JP2016125776A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器に流入する気流を加熱するために必要な動力を低減可能でかつ温水用配管を省略可能な熱交換装置を提供すること。
【解決手段】熱交換装置であって、上下方向に流れる気流を形成する送風機（２０）と、大気よりも低温の低温媒体と前記気流とを熱交換させることによって前記低温媒体を加熱する熱交換器（３０）と、熱交換器（３０）よりも前記気流の上流側に配置され、熱交換器（３０）に向かって流れる気流を加熱する予熱部（４０）と、を備え、予熱部（４０）は、当該予熱部（４０）に照射される太陽光の輻射熱により前記気流を加熱可能な形状を有すること。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換装置に関するものである。

従来、液化天然ガス（ＬＮＧ）等の低温液化ガスを大気で加熱することによって気化させる空温式の気化装置が知られている。例えば、特許文献１には、空温式気化器と、吸引ファン装置と、空気加温器と、温水循環ポンプと、空気加温器と温水循環ポンプとを接続する温水用配管と、を備える低温液化ガス気化装置が開示されている。空温式気化器は、低温液化ガスと空気とを熱交換させることによって低温液化ガスを気化させる熱交換器を有する。吸引ファン装置は、熱交換器を通過するとともに当該熱交換器において低温液化ガスを加熱する気流を形成する。空気加温器は、前記気流中における空温式気化器の上流側に配置されており、温水により空温式気化器の熱交換器に流入する空気を加熱する。温水循環ポンプは、空気加温器から流出した後に加熱された温水を温水用配管を通じて再度空気加温器に送る。

特開２０１０−２０３５２０号公報

上記特許文献１に記載されるような低温液化ガス気化装置では、空温式気化器の熱交換器に流入する気流を加熱するために動力（温水循環ポンプの動力）及び温水用配管が必要となる。この課題は、熱交換器において低温液化ガスを直接大気で加熱することにより気化させる装置に特有のものではない。例えば、この課題は、プロパン等の中間媒体により低温液化ガスを気化させる装置のうち、中間媒体を大気で加熱する熱交換装置においても同様に生じ得る。

本発明の目的は、熱交換器に流入する気流を加熱するために必要な動力を低減可能でかつ温水用配管を省略可能な熱交換装置を提供することである。

前記課題を解決する手段として、本発明は、上下方向に流れる気流を形成する送風機と、大気よりも低温の低温媒体と前記気流とを熱交換させることによって前記低温媒体を加熱する熱交換器と、前記熱交換器よりも前記気流の上流側に配置され、前記熱交換器に向かって流れる気流を加熱する予熱部と、を備え、前記予熱部は、当該予熱部に照射される太陽光の輻射熱により前記気流を加熱可能な形状を有する、熱交換装置を提供する。

本発明では、熱交換器よりも前記気流の上流側に予熱部が配置されているので、熱交換器において低温媒体を加熱する加熱媒体である気流は、熱交換器に流入する前に予熱部で当該予熱部に照射された太陽光の輻射熱により加熱される。よって、従来のように、熱交換器に流入する気流を加熱するための動力（ポンプの駆動力）や温水用配管を必要とすることなく当該気流を加熱することが可能となる。さらに、予熱部を設けることにより当該熱交換装置の下流側の端部から上流側の端部までの距離が長くなるので、当該熱交換装置から流出した相対的に低温の大気が再び当該熱交換装置の上流側から流入すること（いわゆるショートサーキット）が抑制される。

この場合において、前記予熱部は、円筒状に形成されており、前記予熱部の長さを当該予熱部の直径で除した値で表される予熱部形状指標が、０よりも大きくかつ１．５２以下の範囲内に設定されてもよい。

このようにすれば、当該熱交換装置が緯度３０度以下の地域で用いられたときに、予熱部が長くなることに起因するコストの増大を抑えつつ送風機動力低減割合を増大させることができる。送風機動力低減割合とは、予熱部を有しない場合に熱交換器で所定の交換熱量を得るために必要な送風機の動力に対する、予熱部を有する場合に熱交換器で前記所定の交換熱量を得るために必要な送風機の動力の低減量の割合を意味する。

具体的に、予熱部形状指標（予熱部の長さ）が大きくなるにしたがって予熱部内での気流の加熱量が大きくなるので、予熱部形状指標が大きくなるにしたがって熱交換器で所定の交換熱量を得るために必要な気流の流量は低減する。つまり、前記気流の加熱量の増加は、送風機の動力の低減につながる。換言すれば、予熱部形状指標の増加は、送風機動力低減割合を増加させる要因を有する。一方、予熱部が長くなるにしたがって当該予熱部で生じる圧力損失が大きくなり、また、予熱部に対して太陽光が照射されない部位（影になる部位）が大きくなるので、送風機の動力は増大する。つまり、予熱部形状指標の増加は、送風機動力低減割合を減少させる要因をも有する。少なくともこれらの要因の影響により、送風機動力低減割合は、予熱部形状指標が０から大きくなるにしたがって次第に増加して最大となった後に減少する挙動を示す。具体的に、緯度が３０度の地域では、予熱部形状指標が１．５２のときに送風機動力低減割合は最大となる。また、送風機動力低減割合が前記最大となるまでの領域については、緯度が高くなるほど予熱部形状指標の増分に対する送風機動力低減割合の増分が大きくなる。一方、当然に、予熱部が長くなるほど当該予熱部の製造コストは大きくなる。よって、予熱部形状指標が０よりも大きくかつ１．５２以下に設定されることにより、当該熱交換装置が緯度３０度以下の地域で用いられたときに、予熱部の製造コストの著しい増大を抑えつつ送風機動力低減割合を大きくすることができる。

