Испаритель (морской)
Испаритель питьевой , дистиллятор или дистиллятор — часть судового оборудования, используемого для получения пресной воды из морской воды путем дистилляции . Поскольку пресная вода объемна, может испортиться при хранении и является важным запасом для любого длительного путешествия, способность добывать больше пресной воды в середине океана важна для любого корабля.
Первые испарители на парусных судах
[ редактировать ]
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:
- 1539. Бласко де Гарай . [2] [3] [4]
- 1560. «День гельфов». [5]
- 1578. Мартин Фробишер . По мнению некоторых авторов, пресную воду получали из замерзшей морской воды. [6]
- 1717. Врач из Нанта М. Готье предложил перегонный аппарат (не хорошо работающий на море, при раскачивании корабля). [7]
- 1763. Пуассонье. Реализовал противоточный водяной конденсатор. [8] [9]
- 1771. Метод доктора Чарльза Ирвинга , принятый на вооружение Британского королевского флота. [10]
- 1771. Кука На тихоокеанском исследовательском корабле HMS «Резольюшн» был установлен дистиллятор. [11] и провел тесты, чтобы проверить: потребление угля в зависимости от количества производимой пресной воды. [12] [13]
- 1783. Луи Антуан де Бугенвиль . [14]
- 1805. установлен был Нельсона HMS Victory перегонный аппарат На камбузе . [15]
- 1817. Луи Клод де Сольсе де Фрейсине . [16] [17] [18]
- 1821. Публикация деталей аппарата для непрерывной перегонки айгуарденте каталонцем Жоаном Джорданой и Элиасом . Это по-прежнему имело много преимуществ по сравнению с предыдущими и было быстро принято в Каталонии . [19]
Питательная вода котла
[ редактировать ]С развитием судового парового двигателя их котлы также потребовали постоянной подачи питательной воды .
Ранние котлы напрямую использовали морскую воду, но это приводило к проблемам 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, прошедшее 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.
Дистилляторы питьевой воды
[ редактировать ]Первая подача воды путем перегонки котлового пара появилась на ранних 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, могли конденсироваться. [15]
Испарители
[ редактировать ]Комбинированная поставка
[ редактировать ]
Первые дистилляционные установки, кипятившие воду отдельно от основного котла, появились около 1867 года. [15] Они не нагревались напрямую пламенем, но имели первичный паровой контур, в котором использовался пар основного котла через змеевики внутри парового барабана или испарителя . [23] Дистиллят из этого сосуда затем передавался в соседний сосуд, дистилляционный конденсатор . [23] Поскольку в этих испарителях использовалась напрямую «чистая» морская вода, а не загрязненная вода из контура котла, их можно было использовать как для подачи питательной, так и питьевой воды. Эти двойные дистилляторы появились примерно в 1884 году. [15] Для защиты от выхода из строя корабли, за исключением самых маленьких, были оснащены двумя комплектами. [23]
Вакуумные испарители
[ редактировать ]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 рассольного насоса. Работа в вакууме также снижает температуру, необходимую для кипения морской воды, и, таким образом, позволяет использовать испарители с более низкотемпературным отходящим теплом из системы охлаждения дизельного двигателя.
Шкала
[ редактировать ]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 обычной практикой является удаление легкой окалины путем термического удара путем пропускания пара через змеевики без присутствия охлаждающей воды. [23] [25] или нагревая змеевики и затем вводя холодную морскую воду. [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 таким образом отделяли окалину, как только она образовывала осадок. 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 проблема в сервисе.
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 вязкий 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]
Сложные испарители
[ редактировать ]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 тогда 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 (максимальный КПД). случай). [29] Общий выход питательной воды может превышать вес первоначально подаваемого пара до 160%. Однако емкость снижается до 72% от максимальной. [24]
Насосы испарителя
[ редактировать ]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 сливали рассол под действием силы тяжести. [15] Поскольку возрастающая сложность поверхностных конденсаторов требовала улучшения качества питательной воды, частью испарительного оборудования стал насос. [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, а слишком малый – 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] с паровым приводом Эти насосы напоминали уже находящиеся в эксплуатации поршневые насосы питательной воды . 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, преодолевая вакуум испарителя, поэтому существовал также переходный тип, в котором червячной передачей с плунжерный насос для рассола приводился в движение от вращающегося вала. [22]
Мгновенные дистилляторы
[ редактировать ]Более поздняя форма морского испарителя — это 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). [я] 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 дросселировать для поддержания эффективной конденсации. [31] Поскольку эти системы более современны, они обычно оснащены электрическим солемером и некоторой степенью автоматического управления. [31]
Парокомпрессионные дистилляторы
[ редактировать ]
дизельными с Теплоходы 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 парокомпрессионный дистиллятор вместо этого используется . 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]
Подводные лодки
[ редактировать ]Парокомпрессионные дистилляторы были установлены на подводных лодках США незадолго до Второй мировой войны. [34] Первые попытки были предприняты с использованием испарителей, работающих от тепла выхлопных газов дизельного двигателя, 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 военным патрулем составляло около 500 галлонов США (1900 литров) в день на гостиничные услуги, питье, приготовление пищи, стирку. [ii] и т. д., а также для пополнения системы охлаждения дизеля. 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]
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Для целей стерилизации необходима температура не ниже 71 °C (160 °F).
- ↑ Хотя немецкие подводные лодки использовали мыло из морской воды , в США была предусмотрена соответствующая перегонная установка.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Репертуар искусств, мануфактур и сельского хозяйства . 1818. стр. 313–.
- ^ Сальвадорские каналы (1926 г.). Наше время .
