Испаритель , дистиллятор или дистилляторный аппарат — это часть судового оборудования, используемого для получения пресной питьевой воды из морской воды путем дистилляции . Поскольку пресная вода объемна, может испортиться при хранении и является важным запасом в любом длительном плавании, способность добывать больше пресной воды в середине океана важна для любого корабля.
Хотя дистилляторы часто ассоциируются с пароходами , их использование началось еще до этого. Получение пресной воды из морской воды — теоретически простая система, которая на практике представляла множество трудностей. Несмотря на то, что сегодня существует множество эффективных методов, первые попытки опреснения давали низкую урожайность и часто не могли производить питьевую воду. [1]
Поначалу дистилляционными аппаратами были оснащены только более крупные военные корабли и некоторые исследовательские корабли: большой экипаж военного корабля, естественно, нуждался в большом запасе воды, большем, чем они могли заранее разместить на борту. Грузовые корабли с меньшими экипажами просто везли с собой припасы. Выбор документированных систем следующий:
С развитием судового парового двигателя их котлы также потребовали постоянной подачи питательной воды .
Ранние котлы напрямую использовали морскую воду, но это создавало проблемы с накоплением рассола и накипи . [20] В целях повышения эффективности, а также экономии питательной воды судовые двигатели обычно используют конденсационные двигатели. К 1865 году использование улучшенного поверхностного конденсатора позволило использовать подачу пресной воды, [21] поскольку теперь требовалось лишь небольшое количество питательной воды, необходимое для компенсации потерь, а не все количество, пропущенное через котел. Несмотря на это, для подпитки пресной водой системы питательной воды крупного военного корабля на полной мощности все равно может потребоваться до 100 тонн в сутки. [22] Также было уделено внимание деаэрации питательной воды для дальнейшего снижения коррозии котла. [21]
Систему дистилляции питательной воды котла в то время обычно называли испарителем , отчасти для того, чтобы отличить ее от отдельной системы или дистиллятора, используемого для питьевой воды. Отдельные системы часто использовались, особенно в ранних системах, из-за проблемы загрязнения маслянистыми смазками в системе питательной воды, а также из-за совершенно разных мощностей, требуемых на более крупных судах. Со временем эти две функции были объединены, и два термина стали применяться к отдельным компонентам системы.
Первая подача воды путем перегонки котлового пара появилась на первых лопастных пароходах и использовала в лопастных коробках простой железный ящик, охлаждаемый брызгами воды. К ним подведена подача пара непосредственно из котла, минуя двигатель и его смазочные материалы. [15] С развитием рубашек парового обогрева вокруг цилиндров двигателей, таких как магистральный двигатель , выхлопы из этого источника, опять же несмазанные, могут конденсироваться. [15]
.jpg/1280px-Two_of_the_Evaporators,_Fig_68_(The_Shipbuilder_special_numbers_Olympic).jpg)
Первые дистилляционные установки, которые кипятили воду отдельно от основного котла, появились примерно в 1867 году. [15] Они не нагревались напрямую пламенем, а имели первичный паровой контур, использующий пар главного котла через змеевики внутри парового барабана или испаритель . [23] Дистиллят из этого сосуда затем передавался в соседний сосуд, дистилляционный конденсатор . [23] Поскольку эти испарители напрямую использовали «чистую» морскую воду, а не загрязненную воду из контура котла, их можно было использовать для подачи как питательной, так и питьевой воды. Эти двойные дистилляторы появились примерно в 1884 году. [15] Для защиты от поломок корабли, за исключением самых маленьких, были оснащены двумя комплектами. [23]
Испарители потребляют большое количество пара и, следовательно, топлива по сравнению с количеством производимой пресной воды. Их эффективность повышается за счет работы в частичном вакууме, создаваемом конденсаторами главного двигателя. [23] [24] [25] На современных кораблях с дизельными двигателями этот вакуум может создаваться с помощью эжектора , обычно работающего за счет выходного сигнала рассолевого насоса. Работа в вакууме также снижает температуру, необходимую для кипячения морской воды, и, таким образом, позволяет использовать испарители с более низкотемпературным отходящим теплом из системы охлаждения дизельного двигателя.
Одной из самых серьезных проблем при эксплуатации испарителя является образование накипи . Его конструкция специально разработана, чтобы уменьшить это и сделать очистку максимально эффективной. Обычная конструкция, разработанная Вейром и Адмиралтейством , представляет собой вертикальный цилиндрический барабан, нагреваемый подводящими пар затопленными змеевиками в нижней части. [24] Поскольку они полностью погружены в воду, они избегают наиболее активной зоны отложения накипи вокруг ватерлинии. Каждая катушка состоит из одной или двух спиралей, расположенных в плоской плоскости. Каждый змеевик легко снимается для очистки и крепится отдельными патрубками со стороны испарителя. Также предусмотрена большая дверца, позволяющая снимать или заменять катушки. Очистку можно производить механически, ручным молотком для удаления окалины. [25] Это также сопряжено с риском механического повреждения трубок, поскольку малейшая точечная коррозия может стать зародышем накипи или коррозии. [25] Также распространенной практикой является удаление легкой накипи с помощью термического удара, пропускания пара через змеевики без наличия охлаждающей воды [23] [25] или нагревания змеевиков с последующим введением холодной морской воды. [26] В 1957 году испытательный корабль HMS Cumberland , устаревший тяжелый крейсер , использовался для первых испытаний дистиллятора с «гибким элементом», где нежесткие нагревательные змеевики постоянно сгибались во время работы и поэтому освобождали окалину, как только он образовал жесткий слой.
