JP2010270797A - 空温式気化器の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィン付き伝熱管に付着して伝熱性の劣化の原因となる霜の除去を気化器の運転を停止することなく、風力により付着した霜を吹飛ばして機械的に除去して連続運転できる空温式気化器の運転方法を提供する。
【解決手段】フィン付き伝熱管１１を縦横に垂直に立設し、その各フィン付き伝熱管１１の下部から上方に低温液化ガスを流すと共にフィン付き伝熱管１１の外側に上部から下部に外気を降下させて低温液化ガスを蒸発させて気化運転する際に、縦横に隣接する４本のフィン付き伝熱管１１の中央に、噴出空気供給管３１を立設し、その噴出空気供給管３１の外周に吹出ノズル３２，３３を上下方向に複数段設け、フィン付き伝熱管１１に付着した霜が所定厚さになったときに上記吹出ノズルから４ｍ／ｓ以上の着霜面衝突速度で空気を噴射し、その吹出ノズルで噴射された空気で着霜した霜を吹き飛ばすと共にその吹き飛ばされた霜で、フィン付き伝熱管１１に付着した霜に雪崩を発生させて除霜しながら連続気化運転を行うものである。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＬＮＧ等の空温式気化器の運転方法に係り、特に空温式気化器の伝熱面に付着する霜を効率よく除霜して空温式気化器を連続運転できる空温式気化器の運転方法に関するものである。

液化天然ガス（ＬＮＧ）、液体窒素、液体酸素等の低温液体を気化或いは加熱する機器の形式として空温式気化器がある。

この空温式気化器をＬＮＧサテライト基地に設置されている空温式気化器を例にとって説明すると、空温式気化器は、特許文献１に示されるように、伝熱管の外周に放射状に垂直なフィンを設けたフィン付き伝熱管からなり、このフィン付き伝熱管が、縦横に多数垂直に配置されて構成され、前段のフィン付き伝熱管群で、ＬＮＧを気化させ、後段のフィン付き伝熱管群で気化させたＮＧを常温近くまで過熱するように各フィン付き伝熱管が接続されて構成される。

すなわち、サテライト基地の貯蔵タンクに貯蔵されたＬＮＧは、下部に配置した入口配管から分配管を通して横方向に配列されたフィン付き伝熱管に、また各列のフィン付き伝熱管から縦方向の配列されたフィン付き伝熱管に供給され、その前段のフィン付き伝熱管群をＬＮＧが上向きに流れ、外気がフィン付き伝熱管間を下向きに流れて、ＬＮＧが下向きに流れる空気と熱交換して蒸発し、その前段のフィン付き伝熱管群で蒸発したＮＧが、縦方向の配列されたフィン付き伝熱管の上部のマニホールドで集合され、後段のフィン付き伝熱管群中で、順次縦方向に配列されたフィン付き伝熱管を上下に蛇行しながら流れて、下部に配置した集合管に集められ、その集合管から出口配管を介して需要系に供給される。

従来のＬＮＧサテライト基地等で使用されているＬＮＧを気化させる空温式気化器では、長時間気化運転しているとフィン付き伝熱管に大気中の水分が凝縮して伝熱面に付着して通常は霜と氷を形成する。

伝熱管やフィンに付着した霜は、厚くなると非常に大きい伝熱抵抗となるので、極度に気化能力を低下させることになる。このために定期的に付着した霜を温水等で加熱融解して除去して裸管とし伝熱能力を回復させている。

また付着霜の除去時は、運転を停止して回復操作を行うので、基地としての能力を維持するために停止器と同能力の気化器を切換使用器として設置して、切換運転を行っている。

従って、ＬＮＧサテライト基地では切換器として１基以上の再生用待機気化器が設置されている。更に、故障に備えて予備の気化器が設置されているのが一般的である。空温式ＬＮＧの気化器では、通常伝熱管への着霜による性能低下の為に４時間ごとに予備器と切換えて運転している。

一般に、着霜厚の増加は、フィンプレートを持った伝熱管では空気流が強く当たるフィンの先端部分が他の部分よりも大きい。フィンヘの着霜厚は、通常の外気の流下速度（約１ｍ／ｓ前後）では、先端の両面で約２０ｍｍとなっている。このために中央の流下空気がフィンの先端よりも内側のフィンプレート及び伝熱管の表面へ流入することが阻害され、伝熱性能を低下させる要因となっている。

