船用造水机技术原理及设计

毛亚东

（大连海安船舶与海洋工程技术服务公司，辽宁 大连 116000）

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

众所周知海水中含有大量的盐分，人类无法直接饮用，远洋船舶船员生活和设备运转对淡水的需求极大。早期的远洋船舶只能从陆上获取淡水并储存在淡水舱中，以供航行之需。但是船舶舱容有限，仅仅依靠储备的淡水并不足以满足远洋航行活动的需要。此外淡水舱中的淡水也有因长期存放而引发卫生问题的风险[1]。随着科技的发展，造水机的技术也越发成熟，这一进步改善了船员的生活条件，也提升了船舶的航行性能及营运效率。就目前而言，造水机已经成为船舶不可缺少的一项设备。

1.2 船用海水淡化技术应用现状

目前，船用海水淡化技术中占优势的是蒸馏法。因为这类技术成熟度高，可靠性好，并且造水工艺具有多样性，可满足不同的使用需求，尤其是板式换热器的真空沸腾式造水机市场占有率最高。就本型号造水机而言，便是利用该技术原理来进行海水淡化的转换。由于该项技术应用率高，接下来本文对该项技术进行详细的讲解说明。

2 JWSP-26-C100 型板式蒸发造水机系统结构

2.1 JWSP-26-C100 型板式蒸发造水机主要部件

1）板式换热器。板式换热器是以钛金属合成材料化作板状形状为传热面，具有结构紧凑、传热效率高等优点，是目前较为先进的高效节能换热器。板式换热器的这些特点使其在船舶造水机上的应用十分普遍。此外，造水机板式换热器一般都设计为可拆卸式，便于维护拆卸清洗[2]。因金属钛的传热系数高，耐海水腐蚀性好，易冲压加工成型，性能优于其他金属材料，所以在板式换热器上应用十分普遍。为进一步提高换热器的换热效果，换热板片内部介质流道设计为“人字形”波纹槽状，增大换热面积，并且使流体在槽内产生湍流，有利于热交换。换热板有2 种规格，形状外观差别不大，区别是其中一种底部一侧有一个小孔，海水或冷凝水可经过小孔的节流后排出。2 种规格的换热板依次叠加，四周以橡胶垫圈夹紧密封，流体介质在板片间隙中流动。蒸发器与冷凝器内的换热板片排列方式相同，因内部介质流过方式的不同而实现蒸发或冷凝的功能。

2）盐度计。因设备设计及运行工况方面的因素，造水机所产淡水不可避免地含有一定盐分，所以要掌控水中的含盐量，只有含盐量低于一定标准，所产淡水才合格。因此，造水机淡水管路上的盐分监测装置（即盐度计）的作用至关重要。盐度传感器是一对测量电极，安装在淡水泵的排出管内，根据水的电导率随含盐量增加而增大的性质可测出水的电阻值，然后转换成淡水的含盐量直接由盐度计示出，单位是ppm。温度会影响水的电阻值，因此盐度计的电路均有温度补偿功能，可在一定温度范围内自动修正淡水含盐量数值[3]。

3）喷射泵。在标准大气压下，水的蒸发温度为100℃，但主机高温淡水管路通常为85℃左右，该温度无法使水变成水蒸气，因此为了能让海水在较低温度下蒸发，造水机必须配备真空抽吸装置。在真空条件下可以让海水在低于100℃时受热转变成蒸汽，从而提取出海水中的盐分。相比真空泵，喷射器（也称喷射泵）结构紧凑简单，无动力元件，使得系统装置集成度更高，维护管理工作量少。其原理是高压流体通过喷嘴时，压力能转变为动能，在喷管内造成局部真空，产生卷吸效应，实现抽气或排液功能。喷射泵的性能直接决定了造水机蒸馏器内的真空条件，从而影响造水系统的能耗及造水能力。工作中喷射泵制造的真空度若比设计值低，则蒸发温度会相应提高，蒸发器的传热温差减小，产水量随之降低；而真空度过高，则会使蒸发温度降低，导致蒸发器中海水沸腾过于剧烈，二次蒸汽携带的水珠增多，引起所产淡水的含盐量增多。在造水系统中，冷却水回水流量较大，其中进入蒸发器内被加热蒸发的只占一小部分，其余部分在系统设计中被作为喷射泵的工作水。

