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LA CONDENSAZIONE

il processo inverso alla vaporizzazione: da aeriforme a liquido

IMPIANTI A VAPORE.
Negli impianti a vapore la condensazione, e i relativi apparati, sono della massima importanza poich consentono di "recuperare pi volte" l'acqua utilizzata nell'impianto. L'acqua infatti possiede speciali caratteristiche (indispensabili per evitare incrostazioni e corrosioni), ottenute con notevole dispendio di denaro e tecnologia.


schema elementare di funzionamento del condensatore

Un problema che ha sempre assillato i miei studenti il seguente: qual' la temperatura dell'acqua di condensa? Mentre risulta facile intendere che il vapore che si sviluppa dalla pentola in ebollizione ha la temperatura dell'acqua che lo produce, ai miei alunni appare sempre strano che l'acqua proveniente dal vapore abbia la stessa temperatura del vapore da cui proviene. Questo stato invece una immediata conseguenza delle leggi che governano i passaggi di stato (vedi diagramma TTT): la temperatura di vaporizzazione uguale a quella di condensazione. Nello schema in figura quindi l'acqua che esce dal basso ha la stessa temperatura del vapore che vi entra dall'alto, mentre l'acqua di raffreddamento, che non cambia di stato, all'uscita ha temperatura superiore a quella d'ingresso.
Negli impianti termoelettrici il vapore giunge al condensatore nelle condizioni seguenti: temperatura circa 32 C, pressione circa 0,05 atm; e l'acqua che ne esce ha le stesse caratteristiche: temperatura circa 32 C, pressione circa 0,05 atm! E ci ai miei alunni appare sempre assurdo(1).
Il problema in realt assolutamente elementare (vedi figura pi in basso): tutte le linee orizzontali nella zona del vapore saturo rappresentano i passaggi di stato, sia da sinistra verso destra (vaporizzazione), sia da destra verso sinistra (condensazione). Niente vieta che la condensazione avvenga a bassa pressione (e quindi a bassa temperatura) come rappresenta la linea tratteggiata inferiore. Il diagramma (che prende il nome di curva a campana), vale per tutti i liquidi, naturalmente con valori diversi di pressione e di temperatura, in modo particolare per la isoterma critica tc (per l'acqua vale tc = 374 C).
PROBLEMA.
Determinare la portata di acqua di raffreddamento per un condensatore di vapore.
Dati: portata vapore Gv = 200 t / h; temperatura vapore tv = 36 C; temperatura ingresso acqua t1 = 11 C; gradiente(2) acqua Dt = 6 C.
SOLUZIONE.
Dalle tabelle relative al vapore d'acqua si ricava che il vapore in quelle condizioni possiede(3) Iv = 611 Cal / kg, mentre il liquido nelle stesse condizioni possiede Il = 36 Cal / kg. Quindi l'acqua di raffreddamento deve sottrarre DI = (611 - 36) = 575 Cal ad ogni kg di vapore entrante nel condensatore.
Il calore specifico dell'acqua cacqua = 1 Cal / kg C, quindi ogni kg di acqua per un salto di 6 C pu sottrarre Dq = 1 x 1 x 6 = 6 Cal.
L'entalpia totale da sottrarre : Itot = DI Gv = 575 x 200 x 1.000 = 115.000.000 Cal / h.
La portata d'acqua sar: Q = Itot / q = 115.000.000 / 6 = 19.200.000 kg / h = 19.200 m3 / h.
La portata operativa sar leggermente inferiore perch una parte del calore si disperde attraverso le pareti del condensatore e un'altra parte per effetto dell'impianto che mantiene costante la pressione.

