Un evaporador , destilador o aparato de destilación es una pieza del equipo del barco que se utiliza para producir agua potable fresca a partir del agua de mar mediante destilación . Dado que el agua dulce es voluminosa, puede estropearse durante el almacenamiento y es un suministro esencial para cualquier viaje largo, la capacidad de producir más agua dulce en el medio del océano es importante para cualquier barco.
![Uno de los evaporadores de Belfast. Está envuelto y también completamente oculto por mantas aislantes.](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/c/c8/HMS_Belfast_-_Engine_room_-_Evaporator.jpg/440px-HMS_Belfast_-_Engine_room_-_Evaporator.jpg)
Primeros evaporadores en veleros
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/3/3a/Alembic_for_distillation.svg/220px-Alembic_for_distillation.svg.png)
Aunque los destiladores a menudo se asocian con barcos de vapor , su uso es anterior a este. La obtención de agua dulce a partir del agua de mar es un sistema teóricamente sencillo que, en la práctica, presenta muchas dificultades. Si bien existen numerosos métodos efectivos en la actualidad, los primeros esfuerzos de desalinización tuvieron bajos rendimientos y, a menudo, no pudieron producir agua potable. [1]
Al principio, solo los buques de guerra más grandes y algunos barcos de exploración estaban equipados con aparatos de destilación: la gran tripulación de un buque de guerra naturalmente necesitaba un gran suministro de agua, más de la que podían estibar a bordo con anticipación. Los buques de carga, con sus tripulaciones más pequeñas, simplemente llevaban sus suministros con ellos. Una selección de sistemas documentados es la siguiente:
- 1539. Blasco de Garay . [2] [3] [4]
- 1560. "Jornada de Los Gelves". [5]
- 1578. Martin Frobisher . Según algunos autores, se obtiene agua dulce a partir de agua de mar congelada. [6]
- 1717. Un médico de Nantes, M. Gauthier, propuso un alambique (no funciona bien en el mar, con el balanceo del barco). [7]
- 1763. Poissonier. Implementado un condensador de agua a contracorriente. [8] [9]
- 1771. Método del Dr. Charles Irving , adoptado por la Royal Navy británica. [10]
- 1771. El barco de exploración del Pacífico de Cook , HMS Resolution, llevaba un destilador [11] e hizo pruebas para comprobar: el consumo de carbón frente a la cantidad de agua dulce producida. [12] [13]
- 1783. Louis Antoine de Bougainville . [14]
- 1805. El HMS Victory de Nelson estaba equipado con un aparato de destilación en su cocina . [15]
- 1817. Louis Claude de Saulces de Freycinet . [16] [17] [18]
- 1821. Publicación de los detalles de un aparato para destilar aiguardente en proceso continuo , a cargo del catalán Joan Jordana i Elias . Este todavía tenía muchas ventajas sobre los anteriores y se adoptó rápidamente en Cataluña . [19]
Agua para alimentación de la caldera
Con el desarrollo de la máquina de vapor marina , sus calderas también requirieron un suministro continuo de agua de alimentación .
Las primeras calderas usaban agua de mar directamente, pero esto ocasionaba problemas con la acumulación de salmuera y sarro . [20] Por motivos de eficiencia, además de conservar el agua de alimentación, los motores marinos suelen ser motores de condensación . En 1865, el uso de un condensador de superficie mejorado permitió el uso de alimentación de agua dulce, [21] ya que el agua de alimentación adicional que ahora se requería era solo la pequeña cantidad necesaria para compensar las pérdidas, en lugar del total que pasaba por la caldera. A pesar de esto, un gran buque de guerra aún podría requerir hasta 100 toneladas de agua dulce para el sistema de agua de alimentación por día, cuando está a plena potencia. [22] También se prestó atención a la desaireación del agua de alimentación, para reducir aún más la corrosión de la caldera. [21]
El sistema de destilación para el agua de alimentación de la caldera en este momento generalmente se denominaba evaporador , en parte para distinguirlo de un sistema separado o destilador utilizado para el agua potable. A menudo se usaban sistemas separados, especialmente en los primeros sistemas, debido al problema de la contaminación de los lubricantes aceitosos en el sistema de agua de alimentación y debido a las capacidades muy diferentes requeridas en los barcos más grandes. Con el tiempo, las dos funciones se combinaron y los dos términos se aplicaron a los componentes separados del sistema.
