JP3200946B2 - 冷熱取出用熱交換器の充填材 - Google Patents

冷熱取出用熱交換器の充填材

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    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/106Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、低温液化ガス配管の外
側に冷媒管を抱かせてなる冷熱取出用熱交換器の低温液
化ガス配管と冷媒管との間に詰める充填材に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】LNG(液化天然ガス)の冷熱を簡便に
取り出す方法として、特開平03−70959号公報に
示すように、LNG母管を直接竹輪型熱交換器で包み、
熱交換器にフロン等の冷媒を流すことにより冷熱を取り
出すものがある。
【0003】図2はこの熱交換装置の側面図である。図
3は図2のB−B断面の拡大図である。これらの図にお
いて、1は竹輪型熱交換器、2はLNG母管、3は冷媒
管である。竹輪型熱交換器1は二つ割りの構造で、器体
1a,器体1bに分割されており、それぞれの両端に設
けられたフランジをボルト締めすることにより、LNG
母管2を包み込んで一体に構成されている。なお、器体
1a,器体1b,はそれぞれ隔壁4a,4b,により隔
てられる二重構造となっており、この隔壁には交通孔が
開けられていて、器体1a,器体1bはそれぞれが単体
の容器状の管路を形成している。冷媒管3は冷媒入管3
a,冷媒出管3d,連結管3b,3cとから成り、冷媒
は入管3aから器体1a内へ送り込まれ、器体1aから
連結管3bへ入り、連結管3bに直結された連結管3c
を通り抜けて器体1bへ入り、器体1bを通り冷媒出管
3dを抜けて戻るようになっている。
【0004】このような構成であるから、LNG母管2
内に液化天然ガスを流しながら、冷媒管3を通して竹輪
型熱交換器1内にフロン等の冷媒を循環させることによ
り、冷熱を取り出すことができる。
【0005】この場合、竹輪型熱交換器1とLNG母管
2の製作精度の関係から、竹輪型熱交換器1の内径はL
NG母管2の外径より少し大きめにしてある。この隙間
はおよそ5mmであり、この隙間に熱伝導率の高い充填材
5を充填し、熱交換性能を高めるようにしてある。この
充填材5として伝熱セメントが一般的に使用される。伝
熱セメントは、グラファイトと高分子バインダーとを混
練したもので、常温で半固体の性状を示すものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】伝熱セメントに含まれ
るグラファイトは、高い熱伝導率を示すものであるが、
混練する高分子バインダーの熱伝導率が極めて低いた
め、混練物の伝導セメントの熱伝導率は総体的に低いも
のとなり、更に温度の低下による収縮率が大きいので、
空気の混入量が多くなりLNGの冷熱取り出し性能が悪
くなるという問題がある。
【0007】本発明は、このような問題点を解決する為
になされたもので、熱伝導率が高く且つ温度の低下によ
る収縮率が小さく、冷熱取り出し性能の高い充填材を得
ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、低温液化ガス配管の外側に冷媒管を抱か
せてなる冷熱取出用熱交換器の低温液化ガス配管と冷媒
管との間に詰める充填材を、水分を含み、含水比と乾燥
密度を調整して熱伝導率を1W/mKより大きくした粘
性土、水飽和した粘性土、水を結氷させたもの、又は水
と銅粉の混合物を結氷させたものとしたことを特徴とす
るものである。
【0009】
【作用】粘性土は、土の成分の中で本発明の目的に適す
る物性値を有する物である。図4は土の三相成分を体積
および重量の比率で解析する場合の構成図であるが、こ
の図の記号を使つて粘性土の物性値を示すと、 (1)含水比(W)=Mw/Ms×100(%) (2)飽和度(S)=Vw/Vp×100(%) (3)乾燥密度(γd )=Ms/V 今、密度をρ(M/V),土粒子の比重をG(Ms/V
s)とすると、S=ρGW/〔G(1+W)−ρ〕×1
00(%)と表現できる。
【0010】水を含む粘性土の熱伝導率の変化は図5に
示される。図5は、Andersland and A
ndersonによる粘性土(凍結)の熱伝導率と含水
比・乾燥密度の関係を示す曲線図で、Geotechn
ical engineering for cold
