Un evaporador , destilador o aparato destilador es una pieza del equipo de un barco que se utiliza para producir agua potable fresca a partir de 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 con los barcos de vapor , su uso es anterior a esto. Obtener agua dulce a partir de agua de mar es un sistema teóricamente sencillo que, en la práctica, presentaba muchas dificultades. Si bien hoy en día existen numerosos métodos efectivos, los primeros esfuerzos de desalinización tuvieron bajos rendimientos y a menudo no pudieron producir agua potable. [1]
Al principio, sólo los buques de guerra más grandes y algunos buques de exploración estaban equipados con aparatos de destilación: la numerosa tripulación de un buque de guerra naturalmente necesitaba una gran cantidad de agua, más de la que podían llevar a bordo de antemano. Los buques de carga, con sus tripulaciones más pequeñas, simplemente llevaban consigo sus suministros. Una selección de sistemas documentados es la siguiente:
Con el desarrollo de la máquina de vapor marina , sus calderas también necesitaron un suministro continuo de agua de alimentación .
Las primeras calderas utilizaban agua de mar directamente, pero esto generaba problemas con la acumulación de salmuera y sarro . [20] Para lograr eficiencia, además de conservar el agua de alimentación, los motores marinos generalmente han sido 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 necesitaba era sólo la pequeña cantidad necesaria para compensar las pérdidas, en lugar del total que pasaba a través de la caldera. A pesar de esto, la aportación de agua dulce al sistema de alimentación de un gran buque de guerra a plena potencia aún podría 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]
El sistema de destilación para el agua de alimentación de las calderas en ese momento generalmente se denominaba evaporador , en parte para distinguirlo de un sistema separado o destilador utilizado para el agua potable. A menudo se utilizaban sistemas separados, especialmente en los primeros sistemas, debido al problema de la contaminación por 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.
El primer suministro de agua mediante destilación del vapor de caldera apareció en los primeros barcos de vapor de paletas y utilizaba una simple caja de hierro en las cajas de paletas, enfriada por salpicaduras de agua. Hasta ellos se conducía un suministro de vapor directo desde la caldera, evitando el motor y sus lubricantes. [15] Con el desarrollo de camisas calefactoras de vapor alrededor de los cilindros de motores como el motor troncal , el escape de esta fuente, nuevamente sin lubricar, podría 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] No se calentaban directamente con una llama, sino que tenían un circuito de vapor primario que utilizaba el vapor de la caldera principal a través de serpentines dentro de un tambor de vapor o evaporador . [23] El destilado de este recipiente luego pasaba a un recipiente adyacente, el condensador de destilación . [23] Como estos evaporadores utilizaban directamente un suministro de agua de mar "limpia", en lugar de agua contaminada del circuito de la caldera, podían utilizarse para suministrar tanto agua de alimentación como agua potable. Estos dobles destiladores aparecieron alrededor de 1884. [15] Para evitar fallos, los barcos, excepto los más pequeños, estaban equipados con dos juegos. [23]
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 trabajando con un vacío parcial, suministrado por los condensadores del motor principal. [23] [24] [25] En los barcos modernos propulsados por diésel, este vacío puede producirse mediante un eyector , normalmente accionado por la salida de la bomba de salmuera. Trabajar bajo 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 menor temperatura del sistema de enfriamiento del diésel.
Uno de los mayores problemas operativos de un evaporador es la acumulación de incrustaciones . Su diseño está pensado para reducirlo y que su limpieza sea lo más efectiva 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] Al estar 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, fijándose mediante uniones de tubería individuales a través del costado del evaporador. También se proporciona una puerta grande que permite retirar o reemplazar las bobinas. La limpieza podrá realizarse mecánicamente, con martillo desincrustador manual. [25] Esto también conlleva un riesgo de daño mecánico a los tubos, ya que las más mínimas picaduras tienden a actuar como núcleo de incrustaciones o corrosión. [25] También es una práctica común eliminar las incrustaciones ligeras mediante choque térmico, haciendo pasar vapor a través de los serpentines sin agua de refrigeración presente [23] [25] o calentando los serpentines y luego introduciendo agua de mar fría. [26] En 1957, el barco de pruebas HMS Cumberland , un crucero pesado obsoleto , se utilizó para las primeras pruebas del destilador del 'elemento flexible', donde serpentines calefactores no rígidos se flexionaban continuamente en servicio y, por lo tanto, liberaban las incrustaciones tan pronto como formó una capa rígida.
