JP2012132574A

JP2012132574A - 低温液体の気化装置

Info

Publication number: JP2012132574A
Application number: JP2010282519A
Authority: JP
Inventors: Yuji Tanaka; 祐治田中
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-07-12

Abstract

【課題】着氷を抑えながら、装置全体の気化効率を上げることができるようにする。
【解決手段】内伝熱管２４の内部に第１のツイストバー２５を設けるとともに、外伝熱管２２の単管部２２ｂの内部に第２のツイストバー２６を設ける。第２のツイストバー２６のねじりピッチは、第１のツイストバー２５のねじりピッチよりも小さくされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、液化天然ガスや液体窒素等の低温液体を気化させる低温液体の気化装置に関する。

液化天然ガス（ＬＮＧ）や液体窒素等の低温液体を気化させる低温液体の気化装置として、オープンラック式気化装置が広く知られている。この装置は、内部に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海水等の加温媒体を流すことにより、下部ヘッダ内の低温液体を各伝熱管内で加温媒体の熱により蒸発させ、これにより得られた気体を上部ヘッダを通じて回収するものである。

オープンラック式の気化装置の場合、伝熱管における低温液体の供給側の端部において伝熱管が非常に低温になり、着氷が発生する。この着氷により、加温媒体と伝熱管表面との熱交換が阻害されるので、伝熱管が非常に低温（低温液体とほぼ同じ温度）になる。この結果、各伝熱管の着氷状態の違いによって、伝熱管に熱応力が発生し、破損の原因となる。そのため、着氷をできるだけ抑えることが望ましい。

そこで、特許文献１には、入口側ヘッダと出口側ヘッダとを連通させる外伝熱管における低温液体の供給側の端部の内部に内伝熱管を設け、両伝熱管の間に入口側ヘッダと連通する環状流路を形成した低温液体の気化装置が開示されている。ここで、便宜上、外伝熱管の内部に内伝熱管が存在する部分を二重管部、外伝熱管の内部に内伝熱管が存在しない部分を単管部という。外伝熱管における低温液体の供給側である二重管部では、内伝熱管の内部と環状流路とに低温液体が分岐して入り、単管部にて両者が合流する状態となる。こうした構造の場合、外伝熱管の外部からの熱はまず環状流路内の低温液体に伝わり、その後、内伝熱管内の低温液体に伝わる。その結果、二重管部では、低温液体と外伝熱管との伝熱が抑制され、外伝熱管のみの場合に比べて、低温液体による外伝熱管の著しい温度低下が防止されるので、外伝熱管の表面の温度が高く保たれる。これによって、外伝熱管における低温液体の供給側の端部への着氷を抑えることができる。

特開平８−２９０７５号公報

しかしながら、特許文献１の低温液体の気化装置では、外伝熱管への着氷を抑えることができても、外伝熱管全体の伝熱量は向上しない。着氷を抑えながら伝熱量を上げるためには、外伝熱管の単管部の内部や内伝熱管の内部にツイストバーを挿入することが考えられる。ツイストバーとは、棒状の部材に平板を螺旋状に巻き付けたものや、管の長さ方向に細長い平板をねじって螺旋状にしたものである。しかし、この場合でも、二重管部では、外伝熱管の温度が著しく低下しないように伝熱量を抑えて、外伝熱管における低温液体の供給側の端部に着氷が生じないようにしているので、着氷が生じない最大の伝熱量までしか伝熱量を上げることができない。

