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(yuǎn)洋船舶船員生活和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)對淡水的需求極大。早期的遠(yuǎn)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(yuǎn)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(xiǎn)[1]。隨著科技的發(fā)展，造水機(jī)的技術(shù)也越發(fā)成熟，這一進(jìn)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(yùn)效率。就目前而言，造水機(jī)已經(jīng)成為船舶不可缺少的一項(xiàng)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?yàn)檫@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(jī)市場占有率最高。就本型號造水機(jī)而言，便是利用該技術(shù)原理來進(jìn)行海水淡化的轉(zhuǎn)換。由于該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用率高，接下來本文對該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的講解說明。

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

2.1 JWSP-26-C100 型板式蒸發(fā)造水機(jī)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(diǎn)，是目前較為先進(jìn)的高效節(jié)能換熱器。板式換熱器的這些特點(diǎn)使其在船舶造水機(jī)上的應(yīng)用十分普遍。此外，造水機(jī)板式換熱器一般都設(shè)計(jì)為可拆卸式，便于維護(hù)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(jìn)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(jì)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(shí)現(xiàn)蒸發(fā)或冷凝的功能。

2）鹽度計(jì)。因設(shè)備設(shè)計(jì)及運(yùn)行工況方面的因素，造水機(jī)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(jī)淡水管路上的鹽分監(jiān)測裝置（即鹽度計(jì)）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(jì)示出，單位是ppm。溫度會影響水的電阻值，因此鹽度計(jì)的電路均有溫度補(bǔ)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(jī)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(jī)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(shí)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(hù)管理工作量少。其原理是高壓流體通過噴嘴時(shí)，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(shí)現(xiàn)抽氣或排液功能。噴射泵的性能直接決定了造水機(jī)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(jì)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(jìn)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(jì)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(jìn)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(shí)，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(jìn)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(jī)蒸餾器內(nèi)的不凝性氣體抽出，使裝置內(nèi)的真空度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的90%～94%，對應(yīng)的海水蒸發(fā)時(shí)的飽和蒸發(fā)溫度為35℃～45℃。造水機(jī)的熱源來自主機(jī)高溫淡水，水溫約為80℃。高溫淡水在蒸發(fā)器換熱板片中進(jìn)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(jì)，可實(shí)時(shí)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(bào)，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(jī)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(yùn)行經(jīng)濟(jì)性以及技術(shù)成熟度等方面考慮，船用造水機(jī)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(jī)利用主機(jī)缸套冷卻水作為熱源，以回收主機(jī)廢熱達(dá)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(diǎn)低至38.7℃，溫度僅為70℃～80℃的柴油機(jī)缸套冷卻水即可用作加熱熱源，并且在此低溫下造水機(jī)的結(jié)垢問題也大大減輕。但是本船JWSP-26-C100 型造水機(jī)除了用主機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)分析

基于板式蒸發(fā)造水機(jī)的工作原理，為新造船舶設(shè)計(jì)一臺板式蒸發(fā)造水機(jī)的路線是確定的：依據(jù)使用需求，分別確定各部件所需達(dá)到的性能參數(shù)，再進(jìn)行匹配。為滿足船舶的淡水需求，造水機(jī)的日造水量是最重要的性能參數(shù)，對造水量的設(shè)計(jì)計(jì)算必須準(zhǔn)確。一般而言，在確定船用造水機(jī)的蒸發(fā)熱源、冷卻介質(zhì)以及板式換熱器型式后，設(shè)計(jì)計(jì)算的核心問題是確定蒸餾器（實(shí)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(fù)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(jì)、引射器、管路等，只需要達(dá)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(shí)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(jìn)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(jìn)行換熱和流體阻力計(jì)算，再將計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)使用要求比較，滿足要求即可。設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)蒸餾器必須要尺寸緊湊，結(jié)構(gòu)簡單，使安裝和維護(hù)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(jī)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(jì)算得到板片的換熱系數(shù)，從而確定總體換熱面積，最后計(jì)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(jī)主要結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)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(jī)的工作流程進(jìn)行詳細(xì)介紹，并對蒸發(fā)板式造水機(jī)的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行簡單分析。造水機(jī)的工作流程以及主要部件是本文的重點(diǎn)，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(jī)工作流程為主要分析方向。對于輪機(jī)員而言，為確保造水機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定需按公司PMS 規(guī)定做好定期維護(hù)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。