regions 1978 に発表されている。これ
は温度が約−10℃の凍結状態における測定結果であ
る。これによれば、熱伝導率は含水比と乾燥密度に依存
し、水飽和条件の下で最大値は、2W/mKを示すこと
が証明されている。
【0011】次に図6は、Temperature d
ependence of frozen soil
1977 に発表された粘性土の熱伝導率と温度の関係
を示す曲線図である。これによれば、温度の低下につれ
て水飽和した粘性土の熱伝導率は増大して、LNG温度
−162℃では3.3W/mKの値となる。他方、従来
の充填材の熱伝導率は、−162℃で0.9W/mKで
あるから、水飽和した粘性土を使うことにより熱伝導性
能は、約3.7倍となることが示されている。
【0012】更に、従来の充填材では温度が低下するに
つれての収縮量が大きく、この為に隙間が生じて熱交換
性能が低くなる問題があるが、これに対し水飽和した粘
性土は、ほぼ0℃で凍結する際に体積が膨張するので、
隙間が生じることがなく密着性が保たれ、熱交換性能を
良好に保つことが出来る。また、従来の充填材に比べ、
粘性土の場合は粘着性があるので、熱交換器に付着し易
く施工が容易である。
【0013】次に、図8氷の熱伝導率と温度の関係曲線
図(S.Sawada,Temperature de
pendence of thermal condu
ctivity of frozen soil,19
77)に示されるように、氷の伝導率は温度の低下と共
に増大し、LNG温度−162℃では、4.9W/m・
k(=4.2kcal/m・h℃)となる。これに対
し、従来の充填材である伝熱セメントの熱伝導率は、−
162℃で0.76kcal/m・h℃であるから、氷
は伝熱セメントの5.5倍の熱伝導性能を有しているこ
とを示す。又従来の充填材では、温度が低下するにつれ
て収縮して隙間を生じるため、益々熱伝導性能が低下す
るが、氷は結氷する際に体積が膨張するので、周囲との
密着性が保たれ、熱伝導性能が低下することはない。な
お、銅粉を混入すると熱伝導性能がさらに増大すること
が明らかになった。
【0014】
【実施例】図1は本発明の一実施例を示す熱交換装置の
断面図である。図において6は粘性土を示す。その他の
符号において、図2,図3と同一の符号は同一又は相当
部分を示す。図によって明らかのように、本発明は図
2,図3に示したものと同様の熱交換器に用いられる充
填材として、伝熱セメントの代わりに粘性土6を用いた
ものである。即ちその方法は、従来の伝熱セメントの場
合と同じく、竹輪型熱交換器1の器体1a,1bの内面
へ粘性土6を5mm程度の厚さに均一に塗り付け、この器
体1a,1bでLNG母管2を包んだ後フランジをボル
トで締めつけ、その後冷媒管3をそれぞれ連結した。
【0015】次に竹輪型熱交換器1内にフロン22を満
たし、ポンプを駆動させて冷媒管3を通じてフロン22
を循環させた。このように従来と同様に通常の運転を行
なって後熱交換性能を計測し、従来のものと比較した
所、次の様な結果が得られた。 (1)水分を含む粘性土(含水比=50%)を用いた場
合、熱交換量(Kcal/m2・h)は伝熱セメントの
場合より約40%良好であった。 (2)水飽和した粘性土(含水比=60%)を用いた場
合、熱交換量(Kcal/m2・h)は伝熱セメントの場
合より約60%良好であった。
【0016】図7は本発明の他の実施例の熱交換装置図
で、図7(a)は側面図、図7(b)は図7(a)のA
−A断面図である。図において6はボッチ、7は注水
口、8はオーバーフロー口、5aは竹輪型熱交換器1と
LNG母管2との間隙を示す。その他、図3と同一の符
号は同一又は相当部分を示す。 図によって明らかのよ
うに、本発明は図3に示した従来型と同様であるが、熱
交換器1の内面に、半球状の突起のボッチ6aを取付
け、かつ熱交換器1を貫通して注水口7、オーバーフロ
ー口8が設けられている。このボッチ6aは、竹輪型熱
交換器1の器体1a,1bを組み合わせてLNG母管2
を包み、フランジをボルトで締めつけた時、LNG母管
2の外周全体にわたり両者の間隙5aをほぼ均一にする
為のもので、高さ5〜10mmの硬質ゴム製である。注水
口7、オーバーフロー口8は径が20 mm程度のもので、
注水口7から水を注ぎ、間隙5aに水を満たし、間隙5
aが水で満たされた後、オーバーフロー口8から水が溢
れ出るようになっている。間隙5aを満たした水は、L
NGの冷熱により凍結して氷に変わるので、ここに氷を
充填材とした竹輪型熱交換器が形成される。
【0017】この実施例について説明する。竹輪型熱交
