JP3037073B2 - 低温液体の気化装置 - Google Patents
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Description
素をはじめとする低温液体を気化させるためのオープン
ラック型気化装置に関するものである。
としては、オープンラックの気化装置が広く知られてい
る。この装置は、内部に上記低温液体が流される下部ヘ
ッダと、この下部ヘッダの上方にこれと平行に配された
上部ヘッダとを縦方向の多数本の伝熱管を介して接続す
るとともに、これら伝熱管の外側に加温媒体である海水
等を流すことにより、上記下部ヘッダ内の低温液体を各
伝熱管内で上記海水の熱により蒸発させ、これにより得
られた天然ガスを上記上部ヘッダを通じて回収するもの
である。
伝熱管の下部が直接低温液体と接触して極めて低い温度
に冷却されており、しかも、その外表面で氷結が生じて
氷による断熱層が形成されるため、この部分での熱交換
が抑えられて外伝熱管下部の温度がますます低温側に維
持され、極端な低温状態となる。このようにして外伝熱
管の下部が極端に冷却されると、外伝熱管の収縮量が大
きくなり、海水の分散に僅かなバラツキがあるだけで
も、各伝熱管の収縮量に大きな差が生じ、最悪の場合に
は伝熱管に局部的な変形をも生じるおそれがある。
は、上記外伝熱管内において上記出口側ヘッダに近い側
の部分を除く部分に、この外伝熱管内を流れる天然ガス
と外伝熱管との伝熱をを抑制する断熱部を設けたものが
知られている。この断熱部は、上記伝熱管の内側に筒状
の断熱材を配したり、伝熱管を二重管としてその内管と
外管とのすき間に気化した天然ガスを滞在させたりする
ことにより形成されており、このような断熱部によって
伝熱管外表面の著しい温度低下が防がれ、これに伴う極
端な収縮が防がれる。なお、この断熱部の存在により、
低温液体と加温媒体との熱交換は阻害されるが、この部
分に断熱部がない場合には、その分外伝熱管が冷却され
てその表面に氷が付着し、これが断熱層として作用して
結局は上記熱交換を阻むことになるため、この部分での
気化効率は特に変わらない。
置では、上記断熱部の熱伝導率が非常に低いため、この
断熱部での厚み寸法を非常に小さく設定する必要があ
り、この厚み寸法に僅かな誤差があっても、伝熱性能が
大きく変動してしまう。すなわち、上記厚み寸法が少し
でもオーバーすると、過度の断熱により上記伝熱管内外
の伝熱が不十分になって上記低温液体の気化及び加熱を
十分に行うことが困難となり、逆に上記厚み寸法が少し
でも足りないと、断熱が不十分なために従来と同様に着
氷が生じてしまうことになる。例えば、上記二重管構造
を適用してその内管と外管との間に天然ガスを導入する
ことにより上記断熱部を形成した場合、この断熱部の厚
み寸法(すなわち上記内管と外管とのすき間寸法)と、
この断熱部に相当する伝熱度合をもつ氷の厚み寸法との
関係をグラフに示すと図17のようになるが、この図を
参照すれば、上記すき間寸法に僅か 0.1mmの誤差が生じ
ただけでも、氷の厚み寸法が10mm近く変動したのと同じ
だけ断熱度合が変わることになる。これは、上記断熱部
として伝熱管内側に塩化ビニル等の断熱材を配した場合
にもほぼ同様のことがいえる。すなわち、この断熱材の
厚み寸法が少し狂っただけでも、その断熱度合は大きく
変動する。
み寸法を高精度で管理する必要があるが、このような厳
しい精度管理は製作上困難であり、仮に製作できたとし
てもコストは非常に高くなる。また、使用前には上記厚
み寸法が高精度で得られていても、使用による熱変形で
上記厚み寸法が大きく変動するおそれもある。
高い材料(例えば金属)を用いれば、その分断熱部の必
