JP4498527B2

JP4498527B2 - 熱交換体における氷着形状解析方法及びそれを用いた熱交換体の形状最適化方法

Info

Publication number: JP4498527B2
Application number: JP2000068682A
Authority: JP
Inventors: 健小笠原; 優関口; 進一伊藤; 優秋山; 秀元鹿島; 憲宏久田
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2020-03-13
Also published as: JP2001255078A

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、特にオープンラック型気化装置に用いる気化装置用フィンチューブなどの熱交換体の形状を最適化する方法に関し、より詳しくは、熱交換体の表面に熱媒体水の散水により生成する氷着状態を解析する熱交換体における氷着形状解析方法、及びその氷着形状解析方法による解析結果を用いて、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形状を決定する熱交換体の形状最適化方法に関する。
【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】
この発明は、オープンラック型ＬＮＧ気化装置における熱交換体ヘの氷着形状を解析可能にし、また熱交換体の形状と氷着形状との相関関係を解析可能にして、熱交換効率を高めることが可能な熱交換体の形状の最適化を図ることができる熱交換体における氷着形状解析方法及びそれを用いた熱交換体の形状最適化方法の提供を目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、LNGの気化装置であるORVにおけるフィンチューブの熱交換効率を高めること目的に種々検討し、フィンチューブ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、複雑な形状をしたフィンチューブ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。
【０００９】
また、発明者らは、フィンチューブ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フィンチューブの最適形状を求めるための手法について種々検討した。
【００１０】
その結果、発明者らは、フィンチューブ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、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と、フィンチューブの最適形状を決定できることを知見し、この発明を完成した。
【００１１】
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、熱交換体の所定高さ位置における水平断面形状に対して、外表面の氷着形状、内面温度（Ｔ）及び氷着面での熱流速（ＨＦ）を入力条件として予め設定する工程と、予め設定された入力条件につい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工程と、氷着形状の修正収束による氷着形状の変化に伴って入力条件を変更する工程と、変更された入力条件について再度、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工程と、収束前後の氷着形状の差が一定値以下になるまで入力条件の変更、及び氷着形状の修正収束計算を繰り返して氷着形状を最終決定する工程とにより、熱交換体の外表面に付着する氷着形状を解析する熱交換体における氷着形状解析方法、及び当該氷着形状解析方法により、熱交換体の外表面に付着する氷着形状を解析した結果を基に、所定の設定条件下における熱交換効率に優れた熱交換体の所定高さ位置における水平断面形状、又は高さ方向の所定範囲における外面形状、若しくはこれら両方の形状を決定する熱交換体の形状最適化方法である。
【００１２】
また、この発明は、上記方法において、
液化ガス気化装置用のフィンチューブなどの熱交換体の内面温度、熱交換体の所定高さ位置における水平断面形状並びに該形状に予め設定した節点群と要素点群、氷着面での熱流束(Heat Flux)を入力条件として有限要素法、有限差分法あるいは境界要素法を用いる評価方法、
有限要素法または有限差分法を境界要素法と併用して複数の氷着形状を解析し、複数モデルで評価を行う評価方法を併せて提案する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明において、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、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。
【００１４】
従って、境界要素法を用いる方法を以下に詳述する。また、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。この評価方法の計算フローは、図１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。
【００１５】
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、すなわち氷着形状を修正収束させる内側ループと、その収束結果に基づいて入力条件を変更する外側ループと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。以下、順に計算過程を説明する。
【００１６】
（１）計算条件となる物性値、例えばフィンチューブ材質の熱伝導率、氷の熱伝導率、氷着温度、さらにフィンチューブ内面、外面の形状、ならびに海水温度、海水流量などの操業条件が設定される。
【００１７】
(2) 氷着面での総熱流束は、氷着面積×熱伝達係数×(海水温度−氷着温度)の式で表され、また、外面からの総熱流束と内面の総熱流束が等しいことから、下記式から計算される。従って、はじめに氷着形状を仮定すると、フィンチューブ内面温度はそれに応じて一意的に決まる。フィンチューブ内面温度は、下記式より求める。
フィンチューブ内面の総熱流束=フィンチューブ内面積×LNG熱伝達率×(内面温度−LNG温度)
【００１８】
(3) 図2に単管モデルの解析として、フィンチューブの節点および要素点の配置例を示す。図2aには節点番号を、図2bには要素番号を示す。いずれも図2aで内側の実線がフィンチューブで同一材質のものを示し、外側の実線が計算前の氷着形状を示している。
【００１９】
(4)さらに氷着面の変化を合理的に行うための基準となる点を適宜設定する。この基準となる点に向かって氷着が厚くなったり、薄くなったりする。すなわち、突出するフィン間の半径線上やフィンの中心半径線上に節点を設定する。この基準となる点を設定するに際し、その原点からの距離を氷着が厚い場合には予め長くまた、薄い場合には予め短く設定するなどの工夫をすることは言うまでもない。
【００２０】
(5)氷着層が薄く、極端な場合には部分的に無くなった場合には、連続した1つの層でなくなった場合には、領域数を増やすかまたは近似的に薄氷に収束したと仮定して分割した連続な1つの領域として扱う工夫が必要である。
【００２１】
（６）氷着形状を表す節点座標（Ｘ，Ｙ）は、図２のごとく予め設定する。しかし、この氷着形状面上の温度を境界要素法で計算すると当然氷着温度ではない。以下の方法で、氷着面形状を修正する。
【００２２】
ここで、始めに設定した氷着面節点座標を(X_n-1,Y_n-1)とし、そこでの計算温度をT_n-1、基準となる点から氷着面節点座標に向かって伸ばした線がフィンチューブ面上で交差する節点座標を(x,y)とその温度tとから次式のように新しい氷着面節点座標(X_n,Y_n)が求められる。
X_n=x+(氷着温度-t)/(T-t)×(X_n-1‐x)
Y_n=y+(氷着温度-t)/(T-t)×(Y_n-1‐y)
【００２３】
(7) 上述の新氷着面形状を入力として境界要素計算を再度実行する。この収束計算は(X_n-1,Y_n-1)と(X_n,Y_n)との差が一定値以下になるまで繰り返す。
【００２４】
(8) 氷着面形状が求められると、氷着面からの総熱流束が次式のように求められる。
総熱流束=氷着面積×海水熱伝達係数×(海水温度-氷着温度)
【００２５】
この総熱流束とフィンチューブ内面温度とは次式の関係で結ばれている。
フィンチューブ内面温度=総熱流束/フィンチューブ内面積/LNG熱伝達率+LNG温度
【００２６】
当然、フィンチューブ内面温度を変化させると氷着面形状も変化する。従って、上式で求めた新たなフィンチューブ温度を用いて再度氷着形状を求め直すこととなる。計算前後の氷着面形状の差が有る一定値以下になるまで計算を繰り返す。
【００２７】
以上の境界要素法を用いて解析して得た氷着形状は、図3a,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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
【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以下の計算条件で実施した。パネル状フィンチューブの節点および要素番号の配置は、図2に示すとおりである。
【００３２】
【表１】

