JP2001255078A - 熱交換体の形状評価方法 - Google Patents

熱交換体の形状評価方法

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JP2001255078A JP2000068682A JP2000068682A JP2001255078A JP 2001255078 A JP2001255078 A JP 2001255078A JP 2000068682 A JP2000068682 A JP 2000068682A JP 2000068682 A JP2000068682 A JP 2000068682A JP 2001255078 A JP2001255078 A JP 2001255078A
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優 関口
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進一 伊藤
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優 秋山
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秀元 鹿島
Norihiro Hisada
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 オープンラック型を始めとするLNG気化装置
におけるフィンチューブなどの熱交換体ヘの氷着形状を
解析可能にし、フィンチューブの形状と氷着形状との相
関関係を解析可能にして、熱交換効率を高めることが可
能なフィンチューブなどの熱交換体の形状の最適化を図
る。 【解決手段】 フィンチューブの所定高さ位置における
所要の水平断面形状をモデルとし、該形状に予め氷着形
状を表す節点群と要素点群を設定して氷着面での熱流束
などを入力条件に、有限要素法、有限差分法あるいは境
界要素法によって氷着面温度を求めて、氷着面温度が氷
着温度となるように氷着形状を修正しながら繰り返し収
束させてフィンチューブヘの氷着形状を解析し、該モデ
ル形状とその表面への氷着形状を検討する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、液化天然ガス
(以下LNGという)の気化装置に用いる気化装置用フィン
チューブなどの熱交換体の形状を最適化する方法に関
し、フィンチューブ表面に熱媒体水の散水により生成す
る氷着状態を解析して、フィンチューブの熱交換効率の
向上が達成可能なフィンチューブの形状を評価、決定で
きる熱交換体の形状評価方法に関する。
【0002】
【従来の技術】LNG気化装置としては、オープンラック
型気化器(ORV)、サブマージド気化器(SMV)等の気化器が
利用されており、又、該気化器などで昇温気化させた天
然ガス(以下NGという)を加熱するのに、ブレージングヒ
ーター、温水式加熱器等が用いられていた。
【0003】LNGの気化装置として多用されるORVは、例えば
直径方向に一対のフィンを突出させたフィンチューブを
フィン方向に配列して一枚のパネル状となし、その上下
端部にヘッダータンクを設けて熱交換パネルを構成し、
該パネルを複数連立配置して、下部ヘッダータンクから
LNGを導入して熱交換パネル内を上昇させ、上方に配設
した散水用トラフより熱媒体の海水を熱交換パネル面に
流下させる間に熱交換する構造である。
【0004】また、オープンラック型気化器は、上部から下
部へと導出するダウンフロー式の構成もある。さらに、
都市ガスとして使用される場合、低熱量のLNGに高熱量
の液化石油ガス(以下LPGという)を混入して熱量調整を
行うカロリー調整のために、混合時期の特定や装置の構
成に改良を加えるなど、種々の構成がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ORVにおいて、LNGは液
体時の極低温から気化して気体となり、さらに昇温され
るまでの170℃以上の温度範囲にわたって、気化器外か
らの熱とLNGの冷熱との熱交換が行われる。従って、フ
ィンチューブを用いたORV自体の熱交換効率を向上させ
るためには、チューブ内に導入されたLNG量より要求さ