また、本発明において、前記予熱部は、円筒状に形成されており、前記予熱部の長さを当該予熱部の直径で除した値で表される予熱部形状指標が、０．２４以上かつ１．９５以下の範囲内に設定されてもよい。

このようにすれば、当該熱交換装置が緯度１０度以上の地域で使用された場合に、交換熱量増加割合を送風機動力増加割合で除した値で表される加熱性能指標が１．０以上になる。交換熱量増加割合とは、予熱部を有しない場合における熱交換器での交換熱量に対する、予熱部を有する場合における熱交換器での交換熱量の増加量の割合を意味する。送風機動力増加割合とは、予熱部を有しない場合に所定の風量を得るために必要な送風機の動力に対する、予熱部を有する場合に前記所定の風量を得るために必要な送風機の動力の増加量の割合を意味する。つまり、前記加熱性能指標が１．０以上であることは、予熱部を設けることによる送風機の動力の増加割合よりも、予熱部を設けることによる熱交換器での交換熱量の増加割合の方が多くなることを意味する。よって、予熱部形状指標を０．２４以上かつ１．９５以下の範囲内に設定することにより、予熱部を有しない場合における熱交換器での交換熱量と同じ交換熱量を得るために必要な気流の風量が低減するので、送風機の動力が低減される。

また、本発明において、前記予熱部に対して太陽光を反射させる反射部材をさらに備え、前記反射部材は、前記予熱部の外側に配置されており、当該反射部材に照射された太陽光を前記予熱部の外表面に対して反射させる形状を有することが好ましい。

このようにすれば、予熱部内の気流の通過を制限することなく当該予熱部内を通過する気流をさらに加熱することができる。具体的に、反射部材が予熱部の外側に配置されているため、当該予熱部内を通過する気流の抵抗とならず、しかも、予熱部に直接照射される太陽光のみならず、反射部材に照射された太陽光の反射光が予熱部の外表面に有効に照射されるので、予熱部内における気流の加熱量が増大する。

この場合において、前記予熱部は、円筒状に形成されており、前記反射部材は、平板状の第１反射板と、平板状の第２反射板と、を有し、前記第１反射板及び前記第２反射板は、前記予熱部を水平方向の両側から互いに挟む位置において、前記予熱部の外表面の下端部に、前記予熱部が設置される緯度に４５度を加えた角度だけ鉛直方向に対して傾斜する姿勢で接続されており、前記第１反射板及び前記第２反射板は、当該第１反射板及び当該第２反射板が前記予熱部の外表面に接続された状態において、水平方向について前記予熱部の外表面の全域と重なる形状を有し、前記予熱部の長さを当該予熱部の直径で除した値で表される予熱部形状指標が、０．１０以上かつ４．９０以下の範囲内に設定されてもよい。

このようにすれば、各反射板に照射された太陽光の反射光が予熱部の外表面の全域に照射されるので、当該熱交換装置が赤道上を含む緯度１０度以下の地域（緯度１０度以上の地域に比べて予熱部への太陽光の照射量が少なくなる地域）で使用される場合であっても、交換熱量増加割合を送風機動力増加割合で除した値で表される加熱性能指標が１．０以上になる。

あるいは、前記予熱部は、円筒状に形成されており、前記反射部材は、中空かつ円錐台状に形成されており、前記反射部材は、前記予熱部の外表面の下端部に接続される接続部と、前記接続部から前記予熱部が設置される緯度に４５度を加えた角度だけ鉛直方向に対して傾斜する方向に沿って上方に延びるとともに水平方向について前記予熱部の外表面の全域と重なる形状を有する反射部と、を有し、前記予熱部の長さを当該予熱部の直径で除した値で表される予熱部形状指標が、０．１０以上かつ４．９０以下の範囲内に設定されてもよい。

このようにしても、反射部材に照射された太陽光の反射光が予熱部の外表面の全域に照射されるので、当該熱交換装置が赤道上を含む緯度１０度以下の地域で使用される場合であっても、交換熱量増加割合を送風機動力増加割合で除した値で表される加熱性能指標が１．０以上になる。

