JP6764734B2

JP6764734B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP6764734B2
Application number: JP2016174389A
Authority: JP
Inventors: 市川　達也; 達也市川; 重雄蔦木
Original assignee: 株式会社Ｉｈｉプラント
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2020-10-07
Anticipated expiration: 2036-09-07
Also published as: WO2018047786A1; JP2018040531A

Description

本発明は、液化天然ガス等の流体を加熱するための熱交換器に関する。

一般に、液化天然ガス（ＬＮＧ）を燃料として利用する際には、低温で貯蔵されたＬＮＧを加熱して気化させる必要があり、この際、ＬＮＧの加熱には、空気や水といった流体を熱源として利用するオープンラック式の熱交換器や、別の熱源からの熱を熱媒体の循環によりＬＮＧに伝達する中間媒体式の熱交換器等、種々の型式の熱交換器が用いられている。

このうち、中間媒体式の熱交換器では、極低温のＬＮＧと熱媒体とを熱交換させるため、熱媒体の凍結を極力防止する必要がある。熱媒体が凍結し、循環流路が閉塞されると、熱交換効率が低下するからである。そこで、熱媒体としては、例えばプロパンやブタン等のＬＰＧや、あるいはエチレングリコールやプロピレングリコールを主成分とする不凍液等、凍結しにくい流体が用いられることが多い。

熱媒体として不凍液を採用した熱交換器に関する技術文献としては、例えば、下記の特許文献１等がある。

エチレングリコールやプロピレングリコールを用いた不凍液には、プロパンやブタンと比較して発火しにくく、安全性が高いという利点がある一方、凝固点が高く凍結しやすい問題がある。このため、特許文献１に記載されている熱交換器（ＬＮＧベーパライザ）では、胴部を下部の第１熱交換部とその上部の第２熱交換部、さらにその上部の第３熱交換部の３つの熱交換部に分割し、それぞれに対して供給する不凍液の流量を不凍液流量制御装置で制御することで、鉛直伝熱管におけるＬＮＧの入口付近に位置し特に低温になりやすい第１熱交換部における不凍液の温度を凍結温度より十分高く維持し、不凍液の凍結防止を図るようにしている。

特開２００７−２４７７９７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の如き熱交換器では、３つの熱交換部それぞれについて不凍液の流路を形成する必要があり、また、各流路について流量制御のための弁等を装備しなくてはならず、装置全体が複雑となって建造コストが嵩む上、頻繁且つ煩雑なメンテナンス作業を要する問題があった。

尚、ここではＬＮＧを気化させるための熱交換器を例に説明したが、ＬＮＧに限らず流体一般を加熱するための熱交換器について、同様の問題は広く存在し得る。例えば、化学プラント等において液化エチレンを気化するために用いられる熱交換器等でも事情は同じである。

本発明は、斯かる実情に鑑み、簡単な構成で好適に熱媒体の凍結を防止し得る熱交換器を提供しようとするものである。

本発明は、内部に被加熱流体を流通させる加熱ラインと、該加熱ラインを包囲するシェルを備え、該シェル内に熱媒体を供給して被加熱流体と熱交換させるよう構成され、前記シェル内で熱媒体の流れを屈曲させる位置に、熱媒体の上流側から見て熱媒体を導く方向へ向かって勾配をなす整流板を配すると共に、前記加熱ラインは、複数の流路を束ねた加熱流路群として構成され、前記シェルの内壁と前記加熱ラインの間に、熱媒体の流れを遮るシール板を備え、該シール板の少なくとも一部は、熱媒体の上流側から見て前記整流板が熱媒体を導く方向へ向かって勾配をなす勾配部として形成されている熱交換器にかかるものである。

本発明の熱交換器においては、前記シェルにおける前記加熱ラインの入口側の位置に熱媒体の供給口を備え、該供給口と対向する位置に前記整流板を配することが好ましい。

本発明の熱交換器において、前記加熱ラインは、下方から導入した被加熱流体を上方へ抜き出すよう構成され、前記供給口は、前記シェルの下部に備えられ、前記整流板は、前記シェルの底部に前記供給口から見て上り勾配をなすよう配置されていることが好ましい。

