Overflatekondensator

En overflatekondensator er en vannkjølt mantel- og rørvarmeveksler som kondenserer damp uten at den kommer i kontakt med kjølevannet. Typisk brukes slik for å ta imot brukt damp fra dampturbiner i varmekraftverk eller i skip. Disse kondensatorene er en type varmevekslere som konverterer damp fra gass til flytende form ved et trykk under det atmosfæriske trykket. Kondenseringen skjer slik at dampen ikke kommer i kontakt med kjølevannet. Overflatenkondensatorer brukes også i andre prosesser enn for dampturbiner, for eksempel i kjemisk industri.

Konstruksjon og virkemåte

Kondensatoren som systemkomponent  
Energiproduksjon i et varmekraftverk og fremdrift av skip er eksempler på prosesser der varmeenergi omformes til kinetisk energi ved bruk av dampturbiner. I et varmekraftverk forbrennes kull, olje eller gass for å varme opp vann i en dampkjele som produserer damp. Damp for elektrisitetsproduksjon kan også skje ved kjernereaksjoner i en reaktor. Dampens potensielle energi på grunn av høyt trykk og temperatur konverteres til kinetisk energi i en dampturbin. Dampturbinen har skovler på en aksel som dampens trykk driver rundt og som er tilknyttet en generator for elektrisitetsproduksjon .

Ved å kondenserende dampen som forlater turbinen ved et trykk under det atmosfæriske trykket (helt eller delvis vakuum), vil trykkfallet (differansen) mellom innløp og utløp av turbinen øke, noe som øker mengden av varme som er tilgjengelig for konvertering til mekanisk effekt. Det meste av den frigjorte varmen på grunn av kondensasjon av dampen overføres til kjølevannet (eller kjøleluft) som brukes i kondensatoren. Dette er den viktigste grunnen for at kondensatorer installeres i forbindelse med dampsystemer. En annen grunn er at en ønsker så høy kvalitet som mulig på matevannet som dampkjelen må ha kontinuerlig tilførsel av. Det er nemlig slik at den kondenserte dampen fra kondensatoren pumpes tilbake til damkjelen og brukes på nytt. Når dampen kondenseres og sirkulerer i et lukket system sikres det at vannet er rent.

Overflatekondensatorer brukes i varmekraftverk og generelt i tilknytning til dampmaskiner og turbiner, for eksempel på skip. Kondensatoren blir vanligvis plassert rett under dampturbinen. Dette for at trykktapet i avløpsrøret fra turbinen skal bli minst mulig. Typisk må kondensatoren ta ut dobbelt så mye energi av dampen som dampturbinen gjør.

For de fleste vannkjølte overflatekondensatorer er det delvis vakuum i mantelen under normale driftsforhold. Typisk brukes et vakuum på 97 % for dampturbiner, mens kondensatorer tilknyttet dampmaskiner opererer med vakuum på 90 – 92 %.

Kondensatorer som bruker luft for kjøling blir også benyttet, blant annet i varmekraftverk. Disse brukes spesielt der tilgangen på kjølevann er begrenset, eller der utslipp av oppvarmet vann tilbake til vassdrag har for stor miljøpåvirkning. I en slik kondensator ledes dampen inn i rørene og luft fra omgivelsene blåses over rørene på utsiden.

Delene i en vannkjølt overflatekondensator 
Den grunnlegende konstruksjonen av overflatekondensatorer gjør at dampen som skal kondenseres ikke kommer i kontakt med kjølevannet (eller luften). Dette i motsetning til andre typer av kondensatorer der dampen og kjølevannet kommer i dirkete kontakt og blandes.

Konstruksjonsdelene 

Illustrasjonen viser en typisk vannkjølt overflatekondensator som brukes for å kondensere utslippsdamp fra en dampturbin eller dampmaskin. Denne typen kondensatoren kan også brukes for andre prosesser.

Typisk består en overflatekondensator av en sylindrisk beholder eller mantel og en stor mengde rør, det en kaller for en rørvarmeveksler. Mantelen danner kondensatorens ytre beholder og inneholder dessuten rørene som utgjør selve varmeveksleren. Den er produsert av stålplater og er avstivet for å kunne holde konstruksjonen sammen.

I hver ende av mantelen er det sveist på en rørplate der kjølevannsrørene går gjennom. I hver ende av kondensatoren er det en vannboks der kjølevannet ledes inn i rørsatsen. En utfordring med konstruksjon er utvidelse av rør på grunn av varmen som oppstår. En løsning på dette er ekspansjonsfuger mellom vannboksene og mantelen, dermed kan utvidelser og sammentrekninger i lengderetningen tillates. Kjølevannet sirkulerer gjennom rørene og dampen kondenserer på deres overflate inne i mantelen. En grunn til å lede kjølevannet gjennom rørene er at  renhold og vedlikehold da bli enklest mulig. Konstruksjonen kan også ha plater som styrer dampen gjennom kondensatoren for å få en ønsket bane, noe som forbedre kondenseringen. Det finnes mange utforminger avhengig av produsent, størrelsen på dampturbin og andre forhold.