また、本発明において、前記予熱部の外表面及び内表面の放射率は、０．８〜１．０に設定されていることが好ましい。

このようにすれば、本装置が他の緯度に比べて予熱部の昇温効果が低くなる赤道上で用いられる場合であっても、予熱部の昇温効果が得られる。

以上のように、本発明によれば、熱交換器に流入する気流を加熱するために必要な動力を低減可能でかつ温水用配管を省略可能な熱交換装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の低温液化ガス気化装置の構成の概略を示す図である。 熱交換装置の変形例を示す図である。 図２の平面図である。 予熱部の放射率と予熱部の昇温効果との関係を示す図である。 熱交換装置の予熱部と太陽光との関係を示す図である。 太陽光の入射角と形態係数との関係を示す図である。 予熱部形状指標Ｌ／Ｄと送風機動力低減割合との関係を示す図である。 予熱部形状指標Ｌ／Ｄと加熱性能指標αとの関係を示す図である。 図８の部分拡大図である。 緯度３０度における予熱部形状指標Ｌ／Ｄと加熱性能指標αとの関係を示す図である。 緯度２０度における予熱部形状指標Ｌ／Ｄと加熱性能指標αとの関係を示す図である。 緯度１０度で反射板を有しない場合における予熱部形状指標Ｌ／Ｄと加熱性能指標αとの関係を示す図である。 緯度１０度で反射板を有する場合における予熱部形状指標Ｌ／Ｄと加熱性能指標αとの関係を示す図である。 赤道で反射板を有しない場合における予熱部形状指標Ｌ／Ｄと加熱性能指標αとの関係を示す図である。 赤道で反射板を有するにおける予熱部形状指標Ｌ／Ｄと加熱性能指標αとの関係を示す図である。

本発明の好ましい実施形態について、以下、図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の一実施形態の低温液化ガス気化装置が示されている。本低温液化ガス気化装置は、低温液化ガスである液化天然ガス（ＬＮＧ）を気化させることによって天然ガス（ＮＧ）を得るための装置である。なお、本装置は、液化天然ガスに限らず、エチレン、液化酸素、液化窒素等の低温液化ガスを気化することも可能である。

図１に示されるように、本実施形態の低温液化ガス気化装置は、低温液化ガスないしこれが気化したガスが流れるガス流路１と、低温液化ガスと中間媒体４とを熱交換させることにより当該低温液化ガスを気化させる気化器Ｅ１と、中間媒体４が循環する循環流路６と、中間媒体４と大気とを熱交換させることにより中間媒体４の少なくとも一部を蒸発させる蒸発装置である熱交換装置Ｅ２と、気化器Ｅ１で気化したガスを大気で加熱する加熱装置Ｅ３と、を備えている。すなわち、本実施形態の低温液化ガス気化装置は、中間媒体式の気化装置である。本実施形態では、中間媒体４としてプロパンが用いられている。なお、中間媒体４は、プロパンに限られるものではなく、例えば、プロピレン、代替フロン等の常温で蒸発し、且つ常用の温度（低温）で固化しないもの（大気の温度よりも沸点の低い媒体）であれば、プロパン以外の媒体を使用することも可能である。

気化器Ｅ１は、ガス流路１に設けられている。本実施形態では、気化器Ｅ１は、いわゆるシェル＆チューブ式の熱交換器である。具体的に、気化器Ｅ１は、仕切壁で互いに仕切られた入口室１２及び出口室１４と、各室１２，１４を連通する多数の伝熱管１６と、各伝熱管１６を収容する熱交換室１８と、を有している。

入口室１２は、ガス流路１に接続されている。各伝熱管１６は、略Ｕ字状をなし、その一端が入口室１２に接続されており、その他端が出口室１４に接続されている。各伝熱管１６は、入口室１２及び出口室１４から側方に突出する姿勢で配置されている。熱交換室１８は、各室１２，１４の側方に接続されている。熱交換室１８は、その上部から中間媒体４を受け入れ、その下部から中間媒体４を流出させる形状を有する。つまり、熱交換室１８内において、伝熱管１６内を流れる低温液化ガスと伝熱管１６の外部を流れる中間媒体４との熱交換が行われる。具体的に、ガス流路１から入口室１２に流入した低温液化ガスは、各伝熱管１６内を流れる過程において中間媒体４と熱交換することによって気化（蒸発）し、出口室１４からガス流路１に流出する。一方、熱交換室１８から流出した中間媒体４は、循環流路６に流入する。

熱交換装置Ｅ２は、循環流路６に設けられている。熱交換装置Ｅ２は、送風機２０と、熱交換器３０と、予熱部４０と、を有する。

送風機２０は、円筒状の送風機室２２と、送風機室２２内に配置されたファン２４と、ファン２４を駆動するモータ２６と、を有する。ファン２４は、モータ２６が駆動したときに鉛直下向きに流れる気流を形成する姿勢で配置されている。

熱交換器３０は、ファン２４により形成された下向きの気流（大気）と中間媒体４とを熱交換させることによって中間媒体４の少なくとも一部を蒸発させる。つまり、熱交換器３０では、前記気流が加熱媒体として用いられる。具体的に、熱交換器３０は、熱交換室３２と、熱交換室３２内に配置された伝熱管３４と、を有する。

