KR100393833B1 - 저온액체용증발기 - Google Patents

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고이치 신카이
가츠후미 다나카
요시노리 히사즈미
마사노리 다카타
마사노리 오키
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
오사까 가스 가부시키가이샤
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Abstract

저온유체가 유동되는 하부헤더와 상부헤더는 복수의 외부열교환 튜브를 통하여 서로 연결되어 있다.
복수의 내부열교환 튜브는 각각의 외부열교환 튜브의 유입끝 부분의 구역에서 대응 외부열교환 튜브에 각각 제공되어 있다.
환형의 통로는 저온액체를 유동시키기 위하여 각각의 외부열교환 튜브의 내면과 각각의 내부열교환 튜브의 외면사이에 형성되어 있다.
각각의 환형의 통로는 하부헤더(10)와 연동하고 있다.

Description

저온 액체용 증발기
제 1도는 본 발명에 따른 제 1실시예로서 액화천연가스 증발기의 중요부분을 도시한 단면 정면도,
제 2도는 제 1도의 선 B-B의 단면도,
제 3도는 증발기의 전체구조를 도시한 사시도,
제4(a)도 내지 제4(c)도는 증발기내에 형성된 환형의 통로내에서 액화천연가스와 천연가스의 유동상태를 도시한 선도,
제 5도는 환형의 통로내에서 액화천연가스의 온도와 비엔탈피 사이의 관계를 도시한 그래프,
제 6도 내지 제15도는 상술된 상태하에서 열교환 튜브의 길이에 걸쳐 온도변화 얼음두께 사이의 관계를 도시한 그래프,
제16도는 본 발명에 따른 제 2실시예로서 액화천연가스 증발기의 중요부분을 도시한 단면도,
제17도는 본 발명에 따른 제 3실시예로서 액화천연가스 증발기의 열교환튜브의 중요부분을 도시한 단면 정면도,
제18도는 제 3증발기의 열교환 튜브의 전체구조를 도시한 단면 정면도,
제19도는 제 3증발기의 전체구조를 도시한 사시도,
제20도는 제 3증발기의 열교환 튜브패널의 상부부분의 배열을 도시한 사시도,
제21도는 열교환 튜브의 상부부분을 도시한 단면 정면도,
제22도는 제17도의 선 C-C의 단면도,
제23도는 폐쇄부재가 제공된 열교환 튜브의 일부분을 도시한 확대 단면도,
제24도는 열교환 튜브의 성적을 도시한 그래프,
제25도는 종래의 액화천연가스 증발기의 단열재의 두께와 얼음의 동일한 두께 사이의 관계를 도시한 그래프.
(배경기술)
본 발명은 액화천연가스, 액화질소와 같은 저온액체를 증발시키기 위한 오픈랙 타입의 증발기에 관한 것이다,
종래, 오픈랙 타입의 증발기는 이러한 저온액체를 증발시키기 위한 증발기로서 알려져 있다. 오픈랙 타입의 증발기는 통상, 저온액체가 유동하는 하부헤더, 하부헤더와 평행하게 배열된 상부헤더, 및 하부헤더와 상부헤더를 연결하는 다수의 수직 열교환 튜브를 포함하고 있다. 열교환 튜브의 외측에는 하부헤더내에서 유동하는 액체가 각각의 열교환 튜브내에서 가열매체의 열에 의해서 가열되고 증발되도록 가열매체로서 해수가 유동된다.
따라서, 얻어진 천연가스는 상부헤더를 경유하여 복귀된다.
이러한 배열에 의해서, 하부헤더와 열교환 튜브의 하부부분은 저온액체와 직접접촉한다. 결과적으로 이부분의 온도는 대단히 낮다.
얼음의 형성은 이부분의 외면상에서 발생하기 쉽다.
얼음은 단열방벽이 되고 열교환 튜브의 하부부분에서 열교환을 방해하며 이에 따라 이들 부분의 온도를 내려가게 하고 크게 저온상태를 야기시킨다.
열교환 튜브의 하부부분이 크게 저온상태로 냉각되는 상태에서, 열교환 튜브의 수축비는 커진다. 따라서, 해수의 유동에서의 약간의 편차가 열교환 튜브사이의 큰수축차이를 야기시켜 열교환튜브내의 국부적인 변형을 발생시킬 수도 있다.
