JP6482350B2 - 気化設備 - Google Patents
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Description
当該オープンラック式の気化器は、一般的には、LNGが外部から導入される下部ヘッダと、LNGを内部に通流する複数の伝熱管と、LNGを気化して得られる天然ガスが導入される上部ヘッダとから構成されており、下部ヘッダと上部ヘッダとに複数の伝熱管が連通接続されると共に、複数の伝熱管の内部を通流するLNGと外部を通流する熱媒(大気又は海水)とを熱交換する形態で、LNGを気化するように構成されている。
当該オープンラック式気化器は、伝熱管において、熱媒としての海水や大気が、非常に低い温度のLNG(例えば、―165℃程度)と熱交換するため、伝熱管の外部に着霜する場合がある。この場合、着霜が発生している部分においては、LNGと熱媒との熱交換が行われなくなる。
そこで、従来の気化設備においては、特許文献1の図1に示すように、一対の気化器を備え、外部から導かれるLNGを、一対の気化器に対して所定時間毎に交互に導いて気化するように構成し、伝熱管にLNGを通流しない時間を設ける形態で、伝熱管の外部に付着した霜を除去している。
作動媒体が充填され音波が伝播する音響筒に、前記作動媒体を外部から加熱する加熱器と前記作動媒体を外部から冷却する冷却器と前記加熱器と前記冷却器との間で音波を増幅する再生器とから成る原動機を少なくとも1つ以上設けると共に、音波の振動から電力を発生させる電力発生機を設ける熱音響機関を少なくとも1つ以上備え、
外部から導かれるLNGを加熱用媒体と熱交換させて気化する気化器を備え、
外部から導かれるLNGの導入温度よりも低い融点を有する第1熱媒を循環する第1熱媒循環路を備え、
前記第1熱媒循環路は、前記加熱用媒体として第1熱媒を前記気化器へ導くと共に、前記作動媒体を冷却する冷却用熱媒として第1熱媒を前記冷却器へ導くように配設されている点にある。
更には、第1熱媒循環路は、第1熱媒を熱音響機関の冷却器へ導くため、当該冷却器にて、第1熱媒が回収したLNGの冷熱にて、作動媒体を良好に冷却することができ、当該冷熱エネルギを原動機にて音波の振動エネルギに変換し、更には、電力発生機にて音波の振動を電力に変換する形態で、LNGが冷熱として保有するエネルギを、電力として取り出すことができる。
以上より、気化器を単一として構成の小型化を図ることができながらも、気化器での着霜を防ぐことができ、LNGの保有する冷熱から良好に電力としてエネルギを取り出すことができる気化設備を提供できる。
少なくとも前記第1熱媒よりも高温の第2熱媒を内部に通流する第2熱媒通流路を備え、
一の前記熱音響機関が、前記音響筒に複数の前記原動機を備え、
前記第1熱媒循環路は、前記原動機の夫々に設けられる前記冷却器へ、前記原動機の特定並び方向で、順に第1熱媒を導くように配設され、
前記原動機の夫々に設けられる前記加熱器へ、前記特定並び方向と逆方向で、順に第2熱媒を導く第2熱媒循環路が設けられている点にある。
一の前記熱音響機関が、前記音響筒に複数の前記原動機を備え、
前記第1熱媒循環路は、前記熱音響機関に第1熱媒を導く前に、前記熱音響機関に設けられる前記原動機の数に1対1に対応する複数の第1熱媒循環支管に分岐され、
複数の前記第1熱媒循環支管の夫々が、対応する複数の前記原動機が有する前記冷却器の夫々に第1熱媒を各別に導くように配設され、
前記原動機の夫々に設けられる前記加熱器へ第2熱媒を導く第2熱媒循環路が設けられ、
前記第2熱媒循環路は、前記熱音響機関に第2熱媒を導く前に、前記熱音響機関に設けられる前記原動機の数に1対1に対応する複数の第2熱媒循環支管に分岐され、
複数の前記第2熱媒循環支管の夫々が、対応する複数の前記原動機が有する前記加熱器の夫々に第2熱媒を各別に導くように配設されている点にある。
