JP4494584B2 - 熱交換体の形状評価方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液化天然ガス（以下ＬＮＧという）の気化装置に用いる気化装置、特にオープンラック型ＬＮＧ気化装置に使用されるフィンチューブなどの熱交換体の内外形状を最適化する方法に関し、フィンチューブ外表面に熱媒体水の散水により生成する氷着状態を解析し、また、氷着形状と伝熱経路並びにチューブ内形状と伝熱・気化状況を解析して、例えばフィンチューブの熱交換効率の向上が達成可能なフィンチューブの内外形状を評価したり、ＬＮＧの処理量が最大となるように最適化解析を行い、最適な形状を決定できる熱交換体の形状評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
LNG気化装置としては、オープンラック型気化器(ORV)、サブマージド気化器(SMV)等の気化器が利用されており、又、該気化器などで昇温気化させた天然ガス(以下NGという)を加熱するのに、ブレージングヒーター、温水式加熱器等が用いられていた。
【０００３】
LNGの気化装置として多用されるORVは、例えば直径方向に一対のフィンを突出させたフィンチューブをフィン方向に配列して一枚のパネル状となし、その上下端部にヘッダータンクを設けて熱交換パネルを構成し、該パネルを複数連立配置して、下部ヘッダータンクからLNGを導入して熱交換パネル内を上昇させ、上方に配設した散水用トラフより熱媒体の海水を熱交換パネル面に流下させる間に熱交換する構造である。
【０００４】
また、オープンラック型気化器は、上部から下部へと導出するダウンフロー式の構成もある。さらに、都市ガスとして使用される場合、低熱量のLNGに高熱量の液化石油ガス(以下LPGという)を混入して熱量調整を行うカロリー調整のために、混合時期の特定や装置の構成に改良を加えるなど、種々の構成がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ORVにおいて、LNGは液体時の極低温から気化して気体となり、さらに昇温されるまでの170℃以上の温度範囲にわたって、気化器外からの熱とLNGの冷熱との熱交換が行われる。従って、フィンチューブを用いたORV自体の熱交換効率を向上させるためには、チューブ内に導入されたLNG量より要求される熱量が、如何に入熱して熱交換された冷熱が放散するかという、気化器としての基本構造がすぐれている必要がある。
【０００６】
また、下部ヘッダータンクからLNGを導入してフィンチューブ内を上昇させる際には、下部ヘッダータンクからフィンチューブ下部の外表面に散水される熱媒体の海水が氷着することが避けられない。しかし、氷着状態でも熱交換は的確に行われる必要があり、熱交換効率を向上させるには不可避の氷着とフィンチューブの形状(フィン長さ、幅、ピッチまたはチューブ内径など)との相関関係を適切にしてやる必要があると考えられる。
【０００７】
さらに、フィンチューブ内では多成分系のLNGの蒸発が進行するが、氷着とフィンチューブの形状との相関関係を適切にするとともに、チューブ内におけるコア部と通路形状による伝熱状態と、LNGの蒸発にともなう気液混相状態との相関関係を適切にして、如何に効率よくLNGを蒸発させるかが重要であると考えられる。
【０００８】
この発明は、オープンラック型ＬＮＧ気化装置におけるフィンチューブヘの氷着形状を解析可能にし、またフィンチューブの形状と氷着形状との相関関係を解析可能にする熱交換体の形状評価方法の提供を目的としている。また、この発明は、伝熱経路並びにチューブ内形状と伝熱・気化状況を解析して、熱交換効率を高めることが可能なフィンチューブの内形状の最適化を図ることが可能な熱交換体の形状評価方法の提供を目的としている。さらに、この発明は、所要の目的設定を行った熱交換体に最適な内外面形状をそれぞれ求めることが可能な熱交換体の形状評価方法の提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、ORVにおけるフィンチューブなどの熱交換体の熱交換効率を高めること目的に種々検討し、熱交換体の氷着状態を解析することに着目して鋭意検討した結果、有限要素法、有限差分法あるいは境界要素法によって、複雑な形状をした熱交換体外表面へ付着した氷の厚みなどを推定することが可能であることを知見した。
【００１０】
発明者らは、熱交換体内で多成分系のLNGなどの被気化流体の熱伝達率を算定する手法について種々検討した結果、数値解析的なアプローチとして、熱交換体内では数値流動解析で流れを計算し、伝熱特性や圧力損失特性を求め実測値と比較した結果、数値解析でほぼシミュレーションできることを知見した。
【００１１】
発明者らは、外面の形状変化による外部の伝熱特性（熱伝達率及び伝熱面積）が算定可能になったこと、内部の形状変化による内部の伝熱特性（単相域の熱伝達率及び蒸発域の熱伝達率）が算定可能になったことから、上記の各手段により伝熱性能の数値計算ができることに着目し、外面、内面の形状を種々変化させてそれらの伝熱計算を実施し、ＬＮＧの処理量（許容負荷）を算定し、目的関数としてこのＬＮＧの処理量が最大となるように最適化解析を行うことにより、目的に応じた性能が発揮できる内外面形状を有する熱交換体を選定できることを知見し、この発明を完成した。
【００１２】