本発明の目的は、着氷を抑えながら、装置全体の気化効率を上げることが可能な低温液体の気化装置を提供することである。

本発明における低温液体の気化装置は、低温液体が導入される入口側ヘッダと、前記低温液体が気化した気体が導入される出口側ヘッダと、前記入口側ヘッダと前記出口側ヘッダとの間に設けられて、前記入口側ヘッダと前記出口側ヘッダとを連通させており、表面に加温媒体が流されることで、前記入口側ヘッダ側から前記出口側ヘッダ側に向かって流れる前記低温液体が気化される複数の外伝熱管と、前記外伝熱管における前記入口側ヘッダ側の端部と前記出口側ヘッダ側の端部との間の所定箇所から、前記入口側ヘッダ側の端部までの領域において、前記外伝熱管の内部に設けられ、前記入口側ヘッダから前記低温液体が導入される内伝熱管と、前記内伝熱管の外面と前記外伝熱管の内面との間に形成され、前記入口側ヘッダから前記低温液体が導入される環状流路と、前記内伝熱管の内部に設けられ、前記気体の流れを撹乱させる第１のツイストバーと、前記所定箇所から前記出口側ヘッダ側の端部までの領域において、前記外伝熱管の内部に設けられ、前記気体の流れを撹乱させる第２のツイストバーと、を有し、前記第２のツイストバーのねじりピッチが、前記第１のツイストバーのねじりピッチよりも小さいことを特徴とする。

上記の構成によれば、外伝熱管の内部に内伝熱管が存在する二重管部では、加温媒体からの熱はまず環状流路内の低温液体に伝わり、その後、内伝熱管内の低温液体に伝わる。その結果、二重管部では、低温液体と外伝熱管との伝熱が抑制され、外伝熱管のみの場合に比べて、低温液体による外伝熱管の著しい温度低下が防止されるので、外伝熱管の表面の温度が高く保たれる。よって、低温液体の供給側である外伝熱管の入口側ヘッダ側の端部への着氷を抑えることができる。

このように、二重管部では、外伝熱管の温度が著しく低下しないように伝熱量を抑えて、外伝熱管の入口側ヘッダ側の端部に着氷が生じないようにしているので、着氷が生じない最大の伝熱量までしか伝熱量を上げることができない。これに対して、外伝熱管の内部に内伝熱管が存在しない単管部に着目すると、内伝熱管の出口側ヘッダ側の端部における外伝熱管の表面温度は、着氷温度以上となっており、内伝熱管の出口側ヘッダ側の端部において、低温液体はほとんど気化している。

そこで、内伝熱管の内部に第１のツイストバーを設けるとともに、外伝熱管の単管部の内部に第２のツイストバーを設ける。伝熱管内にツイストバーを挿入すると、挿入しない場合に比べて気体の流れが撹乱されるので、伝熱性能が向上する。

さらに、単管部の内部に設けられた第２のツイストバーのねじりピッチを、内伝熱管の内部に設けられた第１のツイストバーのねじりピッチよりも小さくする。ねじりピッチとは、ツイストバーの螺旋が一回転するまでの管長さ方向の距離を指し、ピッチが短いほどねじりがきつい状態である。そして、ツイストバーのねじりピッチが小さい方が、ツイストバーによる気流の撹乱効果が大きい。

第２のツイストバーが単管部内の気体の流れを撹乱し、その撹乱効果は、内伝熱管の内部に設けられた第１のツイストバーよりも大きいので、単管部の伝熱量が上がる。これにより、二重管部に伝熱量の限界があっても、外伝熱管全体の気化効率を上昇させることができる。よって、着氷を抑えながら、装置全体の気化効率を上げることができる。

本発明の低温液体の気化装置によると、外伝熱管の内部に内伝熱管が存在する二重管部では、外伝熱管の表面の温度が高く保たれる。よって、低温液体の供給側である外伝熱管の入口側ヘッダ側の端部への着氷を抑えることができる。また、内伝熱管の内部に第１のツイストバーを設けるとともに、外伝熱管の単管部の内部に第２のツイストバーを設け、第２のツイストバーのねじりピッチを、第１のツイストバーのねじりピッチよりも小さくする。これにより、単管部の伝熱量が上がるので、二重管部に伝熱量の限界があっても、外伝熱管全体の気化効率を上昇させることができる。よって、着氷を抑えながら、装置全体の気化効率を上げることができる。

オープンラック式ＬＮＧ気化装置を示す概略斜視図である。オープンラック式ＬＮＧ気化装置の要部を示す断面図である。第２のツイストバーのねじりピッチとＬＮＧ出口温度との関係を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態では、低温液体の気化装置として、液化天然ガス（以下、ＬＮＧと称する。）を気化するオープンラック式ＬＮＧ気化装置を示すが、本発明は、液体窒素をはじめとする種々の低温液体を気化する気化装置に好適に使用することができるものである。

