船用造水機技術(shù)原理及設(shè)計

毛亞東

（大連海安船舶與海洋工程技術(shù)服務(wù)公司，遼寧 大連 116000）

1 緒論

1.1 課題研究背景及意義

眾所周知海水中含有大量的鹽分，人類無法直接飲用，遠洋船舶船員生活和設(shè)備運轉(zhuǎn)對淡水的需求極大。早期的遠洋船舶只能從陸上獲取淡水并儲存在淡水艙中，以供航行之需。但是船舶艙容有限，僅僅依靠儲備的淡水并不足以滿足遠洋航行活動的需要。此外淡水艙中的淡水也有因長期存放而引發(fā)衛(wèi)生問題的風(fēng)險[1]。隨著科技的發(fā)展，造水機的技術(shù)也越發(fā)成熟，這一進步改善了船員的生活條件，也提升了船舶的航行性能及營運效率。就目前而言，造水機已經(jīng)成為船舶不可缺少的一項設(shè)備。

1.2 船用海水淡化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，船用海水淡化技術(shù)中占優(yōu)勢的是蒸餾法。因為這類技術(shù)成熟度高，可靠性好，并且造水工藝具有多樣性，可滿足不同的使用需求，尤其是板式換熱器的真空沸騰式造水機市場占有率最高。就本型號造水機而言，便是利用該技術(shù)原理來進行海水淡化的轉(zhuǎn)換。由于該項技術(shù)應(yīng)用率高，接下來本文對該項技術(shù)進行詳細的講解說明。

2 JWSP-26-C100 型板式蒸發(fā)造水機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 JWSP-26-C100 型板式蒸發(fā)造水機主要部件

1）板式換熱器。板式換熱器是以鈦金屬合成材料化作板狀形狀為傳熱面，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高等優(yōu)點，是目前較為先進的高效節(jié)能換熱器。板式換熱器的這些特點使其在船舶造水機上的應(yīng)用十分普遍。此外，造水機板式換熱器一般都設(shè)計為可拆卸式，便于維護拆卸清洗[2]。因金屬鈦的傳熱系數(shù)高，耐海水腐蝕性好，易沖壓加工成型，性能優(yōu)于其他金屬材料，所以在板式換熱器上應(yīng)用十分普遍。為進一步提高換熱器的換熱效果，換熱板片內(nèi)部介質(zhì)流道設(shè)計為“人字形”波紋槽狀，增大換熱面積，并且使流體在槽內(nèi)產(chǎn)生湍流，有利于熱交換。換熱板有2 種規(guī)格，形狀外觀差別不大，區(qū)別是其中一種底部一側(cè)有一個小孔，海水或冷凝水可經(jīng)過小孔的節(jié)流后排出。2 種規(guī)格的換熱板依次疊加，四周以橡膠墊圈夾緊密封，流體介質(zhì)在板片間隙中流動。蒸發(fā)器與冷凝器內(nèi)的換熱板片排列方式相同，因內(nèi)部介質(zhì)流過方式的不同而實現(xiàn)蒸發(fā)或冷凝的功能。

2）鹽度計。因設(shè)備設(shè)計及運行工況方面的因素，造水機所產(chǎn)淡水不可避免地含有一定鹽分，所以要掌控水中的含鹽量，只有含鹽量低于一定標(biāo)準(zhǔn)，所產(chǎn)淡水才合格。因此，造水機淡水管路上的鹽分監(jiān)測裝置（即鹽度計）的作用至關(guān)重要。鹽度傳感器是一對測量電極，安裝在淡水泵的排出管內(nèi)，根據(jù)水的電導(dǎo)率隨含鹽量增加而增大的性質(zhì)可測出水的電阻值，然后轉(zhuǎn)換成淡水的含鹽量直接由鹽度計示出，單位是ppm。溫度會影響水的電阻值，因此鹽度計的電路均有溫度補償功能，可在一定溫度范圍內(nèi)自動修正淡水含鹽量數(shù)值[3]。

3）噴射泵。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的蒸發(fā)溫度為100℃，但主機高溫淡水管路通常為85℃左右，該溫度無法使水變成水蒸氣，因此為了能讓海水在較低溫度下蒸發(fā)，造水機必須配備真空抽吸裝置。在真空條件下可以讓海水在低于100℃時受熱轉(zhuǎn)變成蒸汽，從而提取出海水中的鹽分。相比真空泵，噴射器（也稱噴射泵）結(jié)構(gòu)緊湊簡單，無動力元件，使得系統(tǒng)裝置集成度更高，維護管理工作量少。其原理是高壓流體通過噴嘴時，壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，在噴管?nèi)造成局部真空，產(chǎn)生卷吸效應(yīng)，實現(xiàn)抽氣或排液功能。噴射泵的性能直接決定了造水機蒸餾器內(nèi)的真空條件，從而影響造水系統(tǒng)的能耗及造水能力。工作中噴射泵制造的真空度若比設(shè)計值低，則蒸發(fā)溫度會相應(yīng)提高，蒸發(fā)器的傳熱溫差減小，產(chǎn)水量隨之降低；而真空度過高，則會使蒸發(fā)溫度降低，導(dǎo)致蒸發(fā)器中海水沸騰過于劇烈，二次蒸汽攜帶的水珠增多，引起所產(chǎn)淡水的含鹽量增多。在造水系統(tǒng)中，冷卻水回水流量較大，其中進入蒸發(fā)器內(nèi)被加熱蒸發(fā)的只占一小部分，其余部分在系統(tǒng)設(shè)計中被作為噴射泵的工作水。