更に、上記特徴構成によれば、各原動機での冷却器を通過する第1熱媒と加熱器を通過する第2熱媒との温度差を同一にでき、熱音響機関の設計が容易になる。
前記音響筒の外径部位には、前記音響筒の筒軸心方向において、前記再生器が設けられている部分の筒外周部位に沿い、且つ前記音響筒の筒径よりも大径の外形を有する円環状の断熱部材が設けられている点にある。
このように形成された霜は、冷却器の周囲にあっては、LNGの冷熱が大気へ放熱することを防止する効果を発揮するため、好ましいが、加熱器の周囲まで広がって形成されると、加熱器の温熱を奪う虞がある。
そこで、上記特徴構成にあっては、音響筒の外径部位に、音響筒の筒軸心方向において、再生器が設けられている部分の筒外周部位に沿い、且つ音響筒の筒径よりも大径の外形を有する円環状の断熱部材を設けることで、冷却器の周囲に形成される霜が、加熱器の側まで広がることを防止し、加熱器の回りに霜が形成され加熱器の温熱が当該霜により奪われることを良好に防止できる。
当該実施形態に係る気化設備200は、設備のコンパクト化を図りながらも、LNGを気化する際の着霜を十分に抑制し、且つLNGの保有する冷熱から良好にエネルギを取り出すことができるものに関する。
説明を追加すると、当該実施形態に係る気化設備200は、作動媒体が充填され音波が伝播する音響筒Cに、作動媒体を外部から加熱する加熱器11と作動媒体を外部から冷却する冷却器12と加熱器11と冷却器12との間で音波を増幅する再生器13とから成る原動機10を少なくとも1つ以上設ける(当該実施形態では4つ)と共に、音波の振動から電力を発生させる電力発生機40を設ける熱音響機関を少なくとも1つ以上(当該実施形態では1つ)備え、外部から導かれるLNGを加熱用媒体と熱交換させて気化する単一の気化器80を備え、外部から導かれるLNGの導入温度(例えば、−163℃)よりも低い融点を有する第1熱媒CW(例えば、プロパン:融点−182℃、沸点−42.1℃、エタン:融点−183℃、沸点−89℃)を循環する第1ポンプP1を有する第1熱媒循環路20を備え、当該第1熱媒循環路20は、気化器80にてLNGを加熱する加熱用媒体として第1熱媒CWを気化器80へ導くと共に、作動媒体を冷却する冷却用媒体として第1熱媒CWを熱音響機関100の原動機10の冷却器12へ導くように配設されている。
気化器80は、主にLNGに熱を加えて気化させる気化用熱交換器81と、気化用熱交換器81にてある程度気化されたLNGを更に加熱して天然ガス(以下、NGと略称することがある)とする加熱用熱交換器82とから構成されている。
当該気化用熱交換器81及び加熱用熱交換器82では、図示は省略するが、LNGは外気と気密に分離された空間で第1熱媒CWと熱交換するように構成されている。これにより、外気に含まれる水分が凝固して着霜することが良好に防止される。
気化用熱交換器81では、LNGが導入される下部ヘッダと、当該下部ヘッダから分岐する複数のLNG用伝熱管83a、83b、83c、83d、83e(当該実施形態では5つ)と、複数のLNG用伝熱管83a、83b、83c、83d、83eを合流させる上部ヘッダを備えていると共に、第1熱媒CWが導入される上部ヘッダと、当該上部ヘッダから分岐する複数の第1熱媒用伝熱管20a、20b、20c、20d、20e(当該実施形態では5つ)と、複数の第1熱媒用伝熱管20a、20b、20c、20d、20eを合流させる上部ヘッダを備えており、例えば、LNG用伝熱管83a、83b、83c、83d、83eと第1熱媒用伝熱管20a、20b、20c、20d、20eとは、伝熱面積が十分に大きくなるように、互いに熱的に接触する状態で配設されている。このように、LNGと第1熱媒CWとを複数の伝熱管に分岐させる形態で熱交換させることにより、伝熱面積の増大を図ると共に両者の流速を低下させて熱交換量の増大を図っている。
尚、LNGの気化熱量が、1t/hである場合、当該気化用熱交換器81で回収できるLNGの冷熱量は、250kW(潜熱:137kW、顕熱:113kW)である。