本発明の熱交換器において、前記整流板は、熱媒体の上流側から熱媒体を導く方向へ向かって滑らかに湾曲する面をなして構成されることが好ましい。

本発明の熱交換器によれば、簡単な構成で好適に熱媒体の凍結を防止し得るという優れた効果を奏し得る。

本発明の実施による熱交換器の全体構成を示す概略図である。本実施例の熱交換器におけるシェル内の各部の配置を示す断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ矢視相当図である。本実施例の熱交換器におけるシェル内の各部の配置を示す斜視図である。本実施例の熱交換器における熱媒体の挙動を説明する概念図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１〜図４は本発明の実施による熱交換器の形態の一例を示している。図１は本実施例の熱交換器の全体構成を示しており、熱交換器１は、内部にＬＮＧ等の被加熱流体Ｌを流通させる加熱ライン２の周囲をシェル３で覆い、該シェル３内に不凍液等の熱媒体Ａを供給して被加熱流体Ｌとの間で熱交換させるシェルアンドチューブ型と呼ばれる型式である。

加熱ライン２は、例えば鉛直方向に沿って延びる流路としての複数の金属製のチューブ２ａを束ねた加熱流路群（チューブバンドル）として形成されており、縦長の円筒形状をなすシェル３の中心部を上下に貫通するように配置されている。加熱ライン２は、下部を入口２ｂ、上部を出口２ｃとし、被加熱流体Ｌは、熱交換器１の下方から加熱ライン２に導入されて上方へ抜き出されるようになっている。尚、図２及び図３中の一点鎖線は、チューブ２ａが束となって配置されている領域を示している。

熱媒体Ａはシェル３内において加熱ライン２周囲の空間を流路とし、本実施例の場合、シェル３側面の上部と下部の二箇所に開口した供給口４から供給されて、シェル３側面の中間部に開口した排出口５から排出される。こうして、シェル３内を流れる熱媒体Ａは、加熱ライン２を流通する被加熱流体Ｌとチューブ２ａを介して接触しながら熱交換するようになっている。シェル３内には、熱媒体Ａが加熱ライン２内を流通する被加熱流体Ｌと熱交換する機会をなるべく多く確保するために複数枚の邪魔板６が設置されており、熱媒体Ａの流れはこの邪魔板６を迂回しながらシェル３内を蛇行するようになっている。

下部供給口４ａは、図１に示す如くシェル３の下部に備えられており、熱媒体Ａは、ここから加熱ライン２に対して直交する向きに、水平方向に沿ってシェル３内へ供給される。邪魔板６のうち、最下段の邪魔板６ａは、図１、図２に示す如く下部供給口４ａの上方において水平方向に沿った面をなしてシェル３内を横断するように区切っているが、この邪魔板６ａは下部供給口４ａと反対側のシェル３の内壁付近は閉塞しておらず、該内壁との間に開口が存在している。また、邪魔板６ａの一段上に位置する邪魔板６ｂは、図１に示す如く邪魔板６ａの上方において水平方向に沿った面をなしてシェル３を区切っているが、下部供給口４ａ側のシェル３の内壁との間には開口が存在している。さらに、邪魔板６ｂの一段上に位置する邪魔板６ｃは、邪魔板６ｂの上方を横断するように配置されているが、下部供給口４ａと反対側のシェル３の内壁との間に開口が存在している。

したがって、下部供給口４ａからシェル３内に導入された熱媒体Ａは、まずシェル３の底面付近を水平方向に沿って流れ、下部供給口４ａと反対側の内壁付近にて邪魔板６ａを迂回しつつ上方へ流れる。さらに、邪魔板６ａと邪魔板６ｂの間を下部供給口４ａ側に向かい水平方向に沿って流れた後、邪魔板６ｂを迂回しつつ上方へ流れていく。

このようにして、シェル３内に邪魔板６を熱媒体Ａの流路に対し互い違いに配することにより、下部供給口４ａから導入された熱媒体Ａをシェル３内で蛇行させつつ排出口５へと導くようになっている。

