JP2016156450A - Ｌｎｇ蒸発器およびｌｎｇ蒸発器によるｌｎｇ蒸発方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従前のＬＮＧ蒸発器で２０〜３０℃程度の冷温水を使用した場合、伝熱管コイル表面で氷結が生じ、ＬＮＧ蒸発器が閉塞状態になる恐れがある。【解決手段】外筒内に、伝熱管コイルが配置されて、伝熱管コイル自体によって、もしくは外筒内に螺旋状に設けられた螺旋流形成部材によって、外筒内を流れる全体流れから分流状態とされて、伝熱管コイルに沿って流速の速められた螺旋流が形成され、当該螺旋流になる冷温水と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換がなされて、伝熱管コイル外表面における氷結が抑制される。【選択図】図２

Description

本発明は、ＬＮＧ蒸発器およびＬＮＧ蒸発器によるＬＮＧ蒸発方法に関する。

近年、石油・石炭に代わるエネルギー資源として天然ガスが注目を集めている。天然ガスは燃焼時における硫黄酸化物・煤塵の発生が極めて少なく、地球温暖化の原因となる二酸化炭素や、大気汚染・酸性雨の原因となる窒素酸化物の排出量が石油・石炭に比べ少ないため、地球環境問題に貢献できるエネルギー源と言える。特に、頁岩層から採取される天然ガス（シェールガス）取出しに関する新技術の出現により、比較的安価で大量の天然ガスの安定供給が可能となったことで、今後のエネルギーにおける天然ガスの果たす役割は、ますます大きなものとなることが予想される。天然ガスへの燃料転換は、地球温暖化を促進する炭酸ガスの排出削減に大きな効果がある。単純に重油を天然ガスに燃料転換した場合、約３０％の削減ができ地球温暖化抑制に大きな効果を上げることができる。（サテライト建設上の燃料使用で考慮すると、炭酸ガス排出量の削減効果は、約２５％程度）その面の効果もあり、数年前から燃料転換が積極的に推進されており、シェールガス革命と相まって今後LNG化がますます促進されることが予想される。

現在、パイプラインにより直接的な天然ガスの供給が可能な地域を除くと、天然ガスの供給方法は、液化天然ガス（以下ＬＮＧと呼ぶ）貯槽・蒸発器・圧力調整装置を主要な構成要素とする定地式ＬＮＧ供給設備（以下ＬＮＧサテライトと呼ぶ）を各天然ガス消費場所に建設し、そのＬＮＧサテライトへＬＮＧローリー車によりＬＮＧを輸送・供給する方法が一般的となっている。

ＬＮＧサテライト設備では貯槽内にＬＮＧを貯蔵し、蒸発器にて気化させ気体燃料として消費する。極低温ガスであるＬＮＧを気化させる蒸発器の方式としては、酸素や窒素ガスを蒸発させる際に用いられている大気と熱交換させる空温式蒸発器（スターフィン型）を用いることも可能である。この方式は、強制的な熱源を必要としないが、熱交換率が低いため熱交換器の伝熱面積確保の観点から大型化し設備設置スペースが非常に大きくなり、基礎工事・配管長の延長等々により建設費の上昇につながっている。そこで、ＬＮＧの蒸発潜熱は窒素に比べ３倍の熱量が必要であること、及び、顕熱も大きいため空温式蒸発器以外の蒸発方法を採用することが事例としては現在多くなっている。その他の蒸発方式としては、６０〜７５℃程度の温水の中に蒸発管を入れ温水を循環させる温水循環式蒸発器や、同様に６０℃程度の温水の中に蒸発管を入れその温水に蒸気を吹き込んで熱源とする蒸気加温式の蒸発器などが現在使われている。温水蒸発器のこれらの２案では、いずれの場合にも蒸発管表面への氷の付着を防止する為に、温水温度を６０℃程度まで熱源を利用し昇温している。
従前のＬＮＧ蒸発方式について
１）空温式蒸発器方式
空温式蒸発器によるＬＮＧ蒸発方式は、ＬＮＧ貯槽に貯蔵されているＬＮＧを取出し、
アルミ製スターフィンを用いて大気と熱交換させ、蒸発した天然ガス（以下ＮＧと称することがある。）を圧力調整器で整圧後供給する方式である。

熱源は不要となるが、外気温に影響される他、熱交換率が低いため熱交換器の伝熱面積確保の観点から大型化し設置面積も大きくなり建設コストの上昇につながっているほか、アルミフィンに氷着する氷を氷解する為に二基設置し交互に使用し氷解時間を確保するほか氷結を考慮し実使用量に対し大きな安全率を持って能力選定をする必要があるなど、温水式に比し考慮すべき点が多くなる。
２）温水循環式蒸発器方式
温水循環式蒸発器によるＬＮＧ蒸発方式は、ＬＮＧ貯槽に貯蔵されているＬＮＧを取出し、温水が充満された温水槽内の気化管で熱交換させ、蒸発したＮＧを圧力調整器で整圧後供給する方式である。

熱源となる温水は、温水ボイラーや温水給湯器で作り出すことが必要となる。温水ボイラーの熱源としてLNGを使用する事になり、全体効率はその分悪くなることになる。温水ボイラー等で作った温水を温水ポンプで蒸発器に供給し、熱交換に使用して温度が下がった冷温水を温水ボイラー等で加温する密閉循環系統となる。
３）スチーム温水式蒸発器方式
スチーム温水式蒸発器によるＬＮＧ蒸発方式は、ＬＮＧ貯槽に貯蔵されているＬＮＧを取出し、スチームで加温された温水槽内の気化管で熱交換させ、蒸発したＮＧを圧力調整器で整圧後供給する方式である。

熱源となる温水は、スチームを温水槽内に吹き込むことにより生成する。

余剰なスチームがある場合は有効的であるが、通常生産設備に余裕がないことから使用することが難しい。また、生産設備以外に加温用だけでスチームを使用することは、あまり効率がよいとは言えない。又、蒸気発生装置を本蒸発器用に設置する場合もあるが、その場合にも蒸気発生装置（蒸気ボイラー等）の熱源としてＬＮＧを使用することになり、全体効率はその分悪くなることになる。