尚、LNGの気化熱量が、1t/hである場合、当該加熱用熱交換器82で回収できるLNGの冷熱量は、215kW(潜熱:137kW、顕熱:78kW)である。
熱音響機関100は、第1ポンプP1にて第1熱媒循環路20を循環する第1熱媒CWが、原動機10の冷却器12を通過するように構成されると共に、第2ポンプP2にて第2熱媒循環路70を循環する第2熱媒HWが、原動機10の加熱器11を通過するように構成されている。
当該熱音響機関100は、図1に示すように、作動媒体が充填され音波が伝播するループ管から成る円筒状の音響筒Cと、作動媒体を外部から加熱する加熱器11a、11b、11c、11dと、作動媒体を外部から冷却する冷却器12a、12b、12c、12dと、当該冷却器12a、12b、12c、12dと加熱器11a、11b、11c、11dとの間で音波を増幅する再生器13a、13b、13c、13dとから成る原動機10a、10b、10c、10dを少なくとも1つ以上(当該実施形態では、4つ)有すると共に、音波の振動から電力を発生する電力発生機40を有する。
当該実施形態にあっては、第2熱媒循環路70は、音響筒Cの筒軸心方向において、順に並べられる原動機10の加熱器11a、11b、11c、11dに対し、並び順に直列に、第2熱媒HWを通流させる状態で、即ち、加熱器11d、加熱器11c、加熱器11b、加熱器11aに記載の順に第2熱媒HWを通流させるように、配設されている。
更に、第2熱媒循環路70には、第2熱媒HWを加熱する(昇温させる)ための一対の昇温用熱交換器71、72と、第2熱媒HWを一対の昇温用熱交換器71、72に対して択一的に導くように、第2熱媒循環路70の流路を切り換える第1三方弁V1及び第2三方弁V2を備えている。
制御装置(図示せず)は、第1三方弁V1及び第2三方弁V2の開度状態を、所定時間毎(例えば、数時間毎)に、第2熱媒HWを昇温用熱交換器71に導く状態と、第2熱媒HWを昇温用熱交換器72に導く状態とに切り替えるように構成されている。これにより、昇温用熱交換器71、72において、第2熱媒HWを加熱する熱源媒体として、大気を用いる場合であっても、着霜が発生することを良好に防止できる。
第1熱媒循環路20は、気化器80にて冷熱を回収した後の第1熱媒CWを、音響筒Cの筒軸心方向で、順に並べられる原動機10a、10b、10c、10dの冷却器12a、12b、12c、12dに対し、並び方向に直列に、第1熱媒CWを通流させる状態で、即ち、冷却器12a、冷却器12b、冷却器12c、冷却器12dに記載の順に第1熱媒CWを通流させるように、配設されている。
当該薄板状部材は、例えば、厚さが50μm以上100μm以下で、300枚〜600枚程度設けられる。当該薄板状部材には、筒軸心方向に沿う方向に貫通する多数の管通孔(図示せず)が、その直径が200μm〜300μm程度で、設けられる。
作動流体は、冷却器12a、12b、12c、12dから加熱器11a、11b、11c、11dの側への進行波を形成する場合、加熱器11a、11b、11c、11d近傍での再生器13a、13b、13c、13dとしての薄板状部材の複数の管通孔を通過するときに当該管通孔の内壁に接触して加熱されると共に、加熱器11a、11b、11c、11dのフィンにて直接加熱されることで、膨張する。一方、作動流体は、加熱器11a、11b、11c、11dから冷却器12a、12b、12c、12dの側への進行波を形成する場合、冷却器12a、12b、12c、12dの近傍での再生器13a、13b、13c、13dとしての薄板状部材の複数の管通孔を通過するときに当該管通孔の内壁に接触して冷却されると共に、冷却器12a、12b、12c、12dのフィンにて直接冷却されることで、収縮する。
これにより、進行波としての音波が自己励起振動を起こし、その振動エネルギが増幅される形態で、熱エネルギが音波の振動エネルギに変換される。