また、伝熱管の付着霜を融解するために使用する温水は、温水器或いはボイラーで発生させたスチームで温水を作り、伝熱管に散水してその顕熱で融解している。しかし、散水しても、大気の湿度が低い場合及び気温が低い場合は、温水の熱が大気への気化熱或いは伝熱で、温水の保有熱の半分位が失われることがあり、熱効率が高いとは云えない。

さらに、融霜用の温水は熱の有効利用のために循環使用するのが一般的であるが、使用済みの温水は、大気その他の原因で汚染されるので直接温水器で加熱することは出来ない。この場合、温水器の加熱水と融霜用温水は別系統として温水器の加熱水で融霜用温水を間接加熱して使用するため、設備費、維持費及び燃料費が必要となり年間の経費が高価になる。

温水による着霜の融解除霜は、通常４時間間隔で行っているので、気象条件により着霜が厚くならなく、伝熱性能が劣化しない場合でも除霜運転を自動的に行うために、無駄に温水を使用して運転費用を増大させる原因となっている。

特開２００８−２７４９７５号公報 特開昭５７−１２２２７２号公報 特開平０８−５２０７号公報

一方特許文献２，３では、冷却器に付着した霜の除霜手段として、伝熱面に高速噴流やコンプレッサからの圧縮空気を３０ｍ／ｓｅｃの風速で吹き付けて、伝熱面に付着した霜を強制的に吹き飛ばして除霜することが提案されている。

しかしながら、小型の冷却器では圧縮空気などで除霜することは可能であるが、ＬＮＧ気化器などの空温式気化器では、縦横幅が約２ｍ、高さが４〜５ｍもあり、また伝熱管内径２０ｍｍ、フィン幅約５０ｍｍ、フィン先端の外径１３５ｍｍであり、特許文献２，３の技術を用いて着霜した霜を圧縮空気で吹き飛ばすことは、大量の圧縮空気を必要とし実質的に不可能である。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、フィン付き伝熱管に付着して伝熱性の劣化の原因となる霜の除去を気化器の運転を停止することなく、風力により付着した霜を吹飛ばして機械的に除去して連続運転できる空温式気化器の運転方法を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、フィン付き伝熱管を縦横に垂直に立設し、その各フィン付き伝熱管の下部から上方に低温液化ガスを流すと共にフィン付き伝熱管の外側に上部から下部に外気を降下させて低温液化ガスを蒸発させて気化運転する空温式気化器の運転方法において、縦横に隣接する４本のフィン付き伝熱管の中央に、フィン付き伝熱管の下部から上部に延びる噴出空気供給管を立設し、その噴出空気供給管の外周に吹出ノズルを上下方向に複数段設け、フィン付き伝熱管に付着した霜が所定厚さになったときに上記吹出ノズルから着霜面の衝突速度が４ｍ／ｓ以上になるように空気を噴射し、その吹出ノズルで噴射された空気で着霜した霜を吹き飛ばすと共にその吹き飛ばされた霜で、フィン付き伝熱管に付着した霜に雪崩を発生させて除霜しながら連続気化運転を行うことを特徴とする空温式気化器の運転方法である。

請求項２の発明は、フィン付き伝熱管に付着した霜による伝熱劣化を、ＮＧの温度で検出し、そのＮＧの温度が設定温度（−４０〜−５０℃）以下に降下したときに吹出ノズルから空気を吹き出す請求項１記載の空温式気化器の運転方法である。

請求項３の発明は、低温液化ガスがＬＮＧであり、フィン付き伝熱管の長さが４〜５ｍであり、噴出空気供給管の外周の吹出ノズルが数ｍ間隔で２或いは３段形成される請求項１又は２記載の空温式気化器の運転方法である。

請求項４の発明は、内径２０〜２５ｍｍの伝熱管の外周に、幅４０〜８０ｍｍのフィンプレートを４５度の角度で８枚設けてフィン付き伝熱管を構成し、そのフィン付き伝熱管を１５０〜２００ｍｍ間隔で縦横に複数本立設し、縦横に隣接するフィン付き伝熱管の中心に内径２０〜２５ｍｍの噴出空気供給管を立設すると共に、噴出空気供給管の下端から１．５ｍ、３ｍ、４ｍの位置に吹出ノズルを形成した請求項３記載の空温式気化器の運転方法である。