一方、発明者らは、熱交換体の氷着状態を解析した結果を基に、氷を介在させた状態で適切な熱交換が可能となるように熱交換体の最適形状を求めるための手法について種々検討した。その結果、発明者らは、熱交換体の所定高さ位置における所要の水平断面形状をモデルとし、該形状に予め氷着形状を表す節点群と要素点群を設定して氷着面での熱流束などを入力条件に、有限要素法、有限差分法あるいは境界要素法によって氷着長さを求めて、熱交換体ヘの氷着形状を解析し、該モデル形状とその表面への氷着形状を検討すると、熱交換体の外面の最適形状を決定できることを知見した。
【００１３】
また、発明者らは、数値解析が困難であった蒸発域の伝熱特性については、実験的なアプローチとして、LNG実液試験を行って採取したデータを整理統合し、異なる伝熱管形状にも使用可能なようにデータベース化し、蒸発伝熱推定式を確立して、伝熱性能計算を可能にし、内部形状変化に対して蒸発域の熱伝達率を計算することにより形状の変化との関連を解析し、例えばこれに応答曲面法を採用して近似最適形状を求め、熱交換体の内面の最適形状を決定できることを知見した。
【００１４】
すなわち、この発明は、熱交換体の外表面に供給され流下する熱媒体との熱交換により、熱交換体内に導入されたＬＮＧを気化するオープンラック型ＬＮＧ気化装置において、熱交換体の外表面形状、又は内表面形状、若しくはこれら両方の表面形状を特定の目的関数について評価して最適化する熱交換体の形状評価方法であって、熱交換体内部での熱伝達率、並びに熱交換体外部での熱伝達率及び伝熱面積を数値計算により求めた上で、それらを用いて当該熱交換体の伝熱性能を数値計算する伝熱性能計算工程と、当該熱交換体に予め設定された目的関数について、前記性能計算結果から評価を行い、目的関数の評価が最適となる近似最適表面形状を決定する形状最適化工程とを有し、更なる最適解を求めて表面形状を変化させながら前記伝熱性能計算工程及び前記形状最適化工程を繰り返すと共に、前記熱交換体の伝熱性能を計算する際に、熱交換体の所定高さ位置における水平断面形状に対して、氷着面温度が氷着温度となるまで氷着形状の修正を繰り返して収束させる内側収束ループと、氷着形状の修正収束による氷着形状の変化に伴い再度、氷着面温度が氷着温度となるまで氷着形状の修正を繰り返して収束させる外側収束ループとを繰り返して求めた、熱交換体の外表面における解析氷着形状を用いる熱交換体の形状評価方法である。
【００１５】
また、この発明は、上記熱交換体の外面形状の変化において、数値伝熱解析が、熱媒体液の熱伝達実験式による方法、外表面に付着する氷着形状と伝熱面積を境界要素法を用いて解析する方法のいずれかを用いる熱交換体の形状評価方法を提案する。
【００１６】
また、この発明は、上記熱交換体の内面形状の変化において、数値伝熱解析が、被伝熱流体の数値流動解析法、被伝熱流体の蒸発実験に基づく蒸発熱伝達率実験式を用いて、数値解析で流体側の熱伝達率を求める方法のいずれかを用いる熱交換体の形状評価方法を提案する
【００１７】
【発明の実施の形態】
熱交換体としてオープンラック型ＬＮＧ気化装置用のフィンチューブを例に説明する。図１に評価手段のフローチャート図を示すごとく、熱交換体の１）内側形状変更、すなわちチューブ内部形状が円筒状であるのを例えば、図２に示すごとく水平断面で多数個の突起部を形成した内部スターフィン形状有するチューブを想定したと仮定した場合、この形状の変更に伴う２）ＬＮＧ側単相部の熱伝達率の変化を数値流動解析にて把握し、また３）ＬＮＧ側蒸発部の熱伝達率の変化を例えば蒸発部実験式により捕らえることができる。ここではチューブの内部形状が異なる毎にチューブ形状ケース番号を予め付与しておく。
【００１８】
内側形状変更に伴うLNG側単相部の熱伝達率の変化とLNG側蒸発部の熱伝達率の変化を、算出、解析すること、並びにこれらの4)伝熱性能計算を行うことにより、前記の所定の内側形状における熱伝達率等の性能を評価することができる。
【００１９】
ここで、評価の基準となる、例えば伝熱性能はもちろんLNG処理量やコスト、寸法など種々の目的を設定して、その目的の関数に対して種々想定される内部形状を有するチューブのそれぞれの性能を評価すると、例えば図3Aに示すごとくチューブ形状ケース番号とLNG処理量との関係のように相対評価が可能になる。よって、種々のチューブ内形状は評価目的ごとにどのような性能を有するかを判断できる。
【００２０】
また、前述の性能計算に準じて5)応答曲面作成し、6)近似最適形状決定を行い、さらに最適解を求めて上記のステップを7)繰り返して行うことにより、内側形状における伝熱性能にすぐれた最適形状を決定することができる。
【００２１】
一方、熱交換体の外側形状についても同様であり、10)外側形状変更、すなわちチューブ外部形状が円筒状であるのを例えば、図2に示すごとく水平断面で4〜8個の突起部を形成した外部スターフィン形状を想定したと仮定した場合、この形状の変更に伴う11)海水側の熱伝達率の変化を落下液膜の熱伝達率実験式にて把握し、また12)の氷着形状・伝熱面積の変化を境界要素法により捕らえることができる。ここでチューブの外部形状が異なる毎にチューブ形状ケース番号を予め付与しておく。
【００２２】
外側形状変更に伴う海水側の熱伝達率の変化と氷着形状・伝熱面積の変化を、算出、解析すること、並びにこれらの13)伝熱性能計算を行うことにより、前記の所定の外側形状における熱伝達率等の性能を評価することができる。
【００２３】
ここで、評価の基準となる、例えば伝熱性能はもちろんLNG処理量やコスト、寸法など種々の目的を設定して、その目的の関数に対して種々想定される外部形状のそれぞれの性能を評価すると、例えば図3Aに示すごとくチューブ形状ケース番号とLNG処理量との関係のように相対評価が可能になる。よって、種々のチューブ内形状は評価目的ごとにどのような性能を有するかを判断できる。
【００２４】