当該電力発生機40は、図1に示すように、音響筒Cの筒内部において、一の回転翼40cと、当該回転翼40cを挟む状態で設けられる一対の固定翼40a、40bを備えている。当該構成においては、回転翼40cは、一方の固定翼40aにて旋回され回転翼40cへ向かう音波と、他方の固定翼40bにて旋回され回転翼40cへ向かう音波との双方により、回転力を付与されることとなるが、一対の固定翼40a、40bは、両者により旋回される音波が回転翼40cへ付与する回転力の回転方向が同一方向となるように設けられている。
更に、回転翼40cには、誘導発電機としての回転子(図示せず)が設けられると共に、音響筒Cの筒軸心方向で回転翼40cが設けられている部位で音響筒Cの筒外径部位には、誘導発電機としての固定子40dが設けられおり、回転翼40cと共に回転子が回転することで固定子40dとしてのコイルにて誘導起電力Eを発生する。
当該構成を採用することにより、音響筒Cの内部で発生する音波の振動エネルギが、電気エネルギに変換される。
音響筒Cには、音響筒Cの筒軸心方向において、再生器13a、13b、13c、13dが設けられている部分の筒外周部位に沿い且つ音響筒Cの筒径よりも大径の外形を有する円環状の断熱部材51a、51bが設けられている。これにより、原動機10a、10b、10c、10dの夫々において、冷却器12a、12b、12c、12dの周囲に付着する霜が、加熱器11a、11b、11c、11dの側へ広がることを防止している。
〔第2熱媒HWとして空気(−20℃)を用いる場合〕
学術論文(高効率熱回生用熱音響エンジンに関する研究:東海大学紀要工学部、vol52、No2、2012.pp。77−82)によると、第2熱媒HWとして、加熱器11における温度が−20℃となる空気を用いる場合、LNGの潜熱エネルギを音波の振動エネルギへ変換する効率(−160℃のLNGの熱音響効率)は、17.7%となり、LNGの顕熱エネルギを音波の振動エネルギへ変換する効率(−160℃〜−50℃の熱音響効率の平均値)は、10.8%となる。
当該効率により、上記実施形態に係る熱音響機関100において、熱エネルギが音波の振動エネルギへ変換されるとすると、LNGの潜熱エネルギ137kWの17.7%と、LNGの顕熱エネルギ78kWの10.7%との合計値である32.6kWが、音波の振動エネルギへ変換される。
〔第2熱媒HWとして湯水(50℃)を用いる場合〕
上述の学術論文よると、第2熱媒HWとして、加熱器11における温度が50℃となる湯水を用いる場合、LNGの潜熱エネルギを音波の振動エネルギへ変換する効率(−160℃のLNGの熱音響効率)は、20.8%となり、LNGの顕熱エネルギを音波の振動エネルギへ変換する効率(−160℃〜−50℃の熱音響効率の平均値)は、15.4%となる。
当該効率により、上記実施形態に係る熱音響機関100において、熱エネルギが音波の振動エネルギへ変換されるとすると、LNGの潜熱エネルギ137kWの20.8%と、LNGの顕熱エネルギ78kWの15.4%との合計値である40.5kWが、音波の振動エネルギへ変換される。
(1)上記実施形態では、熱音響機関100に対し、複数(4つ)の原動機10a、10b、10c、10dを備え、第1熱媒循環路20が、夫々の原動機10a、10b、10c、10dに対して、順に(直列に)第1熱媒CWを導くと共に、第2熱媒循環路70が、夫々の原動機10a、10b、10c、10dに対して、順に(直列に)に第2熱媒HWを導く構成例を示した。
しかしながら、複数の原動機10a、10b、10c、10dに対し、第1熱媒CW及び第2熱媒HWの夫々を並列に導くように、第1熱媒循環路20及び第2熱媒循環路70を配設しても構わない。
