Испаритель (морской) - Evaporator (marine)

Один из испарителей Белфаста. Он завернут и полностью скрыт изолирующими одеялами.
Этот паровой испаритель на борту HMSБелфаст дистиллированная до шести тонн пресной воды в час для котельной и питьевой.

An испаритель, дистиллятор или же перегонный аппарат это часть судового оборудования, используемого для производства свежих питьевая вода из морская вода к дистилляция. Поскольку пресная вода громоздка, может испортиться при хранении и является важным запасом для любого длительного плавания, способность производить больше пресной воды в середине океана важна для любого корабля.

Ранние испарители на парусных судах

Базовая схема неподвижного.

Хотя дистилляторы часто ассоциируются с пароходы, их использование предшествует этому. Получение пресной воды из морской воды - это теоретически простая система, которая на практике представляет множество трудностей. Несмотря на то, что сегодня существует множество эффективных методов, попытки опреснения на раннем этапе давали низкую урожайность и часто не позволяли получить питьевую воду.[1]

Сначала только более крупные военные корабли и некоторые исследовательские корабли были оснащены дистилляционными аппаратами: большой экипаж военного корабля, естественно, нуждался в большом запасе воды, больше, чем они могли уложить на борт заранее. Грузовые корабли с меньшим количеством экипажей просто возили с собой припасы. Ниже представлен список документированных систем:

  • 1539. Бласко де Гарай.[2][3][4]
  • 1560. "Хорнада де лос Гельвес".[5]
  • 1578. Мартин Фробишер. По мнению некоторых авторов, пресная вода получается из замороженной морской воды.[6]
  • 1717 г. Врач из Нанта, г-н Готье, предложил перегонный аппарат (плохо работающий в море, с раскачиванием корабля).[7]
  • 1763. Пуассонье. Реализован противоточный конденсатор воды.[8][9]
  • 1771. Метод доктора Ирвинга, принятый на вооружение британским королевским флотом.[10]
  • 1771. повар Тихоокеанский исследовательский корабль HMSРазрешение нес дистиллятор[11] и провели тесты, чтобы проверить: потребление угля в зависимости от количества добытой пресной воды.[12][13]
  • 1783. Луи Антуан де Бугенвиль.[14]
  • 1817. Луи Клод де Сульс де Фрейсине.[16][17][18]
  • 1821. Публикация деталей аппарата для дистилляции. aiguardente в непрерывном процессеКаталонка Джоан Джордана и Элиас. У этого все еще было много преимуществ по сравнению с предыдущими, и он был быстро принят в Каталония.[19]

Питательная вода котла

С развитием морской паровой двигатель, их котлы также требовали постоянного снабжения питательная вода.

Первые котлы использовали морскую воду напрямую, но это создавало проблемы с накоплением рассол и шкала.[20] Для эффективности, а также для экономии питательной воды судовые двигатели обычно конденсационные двигатели. К 1865 году использование улучшенного поверхностный конденсатор разрешено использование пресной воды для корма,[21] поскольку теперь необходимая дополнительная питательная вода была лишь небольшим количеством, необходимым для компенсации потерь, а не общим количеством, прошедшим через котел. Несмотря на это, большому военному кораблю может потребоваться до 100 тонн подпитки пресной воды в систему питательной воды в день, когда он находится на полной мощности.[22] Также было уделено внимание обезвоживание питательная вода для дальнейшего снижения коррозии котла.[21]

Система дистилляции питательной воды котла в то время обычно называлась испаритель, отчасти чтобы отличить его от отдельной системы или дистиллятора, используемого для питьевой воды. Часто использовались отдельные системы, особенно в ранних системах, из-за проблемы загрязнения масляными смазочными материалами в системе питательной воды и из-за сильно различающейся производительности, необходимой на более крупных судах. Со временем эти две функции были объединены, и эти два термина стали применяться к отдельным компонентам системы.