일본국 특개평 4-217788 에는 열교환 튜브와 열교환튜브 내측에서 유동하는 천연가스의 사이의 열전달을 억제하도록 상부헤더 근처의 유출부분을 제외한 열교환 튜브의 부분상의 단열재의 설비가 개시되었다.
단열재는 열교환 튜브의 내면상에 원통형 단열부재를 제공함으로써 또는 증발된 천연가스가 수용된 열교환 튜브내에 단열공간을 형성함으로써 형성된다.
단열재는 열교환 튜브의 외면이 크게 낮은 온도로 내려가는 것을 방지하며 이에따라 과잉수축을 방지한다.
단열재는 저온액체와 가열매체 사이의 열교환을 방해한다.
하지만, 단열재를 구비한 열교환 튜브의 증발효율은 단열재를 구비하지 않고 그 외측상에 단열얼음으로 형성된 열교환 튜브의 효율과 실질적으로 동일할 수 있다.
하지만, 상기 공보에 개시된 단열재는 대단히 낮은 열전달율을 제공한다.
따라서, 단열재의 두께를 대단히 작은 값으로 설정하는 것이 필요하다. 단열재의 두께에 있어서 약간의 차이는 열교환 튜브의 열전달에 큰차이를 발생시킨다.
특히, 상술된 두께 보다 약간 더 두꺼운 두께를 가진다면, 단열재는 열을 차단하여 열교환 튜브의 외부와 내부사이에서 충분하지 않은 열전달을 발생시키며, 결과적으로 저온액체를 충분하게 가열 및 증발시킬 수 없다.
역으로, 상술된 두께보다 약간 더 작은 두께를 가진다면, 단열재는 충분하게 열을 차단시킬 수 없어서 종래의 열교환 튜브와 같이 얼음형성을 발생시킨다.
예컨대, 제25도는 단열재가 상술된 바와같이 단열공간내의 천연가스를 취출함으로써 형성되는 경우에 단열재와 동일한 열전달율을 제공하는 얼음의 두께와 단열재의 두께(단열공간의 방사상크기) 사이의 관계를 도시하고 있다.
제25도에 도시된 바와같이, 방사상 크기에 있어서, 0.1mm 의 변화는 단열의 특성에 있어서 얼음두께의 10mm 의 변화와 동일하다.
열교환 튜브 내측에 비닐염화물등으로 이루어진 단열부재를 제공함으로써 형성된 단열재는 유사한 단열관계를 가지고 있다.
즉, 단열부재의 작은 두께변화는 단열에 있어서 큰변화를 야기시킨다.
이러한 이유때문에, 이 증발기에 있어서, 고정밀로 단열재의 두께를 관리하는 것은 필요하다.
하지만, 생산라인에 있어서, 이러한 고정밀을 달성하는 것은 어렵다.
이러한 고정밀이 달성될 수 있더라도, 그 생산가격은 대단히 높아진다.
더욱이, 고정밀의 두께를 가진 단열재가 생산라인에서 제공되더라도, 그 두께는 사용시에 열변형으로 인해 크게 변화되는 경우가 있다.
대안적으로, 비교적 높은 열전달율을 가진 재료, 예컨대 즉 금속으로 이루어진 단열재를 사용함으로써 치수허용범위를 신장시키는 것은 가능하며, 이것은 두께를 증가시킨다.
하지만, 이 경우에, 이러한 단열재가 부식될 수 있고 증발된 생산가스량을 변화시킬 수 있는 문제점이 있다.
이러한 문제점 때문에, 본 발명은 단열두께가 변화하더라도 얼음형성을 확실하게 방지하고 충분한 열전달을 보장하는 저온액체 증발기를 제공하는데 목적이 있다.
(발명의 개시)
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 저온액체 증발기는 다음의 배열을 채용하였다. 특히, 본 발명은 저온액체 증발기에 관한 것이고, 이 저온증발기는 저온액체를 유동시키기 위한 유입헤더; 유입헤더에 수직방향으로 각각 뻗어있고 그 외부가 가열매체와 접촉하여 있고 유입헤더와 연통하고 있는 복수의 외부열교환튜브; 외부열교환튜브내의 저온액체의 증발에 의해서 발생된 가스를 유동시키기 위하여 복수의 외부열교환 튜브를 통하여 유입헤더와 연통하는 유출헤더; 복수의 외부열교환 튜브의 적어도 각 유입부분내에 제공된 복수의 내부열교환 튜브로 구성되어 있고, 각 내부열교환 튜브는 대응외부 열교환 튜브의 내면과 내부 열교환 튜브의 외면사이에 환형의 통로를 각각 형성하고, 환형의 통로는 저온액체를 유동시키기 위하여 유입헤더와 연통하고 있다.