もちろん、前述の性能計算に準じて14)応答曲面作成し、15)近似最適形状決定を行い、さらに最適解を求めて上記のステップを16)繰り返して行うことにより、外側形状における伝熱性能にすぐれた最適形状を決定することができる。
【００２５】
上述のように、予め熱交換体の内外面の形状について、種々の形状を想定しておき、これらの各内外面の形状ごとに、予め設定する評価目的ごとの性能評価が実施されていた場合、熱交換体に要求される特性に応じて、図3A、図3Bに示すごとく、前記評価目的ごとの性能評価より内側形状及び外側形状の組合せを選定することが容易に実施できる。
【００２６】
また、図1に評価手段のフローチャート図を示すごとく、まず、内側形状変更に伴うLNG側単相部の熱伝達率の変化を数値流動解析し、LNG側蒸発部の熱伝達率の変化を数値計算し、一方、外側形状変更に伴う海水側熱伝達率の変化を数値計算し、氷着形状・伝熱面積の変化を境界要素法で解析する。
【００２７】
次に、これらの解析結果を、伝熱性能計算プログラムに従ってLNG処理量を目的関数として評価し、同様にコスト計算プログラムに従ってコスト目的関数として評価し、この性能計算に準じて応答曲面法を用いて、応答曲面作成し、LNG処理量最大化並びにコスト最小化となる近似最適形状決定を行い、さらに最適解を求めて上記のステップを繰り返して行うことにより、最適形状を決定することができる。
【００２８】
この発明において、熱交換体の内面形状の変化に伴う伝熱特性の変化を求めるための数値伝熱解析方法としては、公知の種々の手段が採用できるが、例えば、被伝熱流体の数値流動解析法、被伝熱流体の蒸発実験に基づく蒸発熱伝達率実験式を用いて、数値解析で流体側の熱伝達率を求める方法が好適である。
【００２９】
ここで、数値流動解析によるLNG側単相部の熱伝達率の評価は、内部を流れるLNGおよびNGの速度分布、温度分布並びに伝熱状態について行うとよい。また、LNG側蒸発部熱伝達率の解析は、蒸発部熱伝達率実験式を用いることができる。また、蒸発部熱伝達率実験式は、混相状態をクオリティにて分類して精度を高めるなどの手法が採用できる。
【００３０】
この発明において、熱交換体の外面形状の変化に伴う伝熱特性の変化を求めるための数値伝熱解析方法としては、公知の種々の手段が採用できるが、例えば、熱媒体液の熱伝達実験式による方法、外表面に付着する氷着形状と伝熱面積を境界要素法を用いて解析する方法が好適である。また、有限要素法または有限差分法は、境界内部領域をメッシュ分割する必要があるのに対し、境界要素法では境界上でのみメッシュ分割(節点設定)すれば良いことから、特に境界要素法が氷着形状を求める場合に最も簡単であり、適している。
【００３１】
ここで、性能計算は、伝熱の入力条件、例えばチューブ本数、長さ、運転圧力などにより、氷着高さ、NG出温度、圧力損失を算出するものである。性能計算の各出力結果に対して制限条件、例えば氷着高さ所定値以下としたり、NG出温度を規定するなどの制限により、LNG処理量(許容負荷)が決定される。
【００３２】
この発明において、目的関数にはいずれの評価基準も採用可能である。例えば、伝熱効率、被伝熱流体の処理量、設備コスト、ランニングコスト等を採用できる。
【００３３】
この発明において、最適化解析方法としては、応答曲面法、あるいは実験計画法等が適宜採用できる。例えば、応答曲面法は、算出した目的関数をもとに応答曲面を作成し、その中で近似最適形状を決定することが可能である。
【００３４】
また、上述した外面形状の評価、内面形状の評価を合わせて、熱変換効率を向上させるのに最適なサイズや内外面形状を有するフィンチューブを決定する。すなわち、a)外側形状変更に伴う氷着形状、伝熱面積の変動を境界要素法で解析した結果と、b)内側形状変更に伴う単相jfファクター、LNG側熱伝達率の変動の解析結果とを合わせて、c)性能計算(氷着高さ、NG出温度、圧力損失)して許容負荷の変動として把握し、これらの結果をd)応答曲面法により応答曲面を作成し、さらにe)近似最適形状の決定を行うことも可能である。
【００３５】
熱交換体の外面形状の評価に境界要素法を用いる評価方法を以下に詳述する。この評価方法の計算フローは、図4に示すように液化ガスが通過するフィンチューブの内面温度(T)、氷着面での熱流束(HF)と氷着面形状を設定して、境界要素法(BEM)計算を行い、氷着面温度が氷着温度(-2℃)となるように氷着面形状を修正しながら境界要素法の計算を繰り返し収束させる。
【００３６】
次に、収束結果として求められる氷着長さと海水流量、海水温度、氷着面での海水熱伝達係数から求められる氷着面での総熱流束からフィンチューブの内面温度(T')を算出し、先に仮定したフィンチューブ内面温度(T)を修正する。このように内側と外側の2つの収束ループを繰り返すことにより、氷着形状ならびに氷着面での総熱流束が求められる。
【００３７】
以上の境界要素法を用いて解析して得た氷着形状は、図5a,b,cに示すごとく、例えば、高さ毎でLNG温度またはLNG熱伝達率および海水温度または海水側熱伝達率が変化するのでこれに応じて氷着形状が変化する。同様に、フィンチューブ形状を変化させると着氷面の位置および氷着形状が変化することになる。
【００３８】
すなわち、熱交換パネルを形成するチューブの所要高さ位置の水平断面形状において、適切な熱交換が実行されるようにフィンの径方向高さ及び/又はフィン数を決定して、最適形状を求めることができる。また、チューブの内周面に複数の軸方向の内壁溝を有する場合、内壁溝の深さ及び/又は本数がどのように熱交換効率に関与するか、評価して最適形状を求めることができる。
【００３９】