特許文献１には、螺旋管とヒータの配置を改善して温水槽を小さくし、熱効率を向上させたベーパライザーが記載されている。

特開２００３−２１４５９６号公報

特許文献１に記載された発明は、旋回流を形成することがなく、螺旋管表面で氷結を解決するものではない。

従来の温水蒸発器の冷温水使用についての問題点があった。

従来の温水蒸発器で２０℃程度の冷温水を使用した場合、気化管表面に氷が生成される。氷の生成は生成状況を鋭意検討した結果によれば、伝熱管表面の温水（熱媒体）の流速に依存することが分かってきたが、この流速についての考慮がなかった。管外流速が早ければ早いほど氷の付着は少なくなる傾向があることが分かってきたが、現在使用される従来の温水型蒸発器は管外流速が遅く、冷温水を循環した場合に伝熱管表面に氷が生成されることは明らかである。氷が生成されると、管閉塞が生じて事故となり、運転不能になる。本発明は、この問題の解決を解決するＬＮＧ蒸発器、および蒸発方法を提供するものである。

本発明は、長手方向に長い筒状の外筒と該外筒内にコイル状に巻かれて配置された伝熱管コイルからなり、外筒内を流れる第一の媒体と伝熱管コイル内を流れる第二の媒体との間で熱交換がなされるもので、外筒内を流れる第一の媒体が温水源から流れる冷温水であり、伝熱管コイル内を流れる第二の媒体が液化ＬＮＧであって、冷温水によって液化ＬＮＧが蒸発されるＬＮＧ蒸発器において、
外筒内の中央部に、伝熱管コイル管径よりも大きな径の筒状のセンターチューブ管が配置され、該センターチューブ管の周りに伝熱管コイルが配置されて、伝熱管コイル自体によって、もしくは外筒内に螺旋状に設けられた螺旋流形成部材によって、外筒内を流れる全体流れから分流状態とされて、伝熱管コイルに沿って流速の速められた螺旋流が形成され、当該螺旋流になる冷温水と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換がなされて、伝熱管コイル外表面における氷結が抑制されること
を特徴とするＬＮＧ蒸発器を提供する。

本発明は、上述されたＬＮＧ蒸発器において、筒形状体が筒状のセンターチューブ管であることを特徴とするＬＮＧ蒸発器を提供する。

本発明は、長手方向に長い筒状の外筒と外筒内にコイル状に巻かれて配置された伝熱管コイルからなり、外筒内を流れる第一の媒体と伝熱管コイル内を流れる第二の媒体との間で熱交換がなされるもので、該外筒内を流れる第一の媒体が温水源から流れる温水であり、伝熱管コイル内を流れる第二の媒体が液化ＬＮＧであって、温水によって液化ＬＮＧが蒸発されるＬＮＧ蒸発器において、
外筒内の中央部に、伝熱管コイル管径よりも大きな径の筒状のセンターチューブ管が配置され、該センターチューブ管に温水源から分流されたサブ温水が流過され、該センターチューブ管を巻いて伝熱管コイルが配置されて、該センターチューブ管を巻回して伝熱管コイルが配置され、伝熱コイル自体によって、もしくは外筒内に螺旋状に設けられた螺旋流形成部材によって、外筒内を流れる全体流れから分流状態とされて、伝熱管コイルに沿って流速の速められた螺旋流が形成され、当該螺旋流になる冷温水と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換がなされ、センターチューブ管を流過するサブ温水が伝熱管コイルを加熱して伝熱管コイル外表面における氷結が抑制されること
を特徴とするＬＮＧ蒸発器を提供する。

本発明は、上述されたＬＮＧ蒸発器において、螺旋流形成部材がセンターチューブ管の外表面に設けた螺旋状のフイン、螺旋流形成部材が外筒内壁面に設けた螺旋状配置のフイン、あるいは螺旋流形成部材が外筒内壁面に配置位置が螺旋状とされた複数の冷温水投入口であることを特徴とするＬＮＧ蒸発器を提供する。

本発明は、長手方向に長い筒状の外筒と該外筒内にコイル状に巻かれて配置された伝熱管コイルからなり、外筒内を流れる第一の媒体と伝熱管コイル内を流れる第二の媒体との間で熱交換がなされるもので、外筒内を流れる第一の媒体が温水源から流れる温水であり、伝熱管コイル管内を流れる第二の媒体が液化ＬＮＧであって、温水によって液化ＬＮＧが蒸発されるＬＮＧ蒸発器による液化ＬＮＧの蒸発方法において、
外筒内の中央部に、伝熱管コイル管径よりも大きな径の筒状のセンターチューブ管が配置され、該センターチューブ管の周りに伝熱管コイルが配置されて、伝熱管コイル自体によって、もしくは外筒内に螺旋状に設けられた螺旋流形成部材によって、外筒内を流れる全体流れから分流状態とされて、伝熱管コイルに沿って流速の速められた螺旋流を形成し、当該螺旋流になる冷温水と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換を行って伝熱管コイル外表面における氷結を抑制すること
を特徴とするＬＮＧ蒸発器による液化ＬＮＧの蒸発方法を提供する。