れる熱量が、如何に入熱して熱交換された冷熱が放散す
るかという、気化器としての基本構造がすぐれている必
要がある。
【0006】また、下部ヘッダータンクからLNGを導入して
フィンチューブ内を上昇させる際には、下部ヘッダータ
ンクからフィンチューブ下部の外表面に散水される熱媒
体の海水が氷着することが避けられない。しかし、氷着
状態でも熱交換は的確に行われる必要があり、熱交換効
率を向上させるには不可避の氷着とフィンチューブの形
状(フィン長さ、幅、ピッチまたはチューブ内径など)と
の相関関係を適切にしてやる必要があると考えられる。
【0007】この発明は、オープンラック型を始めとするLN
G気化装置におけるフィンチューブヘの氷着形状を解析
可能にし、またフィンチューブの形状と氷着形状との相
関関係を解析可能にして、熱交換効率を高めることが可
能なフィンチューブの形状の最適化を図ることができる
熱交換体の形状評価方法の提供を目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】発明者らは、LNGの気化
装置であるORVにおけるフィンチューブの熱交換効率を
高めること目的に種々検討し、フィンチューブの氷着状
態を解析することに着目して鋭意検討した結果、有限要
素法、有限差分法あるいは境界要素法によって、複雑な
形状をしたフィンチューブ外表面へ付着した氷の厚みな
どを推定することが可能であることを知見した。
【0009】また、発明者らは、フィンチューブの氷着状態
を解析した結果を基に、氷を介在させた状態で適切な熱
交換が可能となるようにフィンチューブの最適形状を求
めるための手法について種々検討した。
【0010】その結果、発明者らは、フィンチューブの所定
高さ位置における所要の水平断面形状をモデルとし、該
形状に予め氷着形状を表す節点群と要素点群を設定して
氷着面での熱流束などを入力条件に、有限要素法、有限
差分法あるいは境界要素法によって氷着長さを求めて、
フィンチューブヘの氷着形状を解析し、該モデル形状と
その表面への氷着形状を検討すると、フィンチューブの
最適形状を決定できることを知見し、この発明を完成し
た。
【0011】すなわち、この発明は、液化ガス気化装置用の
フィンチューブなどの熱交換体の外表面に付着する氷着
形状を有限要素法、有限差分法あるいは境界要素法を用
いて解析し、この解析結果を基に所定の設定条件下にお
ける熱交換効率にすぐれたフィンチューブなどの熱交換
体の所定高さ位置における水平断面形状及び/又は高さ
方向の所要範囲における外面形状を決定することを特徴
とする熱交換体の形状評価方法である。
【0012】また、この発明は、上記方法において、液化ガ
ス気化装置用のフィンチューブなどの熱交換体の内面温
度、熱交換体の所定高さ位置における水平断面形状並び
に該形状に予め設定した節点群と要素点群、氷着面での
熱流束(Heat Flux)を入力条件として有限要素法、有限
差分法あるいは境界要素法を用いる評価方法、有限要素
法または有限差分法を境界要素法と併用して複数の氷着
形状を解析し、複数モデルで評価を行う評価方法を併せ
て提案する。
【0013】
【発明の実施の形態】この発明において、有限要素法ま
たは有限差分法は、境界内部領域をメッシュ分割する必
要があるのに対し、境界要素法では境界上でのみメッシ
ュ分割(節点設定)すれば良いことから、境界要素法が氷
着形状を求める場合に最も簡単であり、適している。
【0014】従って、境界要素法を用いる評価方法を以下に
詳述する。また、熱交換体として液化ガス気化装置用の
フィンチューブを例に説明する。この評価方法の計算フ
ローは、図1に示すように液化ガスが通過するフィンチ
ューブの内面温度(T)、氷着面での熱流束(HF)と氷着面
形状を設定して、境界要素法(BEM)計算を行い、氷着面
温度が氷着温度(-2℃)となるように氷着面形状を修正し
ながら境界要素法の計算を繰り返し収束させる。
【0015】次に、収束結果として求められる氷着長さと海
水流量、海水温度、氷着面での海水熱伝達係数から求め
られる氷着面での総熱流束からフィンチューブの内面温
度(T')を算出し、先に仮定したフィンチューブ内面温度
(T)を修正する。このように内側と外側の2つの収束ルー
プを繰り返すことにより、氷着形状ならびに氷着面での
総熱流束が求められる。以下、順に計算過程を説明す
る。
【0016】(1) 計算条件となる物性値、例えばフィンチ
ューブ材質の熱伝達係数、氷の熱伝達係数、氷着温度、
さらにフィンチューブ内面、外面の形状、ならびに海水
温度、海水流量などの操業条件が設定される。
【0017】(2) 氷着面での総熱流束は、氷着面積×熱伝
達係数×(海水温度−氷着温度)の式で表され、また、外
面からの総熱流束と内面の総熱流束が等しいことから、
下記式から計算される。従って、はじめに氷着形状を仮
定すると、フィンチューブ内面温度はそれに応じて一意
的に決まる。フィンチューブ内面温度は、下記式より求
める。フィンチューブ内面の総熱流束=フィンチューブ
内面積×LNG熱伝達率×(内面温度−LNG温度)
【0018】(3) 図2に単管モデルの解析として、フィンチ
ューブの節点および要素点の配置例を示す。図2aには節
点番号を、図2bには要素番号を示す。いずれも図2aで内
側の実線がフィンチューブで同一材質のものを示し、外
側の実線が計算前の氷着形状を示している。
【0019】(4)さらに氷着面の変化を合理的に行うための
基準となる点を適宜設定する。この基準となる点に向か
って氷着が厚くなったり、薄くなったりする。すなわ
ち、突出するフィン間の半径線上やフィンの中心半径線
上に節点を設定する。この基準となる点を設定するに際
し、その原点からの距離を氷着が厚い場合には予め長く
また、薄い場合には予め短く設定するなどの工夫をする
ことは言うまでもない。
【0020】(5)氷着層が薄く、極端な場合には部分的に無
くなった場合には、連続した1つの層でなくなった場合
には、領域数を増やすかまたは近似的に薄氷に収束した
と仮定して分割した連続な1つの領域として扱う工夫が
必要である。
【0021】(6)氷着形状を表す節点座標(X,Y)は、図1のご
とく予め設定する。しかし、この氷着形状面上の温度を
境界要素法で計算すると当然氷着温度ではない。以下の
方法で、氷着面形状を修正する。
【0022】ここで、始めに設定した氷着面節点座標を(X
n-1,Yn-1)とし、そこでの計算温度をTn-1、基準となる
点から氷着面節点座標に向かって伸ばした線がフィンチ
ューブ面上で交差する節点座標を(x,y)とその温度tとか
ら次式のように新しい氷着面節点座標(Xn,Yn)が求めら
れる。 Xn=x+(氷着温度-t)/(T-t)×(Xn-1‐x) Yn=y+(氷着温度-t)/(T-t)×(Yn-1‐y)
【0023】(7) 上述の新氷着面形状を入力として境界要
素計算を再度実行する。この収束計算は(Xn-1,Yn-1)と
(Xn,Yn)との差が一定値以下になるまで繰り返す。
【0024】(8) 氷着面形状が求められると、氷着面から
の総熱流束が次式のように求められる。 総熱流束=氷着面積×海水熱伝達係数×(海水温度-氷着
温度)
【0025】この総熱流束とフィンチューブ内面温度とは次
式の関係で結ばれている。フィンチューブ内面温度=総
熱流束/フィンチューブ内面積/LNG熱伝達率+LNG温度
【0026】当然、フィンチューブ内面温度を変化させると
氷着面形状も変化する。従って、上式で求めた新たなフ
ィンチューブ温度を用いて再度氷着形状を求め直すこと
となる。計算前後の氷着面形状の差が有る一定値以下に
なるまで計算を繰り返す。
【0027】以上の境界要素法を用いて解析して得た氷着形
状は、図3a,b,cに示すごとく、例えば、高さ毎でLNG温
度またはLNG熱伝達率および海水温度または海水側熱伝
達率が変化するのでこれに応じて氷着形状が変化する。
同様に、フィンチューブ形状を変化させると着氷面の位
置および氷着形状が変化することになる。
【0028】すなわち、熱交換パネルを形成するチューブの
所要高さ位置の水平断面形状において、適切な熱交換が
実行されるようにフィンの径方向高さ及び/又はフィン
数を決定して、最適形状を求めることができる。また、
チューブの内周面に複数の軸方向の内壁溝を有する場
合、内壁溝の深さ及び/又は本数がどのように熱交換効
率に関与するか、評価して最適形状を求めることができ
る。
【0029】さらに、上記のフィンチューブの所要高さ位置
の水平断面形状の評価は、フィンチューブ長さ、すなわ
ち高さ方向に順次評価することによって、フィンチュー
ブ内で熱交換されるLNG温度に応じたフィン形状、フィ
ンの径方向高さ及び/又はフィン数などが求められるこ
とになる。同様にチューブの内壁溝の設定もチューブ長
さ方向で最適化することが可能である。よって、チュー
ブ長さを長尺化する場合にもフィンチューブの内外の形
状の評価、最適化を実施する。
【0030】この発明方法を用いて解析した結果、フィンの
高さを増加させるに従い、フィンチューブ内面の熱流束
が増加するが、ある程度以上増加させてもその効果が少
なくなることが確認された。またフィンの数についても
調査した結果、ある場合にはフィンの数が14枚の時に最
高の熱流束を示した。このように、使用状況に応じてフ
ィンチューブの形状に関する最適化が可能となった。
【0031】
【実施例】前述した境界要素法を用いた氷着形状の解析
方法を以下の計算条件で実施した。パネル状フィンチュ
ーブの節点および要素番号の配置は、図2に示すとおり
である。
【0032】
【表1】
【0033】算出された氷着形状を表すと図3a,b,cの結果を
得た。1/4周長の実績と計算結果およびチューブ内面温
度と平均外表面熱流束は、表2に示す通りである。計算
結果は実測結果と良く一致していることが分かる。この
ようにこの発明方法の結果の妥当性を検証しながら、使
用状態に最適なフィンチューブの形状の最適化を行っ
た。
【0034】
【表2】
【0035】
【発明の効果】この発明は、フィンチューブなどの熱交
換体の所定高さ位置における所要の水平断面形状をモデ
ルとし、該形状に予め氷着形状を表す節点群と要素点群
を設定して氷着面での熱流束などを入力条件として境界
要素法によって氷着長さを求めて、フィンチューブヘの
氷着形状を解析し、該モデル形状とその表面への氷着形
状を検討すると共に、フィンチューブなどの熱交換体の
最適形状を決定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】氷着形状推定計算のフローチャート図である。
【図2】フィンチューブの水平断面形状の1/4をx-y座標
軸上に示すグラフであり、aはフィンチューブの節点、b
は要素番号の配置例を示す。
【図3】フィンチューブの水平断面形状の1/4をx-y座標
軸上に示すグラフであり、aは1m高さ位置、bは2m高さ位
置、cは3m高さ位置を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関口 優 東京都港区海岸一丁目５番20号 東京瓦斯 株式会社内 (72)発明者 伊藤 進一 東京都港区海岸一丁目５番20号 東京瓦斯 株式会社内 (72)発明者 秋山 優 兵庫県尼崎市扶桑町１番10号 住友精密工 業株式会社内 (72)発明者 鹿島 秀元 兵庫県尼崎市扶桑町１番10号 住友精密工 業株式会社内 (72)発明者 久田 憲宏 兵庫県尼崎市扶桑町１番10号 住友精密工 業株式会社内 Ｆターム(参考） 3L103 AA37 BB27 CC18 5B046 AA02 JA07

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 熱交換体の外表面に付着する氷着形状を
    境界要素法を用いて解析し、この解析結果を基に所定の
    設定条件下における熱交換効率にすぐれた熱交換体の所
    定高さ位置における水平断面形状及び/又は高さ方向の
    所要範囲における外面形状を決定する熱交換体の形状評
    価方法。
  2. 【請求項2】 境界要素法に換えて、有限要素法または
    有限差分法を用いる請求項1に記載の熱交換体の形状評
    価方法。
  3. 【請求項3】 有限要素法または有限差分法を境界要素
    法と併用して複数の氷着形状を解析し、複数モデルで評
    価を行う請求項1に記載の熱交換体の形状評価方法。
  4. 【請求項4】 熱交換体が液化ガス気化装置用のフィン
    チューブであり、フィンチューブの内面温度、フィンチ
    ューブの所定高さ位置における水平断面形状に予め設定
    した節点群と要素点群、氷着面での熱流束を入力条件と
    して境界要素法を用いる請求項1に記載の熱交換体の形
    状評価方法。
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