さらに、上記のフィンチューブの所要高さ位置の水平断面形状の評価は、フィンチューブ長さ、すなわち高さ方向に順次評価することによって、フィンチューブ内で熱交換されるLNG温度に応じたフィン形状、フィンの径方向高さ及び/又はフィン数などが求められることになる。同様にチューブの内壁溝の設定もチューブ長さ方向で最適化することが可能である。よって、チューブ長さを長尺化する場合にもフィンチューブの内外の形状の評価、最適化を実施する。
【００４０】
この発明方法を用いて解析した結果、フィンの高さを増加させるに従い、フィンチューブ内面の熱流束が増加するが、ある程度以上増加させてもその効果が少なくなることが確認された。またフィンの数についても調査した結果、ある場合にはフィンの数が14枚の時に最高の熱流束を示した。このように、使用状況に応じてフィンチューブの形状に関する最適化が可能となった。
【００４１】
以上の外面形状の評価方法は、フィンチューブ内の形状が所定形状であることを前提にしてこれが変化しない場合を想定している。次の内面形状の評価の場合も、外面形状がある所定の形状であることを想定し、内面形状の変化による伝熱状態や蒸発の状態の変化を解析する。
【００４２】
このように予め熱交換体の内外面の形状について、種々の形状を想定して各形状ごとに、予め設定する評価目的ごとの性能評価が可能となり、熱交換体に要求される特性に応じて、前記評価目的ごとの性能評価より好ましい内側形状及び外側形状の組合せを選定することができる。
【００４３】
【実施例】
前述した境界要素法を用いた氷着形状の解析方法を実施した。パネル状フィンチューブに節点および要素番号を設定した。
【００４４】
【表１】
【００４５】
算出された氷着形状を表すと図4a,b,cの結果を得た。1/4周長の実績と計算結果およびチューブ内面温度と平均外表面熱流束は、表2に示す通りである。計算結果は実測結果と良く一致していることが分かる。このようにこの発明方法の結果の妥当性を検証しながら、使用状態に最適なフィンチューブの形状の最適化を行った。
【００４６】
【表２】
【００４７】
次に、フィンチューブ水平断面で4〜8個の突起部を形成した内部スターフィン形状を想定して、内部を流れるLNGおよびNGの速度分布、温度分布並びに伝熱状態について図1に示すフローチャートに従って解析、評価を行った。
【００４８】
伝熱、気化効率が最大になるようにフィンチューブのサイズ、内外面形状を求めたところ、150ton/hrの処理能力を有する従来のORVに対し、伝熱面積を約25%削減、設置スペースを約30%縮小できることを確認した。
【００４９】
【発明の効果】
この発明は、オープンラック型ＬＮＧ気化装置におけるフィンチューブなどの熱交換体の所定高さ位置における所要の水平断面形状をモデルとし、該形状に予め氷着形状を表す節点群と要素点群を設定して氷着面での熱流束などを入力条件として境界要素法によって氷着長さを求めて、フィンチューブヘの氷着形状を解析し、該モデル形状とその表面への氷着形状を検討することができ、熱交換体の外面形状を種々変化させた時の各性能を評価できる。また、この発明は、フィンチューブなどの熱交換体内での多成分系のＬＮＧの蒸発に際してのＬＮＧの流れを数値流動解析で把握し、伝熱特性や圧力損失特性を求めることができ、内面形状を種々変化させた時の各性能を評価できる。
【００５０】
この発明は、外面の形状変化による外部の熱伝達率及び伝熱面積の変化、すなわち伝熱特性が算定可能で、また内部の形状変化による内部の単相域の熱伝達率及び蒸発域の熱伝達率が算定可能であり、例えば、外面、内面の形状を種々変化させてそれらの伝熱計算を実施し、目的関数としてＬＮＧの処理量（許容負荷）を算定し、このＬＮＧの処理量が最大となるように最適化解析を行うことにより、目的に応じた性能が発揮できる内外面形状を有する熱交換体を選定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明よる熱交換体の形状の最適化方法を実施するためのフローチャート図である。
【図２】 A〜Dは、この発明において種々想定したチューブ形状の一例を示すチューブの水平断面形状の説明図である。
【図３】 Aはチューブ形状ケース番号とLNG処理量との関係を示すグラフ、Bはチューブ形状ケース番号とコストとの関係を示すグラフである。
【図４】この発明よる氷着形状推定計算のフローチャート図である。
【図５】フィンチューブの水平断面形状の1/4をx-y座標軸上に示すグラフであり、aは1m高さ位置、bは2m高さ位置、cは3m高さ位置を示す。
【発明の属する技術分野】
この発明は、液化天然ガス（以下ＬＮＧという）の気化装置に用いる気化装置、特にオープンラック型ＬＮＧ気化装置に使用されるフィンチューブなどの熱交換体の内外形状を最適化する方法に関し、フィンチューブ外表面に熱媒体水の散水により生成する氷着状態を解析し、また、氷着形状と伝熱経路並びにチューブ内形状と伝熱・気化状況を解析して、例えばフィンチューブの熱交換効率の向上が達成可能なフィンチューブの内外形状を評価したり、ＬＮＧの処理量が最大となるように最適化解析を行い、最適な形状を決定できる熱交換体の形状評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
LNG気化装置としては、オープンラック型気化器(ORV)、サブマージド気化器(SMV)等の気化器が利用されており、又、該気化器などで昇温気化させた天然ガス(以下NGという)を加熱するのに、ブレージングヒーター、温水式加熱器等が用いられていた。
【０００３】