本発明は、長手方向に長い筒状の外筒と該外筒内にコイル状に巻かれて配置された伝熱管コイルからなり、外筒内を流れる第一の媒体と伝熱管コイル内を流れる第二の媒体との間で熱交換がなされるもので、該外筒内を流れる第一の媒体が温水源から流れる温水であり、伝熱管コイル内を流れる第二の媒体が液化ＬＮＧであって、温水によって液化ＬＮＧが蒸発されるＬＮＧ蒸発器による液化ＬＮＧの蒸発方法において、
外筒内の中央部に、伝熱管コイル管径よりも大きな径の筒状のセンターチューブ管が配置され、当該センターチューブ管に冷温水源から分流されたサブ冷温水が流過され、当該センターチューブ管を巻いて伝熱管コイルが配置されて、当該センターチューブ管を巻回して伝熱管コイルが配置され、伝熱管コイル自体によって、もしくは外筒内に螺旋状に設けられた螺旋流形成部材によって、外筒内を流れる全体流れから分流状態とされて、伝熱管コイルに沿って流速の速められた螺旋流を形成し、当該螺旋流になる冷温水と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換を行い、センターチューブ管を流過するサブ冷温水で螺旋流を加熱して伝熱管コイル外表面における氷結を抑制すること
を特徴とするＬＮＧ蒸発器による液化ＬＮＧの蒸発方法を提供する。

本発明は、上述されたＬＮＧ蒸発器による熱交換方法において、冷温水は、事業所内で一般的に設けられた冷温水源の冷温水が用いられることを特徴とするＬＮＧ蒸発器における熱交換方法を提供する。

本発明によれば、伝熱管コイル自体によって、もしくは外筒内に螺旋状に設けられた螺旋流形成部材によって、外筒内を流れる全体流れから分流状態とされて、伝熱管コイルに沿って流速の速められた螺旋流が形成され、当該螺旋流になる冷温水と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換がなされて、伝熱管コイル外表面における氷結が抑制される。氷結の生成が抑制されることで、管閉塞事故が防止され、運転不能になる事態が回避される。事業所内で一般的に設けられたクーリングタワーから排出された温水は、通常２０〜３８℃の範囲にあり、ＬＮＧ蒸発器に接続される前の当該温度が維持された状態で、冷温水としてＬＮＧ蒸発器に導入することが出来るので、本発明は、従来ＬＮＧ蒸発器が持つ問題を解決することが出来る。

本発明の実施例であるＬＮＧ蒸発システムの構成を示す図。 本発明の実施例であるＬＮＧ蒸発器の構成を示す図。 図２に示される構成の平面を示す図。 温水入口部の機能を説明する図。 螺旋流れを説明する図。 フインを備えたセンターチューブ管の形態を示す図。 形成される螺旋流の仮想長形断面積を模式的に示す図。 計算時の氷結を検討する図 計算結果データを示す図。 計算結果データを示す図。 計算結果データを示す図。

本発明は、温水を使用せず各事業場内で使用されている冷却水循環系の冷温水を利用可能とする冷温水型のＬＮＧ蒸発器を提供する。事業場内で使用されている冷却水は、冷却対象物を冷却後にクーリングタワーなどの冷却装置に戻り、冷却され再度冷却対象物を冷却する為に循環されている。この冷却水の戻りをＬＮＧ冷温水型蒸発器の熱源として使用するものである。クーリングタワーからの冷温水の温度は、通常２０℃〜３８℃程度の温度であり、このままの温度で従来型の温水型蒸発器を使用すると蒸発管である伝熱管コイルの表面が氷着し連続使用することが困難である。本発明では、この冷温水を利用しながら、螺旋流形成部材を設け、流れる冷温水の流れを部分的に速めてＬＮＧを連続的に気化蒸発させることが可能な構造の冷温水型ＬＮＧ蒸発器を提供する。

本発明の冷温水型ＬＮＧ蒸発器を使用することにより、温水型蒸発器の使用では必要となる温水発生のための熱源が不要となり、更には、既設の冷却水循環系においてはＬＮＧの冷熱回収により冷却効率が上がり、ＬＮＧを利用することで地球温暖化防止になることに加え省エネルギーも達成し、環境にやさしい設備を構築できることになる。

図１は、本発明の実施例であるＬＮＧ蒸発システム３００の構成を示す図である。

図１において、ＬＮＧ蒸発システム３００は、冷温式蒸発器を形成する液化ＬＮＧ蒸発器(以下、ＬＮＧ蒸発器という。)１００、および冷温水循環系統２００が組み合わされた構成からなる。冷温水循環系統２００の典型的な例は、クーリングタワーを備えた系統である。以下、ここではクーリングタワーを備えた冷却系統(以下、クーリングタワー系統２００と称する。)を例に採って説明する。
ＬＮＧ蒸発器１００は、長手方向に長い筒状の蒸発器外筒１０(以下、外筒という。)、外筒１０とこの外筒内にコイル状に巻かれて配置された伝熱管コイル（チューブ管）１１からなり、外筒内を流れる第一の媒体と伝熱管コイル内を流れる第二の媒体との間で熱交換がなされるＬＮＧ蒸発器として構成され、この外筒内を流れる第一の媒体が冷温水源から流れる冷温水であり、伝熱管コイル内を流れる第二の媒体が液化ＬＮＧである。

クーリングタワー系統２００は、ＬＮＧ蒸発器１００との間に形成される循環系統１３を備えて構成される。クーリングタワー系統２００は、クーリングタワー２０１、ポンプ２０２、冷却対象物２０３からなる。ＬＮＧ蒸発器１００の冷温水の出口４５から排出された冷温水は、冷温水の出口１２に接続されたＬＮＧ側配管１４、クーリングタワー系統側配管４２を介してクーリングタワー２０１に導かれる。クーリングタワー２０１は、工場建屋、一般ビルに設置される一般的なクーリングタワーである。クーリングタワー２０１で冷却された冷温水は、ポンプ２０２で昇圧されて冷却対象物２０３に導かれ、冷却対象物２０３を冷却し、自身は温度を上げ、従前通りの２０〜３８℃の冷温水になる。２０〜３８℃程度に昇温された冷温水は、クーリングタワー側配管４１、ＬＮＧ側配管１３を介してＬＮＧ蒸発器１００の下部に導かれる。昇温された冷温水の一部は、配管１３から分岐され、センターチューブ管１６内に配設された配管１３Ａを介してＬＮＧ蒸発器１００の下部へと導かれ、出口２３から導出される。