由海水泵提供的海水经简单处理后，首先进入板式冷凝器的换热板片间，在冷凝来自蒸发器蒸汽产生淡水的同时，低温海水得到预热。加热后的海水流出冷凝器后分为两路，一路经节流孔板进入板式蒸发器的换热板片间；另一路流向喷射泵，为真空抽吸装置提供工作水。喷射泵可将造水机蒸馏器内的不凝性气体抽出，使装置内的真空度达到标准大气压的90%～94%，对应的海水蒸发时的饱和蒸发温度为35℃～45℃。造水机的热源来自主机高温淡水，水温约为80℃。高温淡水在蒸发器换热板片中进一步加热预热后的海水，使之沸腾蒸发产生蒸汽，再经由蒸发器与冷凝器之间的丝网除沫器，去除蒸汽携带的含盐液滴，得到纯净的水蒸气。最后水蒸气在冷凝器里放热冷凝成蒸馏水（即所造淡水）。淡水泵将产生的淡水抽出。淡水管路上设置有盐度计，可实时监测淡水的含盐量。若盐度超标，装置会发出声光警报，并将不合格淡水回流至蒸馏器重新蒸馏；若淡水合格，则将其送入淡水舱。

2.2 JWSP-26-C100 型板式蒸发造水机工作流程

船用海水淡化装置虽然有多种技术可供选择，但从空间适应性、运行经济性以及技术成熟度等方面考虑，船用造水机普遍采用真空沸腾蒸馏技术。在一定真空条件下，海水可在较低温度下沸腾蒸发，便于造水机利用主机缸套冷却水作为热源，以回收主机废热达到节能的目的。例如，在绝对压力为6.86 kPa 的真空条件下海水沸点低至38.7℃，温度仅为70℃～80℃的柴油机缸套冷却水即可用作加热热源，并且在此低温下造水机的结垢问题也大大减轻。但是本船JWSP-26-C100 型造水机除了用主机缸套水作为热源之外还可用蒸汽作为热源，主要讲解以缸套水作为热源的造水方法。

3 板式蒸发造水机设计分析

基于板式蒸发造水机的工作原理，为新造船舶设计一台板式蒸发造水机的路线是确定的：依据使用需求，分别确定各部件所需达到的性能参数，再进行匹配。为满足船舶的淡水需求，造水机的日造水量是最重要的性能参数，对造水量的设计计算必须准确。一般而言，在确定船用造水机的蒸发热源、冷却介质以及板式换热器型式后，设计计算的核心问题是确定蒸馏器（实质上是2 个分别作为蒸发器和冷凝器的板式换热器）的热负荷、介质流量、板片数量等相关参数，其他部件，诸如盐度计、引射器、管路等，只需要达到与蒸馏器的匹配要求即可。

换热器板片型式的选择应根据换热场合的实际需要而定。对换热介质流量大而允许压降小的情况，应选用流体阻力小的板型，反之应选用阻力大的板型。板片面积的选择也不是越小越好，应避免出现板片数量过多，板间流速偏小，传热系数过低的情况。流程指板式换热器内一种介质进出口之间，沿同一流动方向的一组并联流道，而流道是指板式换热器内由相邻两片换热板组成的介质流动通道。一般情况下，将若干个流道以并联或串联的方式连接，以形成冷热介质流通通道的不同组合。流程组合形式的确定应先进行换热和流体阻力计算，再将计算结果与设计使用要求比较，满足要求即可。设计时应尽量使冷、热水流道内的对流换热系数相等或接近，以得到最佳的传热效果。

为充分利用有限的船舱空间，造水机蒸馏器必须要尺寸紧凑，结构简单，使安装和维护工作量少。因此，满足安装和使用要求的单效板式蒸馏器是船用小型海水淡化机的最佳选择。对于流道型式和尺寸确定的换热板片，可根据换热介质的物性参数和热力性质，计算得到板片的换热系数，从而确定总体换热面积，最后计算出所需的板片数量并确定流程组合形式。

4 结语

本文对ALFA LAVAL JWSP-26-C100 型造水机主要结构和工作原理进行分析，主要针对目前船舶上广泛采用的低温真空沸腾板式造水机的工作流程进行详细介绍，并对蒸发板式造水机的设计工作进行简单分析。造水机的工作流程以及主要部件是本文的重点，但由于本人知识体系方面的限制，本文主要以在船操作造水机工作流程为主要分析方向。对于轮机员而言，为确保造水机运转稳定需按公司PMS 规定做好定期维护保养工作，这样会减少出现故障的几率，确保船舶安全航行。