A pesar de la evidente salinidad del agua de mar, la sal no supone un problema de deposición hasta que alcanza la concentración de saturación . [20] Como esto es aproximadamente siete veces mayor que el 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 incrustación es la deposición de sulfato de calcio . [24] El punto de saturación de este compuesto disminuye con una temperatura superior a 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 equipo para inyectar automáticamente una solución débil de ácido cítrico en la alimentación de agua de mar. La proporción es 1:1350, en peso de agua de mar. [28]
El funcionamiento de un evaporador representa un costoso consumo de vapor de la caldera principal y, por tanto, de combustible. Los evaporadores de un buque de guerra también deben ser adecuados para alimentar las calderas a plena potencia continua cuando sea necesario, aunque esto rara vez es necesario. Variar el 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 opera a una presión cercana a la atmosférica y a una temperatura alta (para vapor saturado, esto será en un límite de 100 °C), que entonces 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 se aumenta al máximo, la temperatura del evaporador puede reducirse a aproximadamente 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 utiliza la salida caliente resultante del primer evaporador para impulsar un segundo, que funciona 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 inicialmente, hasta en un 160% del mismo. 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 alimentadas con agua de mar, esta salmuera debe ser purgada intermitentemente cada seis u ocho horas y arrojada por la borda. [23] Los primeros evaporadores simplemente se montaban en lo alto y arrojaban la 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 pasó a formar 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 densa fomentó la formación de incrustaciones, pero muy poca representó un desperdicio de agua de mar calentada. De este modo, 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 del caudal total de suministro de agua de alimentación. [30] Estas bombas se parecían a las bombas de agua de alimentación alternativas accionadas por vapor que ya estaban en servicio. Por lo general, los producían fabricantes conocidos, como G & J Weir . Se utilizaron bombas verticales y horizontales, aunque se prefirieron las bombas horizontales porque fomentaban la desaireación del agua de alimentación. Posteriormente se adoptaron bombas centrífugas rotativas accionadas eléctricamente, por ser más eficientes y fiables. Hubo preocupaciones iniciales sobre si serían capaces de bombear salmuera contra el vacío del evaporador, por lo que también había un tipo de transición en el que una bomba de émbolo para salmuera accionada por engranajes helicoidales se accionaba desde el eje giratorio. [22]
Una forma posterior de evaporador marino es el destilador flash. [31] El agua de mar calentada se bombea a una cámara de vacío , donde "se transforma" en vapor de agua pura. Luego se condensa para su uso posterior.
Como el uso de vacío reduce la presión de vapor, sólo es necesario elevar el agua de mar 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 un vacío de 23,5 inHg (80 kPa ), la segunda a 26 a 27 inHg (88 a 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 por la parte inferior de la primera cámara, luego se escurre por un vertedero y pasa a la segunda cámara, incentivada por el vacío diferencial entre ambas. La salmuera producida por un destilador rápido está sólo ligeramente concentrada y se bombea al mar continuamente. [31]
El vapor de agua dulce sube a través de las cámaras y es condensado por los serpentines de agua de mar. Deflectores y bandejas captadoras captan 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, es decir, 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 flash 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 eficaz. [31] Como estos sistemas son más modernos, generalmente están equipados con un salinómetro eléctrico y cierto grado de control automático. [31]
Los barcos con motor diésel 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 ser incluso 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 . Éste es accionado 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 calefactor. Luego el vapor producido se comprime, elevando 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. La principal entrada de energía a la planta proviene del accionamiento mecánico del compresor, no de energía térmica. [33]
Tanto la producción de agua dulce como la salmuera residual del evaporador pasan a través de un refrigerador de salida. Este actúa como un intercambiador de calor con el agua de mar de entrada, precalentándola para mejorar la eficiencia. La planta podrá funcionar a baja presión o a un ligero vacío, según 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]
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 sólo podían usarse cuando el submarino funcionaba a gran velocidad en la superficie. Otra dificultad de 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 refrigeración del motor diésel. Se necesitaron otros 500 galones por semana para las baterías. [34] El modelo Badger X-1 estándar para submarinos diésel podría producir 1.000 galones por día. Se proporcionó una capacidad del tanque de 5.600 galones (1.200 de los cuales eran agua de la batería), aproximadamente 10 días de reserva. [34] Con la aparición de los submarinos nucleares y su abundante suministro de electricidad, se podrían instalar plantas aún más grandes. La planta X-1 fue diseñada para que pudiera funcionar mientras se practica snorkel , o incluso completamente sumergida. A medida que la presión ambiental aumentaba cuando estaban sumergidos y, por tanto, el punto de ebullición, se necesitaba calor adicional en estos destiladores submarinos, por lo que fueron diseñados para funcionar con calor eléctrico de forma continua. [34]
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