図１において、冷温水の循環系統１が構成される。循環系統１は、ＬＮＧ側配管導入系統１３、これに接続されたクーリングタワー側配管４１、クーリングタワー２０１、クーリングタワー側配管４２、これに接続されたＬＮＧ側配管１４およびＬＮＧ蒸発器１００によって形成される。

図２に、ＬＮＧ蒸発器１００の形態の詳細を示す。図２は、内部が分かるように外筒１０が縦方向に断面され、図１の配置構成が１８０度転回して示されている。外筒１０は、ＳＵＳで形成される。

ＬＮＧ蒸発器１００は、蓋１５で封止された密封容器をなし、蓋１５の中央を貫通して外筒１０の下方にまで伸びるセンターチューブ管１６が中央部に配置される。図２では、センターチューブ管１６が外筒１０の底部を貫通し、先端が塞止された例が示してある。よって、この例では、図１で示す分岐された配管１３Ａが設けられていないが、センターチューブ管１６の下部の一部をＬＮＧ蒸発器１００の内部に開口にする構造にすることで、図１に示す例と同等なものとすることができる。

センターチューブ管１６の周囲には伝熱管コイル１１が巻回して配置してある。伝熱管コイル１１の巻回ピッチは、典型的には各巻回間で同一とされる。図１、図２の図示では伝熱管コイル１１が間隔をおいて表示してあるが、典型的には伝熱管コイル１１間のピッチは小さくされ、密接に配設したものとされる。

伝熱管コイル１１の入口部１８は、外筒１０の下方部側方に設けられ、出口部１９が外筒１０の上方部側方に設けられている。入口部１８が液体ＬＮＧの入口となり、出口部１９が蒸発ＬＮＧの出口となる。入口部１８から導入された液体ＬＮＧは、伝熱管コイル１１内を流れて出口部１９から導出される。出口１９から導出された気体上のＬＮＧは配管３１を介して流れ、圧力調整器３２圧力を調整されて使用機器(図示せず)へと導かれる。伝熱管コイル１１は、交換可能である。

センターチューブ管１６の内径は、伝熱管コイル１１に比べて格段に大きい。よって、伝熱管コイル１１は、径の大きなセンターチューブ管１６に巻回される。

センターチューブ管１６と伝熱管コイル１１との間には間隙２０が設けられる。

外筒１０の下方部側方で、入口部１８の下側に温水入口部２１が、そして外筒１０の上方部側方で、入口部１８の上側に温水出口部２２が設けてある。

図３に、ＬＮＧ入口部１８、ＬＮＧ出口部１９および温水入口部２１、温水出口部２２の配置状況が示してあり、各同一方向で、中央線Ａ，Ｂから離間されて配置され、ＬＮＧ出口部１９および温水入口部２１、温水出口部２２は、水平方向に配置される。温水入口部２１は、内部奥まで挿入され、温水出口部２２は内部に浅く挿入されている。

図４は、温水入口部２２の機能を示し、図４(イ)による冷温水入口部２１の配置によって図４（ロ)に示されるように、導入された冷温水は、挿入角度に依存して内部において旋回動作をすることになる。このように、冷温水には、外筒内を旋回のための運動エネルギーが与えられて冷温水入口部２１から導出され、螺旋状に旋回する。螺旋流は、運動エネルギーとの関係でＬＮＧ 蒸発器１００の下部で強く、上部に行くに従って弱くなる。

図５は巻回するほどに冷温水流れの縦方向のピッチが大きくなる状況を示す。図３におけるＡ，Ｂが図５ではＡ，Ｂ，Ａのように展開して図示してある。

図５に示すように、コイル１１の巻回ピッチは、各巻回間で同一とされているが、冷温水流れのピッチは、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４＜Ｌ５と上方に次第に大きくなる。

温水流速は、望ましくは０．０５ｍ/ｓないし０．２ｍ/ｓ、温水温度２０ないし３５℃が採用される。配管４１を流れる冷温水の温度に比べて若干下がる。

図２〜図４に示すように、外筒１０側面から温水が供給され、その時に温水は、図４に示されるように筒内奥で噴射される。噴射時、温水の噴射角と内壁を利用して螺旋流が形成される。外筒内に設置した巻回する伝熱管コイル１１によって螺旋流が形成され、温水導入時の螺旋流が維持され、上方へと流れる。

外筒１０の中央部にはセンターチューブ管１６が配設してあり、センターチューブ管１６を巻回する伝熱管コイル１１は、伝熱管コイル１１の外側を螺旋状に旋回して流れる冷温水と内側を流れる冷温水との間で熱交換がなされる。センターチューブ管の間に形成される間隙２０においても、伝熱管コイル１１に接触する旋回する螺旋流が形成されるが、伝熱管コイル１１の外側を旋回して流れる冷温水との熱交換量が内側を流れる冷温水との間の熱交換量に比してはるかに大きい。

ＬＮＧ蒸発器１００の外筒内の中央部に、伝熱管コイル管径よりも大きな外形径の筒形状体が配置され、この外筒形状体を巻いて伝熱管コイル１１が配置されて、伝熱管コイル１１による螺旋流の形成に加えて、もしくは伝熱管コイル１１による螺旋流の形成を行わない構造の場合には単独で、巻回した螺旋流形成部材によって螺旋流を形成するようにしてもよい。このように、密接配置した伝熱管コイル１１を巻回して構成し、もしくは巻回した螺旋流形成部材を外筒内に設けることで、センターチューブ管１６の周りにセンターチューブ管１６と共に螺旋状に設けられた螺旋流形成部を形成し、螺旋流の形成を行うことが出来る。

伝熱管コイル１１と筒形状体であるセンターチューブ管１６との間の間隙に形成された旋回する螺旋流についても同様である。旋回する外側螺旋流から分流され、旋回する螺旋流に比べて流速の遅い分流螺旋流が間隙に形成され、分流螺旋流と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換がなされる。螺旋状に設けられた螺旋流形成部材によって螺旋流形成部材に沿ってその外側に、全体流れから分流した形態の螺旋流の形成を行う。