請求項５の発明は、吹出ノズルは、隣接する４本のフィン付き伝熱管に向けて下向きに空気が当たるように噴射する伝熱管用吹出ノズルと、横又は縦方向で隣接するフィン付き伝熱管のフィン間に向けて空気を噴射するフィン用吹出ノズルからなる請求項４記載の空温式気化器の運転方法である。

本発明によれば、フィン付き伝熱管に付着した霜を除霜する際に、気化器運転を停止することなく、噴出空気供給管の高さ方向に複数段設けた吹出ノズルから４ｍ／ｓ以上の着霜面衝突速度で空気を、短時間（数秒）噴射することで、その位置の霜を吹き飛ばし、その霜で下方の霜に雪崩を発生させて霜を削り落とすことで簡単に除霜でき、伝熱性能を回復することにより、気化器の連続運転が可能となる。また気化器の設備費や除霜のためのランニングコストも低減することができる。

本発明の一実施の形態を示し、（ａ）はフィン付き伝熱管の断面図、（ｂ）は左側面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は平面図である。 （ａ）は、図１におけるフィン付き伝熱管と噴射空気供給管の配置を示す断面図、（ｂ）は噴射空気供給管の斜視図である。 （ａ）は２列のフィン付き伝熱管と噴射空気供給管に噴出空気を供給する空気供給系を示す図、（ｂ）はフィン付き伝熱管に空気を吹き付ける模式図である。 本発明において、除霜運転を行う際の除霜運転システムを示す図である。 本発明において、フィン付き伝熱管の表面の温度をパラメータとしたときの冷気降下速度と着霜密度の関係を示す図である。 本発明において、フィン付き伝熱管の着霜冷却面温度と着霜密度の関係を示す図である。 本発明において、風速と霜の厚さ（霜の成長）の関係を示す図である。 本発明において、フィン付き伝熱管に付着した霜の厚さと総括伝熱係数の関係を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

先ず図１より、本発明の空温式気化器の運転方法に用いる空温式気化器１０とその除霜装置３０を説明する。

図１（ａ）に示すように、フィン付き伝熱管１１は、内径２０〜２５ｍｍ、図示では内径２０ｍｍの伝熱管１２の外周に４５度の角度で放射状に垂直なフィン１３が設けられて構成される。この例においてはフィン１３は８枚で、そのフィン幅が４０〜８０ｍｍ、図示では５０ｍｍで、伝熱管１２の長さ（５ｍ）に沿って設けられる。

空温式気化器１０は、図１（ｂ）〜図１（ｄ）に示すように、フィン付き伝熱管１１が、間隔１５０〜２００ｍｍで、縦横に多数垂直に配置されて構成され、前段のフィン付き伝熱管群１１Ｆで、ＬＮＧを気化させ、後段のフィン付き伝熱管群１１Ｒで気化させたＮＧを常温近くまで過熱するように各フィン付き伝熱管１１が接続される。

すなわち、サテライト基地の貯蔵タンクの底部に接続された払出管（図示せず）と接続する入口配管１４が配置され、その入口配管１４に、図１（ｂ）に示すように左右方向に延びる分配管１５が接続され、その入口側である前段の分配管１５と対向する出口側である後段に集合管１６が配置されると共にその集合管１６に出口配管１７が接続される。

分配管１５には、後段側に延びる下部マニホールド１８がフィン付き伝熱管１１の配置間隔に合わせて接続され、その下部マニホールド１８にフィン付き伝熱管１１が、図では出口側にかけて４列接続され、そのフィン付き伝熱管１１の上部に上部マニホールド１９が接続され、これにより前段のフィン付き伝熱管群１１Ｆが構成される。

上部マニホールド１９は、接続管２０を介して後段のフィン付き伝熱管群１１Ｒの前段側のフィン付き伝熱管１１の上部に連結され、そのフィン付き伝熱管１１の下端がベンド管２１を介して次段のフィン付き伝熱管１１に接続され、その次段のフィン付き伝熱管１１の上部がベンド管２１を介してさらに次段のフィン付き伝熱管１１に接続され、以後同様に上下でベンド管２１にてフィン付き伝熱管１１が接続され、最終段のフィン付き伝熱管１１の下端が継ぎ手管２２を介して集合管１６に接続されて、後段のフィン付き伝熱管群１１Ｒが構成される。

