Un evaporador , destilador o aparato de destilación es un equipo de un barco que se utiliza para producir agua potable a partir del agua de mar mediante destilación . Como 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 medio del océano es importante para cualquier barco.
Aunque los destiladores suelen asociarse a los barcos de vapor , su uso es anterior a ellos. Obtener agua dulce a partir del agua de mar es un sistema teóricamente sencillo que, en la práctica, presentaba muchas dificultades. Si bien hoy en día existen numerosos métodos eficaces, los primeros intentos de desalinización tenían rendimientos bajos y, a menudo, no podían producir agua potable. [1]
Al principio, sólo los buques de guerra de mayor tamaño y algunos barcos de exploración estaban equipados con aparatos de destilación: la numerosa tripulación de un buque de guerra necesitaba, naturalmente, un gran suministro de agua, más de la que podían almacenar a bordo con antelación. Los buques de carga, con sus tripulaciones más reducidas, se limitaban a llevar consigo sus suministros. A continuación, se muestra una selección de sistemas documentados:
Con el desarrollo de la máquina de vapor marina , sus calderas también requirieron un suministro continuo de agua de alimentación .
Las primeras calderas utilizaban agua de mar directamente, pero esto daba problemas con la acumulación de salmuera y incrustaciones . [20] Por razones de eficiencia, así como para conservar el agua de alimentación, los motores marinos solían ser motores de condensación. En 1865, el uso de un condensador de superficie mejorado permitió el uso de agua dulce como fuente de alimentación, [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, la reposición de agua dulce al sistema de agua de alimentación de un gran buque de guerra a plena potencia aún podía requerir hasta 100 toneladas por día. [22] También se prestó atención a la desaireación del agua de alimentación, para reducir aún más la corrosión de la caldera. [21]
En aquella época, el sistema de destilación de agua de alimentación de calderas se denominaba generalmente evaporador , en parte para distinguirlo de un sistema independiente o destilador utilizado para el agua potable. A menudo se utilizaban sistemas independientes, especialmente en los primeros sistemas, debido al problema de la contaminación por lubricantes aceitosos en el sistema de agua de alimentación y a las capacidades muy diferentes que se necesitaban 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.
El primer suministro de agua por destilación del vapor de la caldera apareció en los primeros barcos de vapor de paletas y utilizaba una simple caja de hierro en las cajas de paletas, enfriada por salpicadura de agua. Se conducía hasta ellas un suministro de vapor directo desde la caldera, evitando el motor y sus lubricantes. [15] Con el desarrollo de camisas de calentamiento de vapor alrededor de los cilindros de los motores como el motor de tronco , el escape de esta fuente, nuevamente sin lubricar, pudo condensarse. [15]
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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 vapor de la caldera principal a través de serpentines dentro de un tambor de vapor o evaporador . [23] El destilado de este recipiente pasaba luego a un recipiente adyacente, el condensador de destilación . [23] Como estos evaporadores usaban un suministro de agua de mar "limpia" directamente, en lugar de agua contaminada del circuito de la caldera, podían usarse para suministrar tanto agua de alimentación como agua potable. Estos destiladores dobles aparecieron alrededor de 1884. [15] Para la seguridad contra fallas, los barcos, excepto los más pequeños, estaban equipados con dos juegos. [23]
Los evaporadores consumen una gran cantidad de vapor y, por lo tanto, de combustible, en relación con la cantidad de agua dulce producida. Su eficiencia se mejora al trabajarlos en un vacío parcial, proporcionado por los condensadores del motor principal. [23] [24] [25] En los barcos modernos con motor diésel, este vacío puede ser producido por un eyector , que normalmente funciona con la salida de la bomba de salmuera. Trabajar al vacío también reduce la temperatura necesaria para hervir el agua de mar y, por lo tanto, permite que los evaporadores se utilicen con calor residual a menor temperatura del sistema de enfriamiento diésel.