当該別実施形態にあっては、第1熱媒循環路20は、図2に示すように、気化器(図1に図示)から熱音響機関100へ第1熱媒CWを導く前に、熱音響機関100に設けられる原動機10a、10b、10c、10dの数に1対1に対応する複数(当該別実施形態では4つ)の第1熱媒循環支管20f、20g、20h、20iに分岐され、複数の第1熱媒循環支管20f、20g、20h、20iの夫々が、対応する複数の原動機10a、10b、10c、10dが有する冷却器12a、12b、12c、12dの夫々に第1熱媒CWを導くように配設されている。
一方、第2熱媒循環路70についても、図2に示すように、昇温用熱交換器(図1に図示)から熱音響機関100へ第2熱媒HWを導く前に、熱音響機関100に設けられる原動機10a、10b、10c、10dの数に1対1に対応する複数(当該別実施形態では4つ)の第2熱媒循環支管70a、70b、70c、70dに分岐され、複数の第2熱媒循環支管70a、70b、70c、70dの夫々が、対応する複数の原動機10a、10b、10c、10dが有する加熱器11a、11b、11c、11dの夫々に第1熱媒CWを導くように配設されている。
これにより、原動機10a、10bの冷却器12a、12bの夫々に対して、同一温度の第1熱媒CW、第2熱媒HWを通流することができる。
例えば、図3に示すように、第1熱音響機関100a、第2熱音響機関100bを備えて構成することができ、複数(当該別実施形態では2つ)の音響筒C1、C2の夫々は、同数(当該別実施形態では4つ)の原動機10を備えている。換言すると、第1音響筒C1は、4つの原動機10a、10b、10c、10dを備えると共に、第2音響筒C2は、4つの原動機10e、10f、10g、10hを備えている。
当該別実施形態(2)においては、上述した別実施形態(1)と同様に、第1熱媒循環路20は、第1熱媒循環路20から分岐されると共に、第1熱音響機関100a、第2熱音響機関100bの夫々に設けられる原動機の数と同数(4つ)の第1熱媒循環支管20f、20g、20h、20iを備えている。
当該第1熱媒循環支管20f、20g、20h、20iの夫々は、第1熱音響機関100aの夫々に設けられている複数の原動機10a、10b、10c、10dの何れか一つに第1熱媒CWを導いた後に、第2熱音響機関100bの夫々に設けられている複数の原動機10e、10f、10g、10hの何れか一つに第1熱媒CWを導くように構成されている。
更に、第2熱媒循環路70に関しても、当該第2熱媒循環路70から分岐されると共に、第1熱音響機関100a、第2熱音響機関100bの夫々に設けられる原動機の数と同数(4つ)の第2熱媒循環支管70a、70b、70c、70dを備えている。
当該第2熱媒循環支管70a、70b、70c、70dの夫々は、第2熱音響機関100bに設けられる複数の原動機10e、10f、10g、10hの何れか一つに第2熱媒HWを導いた後に、第1熱音響機関100aに設けられる複数の原動機10a、10b、10c、10dの何れか一つに第2熱媒HWを導くように構成されている。
当該構成を採用することにより、第1熱音響機関100aの原動機10a、10b、10c、10dについては、同程度の温度の第1熱媒CWが導かれると共に、同程度の温度の第2熱媒HWが導かれることととなり、各原動機10a、10b、10c、10dにて発生する温度差を略同程度にすることができる。
また、第2熱音響機関100bの原動機10e、10f、10g、10hについても、同程度の温度の第1熱媒CWが導かれると共に、同程度の温度の第2熱媒HWが導かれることとなり、各原動機10e、10f、10g、10hにて発生する温度差を略同程度にすることができる。
当該昇温用熱交換器では、例えば、LNG通流路83を通流するNGと大気と熱交換する形態で、NGを加熱する構成を採用しても構わない。尚、この場合には、第1熱媒循環路20は、当該昇温用熱交換器を通過することはなく、直接気化器80の加熱用熱交換器82を通過する構成が採用される。