換器1をLNG母管2の外周に間隙5aが5mmになるよ
うに取付け、間隙5aから水が漏れないように止水処理
を行なった後、水を90℃の温度に加熱し、注水口7よ
り間隙5aに注入する。オーバーフロー口8より温水が
溢れた時点で注水を停止し、注水口7、オーバーフロー
口8に栓をする。この様にすることで温水はLNG母管
2の冷温で氷結し、間隙5aは氷で充填されたものとな
る。次に竹輪型熱交換器1の器体1a,1b内をフロン
22で満たした後、ポンプを駆動してフロンを循環させ
て熱交換性能を計測した所、熱交換量(kcal/m2
・h)は従来の伝熱セメントより80%増大した。
【0018】更にまた、充填材の伝熱率を高める為に5
00μ程度の銅粉を水と共に間隙5に注入し、前記と同
様に水と銅粉の混合物をLNG母管2の冷温で氷結させ
て充填材とし、熱交換性能を計測した所、熱交換量(k
cal/m2 ・h)は伝熱セメントの場合の2倍の値が
得られた。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、低温液化ガス配管の外
周に取付けられる熱交換器との間隙の充填材を、水分を
含む粘性土、水又は水と銅粉の混合物を凍結させること
により、熱伝導率が高く且つ密着性の良い充填材が得ら
れ、LNGの冷熱を効率よく取り出すことができる。こ
のため同じ冷熱量を取り出す場合、従来に比べて熱交換
器を小型化出来る上、充填材の水、粘性土は極めて安価
であるため、総合的に冷熱取出装置の設備費を大巾に低
減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例の熱交換装置の断面図である。
【図2】熱交換装置の側面図である。
【図3】図2のB−B断面の拡大図である。
【図4】土の三相成分の構成図である。
【図5】粘性土の熱伝導率と含水比・乾燥密度の関係を
示す曲線図である。
【図6】粘性土の熱伝導率と温度の関係を示す曲線図で
ある。
【図7】本発明他の実施例の熱交換装置図で、図7
(a)は側面図であり、図7(b)は図7(a)のA−
A断面の拡大図である。
【図8】氷の熱伝導率と温度の関係曲線図である。
【符号の説明】
1.竹輪型熱交換器 2.LNG母管 3.冷媒管 4.隔壁 5.充填材 5a.間隙 6.粘性土 6a.ボッチ 7.注水口 8.オーバーフロー口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大久保 正和 東京都千代田区丸の内1丁目1番2号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 吉留 正七 東京都千代田区丸の内1丁目1番2号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 木村 隆廣 東京都千代田区丸の内1丁目1番2号 日本鋼管株式会社内 審査官 柳田 利夫 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F28D 7/10 F28D 9/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 低温液化ガス配管の外側に冷媒管を抱か
    せてなる冷熱取出用熱交換器の低温液化ガス配管と冷媒
    管との間に詰める充填材において、該充填材を、水分を
    含み、含水比と乾燥密度を調整して熱伝導率を1W/m
    Kより大きくした粘性土としたことを特徴とする冷熱取
    出用熱交換器の充填材。
  2. 【請求項2】 低温液化ガス配管の外側に冷媒管を抱か
    せてなる冷熱取出用熱交換器の低温液化ガス配管と冷媒
    管との間に詰める充填材において、該充填材を水飽和し
    た粘性土としたことを特徴とする冷熱取出用熱交換器の
    充填材。
  3. 【請求項3】 低温液化ガス配管の外側に冷媒管を抱か
    せてなる冷熱取出用熱交換器の低温液化ガス配管と冷媒
    管との間に詰める充填材において、該充填材を水を結氷
    させたものとしたことを特徴とする冷熱取出用熱交換器
    の充填材。
  4. 【請求項4】 低温液化ガス配管の外側に冷媒管を抱か
    せてなる冷熱取出用熱交換器の低温液化ガス配管と冷媒
    管との間に詰める充填材において、該充填材を水と銅粉
    の混合物を結氷させたものとしたことを特徴とする冷熱
    取出用熱交換器の充填材。
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