Destiladores de agua potable
El primer suministro de agua por destilación del vapor de la caldera apareció en los primeros vaporizadores de paletas y usaba una simple caja de hierro en las cajas de paletas, enfriada por salpicaduras de agua. A ellos se les condujo un suministro de vapor directo de la caldera, evitando el motor y sus lubricantes. [15] Con el desarrollo de camisas de calentamiento de vapor alrededor de los cilindros de motores como el motor del maletero , el escape de esta fuente, nuevamente sin lubricar, podría condensarse. [15]
Evaporadores
Suministro combinado
Las primeras plantas de destilación que hervían un suministro de agua separado del de la caldera principal aparecieron alrededor de 1867. [15] Estas no se calentaban directamente con una llama, sino que tenían un circuito de vapor primario que usaba el vapor de la caldera principal a través de bobinas dentro de un tambor de vapor o evaporador . [23] El destilado de este recipiente pasó luego a un recipiente adyacente, el condensador de destilación . [23] Como estos evaporadores utilizaban un suministro de agua de mar "limpia" directamente, en lugar de agua contaminada del circuito de la caldera, podrían utilizarse para suministrar agua de alimentación y agua potable. Estos destiladores dobles aparecieron alrededor de 1884. [15] Para mayor seguridad contra fallas, los barcos, excepto los más pequeños, fueron equipados con dos juegos. [23]
Evaporadores de vacio
Los evaporadores consumen una gran cantidad de vapor, y por tanto de combustible, en relación con la cantidad de agua dulce producida. Su eficiencia se mejora al trabajarlos en un vacío parcial, suministrado por los condensadores del motor principal. [23] [24] [25] En los barcos modernos que funcionan con diesel, este vacío puede ser producido por un eyector , generalmente trabajado por la salida de la bomba de salmuera. Trabajar al vacío también reduce la temperatura requerida para hervir el agua de mar y, por lo tanto, permite que los evaporadores se utilicen con el calor residual de temperatura más baja del sistema de enfriamiento diesel.
Escala
Uno de los mayores problemas operativos de un evaporador es la acumulación de sarro . Su diseño está diseñado para reducir esto y hacer que su limpieza sea lo más efectiva posible. El diseño habitual, desarrollado por Weir y el Almirantazgo , es para un tambor cilíndrico vertical, calentado por bobinas sumergidas que transportan vapor en la parte inferior. [24] Como están completamente sumergidos, evitan la región más activa para la deposición de incrustaciones, alrededor de la línea de flotación. Cada bobina consta de una o dos espirales en un plano. Cada serpentín se retira fácilmente para su limpieza, y se sujeta mediante uniones de tubería individuales a través del costado del evaporador. También se proporciona una puerta grande, que permite quitar o reemplazar las bobinas. La limpieza se puede realizar mecánicamente, con un martillo raspador manual. [25] Esto también tiene un riesgo de daño mecánico a los tubos, ya que la más mínima picadura tiende a actuar como un núcleo de incrustaciones o corrosión. [25] También es una práctica común liberar las incrustaciones de luz mediante choque térmico, pasando vapor a través de las bobinas sin agua de refrigeración presente [23] [25] o calentando las bobinas y luego introduciendo agua de mar fría. [26] En 1957, el buque de prueba HMS Cumberland , un crucero pesado obsoleto , se utilizó para las primeras pruebas del destilador de 'elemento flexible', donde bobinas de calentamiento no rígidas se flexionaban continuamente en servicio y así liberaban la escala tan pronto como formó una capa rígida.
A pesar de la salinidad obvia del agua de mar, la sal no es un problema para la deposición hasta que alcanza la concentración de saturación . [20] Como esto es alrededor de siete veces más que el agua de mar y los evaporadores solo funcionan a una concentración de dos veces y media, [27] esto no es un problema en servicio.
Un problema mayor para la formación de incrustaciones es la deposición de sulfato de calcio . [24] El punto de saturación de este compuesto disminuye con la temperatura por encima de 60 ° C (140 ° F), de modo que a partir de aproximadamente 90 ° C (194 ° F) se forma un depósito duro y tenaz.