熱交換室３２は、直方体状（四角筒状）に形成されている。熱交換室３２の上端は、中空状の連結部３５を介して送風機室２２の下端に接続されている。本実施形態では、熱交換室３２は、その中心軸が鉛直方向と平行となる姿勢で脚部３６により支持されている。このため、送風機室２４も、その中心軸が鉛直方向と平行な姿勢となる。

伝熱管３４は、循環流路６に接続されており、その内部を中間媒体４が流れる。具体的に、熱交換室１８から循環流路６に流出した後に当該循環流路６に設けられたポンプ７で加圧された液相の中間媒体４が、伝熱管３４に流入する。伝熱管３４内を流れる中間媒体４の少なくとも一部は、熱交換室３２内で前記気流に加熱されることにより蒸発する。伝熱管３４から循環流路６に流出した中間媒体４は、気化器Ｅ１の熱交換室１８にその上部から流入する。

予熱部４０は、熱交換器３０よりも前記気流（ファン２４により形成された下向きの気流）の上流側に配置されており、熱交換器３０に向かって流れる気流を加熱する。予熱部４０は、当該予熱部４０に照射される太陽光の輻射熱により前記気流を加熱可能な形状を有する。本実施形態では、予熱部４０は、円筒状に形成されている。より具体的には、予熱部４０は、鋼製の円筒状の配管で構成されている。すなわち、予熱部４０は、その外表面及び内表面に照射される太陽光の輻射熱によりその内部を通過する気流を加熱する。予熱部４０は、送風機室２２の直径と同じ直径を有しており、当該予熱部４０の下端は、送風機室２２の上端に接続されている。このため、ファン２４の回転により、予熱部４０の上方から熱交換室３２の下方に向かう気流が形成される。この気流は、熱交換器３０において中間媒体４を加熱する前に予熱部４０内を通過する過程で前記輻射熱により加温される。

加熱装置Ｅ３は、ガス流路１のうち気化器Ｅ１の下流側の部位に設けられている。加熱装置Ｅ３は、気化器Ｅ１で気化したガスを大気により加熱する装置である。加熱装置Ｅ３は、送風機５０と、熱交換器６０と、を有している。

送風機５０の構造は、熱交換装置Ｅ２の送風機２０の構造と同様である。また、熱交換器６０の構造は、熱交換装置Ｅ２の熱交換器３０の構造と同じである。つまり、熱交換器６０の伝熱管内を流れるガスは、送風機５０のファンにより形成される下向きの気流により加熱される。

図２及び図３は、熱交換装置Ｅ２の変形例を示す。本例では、予熱部４０に、当該予熱部４０の外表面に対して太陽光を反射させる反射部材が接続されている。この反射部材は、平板状の第１反射板４２と、平板状の第２反射板４４と、を有している。第１反射板４２は、矩形状に形成されている。第２反射板４４は、第１反射板４２と同形状に形成されている。両反射板４２，４４は、予熱部４０を水平方向の両側から挟む位置において予熱部４０の外表面の下端部に接続されている。各反射板４２，４４は、鉛直方向に対して予熱部４０が設置される緯度に４５度を加えた角度だけ傾斜するとともにその底辺が水平と平行となる姿勢で予熱部４０の外表面に接続されている。また、各反射板４２，４４は、当該反射板４２，４４が予熱部４０の外表面に接続された状態（以下、「接続状態」という）において、各反射板４２，４４の並び方向（図２及び図３の左右方向）について予熱部４０の外表面と重なる形状を有する。具体的に、各反射板４２，４４の前記接続状態における前記並び方向及び鉛直方向の双方と直交する方向（図３の上下方向）の寸法は、予熱部４０の直径Ｄと同じに設定されている。また、各反射板４２，４４の前記接続状態における高さ寸法は、予熱部４０の長さＬと同じに設定されている。ただし、反射板４２，４４の高さ寸法は、予熱部４０の長さＬと同じに限られない。例えば、反射板４２，４４の高さ寸法は、前記長さＬの半分程度に設定されてもよい。

次に、図４を参照しながら、予熱部４０の外表面及び内表面の放射率（吸収率）と予熱部４０の表面温度の上昇値との関係について説明する。予熱部４０の表面温度の上昇値には、主に、日照時間、照射面積割合φ（予熱部４０の全表面の面積のうち太陽光が照射する領域の面積の割合）及び予熱部４０の形態係数（太陽光の受光効率）が関係する。照射面積割合φ及び形態係数については後述する。なお、図４では、日照時間が６時間であり、照射面積割合φが１００％であり、予熱部４０の形態係数が０．８２であるときの値が示されている。

図４に示されるように、緯度が一定の場合、予熱部４０の表面（外表面及び内表面）の放射率が高くなるほど予熱部４０の表面温度の上昇値（昇温効果）が高くなる。また、放射率が一定の場合、赤道において昇温効果が最も低く、赤道から緯度が高くなるにしたがって次第に昇温効果が高くなる。本実施形態では、予熱部４０の表面の放射率は、赤道における予熱部４０の表面温度の上昇値が０よりも大きくなる範囲、つまり、０．８以上かつ１．０以下に設定されている。具体的に、予熱部４０の表面は、０．８以上かつ１．０以下の放射率を有する色（黒色等）に設定されている。