LNGの気化装置として多用されるORVは、例えば直径方向に一対のフィンを突出させたフィンチューブをフィン方向に配列して一枚のパネル状となし、その上下端部にヘッダータンクを設けて熱交換パネルを構成し、該パネルを複数連立配置して、下部ヘッダータンクからLNGを導入して熱交換パネル内を上昇させ、上方に配設した散水用トラフより熱媒体の海水を熱交換パネル面に流下させる間に熱交換する構造である。
【０００４】
また、オープンラック型気化器は、上部から下部へと導出するダウンフロー式の構成もある。さらに、都市ガスとして使用される場合、低熱量のLNGに高熱量の液化石油ガス(以下LPGという)を混入して熱量調整を行うカロリー調整のために、混合時期の特定や装置の構成に改良を加えるなど、種々の構成がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ORVにおいて、LNGは液体時の極低温から気化して気体となり、さらに昇温されるまでの170℃以上の温度範囲にわたって、気化器外からの熱とLNGの冷熱との熱交換が行われる。従って、フィンチューブを用いたORV自体の熱交換効率を向上させるためには、チューブ内に導入されたLNG量より要求される熱量が、如何に入熱して熱交換された冷熱が放散するかという、気化器としての基本構造がすぐれている必要がある。
【０００６】
また、下部ヘッダータンクからLNGを導入してフィンチューブ内を上昇させる際には、下部ヘッダータンクからフィンチューブ下部の外表面に散水される熱媒体の海水が氷着することが避けられない。しかし、氷着状態でも熱交換は的確に行われる必要があり、熱交換効率を向上させるには不可避の氷着とフィンチューブの形状(フィン長さ、幅、ピッチまたはチューブ内径など)との相関関係を適切にしてやる必要があると考えられる。
【０００７】
さらに、フィンチューブ内では多成分系のLNGの蒸発が進行するが、氷着とフィンチューブの形状との相関関係を適切にするとともに、チューブ内におけるコア部と通路形状による伝熱状態と、LNGの蒸発にともなう気液混相状態との相関関係を適切にして、如何に効率よくLNGを蒸発させるかが重要であると考えられる。
【０００８】
この発明は、オープンラック型ＬＮＧ気化装置におけるフィンチューブヘの氷着形状を解析可能にし、またフィンチューブの形状と氷着形状との相関関係を解析可能にする熱交換体の形状評価方法の提供を目的としている。また、この発明は、伝熱経路並びにチューブ内形状と伝熱・気化状況を解析して、熱交換効率を高めることが可能なフィンチューブの内形状の最適化を図ることが可能な熱交換体の形状評価方法の提供を目的としている。さらに、この発明は、所要の目的設定を行った熱交換体に最適な内外面形状をそれぞれ求めることが可能な熱交換体の形状評価方法の提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、ORVにおけるフィンチューブなどの熱交換体の熱交換効率を高めること目的に種々検討し、熱交換体の氷着状態を解析することに着目して鋭意検討した結果、有限要素法、有限差分法あるいは境界要素法によって、複雑な形状をした熱交換体外表面へ付着した氷の厚みなどを推定することが可能であることを知見した。
【００１０】
発明者らは、熱交換体内で多成分系のLNGなどの被気化流体の熱伝達率を算定する手法について種々検討した結果、数値解析的なアプローチとして、熱交換体内では数値流動解析で流れを計算し、伝熱特性や圧力損失特性を求め実測値と比較した結果、数値解析でほぼシミュレーションできることを知見した。
【００１１】
発明者らは、外面の形状変化による外部の伝熱特性（熱伝達率及び伝熱面積）が算定可能になったこと、内部の形状変化による内部の伝熱特性（単相域の熱伝達率及び蒸発域の熱伝達率）が算定可能になったことから、上記の各手段により伝熱性能の数値計算ができることに着目し、外面、内面の形状を種々変化させてそれらの伝熱計算を実施し、ＬＮＧの処理量（許容負荷）を算定し、目的関数としてこのＬＮＧの処理量が最大となるように最適化解析を行うことにより、目的に応じた性能が発揮できる内外面形状を有する熱交換体を選定できることを知見し、この発明を完成した。
【００１２】
一方、発明者らは、熱交換体の氷着状態を解析した結果を基に、氷を介在させた状態で適切な熱交換が可能となるように熱交換体の最適形状を求めるための手法について種々検討した。その結果、発明者らは、熱交換体の所定高さ位置における所要の水平断面形状をモデルとし、該形状に予め氷着形状を表す節点群と要素点群を設定して氷着面での熱流束などを入力条件に、有限要素法、有限差分法あるいは境界要素法によって氷着長さを求めて、熱交換体ヘの氷着形状を解析し、該モデル形状とその表面への氷着形状を検討すると、熱交換体の外面の最適形状を決定できることを知見した。
【００１３】
また、発明者らは、数値解析が困難であった蒸発域の伝熱特性については、実験的なアプローチとして、LNG実液試験を行って採取したデータを整理統合し、異なる伝熱管形状にも使用可能なようにデータベース化し、蒸発伝熱推定式を確立して、伝熱性能計算を可能にし、内部形状変化に対して蒸発域の熱伝達率を計算することにより形状の変化との関連を解析し、例えばこれに応答曲面法を採用して近似最適形状を求め、熱交換体の内面の最適形状を決定できることを知見した。
【００１４】
