2. Uso de água em termelétricas
2.6. Condensador
O condensador é um trocador de calor cuja função no ciclo Rankine é resfriar o vapor após esse ser expandido na turbina até o ponto de líquido saturado, para que seja reutilizado no ciclo de geração de vapor. Como o tratamento da água da caldeira possui custo elevado, a reutilização do vapor minimiza os custos do tratamento de água.
Além disso, a principal função do condensador no ciclo Rankine é manter a pressão do condensador a mais baixa possível (inferior à pressão atmosférica). Desse modo, quando a turbina descarrega o vapor, o faz numa região de baixa pressão, resultando no aumento de trabalho líquido e menor rejeição de calor.
A Figura 2.7 apresenta o efeito da variação de pressão no ciclo Rankine ideal. Observa- se que ao reduzir a pressão do condensador, o trabalho líquido aumenta, representado pela área 2-2”-3”-3. Nesse caso, ocorre também o aumento do calor transferido para o fluido (aumento do consumo de combustível), representado pela área abaixo dos pontos 4-4”; no entanto, essa área é menor em comparação ao aumento do trabalho líquido. Dessa forma, a eficiência térmica do ciclo aumenta com a redução da pressão do condensador.
Figura 2.7. Efeito do condensador no ciclo Rankine Fonte: Adaptado de MORAN et al. (2014)
O condensador pode trabalhar com diversos fluidos de resfriamento, sendo que em centrais termelétricas os mais comuns são água e ar. Os condensadores podem ser classificados em dois tipos: condensador de contato direto, como o condensador evaporativo, e o condensador de contato indireto, cujo tipo mais comum é o condensador tipo casco e tubos.
2.6.1. Condensador de contato direto
Nos condensadores de contato direto, o fluido resfriado entra em contato direto com o fluido refrigerante. No caso do ciclo Rankine, o vapor expandido na turbina entra em contato direto com a água de resfriamento. A água de resfriamento é aspergida a partir do topo do condensador, enquanto o vapor d’água entra pela parte de baixo e sai pelo topo, como apresenta a Figura 2.8.
Figura 2.8. Condensador de contato direto Fonte: Adaptado de TEIXEIRA JUNIOR (2016)
O custo dos condensadores diretos é bem menor que o custo dos condensadores de contato indireto, principalmente devido à menor quantidade de material utilizada na fabricação do equipamento (ENEXIO, 2018a). A diferença da temperatura dos fluidos no final do processo é praticamente nula, o que aumenta a eficiência do equipamento além de reduzir as dimensões do condensador e reduzir o tempo necessário para que seja atingida a temperatura final.
A menor quantidade de material também reduz os problemas operacionais relacionados à qualidade da água, como incrustação e corrosão dos materiais. O sistema de resfriamento seco indireto utiliza esse tipo de condensador. Entretanto, devido à mistura dos fluidos, a água de reposição do sistema deve ser de alta qualidade, tal qual a qualidade requerida para a geração de vapor. Em termonucleares, é necessário que o circuito primário seja completamente fechado, devido à possibilidade de contaminação radioativa, impossibilitando a utilização de condensadores diretos (SENGES et al., 1979).
2.6.2. Condensador de contato indireto
Os condensadores de contato indireto são trocadores de calor nos quais não há a mistura entre os fluidos em circulação. O tipo de condensador de contato indireto mais comum é o casco e tubos, ou condensador de superfície. A água circula dentro das tubulações do condensador, enquanto o vapor circula no tanque fechado, como apresentado Figura 2.9. A água que circula dentro da tubulação é chamada de água de resfriamento ou água em circulação.
Figura 2.9. Condensador casco e tubos resfriado a água. Fonte: Adaptado de TEIXEIRA JUNIOR (2016)
Para que o condensador trabalhe de maneira adequada é importante que exista uma diferença de pressão e de temperatura entre o vapor e a água de resfriamento. A Figura 2.10 apresenta o gráfico da diferença de temperatura entre o vapor e a água de resfriamento (𝜃). A diferença final (𝜃2) é menor que a diferença inicial (𝜃1), sendo que a diminuição é proporcional à quantidade de calor transmitida do vapor para a água.
Figura 2.10. Variação da diferença de temperatura do vapor e da água de resfriamento ao longo do condensador.
Fonte: Adaptado de MCBIRNIE (1980)
A variação da diferença de temperatura ao longo do condensador não é constante, mas varia logaritmicamente. Caso a temperatura de entrada da água de resfriamento (𝑡1) aumente e as outras variáveis permaneçam constantes, a temperatura do vapor (𝑡𝑠) aumenta e, consequentemente, a pressão do vapor também aumenta (MCBIRNIE, 1980).
A quantidade de calor trocada entre os fluidos depende da vazão mássica de água de resfriamento. Para uma diferença constante de temperatura entre os fluidos, se a vazão for reduzida, a quantidade de calor trocada também diminui. A área de superfície do condensador também influencia na quantidade de calor trocada. Por exemplo, caso 10% da área diminuir, seja por incrustação ou presença de materiais suspensos, a quantidade de calor trocada também diminui em 10% (MCBIRNIE, 1980).
Os condensadores trabalham com pressão abaixo da atmosférica, de modo que sempre existe uma tendência de entrada de ar externo dentro do equipamento. Com isso, a pressão interna do condensador aumenta, resultando na diminuição da eficiência da turbina. A presença do ar reduz a transferência de calor entre o vapor e a água de resfriamento (MCBIRNIE, 1980). O resfriamento do vapor deve atingir o estado de líquido saturado. Caso seja resfriado abaixo desse ponto, esse se tornará um líquido subresfriado, que possui maior capacidade de absorção de ar. Dessa forma, ao retornar para a caldeira, o líquido vaporiza e o ar é liberado, causando corrosão tanto na caldeira quanto na turbina. Sendo assim, é necessário que após o
condensador, o líquido resfriado escoe através do desaerador para garantir a segurança do sistema (MCBIRNIE, 1980).
A resistência térmica envolvida na troca de calor é determinante na quantidade de calor trocada. Por exemplo, ao diminuir a resistência pela metade, a quantidade de calor trocada entre os fluidos é dobrada. A resistência térmica total é a soma das resistências devido a: (i) viscosidade da água, que possibilidade a aderência da água nas tubulações, tanto interna (da água de resfriamento) quanto externamente (do vapor ao se condensar sobre a superfície da tubulação); (ii) formação de incrustação na parede da tubulação; (iii) presença de ar e gases dissolvidos, que formam uma massa de ar dentro do condensador. A resistência térmica devido à condução de calor na tubulação pode ser desprezada por ser muito menor que as outras resistências citadas (MCBIRNIE, 1980).
Em geral, os materiais mais utilizados são: liga de cobre e níquel, aço inoxidável, latão e titânio. O tipo de material utilizado no condensador é determinado através de (OLIN BRASS, [s.d.]):
Avaliação das propriedades físicas do material: como condutividade térmica, resistência térmica, compatibilidade com outros materiais;
Propriedades físico-químicas tanto do condensado quanto da água de resfriamento: como presença de sólidos dissolvidos, substâncias potencialmente corrosivas;