Vanligvis at rørene er laget av koppernikkel, messing med aluminium, bronse med aluminium, rustfritt stål og flere andre legeringer. Spesielt om sjøvann brukes som kjølevann er utfordringer med groing og korrosjon tilstede.

Kjølevannets sirkulasjon 
Kondensasjonsvarmen overføres gjennom rørveggene og tas opp av kjølevannet. Typisk må overflatekondensatoren konstrueres slik at kjølevannets avløpstamperetur holdes 5 – 10 ºC under kondenstemperaturen. Desto nærmere kondenstemperaturen kjølevannets avløpstamperetur kommer, desto lavere blir vannforbruket. Imidlertid må dette veies opp mot en ulempe som oppstår, nemlig at kondensatorens kapasitet reduseres på grunn av redusert temperaturdifferanse mellom rørene og dampen ved rørsatsens siste del. 

Illustrasjonen viser en konstruksjon der kjølevannet passerer to ganger gjennom rørsatsen. En annen  vanlig konstruksjon er at vannet går gjennom rørsatsen bare en gang. Sammenlignet med en kondensator med to ganger vannpassasje, vil en kondensator med kun én vannpassasje med samme antall rør, samme størrelse på rørene og med samme vannhastighet, kreve to ganger så stor vanngjennomstrømning. På den annen side vil en slik vannvei føre til bare halvparten så stor temperaturøkning, dermed også lavere trykk i kondensatoren. Derfor er en kondensator med en gangs vannpassering gjennom rørsatsen fordelaktig for anleggets totale virkningsgrad, samtidig som det gir mindre problemer med oppvarmet kjølevann som skal ledes tilbake til naturen. Ulempene er imidlertid mer enn dobbelt så mye kjølevann trengs, samt at det trengs fire ganger så stor ytelse for å drive kjølevannspumpen.

Plasseringen av kjølevannsrørene har betydning for kondensatorens effektivitet. Tidligere ble kondensatorer konstruert for å få plass til så mange rør som mulig inne i mantelen, dette for at kjøleoverflaten skulle bli størst mulig. Mer moderne konstruksjoner har forskjellige avstander mellom rørene og gjør bruk av skjermer inne i rørsatsen, eller mellom seksjoner av rørsatsen. Dette for å maksimere dampgjennomstrømningen med minst mulig trykkfall og mest mulig lik distribuering av dampen. For å oppnå dette er rørlengder på mellom 9 – 15 meter ikke uvanlig for store enheter.

Her følger et eksempel på størrelser og parametre for en stor kondensator til en dampturbin: For en overflatekondensator med termisk ytelse på , som kan passe til et stort dampkraftverk, kreves en gjennomstrømning av kjølevann på 60 m3/s. Vannet får da en temperaturstigning på 11 ºC. En slik kondensator har en samlet overfate for kondensasjon på  m2 og rørlengde på 15,5 m.

Kondensatet samles på bunnen av mantelen der rørtilknytning for uttapping av vann er plassert. I noen utforminger av kondensatoren er det en sump eller varmtvannsbrønn som samler opp vannet. Kondensat blir pumpet ut av sumpen for gjenbruk som matevann til dampkjelen.

Vakuumsystemetet 

For vannkjølte overflatekondensatorer blir ønsket undertrykk ved oppstart av anlegget skapt av en ekstern vakuumpumpe. Vakuum vil imidlertid oppstå av seg selv når driften kommer i gang på grunn av den store forskjellen i spesifikt volum mellom damp og kondensat. Når kondensatoren kommer i drift er vakuumpumpens oppgave å fjerne luft og eventuelt andre gasser som ikke vil kondensere. Det kan anvendes tre forskjellige vakuumpumper, nemlig ejektor drevet med damp, sentrifugalpumpe eller stempelpumpe. Av disse er ejektor den som benyttes mest. Tidligere var det vanlig at en anvende en såkalt våtluftpumpe som suger ut både luft og kondensatvann samtidig. Senere ble det vanligste at vann og luft suges ut av egne pumper for hver av oppgavene. Altså at det anvendes en separat vannpumpe og en vakuumpumpe.

Luft vil lekke inn i kondenserne på grunn av utettheter i mantelen og sammenføyingene med rørsatsen. I tillegg kan luft følge med dampen og komme inn i kondensatoren på grunn av utettheter i kanalen mellom turbinen og kondensatoren. Luft som kommer inn i kondensatoren fører til to store ulemper: For det første reduseres varmeoverføringen til kjølerørene i betydelig grad. For det andre reduseres kondensatorens vakuum som igjen øker trykket på turbinens lavttrykkside slik at dens virkningsgrad går ned. Luften kan ikke kondenseres i kondensatoren og danner en film rundt filmen av kondensat på kjølerørene. Siden luft har dårlig termisk konduktivitet gir dette sterkt redusert varmeoverføringsevne.

Referanser

Se også 
 Clausius–Rankine-prosessen
 Varmepumpe

Eksterne lenker 
Forbedring av kondensasjon på kjølerør (engelsk)

Energiomforming