（オープンラック式ＬＮＧ気化装置の構成）
本実施形態によるオープンラック式ＬＮＧ気化装置１は、図１に示すように、水平な一方向に延びる複数本の下部ヘッダ（入口側ヘッダ）１０を有している。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。各下部ヘッダ１０の上方には、これらと平行に上部ヘッダ（出口側ヘッダ）１６が配置されている。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に集結されている。下部ヘッダ１０と上部ヘッダ１６との間には、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の要部断面図である図２に示すように、下部ヘッダ１０と上部ヘッダ１６とは、外伝熱管２２によって連通されている。各外伝熱管２２の外周面（表面）には、矢印で示すように、上から下に加温媒体である海水３０が流される。下部ヘッダ１０に導入されたＬＮＧは、外伝熱管２２の内部を下部ヘッダ１０側から上部ヘッダ１６側に向かって流れる最中に、海水３０の熱により気化してＮＧ（天然ガス）となり、上部ヘッダ１６に導入される。各外伝熱管２２の外周面には、海水３０とＬＮＧとの熱交換を促進するフィン（図示せず）が適宜形成されており、このフィンによって、伝熱性能が高められている。なお、加温媒体は海水３０に限定されず、河川水等であってもよい。

外伝熱管２２における下部ヘッダ１０側の端部と上部ヘッダ１６側の端部との間の所定箇所Ａから、下部ヘッダ１０側の端部までの領域において、外伝熱管２２の内部には、外伝熱管２２よりも小径で、下部ヘッダ１０に連通する内伝熱管２４が設けられている。内伝熱管２４の外周面には、複数個のリブ（図示せず）が周方向に並設されており、これらリブの先端面が外伝熱管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。これらリブによって、内伝熱管２４の外面と外伝熱管２２の内面との間には、下部ヘッダ１０に連通する環状流路２３が形成されている。内伝熱管２４の内部、および、環状流路２３には、下部ヘッダ１０からＬＮＧがそれぞれ導入される。

ここで、外伝熱管２２において、内部に内伝熱管２４が存在する部分（外伝熱管２２における所定箇所Ａから下部ヘッダ１０側の端部までの領域の部分）を二重管部２２ａ、内部に内伝熱管２４が存在しない部分（外伝熱管２２における所定箇所Ａから上部ヘッダ１６側の端部までの領域の部分）を単管部２２ｂという。

内伝熱管２４の長さ、および、環状流路２３の流路面積は、下部ヘッダ１０から内伝熱管２４の内部及び環状流路２３にそれぞれ導入されたＬＮＧが内伝熱管２４の上端近傍でほとんど気化し終わるように設定されている。

また、内伝熱管２４の内部には、第１のツイストバー２５が挿入・固定されているとともに、外伝熱管２２の単管部２２ｂの内部には、第２のツイストバー２６が挿入・固定されている。第１のツイストバー２５は、その上端部及び下端部が内伝熱管２４の内壁に溶接により固定されている。同様に、第２のツイストバー２６は、その上端部及び下端部が外伝熱管２２の内壁に溶接により固定されている。なお、これらツイストバー２５，２６の固定方法は溶接に限定されず、かしめ等であってもよい。これらツイストバー２５，２６は、棒状の部材に平板を螺旋状に巻き付けたものや、管の長さ方向に細長い平板をねじって螺旋状にしたものであって、気体の流れを螺旋状に撹乱させて、熱交換が行われる距離を長くすることで、伝熱性能を向上させるものである。

さらに、第２のツイストバー２６のねじりピッチは、第１のツイストバー２５のねじりピッチよりも小さくされている。ねじりピッチとは、ツイストバーの螺旋が一回転するまでの管長さ方向の距離を指し、ピッチが短いほどねじりがきつい状態である。そして、ツイストバーのねじりピッチが小さくなるほど、ツイストバーによる気流の撹乱効果が大きくなる。つまり、第２のツイストバー２６の方が、第１のツイストバー２５よりも気流を撹乱させる効果が大きい。

