.

Per quanto riguarda il coefficiente globale h, possiamo calcolarlo tenendo conto che avvengono tre conduzioni del calore in serie:

1.   dal vapore alla parete esterna per conone

2.   attraverso la parete del tubo per conduzione

3.   dalla parete al liquido per conone

Tubo visto in sezione

 



Calcoliamo le tre resistenze termiche e poi ne facciamo la somma:

                Se: superficie esterna del tubo

L: lunghezza del tubo, K: conducibilità termica, re: raggio esterno, ri: raggio interno

 
           

                 Si: superficie interna

Operiamo alcune trasformazioni su Rs:

             infatti S=2pLr

Lo spessore s della parete è pari alla differenza dei raggi:

s=re-ri

quindi:

R = Rv + Rs + Rh

ponendo                   (facciamo riferimento, per convenzione, alla sup. esterna)

abbiamo che:

Il primo termine della somma è piccolo perché si hanno valori elevati per hv; anche il secondo termine è molto piccolo, perché s è piccolo e K è grande; solo il terzo termine può assumere valori abbastanza gradi, e quindi influenza molto il valore di h.

Sperimentalmente si è notato che il valore di h dipende dalla velocità w dell’acqua nei tubi secondo la relazione:





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