Félix Ignacio Pérez Cicala
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Modelización de los calentadores cerrados
Los calentadores cerrados presentan problemas de cara a la simulación del funcionamiento del ciclo Rankine en cargas parciales. Esto es debido a la necesidad de, en primer lugar, dimensionar los calentadores, y en segundo lugar de calcular el funcionamiento a cargas parciales de los mismos.
3.1. Funcionamiento de los calentadores cerrados
Un calentador cerrado o FWH (Feed Water Heater) consiste en un intercambiador de calor de tipo tubo-carcasa, en el cual el uido caliente es el vapor procedente de una extracción de la turbina y circula por la carcasa, y el uido frío es el agua de alimentación y circula por los tubos. Los FWH de una central térmica de alta potencia pueden llegar a tener gran tamaño, con carcasas de más de 10m de longitud y 2m de diámetro, y elevados espesores de pared para soportar las presiones en las secciones de alta presión.
En la Figura 3.1 se muestra el diagrama de un calentador cerrado. Un FWH tiene tres secciones en el lado del uido caliente (vapor), que son:
Desuperheater (DSH). En esta sección el vapor pasa de estar sobrecalentado (su temperatura está por encima de la de condensación) a estar a la temperatura de condensación.
Condensador (CON). Sección en la cual el vapor condensa en la super cie de los tubos por los cuales circula el uido frío. Es la sección de mayor longitud del calentador.
Subcooler (SUB). Ultima sección del calentador, en la cual el condensado procedente del condensador se recoge y subenfría (la temperatura cae por debajo de la de condensación).
El condensado se recoge en el subooler, y es enviado al siguiente calentador en el tren (o al desaireador o condensador según corresponda) a través del drenado (”Drain Outlet” en la Figura 3.1).
El calculo se divide en tres problemas de intercambio de calor, uno para cada sección del calentador. Las temperaturas en un calentador cerrado se muestran en la Figura 3.2. Se de nen para un
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Figura 3.1: Diagrama de calentador cerrado [11]
calentador cerrado los parámetros TTD (Terminal Temperature Di erence) en la ecuación (3.1) y DCA (Drain Cooler Approach) en la ecuación (3.2). El parámetro TTD es un indicador del estrés térmico al que están sometidos los tubos, y el DCA puede utilizarse como indicador del nivel de condensado en el subooler, según Hicks, Alder y Jacabson [12].
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T T D = Tsat;vapor Tout;fw |
(3.1) |
Donde: |
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T T D es Terminal Temperature Di erence. |
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Tsat;vapor es la temperatura de saturación del vapor. |
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Tout;fw es la temperatura de salida del agua de alimentación. |
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El parámetro DCA se calcula según la ecuación (3.2). |
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DCA = Tout;vapor Tin;fw |
(3.2) |
Donde: |
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DCA es Drain Cooler Approach. |
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Tout;vapor es la temperatura de salida del uido caliente (temperatura de salida del condensado).
Tin;fw es la temperatura de entrada del agua de alimentación.
Los parámetros TTD y DCA son necesarios para el diseño de los calentadores, ya que se dimensionan para unos valores determinados de dichos parámetros. En cargas parciales, se recalculan sus valores durante la operación, a partir de las dimensiones nales obtenidas durante el cálculo de las condiciones de diseño.
3.2. Cálculo del flujo másico de extracción
Durante el cálculo en condiciones de diseño, el ujo másico de extracción se puede obtener de forma directa, dado que los parámetros TTD y DCA están jos. Avanzando ”aguas abajo” desde el primer calentador de alta presión, es posible obtener las temperaturas de entrada y salida de los dos uidos:
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Figura 3.2: Temperaturas en un calentador cerrado
La temperatura de entrada del vapor se obtiene resolviendo la turbina, lo cual es posible empezando en el primer calentador.
La temperatura de salida del condensado se obtiene a partir del DCA, mediante la temperatura de entrada del agua de alimentación.
La temperatura de entrada del agua de alimentación se obtiene a partir del TTD del FWH inmediatamente anterior, usando la presión de su extracción para obtener la temperatura de saturación.
La temperatura de salida del agua de alimentación se obtiene con el parámetro TTD a partir de la temperatura de saturación, usando la presión de la extracción para obtener la temperatura de saturación.
Una vez se obtienen las temperaturas de entrada y salida de los dos uidos, se puede resolver el balance de calor del calentador, según la ecuación (3.3). Despejando el valor de mex, se obtiene elujo másico de la extracción de la turbina. La ecuación (3.3) está formulada para un calentador con ”Drainback”, es decir, un calentador que recoge el condensado del calentador anterior.
Qfw = Qex + Qdb |
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+ |
(3.3) |
mfw (hfw;out hfw;in) = mex (hex;in hex;out) + mdb (hdb;in hdb;out)
Donde:
Qfw es el calor absorbido por el agua de alimentación.
mfw es el ujo másico de agua de alimentación. hfw;out es la entalpía de salida del agua de alimentación.
hfw;in es la entalpía de entrada del agua de alimentación.
Qex es el calor cedido por el vapor procedente de la extracción.
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