이 증발기에 있어서, 저온액체는 유입헤더로 부터 내부열교환 튜브의 내부뿐만 아니라 외부와 내부열교환 튜브사이의 환형의 통로내로 유동된다.
환형의 통로내에는 비교적 높은 온도의 외부열교환 튜브의 내면근처의 저온액체가 외부열교환 튜브외면위로 유동하는 가열매체와의 활발한 열교환에 의해서 증발된다.
한편, 비교적 저온의 내부열교환 튜브의 외면근처의 저온액체는 액체상태로 위로 유동한다.
이 상태에는 외부와 내부 열교환 튜브의 축방향으로의 유체유동과 액체상태와 기체상의 공존의 사실로 인하여 환형의 통로내 큰 강제대류비등이 강화된다.
따라서, 환형의 통로의 열전달은 증가한다.
즉 2개의 튜브사이의 공간내에 단지 기체물질을 수용하고 있는 종래의 단열재와 비교하여 볼때, 환형의 통로는 열전달율이 증가된다.
따라서, 환형의 통로의 공간간극은 증가될 수 있다.
이것은 공간간극이 상술된 값보다 약간 크거나 또는 작거나 하여도 외부열교환 튜브의 외면상의 얼음의 형성을 방지할뿐만 아니라 충분한 열전달이 보장되는 것도 가능하다.
보다 상세하게는 외부열교환 튜브의 내면과 내부열교환 튜브의 외면중의 어느 하나는 다른 하나면을 향하여 돌출한 복수의 돌출부를 형성하고 있으며, 각각의 돌출부의 선단은 다른 하나의 면과 접촉하여 있다.
이 구조는 공축배열에 있어서 외부 및 내부열교환 튜브를 안정하게 유지하고, 외부 및 내부열교환 튜브의 변형을 방지하고 증발효과를 보장하고 내부열교환튜브가 진동되는 것을 방지한다.
외부열교환 튜브의 내면이 돌출부를 형성한 경우에, 돌출부는 외부열교환 튜브의 내면면적을 증가시키고 따라서 환형통로내의 저온액체에 대해 외부열교환 튜브의 열전달을 향상시킨다.
내부열교환 튜브는 외부열교환 튜브보다 더 짧게 제조될 수 있으며 내부열교환 튜브는 외부열교환 튜브의 유입끝부분내에 배치될 수 있다.
이러한 구조에 있어서, 증발된 액체는 내부열교환 튜브가 제공되지 않은( 즉 외부열교환 튜브의 유출부분) 외부열교환 튜브의 구역에서 충분하게 가열될 수 있다.
내부열교환 튜브는 그벽에 분사구멍을 형성할 수 있고 분사구멍 보다 유출헤더에 근접한 위치에서 내부열교환 튜브내에 폐쇄부재를 구비할 수 있다.
이 구조에 있어서, 내부열교환 튜브내로 공급된 저온액체는 분사구멍을 통하여 환형의 통로내로 분사하고 환형의 통로내에서 증발된 저온액체와 혼합된다.
따라서, 저온액체의 증발은 가속된다.
또한 내부열교환 튜브의 내면에 걸쳐 퍼져있는 기체막의 열전달율은 증가되고 열전달은 향상된다.
외부와 내부열교환 튜브가 수직방향으로 배열된 반면에 유출헤더가 유입헤더 위에 있고 내부열교환 튜브의 유출끝이 유출혜더에 확고하게 부착되어 있다는 것은 이해될 것이다. 외부와 내부열교환 튜브는 유출헤더에 의해서 매달린 상태로 지지되어 있다.
따라서, 외부와 내부열교환 튜브의 각각의 하부끝 부분은 확실하게 유지되어 있지 않다.
이것은 외부와 내부열교환 튜브가 열수축으로 인해 큰 열응력을 받는 것을 방지한다.
더욱이, 상술된 증발기에 있어서, 저온액체가 열조정유체와 직접혼합되면, 높은 응결온도를 가지고 있고 열조정 유체내에 수용된 메탄올과 같은 불순물질은 분리 또는 응결되는 경향이 있고, 그 다음에 통로를 폐쇄한다.