Несмотря на очевидную соленость морской воды, соль не представляет проблемы для отложения, пока не достигнет концентрации насыщения . [20] Поскольку это примерно в семь раз больше, чем в морской воде, а испарители работают только при концентрации в два с половиной раза, [27] это не является проблемой при эксплуатации.
Более серьезной проблемой образования накипи является отложение сульфата кальция . [24] Точка насыщения этого соединения снижается с температурой выше 60 °C (140 °F), так что, начиная примерно с 90 °C (194 °F), образуется твердый и цепкий осадок.
Для дальнейшего контроля образования накипи может быть предусмотрено оборудование для автоматического введения слабого раствора лимонной кислоты в подаваемую морскую воду. Соотношение составляет 1:1350 по массе морской воды. [28]
Работа испарителя требует дорогостоящего потребления пара главного котла и, следовательно, топлива. Испарители для военного корабля также должны быть достаточными для обеспечения постоянной полной мощности котлов, когда это необходимо, даже если это требуется редко. Изменение вакуума, в котором работает испаритель, и, следовательно, температуры кипения питательной воды, может оптимизировать производство либо для достижения максимальной производительности, либо для повышения эффективности, в зависимости от того, что необходимо в данный момент. Наибольшая производительность достигается, когда испаритель работает при давлении, близком к атмосферному, и высокой температуре (для насыщенного пара предельная температура составляет 100 °C), при этом эффективность может составлять 0,87 кг питательной воды, производимой на каждый кг подаваемого пара. . [24]
Если вакуум в конденсаторе увеличить до максимального значения, температура испарителя может снизиться примерно до 72 °C. Эффективность увеличивается до тех пор, пока масса производимой питательной воды почти не сравняется с массой подаваемого пара, хотя производительность теперь ограничена 86% от предыдущего максимума. [24]
Испарители обычно устанавливаются комплектом, в котором два испарителя подключаются к одному дистиллятору. [29] Для надежности крупные корабли будут иметь пару таких комплектов. [29] Эти комплекты испарителей можно расположить параллельно или последовательно для достижения максимального или наиболее эффективного производства. [24] При этом два испарителя располагаются таким образом, что первый работает при атмосферном давлении и высокой температуре (случай максимальной производительности), но затем использует результирующую горячую мощность первого испарителя для приведения в действие второго, работающего при максимальном вакууме и низкой температуре ( случай максимальной эффективности). [29] Общий выход питательной воды может превышать вес первоначально подаваемого пара, вплоть до 160%. Однако емкость снижается до 72% от максимальной. [24]
Неиспарившаяся морская вода в испарителе постепенно превращается в концентрированный рассол, и, как и в первых паровых котлах с подачей морской воды, этот рассол необходимо периодически продувать каждые шесть-восемь часов и сбрасывать за борт. [23] Ранние испарители просто устанавливались высоко и сбрасывали рассол под действием силы тяжести. [15] Поскольку возрастающая сложность поверхностных конденсаторов требовала улучшения качества питательной воды, насос стал частью испарительного оборудования. [23] Этот насос выполнял три совмещенные функции: насос для подачи морской воды, насос для подачи пресной воды и насос для извлечения рассола, каждая из которых имела постепенно меньшую производительность. [22] Соленость рассола была важным фактором эффективности испарителя: слишком плотный солевой раствор способствовал образованию накипи, но слишком низкий уровень соли приводил к потере нагретой морской воды. Таким образом, оптимальная рабочая соленость была зафиксирована в три раза выше, чем у морской воды, и поэтому насос для рассола должен был отбирать по крайней мере одну треть общего расхода подаваемой питательной воды. [30] Эти насосы напоминали уже находящиеся в эксплуатации поршневые насосы питательной воды с паровым приводом . Обычно их производили известные производители, такие как G&J Weir . Использовались вертикальные и горизонтальные насосы, хотя предпочтение отдавалось горизонтальным насосам, поскольку они способствовали деаэрации питательной воды. Позднее были приняты на вооружение роторные центробежные насосы с электрическим приводом как более эффективные и надежные. Первоначально были опасения, смогут ли они перекачивать рассол в условиях вакуума испарителя, поэтому существовал также переходный тип, в котором плунжерный насос с червячной передачей для рассола приводился в движение от вращающегося вала. [22]
Более поздней формой морского испарителя является флэш-дистиллятор. [31] Нагретая морская вода закачивается в вакуумную камеру, где она «превращается» в чистый водяной пар. Затем он конденсируется для дальнейшего использования.