また、上部供給口４ｂから供給される熱媒体Ａについても、同様にシェル３内に互い違いに配置された邪魔板６により、シェル３内を蛇行しつつ下方へ導かれ、排出口５から排出されるようになっている。

ここで、二個の供給口４のうち一方（下部供給口４ａ）がシェル３の下部に備えられていることは、熱交換効率の向上と熱媒体Ａの凍結防止の二点において有効である。すなわち、上述の如く低温の被加熱流体Ｌはシェル３の下側の入口２ｂから加熱ライン２へ導入され、熱交換しながら上方の出口２ｃへ向かうようになっているので、シェル３内の下方を流れる熱媒体Ａほど温度の低い被加熱流体Ｌと接することになる。このため、本実施例の熱交換器１の場合、加熱ライン２に関して入口２ｂ側であるシェル３の下部から熱媒体Ａを供給し、加熱ライン２へ導入されて間がなく温度が低い状態の被加熱流体Ｌに、シェル３へ供給した直後で温度が高い状態の熱媒体Ａを接触させることで、効率の良い熱交換を図ると同時に熱媒体Ａの凍結をなるべく防止するようにしている。

また、本実施例の場合、下部供給口４ａのほか、上部供給口４ｂからも熱媒体Ａを供給するようにしている。これは、加熱ライン２を通過する間に気化した被加熱流体Ｌをさらに加温するための構成である。すなわち、被加熱流体Ｌが例えば極低温にて貯蔵されたＬＮＧである場合、気化してはいても未だ温度が適温に満たないことがあるので、加熱ライン２の出口２ｃ付近にも熱媒体Ａを供給することで、適温まで加温するようにしている。

邪魔板６は、上述の如き熱媒体Ａの流路形成のほか、加熱ライン２を構成するチューブ２ａ同士を拘束し、シェル３に対して支持する役割をも同時に果たしている。チューブ２ａの一本一本は細く、且つシェル３の内部を上下に長く延設されており、何らかの手段により支持しなければ撓み等の変形を生じやすい。そこで、シェル３内を横断する邪魔板６に、図２に示す如く各チューブ２ａを貫通させ、且つ邪魔板６をシェル３に対して固定することで、加熱ライン２を構成するチューブ２ａを支持するようにしている。また、邪魔板６により、チューブ２ａ同士の間隔も適正に保たれるという作用もある。すなわち、シェル３に対して加熱ライン２を組み付ける際には、例えば、まず複数の邪魔板６に穴を所定の間隔で開口し、該穴にチューブ２ａを通して固定することでチューブバンドルを形成する。そして、該チューブバンドルを邪魔板６ごとシェル３に収容し、邪魔板６をシェル３の内壁に溶接等により固定する。このようにすれば、邪魔板６に開口した前記穴によってチューブ２ａ同士の間隔を簡単且つ確実に規定することができ、チューブ２ａ間の流路面積を等しくして熱交換効率の均質化を図ることができる。

さらに、シェル３内には図１〜図３に示す如き複数のシール板７が備えられており、このシール板７により熱媒体Ａの流れを部分的に遮ることで、シェル３内において熱媒体Ａが加熱ライン２を逸れて流れることを防止するようになっている。尚、図３ではシール板７の形状や加熱ライン２との位置関係を説明する便宜上、邪魔板６等については図示を省略している。

加熱ライン２を構成するチューブバンドルは、上述の如くシェル３の中心部に配置されており、加熱ライン２内を流通する低温の被加熱流体Ｌと、シェル３の外部の空間との間に適当な厚さの熱媒体Ａの層を介在させるようになっている。そして、仮にここに本実施例の如きシール板７が配置されていなければ、加熱ライン２に対して熱媒体Ａを流そうとすると、熱媒体Ａの流れは加熱ライン２を逸れて加熱ライン２の外側の空間を流れようとする。

