Испаритель , дистиллятор или дистилляционный аппарат — это часть судового оборудования, используемая для получения пресной питьевой воды из морской воды путем дистилляции . Поскольку пресная вода объемна, может испортиться при хранении и является необходимым запасом для любого длительного плавания, возможность производить больше пресной воды в открытом океане важна для любого судна.
Хотя дистилляторы часто ассоциируются с паровыми судами , их использование предшествовало этому. Получение пресной воды из морской воды — теоретически простая система, которая на практике представляла множество трудностей. Хотя сегодня существует множество эффективных методов, ранние попытки опреснения имели низкую производительность и часто не могли производить питьевую воду. [1]
Сначала только более крупные военные корабли и некоторые исследовательские суда были оснащены дистилляционными аппаратами: большой экипаж военного корабля, естественно, нуждался в большом запасе воды, большем, чем они могли разместить на борту заранее. Грузовые суда с их меньшими экипажами просто возили свои запасы с собой. Выборка задокументированных систем выглядит следующим образом:
С развитием судовых паровых двигателей их котлы также нуждались в постоянной подаче питательной воды .
Ранние котлы использовали морскую воду напрямую, но это создавало проблемы с накоплением рассола и накипи . [20] Для эффективности, а также для экономии питательной воды, морские двигатели обычно были конденсационными. К 1865 году использование усовершенствованного поверхностного конденсатора позволило использовать подачу пресной воды, [21] поскольку дополнительная питательная вода, которая теперь требовалась, была лишь небольшим количеством, необходимым для компенсации потерь, а не общим количеством, прошедшим через котел. Несмотря на это, подпитка пресной водой системы питательной воды большого военного корабля на полной мощности все еще могла требовать до 100 тонн в день. [22] Также уделялось внимание деаэрации питательной воды, чтобы еще больше уменьшить коррозию котла. [21]
Система дистилляции для питательной воды котла в то время обычно называлась испарителем , отчасти для того, чтобы отличить ее от отдельной системы или дистиллятора, используемого для питьевой воды. Раздельные системы часто использовались, особенно в ранних системах, из-за проблемы загрязнения маслянистыми смазками в системе питательной воды и из-за существенно разных мощностей, требуемых для более крупных судов. Со временем эти две функции стали объединяться, и два термина стали применяться к отдельным компонентам системы.
Первая подача воды путем перегонки парового котла появилась на ранних гребных пароходах и использовала простую железную коробку в гребных коробках, охлаждаемую брызгами воды. К ним была подведена подача пара напрямую из котла, минуя двигатель и его смазочные материалы. [15] С развитием паровых нагревательных рубашек вокруг цилиндров двигателей, таких как тронковый двигатель , выхлоп из этого источника, опять же без смазки, мог 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 около 1867 года. [15] Они не нагревались напрямую пламенем, а имели первичный паровой контур, использующий пар основного котла через змеевики внутри парового барабана или испарителя . [23] Дистиллят из этого сосуда затем поступал в соседний сосуд, дистилляционный конденсатор . [23] Поскольку эти испарители использовали «чистую» морскую воду напрямую, а не загрязненную воду из контура котла, их можно было использовать для подачи как питательной, так и питьевой воды. Эти двойные дистилляторы появились около 1884 года. [15] Для защиты от сбоев суда, за исключением самых маленьких, были оснащены двумя комплектами. [23]
Испарители потребляют много пара и, следовательно, топлива по отношению к количеству произведенной пресной воды. Их эффективность повышается за счет работы их в условиях частичного вакуума, создаваемого конденсаторами главного двигателя. [23] [24] [25] На современных дизельных судах этот вакуум может быть создан эжектором , обычно работающим на выходе из насоса рассола. Работа в условиях вакуума также снижает температуру, необходимую для кипения морской воды, и, таким образом, позволяет использовать испарители с более низкотемпературным отходящим теплом из системы охлаждения дизельного топлива.