- ^ Контуры морской воды . ОФРИС Издания. стр. 16–. ISBN 978-2-7108-1076-6 .
- ^ 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 Лисорг; Альберто Гомис; Теофило Гонсалес Вила; Виктор Наварро Бротонс; Сальвадор Ордонес; Х. Фернандо Валь-Берналь; Хуан Хосе Фернандес Тейжейро; Ф. Васкес де Кеведо; Бенито Мадариага де ла Кампа (16 ноября 2011 г.). «Испанская наука». исследования Эд. Университет Кантабрии. стр. 297–. ISBN 978-84-8102-565-1 .
- ^ Фернандо Бельтран Кортес (1983). Заметки по истории холода в Испании . Издательство CSIC – CSIC Press. стр. 212–. ISBN 978-84-00-05288-1 .
- ^ Методическая энциклопедия . 1791. стр. 709–.
- ^ Вестник Музея промышленности . Брюйлан-Кристоф. 1845.стр. 11–.
- ^ Роберт Дж. Форбс (1970). Краткая история искусства дистилляции: от истоков до смерти Селье Блюменталя . БРИЛЛ. стр. 255–. ISBN 90-04-00617-6 .
- ^ Наблюдения и воспоминания по физике . 1779.стр. 316–.
- ^ "Журнал ГМС Резолюция " . Кембриджская цифровая библиотека . Проверено 23 июля 2013 г.
- ^ Джеймс Кук; Эсквайр. Джордж Уильям АНДЕРСОН (1820 г.). Кругосветные путешествия в исполнении капитана Джеймса Кука... [Сокращение Г.В. Андерсона.] Украшено гравюрами . Дж. Робинс и компания; Шервуд, Нили и Джонс. стр. 368–.
- ^ Джеймс Кук (1809 г.). Путешествия капитана Джеймса Кука вокруг света: дословно напечатанные из оригинальных изданий и украшенные подборкой гравюр . Р. Филлипс. стр. 251–.
- ^ Шолто Перси (1835). Журнал «Механика» и журнал науки, искусства и производства . Найт и Лейси. стр. 296–.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Риппон, Том 1 (1988) , стр. 78–79.
- ^ Мир (1839). Кругосветное путешествие... совершено на корветах С. М. Урания и Врача в течение 1817, 1818, 1819 и 1820 годов, опубл. Л. де Фрейсине . стр. 1387–.
- ^ Йёнс Якоб Берцелиус (Фрилорд); Олоф Густав Онгрен (1838 г.). Traité de chimie . А. Вален и другие. стр. 167–.
- ^ Жак Араго (1823). Рассказ о кругосветном путешествии на корветах «Урания» и «Физицень» под командованием капитана Фрейсине в 1817, 1818, 1819 и 1820 годах . Treuttel & Wurtz, Тройтталь, июнь. И Рихтер. стр. 20–.
- ^ Франсиско Карбонелл Браво (1830). Новое приспособление для улучшения урожая вина, то есть Дополнение: к искусству изготовления и сохранения вина . Имп. Вда. é Дети А.Бруси. стр. 5–.
- ^ Перейти обратно: а б Риппон, Том 1 (1988) , с. 30.
- ^ Перейти обратно: а б Риппон, Том 1 (1988) , с. 60.
- ^ Перейти обратно: а б с Риппон, Том 1 (1988) , с. 164.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Руководство Стокера (изд. 1912 г.). Адмиралтейство , через HMSO, через Эйр и Споттисвуд. 1901. стр. 42–45.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Риппон, Том 1 (1988) , стр. 160–164.
- ^ Перейти обратно: а б с д Дровер, инженер-капитан Ф.Дж., Р.Н. (1925). Ремонт морской техники . Чепмен и Холл. стр. 105–106.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Военно-морская инженерная практика (1971) , с. 227
- ^ Справочник по машинам (1941) , стр. 156–166.
- ^ Военно-морская инженерная практика (1971) , стр. 225–226.
- ^ Перейти обратно: а б с Справочник по машинам (1941) , стр. 159–160.
- ^ Риппон, Том 1 (1988) , с. 161
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Военно-морская инженерная практика (1971) , стр. 212–215.
- ^ Милтон, Дж. Х. (1961) [1953]. Морские паровые котлы (2-е изд.). Ньюнес. стр. 119–137.
- ^ Перейти обратно: а б с Практика военно-морской инженерии (1971) , стр. 230-232.
- ^ Перейти обратно: а б с д Подводная лодка флота, дистилляционные системы
Библиография
[ редактировать ]
- Риппон, командир ПМ, РН (1988). Эволюция инженерного дела в Королевском флоте . Том. 1: 1827–1939. Заклинание. ISBN 0-946771-55-3 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - Риппон, командир ПМ, РН (1994). «5: Испарители и дистилляционное оборудование». Эволюция инженерного дела в Королевском флоте . Том. 2: 1939–1992. Заклинание. стр. 40–44. ISBN 0907206476 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - Смит, ЕС (1937). «Внедрение вспомогательной техники». Краткая история морской техники . Издательство Кембриджского университета , для Babcock & Wilcox . стр. 220–225.
- BR 77 Справочник по машинам . более поздняя замена Руководства Стокера . Адмиралтейство, через HMSO. 1941 год.
- Военно-морская инженерная практика . более поздняя замена Руководства Стокера . Том. 1. Королевский флот , через HMSO . 1971 [1959]. ISBN 011-770223-4 .
- Подводные дистилляционные системы . Подводная лодка флотского типа. Том. 5. Бюро кадров ВМФ . Январь 1955 года. Navpers 16170. Архивировано из оригинала 18 марта 2012 года . Проверено 28 июня 2011 г.