筒形状体の典型的な事例は、図３に示されるセンターチューブ管１６である。筒形状体は、筒状であればよく、丸管状である必要はない。しかし、丸管状のセンターチューブ管１６を採用することが設計上推奨される。

図６に、螺旋流形成部材の１例としてのセンターチューブ管１６の外表面に設けた螺旋状のフイン３１を示す。このフインによっても旋回する螺旋流を形成することができる。フイン３１は、外筒１０の内壁に設けることも設計の１つとされる。

螺旋流形成部材は、センターチューブ管の外表面に設けた螺旋状配置のフイン、螺旋流形成部材が外筒内壁面に設けた螺旋状配置のフイン、あるいは螺旋流形成部材が外筒内壁面の縦方向に配置位置が螺旋状になるように飛び飛びに配置した複数の冷温水投入口を形成することでも形成し得る。当然に、冷温水投入口には、冷温水源が接続され、冷温水が冷温水投入口から外胴内に導入される。また、螺旋流形成部材は、これらの部材と伝熱管コイルとの組み合わせによっても構成され得る。

上述のように器材による流れ形成によっても、また流入する冷温水が持つ運動エネルギーを使用しても螺旋流を形成することができ、螺旋流形成部材は、外筒内を流れる全体流れが伝熱管コイル外側の螺旋流と伝熱管コイル内側の螺旋流に分流状態を形成する形態を含む。

螺旋流形成部材を設けることで、ＬＮＧ蒸発器１００の内部、すなわち外筒１０の内部には、上部側に流れる全体の流れの中に、螺旋流が形成されることになる。全体の流れの中に分流された螺旋流が形成される。このように、ＬＮＧ蒸発器１００の内部には、層流をなして流れる流れと螺旋流とが形成され、図５に示すように、流れ方向の断面面積は、伝熱管コイル１１のピッチ配列(この例では一定)、および運動エネルギーの低下に伴って次第に拡大する螺旋流の仮想長形断面積に比例して徐々に大きくなっていく。螺旋流の流速は、下部であるほど速い。センターチューブ管の外表面に設けた螺旋状配置のフイン３１は、伝熱管コイル１１に近接して伝熱管コイル１１の上側に配設することで、次に述べる仮想長形断面積の螺旋流の中に伝熱管コイル１１の全部もしくは一部を配設することができる。

図７に、形成される螺旋流の仮想長形断面積を模式的に示す。螺旋流を断面して仮想長形断面積が想定され、仮想長形断面積を持つ旋回する螺旋流は、導入された温水として冷温水が衝突する側の伝熱管コイル１１に沿ってその外側に形成される。全体流れは、このような螺旋流として旋回するが螺旋量とならなかった層流からなり、付与される運動エネルギーとの関係で、螺旋流は、下部で仮想長形断面積が小さく、かつ速度が速い。仮想長形断面積は上部に行くに従って大きくなり、かつ速度を落とすことになる。速度の速い螺旋流は、伝熱管コイル１１内を流れるＬＮＧと熱交換する。この時に、螺旋流は、冷温水であるが、熱交換が効率よくなされて、伝熱管コイル外面への氷結を防止することになる。

螺旋流の形状は、温水入口部２１の内部への挿入角度、噴射流速、外筒１０の内径、センターチューブ管１６、巻回する伝熱管コイル１１の形状で決まってくる。

外筒１０の内径が伝熱管コイル１１のコイル外形に比べて余りに大きいと、温水はこの余剰の内部を流れて螺旋流れを作れないか、作られてもわずかな流速の旋回流の形成に留まる。本実施例にあっては、図２に示されるように、伝熱管コイル１１は、外筒１０の内壁に近接して配置してある。

ここでは、伝熱管コイル１１に沿ってその外側に形成される螺旋流を、ここでは上述したように仮想長形管状螺旋流と称する。伝熱管コイル１１は、各ピッチが小さいために、伝熱管コイル１１間に伝熱管コイル１１に沿って外側に形成される螺旋流が筒状形状をなす。伝熱管コイル１１の外側に形成される螺旋流は、全体の流れの中で長形筒管状を呈し、下部ほどその断面積が小さく、流速が速い。仮想長形管状螺旋流の断面積は、運動エネルギーの減少により上方に向かい徐々に大きくなる。それにより流速の減少が生じる。流速の減少が生じても、上にいくほどＬＮＧ側の温度が高くなり氷結の可能性は小さくなり実際上の支障はない。

巻回する伝熱管コイル１１とセンターチューブ管１６の間の間隙２０の間隔は、一定の幅に保持され、巻回する伝熱管コイル１１とセンターチューブ管１６の間に形成される間隙２０において、外筒１０と伝熱管コイル１１との関係と同じくして、一部の冷温水が流れる。

形成される仮想長形管状螺旋流の断面積は、全体の流れの断面積に比べて非常に小さい。その比は、下方部で大きく、上方に行くに連れてその比が小さくなっていく。このために、伝熱管コイル１１の表面における温水流速が飛躍的に速いものとなり、下方部ほど仮想長形管状螺旋流の温水の流速は速い。

伝熱管コイル表面に対する仮想長形管状螺旋流の温水の速い温水流速は、伝熱管コイル１１内を流れる液体ＬＮＧとの熱交換率を向上させる。このために温水が冷温水であっても熱交換が十分になされ、伝熱管コイル１１の外表面でも氷結を抑制することが出来ることになる。また、下方部ほど温水流速が速く、速い温水流速は、伝熱管コイル１１内を流れる液体ＬＮＧとの熱交換率を向上させ、温水が冷温水であっても熱交換が十分になされ、伝熱管コイル１１の下方部外表面でも氷結を確実に抑制することが出来る。

このように低温型ＬＮＧ蒸発器を提供することが出来る。また、本方式では仮に設計流量以上のＬＮＧが流れた場合、伝熱管コイル表面で氷結することがあっても、氷結に伴い螺旋流管路の面積が小さくなりその分流速が速くなることになり、LNGの多少の流量変動、特に、短時間の流量増加にも対応可能になる。