なお、詳細は省くが各フィン付き伝熱管１１同士は、適宜その下部と中間と上部が連結部材で相互に一体に連結された構造体とされる。

貯蔵タンクからのＬＮＧは、入口配管１４から分配管１５を通し、下部マニホールド１８にて、フィン付き伝熱管群１１Ｆに供給される。すなわち、横方向に配列されたフィン付き伝熱管１１とその列のフィン付き伝熱管１１から縦方向の配列されたフィン付き伝熱管１１にＬＮＧが供給される。このフィン付き伝熱管群１１Ｆに供給されるＬＮＧにより周囲の空気が冷却されることで、外気がフィン付き伝熱管群１１Ｆのフィン付き伝熱管１１間を下向きに流れ（下降速度；１〜２ｍ／ｓ程度）、その間にＬＮＧと熱交換して、ＬＮＧを蒸発する。この際、各フィン付き伝熱管１１の下端から所定の高さまでがＬＮＧの気化領域となり、その気化領域で蒸発したＮＧが伝熱管１２の上方に流れ、そのＮＧが上昇する間に過熱される。

フィン付き伝熱管群１１Ｆの各フィン付き伝熱管１１で蒸発したＮＧは、上部マニホールド１９で集合され、接続配管２０より後段のフィン付き伝熱管群１１Ｒ中で、順次ベンド管２１で直列に接続された縦方向のフィン付き伝熱管１１を上下に蛇行しながら流れ、その間に大気温度近くまで過熱され、下部に配置した集合管１６に集められ、その集合管１６より出口配管１７を介して需要系に供給される。

本発明においては、この空温式気化器１０の各フィン付き伝熱管１１の間、特に前段のフィン付き伝熱管群１１Ｆの全部の各フィン付き伝熱管１１の間と後段のフィン付き伝熱管群１１Ｒの前段側の一部又は全部の各フィン付き伝熱管１１の間に、除霜装置３０の噴出空気供給管３１を設け、その噴出空気供給管３１から各フィン付き伝熱管１１に向けて除霜用空気を吹き付けることで、フィン付き伝熱管１１に付着した霜を除霜して伝熱性能を回復することにより、連続気化運転を可能とするものである。

以下に噴出空気供給管３１からなる除霜装置３０について説明する。

（１）本発明の除霜装置３０は、フィン付き伝熱管１１に付着した霜を、運転を停止することなく、風力により霜を吹き飛ばして機械的に除去するものである。

（２）空温式気化器１０での、加熱は空気の冷却による自然対流（下降流）による伝熱が主体となっているので、下降速度も比較的遅く、１〜２ｍ／ｓ程度である。風速と着霜密度の関係を、図４により説明する。

図５は、フィン付き伝熱管１１の伝熱面温度が−１１０℃（▲印）、−７５℃（■印）、−４０℃（●印）のときに、下降速度０．５ｍ／ｓ〜１．１ｍ／ｓのときの着霜密度の関係を実験で求めたものである。

この図４で、伝熱面温度が低ければ、着霜密度が小さく、また下降速度が遅くなると着霜密度も軽くなり、１〜２ｍ／ｓ程度の低速では着霜密度は、氷の密度の約１／５と非常に軽くなることがわかる。

通常フィン付き伝熱管１１は、長さが約５ｍあり、その高さ方向で伝熱面の温度が相違すると共に上部からの初期風速と下部の終期速度も相違する。そこで図６に、伝熱面としての着霜冷却面温度と着霜密度の関係を示した。

図６においては、●印は初期風速が０．６ｍ／ｓ、■印は終期速度が０．９ｍ／ｓである。

通常、ＬＮＧの主体的気化温度の領域は−１４５℃〜−４０℃であり、この温度領域では、図５より、伝熱面としての着霜冷却面温度に対する着霜密度変化は少ないことがわかる。

また、図７は、下降速度の風速とフィン付き伝熱管１１の霜の厚さ（４時間での霜の成長）の関係の一例を示したもので、風速２ｍ以下では霜の厚さが４ｍｍ以下となることがわかる。