すなわち、この発明は、熱交換体の外表面に供給され流下する熱媒体との熱交換により、熱交換体内に導入されたＬＮＧを気化するオープンラック型ＬＮＧ気化装置において、熱交換体の外表面形状、又は内表面形状、若しくはこれら両方の表面形状を特定の目的関数について評価して最適化する熱交換体の形状評価方法であって、熱交換体内部での熱伝達率、並びに熱交換体外部での熱伝達率及び伝熱面積を数値計算により求めた上で、それらを用いて当該熱交換体の伝熱性能を数値計算する伝熱性能計算工程と、当該熱交換体に予め設定された目的関数について、前記性能計算結果から評価を行い、目的関数の評価が最適となる近似最適表面形状を決定する形状最適化工程とを有し、更なる最適解を求めて表面形状を変化させながら前記伝熱性能計算工程及び前記形状最適化工程を繰り返すと共に、前記熱交換体の伝熱性能を計算する際に、熱交換体の所定高さ位置における水平断面形状に対して、氷着面温度が氷着温度となるまで氷着形状の修正を繰り返して収束させる内側収束ループと、氷着形状の修正収束による氷着形状の変化に伴い再度、氷着面温度が氷着温度となるまで氷着形状の修正を繰り返して収束させる外側収束ループとを繰り返して求めた、熱交換体の外表面における解析氷着形状を用いる熱交換体の形状評価方法である。
【００１５】
また、この発明は、上記熱交換体の外面形状の変化において、数値伝熱解析が、熱媒体液の熱伝達実験式による方法、外表面に付着する氷着形状と伝熱面積を境界要素法を用いて解析する方法のいずれかを用いる熱交換体の形状評価方法を提案する。
【００１６】
また、この発明は、上記熱交換体の内面形状の変化において、数値伝熱解析が、被伝熱流体の数値流動解析法、被伝熱流体の蒸発実験に基づく蒸発熱伝達率実験式を用いて、数値解析で流体側の熱伝達率を求める方法のいずれかを用いる熱交換体の形状評価方法を提案する
【００１７】
【発明の実施の形態】
熱交換体としてオープンラック型ＬＮＧ気化装置用のフィンチューブを例に説明する。図１に評価手段のフローチャート図を示すごとく、熱交換体の１）内側形状変更、すなわちチューブ内部形状が円筒状であるのを例えば、図２に示すごとく水平断面で多数個の突起部を形成した内部スターフィン形状有するチューブを想定したと仮定した場合、この形状の変更に伴う２）ＬＮＧ側単相部の熱伝達率の変化を数値流動解析にて把握し、また３）ＬＮＧ側蒸発部の熱伝達率の変化を例えば蒸発部実験式により捕らえることができる。ここではチューブの内部形状が異なる毎にチューブ形状ケース番号を予め付与しておく。
【００１８】
内側形状変更に伴うLNG側単相部の熱伝達率の変化とLNG側蒸発部の熱伝達率の変化を、算出、解析すること、並びにこれらの4)伝熱性能計算を行うことにより、前記の所定の内側形状における熱伝達率等の性能を評価することができる。
【００１９】
ここで、評価の基準となる、例えば伝熱性能はもちろんLNG処理量やコスト、寸法など種々の目的を設定して、その目的の関数に対して種々想定される内部形状を有するチューブのそれぞれの性能を評価すると、例えば図3Aに示すごとくチューブ形状ケース番号とLNG処理量との関係のように相対評価が可能になる。よって、種々のチューブ内形状は評価目的ごとにどのような性能を有するかを判断できる。
【００２０】
また、前述の性能計算に準じて5)応答曲面作成し、6)近似最適形状決定を行い、さらに最適解を求めて上記のステップを7)繰り返して行うことにより、内側形状における伝熱性能にすぐれた最適形状を決定することができる。
【００２１】
一方、熱交換体の外側形状についても同様であり、10)外側形状変更、すなわちチューブ外部形状が円筒状であるのを例えば、図2に示すごとく水平断面で4〜8個の突起部を形成した外部スターフィン形状を想定したと仮定した場合、この形状の変更に伴う11)海水側の熱伝達率の変化を落下液膜の熱伝達率実験式にて把握し、また12)の氷着形状・伝熱面積の変化を境界要素法により捕らえることができる。ここでチューブの外部形状が異なる毎にチューブ形状ケース番号を予め付与しておく。
【００２２】
外側形状変更に伴う海水側の熱伝達率の変化と氷着形状・伝熱面積の変化を、算出、解析すること、並びにこれらの13)伝熱性能計算を行うことにより、前記の所定の外側形状における熱伝達率等の性能を評価することができる。
【００２３】
ここで、評価の基準となる、例えば伝熱性能はもちろんLNG処理量やコスト、寸法など種々の目的を設定して、その目的の関数に対して種々想定される外部形状のそれぞれの性能を評価すると、例えば図3Aに示すごとくチューブ形状ケース番号とLNG処理量との関係のように相対評価が可能になる。よって、種々のチューブ内形状は評価目的ごとにどのような性能を有するかを判断できる。
【００２４】
もちろん、前述の性能計算に準じて14)応答曲面作成し、15)近似最適形状決定を行い、さらに最適解を求めて上記のステップを16)繰り返して行うことにより、外側形状における伝熱性能にすぐれた最適形状を決定することができる。
【００２５】
上述のように、予め熱交換体の内外面の形状について、種々の形状を想定しておき、これらの各内外面の形状ごとに、予め設定する評価目的ごとの性能評価が実施されていた場合、熱交換体に要求される特性に応じて、図3A、図3Bに示すごとく、前記評価目的ごとの性能評価より内側形状及び外側形状の組合せを選定することが容易に実施できる。
【００２６】
また、図1に評価手段のフローチャート図を示すごとく、まず、内側形状変更に伴うLNG側単相部の熱伝達率の変化を数値流動解析し、LNG側蒸発部の熱伝達率の変化を数値計算し、一方、外側形状変更に伴う海水側熱伝達率の変化を数値計算し、氷着形状・伝熱面積の変化を境界要素法で解析する。
【００２７】
次に、これらの解析結果を、伝熱性能計算プログラムに従ってLNG処理量を目的関数として評価し、同様にコスト計算プログラムに従ってコスト目的関数として評価し、この性能計算に準じて応答曲面法を用いて、応答曲面作成し、LNG処理量最大化並びにコスト最小化となる近似最適形状決定を行い、さらに最適解を求めて上記のステップを繰り返して行うことにより、最適形状を決定することができる。