Uno de los mayores problemas operativos de un evaporador es la acumulación de incrustaciones . Su diseño está pensado para reducirla y hacer que su limpieza sea lo más eficaz posible. El diseño habitual, desarrollado por Weir y el Almirantazgo , es el de un tambor cilíndrico vertical, calentado por serpentines sumergidos 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 serpentín consta de una o dos espirales en un plano. Cada serpentín se quita fácilmente para su limpieza, y se fija mediante uniones de tubería individuales a través del lateral del evaporador. También se proporciona una puerta grande, que permite quitar o reemplazar los serpentines. La limpieza se puede realizar mecánicamente, con un martillo desincrustador 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 para la incrustación o la corrosión. [25] También es una práctica común liberar las incrustaciones ligeras mediante un choque térmico, haciendo pasar 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 pruebas HMS Cumberland , un crucero pesado obsoleto , se utilizó para las primeras pruebas del destilador de "elemento flexible", donde las bobinas de calentamiento no rígidas se flexionaban continuamente en servicio y, por lo tanto, liberaban las incrustaciones tan pronto como formaban una capa rígida.
A pesar de la obvia salinidad del agua de mar, la sal no es un problema para la deposición hasta que alcanza la concentración de saturación . [20] Como esta es alrededor de siete veces la del agua de mar y los evaporadores solo funcionan a una concentración de dos veces y media, [27] esto no es un problema en el 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 los 60 °C (140 °F), de modo que a partir de alrededor de 90 °C (194 °F) se forma un depósito duro y tenaz.
Para controlar aún más la formación de incrustaciones, se puede proporcionar un equipo que inyecte automáticamente una solución débil de ácido cítrico en la alimentación de agua de mar. La proporción es de 1:1350, en peso de agua de mar. [28]
El funcionamiento de un evaporador representa un consumo costoso de vapor de la caldera principal y, por lo tanto, de combustible. Los evaporadores de un buque de guerra también deben ser adecuados para abastecer a las calderas a plena potencia de forma continua cuando sea necesario, aunque esto rara vez se requiera. Variando el vacío en el que funciona el evaporador y, por lo tanto, el punto de ebullición del agua de alimentación, se puede optimizar la producción para obtener el máximo rendimiento o una mayor 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 vapor saturado, esto será en un límite de 100 °C), que puede tener entonces una eficiencia de 0,87 kg de agua de alimentación producida por cada kg de vapor suministrado. [24]
Si se aumenta el vacío del condensador hasta su 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 la del vapor suministrado, aunque la producción ahora está restringida al 86% del máximo anterior. [24]
Los evaporadores se instalan generalmente como un conjunto, donde dos evaporadores están acoplados a un solo destilador. [29] Para mayor confiabilidad, los barcos grandes tendrán un par de estos conjuntos. [29] Es posible organizar 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 máxima salida), pero luego use la salida caliente resultante del primer evaporador para impulsar un segundo, que funciona al máximo vacío y baja temperatura (el caso de máxima eficiencia). [29] La salida total de agua de alimentación puede exceder el peso del vapor suministrado primero, hasta en un 160% de este. Sin embargo, la capacidad se reduce al 72% del máximo. [24]
El agua de mar no evaporada en un evaporador se convierte gradualmente en una salmuera concentrada y, al igual que las primeras calderas de vapor con alimentación de agua de mar, esta salmuera debe ser purgada intermitentemente cada seis a ocho horas y arrojada por la borda. [23] Los primeros evaporadores simplemente se montaban en lo alto y vertían su salmuera por gravedad. [15] A medida que 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 capacidad progresivamente menor. [22] La salinidad de la salmuera era un factor importante en la eficiencia del evaporador: demasiado densa fomentaba la formación de incrustaciones, pero demasiado baja representaba un desperdicio de agua de mar calentada. Por lo tanto, la salinidad operativa óptima se fijó en tres veces la del agua de mar, por lo que la bomba de salmuera tenía que eliminar al menos un tercio del caudal total de suministro de agua de alimentación. [30] Estas bombas se parecían a las bombas de agua de alimentación reciprocantes impulsadas por vapor que ya estaban en servicio. Por lo general, eran producidas por fabricantes conocidos, como G & J Weir . Se utilizaban bombas verticales y horizontales, aunque se favorecían las bombas horizontales porque fomentaban la desaireación del agua de alimentación. Más tarde se adoptaron bombas centrífugas rotativas accionadas eléctricamente, por ser más eficientes y más confiables. Hubo preocupaciones iniciales sobre si estas serían capaces de bombear salmuera contra el vacío del evaporador, por lo que también hubo un tipo de transición en el que una bomba de émbolo accionada por engranajes helicoidales para salmuera se impulsaba desde el eje giratorio. [22]
Una forma posterior de evaporador marino es el destilador instantáneo. [31] El agua de mar calentada se bombea a una cámara de vacío , donde se "convierte" en vapor de agua puro. Este luego se condensa para su uso posterior.