Para controlar aún más la formación de incrustaciones, se puede proporcionar un equipo para inyectar automáticamente una solución de ácido cítrico débil en la alimentación de agua de mar. La relación es 1: 1350, en peso de agua de mar. [28]
Evaporadores compuestos
El funcionamiento de un evaporador representa un consumo costoso de vapor de la caldera principal, por lo tanto, combustible. Los evaporadores para un buque de guerra también deben ser adecuados para alimentar las calderas a plena potencia continua cuando sea necesario, aunque esto rara vez se requiere. La variación del vacío bajo el cual funciona el evaporador y, por lo tanto, el punto de ebullición del agua de alimentación, puede optimizar la producción para obtener el máximo rendimiento o una mejor eficiencia, según lo que se necesite en ese momento. El mayor rendimiento se logra cuando el evaporador funciona a una presión cercana a la atmosférica y a una temperatura alta (para el vapor saturado, esto estará en un límite de 100 ° C), que puede tener una eficiencia de 0,87 kg de agua de alimentación producida por cada kg de vapor suministrado. . [24]
Si el vacío del condensador aumenta al máximo, la temperatura del evaporador puede reducirse a alrededor de 72 ° C. La eficiencia aumenta hasta que la masa de agua de alimentación producida casi iguala a la del vapor suministrado, aunque la producción ahora está restringida al 86% del máximo anterior. [24]
Los evaporadores generalmente se instalan como un conjunto, donde dos evaporadores se acoplan a un solo destilador. [29] Para mayor confiabilidad, los barcos grandes tendrán un par de estos conjuntos. [29] Es posible disponer estos conjuntos de evaporadores en paralelo o en serie, para una producción máxima o más eficiente. [24] Esto organiza los dos evaporadores de modo que el primero funcione a presión atmosférica y alta temperatura (el caso de salida máxima), pero luego usa la salida caliente resultante del primer evaporador para impulsar un segundo, funcionando al vacío máximo y a baja temperatura ( el caso de máxima eficiencia). [29] La producción total de agua de alimentación puede exceder el peso del vapor suministrado primero, hasta un 160% del mismo. Sin embargo, la capacidad se reduce al 72% del máximo. [24]
Bombas evaporadoras
El agua de mar sin evaporar en un evaporador se convierte gradualmente en una salmuera concentrada y, como las primeras calderas de vapor con alimentación de agua de mar, esta salmuera debe soplar intermitentemente cada seis a ocho horas y arrojarse por la borda. [23] Los primeros evaporadores simplemente se montaban en lo alto y vertían su salmuera por gravedad. [15] Como la creciente complejidad de los condensadores de superficie exigía una mejor calidad del agua de alimentación, una bomba se convirtió en parte del equipo del evaporador. [23] Esta bomba tenía tres funciones combinadas como bomba de alimentación de agua de mar, bomba de suministro de agua dulce y bomba de extracción de salmuera, cada una de ellas de capacidad progresivamente menor. [22] La salinidad de la salmuera fue un factor importante en la eficiencia del evaporador: demasiado denso fomentó la formación de incrustaciones, pero muy poca representa un desperdicio de agua de mar calentada. Por tanto, la salinidad operativa óptima se fijó en tres veces la del agua de mar, por lo que la bomba de salmuera tuvo que eliminar al menos un tercio de la tasa total de suministro de agua de alimentación. [30] Estas bombas se parecían a las bombas de agua de alimentación recíprocas accionadas por vapor que ya estaban en servicio. Por lo general, fueron producidos por fabricantes conocidos, como G & J Weir . Se utilizaron bombas verticales y horizontales, aunque se favorecieron las bombas horizontales ya que fomentaban la desaireación del agua de alimentación. Posteriormente se adoptaron bombas centrífugas rotativas de accionamiento eléctrico, considerándolas más eficientes y fiables. Hubo preocupaciones iniciales sobre si estos serían capaces de bombear salmuera contra el vacío del evaporador y, por lo tanto, también hubo un tipo de transición en el que una bomba de émbolo para salmuera accionada por engranajes helicoidales se accionaba desde el eje giratorio. [22]
Destiladores flash
Una forma posterior de evaporador marino es el destilador flash. [31] El agua de mar calentada se bombea a una cámara de vacío , donde "parpadea" en vapor de agua pura. A continuación, se condensa para su uso posterior.