Дистилляторы питьевой воды

Первые поставки воды путем перегонки котельного пара появились в начале пароходы и использовал простой железный ящик в лопастных ящиках, охлаждаемых водяными брызгами. К ним была подведена подача пара прямо из котла, минуя двигатель и его смазочные материалы.[15] С развитием паровых обогревательных рубашек вокруг цилиндров двигателей, таких как магистральный двигатель выхлопные газы из этого источника, также не содержащие масла, могут конденсироваться.[15]

Испарители

Комбинированная поставка

Два испарителя для Олимпийский лайнеры, 1910

Первые дистилляционные заводы, которые кипятили воду отдельно от основного котла, появились около 1867 года.[15] Они не нагревались напрямую пламенем, но имели первичный паровой контур, использующий пар главного котла через змеевики внутри парового барабана или испаритель.[23] Дистиллят из этого сосуда затем поступал в соседний сосуд, дистилляционный конденсатор.[23] Поскольку в этих испарителях напрямую используется «чистая» морская вода, а не загрязненная вода из контура котла, их можно использовать как для подачи питательной, так и для питьевой воды. Эти двойные дистилляторы появился около 1884 г.[15] Для защиты от сбоев все корабли, кроме самых маленьких, были оснащены двумя наборами.[23]

Вакуумные испарители

Испарители потребляют много 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 судах с дизельными двигателями этот вакуум может производиться выталкиватель, обычно работал на выходе из рассольного насоса. Работа под вакуумом также снижает температуру, необходимую для кипячения морской воды, и, таким образом, позволяет использовать испарители с более низкотемпературным отходящим теплом из системы охлаждения дизельного топлива.

Шкала

Одна из самых больших эксплуатационных проблем испарителя - накопление шкала. Его конструкция разработана таким образом, чтобы уменьшить это и сделать очистку максимально эффективной. Обычный дизайн, разработанный Плотина и Адмиралтейство, предназначен для вертикального цилиндрического барабана, нагреваемого паропроводом. утопленные катушки в нижней части.[24] Поскольку они полностью погружены в воду, они избегают наиболее активной области отложения накипи вокруг ватерлинии. Каждая катушка состоит из одной или двух спиралей в плоской плоскости. Каждый змеевик легко снимается для очистки и крепится отдельными штуцерами труб через испаритель. Также предусмотрена большая дверца, позволяющая снимать или заменять катушки. Очистку можно производить механически, с помощью ручного молотка для удаления зубного камня.[25] Это также может привести к механическому повреждению трубок, так как малейшая точечная коррозия может стать ядром образования накипи или коррозии.[25] Также распространенной практикой является устранение легкого накипи за счет теплового удара путем пропускания пара через змеевики без охлаждающей воды.[23][25] или путем нагревания змеевиков с последующим введением холодной морской воды.[26] В 1957 году испытательный корабль HMSКамберленд, устаревший тяжелый крейсер, использовался для первых испытаний дистиллятора с «изгибающимся элементом», где нежесткие нагревательные спирали постоянно изгибались во время работы и, таким образом, вырывали накипь, как только она образовывала жесткий слой.

Несмотря на очевидную соленость морской воды, соль не проблема для осаждения, пока он не достигнет концентрация насыщения.[20] Поскольку это примерно в семь раз больше, чем у морской воды, а испарители работают только с концентрацией в два с половиной раза,[27] это не проблема в обслуживании.

Более серьезной проблемой для масштабирования является осаждение сульфат кальция.[24] Температура насыщения этого соединения снижается при температуре выше 60 ° C (140 ° F), так что, начиная примерно с 90 ° C (194 ° F), образуется твердый и вязкий осадок.

Для дальнейшего контроля образования накипи может быть предусмотрено оборудование для автоматической закачки слабого лимонная кислота раствор в подаче морской воды. Отношение составляет 1: 1350 по весу морской воды.[28]

Составные испарители

Дальнейшая информация: Многофункциональный испаритель

Работа испарителя требует больших затрат пара основного котла, а значит, и топлива. Испарители для военного корабля также должны быть достаточными для обеспечения котлов постоянной полной мощностью, когда это необходимо, даже если это требуется редко. Изменение вакуума, в котором работает испаритель, и, следовательно, температуры кипения питательной воды, может оптимизировать производство для либо максимальная производительность или лучшая эффективность, в зависимости от того, что требуется в данный момент. Наибольшая мощность достигается, когда испаритель работает при давлении, близком к атмосферному, и высокой температуре (для насыщенный пар это будет при пределе 100 ° C), что может иметь эффективность 0,87 кг питательной воды, произведенной на каждый кг подаваемого пара.[24]

Если вакуум конденсатора увеличить до максимума, 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 производство теперь ограничено 86% от предыдущего максимума.[24]