形成される冷温水の仮想長形管状螺旋流の断面積は、上方部に行くに従い運動エネルギーとの関係で大きくなり、仮想長形管状螺旋流の冷温水の流速は徐々に遅くなっていくが、伝熱管コイル１１内を流れるＬＮＧは、下方部における仮想長形管状螺旋流の温水の流速が速い部分で既に蒸発潜熱と顕熱を受け、温度が上昇していることから、仮想長形管状螺旋流の温水の流速は徐々に遅くなっても氷結が抑制される。

このように外筒内の旋回螺旋流の閉塞が防止され、流速が保持されることになる。

従前の例と比較すると、従前の温水循環式ＬＮＧ蒸発器にあっては、温水槽下部から温水を供給し、上部から導出された冷温水をクリーンタワー等に戻すに際して、温水槽内の内部空間部全体を使用して冷温水を上部側に流過させる構造であった。内部空間部分は全体熱容量の確保の観点から大きな直径で設計することになって、必要温水量からすると全体がほぼ層流で上部に流れており、流速も非常に遅い流速であり、管内閉塞の恐れがあったが、本実施例の構造のものにあっては管内閉塞の恐れがない。

次に、螺旋流、すなわち仮想長形管状螺旋流と伝熱管コイル１１内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換を行うことで冷温水によってＬＮＧの蒸発を行った時に、伝熱管コイル外表面における氷結を抑制する試験を行った。この試験について説明する。

本願の発明者等は、低温型ＬＮＧ蒸発器における伝熱コイル表面での氷結生成抑制について検討計算と検証実験を行った。
−検討計算−
○低温型ＬＮＧ蒸発器における伝熱管コイル表面での氷結厚さの検討
○目的：温水式ＬＮＧ蒸発器の温水温度は、従前の例で通常７５℃程度であるが、温水温度を３０℃程度とした場合、伝熱管コイル表面で氷結が予想される。その氷結厚さについて検討計算を行った。
○仮定：仮定した条件は以下の通りである。

１）媒体（流体）はＬＮＧとする。

２）ＬＮＧ流量は１００ｋｇ/ｈとする。

３）定常状態とする。

４）低温水温度は一定とする。
○伝熱コイル断面図：図８に示す通りである。
○氷厚さ算出方法(概要)
１）総括熱抵抗Ｒ_totalを求める。

２）伝熱量Ｑを求める。

３）氷と低温水の界面の温度Ｔ_３を求める。

４）Ｔ_３＝０℃となるようなｒ_３を求める。

５）氷厚さｒ_３−ｒ_２を求める。
○結果：温水の流速・温度をパラメータとした場合の予想氷厚さを、表に示し、表の結果を図で示す。

図９：過冷却状態での予想氷厚さ
図１０：液飽和状態での予想氷厚さ
図１１：ガス飽和状態での予想氷厚さ
−検証実験−
○低温型ＬＮＧ蒸発器における伝熱管コイル表面での氷結生成抑制実験
○目的：温水式ＬＮＧ蒸発器の温水温度は、通常７５℃程度であるが、温水温度を３０℃程度とした場合、伝熱管コイル表面に氷の生成が予想される。分流螺旋流、すなわち仮想長形管状螺旋流と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換を行って、伝熱管コイル外表面における氷結を抑制することが出来るか検証する。
○試験条件
１）試験流体は、液化窒素（LN2）とする。
２）冷温水の温度は、２０〜３８℃とする。
３）冷温水蒸発器の能力は、LNG 100kg/hとする。
４）試験内容は、以下とする。
ケース１：エンタルピー一定試験
LNG100kg/hのエンタルピー相当のLN2を流量一定で供給し、冷温水流量と冷温水温度をパラメータとして変化させる試験。
ケース２： 流速一定試験
LNG100kg/hが蒸発器蛇管内を通過する流速と同等のLN2を流量一定で供給し、冷温水流量と冷温水温度をパラメータとして変化させる試験。
ケース３：低温ブライン液によるエンタルピー一定試験
ケース１と同様の内容で、冷温水をブライン液とした試験。
ケース４：冷温水流量変化試験
ケース１と同様の内容で、冷温水流量を変化させる試験。
○結果考察：
ケース１
（１）低温水流量が増加、温度増加で着氷しにくくなる傾向がある。

（２）低温水型ＬＮＧ蒸発器内は、低温水入口から出口まで旋回流れである。

（３）本低温水型ＬＮＧ蒸発器は、ＬＮＧ蒸発能力１００ｋｇ/ｈを有すると予想される。

（４）低温水流量を設計流量の４倍にすると、伝熱コイル管に振動が生じる。
ケース２
（１）供給流量を減少させると着氷厚さが減少する。

（２）伝熱コイル管表面における着氷が生じやすい位置は、流量に依存しない。

ただし、温水流量・温度が同じ。
ケース３
（１）低温水型ＬＮＧ蒸発器出口ガス温度として約０℃を許容するならば、ブライン液温度０℃・流量６３９００ｋｇ/ｈの条件にて使用する場合、本蒸発器は、ＬＮＧ蒸発能力１００ｋｇ/ｈを有すると予想される。
ケース４
（１）低温水流量が減少で着氷厚さ・範囲が増加する傾向がある。

（２）センターチューブ管側の伝熱コイル管表面に着氷が生成・成長し易い傾向がある。

（３）供給流量２０８．２ｋｇ/ｈ（ＬＮＧ換算流量１００ｋｇ/ｈ）・低温水入口温度２０℃の使用条件における低温水供給流量の下限界値は、低温水型ＬＮＧ蒸発器出口ガス温度の安定性のみから判断すると、約６６００ｋｇ/ｈと推定される。

（４）低温水流量が増加で着氷厚さ・範囲が減少する傾向がある。

（５）低温水流量１８６００ｋｇ/ｈ・低温水入口温度１５℃にて使用する場合、ＬＮＧ蒸発能力１００ｋｇ/ｈを有すると予想される。
このように、分流した螺旋流と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換を行うことは、伝熱管コイル外表面における氷結生成を抑制するのに効果がある。

