Kondenzátor
Kondenzátor je tepelný výměník, sloužící ke kondenzaci páry vystupující z koncových dílů turbíny. Pára odevzdává v turbíně svou energii, a celkové množství odevzdané vnitřní energie závisí na vstupních a výstupních parametrech (entalpiích páry). Abychom dosáhli co nejvyšší účinnosti celého parního cyklu kondenzační turbíny, je potřebné prodloužit expanzi páry na výstupu až do poměrně hlubokého vakua.
K tomuto účelu slouží kondenzátor – výměník, ve kterém dochází při konstantním tlaku a teplotě ke kondenzaci páry, přičemž vzniklé kondenzační teplo je odváděno chladicím médiem. Čím je chladicí médium chladnější, tím nižší jsou parametry kondenzace, větší zpracovávaný spád, a tím větší je i výkon turbíny. Odevzdané nízkopotenciální teplo není většinou dále využíváno a odvádí se při cirkulačním chlazení do atmosféry nebo při průtočném chlazení do vodních toků.
Rozdělení a konstrukce kondenzátorů
Primární rozdělení kondenzátorů je podle chladicího média. Existují dva základní typy, a to vodou chlazené kondenzátory a vzduchové kondenzátory. V silové energetice jsou v našich oblastech ve většině případů využívány vodou chlazené kondenzátory, vzduchové kondenzátory nacházejí své uplatnění hlavně v oblastech s nedostatkem chladicí vody. V podstatně menším zastoupení se ještě používají kondenzátory chlazené nemrznoucí směsí nebo jiným specifickým druhem média.
Typ chladicího média má velký vliv i na konstrukční provedení kondenzátorů. Nejpoužívanější vodou chlazené kondenzátory představují velké svařené nádoby s obrovským množstvím tenkých přímých trubek, jejichž povrch tvoří teplosměnnou plochu, rozdělující vnitřní prostor kondenzátoru na vodní a parní stranu. Vodní stranou – vnitřkem trubek protéká chladicí voda. Na vnějším povrchu trubek dochází ke kondenzaci páry vystupující z turbíny. Svazky teplosměnných trubek jsou na obou koncích zaválcovány v trubkovnicích – masivních kovových deskách s otvory pro trubky. Rozvod chladicího média do všech trubek zajišťují vodní komory, do kterých ústí přívodní a odvodní potrubí chladicí vody.
Zkondenzovaná vodní pára stéká do spodní části kondenzátoru, do sběrače kondenzátu, který je odtud řízeně odváděn kondenzátními čerpadly přes regeneraci k opětovnému využití v parním cyklu.
Hluboké vakuum v kondenzátoru klade vysoké nároky na těsnost celého vakuového systému. I minimální množství přisávaného vzduchu společně s nezkondenzovanými plyny z páry zhoršuje vakuum, zvyšuje tlak a teplotu kondenzace a tím se snižuje využitelný výkon celého turbogenerátoru. Pro dosažení optimálních parametrů v kondenzátoru, musí být tyto plyny ve formě parovzdušní směsi kontinuálně odsávány systémem paroproudých nebo vodokružních vývěv.
Teplosměnné trubky jsou vyráběny z ušlechtilých materiálů (nerezová ocel, mosaz, titan), aby se zamezilo jejich nadměrné oxidaci při styku s vodou. Značným problémem velkých kondenzátorů je zanášení trubek na vodní straně, protože chladicí voda nedosahuje takové čistoty jako voda v parním cyklu. Proto musí být vnitřní povrch trubek periodicky nebo kontinuálně čištěn. Kontinuální čištění je nejčastěji založeno na dávkování měkkých čistících kuliček do chladicí vody před kondenzátorem a jejich odchytem po průchodu svazkem trubek.
Vodou chlazené i vzduchové kondenzátory patří mezi povrchové kondenzátory – mezi párou a chladicím médiem se nachází určitá teplosměnná plocha. Dalším typem jsou směšovací kondenzátory, u kterých dochází přímo k míchání páry vystupující z turbíny s chladicí vodou.
Z pohledu umístění kondenzátoru vzhledem k výstupu páry z turbíny můžeme kondenzátory dělit na radiální (uložené příčně nebo podélně pod turbínou), axiální (instalované v ose turbíny) a bokové (umístěné vedle turbíny).
Dělení kondenzátorů může být i podle dalších kritérií, například podle uspořádaní tahů chladicí vody na jednotahové, dvoutahové a vícetahové, nebo podle fyzického rozdělení parního prostoru na jednoprostorové a dělené.
Kondenzátory JE Temelín
Pára vystupující ze tří nízkotlakých dílů turbíny kondenzuje ve třech identických kondenzátorech. Každý kondenzátor je pružně uložen pod příslušným NT dílem, takže pára opouštějící poslední stupeň turbíny proudí směrem dolů mezi 12 metrů dlouhé horizontální titanové trubky. V jednom kondenzátoru je 31 900 trubek, které spolu tvoří teplosměnnou plochu kondenzace o rozloze asi 23 200 m2.
Uvnitř trubek o průměru 20 mm proudí cirkulační chladicí voda, protlačována přes trubky kondenzátoru výkonnými chladicími čerpadly. Průběžné čištění vnitřních povrchů trubek zajišťuje systém TAPROGGE – malé kuličky z pěnové gumy, přidávané do chladicí vody před kondenzátorem a zachycované po jeho průchodu.
Vnější povrch trubek slouží jako plocha kondenzace. Kapičky zkondenzované páry následně stékají do sběrače kondenzátu, který je potrubím veden do sání kondenzátních čerpadel.
Kondenzace (kapalnění) je skupenská přeměna – fázový přechod, při kterém se náhle mění makroskopické vlastnosti látky. Plynné skupenství (vodní pára) se kondenzací mění na kapalinu (vodu).
Proces kondenzace syté páry nastává při změně některé termodynamické proměnné, například když se sníží teplota páry nebo se zmenší její objem. Zkapalňování probíhá na tzv. kondenzačních jádrech, kterými mohou být částice prachu, různé ionty nebo povrchy pevných a kapalných látek. Postupně se pára mění v kapalinu, která je rozptýlena v páře jako mlha a obě složky jsou v rovnováze. V kondenzátorech kondenzuje vodní pára na chladných trubkách. Při změně skupenství z plynného na kapalné se uvolňuje skupenské teplo kondenzační Qk [J].
Qk = mp . lp
Kde:
mp – hmotnost vodní páry [kg]
lp – měrné skupenské teplo kondenzační [J/kg]
Toto teplo závisí na látce, která mění skupenství a na teplotě. Platí, že při stejné teplotě je kondenzační měrné skupenské teplo látky rovno měrnému skupenskému teplu téže látky při vypařování. Když při stejné teplotě odebereme látce v plynném skupenství její skupenské teplo kondenzační, změní se kompletně na kapalinu. Až po zkapalnění (při stejné teplotě) se dalším odebíráním tepla snižuje teplota kapaliny. Množství tepla při ohřívání nebo ochlazování vody Qv [J]:
Qv = mv . cv . Δtv
Kde:
mv – hmotnost vody [kg]
cv – měrná tepelná kapacita vody [J/(kg.K)]
Δtv – rozdíl teplot [K]
Z molekulárního hlediska je kondenzace spojováním volně se pohybujících molekul vody do řad nebo shluků, přičemž vzniká určitá vazba mezi atomem kyslíku jedné molekuly s atomem vodíku jiné molekuly. Spojením většího množství molekul vzniká vodní kapka. V momentě spojení dvou molekul je do okolí uvolněno určité množství latentního tepla, které tvoří již zmiňované skupenské teplo kondenzační.