（オープンラック式ＬＮＧ気化装置の動作）
次に、オープンラック式ＬＮＧ気化装置１の動作を説明する。図２に示すように、下部ヘッダ１０内に供給されたＬＮＧは、内伝熱管２４の内部に流入するとともに、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に流入する。

二重管部２２ａでは、海水３０からの熱はまず環状流路２３内のＬＮＧに伝わり、その後、内伝熱管２４内のＬＮＧに伝わる。環状流路２３に流入したＬＮＧは、環状流路２３の内部を通過中に、外伝熱管２２から環状流路２３に伝わった熱により加熱され、蒸発してＮＧとなる。

ここで、環状流路２３の下部（すなわちＬＮＧ入口部）では、基本的にＬＮＧのみが存在しているが、外伝熱管２２の壁面近くでは、海水３０により温められた外伝熱管２２から熱を受けて、ＬＮＧが局所的に沸騰（いわゆるサブクール沸騰）し、気泡が生じる。これにより、外伝熱管２２の内周に気相、内伝熱管２４の外周に液相がそれぞれ存在する二相状態の流れが生じる。また、環状流路２３の上部では、外伝熱管２２の壁面近くでＬＮＧの本格的な沸騰が生じ、気相と液相とが混在する。

一方、内伝熱管２４の内部に流入したＬＮＧは、内伝熱管２４の内部を通過中に、環状流路２３を介して外伝熱管２２から内伝熱管２４に伝わった熱により加熱され、蒸発してＮＧとなる。このとき、内伝熱管２４内に設けられた第１のツイストバー２５によって、ＮＧの流れが螺旋状に撹乱され、熱交換が行われる距離が長くなるので、内伝熱管２４の伝熱性能が向上する。

このように、二重管部２２ａでは、海水３０からの熱はまず環状流路２３内のＬＮＧに伝わり、その後、内伝熱管２４内のＬＮＧに伝わる。その結果、二重管部２２ａでは、ＬＮＧと外伝熱管２２との伝熱が抑制され、外伝熱管２２のみの場合に比べて、ＬＮＧによる外伝熱管２２の著しい温度低下が防止されるので、外伝熱管２２の表面の温度が高く保たれる。よって、ＬＮＧの供給側である外伝熱管２２の下部ヘッダ１０側の端部への着氷を抑えることができる。

次に、内伝熱管２４内および環状流路２３内から流出したＮＧは、合流して外伝熱管２２の単管部２２ｂの内部を流れる。上述したように、内伝熱管２４の長さ、および、環状流路２３の流路面積は、下部ヘッダ１０から内伝熱管２４の内部及び環状流路２３にそれぞれ供給されたＬＮＧが内伝熱管２４の上端近傍でほとんど気化し終わるように設定されている。よって、二重管部２２ａに導入されたＬＮＧは、内伝熱管２４の内部および環状流路２３を通過した段階でほとんどＮＧとなっている。

単管部２２ｂの内部を流れるＮＧは、単管部２２ｂの内部を通過中に、海水３０から外伝熱管２２に伝わった熱により更に加熱される。このとき、単管部２２ｂ内に設けられた第２のツイストバー２６によって、ＮＧの流れが螺旋状に撹乱され、熱交換が行われる距離が長くなるので、単管部２２ｂの伝熱性能が向上する。

ここで、上述したように、二重管部２２ａでは、ＬＮＧによる外伝熱管２２の著しい温度低下が防止されている。これにより、外伝熱管２２の表面の温度が高く保たれ、ＬＮＧの供給側である外伝熱管２２の下部ヘッダ１０側の端部への着氷が抑えられている。つまり、二重管部２２ａでは、外伝熱管２２の温度が著しく低下しないように伝熱量を抑えて、外伝熱管２２の下部に着氷が生じないようにしているので、着氷が生じない最大の伝熱量までしか伝熱量を上げることができない。