Одной из самых больших проблем эксплуатации испарителя является образование накипи . Его конструкция специально разработана для ее уменьшения и для максимально эффективной очистки. Обычная конструкция, разработанная Уиром и Адмиралтейством , представляет собой вертикальный цилиндрический барабан, нагреваемый паровыми затопленными змеевиками в нижней части. [24] Поскольку они полностью погружены, они избегают наиболее активной области отложения накипи вокруг ватерлинии. Каждый змеевик состоит из одной или двух спиралей в плоской плоскости. Каждый змеевик легко снимается для очистки, будучи закрепленным отдельными трубными соединениями через боковую часть испарителя. Также предусмотрена большая дверца, позволяющая снимать или заменять змеевики. Очистку можно выполнять механически, с помощью ручного молотка для снятия накипи. [25] Это также несет риск механического повреждения труб, так как малейшая точечная коррозия имеет тенденцию действовать как ядро для образования накипи или коррозии. [25] Также распространенной практикой является освобождение от легкой накипи путем термического удара, пропускания пара через спирали без охлаждающей воды [23] [25] или путем нагревания спиралей с последующим введением холодной морской воды. [26] В 1957 году испытательное судно HMS Cumberland , устаревший тяжелый крейсер , использовалось для первых испытаний дистиллятора с «гибким элементом», где нежесткие нагревательные спирали постоянно изгибались в процессе эксплуатации и таким образом освобождали от накипи, как только она образовывала жесткий слой.
Несмотря на очевидную соленость морской воды, соль не представляет проблемы для осаждения, пока не достигнет концентрации насыщения . [20] Поскольку это примерно в семь раз больше, чем в морской воде, а испарители работают только до концентрации в два с половиной раза больше, [27] это не является проблемой при эксплуатации.
Более серьезной проблемой для образования накипи является отложение сульфата кальция . [24] Точка насыщения этого соединения понижается при температуре выше 60 °C (140 °F), так что начиная примерно с 90 °C (194 °F) образуется твердое и липкое отложение.
Для дальнейшего контроля образования накипи может быть предусмотрено оборудование для автоматического впрыскивания слабого раствора лимонной кислоты в морскую воду. Соотношение составляет 1:1350 по весу морской воды. [28]
Работа испарителя представляет собой дорогостоящее потребление пара главного котла, а значит и топлива. Испарители для военного корабля также должны быть достаточными для подачи котлов на постоянной полной мощности, когда это требуется, даже если это требуется редко. Изменение вакуума, при котором работает испаритель, и, следовательно, точки кипения питательной воды, может оптимизировать производство либо для максимальной производительности, либо для лучшей эффективности, в зависимости от того, что требуется в данный момент. Наибольшая производительность достигается, когда испаритель работает при давлении, близком к атмосферному, и высокой температуре (для насыщенного пара это будет предел 100 °C), что может тогда иметь эффективность 0,87 кг питательной воды, произведенной на каждый кг подаваемого пара. [24]
Если вакуум конденсатора увеличивается до максимума, температура испарителя может быть снижена примерно до 72 °C. Эффективность увеличивается до тех пор, пока масса произведенной питательной воды почти не сравняется с массой поданного пара, хотя производство теперь ограничено 86% от предыдущего максимума. [24]
Испарители обычно устанавливаются как комплект, где два испарителя соединены с одним дистиллятором. [29] Для надежности на больших судах будет пара таких комплектов. [29] Можно расположить эти комплекты испарителей как параллельно, так и последовательно, для максимальной или наиболее эффективной производительности. [24] Это располагает два испарителя так, что первый работает при атмосферном давлении и высокой температуре (случай максимальной производительности), но затем использует полученный горячий выход от 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 пара, подаваемого первым, до 160% от него. Однако производительность снижается до 72% от максимума. [24]
Неиспарившаяся морская вода в испарителе постепенно превращается в концентрированный рассол, и, как и в ранних паровых котлах с морской водой, этот рассол необходимо периодически продувать каждые шесть-восемь часов и сбрасывать за борт. [23] Ранние испарители просто монтировались высоко и сбрасывали свой рассол под действием силы тяжести. [15] Поскольку усложнение поверхностных конденсаторов требовало лучшего качества питательной воды, насос стал частью испарительного оборудования. [23] Этот насос имел три объединенные функции: насос подачи морской воды, насос подачи пресной воды и насос откачки рассола, каждый из которых имел постепенно уменьшающуюся производительность. [22] Соленость рассола была важным фактором эффективности испарителя: слишком плотный способствовал образованию накипи, но слишком малый представлял собой отходы нагретой морской воды. Таким образом, оптимальная рабочая соленость была зафиксирована в три раза больше, чем у морской воды, и поэтому насос рассола должен был удалять не менее одной трети от общего объема подачи питательной воды. [30] Эти насосы напоминали паровые поршневые насосы питательной воды, которые уже находились в эксплуатации. 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 электроприводные роторно-центробежные насосы, как более эффективные и надежные. Первоначально возникли опасения, смогут ли они перекачивать рассол против вакуума испарителя, поэтому был также переходный тип, в котором плунжерный насос с червячным приводом для рассола приводился в действие от вращающегося вала. [22]
Более поздняя форма морского испарителя — флэш-дистиллятор. [31] Нагретая морская вода закачивается в вакуумную камеру, где она «испаряется» в чистый водяной пар. Затем он конденсируется для дальнейшего использования.