要厚み寸法を増やして寸法許容範囲を拡大することが可
能であるが、この場合には、断熱材の腐食や製品ガスの
変質といった新たな問題が生じ得る。
の寸法に多少の誤差があっても、着氷を確実に抑えなが
ら十分な伝熱性能を確保することができる低温液体の気
化装置を提供することを目的とする。
入される入口側ヘッダと、この入口側ヘッダ内に連通さ
れ、同入口側ヘッダに対して略直交する方向に延び、そ
の外方に加温媒体が流される複数の外伝熱管と、これら
の外伝熱管を介して上記入口側ヘッダ内に連通され、上
記外伝熱管内で気化された天然ガスが導入される出口側
ヘッダとを備えるとともに、上記外伝熱管においてその
入口側端部から出口側端部よりも手前までの領域の内側
に、この外伝熱管よりも短くかつ上記入口側ヘッダ内に
開口する内伝熱管を設け、この内伝熱管の外面と上記外
伝熱管の内面との間に上記入口側ヘッダ内の低温液体が
流入する環状流路を形成したものである(請求項1)。
熱管の外面の少なくとも一方の面に、他方の面に向かっ
て突出する複数の突出部を形成し、この突出部の先端面
と上記他方の面とを嵌合したものが、好適である(請求
項2)。
形成することにより、後述のようなより優れた効果が得
られる(請求項3)。
の低温液体は、内伝熱管の内側のみならず、両伝熱管同
士の間の環状流路内にも流入する。この環状流路内にお
いて、比較的高温である外伝熱管の内周面近傍では、こ
の外伝熱管の外側に供給される加温媒体との活発な熱交
換で低温液体が蒸発する一方、比較的低温である内伝熱
管の外周面近傍では上記低温液体が液相のまま上昇す
る。このような状態では、伝熱管軸方向への流体の流れ
と、液相及び気相の混在とにより、環状流路内での強制
対流沸騰が強まり、その分熱伝達率が高まる。すなわ
ち、この環状流路での伝熱性能は、二重管のすき間に単
にガスを滞在させる場合に比べて高くなり、その分環状
流路でのすき間寸法を大きくできる。このため、このす
き間寸法に多少誤差があっても、外伝熱管表面での着氷
を避けながら十分な伝熱性能を確保することができる。
内面、内伝熱管の外面の少なくとも一方の面に形成され
た突出部の先端面と他方の面とが嵌合されることによ
り、外伝熱管の内側に内伝熱管が配設される。特に、請
求項3記載のように、上記外伝熱管の内面に上記突出部
を形成した場合には、この突出部形成で外伝熱管内面の
表面積が増える分、この外伝熱管と環状流路内の低温液
体との間の伝熱性能が高められる。
説明する。なお、以下の実施例では液化天然ガス(以
下、LNGと称する。)を気化するものを示すが、本発
明は、その他、液体窒素をはじめとする種々の低温液体
の気化に好適に使用できるものである。
複数本の下部ヘッダ(入口側ヘッダ)10を備え、各下
部ヘッダ10には、所定本数ごとに、共通の供給マニホ
ールド12,14を介してLNGが導入されるようにな
っている。各下部ヘッダ10の上方には、これと平行に
上部ヘッダ16が配され、これらの上部ヘッダ16は、
所定本数ごとに共通の排出マニホールド18,20に集
結している。
には、多数本の外伝熱管22が並設された伝熱パネルが
形成されている。図1に示すように、各外伝熱管22に
よって両ヘッダ10,16の内部同士が連通されるとと
もに、この外伝熱管22の下半部の内側には、この外伝
熱管22よりも小径の内伝熱管24が配されており、両
伝熱管22,24の間に、上記下部ヘッダ10内に連通
する環状流路23が形成されている。詳しくは、図2に
示すように、上記内伝熱管24の外周面に複数個(図例
では4個)のリブ(突出部)25が周方向に並設され、
これらリブ25の先端面が上記外伝熱管22の内周面に
嵌合されるとともに、両面の少なくとも一部(例えば下
部)が溶接により互いに固定されている。