図９に示される温水温度Ｔ_ｈ/温水流速Ｕ_ｈと氷厚さｔの関係から、本実施例における冷温水とは、温水流速Ｕ_ｈを速めることで氷結を防止することが出来る１５〜５５℃の範囲にある温水が該当し、冷温水に、特に２０〜３８℃における温度の温水が好んで採用される。従前の温水式ＬＮＧ蒸発器の温水温度は、通常７５℃程度であり、５５℃は、７５℃に比べてかなり冷温といえる。事業所内で一般的に設けられたクーリングタワーから排出された温水は、通常２０〜３８℃の範囲にあり、ＬＮＧ蒸発器に接続される前の当該温度が維持された状態で、冷温水としてＬＮＧ蒸発器に導入される。

外筒内に、伝熱管コイルが配置されて、伝熱管コイル自体によって、もしくは外筒内に螺旋状に設けられた螺旋流形成部材によって、外筒内を流れる全体流れから分流状態とされて、伝熱管コイルに沿ってその外側で流速の速められた螺旋流が形成され、当該螺旋流になる冷温水と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換がなされる。

センターチューブ管１６にサブ温水を流すことによる作用効果について説明する。

分流された螺旋流と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換を行うことで伝熱管コイル外表面における氷結を抑制するのに効果があることを説明した。この効果は、冷温水が衝突する伝熱管コイル管外側で大きいが、反対側の伝熱管コイル内側で、流速が遅くなることが予想される。このことを勘案し、氷結が生じることを確実に抑制するために、クーリングタワー系統からの冷温水を配管１３の途中で分流し、配管１３Ａを介してセンチターチューブ管１６の下部に供給することを行う。

これによって、サブ冷温水の持つ熱エネルギーをセンターチューブ管１６に供給し、螺旋流の温度を上げる。伝熱管温度を上げられる。センターチューブ管１６には、熱伝導度の高いアルミ材を使用することが推奨される。

センターチューブ管１６に、図６で示すような螺旋状のフイン３１を取る付けることで
温水流速を上げ、熱交換率を向上させることが出来る。

このようにして、外筒内の中央部に、伝熱管コイル管径よりも大きな径の筒状のセン
ターチューブ管１６を配置し、当該センターチューブ管１６に冷温水循環系から分流されたサブ冷温水を流過させ、熱エネルギーの補給を行う。センターチューブ管１６を流過するサブ冷温水が伝熱管コイル１１を加熱して伝熱管コイル外表面における氷結生成が確実に抑制される。

本実施例によれば、氷結の生成が抑制されることで、冷温水を使用しても、またクーリングタワーからの２０〜３８℃の冷温水が導入されても管閉塞事故が防止され、運転不能になる事態が回避される。本実施例によれば、冷温水に、事業所内で一般的に設けられたクーリングタワーからの冷温水を用いることが出来、液化ＬＮＧを蒸発するに要していたＬＮＧ量を全く消費させないで済む効果が得られ、省エネに有効な対策になる。このように、本発明は、従前のＬＮＧ蒸発器が持つ問題を解決することが出来る。

図１は、熱交換熱源利用方法を示す。

事業所内で使用されるクーリングタワーの系統から排出される冷温水を、ＬＮＧ蒸発器の内部を流れる液体ＬＮＧ加温の熱源として使用するとからなる熱源利用方法であって、
ＬＮＧ蒸発器に、
長手方向に長い筒状の外筒と該外筒内にコイル状に巻かれて配置された伝熱管コイルからなり、外筒内を流れる第一の媒体と伝熱管コイル内を流れる第二の媒体との間で熱交換がなされるもので、該外筒内を流れる第一の媒体がクーリングタワーの系統から排出される冷温水であり、伝熱管コイル内を流れる第二の媒体が液化ＬＮＧであって、
クーリングタワーの系統から排出される冷温水の温度が、従前のクーリングタワーで、冷却後の温度とされた２０〜３８℃の範囲内の温度に維持した状態で、本実施例のクーリングタワーの系統からＬＮＧ蒸発器の内部に当該冷温水が導入されることで、クーリングタワーの系統からの温度が従前通りに維持された低温温水がＬＮＧ蒸発器の低温加熱水として導入され、
ＬＮＧ蒸発器の外筒内で、伝熱管コイル自体によって、もしくは外筒内に螺旋状に設けられた螺旋流形成部材によって外筒内を流れる全体流れから分流状態とされて、伝熱管コイルに沿ってその外側で流速の速められた螺旋流が形成され、当該螺旋流になる冷温水の低温加熱水と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換がなされて、ＬＮＧ蒸発器を導出された冷温水が、従前のＬＮＧ蒸発器への加熱水の温度が７５℃と想定した時に比べて、例えば数℃の状態の低温にされた状態でクーリングタワーの系統に戻され得て、冷温水循環系が形成されること
を特徴とする熱交換熱源利用方法が提案される。
温水式ＬＮＧ蒸発器の温水温度は、通常７５℃程度であり、上述した冷温水の温度２０〜３８℃は、７５℃に比べてかなり冷温度といえる。また、配管１４，４２を介してクーリングタワー２０１に導入される冷温水は、温度がクーリングタワー２０１に導かれた従前の系統の温水に比べてかなり低いものとすることが出来る。このように、クーリングタワーに戻って来る温水を限界まで冷却した冷温水としてＬＮＧ蒸発器１００の使用で冷熱回収することで、クーリングタワーでの冷熱化を極めて簡便に行うことを可能として冷熱効率が上がることになり、またＬＮＧ蒸発器の熱源を別個に設ける必要がなくなるので、事業者は、ＬＮＧ蒸発器の設置をし易くなる。

１…循環系統、１０…外筒、１１…伝熱管コイル、１６…センターチューブ管、２０…間隙、１００…ＬＮＧ蒸発器、２００…冷温水循環系統（クーリングタワー系統）、３００…ＬＮＧ蒸発システム。

