Monitoraggio delle prestazioni del condensatore (Parte 1)

La prima metà di questa serie in due parti esamina le idee di base alla base dell'importanza del trasferimento di calore del condensatore.

Di Brad Buecker – Buecker & Associates, LLC

Un recente articolo di Power Engineering ha discusso di una tecnologia sviluppata dall'Università dell'Illinois presso la centrale elettrica di Abbot per aumentare le prestazioni del condensatore di superficie del vapore fino al 2%.1

Potrebbe non sembrare molto, ma tale miglioramento può essere molto prezioso. In questa prima parte di una serie in due parti, esamineremo le idee di base alla base dell'importanza del trasferimento di calore del condensatore e nella seconda parte esamineremo metodi semplici per monitorare le prestazioni del condensatore. Incrostazioni o incrostazioni lato acqua o lato vapore Un'eccessiva perdita d'aria può compromettere gravemente l'efficienza del condensatore e la capacità di raffreddamento.

La parola “termodinamica” evoca visioni di matematica complessa a molte persone (incluso a volte questo autore). Tuttavia, formule relativamente semplici della termodinamica possono spiegare molto sui fondamenti del generatore di vapore, compreso il trasferimento di calore del condensatore.

La termodinamica si basa principalmente su due leggi. A volte vengono scherzosamente chiamate (prima legge), "Non puoi ottenere qualcosa senza niente" e (seconda legge), "Non puoi andare in pareggio". La prima legge si basa sulla conservazione dell'energia. Dice che l'energia utilizzata all'interno di un sistema non viene né creata né distrutta ma solo trasferita. La classica equazione energetica per un sistema fondamentale (definito come volume di controllo nei libri di testo)2,3 è:

Q – Ws = ṁ2[V22/2 + gz2 + u2 + P2υ2] – ṁ1[V12/2 + gz1 + u1 + P1υ 1] + dEc.v./dt Eq. 1

Dove,

Q = apporto di calore per unità di tempoWs = lavoro dell'albero, come quello svolto da una turbina, per unità di tempoṁ2 = flusso in uscita dal sistema per unità di tempoṁ1 = flusso nel sistema per unità di tempo (V22 – V12)/2 = variazione della cinetica energiagz2 – gz1 = variazione dell'energia potenzialeu2 = energia interna del fluido in uscitau1 = energia interna del fluido in entrataP2υ2 = lavoro del flusso del fluido all'uscita dal sistema (P = pressione, υ = volume specifico)P1υ 1 = lavoro del flusso del fluido come entra nel sistemadEc.v./dt = Variazione di energia all'interno del sistema per unità di tempo

Anche se questa equazione può sembrare complicata, può essere meglio compresa attraverso alcune definizioni e semplificazioni. Innanzitutto, in molti sistemi e in particolare nei generatori di vapore, le energie potenziale e cinetica sono molto minori rispetto ad altri cambiamenti di energia e possono essere trascurate. In secondo luogo, in un processo a flusso stazionario come un generatore di vapore, il sistema non accumula energia, quindi dEc.v./dt è zero. La rimozione di questi termini lascia l'energia interna del fluido (u) più le sue capacità di lavoro di flusso (Pυ). Gli scienziati hanno combinato questi due termini nella proprietà molto utile nota asentalpia (h). L'entalpia è una misura dell'energia disponibile del fluido e le entalpie sono state calcolate per un'ampia gamma di condizioni di vapore e liquidi saturi. Questi valori possono essere trovati nelle tabelle del vapore standard, dove l'acqua satura a 0°C è stata designata come avente entalpia zero

Utilizzando queste semplificazioni e definizioni, l’equazione dell’energia per il funzionamento a flusso stazionario si riduce a:

Q – Ws = ṁ(h2 – h1) Eq. 2

Ma questa equazione rappresenta lo scenario ideale senza perdite di energia, ed è qui che entra in gioco la seconda legge. Tra le altre cose, la seconda legge descrive la direzione del processo. Una tazza di caffè calda posta sul tavolo della cucina non diventa più calda mentre la stanza diventa più fredda. Gli esseri umani invecchiano. È possibile un numero letteralmente infinito di esempi, ma questi esempi trasmettono l’essenza della seconda legge.

La seconda legge ha come fondamento il concetto di ciclo di Carnot, secondo il quale il motore più efficiente che si possa costruire opera con un apporto di calore (QH) ad alta temperatura (TH) e una scarica di calore (QL) a bassa temperatura (TL ), in quale

QH/TH – QL/TL = 0 Eq. 3

Questa equazione rappresenta un motore teoricamente ideale. In ogni processo conosciuto dall'uomo si verificano perdite di energia. Ciò può essere dovuto ad attrito, perdita di calore dal sistema, disturbi del flusso o ad una varietà di altri fattori. Gli scienziati hanno definito una proprietà nota come entropia (s), che, nei suoi termini più semplici, si basa sul rapporto tra il trasferimento di calore in un processo e la temperatura (Q/T). In ogni processo, la variazione complessiva di entropia di un sistema e del suo ambiente aumenta.