El uso de calentadores de inmersión en la industria de la energía nuclear

La industria de la energía nuclear ayuda a suministrar calor y electricidad a los consumidores aprovechando la energía térmica generada por la fisión nuclear en un ambiente controlado. La fisión nuclear es la desintegración del núcleo de un átomo en partes más pequeñas. Dentro de los confines de un reactor nuclear, esta reacción controlada de fisión nuclear produce una gran cantidad de energía térmica, que luego es usada para calentar el agua y convertirla en vapor, que a su vez mueve una turbina en un generador eléctrico, convirtiendo la energía térmica en energía eléctrica. [1] La energía nuclear es vista como una fuente vital de electricidad por la naturaleza eficiente de la producción de electricidad, y en 2010, representó aproximadamente el 14% de la demanda mundial electricidad. [2] La producción de energía por medios nucleares requiere sistemas de control para monitorear y ajustar muchos parámetros esenciales del proceso. Algunos de estos sistemas de control requieren generación eléctrica de calor mediante calentadores de inmersión.

Industrial Flanged Heater for Pressurized Environments

Figura 1 – Un calentador de inmersión de brida fabricado por WATTCO™ [3]

 

Los calentadores de inmersión son un tipo de calentador eléctrico que se usa principalmente para calentar líquidos. Tal como lo sugiere su nombre, un calentador de inmersión consiste en elementos metálicos sumergidos dentro del líquido que se está calentando. Los elementos actúan como resistencias eléctricas, que convierten eficientemente la energía eléctrica en energía térmica que se disipa en el líquido circundante, calentándolo. La figura 1 muestra un tipo de calentador de inmersión fabricado por WATTCO™. Este calentador de brida usa numerosos elementos para aumentar el área superficial de contacto con el fluido que se calienta, para aumentar así su eficiencia.  [4,5] Normalmente hay un sensor ubicado en el líquido contenido que envía señales a una unidad de control en la que se introducen los parámetros de temperatura para controlar el calentador de brida. Los calentadores de inmersión se usan más comúnmente en el sector industrial.
Los calentadores eléctricos normalmente se usan para controlar la presión dentro de un reactor de agua presurizada, un tipo común de reactor nuclear, que se puede observar en la figura 2. En este tipo de reactor nuclear, se usa un refrigerante primario (agua a alta presión) para absorber el calor resultante de la reacción controlada de fisión nuclear. El calor es transferido posteriormente al fluido de trabajo, es decir, agua, usando un intercambiador de calor. Debido al calor, el fluido de trabajo se convierte en vapor, que a su vez impulsa una turbina para crear energía eléctrica, la cual está lista para su uso comercial. Según el diseño de este redactor, el refrigerante primario debe permanecer en estado líquido a una temperatura de 321 °C. [1] Para asegurar que no bulla, el circuito debe mantenerse a una presión alta de 2250 psi. [1] Para mantener y manejar la presión total, se usa un recipiente externo conocido como presurizador conectado al circuito. El presurizador es un tanque lleno de agua y vapor. Hay un calentador eléctrico de inmersión ubicado en el fondo del tanque, que puede ser un calentador de brida. Normalmente, se requiere un calentador de 1800 kW de capacidad para una planta nuclear con una producción de al menos 3000 MWe de electricidad. [1] La presión del vapor controla la presión total del circuito, mientras que la presión del vapor es controlada por la temperatura del presurizador. Cuando un sensor mide una caída de presión, el calentador eléctrico se enciende. Esto calienta el agua, convirtiéndola en vapor para aumentar la presión total dentro del circuito. Por ende, la presión es un parámetro controlado en el reactor de agua presurizada, controlado por un calentador eléctrico. Si la presión aumenta por encima del valor requerido, se rocía agua fría en el presurizador para disminuir la temperatura, disminuyendo así la cantidad de vapor y, por ende, la presión. [1, 6, 7]

Un calentador de inmersión es un tipo de calentador eléctrico ideal para su uso en el interior de un presurizador gracias a su eficiencia y versatilidad en cuanto a tamaño y diseño, así como por la simplicidad de su fabricación. WATTCO™ puede suministrar calentadores de inmersión diseñados a la medida para adaptarse a una aplicación en particular. Los parámetros tales como la forma del elemento y sus dimensiones, la potencia, los sistemas de control y los materiales, pueden diseñarse según los requerimientos específicos para adaptarse a las necesidades del comprador. El mantenimiento de los elementos de calefacción del presurizador es relativamente sencillo, por lo que aumenta la vida útil del mismo, aumentando a su vez el atractivo económico del uso de un calentador de inmersión en el interior de un presurizador. [8] De hecho, simplemente cortando y soldando, se pueden reemplazar elementos defectuosos individuales en un calentador de brida, en lugar de reemplazar todo el calentador de inmersión. Asimismo, gracias a la facilidad de mantenimiento de dicho calentador, aumenta la vida útil del presurizador, lo que a su vez reduce la exposición a la radiación de los trabajadores de mantenimiento durante el reemplazo de un presurizador.