Поскольку использование вакуума снижает давление пара, морскую воду нужно только поднять до температуры 77 °C (171 °F). [i] И испаритель, и дистиллятор объединены в одну камеру, хотя большинство установок используют 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 под давлением около 20 фунтов на квадратный дюйм (140 кПа). Холодная морская вода проходит через конденсаторный змеевик в верхней части каждой камеры, прежде чем нагревается паром во внешнем водонагревателе. Нагретая морская вода поступает в нижнюю часть первой камеры, затем сливается через водослив и проходит во вторую камеру, поощряемую дифференциальным вакуумом между ними. Рассол, получаемый флэш-дистиллятором, лишь слегка концентрирован и непрерывно откачивается за борт. [31]
Свежий водяной пар поднимается через камеры и конденсируется змеевиками морской воды. Перегородки и поддоны для сбора улавливают эту воду в верхней части камеры. Сам вакуум поддерживается паровыми эжекторами. [31]
Преимущество испарителя флэш-дистилляции над испарителем-компаундом заключается в его большей эффективности работы с точки зрения подачи тепла. Это достигается за счет работы в условиях вакуума, а значит, при низкой температуре, а также за счет регенеративного использования конденсаторных змеевиков для предварительного нагрева подаваемой морской воды. [31]
Ограничением флэш-дистиллятора является его чувствительность к температуре морской воды на входе, поскольку это влияет на эффективность конденсаторных змеевиков. В тропических водах расход дистиллятора должен быть ограничен для поддержания эффективной конденсации. [31] Поскольку эти системы более современные, они, как правило, оснащены электрическим солемером и некоторой степенью автоматического управления. [31]
Дизельные моторные суда не используют паровые котлы как часть своей основной двигательной системы и поэтому могут не иметь пара для работы испарителей. Некоторые используют, так как они используют вспомогательные котлы для не двигательных задач, таких как эта. Такие котлы могут быть даже котлами-утилизаторами , которые нагреваются выхлопными газами двигателя. [32]
В случае отсутствия достаточного количества пара используется парокомпрессионный дистиллятор . Он приводится в действие механически, либо электрически, либо собственным дизельным двигателем. [33]
Морская вода закачивается в испаритель, где она кипит с помощью нагревательного змеевика. Полученный пар затем сжимается, повышая его температуру. Этот нагретый пар используется для нагрева испарительных змеевиков. Конденсат из выхода змеевика обеспечивает подачу пресной воды. Для запуска цикла используется электрический предварительный нагреватель для нагрева первой подачи воды. Основной энергетический ввод в установку заключается в механическом приводе компрессора, а не в виде тепловой энергии. [33]
Как производство пресной воды, так и отработанный рассол из испарителя направляются через выходной охладитель. Он действует как теплообменник с входящей морской водой, предварительно нагревая ее для повышения эффективности. Установка может работать как при низком давлении, так и при небольшом вакууме, в зависимости от конструкции. Поскольку испаритель работает под давлением, а не под вакуумом, кипение может быть бурным. Чтобы избежать риска заливки и переноса соленой воды в пар, испаритель разделен сепаратором с колпачком-барботажником . [33]
Парокомпрессионные дистилляторы были установлены на американских подводных лодках незадолго до Второй мировой войны. [34] Были предприняты ранние попытки с испарителями, работающими от тепла выхлопных газов дизельных двигателей, но их можно было использовать только тогда, когда подводная лодка двигалась на скорости на поверхности. Еще одной трудностью с подводными лодками была необходимость производить высококачественную воду для пополнения их больших аккумуляторных батарей. Типичное потребление во время военного патрулирования составляло около 500 галлонов США (1900 литров) в день для гостиничных услуг, питья, приготовления пищи, стирки [ii] и т. д., а также для пополнения 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 в день. Была предусмотрена емкость бака в 5600 галлонов (из которых 1200 составляла вода для аккумуляторов), что составляло около 10-дневного запаса. [34] С появлением атомных подводных лодок и их обильным электроснабжением можно было устанавливать еще более крупные установки. Установка X-1 была спроектирована так, чтобы ее можно было эксплуатировать при нырянии с маской и трубкой или даже при полном погружении. Поскольку давление окружающей среды увеличивалось при погружении, а следовательно, и температура кипения, в этих подводных дистилляторах требовалось дополнительное тепло, 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 )