Perché è necessario usare un condensatore in una centrale a vapore?

Correzione: Questa risposta ha trascurato di considerare la condizione necessaria per un ciclo, che affinché il vapore sia ciclico deve subire una fase di raffreddamento e una fase di riscaldamento, una fase di pressurizzazione e una fase di depressurizzazione - ogni fase deve avere una corrispondente fase a ritroso per completare il ciclo. Un condensatore è il necessario passo di raffreddamento analogo alla caldaia. Senza un condensatore, il motore termico prenderebbe solo calore e produrrebbe lavoro. Questo non può funzionare a regime. Alla fine il vapore nel ciclo diventerebbe caldo come la caldaia e nessun trasferimento di calore potrebbe avvenire.

Risposta originale: Questa è una buona domanda. Perché non prendere semplicemente il vapore esausto e riscaldarlo nella sua forma di vapore, e avere un sistema che è un ciclo chiuso rispetto alla massa? Che vantaggio c'è nel raffreddare qualcosa solo per riscaldarlo di nuovo?

Ci sono due fattori rilevanti. Uno, è necessario togliere un po' d'acqua e metterne un po', chiamato make-up, a causa dell'accumulo di impurità metalliche e organiche nel flusso mentre viaggia attraverso i tubi. Invece di avere una caldaia di make-up separata, è economicamente migliore se si può avere una pompa di make-up che fornisce più acqua al ciclo. Due e più importanti: è difficile ottenere il trasferimento di calore con i vapori. Tanto che è meglio condensare il vapore esausto, dove l'efficienza del trasferimento di calore non è critica per il funzionamento, e poi mettere la condensa in una caldaia che viene riscaldata dalla combustione dei gas, dove l'efficienza del trasferimento di calore è critica per il funzionamento a causa delle alte temperature dei gas di combustione. Si tenga presente che il cambiamento di temperatura per riportare il vapore esausto all'acqua liquida è molto più piccolo che per portare l'acqua (o lo sarebbe per portare il vapore esausto) fino alla temperatura di alimentazione della turbina.

Non c'è nessun problema di trasferimento di calore dalla fiamma attraverso lo spazio alla parete della caldaia poiché le temperature adiabatiche della fiamma sono ~ 2000 °C e la legge di Stefan-Boltzmann dà una dipendenza quartica dalla temperatura per il trasferimento di calore radiativo, e nessun problema di trasferimento di calore per l'acqua liquida che contatta le pareti della caldaia. Poi, il vapore può essere tirato fuori dalla parte superiore della caldaia, poiché al punto di ebollizione tutto il calore andrà verso la generazione di vapore. In questo modo si può produrre molto calore senza preoccuparsi di distruggere le attrezzature.

Il condensatore rende anche il trattamento dell'acqua di scarico molto più facile, poiché nella forma condensata il calore residuo può essere rimosso con la circolazione attraverso una torre di raffreddamento e l'evaporazione (questo meccanismo rafforza anche la necessità di acqua di reintegro, poiché l'acqua evaporata rappresenta un pozzo di massa).

Per concludere, è la considerazione del trasporto pratico in spregio alla considerazione puramente di equilibrio che porta all'uso dei condensatori in una centrale a vapore. Una grande quantità di calore deve essere aggiunta all'acqua prima che entri nella turbina, e poi una grande quantità di energia viene persa dall'acqua mentre si estrae lavoro da essa. La perdita termodinamica risultante dal raffreddamento del vapore esausto è abbastanza piccola rispetto ai cambiamenti di quantità termodinamica intorno alla turbina e il vantaggio quando si considera il trasporto e altre preoccupazioni pratiche compensa questa piccola perdita termodinamica.