すなわち、加熱ライン２は上述の如く多数のチューブ２ａからなるチューブバンドルとして構成されており、互いに所定の間隔を有して離間配置されたチューブ２ａ同士の間を熱媒体Ａが流れることにより、チューブ２ａ内を流通する被加熱流体Ｌとの間で熱交換が行われるようになっている。そして、このチューブ２ａ同士の間の隙間は、チューブバンドルである加熱ライン２と、シェル３の内壁との間の空間より狭く、流路抵抗が大きい。このため、シール板７がなければ、熱媒体Ａの多くはチューブ２ａ同士の間を流れることなく、加熱ライン２外側のシェル３の内壁との間を通過していってしまう。シール板７はこれを防止するため、シェル３の内壁と加熱ライン２との間に配置された板状の部材である。

シール板７は、図２、図３に示す如く、シェル３の内壁から加熱ライン２に向かって鉛直方向に沿った面をなして延設されており、その下端部は、下部供給口４ａに向かって湾曲して後述の勾配部７ａを形成している。各シール板７のなす面は、供給口４から導入される熱媒体Ａの流れ、ないし各邪魔板６の間を水平方向に流れる熱媒体Ａの流れに平面視で直交している。

各シール板７は、上下方向に延びる面の一側がシェル３の内壁に一体的に溶接されており、他側は加熱ライン２の近傍に位置している。このようにシール板７を配置すれば、各邪魔板６の間を熱媒体Ａが水平方向に沿って流れる際（図１参照）、加熱ライン２の外側を流れようとしてもシール板７に遮られるため、強制的に加熱ライン２を構成するチューブ２ａの隙間に流れ込むことになる。

ここで、シール板７の他側は、加熱ライン２であるチューブバンドルに対し、該チューブバンドルを構成するチューブ２ａ同士の間隔と同程度の間隔を置いて配置することが好適である。このようにすれば、チューブ２ａ同士の間を流れる場合の流路抵抗と、チューブ２ａとシール板７の間を流れる場合の流路抵抗がおおむね等しくなり、加熱ライン２を構成する各チューブ２ａに対して均等に熱媒体Ａを流すことが可能となるからである。また、シール板７と加熱ライン２との間の隙間は、これより大きいと上述の如く熱媒体Ａの流れが加熱ライン２から逸れる問題が生じる一方、小さいと熱媒体Ａがここで滞留する虞がある。この点からも、やはりチューブ２ａ同士の間隔と同程度とすることが好ましい。

そして、本実施例の熱交換器１は、シェル３底部に整流板８を備え、この位置における熱媒体Ａの流れを是正するよう構成した点に特徴がある。以下、この整流板８の構成及び作用について、図１、図３及び図４を参照しながら説明する。

図１、図３に示す如く、整流板８は、シェル３の底部における下部供給口４ａと対向する位置に、該下部供給口４ａから見て上向きの勾配をなすよう配置されている。

下部供給口４ａからシェル３内に送り込まれた熱媒体Ａの流れは、図４に示す如く、水平方向に沿って進んだ後、反対側の内壁付近にて屈曲させられ、直角に方向転換して上方へ向かう。この際、熱媒体Ａの流れが整流板８に衝突することにより、熱媒体Ａの流れは該整流板８のなす面に沿って誘導され、滑らかに流れの向きを上向きに変更される。

ここで、整流板８が設置されていない場合を仮定すると、熱媒体Ａの方向転換に際し、その流路の外側にあたるシェル３底部の隅に熱媒体Ａが流れから取り残されて滞留しやすい。そして、熱媒体Ａが一定の場所に滞留した状態で被加熱流体Ｌと熱交換すれば、熱媒体Ａは熱を奪われ続けた結果、凍結を生じてしまう虞がある。しかも、シェル３の底部は加熱ライン２の入口２ｂに近く、未だ熱媒体Ａと十分に熱交換していない、特に低温の被加熱流体Ｌが流通しており、シェル３の中でも温度が低くなりやすい部分である。とりわけ、熱交換器１が被加熱流体Ｌを気化させる気化器として使用される場合には、気化に伴い周辺の熱が急速に奪われ、温度が低下しやすい。