ここで、照射面積割合φについて、図５を参照しながら説明する。

予熱部４０に対して所定の入射角θの太陽光が照射されると、予熱部４０には、太陽光が照射されずに陰になる部位（以下、「非照射部」という）が生じる。この非照射部の長さＬ１が０のときに照射面積割合φが１００％となる。つまり、照射面積割合φが１００％のときに予熱部４０の昇温効果が最大となる。ここで、照射面積割合φは、次式で表される。

φ＝１−Ｌ１／２Ｌ

また、非照射部の長さＬ１は、次式で表される。

Ｌ１＝Ｌ−Ｄ／ｔａｎθ

よって、緯度が３０度（θ＝３０°）の地域では、予熱部４０の長さＬを予熱部４０の直径Ｄで除した値（以下、「予熱部形状指標Ｌ／Ｄ」という）が１．７以下のときに照射面積割合φが１００％となる。同様に、緯度が２０度（θ＝２０°）の地域では、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが２．７以下のときに照射面積割合φが１００％となり、緯度が１０度（θ＝１０°）の地域では、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが５．７以下のときに照射面積割合φが１００％となる。

続いて、前記形態係数について、図６を参照しながら説明する。

図６に示されるように、形態係数は、予熱部４０への太陽光の入射角θ（図５を参照）に応じて変化する。この入射角θは、予熱部４０が設置される緯度と等しい。図６に示されるように、入射角θが０°（赤道上）のとき、形態係数は０．５であり、入射角θが９０°のとき、形態係数は、最も高い１．０となる。なお、前記非照射部（予熱部４０のうち太陽光が照射されない部位）の形態係数は、０である。予熱部４０が円筒状の場合、図６の各値の平均値が形態係数となるので、本実施形態の予熱部４０の形態係数は、０．８２となる。

次に、図７を参照しながら、予熱部４０の予熱部形状指標Ｌ／Ｄと送風機動力低減割合との関係について説明する。送風機動力低減割合とは、予熱部４０を有しない場合に熱交換器３０で所定の交換熱量を得るために必要な送風機４０の動力に対する、予熱部４０を有する場合に熱交換器３０で前記所定の交換熱量を得るために必要な送風機４０の動力の低減量の割合を意味する。図７には、緯度が３０度で両反射板４２，４４を有しないとき、緯度が２０度で両反射板４２，４４を有しないとき、緯度が１０度で両反射板４２，４４を有しないとき、緯度が１０度で両反射板４２，４４を有するとき、赤道上で両反射板４２，４４を有しないとき、及び、赤道上で両反射板４２，４４を有するときの各値が示されている。なお、これらの値は、レイノルズ数Ｒｅが１６０万であるときの値である。

図７に示されるように、送風機動力低減割合は、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが０から大きくなるにしたがって次第に増加して最大となった後に減少する挙動を示す。この理由は、予熱部形状指標Ｌ／Ｄの増加が、送風機動力低減割合を増加させる要因と減少させる要因との双方を含んでいるからである。

具体的に、予熱部形状指標Ｌ／Ｄ（予熱部４０の長さＬ）が大きくなるにしたがって予熱部４０内での気流の加熱量が大きくなるので、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが大きくなるにしたがって熱交換器３０で所定の交換熱量を得るために必要な気流の流量は低減する。つまり、前記気流の加熱量の増加は、送風機２０の動力の低減につながる。換言すれば、予熱部形状指標Ｌ／Ｄの増加は、送風機動力低減割合を増加させる要因を有する。一方、予熱部４０が長くなるにしたがって当該予熱部４０で生じる圧力損失が大きくなり、また、予熱部４０に対して太陽光が照射されない部位（非照射部）が大きくなるので、送風機４０の動力は増大する。つまり、予熱部形状指標Ｌ／Ｄの増加は、送風機動力低減割合を減少させる要因をも有する。少なくともこれらの要因の影響により、送風機動力低減割合は、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが０から大きくなるにしたがって次第に増加して最大となった後に減少する挙動を示す。例えば、緯度が３０度の地域では、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが１．５２のときに送風機動力低減割合は最大となり、その値は３６％である。

また、図７に示されるように、緯度が３０度のときの送風機動力低減割合が前記最大となるまでの領域（予熱部形状指標Ｌ／Ｄが１．５２以下の領域）については、赤道上で両反射板４２，４４を有する場合を除き、緯度が高くなるほど予熱部形状指標Ｌ／Ｄの増分に対する送風機動力低減割合の増分が大きくなる。一方、当然に、予熱部４０が長くなるほど当該予熱部４０の製造コストは大きくなる。よって、予熱部形状指標Ｌ／Ｄは、０よりも大きくかつ１．５２以下に設定されてもよい。このようにすれば、当該熱交換装置Ｅ２が緯度３０度以下の地域で用いられる場合、予熱部４０の製造コストの著しい増大を抑えつつ送風機動力低減割合を大きくすることができる。