El acero inoxidable es el material más adecuado para la fabricación de los elementos de los calentadores de inmersión para presurizadores.  Se trata de una aleación de metal de alta calidad resistente a la corrosión química en un entorno acuoso con buena resistencia a las altas temperaturas. De hecho, se usa en gran parte de las tuberías en el interior del reactor nuclear. [9] Muchas aleaciones de acero muestran cambios despreciables en cuanto su dureza y resistencia en respuesta a la radiación nuclear, que puede dañar significativamente otros materiales. [10] Asimismo, WATTCO™ puede suministrar diferentes composiciones de aleaciones, tales como Incoloy® e Inconel®, que presentan cubiertas de paredes pesadas, y que son idóneas para aplicaciones de alta potencia, tales como la calefacción del presurizador en una planta de energía nuclear.

Los calentadores eléctricos de inmersión son ideales para ser usados en el presurizador de los reactores nucleares de agua presurizada gracias a su impresionante eficiencia, versatilidad de diseño, simplicidad de fabricación y ‘técnicas de mantenimiento. Debido a consideraciones de diseño, principalmente la alta temperatura, presión y presencia constante de radiación nuclear, el acero inoxidable es el material óptimo para la fabricación de los elementos de los calentadores de inmersión. Para mayor información sobre los calentadores de inmersión y los parámetros de diseño o para pedir una cotización, por favor, contacte a los consultores técnicos de WATTCO™.

Referencias

  1. Cameron, I. R. Nuclear Fission Reactors (Reactores de fisión nuclear). Nueva York: Plenum, 1982. Versión impresa.
  2. World Nuclear News. “Another Drop in Nuclear Generation.” (Otra caída en la generación nuclear). WNN. World Nuclear News, 5 de mayo de 2010. Web. 9 de julio de 2012 http://www.world-nuclear-news.org/newsarticle.aspx?id=27665&terms=another+drop+
  3. WATTCO. Calentador de inmersión de brida Imagen digital Calentadores de brida. WATTCO, n.d. Web. 6 de julio de 2012. <https://www.wattco.com/product_category/flanged-heaters/>.
  4. Raju, K. S. N. Fluid Mechanics, Heat Transfer, and Mass Transfer:Chemical Engineering Practice. (Mecánica de fluidos, transferencia térmica y transferencia de masa: Práctica de ingeniería química). Hoboken, NJ: Wiley, 2011. Versión impresa.
  5. Morgan, Lemuel J., y Leonard F. Lowe. Electric Immersion Water Heater (Calentador eléctrico de agua por inmersión). Patente US3446939. 27 de May de 1969 Versión impresa.
  6. Glasstone, Samuel, y Alexander Sesonske. Nuclear Reactor Engineering (Ingeniería de reactores nucleares). Vol. 2 Nueva York, NY: Chapman & Hall, 1994. Versión impresa.
  7. Mendolia, Frank J. Pressurizer Heaters (Calentadores de presurizador). Westinghouse Electrical Corporation, cesionario. Patente US4135552. 23 de enero de 1979 Versión impresa.
  8. Loch, Emil P., y Frank J. Mendolia. Method of Repairing A Heating Element in A Pressurizer (Método de reparación de un elemento calefactor en un presurizador). Westinghouse Electric Corporation, cesionario. Patente US4255840. 17 de marzo de 1981 Versión impresa.
  9. Weisman, Joel. Elements of Nuclear Reactor Design (Elementos del diseño de un reactor nuclear). Amsterdam: Elsevier Scientific Pub., 1977. Versión impresa.

Hausner, Henry Herman, y Stanley B. Roboff. Materials for Nuclear Power Reactors (Materiales para reactores de energía nuclear). Nueva York: Reinhold, 1955. Versión impresa.

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