以上より、下降速度１〜２ｍ／ｓ程度では、霜の成長が平均４ｍｍ以下と薄くまた、霜の密度も非常に軽いことがわかる。従って、フィン付き伝熱管１１への霜の付着力も弱いので、除霜装置３０にて約４ｍ／ｓ以上の着霜面への衝突風を当てると付着している霜が吹飛ばされると共に、その位置の下方に雪崩れが発生して下端まで霜が削り落とされ、霜の全て、或いは２ｍｍ程度の霜が残るだけとなる。

よって、噴射空気で伝熱管面の着霜を飛ばすことにより伝熱性能の回復を図ることが出来る。

（３）伝熱管上の着霜厚さが２ｍｍ迄は、着霜により総括伝熱係数は裸管より大きくなり、その後徐々に霜厚の増加に反比例して小さくなる。

図８はフィン付き伝熱管１１に付着した霜の厚さと総括伝熱係数［ｋＷ／ｍ²Ｋ］の関係を求めたものである。

この図８より、裸管より霜が付着した方が総括伝熱係数が高く、１ｍｍで総括伝熱係数が最大となり、２ｍｍで裸管と同じ総括伝熱係数となり、その後は漸次小さくなり、１０ｍｍ厚では、裸管の１／５となる。

ここで、着霜厚の増加速度は略時間に比例するので、従来実施されている４時間切換えの気化器と同じ空温式気化器を用いた場合は、２時間以内に、除霜装置３０で、一回空気を吹き付けて霜を除去することにより運転を停止することなく運転を続けることが出来ることがわかる。

（４）空温式気化器の設計の平均の総括熱伝達係数は、最終着霜厚で、約３．５ｋＷ／ｍ²Ｋである。これに相当する霜厚は、約１１ｍｍである。従って、（３）項のように除霜すれば設計総括伝熱係数以上となるので、（３）項に示したような時間間隔で除霜すれば気化器の連続運転が可能になる。

上記（１）〜（４）の知見に基づき、噴出空気供給管３１により、上下方向で２又は３段の空気吹出ノズルを設けて、そのノズルより、着霜面衝突風速４ｍ／ｓ以上、１５ｍ／ｓ以下の空気を、２時間に１回程度吹き付けることで、ノズル位置のフィン付き伝熱管１１に付着した霜を吹き飛ばし、その吹き飛ばされた霜が落下するにおいて、吹き付け部より下方に付着している霜も雪崩現象となって、容易に下端の霜まで削り落とすことが可能となる。

この本発明の除霜装置３０を図２、図３により説明する。

先ず、除霜装置３０は、開閉弁３４が接続された空気総供給管（２００Ａ）３５に、主空気供給管（１５０Ａ）３６が接続され、その主空気供給管３６がフィン付き伝熱管１１、特に前段のフィン付き伝熱管群１１Ｆの下部を横断するように設けられると共にフィン付き伝熱管１１の列の中間に延びるように空気供給ヘッダ３７が設けられ、その空気供給ヘッダ３７に噴射空気供給管３１が垂直に起立するように設けられて構成される。

この噴射空気供給管３１をさらに説明すると、先ず、図２（ａ）に示すように、フィン付き伝熱管１１が、縦横間隔１５０ｍｍにされて配置され、フィン外径が１３２ｍｍとすると、噴射空気供給管３１は、そのフィン付き伝熱管１１の配列の中央に垂直に配置され、その噴射空気供給管３１の外径は、伝熱管１２の外径と同じかやや径が大きく形成される。

図２（ｂ）は、噴射空気供給管３１の斜視図を示したもので、その噴射空気供給管３１の上端部に上下方向で３段、円周方向に４個の吹出ノズル３２と直径方向に２個の吹出ノズル３３が形成される。この吹出ノズル３２、３３は、噴射空気供給管３１に穿孔して形成するがノズル形状のものを取り付けるようにしてもよい。

フィン付き伝熱管１１の高さが４．５〜５ｍ場合、フィン付き伝熱管１１の下端から１段目の吹出ノズル３２、３３が１．５ｍに、２段目の吹出ノズル３２、３３が約３ｍ、３段目の吹出ノズル３２、３３が約４ｍの高さになるように配置される。

また、吹出ノズル３２、３３は、伝熱管１２に向かう伝熱管側吹出ノズル３２の孔径が３ｍｍで周方向に４箇所設けられると共に、フィン１３の間に吹き出されるフィン側吹出ノズル３３が孔径２ｍｍで、直径方向で対向するように２箇所設けられる。吹出ノズル３２、３３は、孔径が重ならないように上下に離して配置される。

