船用造水機技術原理及設計

毛亞東

（大連海安船舶與海洋工程技術服務公司，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備運轉對淡水的需求極大。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衛生問題的風險[1]。隨著科技的發展，造水機的技術也越發成熟，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，造水機已經成為船舶不可缺少的一項設備。

1.2 船用海水淡化技術應用現狀

目前，船用海水淡化技術中占優勢的是蒸餾法。因為這類技術成熟度高，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，便是利用該技術原理來進行海水淡化的轉換。由于該項技術應用率高，接下來本文對該項技術進行詳細的講解說明。

2 JWSP-26-C100 型板式蒸發造水機系統結構

2.1 JWSP-26-C100 型板式蒸發造水機主要部件

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，具有結構緊湊、傳熱效率高等優點，是目前較為先進的高效節能換熱器。板式換熱器的這些特點使其在船舶造水機上的應用十分普遍。此外，造水機板式換熱器一般都設計為可拆卸式，便于維護拆卸清洗[2]。因金屬鈦的傳熱系數高，耐海水腐蝕性好，易沖壓加工成型，性能優于其他金屬材料，所以在板式換熱器上應用十分普遍。為進一步提高換熱器的換熱效果，換熱板片內部介質流道設計為“人字形”波紋槽狀，增大換熱面積，并且使流體在槽內產生湍流，有利于熱交換。換熱板有2 種規格，形狀外觀差別不大，區別是其中一種底部一側有一個小孔，海水或冷凝水可經過小孔的節流后排出。2 種規格的換熱板依次疊加，四周以橡膠墊圈夾緊密封，流體介質在板片間隙中流動。蒸發器與冷凝器內的換熱板片排列方式相同，因內部介質流過方式的不同而實現蒸發或冷凝的功能。

2）鹽度計。因設備設計及運行工況方面的因素，造水機所產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準，所產淡水才合格。因此，造水機淡水管路上的鹽分監測裝置（即鹽度計）的作用至關重要。鹽度傳感器是一對測量電極，安裝在淡水泵的排出管內，根據水的電導率隨含鹽量增加而增大的性質可測出水的電阻值，然后轉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自動修正淡水含鹽量數值[3]。

3）噴射泵。在標準大氣壓下，水的蒸發溫度為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，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）結構緊湊簡單，無動力元件，使得系統裝置集成度更高，維護管理工作量少。其原理是高壓流體通過噴嘴時，壓力能轉變為動能，在噴管內造成局部真空，產生卷吸效應，實現抽氣或排液功能。噴射泵的性能直接決定了造水機蒸餾器內的真空條件，從而影響造水系統的能耗及造水能力。工作中噴射泵制造的真空度若比設計值低，則蒸發溫度會相應提高，蒸發器的傳熱溫差減小，產水量隨之降低；而真空度過高，則會使蒸發溫度降低，導致蒸發器中海水沸騰過于劇烈，二次蒸汽攜帶的水珠增多，引起所產淡水的含鹽量增多。在造水系統中，冷卻水回水流量較大，其中進入蒸發器內被加熱蒸發的只占一小部分，其余部分在系統設計中被作為噴射泵的工作水。

由海水泵提供的海水經簡單處理后，首先進入板式冷凝器的換熱板片間，在冷凝來自蒸發器蒸汽產生淡水的同時，低溫海水得到預熱。加熱后的海水流出冷凝器后分為兩路，一路經節流孔板進入板式蒸發器的換熱板片間；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的不凝性氣體抽出，使裝置內的真空度達到標準大氣壓的90%～94%，對應的海水蒸發時的飽和蒸發溫度為35℃～45℃。造水機的熱源來自主機高溫淡水，水溫約為80℃。高溫淡水在蒸發器換熱板片中進一步加熱預熱后的海水，使之沸騰蒸發產生蒸汽，再經由蒸發器與冷凝器之間的絲網除沫器，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）。淡水泵將產生的淡水抽出。淡水管路上設置有鹽度計，可實時監測淡水的含鹽量。若鹽度超標，裝置會發出聲光警報，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 型板式蒸發造水機工作流程

船用海水淡化裝置雖然有多種技術可供選擇，但從空間適應性、運行經濟性以及技術成熟度等方面考慮，船用造水機普遍采用真空沸騰蒸餾技術。在一定真空條件下，海水可在較低溫度下沸騰蒸發，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 板式蒸發造水機設計分析

基于板式蒸發造水機的工作原理，為新造船舶設計一臺板式蒸發造水機的路線是確定的：依據使用需求，分別確定各部件所需達到的性能參數，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，對造水量的設計計算必須準確。一般而言，在確定船用造水機的蒸發熱源、冷卻介質以及板式換熱器型式后，設計計算的核心問題是確定蒸餾器（實質上是2 個分別作為蒸發器和冷凝器的板式換熱器）的熱負荷、介質流量、板片數量等相關參數，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根據換熱場合的實際需要而定。對換熱介質流量大而允許壓降小的情況，應選用流體阻力小的板型，反之應選用阻力大的板型。板片面積的選擇也不是越小越好，應避免出現板片數量過多，板間流速偏小，傳熱系數過低的情況。流程指板式換熱器內一種介質進出口之間，沿同一流動方向的一組并聯流道，而流道是指板式換熱器內由相鄰兩片換熱板組成的介質流動通道。一般情況下，將若干個流道以并聯或串聯的方式連接，以形成冷熱介質流通通道的不同組合。流程組合形式的確定應先進行換熱和流體阻力計算，再將計算結果與設計使用要求比較，滿足要求即可。設計時應盡量使冷、熱水流道內的對流換熱系數相等或接近，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，結構簡單，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，可根據換熱介質的物性參數和熱力性質，計算得到板片的換熱系數，從而確定總體換熱面積，最后計算出所需的板片數量并確定流程組合形式。

4 結語

本文對ALFA LAVAL JWSP-26-C100 型造水機主要結構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，并對蒸發板式造水機的設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，為確保造水機運轉穩定需按公司PMS 規定做好定期維護保養工作，這樣會減少出現故障的幾率，確保船舶安全航行。