이 사실로 인해, 열조정유체를 유동시키기 위한 제 2헤더를 제공하는 것, 유출끝이 외부열교환 튜브의 유출끝으로부터 돌출하고 제 2헤더와 연결되는 내부열교환 튜브를 사용하는 것, 및 폐쇄부재보다 유출끝에 더 근접하고 외부열교환 튜브의 유출끝을 넘지않는 위치에서 내부열교환 튜브의 벽내에 혼합구멍을 형성하는 것은 이해될 수 있다.
이러한 구조에 있어서, 열조정유체는 제 2헤더로 부터 공급되고 내부열교환 튜브내로 유동되고 혼합구멍을 통하여 내부와 외부열교환 튜브사이의 환형의 통로내로 분사되어 높은 응결온도를 가진 불순물이 분리되고 응결되는 것을 방지하도록 한다.
이러한 방법에 있어서, 저온액체와 열조정유체는 양호한 상태로 혼합되고 따라서 정확한 열량의 조정은 얻어진다.
내부열교환 튜브의 유입끝은 유입헤더내에 위치된다.
유입헤더내로 유동하는 저온액체는 확실하게 내부열교환 튜브내로 도입된다.
따라서, 이 구조는 유입헤더내로 유동하는 저온액체의 부하가 작을때 저온액체의 무거운 구성요소가 높은 농도로 유입헤더내에 남게되고 침전된다.
(발명을 달성하기 위한 최선의 형태)
본 발명에 따른 제 1실시예는 제 1도 내지 제 5도를 참조하여 설명될 것이다.
다음의 실시예가 액화천연가스( 이하에서 LNG로 칭함) 를 증발시키기 위한 증발기로서 설명되더라도 본 발명은 액화질소와 같은 다양한 저온액체를 증발시키는데에 적용할 수 있다.
제 3도에 도시된 바와같이, 증발기는 수평방향으로 평형하게 뻗어있는 복수의 하부헤더( 또는 유입헤더)(10) 를 포함하고 있다.
상술된 개수의 하부헤더(10)는 매니폴드(12)와 연결되어 있으며 LNG는 LNG공급파이프(14)와 매니폴드(12)를 통하여 하부헤더(10)에 공급된다.
더욱이, 증발기는 복수의 하부헤더(10)위에 평행하게 배치된 복수의 상부헤더(16)를 포함하고 있다.
소정 개수의 상부헤더(16)는 매니폴드(18,20) 와 연결되어 있다.
하부헤더(10)와 상부헤더(16)사이에는 서로 평행하게 수직으로 뻗어 있는 다수의 외부열교환 튜브(22)를 포함하는 열교환 패널이 제공되어 있다.
제 1도에 도시된 바와같이, 각각의 외부열교환 튜브(22)는 하부헤더(10)의 내부와 상부헤더(16)의 내부를 연결하고 있다.
더욱이, 내부열교환 튜브(24)는 각각의 외부열교환 튜브(22)의 하부부분에제공되어 있다. 내부열교환 튜브(24)는 외부열교환 튜브(22)보다 더 작은 직경을 가지고 있다.
외부열교환 튜브(22)와 내부열교환 튜브(24)사이에는 하부헤더(10)의 내부와 연통하는 환형의 통로(23)가 형성되어 있다.
보다 상세하게는 제 2도에 도시된 바와같이, 내부열교환 튜브(24)는 그 외면상에 복수의 리브 또는 돌출부(25)를 형성하고 있다.
리브(25)는 내부열교환 튜브(24)의 원주방향으로 배열되어 있다.
이 실시예에 있어서는 4개의 리브가 형성되어 있다.
리브(25)의 선단은 외부열교환 튜브(22)의 내면과 접촉하고 적어도 하나의 부분 예컨대 하부부분에서 외부열교환 튜브(22)의 내면에 용접되어 내부열교환 튜브(24)를 외부열교환 튜브(22)에 확고하게 연결되도록 한다.
본 발명에 있어서, 내부열교환 튜브(24)를 외부열교환 튜브(22)에 확고하게 연결하는 방식은 용접에 제한되지 않는다.
예컨대, 내부와 외부열교환 튜브(22,24) 는 내부열교환 튜브(24)를 외부열교환 튜브(22)내에 위치시키고 이들을 서로 드로잉하는 기계적 방식으로 서로 확고하게 연결될 수 있다.