このフィン側吹出ノズル３３は、フィン１３間で対向する噴射空気供給管３１の両方にノズル３３が位置すると吹出空気がフィン１３間で衝突するため、図２（ａ）に示すようにフィン１３間で隣接する噴射空気供給管３１のフィン側吹出ノズル３３は、互いに直交する方向に噴射するようにその向きを変えて配置し、吹出風が干渉しないようにすることで、フィン１３の先端に付着し厚くなる傾向にある霜を容易に吹き飛ばすことができる。

また、伝熱管側吹出ノズル３２は、伝熱管１２の縦横の配列方向に対して４５度傾斜したフィン１３に向くよう、さらに、図３（ｂ）に示すように斜め下方に、例えば約５度傾斜するように設けることで、伝熱管１２やフィン１３に付着した霜に当って吹き飛ばす際に、伝熱管１２やフィン１３に沿って雪崩を起きやすくする。さらにフィン側吹出ノズル３３は、図２（ｂ）に示したように、伝熱管側吹出ノズル３２の位置よりもやや高くなる位置に設けることで、伝熱管側吹出ノズル３２の吹出風に影響されずに吹き出すことができ、対向したフィン１３の先端に付着した霜を吹き飛ばし、その吹き飛ばされた霜と、伝熱管側吹出ノズル３２で吹き飛ばされた霜とがフィン１３の面で合流し、伝熱管１２とフィン１３の面で霜の雪崩現象を発生させ、これによりフィン付き伝熱管１１の全面に付着した霜を下方に向けて削り落とすことが可能となる。

伝熱管側吹出ノズル３２の伝熱管１２の衝突速度は、衝突時の空気速度が、４ｍ／ｓ以上、１５ｍ／ｓ以下になるように噴出の初速を決める。

ＬＮＧサテライト基地でのＬＮＧの主体的気化温度の領域は−１４５℃〜−８０℃である。この間の霜の密度の変化は図６に示したように初期と終期の速度差による霜の密度差は約２０％であり、空気を吹出ノズル３２，３３で高さ方向に複数段設けて噴射することで、雪崩現象を発生させて除霜が行える。

図４は、本発明の除霜運転を行う際の除霜運転システムを示す図である。

図４は、前段のフィン付き伝熱管群１１Ｆの縦方向のフィン付き伝熱管１１を示し、ＬＮＧが、払出管４０、制御弁４１を通し、入口配管１４から分配管１５を介して、下部マニホールド１８に供給され、下部マニホールド１８より各フィン付き伝熱管１１の下部より供給され、そこで降下する外気でＬＮＧが過熱されてＮＧとなり、そのＮＧが上部マニホールド１９、接続管２０を介して、後段のフィン付き伝熱管群１１Ｒのフィン付き伝熱管１１であるＮＧ過熱管に、供給される。

また、除霜用空気は、除霜装置３０で説明したように、開閉弁３４から空気総供給管３５、主空気供給管３６から空気供給ヘッダ３７に供給され、各空気供給ヘッダ３７から縦方向に配列された噴射空気供給管３１に供給され、その噴射空気供給管３１の吹出ノズル３２，３３から吹き出されるように構成されている。

ここで、後段のフィン付き伝熱管群１１Ｒのフィン付き伝熱管１１に流入するＮＧの温度が、接続管２０或いはその下流に接続したＮＧ温度調節計（ＴＩＲＣ）４２で検知され、そのＮＧ温度調節計４２で予め設定した温度（フィン付き伝熱管１１に着霜する霜の厚さが４ｍｍ程度となる温度で、−５０〜−４０℃の範囲内で設定されるＮＧ設定温度）以下に降下した時点で、開閉弁３４を短時間（約３秒、２〜４秒）開いて、各噴射空気供給管３１の吹出ノズル３２，３３から空気を吹き出して除霜運転を行うことで、適切な除霜運転を行うことができる。このＮＧ温度調節計４２は、横方向に整列した接続管２０のいずれか１つ、特に熱交換率の低くなる中央部に設けるのがよいが、幅方向で温度が相違する場合には、複数の接続管４２に設けるようにしてもよい。このＮＧ温度調節計４２を複数設けた場合には、いずれかのＮＧ温度調節計４２がＮＧ設定温度となった時に、開閉弁３４を開くようにする。