由海水泵提供的海水經(jīng)簡單處理后，首先進入板式冷凝器的換熱板片間，在冷凝來自蒸發(fā)器蒸汽產(chǎn)生淡水的同時，低溫海水得到預(yù)熱。加熱后的海水流出冷凝器后分為兩路，一路經(jīng)節(jié)流孔板進入板式蒸發(fā)器的換熱板片間；另一路流向噴射泵，為真空抽吸裝置提供工作水。噴射泵可將造水機蒸餾器內(nèi)的不凝性氣體抽出，使裝置內(nèi)的真空度達到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的90%～94%，對應(yīng)的海水蒸發(fā)時的飽和蒸發(fā)溫度為35℃～45℃。造水機的熱源來自主機高溫淡水，水溫約為80℃。高溫淡水在蒸發(fā)器換熱板片中進一步加熱預(yù)熱后的海水，使之沸騰蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽，再經(jīng)由蒸發(fā)器與冷凝器之間的絲網(wǎng)除沫器，去除蒸汽攜帶的含鹽液滴，得到純凈的水蒸氣。最后水蒸氣在冷凝器里放熱冷凝成蒸餾水（即所造淡水）。淡水泵將產(chǎn)生的淡水抽出。淡水管路上設(shè)置有鹽度計，可實時監(jiān)測淡水的含鹽量。若鹽度超標(biāo)，裝置會發(fā)出聲光警報，并將不合格淡水回流至蒸餾器重新蒸餾；若淡水合格，則將其送入淡水艙。

2.2 JWSP-26-C100 型板式蒸發(fā)造水機工作流程

船用海水淡化裝置雖然有多種技術(shù)可供選擇，但從空間適應(yīng)性、運行經(jīng)濟性以及技術(shù)成熟度等方面考慮，船用造水機普遍采用真空沸騰蒸餾技術(shù)。在一定真空條件下，海水可在較低溫度下沸騰蒸發(fā)，便于造水機利用主機缸套冷卻水作為熱源，以回收主機廢熱達到節(jié)能的目的。例如，在絕對壓力為6.86 kPa 的真空條件下海水沸點低至38.7℃，溫度僅為70℃～80℃的柴油機缸套冷卻水即可用作加熱熱源，并且在此低溫下造水機的結(jié)垢問題也大大減輕。但是本船JWSP-26-C100 型造水機除了用主機缸套水作為熱源之外還可用蒸汽作為熱源，主要講解以缸套水作為熱源的造水方法。

3 板式蒸發(fā)造水機設(shè)計分析

基于板式蒸發(fā)造水機的工作原理，為新造船舶設(shè)計一臺板式蒸發(fā)造水機的路線是確定的：依據(jù)使用需求，分別確定各部件所需達到的性能參數(shù)，再進行匹配。為滿足船舶的淡水需求，造水機的日造水量是最重要的性能參數(shù)，對造水量的設(shè)計計算必須準(zhǔn)確。一般而言，在確定船用造水機的蒸發(fā)熱源、冷卻介質(zhì)以及板式換熱器型式后，設(shè)計計算的核心問題是確定蒸餾器（實質(zhì)上是2 個分別作為蒸發(fā)器和冷凝器的板式換熱器）的熱負荷、介質(zhì)流量、板片數(shù)量等相關(guān)參數(shù)，其他部件，諸如鹽度計、引射器、管路等，只需要達到與蒸餾器的匹配要求即可。

換熱器板片型式的選擇應(yīng)根據(jù)換熱場合的實際需要而定。對換熱介質(zhì)流量大而允許壓降小的情況，應(yīng)選用流體阻力小的板型，反之應(yīng)選用阻力大的板型。板片面積的選擇也不是越小越好，應(yīng)避免出現(xiàn)板片數(shù)量過多，板間流速偏小，傳熱系數(shù)過低的情況。流程指板式換熱器內(nèi)一種介質(zhì)進出口之間，沿同一流動方向的一組并聯(lián)流道，而流道是指板式換熱器內(nèi)由相鄰兩片換熱板組成的介質(zhì)流動通道。一般情況下，將若干個流道以并聯(lián)或串聯(lián)的方式連接，以形成冷熱介質(zhì)流通通道的不同組合。流程組合形式的確定應(yīng)先進行換熱和流體阻力計算，再將計算結(jié)果與設(shè)計使用要求比較，滿足要求即可。設(shè)計時應(yīng)盡量使冷、熱水流道內(nèi)的對流換熱系數(shù)相等或接近，以得到最佳的傳熱效果。

為充分利用有限的船艙空間，造水機蒸餾器必須要尺寸緊湊，結(jié)構(gòu)簡單，使安裝和維護工作量少。因此，滿足安裝和使用要求的單效板式蒸餾器是船用小型海水淡化機的最佳選擇。對于流道型式和尺寸確定的換熱板片，可根據(jù)換熱介質(zhì)的物性參數(shù)和熱力性質(zhì)，計算得到板片的換熱系數(shù)，從而確定總體換熱面積，最后計算出所需的板片數(shù)量并確定流程組合形式。

4 結(jié)語

本文對ALFA LAVAL JWSP-26-C100 型造水機主要結(jié)構(gòu)和工作原理進行分析，主要針對目前船舶上廣泛采用的低溫真空沸騰板式造水機的工作流程進行詳細介紹，并對蒸發(fā)板式造水機的設(shè)計工作進行簡單分析。造水機的工作流程以及主要部件是本文的重點，但由于本人知識體系方面的限制，本文主要以在船操作造水機工作流程為主要分析方向。對于輪機員而言，為確保造水機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定需按公司PMS 規(guī)定做好定期維護保養(yǎng)工作，這樣會減少出現(xiàn)故障的幾率，確保船舶安全航行。