더욱이, 외부열교환 튜브(22)는 열전달을 향상시키기 위하여 그 외면상에 다수의 핀(28)을 형성하고 있다.
해수와 같은 가열매체(30)는 제 1도의 화살표(A)로 도시된 바와같이 하향방향으로 외부열교환 튜브(22)의 외측위로 유동한다.
제 1도에서 26 은 비틀어진 열전달 가속기이다.
이 열전달 가속기(26)는 내부열교환 튜브와 외부열교환 튜브(22)의 상부부분에 위치된다.
본 발명에 있어서, 열교환 가속기(26)는 생략될 수 있다.
대안적으로, 다른 열전달 가속기가 제공될 수도 있다.
이하에서는 본 증발기의 작동을 설명한다.
하부헤더(10)에 공급된 LNG는 내부열교환 튜브(24)내에서 또한 내부열교환 튜브(24)와 외부열교환 튜브(22)사이에 형성된 환형의 통로(23)내에서 위로 유동한다.
내부열교환 튜브(24)내의 유입율과 환형의 통로(23)내의 유입율은 내부열교환 튜브(24)와 환형의 통로(23)내로 유동하는 LNG의 압력손실에 좌우된다.
그들의 각각의 유동율은 내부열교환 튜브(24)의 유입부분에서의 압력이 환형의 통로(23)의 유입부분에서의 압력과 동일하고 내부열교환 튜브(24)의 유출부분에서의 압력이 환형의 통로(23)의 유출부분에서의 압력과 동일할때 안정하다.
환형의 통로(23)( 제 2도참조) 의 공간간극이 더 커짐에 따라, 환형의 통로(23)내의 유입율은 더 커진다.
일반적으로, LNG 의 온도(T)와 비엔탈피(i) 사이의 관계는 제 5도에 도시된 그래프에 의해서 나타낼 수 있다.
특히, LNG 온도(T) 가 LNG의 비등점(Tb), 즉 LNG가 기체상태 즉 천연가스(이하에서 NG 로 칭함) 로 천이되는 온도보다 더 낮은 제 1구역에서는 LNG가 액체상태로만 존재한다.
LNG 온도(T) 가 비등점(Tb)보다 더 낮은 것이 아니라 이슬점(Td)보다 더 낮은 제 2구역에서는 액체상태의 LNG와 기체상태의 NG가 혼재한다.
LNG온도(T) 가 이슬점(Td)보다 더 낮지 않는 제 3구역에서는 NG 만 존재한다.
환형의 통로(23)의 하부부분 즉 LNG가 유동하는 유입부분은 제 1구역에 대응한다. 이 구역에는 이론적으로 LNG만 존재할 수 있다고 가정된다.
실제, 제4(a)도에 도시된 바와같이, 외부열교환 튜브(22)의 벽근처에서는 LNG가 외부열교환 튜브(22)를 통하여 전달된 열을 받기 때문에 LNG가 부분적으로 비등되어 기포가 발생한다. 이 현상은 서브쿨 비등이라 한다.
환형의 통로(23)의 상부부분은 제4(b)도에 도시된 바와같이, LNG 가 외부열교환 튜브(22)의 벽근처에서 본격적으로 비등하는 제 2구역에 대응하여 기체 및 액체의 혼합상태를 발생시킨다. 어느 경우에 있어서도, 기체 및 액체의 혼합과 LNG 및 NG 의 상향스트림은 강제대류비등을 촉전시키며 이에따라 열전달율을 증가시킨다.
따라서, 완전 기체 NG 를 수용하는 단열재를 가진 종래의 증발기와 비교하여볼때, 환형의 통로(23)는 높은 열전달율을 제공한다.
따라서, 환형의 통로(23)(제2도참조) 의 공간간극( δ) 은 더크게 제조될 수 있다.
이것은 열교환 튜브의 내면상에 부착된 단열부재를 가진 단열재를 구비하거나 또는 NG를 수용하는 기체층을 형성한 종래의 증발기에 요구되는 단열재 두께의 엄격한 관리가 필요없다. 이 구조에 있어서, 환형의 통로(23)의 공간간극( δ) 이 상술된 값을 넘는 오차를 가진다 하더라도, LNG 는 높은 열전달율이 보장되기 때문에 외부열교환 튜브(22)의 하부부분상에 얼음을 형성하지 않고 충분하게 가열되고 중발된다.