熱管24とを固定する手段は特に問わず、例えば両伝熱
管22,24を重合させた状態で抽伸する等の機械的な
手段を用いるようにしてもよい。
8が形成されることにより伝熱性能が高められており、
この外周面に図1矢印Aに示すように上から下へ加温媒
体である海水30等が流されるようになっている。
24の内側及び外伝熱管22の上半部の内側に充填され
たツイスト状の伝熱促進体であり、本発明においてこの
伝熱促進体26は省略が可能であり、また、他の伝熱促
進手段を付設するようにしてもよい。
内伝熱管24内に流入するとともに、この内伝熱管24
と外伝熱管22との間に形成された環状流路23内にも
流入する。この流入量の分配は、内伝熱管24の内側及
び環状流路23内の圧力損失により決まり、これらの入
口側圧力同士及び出口側圧力同士がそれぞれ等しくなる
流量で安定する。すなわち、環状流路23のすき間寸法
δ(図2)が大きくなるほど、この環状流路23内への
流入量の割合は増加する。
係は図5のようになる。すなわち、LNG温度がLNG
の沸点(すなわちLNGの蒸気が発生する温度)Tb未
満の第1の領域では、液体であるLNGのみが存在し、
LNG温度が上記沸点Tb以上で露点Td未満の第2の
領域では、液体であるLNGと気体であるNG(天然ガ
ス)とが混在し、LNG温度が上記露点Td以上の第3
の領域では、NGのみが存在する。
ちLNG入口部)は、上記第1の領域に相当するが、こ
の領域では、基本的にLNGのみが存在するものの、図
4(a)に示すように外伝熱管22の壁面近くはこの外
伝熱管22からの熱を受けてLNGが局所的に沸騰し
(いわゆるサブクール沸騰)、気泡が生ずる。また、環
状流路23の上部は、上記第2の領域に相当し、この領
域では、図4(b)に示すように上記外伝熱管22の壁
面近くで本格的な沸騰が生じ、気相と液相とが混在す
る。いずれの場合も、気相及び液相の混在と、下から上
へのLNG及びNGの流れにより、強制対流沸騰が促進
され、その分熱伝達率が高くなる。従って、従来のよう
に上記環状流路23内に完全気化済みのNGが充填され
ている装置に比べ、上記環状流路23における伝熱性能
は高くなり、その分環状流路23のすき間寸法δ(図
2)を大きくできる。このため、従来、断熱部として伝
熱管内側に断熱材を配設したりNGからなるガス層を形
成したりする装置では、上記断熱部の厚み寸法にきびし
い管理が必要とされていたのに対し、この実施例に示す
装置では、上記環状流路23のすき間寸法δに多少の誤
差があっても、外伝熱管22下部の着氷を避けながら高
い伝熱性能を確保し、LNGの十分な気化及び加温を果
たすことができる。
伝熱管24の長さの割合が小さすぎると、この内伝熱管
24の上方にもまだ気化されていないLNGが存在する
ことになるため、この内伝熱管24の上端付近(すなわ
ち外伝熱管22の中間部)で着氷が生じるおそれがあ
り、逆に上記割合が大きすぎると、内伝熱管24が設け
られていない外伝熱管22上部でのNGの加温が十分で
きなくなるおそれがあるが、上記内伝熱管24の上端近
傍ですべてのLNGが蒸発し終わるように、この内伝熱
管24の長さ及び環状流路23の流路面積を設定すれ
ば、コンパクトな構造で、着氷の防止及びNGの十分な
加温の双方を実現することができる。
24の長さの比を50%とし、図11〜図15は上記比
を40%として、上記環状流路23の厚み寸法δを変え
たときのLNG入口部からの伝熱管長さ位置と各温度及
び外伝熱管外表面への着氷厚みとの関係をシミュレーシ
ョンで求めた結果を示したものである。なお、図6にお
いて上段の「LNG=222kg/h」とは、LNGの総流量が22
2kg/hであることを意味し、下段の「LNG=184.5 37.