Поскольку использование вакуума снижает давление пара, температуру морской воды нужно всего лишь поднять до 77 ° C (171 ° F). [i] И испаритель, и дистиллятор объединены в одну камеру, хотя на большинстве установок используются две соединенные камеры, работающие последовательно. Первая камера работает при вакууме 23,5 дюймов рт. ст. (80 кПа ), вторая — при 26–27 дюймов рт. ст. (88–91 кПа). [31] Морская вода подается в дистиллятор насосом с расходом около 20 фунтов на квадратный дюйм (140 кПа). Холодная морская вода проходит через змеевик конденсатора в верхней части каждой камеры, а затем нагревается паром во внешнем нагревателе питательной воды. Нагретая морская вода поступает в нижнюю часть первой камеры, затем стекает через плотину и попадает во вторую камеру, чему способствует разность вакуумов между ними. Рассол, производимый флэш-дистиллятором, имеет лишь небольшую концентрацию и постоянно перекачивается за борт. [31]
Пары пресной воды поднимаются через камеры и конденсируются змеевиками морской воды. Перегородки и водосборные лотки улавливают эту воду в верхней части камеры. Сам вакуум поддерживается паровыми эжекторами. [31]
Преимущество флэш-дистиллятора перед испарителем компаунда заключается в его большей эффективности работы с точки зрения подаваемого тепла. Это связано с работой в вакууме и, следовательно, с низкой температурой, а также с регенеративным использованием змеевиков конденсатора для предварительного нагрева подаваемой морской воды. [31]
Ограничением мгновенного дистиллятора является его чувствительность к температуре морской воды на входе, поскольку это влияет на эффективность змеевиков конденсатора. В тропических водах расход дистиллятора необходимо регулировать для поддержания эффективной конденсации. [31] Поскольку эти системы более современны, они обычно оснащены электрическим солемером и некоторой степенью автоматического управления. [31]
Теплоходы с дизельными двигателями не используют паровые котлы как часть своей основной двигательной установки и поэтому могут не иметь источников пара для привода испарителей. Некоторые так и делают, поскольку используют вспомогательные котлы для подобных задач, не связанных с движением. Такие котлы могут быть даже котлами-утилизаторами , нагреваемыми выхлопными газами двигателя. [32]
При отсутствии достаточной подачи пара вместо этого используется парокомпрессионный дистиллятор . Он приводится в движение механически, электрически или собственным дизельным двигателем. [33]
Морская вода закачивается в испаритель, где она кипятится с помощью нагревательного змеевика. Образовавшийся пар затем сжимается, повышая его температуру. Этот нагретый пар используется для нагрева змеевиков испарителя. Конденсат из выпускного отверстия змеевика обеспечивает подачу пресной воды. Для запуска цикла используется электрический подогреватель для нагрева первой подачи воды. Основная энергия, потребляемая установкой, приходится на механический привод компрессора, а не на тепловую энергию. [33]
Как пресная вода, так и отработанный рассол из испарителя проходят через выходной охладитель. Он действует как теплообменник с входной морской водой, предварительно нагревая ее для повышения эффективности. В зависимости от конструкции установка может работать либо при низком давлении, либо при небольшом вакууме. Поскольку испаритель работает под давлением, а не под вакуумом, кипение может быть сильным. Чтобы избежать риска залива и переноса соленой воды в пар, испаритель разделен барботажным сепаратором. [33]
Дистилляторы с компрессией пара были установлены на американских подводных лодках незадолго до Второй мировой войны. [34] Первые попытки были предприняты с использованием испарителей, работающих от тепла выхлопных газов дизельных двигателей, но их можно было использовать только тогда, когда подводная лодка двигалась на скорости на поверхности. Еще одна трудность с подводными лодками заключалась в необходимости добывать высококачественную воду для пополнения их больших аккумуляторных батарей. Типичное потребление во время военного патруля составляло около 500 галлонов США (1900 литров) в день на гостиничные услуги, питье, приготовление пищи, стирку [ii] и т. д., а также на пополнение системы охлаждения дизельного двигателя. Еще 500 галлонов в неделю требовалось для батарей. [34] Стандартная модель Badger X-1 для дизельных подводных лодок могла производить 1000 галлонов топлива в день. Был предусмотрен резервуар емкостью 5600 галлонов (1200 из которых составляла аккумуляторная вода), запас около 10 дней. [34] С появлением атомных подводных лодок и их обильным электроснабжением можно было построить еще более крупные электростанции. Установка X-1 была спроектирована таким образом, чтобы ее можно было эксплуатировать при подводном плавании или даже при полном погружении. Поскольку при погружении в воду давление окружающей среды увеличивалось и, следовательно, температура кипения, этим подводным дистилляторам требовалось дополнительное тепло, и поэтому они были спроектированы для непрерывной работы с электрическим нагревом. [34]
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )