JP2001289587A - 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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JP2001289587A JP2000106190A JP2000106190A JP2001289587A JP 2001289587 A JP2001289587 A JP 2001289587A JP 2000106190 A JP2000106190 A JP 2000106190A JP 2000106190 A JP2000106190 A JP 2000106190A JP 2001289587 A JP2001289587 A JP 2001289587A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 所要の目的設定を行った熱交換体に最適な内
外面形状をそれぞれ求めることが可能な熱交換体の形状
評価方法の提供。 【解決手段】 外面の形状変化による外部の熱伝導率及
び伝熱面積の変化、すなわち伝熱特性が算定可能で、ま
た内部の形状変化による内部の単相域の熱伝導率及び蒸
発域の熱伝導率が算定可能であり、例えば、外面、内面
の形状を種々変化させてそれらの伝熱計算を実施し、目
的関数としてLNGの処理量(許容負荷)を算定し、このLNG
の処理量が最大となるように最適化解析を行うことによ
り、目的に応じた性能が発揮できる内外面形状を有する
熱交換体を選定できる。

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内外形状を最適化する方法に
関し、フィンチューブ外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、また、氷着形状と伝熱経路並
びにチューブ内形状と伝熱・気化状況を解析して、例え
ばフィンチューブの熱交換効率の向上が達成可能なフィ
ンチューブの内外形状を評価したり、LNGの処理量が最
大となるように最適化解析を行い、最適な形状を決定で
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】さらに、フィンチューブ内では多成分系のLNG
の蒸発が進行するが、氷着とフィンチューブの形状との
相関関係を適切にするとともに、チューブ内におけるコ
ア部と通路形状による伝熱状態と、LNGの蒸発にともな
う気液混相状態との相関関係を適切にして、如何に効率
よくLNGを蒸発させるかが重要であると考えられる。
【0008】この発明は、例えば、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する熱交換体の形状評価方
法の提供を目的としている。また、この発明は、伝熱経
路並びにチューブ内形状と伝熱・気化状況を解析して、
熱交換効率を高めることが可能なフィンチューブの内形
状の最適化を図ることが可能な熱交換体の形状評価方法
の提供を目的としている。さらに、この発明は、所要の
目的設定を行った熱交換体に最適な内外面形状をそれぞ
れ求めることが可能な熱交換体の形状評価方法の提供を
目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】発明者らは、ORVにおけ
るフィンチューブなどの熱交換体の熱交換効率を高める
こと目的に種々検討し、熱交換体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、複雑な形状をした熱
交換体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。
【0010】発明者らは、熱交換体内で多成分系のLNGなど
の被気化流体の熱伝達率を算定する手法について種々検
討した結果、数値解析的なアプローチとして、熱交換体
内では数値流動解析で流れを計算し、伝熱特性や圧力損
失特性を求め実測値と比較した結果、数値解析でほぼシ
ミュレーションできることを知見した。
【0011】発明者らは、外面の形状変化による外部の伝熱
特性(熱伝導率及び伝熱面積)が算定可能になったこと、
内部の形状変化による内部の伝熱特性(単相域の熱伝導
率及び蒸発域の熱伝導率)が算定可能になったことか
ら、上記の各手段により伝熱性能計算が数値計算ができ
ることに着目し、外面、内面の形状を種々変化させてそ
れらの伝熱計算を実施し、LNGの処理量(許容負荷)を算
定し、目的関数としてこのLNGの処理量が最大となるよ
うに最適化解析を行うことにより、目的に応じた性能が
発揮できる内外面形状を有する熱交換体を選定できるこ
とを知見し、この発明を完成した。
【0012】一方、発明者らは、熱交換体の氷着状態を解析
した結果を基に、氷を介在させた状態で適切な熱交換が
可能となるように熱交換体の最適形状を求めるための手
法について種々検討した。その結果、発明者らは、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、熱交換体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、熱交換体の外
面の最適形状を決定できることを知見した。
【0013】また、発明者らは、数値解析が困難であった蒸
発域の伝熱特性については、実験的なアプローチとし
て、LNG実液試験を行って採取したデータを整理統合
し、異なる伝熱管形状にも使用可能なようにデータベー
ス化し、蒸発伝熱推定式を確立して、伝熱性能計算を可
能にし、内部形状変化に対して蒸発域の熱伝熱率を計算
することにより形状の変化との関連を解析し、例えばこ
れに応答曲面法を採用して近似最適形状を求め、熱交換
体の内面の最適形状を決定できることを知見した。
【0014】すなわち、この発明は、熱交換体の外面又は内
面あるいはその両方の形状の変化に伴う伝熱特性の変化
を数値伝熱解析で求める工程、得られた伝熱特性より熱
交換体の伝熱性能を数値計算する工程、目的関数を設定
して形状を種々変化させ、目的関数が得られる形状の最
適化解析を行って最適形状を求める工程を含む熱交換体
の形状評価方法である。
【0015】また、この発明は、上記熱交換体の外面形状の
変化において、数値伝熱解析が、熱媒体液の熱伝達実験
式による方法、外表面に付着する氷着形状と伝熱面積を
境界要素法を用いて解析する方法のいずれかを用いる熱
交換体の形状評価方法を提案する。
【0016】また、この発明は、上記熱交換体の内面形状の
変化において、数値伝熱解析が、被伝熱流体の数値流動
解析法、被伝熱流体の蒸発実験に基づく蒸発熱伝達率実
験式を用いて、数値解析で流体側の熱伝達率を求める方
法のいずれかを用いる熱交換体の形状評価方法を提案す
る
【0017】
【発明の実施の形態】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。図1に評価手段の
フローチャート図を示すごとく、熱交換体の1)内側形状
変更、すなわちチューブ内部形状が円筒状であるのを例
えば、図2に示すごとく水平断面で多数個の突起部を形
成した内部スターフィン形状有するチューブを想定した
と仮定した場合、この形状の変更に伴う2)LNG側単相部
の熱伝達率の変化を数値流動解析にて把握し、また3)LN
G側蒸発部の熱伝達率の変化を例えば蒸発部実験式によ
り捕らえることができる。ここではチューブの内部形状
が異なる毎にチューブ形状ケース番号を予め付与してお
く。
【0018】内側形状変更に伴うLNG側単相部の熱伝達率の
変化とLNG側蒸発部の熱伝達率の変化を、算出、解析す
ること、並びにこれらの4)伝熱性能計算を行うことによ
り、前記の所定の内側形状における熱伝達率等の性能を
評価することができる。
【0019】ここで、評価の基準となる、例えば伝熱性能は
もちろんLNG処理量やコスト、寸法など種々の目的を設
定して、その目的の関数に対して種々想定される内部形
状を有するチューブのそれぞれの性能を評価すると、例
えば図3Aに示すごとくチューブ形状ケース番号とLNG処
理量との関係のように相対評価が可能になる。よって、
種々のチューブ内形状は評価目的ごとにどのような性能
を有するかを判断できる。
【0020】また、前述の性能計算に準じて5)応答曲面作成
し、6)近似最適形状決定を行い、さらに最適解を求めて
上記のステップを7)繰り返して行うことにより、内側形
状における伝熱性能にすぐれた最適形状を決定すること
ができる。
【0021】一方、熱交換体の外側形状についても同様であ
り、10)外側形状変更、すなわちチューブ外部形状が円
筒状であるのを例えば、図2に示すごとく水平断面で4〜
8個の突起部を形成した外部スターフィン形状を想定し
たと仮定した場合、この形状の変更に伴う11)海水側の
熱伝達率の変化を落下液膜の熱伝達率実験式にて把握
し、また12)の氷着形状・伝熱面積の変化を境界要素法
により捕らえることができる。ここでチューブの外部形
状が異なる毎にチューブ形状ケース番号を予め付与して
おく。
【0022】外側形状変更に伴う海水側の熱伝達率の変化と
氷着形状・伝熱面積の変化を、算出、解析すること、並
びにこれらの13)伝熱性能計算を行うことにより、前記
の所定の外側形状における熱伝達率等の性能を評価する
ことができる。
【0023】ここで、評価の基準となる、例えば伝熱性能は
もちろんLNG処理量やコスト、寸法など種々の目的を設
定して、その目的の関数に対して種々想定される外部形
状のそれぞれの性能を評価すると、例えば図3Aに示すご
とくチューブ形状ケース番号とLNG処理量との関係のよ
うに相対評価が可能になる。よって、種々のチューブ内
形状は評価目的ごとにどのような性能を有するかを判断
できる。
【0024】もちろん、前述の性能計算に準じて14)応答曲
面作成し、15)近似最適形状決定を行い、さらに最適解
を求めて上記のステップを16)繰り返して行うことによ
り、外側形状における伝熱性能にすぐれた最適形状を決
定することができる。
【0025】上述のように、予め熱交換体の内外面の形状に
ついて、種々の形状を想定しておき、これらの各内外面
の形状ごとに、予め設定する評価目的ごとの性能評価が
実施されていた場合、熱交換体に要求される特性に応じ
て、図3A、図3Bに示すごとく、前記評価目的ごとの性能
評価より内側形状及び外側形状の組合せを選定すること
が容易に実施できる。
【0026】また、図1に評価手段のフローチャート図を示
すごとく、まず、内側形状変更に伴うLNG側単相部の熱
伝達率の変化を数値流動解析し、LNG側蒸発部の熱伝達
率の変化を数値計算し、一方、外側形状変更に伴う海水
側熱伝達率の変化を数値計算し、氷着形状・伝熱面積の
変化を境界要素法で解析する。
【0027】次に、これらの解析結果を、伝熱性能計算プロ
グラムに従ってLNG処理量を目的関数として評価し、同
様にコスト計算プログラムに従ってコスト目的関数とし
て評価し、この性能計算に準じて応答曲面法を用いて、
応答曲面作成し、LNG処理量最大化並びにコスト最小化
となる近似最適形状決定を行い、さらに最適解を求めて
上記のステップを繰り返して行うことにより、最適形状
を決定することができる。
【0028】この発明において、熱交換体の内面形状の変化
に伴う伝熱特性の変化を求めるための数値伝熱解析方法
としては、公知の種々の手段が採用できるが、例えば、
被伝熱流体の数値流動解析法、被伝熱流体の蒸発実験に
基づく蒸発熱伝達率実験式を用いて、数値解析で流体側
の熱伝達率を求める方法が好適である。
【0029】ここで、数値流動解析によるLNG側単相部の熱
伝達率の評価は、内部を流れるLNGおよびNGの速度分
布、温度分布並びに伝熱状態について行うとよい。ま
た、LNG側蒸発部熱伝達率の解析は、蒸発部熱伝達率実
験式を用いることができる。また、蒸発部熱伝達率実験
式は、混相状態をクオリティにて分類して精度を高める
などの手法が採用できる。
【0030】この発明において、熱交換体の外面形状の変化
に伴う伝熱特性の変化を求めるための数値伝熱解析方法
としては、公知の種々の手段が採用できるが、例えば、
熱媒体液の熱伝達実験式による方法、外表面に付着する
氷着形状と伝熱面積を境界要素法を用いて解析する方法
が好適である。また、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、特に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。
【0031】ここで、性能計算は、伝熱の入力条件、例えば
チューブ本数、長さ、運転圧力などにより、氷着高さ、
NG出温度、圧力損失を算出するものである。性能計算の
各出力結果に対して制限条件、例えば氷着高さ所定値以
下としたり、NG出温度を規定するなどの制限により、LN
G処理量(許容負荷)が決定される。
【0032】この発明において、目的関数にはいずれの評価
基準も採用可能である。例えば、伝熱効率、被伝熱流体
の処理量、設備コスト、ランニングコスト等を採用でき
る。
【0033】この発明において、最適化解析方法としては、
応答曲面法、あるいは実験計画法等が適宜採用できる。
例えば、応答曲面法は、算出した目的関数をもとに応答
曲面を作成し、その中で近似最適形状を決定することが
可能である。
【0034】また、上述した外面形状の評価、内面形状の評
価を合わせて、熱変換効率を向上させるのに最適なサイ
ズや内外面形状を有するフィンチューブを決定する。す
なわち、a)外側形状変更に伴う氷着形状、伝熱面積の変
動を境界要素法で解析した結果と、b)内側形状変更に伴
う単相jfファクター、LNG側熱伝達率の変動の解析結果
とを合わせて、c)性能計算(氷着高さ、NG出温度、圧力
損失)して許容負荷の変動として把握し、これらの結果
をd)応答曲面法により応答曲面を作成し、さらにe)近似
最適形状の決定を行うことも可能である。
【0035】熱交換体の外面形状の評価に境界要素法を用い
る評価方法を以下に詳述する。この評価方法の計算フロ
ーは、図4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。
【0036】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。
【0037】以上の境界要素法を用いて解析して得た氷着形
状は、図5a,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。
【0038】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。
【0039】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。
【0040】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。
【0041】以上の外面形状の評価方法は、フィンチューブ
内の形状が所定形状であることを前提にしてこれが変化
しない場合を想定している。次の内面形状の評価の場合
も、外面形状がある所定の形状であることを想定し、内
面形状の変化による伝熱状態や蒸発の状態の変化を解析
する。
【0042】このように予め熱交換体の内外面の形状につい
て、種々の形状を想定して各形状ごとに、予め設定する
評価目的ごとの性能評価が可能となり、熱交換体に要求
される特性に応じて、前記評価目的ごとの性能評価より
好ましい内側形状及び外側形状の組合せを選定すること
ができる。
【0043】
【実施例】前述した境界要素法を用いた氷着形状の解析
方法を実施した。パネル状フィンチューブに節点および
要素番号を設定した。
【0044】
【表1】
【0045】算出された氷着形状を表すと図4a,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。
【0046】
【表2】
【0047】次に、フィンチューブ水平断面で4〜8個の突起
部を形成した内部スターフィン形状を想定して、内部を
流れるLNGおよびNGの速度分布、温度分布並びに伝熱状
態について図1に示すフローチャートに従って解析、評
価を行った。
【0048】伝熱、気化効率が最大になるようにフィンチュ
ーブのサイズ、内外面形状を求めたところ、150ton/hr
の処理能力を有する従来のORVに対し、伝熱面積を約25%
削減、設置スペースを約30%縮小できることを確認し
た。
【0049】
【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
状を検討することができ、熱交換体の外面形状を種々変
化させた時の各性能を評価できる。また、この発明は、
フィンチューブなどの熱交換体内での多成分系のLNGの
蒸発に際してのLNGの流れを数値流動解析で把握し、伝
熱特性や圧力損失特性を求めることができ、内面形状を
種々変化させた時の各性能を評価できる。
【0050】この発明は、外面の形状変化による外部の熱伝
導率及び伝熱面積の変化、すなわち伝熱特性が算定可能
で、また内部の形状変化による内部の単相域の熱伝導率
及び蒸発域の熱伝導率が算定可能であり、例えば、外
面、内面の形状を種々変化させてそれらの伝熱計算を実
施し、目的関数としてLNGの処理量(許容負荷)を算定
し、このLNGの処理量が最大となるように最適化解析を
行うことにより、目的に応じた性能が発揮できる内外面
形状を有する熱交換体を選定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明よる熱交換体の形状の最適化方法を実
施するためのフローチャート図である。
【図2】A〜Dは、この発明において種々想定したチュー
ブ形状の一例を示すチューブの水平断面形状の説明図で
ある。
【図3】Aはチューブ形状ケース番号とLNG処理量との関
係を示すグラフ、Bはチューブ形状ケース番号とコスト
との関係を示すグラフである。
【図4】この発明よる氷着形状推定計算のフローチャー
ト図である。
【図5】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

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 熱交換体の形状の変化に伴う伝熱特性の
    変化を数値伝熱解析で求める工程、得られた伝熱特性よ
    り熱交換体の伝熱性能を数値計算する工程、目的関数を
    設定して形状を種々変化させ、目的関数が得られる形状
    の最適化解析を行って最適形状を求める工程を含む熱交
    換体の形状評価方法。
  2. 【請求項2】 熱交換体の外面形状の変化において、数
    値伝熱解析が、熱媒体液の熱伝達実験式による方法、外
    表面に付着する氷着形状と伝熱面積を境界要素法を用い
    て解析する方法のいずれかを用いる請求項1に記載の熱
    交換体の形状評価方法。
  3. 【請求項3】 熱交換体の内面形状の変化において、数
    値伝熱解析が、被伝熱流体の数値流動解析法、被伝熱流
    体の蒸発実験に基づく蒸発熱伝達率実験式を用いて、数
    値解析で流体側の熱伝達率を求める方法のいずれかを用
    いる請求項1に記載の熱交換体の形状評価方法。
  4. 【請求項4】 目的関数が、伝熱効率、被伝熱流体の処
    理量、設備コスト、ランニングコストのいずれかである
    請求項1に記載の熱交換体の形状評価方法。
  5. 【請求項5】 最適化解析方法が、応答曲面法、実験計
    画法のいずれかである請求項1に記載の熱交換体の形状
    評価方法。
  6. 【請求項6】 熱交換体が液化ガス(LNG)気化装置用のフ
    ィンチューブであり、LNGの処理量が最大となるように
    最適化解析を行い、最適形状を求める請求項1に記載の
    熱交換体の形状評価方法。
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