내부열교환 튜브(24)가 외부열교환 튜브(22)에 비하여 너무 짧다면, 증발과정에 있는 LNG가 내부열교환 튜브(24)의 상부부분에 있기 때문에 내부열교환 튜브(24)의 상부 끝부분 근처( 즉 외부열교환 튜브(22)의 중간부분) 에 얼음이 형성될 수 있다.
역으로, 내부열교환 튜브(24)가 외부열교환 튜브(22)에 비하여 너무 길면, NG는 내부열교환 튜브(24)가 뻗어 있지 않은 외부열교환 튜브(22)의 상부부분에서 충분하게 가열될 수 없다. 이러한 이유때문에, 내부열교환 튜브(24)의 길이와 환형의 통로(23)의 유동면적은 이러한 값으로 설정되어 LNG의 증발이 내부열교환 튜브(24)의 상부끝 근처에서 완료될 수 있도록 한다. 따라서, 얼음형성의 방지와 NG의 충분한 가열은 간단한 구조로 실현될 수 있다.
(실험 데이타)
제 6도 내지 제15도는 환형의 통로(23)의 공간간극(δ)이 변화될때 열교환 튜브의 길이에 걸쳐 외부열교환 튜브의 외면상의 얼음두께와 각 유체의 온도의 변화를 도시한 그래프이다. 이 그래프는 시뮬레이션 실험 데이타를 기준으로 하여 작성하였다.
특히, 제 6도 내지 제10도에 있어서, 내부열교환 튜브(24)대 외부 열교환 튜브(22)의 길이 비율은 50:100 이며 이에 반하여 제11도 내지 제15도에서는 비율은 40:100 이다.
제 6도에서의 222kg/h의 LNG는 LNG의 전체유동율이 시간당 222킬로그램인 것을 나타내고 한편 동일한 그래프에서의 184.5, 37.5의 LNG는 내부열교환 튜브(22)내로 유동하는 LNG의 유동율이 시간당 184.5킬로그램이고 환형의 통로(23)내로 유동하는 LNG의 유동율이 시간당 37.5킬로그램인 것을 나타낸다.
외부열교환 튜브(22)의 전체길이는 10m이다.
얼음형성이 외부열교환 튜브(22)의 중간부분에 현저하게 있고 이 결과 중간부분에서 외부열교환 튜브(22)의 외벽온도가 국부적으로 또한 현저하게 내려가는 것은 제 6도( 여기에서 공간간극( δ) 이 1.0mm) 와 제 7도( 여기에서 공간간극( δ) 이 1.5mm) 에 명백하게 도시되어 있다. 이것은 다음과 같이 설명될 수 있다.
환형의 통로(23)의 공간간극( δ) 은 작으며 따라서 감소된 것은 환형의 통로(23)내로 유동하는 LNG의 유동율이 감소된다.
환형의 통로(23)내로 유동하는 LNG는 환형의 통로(23)의 하부부분에서 또는 중간부분에서 증발된다.
따라서, 기체상태와 액체상태의 공존 상태하에서 발생하는 강제대류비등에 의해서 제공되는 향상된 열전달을 얻지못한다.
내부열교환 튜브(24)내로 유동하는 LNG는 증발되지 않고 내부열교환튜브(24)로부터 외부로 유동된다.
한편, 얼음형성이 외부열교환 튜브(22)의 중간부분에서 사소하게 발생되고 외부열교환 튜브(22)의 외벽면 온도에서의 국부적 감소가 발생하지 않는 것은 제 8도( 공간간극( δ) 이 2.0mm), 제 9도( 공간간극( δ) 이 2.5mm) 및 제10도( 공간간극( δ) 이 3.0mm) 에 명백하게 도시되어 있다.
이것은 다음과 같이 설명될 수 있다.
큰 공간간극( δ) 은 강제대류비등을 일으키는 환형의 통로(23)내에서의 액체상태과 기체상태의 공존을 가능하게 한다.
강제대류비등은 환형의 통로(23)의 열전달율을 증가시킨다.
내부열교환 튜브(24)내에서 유동하는 약간의 LNG가 완전하게 증발되지 않고 여전히 액체상태로 내부열교환 튜브(24)로부터 외부로 유동하는 경우에도 환형의 통로(23)내로 유동하는 LNG의 완전한 증발에 의해서 발생된 NG 는 이러한 누출된 LNG를 밀폐한다.