また、LNG通流路83を通流するNGと、第2熱媒循環路70を循環する第2熱媒HWで、熱音響機関100の原動機10の加熱器11を通過した後で、昇温用熱交換器71、72を通過する前の第2熱媒HWと熱交換する形態で、NGを加熱する構成を採用しても構わない。
また、上記実施形態では、第2熱媒循環路70は、原動機10の加熱器11と、エンジン(図示せず)との間に第2熱媒HW(エンジン冷却水)を循環するエンジン冷却水循環路としても構わない。
11 :加熱器
12 :冷却器
13 :再生器
20 :第1熱媒循環路
20a :第1熱媒用伝熱管
20b :第1熱媒用伝熱管
20f :第1熱媒循環支管
20g :第1熱媒循環支管
40 :電力発生機
51 :断熱部材
70 :第2熱媒循環路
70a :第2熱媒循環支管
70b :第2熱媒循環支管
80 :気化器
100 :熱音響機関
200 :気化設備
C :音響筒
Claims (6)
- 外部から導かれるLNGを加熱して気化する気化設備であって、
作動媒体が充填され音波が伝播する音響筒に、前記作動媒体を外部から加熱する加熱器と前記作動媒体を外部から冷却する冷却器と前記加熱器と前記冷却器との間で音波を増幅する再生器とから成る原動機を少なくとも1つ以上設けると共に、音波の振動から電力を発生させる電力発生機を設ける熱音響機関を少なくとも1つ以上備え、
外部から導かれるLNGを加熱用媒体と熱交換させて気化する気化器を備え、
外部から導かれるLNGの導入温度よりも低い融点を有する第1熱媒を循環する第1熱媒循環路を備え、
前記第1熱媒循環路は、前記加熱用媒体として第1熱媒を前記気化器へ導くと共に、前記作動媒体を冷却する冷却用熱媒として第1熱媒を前記冷却器へ導くように配設されている気化設備。 - 少なくとも前記第1熱媒よりも高温の第2熱媒を内部に通流する第2熱媒通流路を備え、
一の前記熱音響機関が、前記音響筒に複数の前記原動機を備え、
前記第1熱媒循環路は、前記原動機の夫々に設けられる前記冷却器へ、前記原動機の特定並び方向で、順に第1熱媒を導くように配設され、
前記原動機の夫々に設けられる前記加熱器へ、前記特定並び方向と逆方向で、順に第2熱媒を導く第2熱媒循環路が設けられている請求項1に記載の気化設備。 - 一の前記熱音響機関が、前記音響筒に複数の前記原動機を備え、
前記第1熱媒循環路は、前記熱音響機関に第1熱媒を導く前に、前記熱音響機関に設けられる前記原動機の数に1対1に対応する複数の第1熱媒循環支管に分岐され、
複数の前記第1熱媒循環支管の夫々が、対応する複数の前記原動機が有する前記冷却器の夫々に第1熱媒を各別に導くように配設され、
前記原動機の夫々に設けられる前記加熱器へ第2熱媒を導く第2熱媒循環路が設けられ、
前記第2熱媒循環路は、前記熱音響機関に第2熱媒を導く前に、前記熱音響機関に設けられる前記原動機の数に1対1に対応する複数の第2熱媒循環支管に分岐され、
複数の前記第2熱媒循環支管の夫々が、対応する複数の前記原動機が有する前記加熱器の夫々に第2熱媒を各別に導くように配設されている請求項1に記載の気化設備。 - 前記音響筒の外径部位には、前記音響筒の筒軸心方向において、前記再生器が設けられている部分の筒外周部位に沿い、且つ前記音響筒の筒径よりも大径の外形を有する円環状の断熱部材が設けられている請求項1〜3の何れか一項に記載の気化設備。
- 前記第1熱媒は、プロパン、エタンの何れか又は両方を含む流体である請求項1〜4の何れか一項に記載の気化設備。
- 前記気化器は、大気から気密に分離されている請求項1〜5の何れか一項に記載の気化設備。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015065318A JP6482350B2 (ja) | 2015-03-26 | 2015-03-26 | 気化設備 |
Applications Claiming Priority (1)
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