次に、図８及び図９を参照しながら、予熱部形状指標Ｌ／Ｄと、交換熱量増加割合を送風機動力増加割合で除した値で表される加熱性能指標αと、の関係について説明する。交換熱量増加割合とは、予熱部４０を有しない場合における熱交換器３０での交換熱量に対する、予熱部４０を有する場合における熱交換器３０での交換熱量の増加量の割合を意味する。送風機動力増加割合とは、予熱部４０を有しない場合に所定の風量を得るために必要な送風機２０の動力に対する、予熱部４０を有する場合に前記所定の風量を得るために必要な送風機２０の動力の増加量の割合を意味する。つまり、加熱性能指標αが１．０以上であることは、予熱部４０を設けることによる送風機２０の動力の増加割合よりも、予熱部４０を設けることによる熱交換器３０での交換熱量の増加割合の方が多くなることを意味する。なお、図９は、図８のうち予熱部形状指標Ｌ／Ｄが０から２．００までの範囲を拡大した図である。図８及び図９には、緯度が３０度で両反射板４２，４４を有しないとき、緯度が２０度で両反射板４２，４４を有しないとき、緯度が１０度で両反射板４２，４４を有しないとき、緯度が１０度で両反射板４２，４４を有するとき、赤道上で両反射板４２，４４を有しないとき、及び、赤道上で両反射板４２，４４を有するときの各値が示されている。これらの値は、レイノルズ数Ｒｅが１６０万であるとき（定格運転時）の値である。本実施形態では、レイノルズ数Ｒｅが１１０万から２２０万の範囲で運転されることが可能である。

図８及び図９に示されるように、緯度が１０度〜３０度の地域で両反射板４２，４４を有しない場合、定格運転時（レイノルズ数Ｒｅが１６０万のとき）においては、加熱性能指標αは、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが少なくとも０．２４〜１．９５の範囲のときに１．０以上となる。よって、緯度が１０度〜３０度の地域で両反射板４２，４４を有しない場合、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが０．２４〜１．９５の範囲に設定されることが好ましい。より好ましくは、予熱部形状指標Ｌ／Ｄは、０．６０〜１．０９の範囲に設定される。このようにすれば、加熱性能指標αは１．１以上となる。

また、図２及び図３に示される変形例のように両反射板４２，４４を有する場合、定格運転時（レイノルズ数Ｒｅが１６０万のとき）においては、加熱性能指標αは、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが少なくとも０．１〜４．９の範囲のときに１．０以上となる。よって、緯度が１０度以下の地域で両反射板４２，４４を有する場合、予熱部形状指標Ｌ／Ｄがこの範囲に設定されることが好ましい。

以上のことは、レイノルズ数Ｒｅが１６０万のときに妥当する。レイノルズ数Ｒｅが変化すれば、加熱性能指標αが１．０以上となる予熱部形状指標Ｌ／Ｄの範囲も変化する。この点について、以下、図１０〜図１５を参照しながら説明する。

図１０〜図１５には、レイノルズ数Ｒｅが１１０万、１３０万、１６０万、１８０万、２００万及び２２０万のときの各値が示されている。これらの図に示されるように、加熱性能指標αは、レイノルズ数Ｒｅが小さくなるにしたがって次第に大きくなる。すなわち、レイノルズ数Ｒｅが小さくなるにしたがって加熱性能指標αが１．０以上となる予熱部形状指標Ｌ／Ｄの範囲が大きくなる。

図１０は、緯度が３０度の地域で両反射板４２，４４を有しない場合における予熱部形状指標Ｌ／Ｄと加熱性能指標αとの関係を示している。図１０に示されるように、レイノルズ数Ｒｅが１６０万である場合、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが０．０８〜２．８０の範囲内であるときに加熱性能指標αが１．０以上となる。ただし、上述のように、レイノルズ数Ｒｅが１６０万よりも小さい場合、加熱性能指標αが１．０以上となる予熱部形状指標Ｌ／Ｄの範囲は上記範囲よりも大きくなる。一方、レイノルズ数Ｒｅが１６０万よりも大きい場合、加熱性能指標αが１．０以上となる予熱部形状指標Ｌ／Ｄの範囲は上記範囲よりも小さくなる。この傾向は、緯度及び両反射板４２，４４の有無にかかわらず同じである。

図１１は、緯度が２０度の地域で両反射板４２，４４を有しない場合における予熱部形状指標Ｌ／Ｄと加熱性能指標αとの関係を示している。図１１に示されるように、レイノルズ数Ｒｅが１６０万である場合、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが０．１０以上であるときに加熱性能指標αが１．０以上となる。なお、レイノルズ数Ｒｅが１６０万である場合に加熱性能指標αが１．０以上となる予熱部形状指標Ｌ／Ｄの範囲の上限値は、３．１３である。予熱部形状指標Ｌ／Ｄが０．１０〜３．１３の範囲内であるときに加熱性能指標αが１．０以上となる。