無論、本実施例においては、上述の如く、熱媒体Ａを加熱ライン２の入口２ｂ近くに配置した下部供給口４ａから供給することで、熱媒体Ａの凍結防止を図っている。しかしながら、熱媒体Ａに滞留が生じてしまえば、その部分では熱を含んだ熱媒体Ａが新しく供給されないことになり、熱媒体Ａの温度は容易に低下してしまう。そして、熱媒体Ａは一部が凍結すると、その結晶が成長して周囲にまで凍結が波及してしまう虞がある。そこで、本実施例ではこの位置に整流板８を配置して熱媒体Ａの流れを是正し、熱媒体Ａの滞留を抑えて凍結を未然に防止し、また、万一、部分的に凍結が発生したとしても、新しい熱媒体Ａが次々に流れてくることで、その成長が抑えられるようにしているのである。同時に、熱媒体Ａの流れを円滑にすることで熱交換効率をも向上し得るようになっている。

この際、整流板８は、熱媒体Ａの上流側の向き（ここでは、水平方向）から、熱媒体Ａを導く下流側の向き（ここでは、上方向）に向かって、所定の曲率を有して滑らかに湾曲する面をなして配置されていることが好ましい。勿論、整流板８は平面状の板として構成することも可能であり、そうであっても熱媒体Ａの滞留を抑える上で一定の効果を有すると考えられるが、そうした場合、整流板８とシェル３の底部あるいは内壁との間に直角に近い角が形成されてしまい、滞留の要因となり得る。そこで、整流板８を上流側から熱媒体Ａを導く方向へ向かって滑らかに湾曲する曲面をなす板として形成することにより、整流板８とシェル３の底部ないし内壁との間の角度をなるべく９０度より大きくし、熱媒体Ａの流れのスムーズな方向転換を可能にして熱媒体Ａを滞留しにくくしている。

さらに、本実施例の場合、シール板７の下端部を湾曲させて勾配部７ａを形成し、この勾配部７ａによっても熱媒体Ａの流れを整流するようになっている。

すなわち、シール板７の形成する面は、上述の如く熱媒体Ａの水平方向の流れと平面視で直交するように配置されているが、本実施例の場合、その下端部は図３、図４に示す如く下部供給口４ａに向かって湾曲した勾配部７ａとして形成されており、下部供給口４ａから見て上向きに、整流板８と同じ向きの勾配をなしている。こうすることで、上述の整流板８と同様の作用により、下部供給口４ａから送り込まれる熱媒体Ａを上方へ導き、シール板７の下端部とシェル３の底面が接する隅の部分にて熱媒体Ａが滞留することを抑制し、凍結の防止と熱交換効率の向上を図っている。

ここで、熱媒体Ａの流路構成や、整流板８及び勾配部７ａの設置の向きは、上で説明した例に限定されない。整流板８や勾配部７ａの向きは、シェル３における流路の形状等によって種々変更され得る。例えば、熱交換器の用途その他の条件によっては、シェルの下方から供給した熱媒体を上方へ流した後、横向きに方向転換させるといった流路構成も想定できるが、その場合には、整流板や勾配部は供給口から見て横向きの勾配をなして配置される。このように、整流板や勾配部の勾配の設定は、熱媒体を導く方向へ向かう勾配をなすよう、シェル内における熱媒体の流路構成に応じてなされるべきである。

また、図４に破線で示す如く、整流板８やシール板７の勾配部７ａは、シェル３の底部以外にも、例えば邪魔板６ａや邪魔板６ｂの周辺に備えることも可能である。すなわち、本実施例では上述の如く、加熱ライン２の入口２ｂ側にあたるシェル３の底部において熱媒体Ａの凍結が最も懸念されるので、この位置にて整流板８や勾配部７ａにより熱媒体Ａの滞留の抑制を図っているが、その他の位置に整流板８や勾配部７ａを備えても特段の不都合があるわけではない。シェル３の底部以外に、例えば邪魔板６ａの付近においても熱媒体Ａの凍結を防止したいといった事情がある場合には、適宜整流板８や勾配部７ａを設置することができる。