제 8도 내지 제10도에 도시된 바와같이, 본 발명에 따라, 충분한 열전달율은 환형의 통로(23)내에서 야기된 공간간극( δ) 이 결과적으로 얼음형성을 방지할 수 있는 비교적 넓은 범위내에서 변화되더라도 보장될 수 있다.
내부열교환 튜브대 외부열교환 튜브의 길이의 비율이 40:100 인 제11도 내지 제15도의 경우에 있어서, 마찬가지로, 내부열교환 튜브(24)내에서 유동하는 LNC의 온도는 내부열교환 튜브(24)내에서 유동하는 LNG의 유동율이 크고 열전달 면적이 작기 때문에 공간간극( δ)이 작은구역에서 충분하게 상승될 수 없다.
더욱이, 얼음형성은 엔탈피가 갑자기 변화하는 온도구역 즉 제 5도에 도시된 바와같이 물과 같은 단일성분의 경우에 증발의 잠열이 흡수되는 구역에서 현저하게 증가된다.
하지만, 얼음형성은 환형의 통로(23)내에서 유동하는 LNG의 유동율 증가시키기 위하여 공간간극( δ) 을 넓힘으로써 즉 내부열교환 튜브(24)내에서 유동하는 LNG의 유동율을 감소시킴으로써 억제될 수 있다.
공간간극( δ) 이 더 증가된 경우에 대한 데이타가 얻어지지 않았지만, 공간간극( δ)이 아주 큰 경우에 열전달율이 낮아진다는 것은 예견될 수 있다.
이것은 제4(c)도에 도시된 바와같이 아주 큰 공간간극이 환형의 통로(23)내에서 LNG층과 NG층의 전체분리를 발생시키는 사실때문에 열전달율을 증가시키는 액체상태와 기체상태의 공존상태에서 강제대류비등을 발생시키는 것이 결과적으로 어렵다.
따라서, 본 발명에 있어서, 내부열교환 튜브(24)의 길이와 환형의 통로(23)의 공간간극(δ) 은 환형의 통로(23)내에서 유동하는 LNG의 엔탈피가 LNG의 작동압력하에서 내부열교환 튜브(24)의 상부끝 근처둘레에서 부드럽게 변화하고 즉 엔탈피가 제 5도에서 점(P)에서 변화되는 값으로 각각 설정된다.
이러한 방식으로, 얼음형성은 튜브의 길이가 가능한한 짧은 상태에서 확실하게 방지될 수 있다.
그 다음에, 본 발명의 제 2실시예는 제16도를 참조하여 설명된다.
이 실시예에 있어서, 웨브형 돌출부의 형상인 복수의 핀(29)은 제 1실시예의리브대신에 외부열교환 튜브(22)의 내면상에 형성되어 있다.
핀(29)의 선단은 내부열교환 튜브(24)의 외면과 접촉하고 있다.
이 상태에 있어서, 내부열교환 튜브(24)는 외부열교환 튜브(22)에 위치되어 있다.
내부열교환 튜브(24)를 외부열교환 튜브(22)에 위치시키기 위한 돌출부로서 사용되는 핀(29)은 외부열교환 튜브(22)의 내면에 형성되어 있다.
결과적으로, 환형의 통로(23)를 형성하는 외부열교환 튜브의 표면적은 현저하게 증가되며, 따라서 이것은 외부열교환 튜브로부터 환형의 통로(23)으로의 열전달을 증가시킨다.
따라서, 환형의 통로(23)의 공간간극은 더 넓게 제조될 수 있으며 공간간극의 정밀한 공차는 증가될 수 있다.
그다음에 본 발명의 제 3실시예는 제17도 내지 제25도를 참조하여 설명된다.
이 실시예에 있어서, 제17도에 도시된 바와같이, 내부열교환 튜브(24)는 내부열교환 튜브(24)의 하부끝부분(24a) 이 하부헤더(10)에서 돌출하는 방식으로 외부열교환 튜브(22)보다 더 길다.
내부열교환 튜브(24)는 하부끝부분(24a) 약간 위에서 유입관통구멍(32)을 형성하고 있다.
유입구멍(32)은 내부열교환 튜브(24)의 벽을 통하여 절단된다.
유입구멍(32)은 내부열교환 튜브(24)의 내부로부터 환형의 통로(23)내로 LNG를 분사하도록 되어있다. 제21도에 도시된 바와같이, 내부 열교환 튜브(24)의 상부끝부분은 상술된 간극을 통해서 상부헤더(16)를 통과한다.