【００２８】
この発明において、熱交換体の内面形状の変化に伴う伝熱特性の変化を求めるための数値伝熱解析方法としては、公知の種々の手段が採用できるが、例えば、被伝熱流体の数値流動解析法、被伝熱流体の蒸発実験に基づく蒸発熱伝達率実験式を用いて、数値解析で流体側の熱伝達率を求める方法が好適である。
【００２９】
ここで、数値流動解析によるLNG側単相部の熱伝達率の評価は、内部を流れるLNGおよびNGの速度分布、温度分布並びに伝熱状態について行うとよい。また、LNG側蒸発部熱伝達率の解析は、蒸発部熱伝達率実験式を用いることができる。また、蒸発部熱伝達率実験式は、混相状態をクオリティにて分類して精度を高めるなどの手法が採用できる。
【００３０】
この発明において、熱交換体の外面形状の変化に伴う伝熱特性の変化を求めるための数値伝熱解析方法としては、公知の種々の手段が採用できるが、例えば、熱媒体液の熱伝達実験式による方法、外表面に付着する氷着形状と伝熱面積を境界要素法を用いて解析する方法が好適である。また、有限要素法または有限差分法は、境界内部領域をメッシュ分割する必要があるのに対し、境界要素法では境界上でのみメッシュ分割(節点設定)すれば良いことから、特に境界要素法が氷着形状を求める場合に最も簡単であり、適している。
【００３１】
ここで、性能計算は、伝熱の入力条件、例えばチューブ本数、長さ、運転圧力などにより、氷着高さ、NG出温度、圧力損失を算出するものである。性能計算の各出力結果に対して制限条件、例えば氷着高さ所定値以下としたり、NG出温度を規定するなどの制限により、LNG処理量(許容負荷)が決定される。
【００３２】
この発明において、目的関数にはいずれの評価基準も採用可能である。例えば、伝熱効率、被伝熱流体の処理量、設備コスト、ランニングコスト等を採用できる。
【００３３】
この発明において、最適化解析方法としては、応答曲面法、あるいは実験計画法等が適宜採用できる。例えば、応答曲面法は、算出した目的関数をもとに応答曲面を作成し、その中で近似最適形状を決定することが可能である。
【００３４】
また、上述した外面形状の評価、内面形状の評価を合わせて、熱変換効率を向上させるのに最適なサイズや内外面形状を有するフィンチューブを決定する。すなわち、a)外側形状変更に伴う氷着形状、伝熱面積の変動を境界要素法で解析した結果と、b)内側形状変更に伴う単相jfファクター、LNG側熱伝達率の変動の解析結果とを合わせて、c)性能計算(氷着高さ、NG出温度、圧力損失)して許容負荷の変動として把握し、これらの結果をd)応答曲面法により応答曲面を作成し、さらにe)近似最適形状の決定を行うことも可能である。
【００３５】
熱交換体の外面形状の評価に境界要素法を用いる評価方法を以下に詳述する。この評価方法の計算フローは、図4に示すように液化ガスが通過するフィンチューブの内面温度(T)、氷着面での熱流束(HF)と氷着面形状を設定して、境界要素法(BEM)計算を行い、氷着面温度が氷着温度(-2℃)となるように氷着面形状を修正しながら境界要素法の計算を繰り返し収束させる。
【００３６】
次に、収束結果として求められる氷着長さと海水流量、海水温度、氷着面での海水熱伝達係数から求められる氷着面での総熱流束からフィンチューブの内面温度(T')を算出し、先に仮定したフィンチューブ内面温度(T)を修正する。このように内側と外側の2つの収束ループを繰り返すことにより、氷着形状ならびに氷着面での総熱流束が求められる。
【００３７】
以上の境界要素法を用いて解析して得た氷着形状は、図5a,b,cに示すごとく、例えば、高さ毎でLNG温度またはLNG熱伝達率および海水温度または海水側熱伝達率が変化するのでこれに応じて氷着形状が変化する。同様に、フィンチューブ形状を変化させると着氷面の位置および氷着形状が変化することになる。
【００３８】
すなわち、熱交換パネルを形成するチューブの所要高さ位置の水平断面形状において、適切な熱交換が実行されるようにフィンの径方向高さ及び/又はフィン数を決定して、最適形状を求めることができる。また、チューブの内周面に複数の軸方向の内壁溝を有する場合、内壁溝の深さ及び/又は本数がどのように熱交換効率に関与するか、評価して最適形状を求めることができる。
【００３９】
さらに、上記のフィンチューブの所要高さ位置の水平断面形状の評価は、フィンチューブ長さ、すなわち高さ方向に順次評価することによって、フィンチューブ内で熱交換されるLNG温度に応じたフィン形状、フィンの径方向高さ及び/又はフィン数などが求められることになる。同様にチューブの内壁溝の設定もチューブ長さ方向で最適化することが可能である。よって、チューブ長さを長尺化する場合にもフィンチューブの内外の形状の評価、最適化を実施する。
【００４０】
この発明方法を用いて解析した結果、フィンの高さを増加させるに従い、フィンチューブ内面の熱流束が増加するが、ある程度以上増加させてもその効果が少なくなることが確認された。またフィンの数についても調査した結果、ある場合にはフィンの数が14枚の時に最高の熱流束を示した。このように、使用状況に応じてフィンチューブの形状に関する最適化が可能となった。
【００４１】
以上の外面形状の評価方法は、フィンチューブ内の形状が所定形状であることを前提にしてこれが変化しない場合を想定している。次の内面形状の評価の場合も、外面形状がある所定の形状であることを想定し、内面形状の変化による伝熱状態や蒸発の状態の変化を解析する。
【００４２】