Испарители обычно устанавливаются в комплекте, где два испарителя соединены с одним дистиллятором.[29] Тогда для надежности на больших кораблях будет пара таких наборов.[29] Эти комплекты испарителей можно расположить параллельно или последовательно для максимального или наиболее эффективного производства.[24] При этом два испарителя располагаются таким образом, что первый работает при атмосферном давлении и высокой температуре (случай максимальной мощности), но затем использует полученную горячую мощность первого испарителя для привода второго, работающего при максимальном вакууме и низкой температуре (максимальная эффективность дело).[29] Общий выход питательной воды может превосходить вес пара, подаваемого первым, составляет до 160%. Однако емкость снижается до 72% от максимальной.[24]

Насосы испарителя

Неиспаренная морская вода в испарителе постепенно превращается в концентрированный рассол, и, как и в первых паровых котлах с подачей морской воды, этот рассол необходимо периодически перерабатывать. сдутый каждые шесть-восемь часов и сбрасывается за борт.[23] Ранние испарители просто монтировались высоко и сбрасывали рассол под действием силы тяжести.[15] Поскольку возрастающая сложность поверхностных конденсаторов требовала лучшего качества питательной воды, насос стал частью испарительного оборудования.[23] Этот насос имел три комбинированные функции: насос подачи забортной воды, насос подачи пресной воды и насос для извлечения рассола, каждый из которых имел постепенно меньшую мощность.[22] Соленость рассола была важным фактором эффективности испарителя: слишком плотный способствовал образованию накипи, но слишком низкий уровень представлял собой трату нагретой морской воды. Таким образом, оптимальная рабочая соленость была установлена ​​в три раза выше, чем у морской воды, и поэтому насос для рассола должен был отводить не менее одной трети общего расхода питательной воды.[30] Эти насосы напоминали паровые поршневые. насосы питательной воды уже в эксплуатации. Обычно их выпускали известные производители, такие как G & J Weir. Использовались вертикальные и горизонтальные насосы, хотя предпочтение было отдано горизонтальным насосам, поскольку они способствовали деаэрации питательной воды. Позже были приняты роторные центробежные насосы с электрическим приводом, как более эффективные и надежные. Первоначально были опасения, смогут ли они перекачивать рассол против вакуума испарителя, и поэтому был также переходный тип, когда червячный редуктор -приводной плунжерный насос для рассола приводился от вращающегося вала.[22]

Флэш-дистилляторы

Дальнейшая информация: Многоступенчатая флэш-дистилляция

Более поздняя форма морского испарителя - флэш-дистиллятор.[31] Подогретая морская вода закачивается в вакуум камера, где он «вспыхивает» в чистый водяной пар. Затем он конденсируется для дальнейшего использования.

Поскольку использование вакуума снижает давление пара, температура морской воды должна быть увеличена только до 77 ° C (171 ° F).[я] И испаритель, и дистиллятор объединены в одну камеру, хотя на большинстве заводов используются две соединенные камеры, работающие последовательно. Первая камера работает на 23,5дюйм рт. ст. (80 кПа ) вакуум, второй - 26–27 дюймов рт. ст. (88–91 кПа).[31] Морская вода подается в дистиллятор с помощью насоса 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 водослив и проходит во вторую камеру, чему способствует разность вакуума между ними. Рассол, производимый установкой мгновенной перегонки, имеет лишь небольшую концентрацию и непрерывно перекачивается за борт.[31]

Пары пресной воды поднимаются по камерам и конденсируются в змеевиках с морской водой. Перегородки и водосборные лотки улавливают эту воду в верхней части камеры. Сам вакуум поддерживается паровыми эжекторами.[31]

Преимущество флэш-дистиллятора по сравнению с испарителем компаунда заключается в его большей эффективности с точки зрения подводимого тепла. Это связано с работой в вакууме, а значит, с низкой температурой, а также с регенеративным использованием змеевиков конденсатора для предварительного нагрева подаваемой морской воды.[31]

Ограничением флэш-дистиллятора является его чувствительность к температуре морской воды на входе, поскольку это влияет на эффективность змеевиков конденсатора. В тропических водах необходимо регулировать расход дистиллятора для поддержания эффективной конденсации.[31] Поскольку эти системы более современные, они, как правило, оснащены электрическим солеметр и некоторая степень автоматического управления.[31]