図１２は、緯度が１０度の地域で両反射板４２，４４を有しない場合における予熱部形状指標Ｌ／Ｄと加熱性能指標αとの関係を示している。図１２に示されるように、レイノルズ数Ｒｅが１６０万である場合、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが０．２４〜１．９５の範囲内であるときに加熱性能指標αが１．０以上となる。

図１３は、緯度が１０度の地域で両反射板４２，４４を有する場合における予熱部形状指標Ｌ／Ｄと加熱性能指標αとの関係を示している。図１３に示されるように、レイノルズ数Ｒｅが１６０万である場合、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが０．１０以上であるときに加熱性能指標αが１．０以上となる。なお、レイノルズ数Ｒｅが１６０万である場合に加熱性能指標αが１．０以上となる予熱部形状指標Ｌ／Ｄの範囲の上限値は、５．００である。

図１４は、赤道上の地域で両反射板４２，４４を有しない場合における予熱部形状指標Ｌ／Ｄと加熱性能指標αとの関係を示している。図１４に示されるように、赤道上の地域で反射板４２を有しない場合、レイノルズ数Ｒｅにかかわらず、加熱性能指標αが１．０以上となる予熱部形状指標Ｌ／Ｄは存在しない。

図１５は、赤道上の地域で両反射板４２，４４を有する場合における予熱部形状指標Ｌ／Ｄと加熱性能指標αとの関係を示している。図１５に示されるように、レイノルズ数Ｒｅが１６０万である場合、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが０．０３以上であるときに加熱性能指標αが１．０以上となる。なお、レイノルズ数Ｒｅが１６０万である場合に加熱性能指標αが１．０以上となる予熱部形状指標Ｌ／Ｄの範囲の上限値は、５５．０である。

次に、本低温液化ガス気化装置の動作を説明する。

ガス流路１を通じて気化器Ｅ１の入口室１２に流入した低温液化ガス（本実施形態ではＬＮＧ）は、熱交換室１８内で中間媒体４と熱交換することによって気化する。そして、気化器Ｅ１の出口室１４から流出したガスは、加熱装置Ｅ３で加温され、その後、ガス流路１を通じて外部に至る。

一方、熱交換室１８から流出した中間媒体４は、熱交換装置Ｅ２の熱交換器３０において、伝熱管３４内を流れる過程において送風機２０により形成された下降気流により加熱される。本実施形態では、送風機室２２の上端（熱交換器３０よりも前記気流の上流側）に予熱部４０が配置されているので、熱交換器３０において低温の中間媒体４を加熱する加熱媒体である気流は、熱交換器３０に流入する前に予熱部４０において当該予熱部４０に照射された太陽光の輻射熱により加熱される。よって、熱交換器３０に流入する気流を加熱するための動力（ポンプの駆動力等）を必要とすることなく当該気流を加熱することが可能となる。さらに、予熱部４０を設けることにより、当該熱交換装置Ｅ２の下流側の端部（熱交換室３２の下端部）から上流側の端部（予熱部４０の上端部）までの距離が長くなるので、当該熱交換装置Ｅ２から流出した相対的に低温の大気が再び当該熱交換装置Ｅ２の上流側から流入すること（いわゆるショートサーキット）が抑制される。

なお、熱交換器３０で加熱された中間媒体４は、循環流路６を通じて熱交換室１８内に流入する。

また、予熱部４０の外側に第１反射板４２及び第２反射板４４が接続されることにより、予熱部４０内の気流の通過を制限することなく当該予熱部４０内を通過する気流をさらに加熱することができる。具体的に、両反射板４２，４４が予熱部４０の外側に配置されているため、当該予熱部４０内を通過する気流の抵抗とならず、しかも、予熱部４０に直接照射される太陽光のみならず、両反射板４２，４４に照射された太陽光の反射光が予熱部４０の外表面に有効に照射されるので、予熱部４０内における気流の加熱量が増大する。

さらに、両反射板４２，４４は、これら反射板４２，４４の並び方向について予熱部４０の外表面の全域と重なる形状（これら反射板４２，４４に照射された太陽光の反射光を予熱部４０の外表面の全域に照射させる形状）を有するので、当該熱交換装置Ｅ２が赤道上を含む緯度１０度以下の地域（緯度１０度以上の地域に比べて予熱部４０による太陽光の受光効率が小さくなる地域）で使用される場合であっても、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが０．１０以上かつ４．９０以下の範囲内に設定されることにより、前記加熱性能指標αが１．０以上になる。

あるいは、緯度が１０度〜３０度の地域で用いられる場合、反射部材（第１反射板４２及び第２反射板４４）を有していない場合であっても、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが０．２４以上かつ１．９５以下の範囲内に設定されることにより、前記加熱性能指標αが１．０以上になる。

また、熱交換装置Ｅ２が緯度３０度以下の地域で用いられる場合、予熱部４０の予熱部形状指標Ｌ／Ｄが０よりも大きくかつ１．５２以下の値に設定されることにより、予熱部４０が長くなることに起因するコストの増大を抑えつつ前記送風機動力低減割合を増大させることができる。