このように予め熱交換体の内外面の形状について、種々の形状を想定して各形状ごとに、予め設定する評価目的ごとの性能評価が可能となり、熱交換体に要求される特性に応じて、前記評価目的ごとの性能評価より好ましい内側形状及び外側形状の組合せを選定することができる。
【００４３】
【実施例】
前述した境界要素法を用いた氷着形状の解析方法を実施した。パネル状フィンチューブに節点および要素番号を設定した。
【００４４】
【表１】
算出された氷着形状を表すと図4a,b,cの結果を得た。1/4周長の実績と計算結果およびチューブ内面温度と平均外表面熱流束は、表2に示す通りである。計算結果は実測結果と良く一致していることが分かる。このようにこの発明方法の結果の妥当性を検証しながら、使用状態に最適なフィンチューブの形状の最適化を行った。
【００４６】
【表２】
次に、フィンチューブ水平断面で4〜8個の突起部を形成した内部スターフィン形状を想定して、内部を流れるLNGおよびNGの速度分布、温度分布並びに伝熱状態について図1に示すフローチャートに従って解析、評価を行った。
【００４８】
伝熱、気化効率が最大になるようにフィンチューブのサイズ、内外面形状を求めたところ、150ton/hrの処理能力を有する従来のORVに対し、伝熱面積を約25%削減、設置スペースを約30%縮小できることを確認した。
【００４９】
【発明の効果】
この発明は、オープンラック型ＬＮＧ気化装置におけるフィンチューブなどの熱交換体の所定高さ位置における所要の水平断面形状をモデルとし、該形状に予め氷着形状を表す節点群と要素点群を設定して氷着面での熱流束などを入力条件として境界要素法によって氷着長さを求めて、フィンチューブヘの氷着形状を解析し、該モデル形状とその表面への氷着形状を検討することができ、熱交換体の外面形状を種々変化させた時の各性能を評価できる。また、この発明は、フィンチューブなどの熱交換体内での多成分系のＬＮＧの蒸発に際してのＬＮＧの流れを数値流動解析で把握し、伝熱特性や圧力損失特性を求めることができ、内面形状を種々変化させた時の各性能を評価できる。
【００５０】
この発明は、外面の形状変化による外部の熱伝達率及び伝熱面積の変化、すなわち伝熱特性が算定可能で、また内部の形状変化による内部の単相域の熱伝達率及び蒸発域の熱伝達率が算定可能であり、例えば、外面、内面の形状を種々変化させてそれらの伝熱計算を実施し、目的関数としてＬＮＧの処理量（許容負荷）を算定し、このＬＮＧの処理量が最大となるように最適化解析を行うことにより、目的に応じた性能が発揮できる内外面形状を有する熱交換体を選定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明よる熱交換体の形状の最適化方法を実施するためのフローチャート図である。
【図２】 A〜Dは、この発明において種々想定したチューブ形状の一例を示すチューブの水平断面形状の説明図である。
【図３】 Aはチューブ形状ケース番号とLNG処理量との関係を示すグラフ、Bはチューブ形状ケース番号とコストとの関係を示すグラフである。
【図４】この発明よる氷着形状推定計算のフローチャート図である。
【図５】フィンチューブの水平断面形状の1/4をx-y座標軸上に示すグラフであり、aは1m高さ位置、bは2m高さ位置、cは3m高さ位置を示す。
Claims (6)
- 熱交換体の外表面に供給され流下する熱媒体との熱交換により、熱交換体内に導入されたＬＮＧを気化するオープンラック型ＬＮＧ気化装置において、熱交換体の外表面形状、又は内表面形状、若しくはこれら両方の表面形状を特定の目的関数について評価して最適化する熱交換体の形状評価方法であって、
熱交換体内部での熱伝達率、並びに熱交換体外部での熱伝達率及び伝熱面積を数値計算により求めた上で、それらを用いて当該熱交換体の伝熱性能を数値計算する伝熱性能計算工程と、当該熱交換体に予め設定された目的関数について、前記性能計算結果から評価を行い、目的関数の評価が最適となる近似最適表面形状を決定する形状最適化工程とを有し、
更なる最適解を求めて表面形状を変化させながら前記伝熱性能計算工程及び前記形状最適化工程を繰り返すと共に、前記熱交換体の伝熱性能を計算する際に、熱交換体の所定高さ位置における水平断面形状に対して、氷着面温度が氷着温度となるまで氷着形状の修正を繰り返して収束させる内側収束ループと、氷着形状の修正収束による氷着形状の変化に伴い再度、氷着面温度が氷着温度となるまで氷着形状の修正を繰り返して収束させる外側収束ループとを繰り返して求めた、熱交換体の外表面における解析氷着形状を用いる熱交換体の形状評価方法。 - 熱交換体の外面形状の変化において、数値計算が、熱媒体液の熱伝達実験式による方法、外表面に付着する氷着形状と伝熱面積を、境界要素法を用いて解析する方法のいずれかを用いる請求項１に記載の熱交換体の形状評価方法。
- 熱交換体の内面形状の変化において、数値計算が、被伝熱流体の数値流動解析法、被伝熱流体の蒸発実験に基づく蒸発熱伝達率実験式を用いて、計算で流体側の熱伝達率を求める方法のいずれかを用いる請求項１に記載の熱交換体の形状評価方法。
- 目的関数が、伝熱効率、被伝熱流体であるＬＮＧの処理量、設備コスト、ランニングコストのいずれかである請求項１に記載の熱交換体の形状評価方法。
- 最適化解析方法が、応答曲面法、実験計画法のいずれかである請求項１に記載の熱交換体の形状評価方法。
- 氷着形状解析方法を熱交換体の高さ位置が異なる複数の水平断面形状に対して行う請求項１に記載の熱交換体の形状評価方法。
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