これに対して、単管部２２ｂに着目すると、内伝熱管２４の上部ヘッダ１６側の端部（所定箇所Ａ）における外伝熱管２２の表面温度は、着氷温度以上となっており、内伝熱管２４の上部ヘッダ１６側の端部（所定箇所Ａ）において、ＬＮＧはほとんど気化している。

そこで、単管部２２ｂの内部に設けられた第２のツイストバー２６のねじりピッチを、内伝熱管２４の内部に設けられた第１のツイストバー２５のねじりピッチよりも小さくしている。第２のツイストバー２６が単管部２２ｂ内の気体の流れを撹乱し、その撹乱効果は、内伝熱管２４の内部に設けられた第１のツイストバー２５よりも大きいので、単管部２２ｂの伝熱量が上がる。これにより、二重管部２２ａに伝熱量の限界があっても、外伝熱管２２全体の気化効率を上昇させることができる。よって、着氷を抑えながら、装置全体の気化効率を上げることができる。

（シミュレーション）
次に、単管部２２ｂの内部に設けられた第２のツイストバー２６のねじりピッチを変化させたときのＬＮＧ出口温度（上部ヘッダ１６に導入されるＮＧの温度）を数値計算した結果を図３に示す。計算条件として、外伝熱管２２の全長を５．５ｍ、二重管部２２ａの全長を外伝熱管２２の半分、内伝熱管２４の内部に設けられた第１のツイストバー２５のねじりピッチを３０ｍｍ、外伝熱管２２内を流れるＬＮＧの流量を６．６ｔｏｎ／ｈｒとした。第２のツイストバー２６のねじりピッチを小さくするほど、ＬＮＧ出口温度が上昇する、つまり気化効率が向上することが分かる。

なお、図３に示すように、第２のツイストバー２６のねじりピッチを小さくするほど、ＬＮＧ出口圧力（上部ヘッダ１６に導入されるＮＧの圧力）が低下する、つまり圧力損失が増加する。そこで、必要なＬＮＧ出口圧力を得ることが可能なねじりピッチを、第２のツイストバー２６のねじりピッチとして選択することが好ましい。

（本実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

例えば、上部ヘッダ１６を入口側、下部ヘッダ１０を出口側とし、ＬＮＧ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本発明を適用することが可能である。また、両ヘッダ１０，１６を同一水平面上に配して、これらを水平方向の外伝熱管２２で接続するようにしてもよい。

１オープンラック式ＬＮＧ気化装置（低温液体の気化装置）
１０下部ヘッダ（入口側ヘッダ）
１６上部ヘッダ（出口側ヘッダ）
２２外伝熱管
２２ａ二重管部
２２ｂ単管部
２３環状流路
２４内伝熱管
２５第１のツイストバー
２６第２のツイストバー
３０海水（加温媒体）

Claims

低温液体が導入される入口側ヘッダと、
前記低温液体が気化した気体が導入される出口側ヘッダと、
前記入口側ヘッダと前記出口側ヘッダとの間に設けられて、前記入口側ヘッダと前記出口側ヘッダとを連通させており、表面に加温媒体が流されることで、前記入口側ヘッダ側から前記出口側ヘッダ側に向かって流れる前記低温液体が気化される複数の外伝熱管と、
前記外伝熱管における前記入口側ヘッダ側の端部と前記出口側ヘッダ側の端部との間の所定箇所から、前記入口側ヘッダ側の端部までの領域において、前記外伝熱管の内部に設けられ、前記入口側ヘッダから前記低温液体が導入される内伝熱管と、
前記内伝熱管の外面と前記外伝熱管の内面との間に形成され、前記入口側ヘッダから前記低温液体が導入される環状流路と、
前記内伝熱管の内部に設けられ、前記気体の流れを撹乱させる第１のツイストバーと、
前記所定箇所から前記出口側ヘッダ側の端部までの領域において、前記外伝熱管の内部に設けられ、前記気体の流れを撹乱させる第２のツイストバーと、
を有し、
前記第２のツイストバーのねじりピッチが、前記第１のツイストバーのねじりピッチよりも小さいことを特徴とする低温液体の気化装置。