ARIA LIQUIDA.
L'aria una miscela di gas, in particolare ossigeno (circa il 21 %) e azoto (circa il 78%). Contiene inoltre percentuali variabili di vapore d'acqua, anidride carbonica, polvere, gas rari, idrogeno, ecc. Come per gli altri gas, possibile "liquefare" l'aria (noi adopereremo la parola giusta "condensare") quando la sua temperatura inferiore a quella critica del suo componente pi restio a condensare: per l'azoto - 147 C, per l'ossigeno - 119 C, per il CO2 + 31 C. Ci significa che, finch non si in grado di ottenere una temperatura inferiore a - 147 C, inutile tentare di ottenere aria allo stato liquido. Negli appositi impianti si lavora a circa - 200 C con pressioni di poco superiori a quella atmosferica e in tali condizioni si ottiene un liquido che una miscela di tutti i componenti elencati in precedenza.
Il liquido viene immesso in una "torre di distillazione" costituita da ambienti a diverse temperature. Nell'ambiente a - 196 C vaporizza l'azoto, in quello a - 186 C vaporizza l'argon, in quello a - 183 C vaporizza l'ossigeno, ecc. Il processo quindi del tutto simile a quello della distillazione frazionata del petrolio. Con opportuni filtri, possibile ottenere i gas elencati con purezze molto vicine al 100 %.
L'azoto trova vastissimo impiego in agricoltura nei concimi chimici; l'ossigeno, oltre che in campo medico, anche nell'industria siderurgica; l'argon, che uno dei gas nobili, viene impiegato ad esempio per ottenere luci di colore rosso.
Per ottenere anche idrogeno liquido ( utilizzato nei razzi delle navette spaziali), la temperatura deve scendere ancora (sotto i - 240 C).


curva a campana generica, valida per tutti i liquidi

FRIGORIFERO.
Nella macchina frigorifera il freddo viene "prodotto" mediante successive e ripetute rapide espansioni di un liquido speciale in pressione, espansioni cos violente da produrre "istantaneamente" la vaporizzazione del liquido in circolazione, cosa che produce una forte diminuzione della temperatura, poich la vaporizzazione avviene con un notevole assorbimento di calore. In tali condizioni essenziale "conservare" il fluido adoperato e di conseguenza indispensabile un impianto di condensazione a circuito chiuso per poter ripetere il ciclo di lavoro.
Nei motori a vapore l'espansione avviene ad alta temperatura e la condensazione a bassa. Nelle macchine operatrici, come il frigorifero, il processo inverso: l'espansione, che avviene sottraendo calore, operata a bassa temperatura (camera interna al frigorifero), mentre la condensazione, che avviene cedendo calore, operata ad alta temperatura (ambiente esterno al frigorifero). L'espansione accade all'interno della cella, la condensazione accade nel radiatore che si trova dietro il frigorifero domestico ed a temperatura maggiore (60 - 80 C) di quella normale della casa (15 - 30 C).
Naturalmente questo lavoro non pu essere svolto da un liquido qualunque (se si adoperasse acqua la temperatura minima dentro la cella sarebbe di circa 15 C con un compressore(4) di grande potenza!). Si adoperano liquidi facilmente vaporizzabili (piccolo calore specifico: l'acqua lo ha massimo), facilmente comprimibili e con temperatura critica inferiora a 0 C (per esempio l'ammoniaca o l'anidride carbonica).
Il risultato finale (miracolo!) che la macchina prende calore a bassa temperatura dall'interno e lo trasporta ad alta temperatura all'esterno del frigorifero. Tutto ci naturalmente a spese del lavoro svolto dal compressore e dal suo motore.
Lo stesso risultato finale viene ottenuto nelle macchine chiamate "pompe di calore" in inverno per portare calore dall'esterno (in inverno, con il freddo!) verso l'interno della casa: come se il frigorifero avesse la porta aperta fuori e il radiatore dentro casa.

1) Per estrarre l'acqua dal condensatore e riportarla in caldaia per ricominciare il ciclo, occorre una pompa speciale (pompa di estrazione), con caratteristiche costruttive molto particolari poich deve essere capace di creare quasi il vuoto nel tubo di aspirazione.
2) Gradiente ha lo stesso significato di "salto" o variazione di un parametro.
3) Il simbolo I indica l'entalpia, cio il contenuto termico globale posseduto dal vapore.
4) In realt occorrerebbe una "pompa a vuoto".