Como el uso de vacío reduce la presión de vapor, el agua de mar solo necesita elevarse a una temperatura de 77 ° C (171 ° F). [i] Tanto el evaporador como el destilador se combinan en una sola cámara, aunque la mayoría de las plantas utilizan dos cámaras unidas, trabajadas en serie. La primera cámara funciona a 23,5 inHg (80 kPa ) de vacío, la segunda a 26-27 inHg (88-91 kPa). [31] El agua de mar se suministra al destilador mediante una bomba a alrededor de 20 libras por pulgada cuadrada (140 kPa). El agua de mar fría pasa a través de un serpentín condensador en la parte superior de cada cámara antes de ser calentada por vapor en un calentador de agua de alimentación externo. El agua de mar calentada entra en la parte inferior de la primera cámara, luego se drena por un vertedero y pasa a la segunda cámara, estimulada por el vacío diferencial entre ellas. La salmuera producida por un destilador flash se concentra solo ligeramente y se bombea por la borda continuamente. [31]
El vapor de agua dulce se eleva a través de las cámaras y es condensado por las bobinas de agua de mar. Deflectores y bandejas de captación capturan esta agua en la parte superior de la cámara. El vacío en sí se mantiene mediante eyectores de vapor. [31]
La ventaja del destilador flash sobre el evaporador compuesto es su mayor eficiencia operativa, en términos de calor suministrado. Esto se debe al trabajo al vacío, por lo tanto a baja temperatura, y también al uso regenerativo de las bobinas del condensador para precalentar la alimentación de agua de mar. [31]
Una limitación del destilador flash es su sensibilidad a la temperatura de entrada del agua de mar, ya que esto afecta la eficiencia de las bobinas del condensador. En aguas tropicales, el caudal del destilador debe estrangularse para mantener una condensación efectiva. [31] Como estos sistemas son más modernos, generalmente están equipados con un salinómetro eléctrico y cierto grado de control automático. [31]
Destiladores de vapor por compresión
Las naves de motor con motor diesel no utilizan calderas de vapor como parte de su sistema de propulsión principal y, por lo tanto, es posible que no tengan suministros de vapor disponibles para impulsar los evaporadores. Algunos lo hacen, ya que utilizan calderas auxiliares para tareas que no son de propulsión como esta. Estas calderas pueden incluso ser calderas de recuperación de calor que se calientan mediante el escape del motor. [32]
Cuando no se dispone de un suministro de vapor adecuado, se utiliza en su lugar un destilador de compresión de vapor . Este se acciona mecánicamente, ya sea eléctricamente o por su propio motor diesel. [33]
El agua de mar se bombea a un evaporador, donde se hierve mediante un serpentín de calentamiento. A continuación, el vapor producido se comprime, elevando su temperatura. Este vapor calentado se utiliza para calentar las bobinas del evaporador. El condensado de la salida del serpentín proporciona el suministro de agua dulce. Para iniciar el ciclo, se utiliza un precalentador eléctrico para calentar el primer suministro de agua. El principal aporte de energía a la planta es el accionamiento mecánico del compresor, no como energía térmica. [33]
Tanto la producción de agua dulce como la salmuera residual del evaporador se conducen a través de un enfriador de salida. Este actúa como un intercambiador de calor con el agua de mar de entrada, precalentando para mejorar la eficiencia. La planta puede operar a baja presión o leve vacío, según el diseño. Como el evaporador funciona a presión, no al vacío, la ebullición puede ser violenta. Para evitar el riesgo de cebado y arrastre de agua salada al vapor, el evaporador está dividido por un separador de tapa de burbuja . [33]
Submarinos
Los destiladores de compresión de vapor se instalaron en submarinos estadounidenses poco antes de la Segunda Guerra Mundial. [34] Los primeros intentos se habían hecho con evaporadores que funcionaban con el calor de escape del motor diesel, pero estos solo podían usarse cuando el submarino estaba funcionando a gran velocidad en la superficie. Otra dificultad con los submarinos fue la necesidad de producir agua de alta calidad para recargar sus grandes baterías de almacenamiento. El consumo típico en una patrulla de guerra era de alrededor de 500 galones estadounidenses (1,900 litros) por día para servicios de hotel, beber, cocinar, lavar [ii], etc. y también para reponer el sistema de enfriamiento del motor diesel. Se necesitaron 500 galones adicionales por semana para las baterías. [34] El modelo Badger estándar X-1 para submarinos diésel podría producir 1000 galones por día. Se proporcionó una capacidad del tanque de 5.600 galones (1.200 de los cuales eran agua de batería), alrededor de 10 días de reserva. [34] Con la aparición de los submarinos nucleares y su abundante suministro de electricidad, podrían instalarse plantas incluso más grandes. La planta X-1 fue diseñada para que pudiera operarse al bucear con esnórquel o incluso cuando estaba completamente sumergida. A medida que la presión ambiental aumentaba cuando se sumergían y, por lo tanto, el punto de ebullición, estos destiladores submarinos requerían calor adicional, por lo que estaban diseñados para funcionar con calor eléctrico de forma continua. [34]
Ver también
- Aparato de destilación de patentes de Chaplin con bomba de vapor
- Rumor
Notas
- ^ Se requiere una temperatura de al menos 71 ° C (160 ° F) para fines de esterilización.
- ↑ Aunque los submarinos alemanes dependían del jabón de agua salada , la práctica estadounidense era instalar una planta de destilación adecuada.
Referencias
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