Парокомпрессионные дистилляторы

Парокомпрессионный дистиллятор установлен в машинном отделении подводной лодки. Цилиндрический барабан для воды несет компрессор и его электродвигатель с ременной передачей над ним.
Один из двух парокомпрессионных дистилляторов в машинном отделении подводной лодки времен Великой Отечественной войны. USSПампанито (SS-383)
Дальнейшая информация: Парокомпрессионное опреснение

Дизель -приведенный теплоходы не используют паровые котлы как часть своей основной двигательной установки и поэтому могут не иметь источников пара для привода испарителей. Некоторые делают, поскольку используют вспомогательные котлы для таких задач, не связанных с движением. Такие котлы могут даже быть котлы-утилизаторы которые нагреваются выхлопом двигателя.[32]

При отсутствии адекватной подачи пара парокомпрессионный дистиллятор вместо этого используется. Он приводится в действие механически, либо электрически, либо собственным дизельным двигателем.[33]

Морская вода перекачивается в испаритель, где она нагревается нагревательной спиралью. Образующийся пар затем сжимается, повышая его температуру. Этот нагретый пар используется для нагрева змеевиков испарителя. Конденсат из выпускного отверстия змеевика обеспечивает подачу свежей воды. Для запуска цикла используется электрический подогреватель для нагрева первой подачи воды. Основная энергия, затрачиваемая на установку, заключается в механическом приводе компрессора, а не в виде тепловой энергии.[33]

Как пресная вода, так и отработанный рассол из испарителя проходят через выходной охладитель. Это действует как теплообменник забортной водой, предварительно нагревая ее для повышения эффективности. В зависимости от конструкции установка может работать как при низком давлении, так и при небольшом вакууме. Поскольку испаритель работает под давлением, а не под вакуумом, кипение может быть сильным. Чтобы избежать риска грунтовка и унос соленой воды в пар, испаритель разделен пузырчатая крышка разделитель.[33]

Подводные лодки

Установлены парокомпрессионные дистилляторы на Подводные лодки США незадолго до Второй мировой войны.[34] Ранние попытки были сделаны с испарителями, работающими от тепла выхлопных газов дизельного двигателя, но их можно было использовать только тогда, когда подводная лодка двигалась на большой скорости по поверхности. Еще одна сложность с подводными лодками заключалась в необходимости производить воду высокого качества для пополнения их больших аккумуляторных батарей. Типичный расход на военный патруль составлял около 500 галлонов США (1900 литров) в день для гостиничных услуг, питья, приготовления пищи, стирки[ii] и т.д., а также для заправки 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. Резервуар емкостью 5600 галлонов (из которых 1200 - аккумуляторная вода) был обеспечен примерно 10-дневным резервом.[34] С появлением атомных подводных лодок и их обильным электроснабжением можно было установить еще более крупные станции. Установка Х-1 была спроектирована так, чтобы ее можно было эксплуатировать при снорклинг, или даже когда он полностью погружен в воду. Поскольку при погружении в воду давление окружающей среды увеличивалось, и, следовательно, температура кипения, в этих подводных дистилляторах требовалось дополнительное тепло, и поэтому они были разработаны для непрерывной работы с электрическим нагревом.[34]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Для стерилизации требуется температура не менее 71 ° C (160 ° F).
  2. ^ Хотя немецкие подводные лодки полагались на морское мыло Практика США заключалась в том, чтобы приспособить соответствующий перегонный завод.