また、本実施形態では、予熱部４０の外表面及び内表面の放射率が０．８〜１．０であるので、他の緯度に比べて予熱部４０での昇温効果が低くなる赤道上で本熱交換装置Ｅ２が用いられる場合であっても、予熱部４０において昇温効果が得られる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、加熱装置Ｅ３に予熱部４０が設けられてもよい。この場合、送風機５０の上端に予熱部４０が接続される。

また、本低温液化ガス気化装置は、いわゆる中間媒体式のものに限られない。すなわち、熱交換装置Ｅ２の伝熱管３４がガス流路１に接続され、低温液化ガスが熱交換装置Ｅ２において大気により直接加熱されてもよい。

また、予熱部４０の形状は、円筒状に限られず、多角筒状であってもよい。また、周方向に分割された形状であってもよい。

また、反射部材の形状は、上記の形状に限られない。例えば、反射部材は、中空かつ円錐台状に形成されてもよい。具体的に、反射部材は、予熱部４０の外表面の下端部に接続される接続部と、前記接続部から予熱部４０が設置される緯度に４５度を加えた角度だけ鉛直方向に対して傾斜する方向に沿って上方に延びるとともに水平方向について予熱部４０の外表面の全域と重なる形状を有する反射部と、を有してもよい。このようにしても、反射部材に照射された太陽光の反射光が予熱部４０の外表面の全域に照射されるので、当該熱交換装置Ｅ２が赤道上を含む緯度１０度以下の地域で使用される場合であっても、予熱部形状指標Ｌ／Ｄが０．１０以上かつ４．９０以下の範囲内に設定されることにより、前記加熱性能指標が１．０以上になる。

１ ガス流路
６ 循環流路
２０ 送風機
２２ 送風機室
２４ ファン
２６ モータ
３０ 熱交換器
３２ 熱交換室
３４ 伝熱管
４０ 予熱部
５０ 送風機
６０ 熱交換器
Ｅ１ 気化器
Ｅ２ 熱交換装置
Ｅ３ 加熱装置

Claims (7)

1. 上下方向に流れる気流を形成する送風機と、
   大気よりも低温の低温媒体と前記気流とを熱交換させることによって前記低温媒体を加熱する熱交換器と、
   前記熱交換器よりも前記気流の上流側に配置され、前記熱交換器に向かって流れる気流を加熱する予熱部と、を備え、
   前記予熱部は、当該予熱部に照射される太陽光の輻射熱により前記気流を加熱可能な形状を有する、熱交換装置。
2. 請求項１に記載の熱交換装置において、
   前記予熱部は、円筒状に形成されており、
   前記予熱部の長さを当該予熱部の直径で除した値で表される予熱部形状指標が、０よりも大きくかつ１．５２以下の範囲内に設定されている、熱交換装置。
3. 請求項１に記載の熱交換装置において、
   前記予熱部は、円筒状に形成されており、
   前記予熱部の長さを当該予熱部の直径で除した値で表される予熱部形状指標が、０．２４以上かつ１．９５以下の範囲内に設定されている、熱交換装置。
4. 請求項１に記載の熱交換装置において、
   前記予熱部に対して太陽光を反射させる反射部材をさらに備え、
   前記反射部材は、前記予熱部の外側に配置されており、当該反射部材に照射された太陽光を前記予熱部の外表面に対して反射させる形状を有する、熱交換装置。
5. 請求項４に記載の熱交換装置において、
   前記予熱部は、円筒状に形成されており、
   前記反射部材は、平板状の第１反射板と、平板状の第２反射板と、を有し、
   前記第１反射板及び前記第２反射板は、前記予熱部を水平方向の両側から互いに挟む位置において、前記予熱部の外表面の下端部に、前記予熱部が設置される緯度に４５度を加えた角度だけ鉛直方向に対して傾斜する姿勢で接続されており、
   前記第１反射板及び前記第２反射板は、当該第１反射板及び当該第２反射板が前記予熱部の外表面に接続された状態において、水平方向について前記予熱部の外表面の全域と重なる形状を有し、
   前記予熱部の長さを当該予熱部の直径で除した値で表される予熱部形状指標が、０．１０以上かつ４．９０以下の範囲内に設定されている、熱交換装置。
6. 請求項４に記載の熱交換装置において、
   前記予熱部は、円筒状に形成されており、
   前記反射部材は、中空かつ円錐台状に形成されており、
   前記反射部材は、前記予熱部の外表面の下端部に接続される接続部と、前記接続部から前記予熱部が設置される緯度に４５度を加えた角度だけ鉛直方向に対して傾斜する方向に沿って上方に延びるとともに水平方向について前記予熱部の外表面の全域と重なる形状を有する反射部と、を有し、
   前記予熱部の長さを当該予熱部の直径で除した値で表される予熱部形状指標が、０．１０以上かつ４．９０以下の範囲内に設定されている、熱交換装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の熱交換装置において、
   前記予熱部の外表面及び内表面の放射率は、０．８〜１．０に設定されている、熱交換装置。

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