Como el uso del 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, que funcionan 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 ingresa a la parte inferior de la primera cámara, luego drena sobre un vertedero y pasa a la segunda cámara, alentada por el vacío diferencial entre ellas. La salmuera producida por un destilador instantáneo solo está ligeramente concentrada y se bombea por la borda continuamente. [31]
El vapor de agua dulce asciende por las cámaras y se condensa en los serpentines de agua de mar. Los deflectores y las bandejas de captación capturan esta agua en la parte superior de la cámara. El vacío 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 a que trabaja al vacío, por lo tanto a baja temperatura, y también al uso regenerativo de los serpentines del condensador para precalentar la alimentación de agua de mar. [31]
Una limitación del destilador instantáneo es su sensibilidad a la temperatura de entrada del agua de mar, ya que esto afecta la eficiencia de los serpentines del condensador. En aguas tropicales, el caudal del destilador debe regularse para mantener una condensación efectiva. [31] Como estos sistemas son más modernos, generalmente están equipados con un salinómetro eléctrico y algún grado de control automático. [31]
Los barcos a motor diésel no utilizan calderas de vapor como parte de su sistema de propulsión principal, por lo que es posible que no dispongan de suministros de vapor para accionar los evaporadores. Algunos sí lo hacen, ya que utilizan calderas auxiliares para tareas no relacionadas con la propulsión, como esta. Estas calderas pueden incluso ser calderas de recuperación de calor que se calientan con el escape del motor. [32]
Cuando no se dispone de un suministro de vapor adecuado, se utiliza en su lugar un destilador por compresión de vapor, que funciona mecánicamente, ya sea eléctricamente o mediante su propio motor diésel. [33]
El agua de mar se bombea a un evaporador, donde se hierve mediante un serpentín de calentamiento. El vapor producido se comprime, lo que aumenta su temperatura. Este vapor calentado se utiliza para calentar los serpentines 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 se produce mediante el accionamiento mecánico del compresor, no como energía térmica. [33]
Tanto la producción de agua dulce como la salmuera residual del evaporador pasan por un enfriador de salida, que actúa como intercambiador de calor con el agua de mar de entrada, precalentándola para mejorar la eficiencia. La planta puede funcionar a baja presión o con un ligero 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 de arrastre de agua salada al vapor, el evaporador está dividido por un separador de casquete de burbujeo . [33]
Los destiladores por compresión de vapor se instalaron en los submarinos estadounidenses poco antes de la Segunda Guerra Mundial. [34] Se habían hecho primeros intentos con evaporadores que funcionaran con el calor de escape del motor diésel, pero solo se podían usar cuando el submarino navegaba a toda velocidad en la superficie. Otra dificultad con los submarinos era 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, bebida, cocina, lavado [ii] etc. y también para reponer el sistema de enfriamiento del motor diésel. Se necesitaban otros 500 galones por semana para las baterías. [34] El modelo Badger estándar X-1 para submarinos diésel podía producir 1.000 galones por día. Se proporcionó una capacidad de 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, se pudieron instalar plantas aún más grandes. La planta X-1 fue diseñada para que pudiera funcionar mientras se buceaba con esnórquel , o incluso cuando estaba completamente sumergida. Como la presión ambiental aumentaba cuando estaba sumergida, y por lo tanto el punto de ebullición, se requería calor adicional en estos destiladores submarinos, por lo que se diseñaron para funcionar con calor eléctrico de forma continua. [34]
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