除霜運転が開始される際のフィン付き伝熱管１１に着霜する霜の厚さが４ｍｍ程度であり、３段の吹出ノズル３２，３３から空気を吹き出すことで、霜の雪崩現象を発生させて効果的に除霜を行うことが可能となる。

この雪崩よる除霜をさらに説明する。

先ず、表１は、気化器を模した実験装置で着霜除去に必要に吹出ガス（窒素ガス）の噴射量を着霜温度別に求めた結果を示したものである。

この実験装置は、直径１４ｍｍの円筒とし、その円筒を−４０〜−１５０℃の範囲で、冷却した状態で、霜を厚さ４ｍｍに成長させて、噴射ノズル径３ｍｍ、ノズル長２０ｍｍ、ノズルと円筒面距離を１００ｍｍとし、ノズルからの噴射ガスが円筒の中央に直角に当たるように噴射し、霜が除去できたときの、噴射ガス量、噴射速度Ｕｏ、噴射ガスの広がり平均速度Ｕｘを示したものである。

表１より、着霜表面温度が−４０℃ではより、噴射速度は大きいが、温度が低くなる程噴射速度は遅くて済むことがわかる。

ここで、ＬＮＧをフィン付き伝熱管１１の下部から入れる気化器の場合のＬＮＧの気化と着霜の過程は次のようになる。

最初は伝熱管１２の下部は急激に冷却されて伝熱管１２の表面温度は−７０℃以下となり、着霜は低い温度での凝固となるために比較的密度が軽く弱い結合のものとなる。このとき上部の伝熱管１２は伝熱面積が大きくなっているので、殆ど常温に近い温度になっている。時間の経過と共に下部の伝熱管１２の着霜厚が増加するためにＬＮＧへの入熱が減少するので伝熱管１２内の気化領域が上方に移行し温度が低下する。従って、上方の着霜の密度も軽くなり結合強度も弱くなる。

図５、図６から分るように霜の密度は、着霜面の温度が高いほど大きくなる。このために霜の結合力も高くなるので、除霜可能なの空気噴出速度も表１に示したように大きくなる。

前段フィン付き伝熱管群１１Ｆの伝熱管１２の出口付近は最終的には、気化ガスの温度が通常約−４０℃になる時点を、後段フィン付き伝熱管群１１Ｒへの切換時としている。この時の前段フィン付き伝熱管群１１Ｆの伝熱管１２の上部伝熱管１２の着霜表面温度は、内部がガスヘの伝熱のために伝熱性が蒸発領域よりも劣るので温度差が大きくなるので高くなる。その温度は−２０℃〜−３０℃と推定され得るので気化領域の着霜密度よりも重くなり、付着強度も高くなるが、着霜厚は薄い。

気化器１０は、通常伝熱管の下端から３／４〜２／３の高さまでが、逐次気化領域に移行して使用され、残りの上部管は気化ガスの過熱に使われている。このような伝熱管１２の特性から考えると気化能力は、伝熱管１２の下部の気化領域の伝熱性能を除霜すれば向上することが分る。

これにより気温が高い場合は、上部の加熱領域の着霜は、伝熱管１２の表面の付着霜が下流からの内部ガスの高温度で融解してその上の付着霜と共に脱落する。融解した水が管表面に沿って落下するとより低温の伝熱面に触れるので凍結して薄い氷膜として付着する。しかし、薄い氷は霜に比較して熱伝達が大きいので伝熱抵抗としては問題にならないと考えられる。又、この氷膜は伝熱管１２の気化領域の上昇により極度に低温になるために、付着伝熱面との温度膨張差で剥離崩落することが確認されているので、この面からも熱抵抗としては大きな問題とはならない。

気化領域の内部ＬＮＧの温度は−７０℃以下の低温なので着霜の結合力は小さく、噴出空気で吹飛ばし易く崩落（雪崩）を起し易い。

従って、伝熱管１２のこの温度に相当する高さの位置の着霜に雪崩を発生させれば、気化器の能力が殆ど回復するものと考えられる。

以上の考えから、例えば長さが５ｍの伝熱管１２の場合、噴出空気の衝突高さは約３〜３．５ｍとし、更に除霜を確実にするために、その位置から上方に約１ｍの位置と、下方に１．５ｍの位置に衝突するように吹出ノズル３２，３３を設けることで、雪崩現象を確実にすることができる。