Рекомендации

  1. ^ Репертуар искусств, мануфактур и сельского хозяйства. 1818. С. 313–.
  2. ^ Сальвадорские каналы (1926 г.). Nuestro Tiempo.
  3. ^ Circuits водяная вода. Редакции OPHRYS. С. 16–. ISBN  978-2-7108-1076-6.
  4. ^ Фернандо Эрмида де Блас; Педро Рибас Рибас; Хосе Луис Мора Гарсия; Карлос Ньето Бланко; Херардо Боладо; Франсиско Хосе Мартин; Эудальдо Формент; Альфредо Алонсо Гарсия; Иван Лиссоргес; Альберто Гомис; Теофило Гонсалес Вила; Виктор Наварро Бротоны; Сальвадор Ордоньес; Х. Фернандо Валь-Берналь; Хуан Хосе Фернандес Тейхейро; Ф. Васкес де Кеведо; Бенито Мадариага де ла Кампа (16 ноября 2011 г.). «La ciencia española». Estudios. Эд. Universidad de Cantabria. С. 297–. ISBN  978-84-8102-565-1.
  5. ^ Мартин Фернандес де Наваррете (1825). Colección de los viages y descubrimientos que hicieron por mar los Españoles desde fines del siglo XV: con varios documentos inéditos Concerientes á la Historia de la marina castellana y de los establecimientos españoles en Indias. Imprenta Real. стр.128 –.
  6. ^ Фернандо Бельтран Кортес (1983). Apuntes para una Historia del frío en España. От редакции CSIC - CSIC Press. С. 212–. ISBN  978-84-00-05288-1.
  7. ^ Методическая энциклопедия. 1791. С. 709–.
  8. ^ Bulletin du Musée de l'industrie. Брюлан-Кристоф. 1845. С. 11–.
  9. ^ Роберт Дж. Форбс (1970). Краткая история искусства дистилляции: от истоков до смерти Селье Блюменталя. БРИЛЛ. С. 255–. ISBN  90-04-00617-6.
  10. ^ Наблюдения и воспоминания о физике. 1779. С. 316–.
  11. ^ «Журнал учета ГМС Разрешение". Кембриджская цифровая библиотека. Получено 23 июля 2013.
  12. ^ Джеймс Кук; Эсквайр Джордж Уильям АНДЕРСОН (1820 г.). Кругосветное путешествие капитана Джеймса Кука ... [Сокращение Г. В. Андерсона.] Украшено гравюрами. Дж. Робинс и компания; Шервуд, Нили и Джонс. С. 368–.
  13. ^ Джеймс Кук (1809). Кругосветные путешествия капитана Джеймса Кука: дословно напечатаны с оригинальных изданий и украшены избранными гравюрами. Р. Филлипс. С. 251–.
  14. ^ Шолто Перси (1835). Журнал «Механика» и «Журнал науки, искусства и производства». Рыцарь и Лейси. С. 296–.
  15. ^ а б c d е ж Риппон, Том 1 (1988) С. 78–79.
  16. ^ Мир (1839 г.). Voyage autour du monde ... exécuté sur les corvettes de s.m. l'Uranie et la Physicienne, кулон les années 1817, 1818, 1819 и 1820, опубл. par L. de Freycinet. С. 1387–.
  17. ^ Йенс Якоб Берцелиус (Фриерре); Улоф Густав Энгрен (1838). Traité de chimie. A. Wahlen et Cie, стр. 167–.
  18. ^ Жак Араго (1823 г.). Повествование о кругосветном путешествии на корветах Uranie и Physicienne под командованием капитана Фрейсине в 1817, 1818, 1819 и 1820 годах. Treuttel & Wurtz, Treuttal, jun. И Рихтер. С. 20–.
  19. ^ Франсиско Карбонелл Браво (1830). Nuevo aparato para mejorar la cosecha del vino, o sea, Suplemento: al arte de hacer y conservar el vino. Imp. де ла Вда. é Hijos de A.Brusi. С. 5–.
  20. ^ а б Риппон, Том 1 (1988), п. 30.
  21. ^ а б Риппон, Том 1 (1988), п. 60.
  22. ^ а б c Риппон, Том 1 (1988), п. 164.
  23. ^ а б c d е ж грамм Руководство Стокера (Изд. 1912 г.). Адмиралтейство, через HMSO, через Eyre & Spottiswoode. 1901. С. 42–45.
  24. ^ а б c d е ж грамм Риппон, Том 1 (1988) С. 160–164.
  25. ^ а б c d Дровер, инженер-капитан Ф.Дж., Р.Н. (1925). Морской инженерный ремонт. Чепмен и Холл. С. 105–106.CS1 maint: ref = harv (связь)
  26. ^ Морская инженерная практика (1971), п. 227
  27. ^ Справочник по машинному оборудованию (1941), стр. 156–166
  28. ^ Морская инженерная практика (1971), стр. 225–226
  29. ^ а б c Справочник по машинному оборудованию (1941), стр. 159-160
  30. ^ Риппон (1998), п. 161
  31. ^ а б c d е ж грамм Морская инженерная практика (1971), стр. 212-215.
  32. ^ Милтон, Дж. Х. (1961) [1953]. Морские паровые котлы (2-е изд.). Newnes. С. 119–137.
  33. ^ а б c Морская инженерная практика (1971), стр. 230-232
  34. ^ а б c d Подводная лодка флота, дистилляционные системы

Библиография