5」とは、内伝熱管22内側の流量が184.5kg/h、環状流
路23の流量が37.5kg/hであることを意味する。また、
外伝熱管22の全長は10mである。
1.5mmの場合)では、外伝熱管22の中間部で明らかな
着氷が生じており、この着氷部分で外伝熱管外壁面温度
が局所的に著しく低下している。これは、すき間寸法δ
が小さすぎるために環状流路23でのLNG流量が少な
く、環状流路23の下部あるいは中間部ですべてのLN
Gが蒸発してしまい、このため気相と液相の混在による
強制対流沸騰の熱伝達効果が得られなくなって、内伝熱
管24内側のLNGが液体のまま内伝熱管24から上方
へ流出してしまったためと考えられる。
図9(δ=2.5mmの場合)、図10(δ=3.0mmの場合)
では、外伝熱管22の中間部で着氷はほとんどなく、外
伝熱管外壁面温度の局所的な低下はみられない。これ
は、上記すき間寸法δが十分確保されているため環状流
路23で気相と液相の混在による強制対流の熱伝達効果
が十分に得られること、及び、内伝熱管24内側のLN
Gに液分が残っていたとしても、環状流路23内を流れ
るLNGの蒸発が完了したことによるガスがある程度こ
の液を包込むような形となることによる。これら図8〜
図10に示すように、本発明によれば、上記すき間寸法
δが比較的広い範囲にわたって変動しても、着氷を避け
ながら十分な伝熱性能を確保することが可能である。
記長さ比が40%の場合でも、すき間寸法δが小さい範
囲では、内伝熱管24を流れるLNG量が大きいことと
伝熱面積が小さいこととから、LNG温度を十分上昇さ
せることができず、しかも、図5に示すエンタルピ急変
部(水のごとき単一成分では蒸発潜熱に相当する部分)
の温度近傍である場合に、着氷が大きくなるが、上記す
き間寸法δを大きくして環状流路23での流量を増大さ
せる(換言すれば内伝熱管24でのLNG流量を減少さ
せる)に従って、上記着氷は著しく抑制される。
環状流路23のすき間寸法δが大きすぎる場合にも、伝
熱性能が下がることが予想される。このすき間寸法δが
大きすぎると、図4(c)に示すようにLNG層とNG
層とが完全に分離してしまい、液相と気相との間での強
制対流沸騰による熱伝達効果が弱まってしまうからであ
る。
基づき、環状通路23内のLNGが内伝熱管24の上端
近傍で図5に示すエンタルピ変化がなだらかになる(例
えば図5のP点の状態になる)ように内伝熱管24の長
さ及び環状通路23のすき間寸法δを設定すれば、管長
をなるべく抑えながら着氷を確実に防ぐことが可能にな
り、より好ましいものとなる。
する。
リブ25に代え、外伝熱管22の内周面側に多数の波形
突出部からなるフィン29を形成し、これらフィン29
の先端面に内伝熱管24の外周面を嵌合することによ
り、外伝熱管22の内側に内伝熱管24が配設されてい
る。
位置決め用の突出部であるフィン29を外伝熱管22内
周面側に形成することにより、環状通路23における外
伝熱管22側の表面積が飛躍的に高まることになり、そ
の分、外伝熱管22から環状通路23への伝熱性能が高
まる。このため、環状通路23のすき間寸法をさらに大
きく設定することも可能になり、その精度管理はさらに
容易となる。
のではなく、例として次のような態様を採ることも可能
である。
ず、例えば上記各実施例と配置が上下逆様のもの、すな
わち上部ヘッダを入口側、下部ヘッダを出口側とし、L
NG等の低温液体をその自重を利用して上から下へ強制
的に流すような装置にも適用することが可能である。ま
た、両ヘッダを同一水平面上に配し、これらを水平方向
の外伝熱管で接続するようにしてもよい。
熱管24の長さ寸法の差、すなわち、外伝熱管22にお
いて上記内伝熱管24が設けられていない部分の長さ寸
法は、出口側ヘッダでのガスの目標温度に応じて設定す