気化領域の着霜は、遅い衝突風速（約４．１ｍ／ｓ）で除霜が可能であるが、本発明では加熱領域（−４０℃）の着霜でも除去可能な衝突風速（約６．２ｍ／ｓ）とする。但し、これに限定するものではない。

この噴出空気の速度は、着霜面と噴出点の距離から噴出空気の着霜面への衝突速度が、除霜の可能な表１に示してある速度以上になるように噴出速度を決める。

気化器の運転中は伝熱管で囲まれた空間を空気が下降しているので、崩落した霜が空気に同伴されて落下し易い状態にある。

このように本発明においては、噴射空気供給管３１の吹出ノズル３２，３３よりフィン付き伝熱管１１の高さ方向に複数段吹き付けること、特にＬＮＧの気化領域の近傍で空気を吹き付けることで、霜の雪崩を発生させることで、フィン付き伝熱管１１に付着した霜をほぼ全て除去することができ、気化器を連続運転することが可能となる。

サテライト基地で、ＮＧの需要が１０トン／ｈであるとすると空温式気化器１０は、従来１５台設置し、１０台で気化運転し、残りの５台を切り換え用とするが、本発明では、連続運転可能なため、１台のみ非常用とし設置し、空温式気化器１０を１１台とすることができる。また５トン／ｈでは、従来８台設置し、５台を気化運転し、残りの３台を切り換え用としているが、本発明では非常用の１台を含めて６台の気化器１０ですみ、設備費を大幅に低くすることができる。また運転中の除霜は、僅かな空気で除霜できるため、従来のような散水装置も不要で、その設備もまた除霜のランニングコストも下げることができる。

１０ 空温式気化器
１１ フィン付き伝熱管
１２ 伝熱管
１３ フィン
３０ 除霜装置
３１ 噴出空気供給管
３２，３３ 吹出ノズル

Claims (5)

1. フィン付き伝熱管を縦横に垂直に立設し、その各フィン付き伝熱管の下部から上方に低温液化ガスを流すと共にフィン付き伝熱管の外側に上部から下部に外気を降下させて低温液化ガスを蒸発させて気化運転する空温式気化器の運転方法において、縦横に隣接する４本のフィン付き伝熱管の中央に、フィン付き伝熱管の下部から上部に延びる噴出空気供給管を立設し、その噴出空気供給管の外周に吹出ノズルを上下方向に複数段設け、フィン付き伝熱管に付着した霜が所定厚さになったときに上記吹出ノズルから着霜面の衝突速度が４ｍ／ｓ以上になるように空気を噴射し、その吹出ノズルで噴射された空気で着霜した霜を吹き飛ばすと共にその吹き飛ばされた霜で、フィン付き伝熱管に付着した霜に雪崩を発生させて除霜しながら連続気化運転を行うことを特徴とする空温式気化器の運転方法。
2. フィン付き伝熱管に付着した霜による伝熱劣化を、ＮＧの温度で検出し、そのＮＧの温度が設定温度（−４０〜−５０℃）以下に降下したときに吹出ノズルから空気を吹き出す請求項１記載の空温式気化器の運転方法。
3. 低温液化ガスがＬＮＧであり、フィン付き伝熱管の長さが４〜５ｍであり、噴出空気供給管の外周の吹出ノズルが数ｍ間隔で２或いは３段形成される請求項１又は２記載の空温式気化器の運転方法。
4. 内径２０〜２５ｍｍの伝熱管の外周に、幅４０〜８０ｍｍのフィンプレートを４５度の角度で８枚設けてフィン付き伝熱管を構成し、そのフィン付き伝熱管を１５０〜２００ｍｍ間隔で縦横に複数本立設し、縦横に隣接するフィン付き伝熱管の中心に内径２０〜２５ｍｍの噴出空気供給管を立設すると共に、噴出空気供給管の下端から１．５ｍ、３ｍ、４ｍの位置に吹出ノズルを形成した請求項３記載の空温式気化器の運転方法。
5. 吹出ノズルは、隣接する４本のフィン付き伝熱管に向けて下向きに空気を噴射する伝熱管用吹出ノズルと、横又は縦方向で隣接するフィン付き伝熱管のフィン間に向けて空気が当たるように噴射するフィン用吹出ノズルからなる請求項４記載の空温式気化器の運転方法。

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