【００３３】
算出された氷着形状を表すと図3a,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。
【００３４】
【表２】

【００３５】
【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、該形状に予め外表面の氷着形状、内面温度（Ｔ）及び氷着面での熱流速（ＨＦ）を入力条件として、氷着形状を修正収束させる内側ループと、その収束結果に基づいて入力条件を変更する外側ループとを繰り返すことにより、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共に、フィンチューブなどの熱交換体の最適形状を決定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】氷着形状推定計算のフローチャート図である。
【図２】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はフィンチューブの節点、bは要素番号の配置例を示す。
【図３】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

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、熱交換体の所定高さ位置における水平断面形状に対して、外表面の氷着形状、内面温度（Ｔ）及び氷着面での熱流速（ＨＦ）を入力条件として予め設定する工程と、予め設定された入力条件につい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工程と、氷着形状の修正収束による氷着形状の変化に伴って入力条件を変更する工程と、変更された入力条件について再度、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工程と、収束前後の氷着形状の差が一定値以下になるまで入力条件の変更、及び氷着形状の修正収束計算を繰り返して氷着形状を最終決定する工程とにより、熱交換体の外表面に付着する氷着形状を解析する熱交換体における氷着形状解析方法。
請求項１に記載の熱交換体における氷着形状解析方法において、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氷着形状の最終決定を行う熱交換体における氷着形状解析方法。
請求項１又は２に記載の熱交換体における氷着形状解析方法において、入力条件からの氷着形状の算出に、境界要素法を用いるか、前記境界要素法に代えて、或いは前記境界要素法と共に、有限要素法又は有限差分法を用いる熱交換体における氷着形状解析方法。
請求項１〜３の何れかに記載の熱交換体における氷着形状解析方法により、熱交換体の外表面に付着する氷着形状を解析した結果を基に、所定の設定条件下における熱交換効率に優れた熱交換体の所定高さ位置における水平断面形状、又は高さ方向の所定範囲における外面形状、若しくはこれら両方の形状を決定する熱交換体の形状最適化方法。