ればよい。すなわち、この目標温度が高いほど上記長さ
寸法を大きくし、ガスの加熱をより長い領域で行わせる
ようにすればよい。
側に、側壁に貫通穴をもつスパージ管を配し、このスパ
ージ管内にLNGを供給するようにしてもよい。これに
より、LNGをより均等に下部ヘッダ10内に供給する
ことが可能になる。
出口側ヘッダとを連通する外伝熱管の入口側部分の内側
に内伝熱管を設け、両伝熱管の間に上記入口側ヘッダ内
と連通する低温液体の環状流路を形成したものであるの
で、上記環状通路内での伝熱管軸方向への流体の流れ
と、液相及び気相の混在とにより、環状流路内での強制
対流沸騰を強めてその伝熱性能を高めることができる。
このため、二重管のすき間に単にガスを滞在させる従来
構造よりも上記環状流路でのすき間寸法を大きくでき、
その分、外伝熱管表面での着氷を避けながら十分な伝熱
性能を確保するための上記すき間寸法の許容範囲を広げ
ることができる。これにより、装置の製作を容易にし、
そのコストを削減することができる効果がある。
内面、内伝熱管の外面の少なくとも一方の面に形成され
た突出部の先端面と他方の面との嵌合により、簡単な構
造で外伝熱管の内側に内伝熱管を容易に位置決めするこ
とができる効果がある。
管の内面に上記突出部を形成した場合には、この突出部
形成で外伝熱管内面の表面積を増加する分、この外伝熱
管と環状流路内の低温液体との間の伝熱性能をより高め
ることができる効果がある。
要部を示す断面正面図である。
ける環状通路内でのLNG及びNGの流れの態様を示す
図である。
ルピの相関図である。
熱管長さ位置と各部温度及び着氷厚みとの関係を示すグ
ラフである。
熱管長さ位置と各部温度及び着氷厚みとの関係を示すグ
ラフである。
熱管長さ位置と各部温度及び着氷厚みとの関係を示すグ
ラフである。
熱管長さ位置と各部温度及び着氷厚みとの関係を示すグ
ラフである。
伝熱管長さ位置と各部温度及び着氷厚みとの関係を示す
グラフである。
伝熱管長さ位置と各部温度及び着氷厚みとの関係を示す
グラフである。
伝熱管長さ位置と各部温度及び着氷厚みとの関係を示す
グラフである。
伝熱管長さ位置と各部温度及び着氷厚みとの関係を示す
グラフである。
伝熱管長さ位置と各部温度及び着氷厚みとの関係を示す
グラフである。
伝熱管長さ位置と各部温度及び着氷厚みとの関係を示す
グラフである。
の要部を示す断面平面図である。
寸法とこれに相当する氷厚みとの関係を示すグラフであ
る。
Claims (3)
- 【請求項1】 低温液体が導入される入口側ヘッダと、
この入口側ヘッダ内に連通され、同入口側ヘッダに対し
て略直交する方向に延び、その外方に加温媒体が流され
る複数の外伝熱管と、これらの外伝熱管を介して上記入
口側ヘッダ内に連通され、上記外伝熱管内で気化された
天然ガスが導入される出口側ヘッダとを備えるととも
に、上記外伝熱管においてその入口側端部から出口側端
部よりも手前までの領域の内側に、この外伝熱管よりも
短くかつ上記入口側ヘッダ内に開口する内伝熱管を設
け、この内伝熱管の外面と上記外伝熱管の内面との間に
上記入口側ヘッダ内の低温液体が流入する環状流路を形
成したことを特徴とする低温液体の気化装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の低温液体の気化装置にお
いて、上記外伝熱管の内面、内伝熱管の外面の少なくと
も一方の面に、他方の面に向かって突出する複数の突出
部を形成し、この突出部の先端面と上記他方の面とを嵌
合したことを特徴とする低温液体の気化装置。 - 【請求項3】 請求項2記載の低温液体の気化装置にお
いて、上記外伝熱管の内面に上記突出部を形成したこと
を特徴とする低温液体の気化装置。
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