以上のように、上記本実施例の熱交換器１は、内部に被加熱流体Ｌを流通させる加熱ライン２と、該加熱ライン２を包囲するシェル３を備え、該シェル３内に熱媒体Ａを供給して被加熱流体Ｌと熱交換させるよう構成され、前記シェル３内で熱媒体Ａの流れを屈曲させる位置に、熱媒体Ａの上流側から見て熱媒体Ａを導く方向へ向かって勾配をなす整流板８を配しているので、該整流板８のなす面に沿って熱媒体Ａの流れを誘導することで、熱媒体Ａの流れを円滑化し、滞留を抑えることができる。

また、本実施例の熱交換器１においては、前記シェル３における前記加熱ライン２の入口２ｂ側の位置に熱媒体Ａの供給口４を備え、該供給口４と対向する位置に前記整流板８を配しているので、熱媒体Ａが特に低温の被加熱流体Ｌに接する位置において熱媒体Ａの滞留を抑え、凍結を防止すると共に熱交換効率を向上させることができる。

また、本実施例の熱交換器１において、前記加熱ライン２は、下方から導入した被加熱流体Ｌを上方へ抜き出すよう構成され、前記供給口４（下部供給口４ａ）は、前記シェル３の下部に備えられ、前記整流板８は、前記シェル３の底部に前記供給口４（下部供給口４ａ）から見て上り勾配をなすよう配置されているので、下方から導入した被加熱流体Ｌを上方へ抜き出す型式の熱交換器１において滞留を効果的に抑制することができる。

また、本実施例の熱交換器１において、前記整流板８は、熱媒体Ａの上流側から熱媒体Ａを導く方向へ向かって滑らかに湾曲する面をなして構成されるので、熱媒体Ａの流れのスムーズな方向転換を可能にして熱媒体Ａを一層滞留しにくくすることができる。

また、本実施例の熱交換器１においては、前記加熱ライン２は、複数の流路（チューブ２ａ）を束ねた加熱流路群として構成され、前記シェル３の内壁と前記加熱ライン２の間に、熱媒体Ａの流れを遮るシール板７を備え、該シール板７の少なくとも一部は、熱媒体Ａの上流側から見て前記整流板８が熱媒体Ａを導く方向へ向かって勾配をなす勾配部７ａとして形成されているので、整流板８の設置に加え、シェル３内に備えたシール板７の形状に変更を加えることで、熱媒体Ａの滞留を防止することができる。

したがって、上記本実施例によれば、簡単な構成で好適に熱媒体の凍結を防止し得る。

尚、本発明の熱交換器は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、例えば液化天然ガスの気化だけでなく液化エチレンの加熱等にも適用し得ること等、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１熱交換器
２加熱ライン（加熱流路群）
２ａ流路（チューブ）
２ｂ入口
３シェル
４供給口
４ａ供給口（下部供給口）
７シール板
７ａ勾配部
８整流板
Ａ熱媒体（不凍液）
Ｌ被加熱流体（液化天然ガス）

Claims

内部に被加熱流体を流通させる加熱ラインと、該加熱ラインを包囲するシェルを備え、該シェル内に熱媒体を供給して被加熱流体と熱交換させるよう構成され、
前記シェル内で熱媒体の流れを屈曲させる位置に、熱媒体の上流側から見て熱媒体を導く方向へ向かって勾配をなす整流板を配すると共に、
前記加熱ラインは、複数の流路を束ねた加熱流路群として構成され、前記シェルの内壁と前記加熱ラインの間に、熱媒体の流れを遮るシール板を備え、該シール板の少なくとも一部は、熱媒体の上流側から見て前記整流板が熱媒体を導く方向へ向かって勾配をなす勾配部として形成されている熱交換器。
前記シェルにおける前記加熱ラインの入口側の位置に熱媒体の供給口を備え、該供給口と対向する位置に前記整流板を配した請求項１に記載の熱交換器。
前記加熱ラインは、下方から導入した被加熱流体を上方へ抜き出すよう構成され、
前記供給口は、前記シェルの下部に備えられ、
前記整流板は、前記シェルの底部に前記供給口から見て上り勾配をなすよう配置されている、請求項２に記載の熱交換器。
前記整流板は、熱媒体の上流側から熱媒体を導く方向へ向かって滑らかに湾曲する面をなして構成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。