Claims (7)

1. 長手方向に長い筒状の外筒と該外筒内にコイル状に巻かれて配置された伝熱管コイルからなり、外筒内を流れる第一の媒体と伝熱管コイル内を流れる第二の媒体との間で熱交換がなされるもので、外筒内を流れる第一の媒体が温水源から流れる冷温水であり、伝熱管コイル内を流れる第二の媒体が液化ＬＮＧであって、冷温水によって液化ＬＮＧが蒸発されるＬＮＧ蒸発器において、
   外筒内の中央部に、伝熱管コイル管径よりも大きな径の筒状のセンターチューブ管が配置され、該センターチューブ管の周りに伝熱管コイルが配置されて、伝熱管コイル自体によって、もしくは外筒内に螺旋状に設けられた螺旋流形成部材によって、外筒内を流れる全体流れから分流状態とされて、伝熱管コイルに沿って流速の速められた螺旋流が形成され、当該螺旋流になる冷温水と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換がなされて、伝熱管コイル外表面における氷結が抑制されること
   を特徴とするＬＮＧ蒸発器。
2. 請求項１に記載されたＬＮＧ蒸発器において、筒形状体が筒状のセンターチューブ管であることを特徴とするＬＮＧ蒸発器。
3. 長手方向に長い筒状の外筒と外筒内にコイル状に巻かれて配置された伝熱管コイルからなり、外筒内を流れる第一の媒体と伝熱管コイル内を流れる第二の媒体との間で熱交換がなされるもので、該外筒内を流れる第一の媒体が温水源から流れる温水であり、伝熱管コイル内を流れる第二の媒体が液化ＬＮＧであって、温水によって液化ＬＮＧが蒸発されるＬＮＧ蒸発器において、
   外筒内の中央部に、伝熱管コイル管径よりも大きな径の筒状のセンターチューブ管が配置され、該センターチューブ管に冷温水源から分流されたサブ冷温水が流過され、該センターチューブ管を巻いて伝熱管コイルが配置されて、該センターチューブ管を巻回して伝熱管コイルが配置され、伝熱管コイル自体によって、もしくは外筒内に螺旋状に設けられた螺旋流形成部材によって、外筒内を流れる全体流れから分流状態とされて、伝熱管コイルに沿って流速の速められた螺旋流が形成され、当該螺旋流になる冷温水と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換がなされ、センターチューブ管を流過するサブ冷温水が螺旋流を加熱して伝熱管コイル外表面における氷結が抑制されること
   を特徴とするＬＮＧ蒸発器。
4. 請求項１から３のいずれかに記載されたＬＮＧ蒸発器において、螺旋流形成部材がセンターチューブ管の外表面に設けた螺旋状配置のフイン、螺旋流形成部材が外筒内壁面に設けた螺旋状のフイン、あるいは螺旋流形成部材が外筒内壁面に配置位置が螺旋状とされた複数の冷温水投入口であることを特徴とするＬＮＧ蒸発器。
5. 長手方向に長い筒状の外筒と該外筒内にコイル状に巻かれて配置された伝熱管コイルからなり、外筒内を流れる第一の媒体と伝熱管コイル内を流れる第二の媒体との間で熱交換がなされるもので、外筒内を流れる第一の媒体が温水源から流れる温水であり、伝熱管コイル管内を流れる第二の媒体が液化ＬＮＧであって、温水によって液化ＬＮＧが蒸発されるＬＮＧ蒸発器による液化ＬＮＧの蒸発方法において、
   外筒内の中央部に、伝熱管コイル管径よりも大きな径の筒状のセンターチューブ管が配置され、該センターチューブ管の周りに伝熱管コイルが配置されて、伝熱管コイル自体によって、もしくは外筒内に螺旋状に設けられた螺旋流形成部材によって、外筒内を流れる全体流れから分流状態とされて、伝熱管コイルに沿って流速の速められた螺旋流を形成し、当該螺旋流になる冷温水と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換を行って伝熱管コイル外表面における氷結を抑制すること
   を特徴とするＬＮＧ蒸発器による液化ＬＮＧの蒸発方法。
6. 長手方向に長い筒状の外筒と該外筒内にコイル状に巻かれて配置された伝熱管コイルからなり、外筒内を流れる第一の媒体と伝熱管コイル内を流れる第二の媒体との間で熱交換がなされるもので、該外筒内を流れる第一の媒体が温水源から流れる温水であり、伝熱管コイル内を流れる第二の媒体が液化ＬＮＧであって、温水によって液化ＬＮＧが蒸発されるＬＮＧ蒸発器による液化ＬＮＧの蒸発方法において、
   外筒内の中央部に、伝熱管コイル管径よりも大きな径の筒状のセンターチューブ管が配置され、当該センターチューブ管に冷温水源から分流されたサブ冷温水が流過され、当該センターチューブ管を巻いて伝熱管コイルが配置されて、当該センターチューブ管を巻回して伝熱管コイルが配置され、伝熱コイル自体によって、もしくは外筒内に螺旋状に設けられた螺旋流形成部材によって、外筒内を流れる全体流れから分流状態とされて、伝熱管コイルに沿って流速の速められた螺旋流を形成し、当該螺旋流になる冷温水と伝熱管コイル内を流れる液化ＬＮＧとの間で熱交換を行い、センターチューブ管を流過するサブ冷温水で螺旋流を加熱して伝熱管コイル外表面における氷結を抑制すること
   を特徴とするＬＮＧ蒸発器による液化ＬＮＧの蒸発方法。
7. 請求項５または６に記載されたＬＮＧ蒸発器による熱交換方法において、事業所内で一般的に設けられたクーリングタワーから排出された温水は、ＬＮＧ蒸発器に接続される前の温度が維持された状態で、冷温水としてＬＮＧ蒸発器に導入されることを特徴とするＬＮＧ蒸発器における熱交換方法。

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