이 상태에 있어서, 내부열교환 튜브(24)의 상부끝부분은 매달린 상태로 상부헤더(16)에 확고하게 연결되어 있다.
내부열교환 튜브(24)의 유출끝은 열조정 유체가 유동되는 LNG공급헤더(42)와 연통한다. 이 실시예에 있어서, 액화석유가스( 여기에서 LPG라칭함) 가 유동된다.
제17도 및 제23도에 도시된 바와같이, 내부열교환 튜브(24)는 그중간부분( 제18도에서 E면적) 에 복수의 분사구멍(34)을 형성하고 있다.
분사구멍(34)은 등간격 만큼 떨어져서 수직으로 배열되어 있고 내부열교환튜브의 벽에 천공되는 것이 바람직하다.
내부열교환 튜브(24)는 내부열교환 튜브(24)를 폐쇄하도록 상부끝 분사구멍 바로위에 폐쇄부재(36)를 더 구비하고 있다.
내부열교환 튜브(24)는 폐쇄부재(36)바로 위로부터 시작하는 복수의 혼합구멍(40)을 더 형성하고 있다.
혼합구멍(40)은 내부열교환 튜브(24)의 벽에 천공되어 있다.
제19도에 도시된 바와같이, 가열매체로서 해수는 파이프(11)를 통하여 해수매니폴드(13)내로 공급되고 여기로 부터 해수는 분기되고 각각의 해수혜더(15)로 분배된다.
해수헤더(15)로 공급된 해수는 제20도에 도시된 바와 같이 파이프(17)를 경유하여 단면이 U 형상인 홈통(19)내로 유동한다.
홈통(19)내로 유동된 해수는 홈통(19)로부터 범람하고 복수의 외부열교환 튜브(22)외면을 따라 떨어진다.
상기 구조를 가진 해수공급 시스템은 제 1및 제 2실시예에 적용할 수 있다.
제 3실시예로서 증발기의 작동은 다음에 설명된다.
하부헤더(10)내로 공급된 LNG는 하부끝부분(24a) 을 통하여 내부열교환 튜브(24)내로 유동한다. 하부끝부분(24a) 이 하부헤더(10)의 내부로 돌출하고 있으므로, 하부헤더(10)내측의 LNG의부하가 작고, 즉 LNG의 유동율이 작은 경우에도 LNG내에 수용된 무거운 성분이 응축된 상태에서의 나머지로서 하부헤드(10)내에 있는 상태는 방지된다.
내부열교환 튜브(24)내에서 유동되는 LNG는 폐쇄부재(36)에 의해서 차단되고 분사구멍(34) 또는 유입구멍(32)을 통하여 환형의 통로(23)내로 분사되고 분사구멍과 유입구멍은 폐쇄부재(36)아래에 위치된다.
환형의 통로(23)에 분사된 LNG는 환형의 통로(23)에서 이미 발생된 NG 와 효과적으로 혼합된다. 이때, LNG 가 내부열교환 튜브(24)에서 비등되더라도, NG의 막은 내부열교환 튜브(24)의 내면상에 존재한다.
하지만, 분사는 NG 를 환형의 통로(23)내에서 받아들이게 한다.
한편, LPG 공급헤드(42)내로 유동된 LPG는 내부열교환 튜브(24)의 상부부분 내측의 아래로 유동하고 폐쇄부재(36)에 의해서 차단되고 폐쇄부재(36)위에 위치된 혼합구멍(40)을 통하여 환형의 통로(23)내로 분사된다.
결과적으로, 분사된 LPG는 환형의 통로(23)내에서 효과적으로 혼합된다.
제24(a) 도는 외부열교환 튜브(22)의 온도와 높이 사이의 관계를 도시한 선도이다.
이 선도에 있어서, 라인(L1)은 외부열교환 튜브(22)에서 상승한 LNG와 LPG의 혼합액체의 평균온도분포를 나타내고 있다.
라인(L2)은 해수의 온도분포를 나타내고 있다.
라인(L3)은 내부열교환 튜브(24)의 온도분포를 나타내고 있다.
라인(L4)은 외부열교환 튜브(22)의 온도분포를 나타내고 있다.
선도에 도시된 바와같이, 상술된 압력( 예컨대, 30kgG/cm ) 과 약 160℃의 온도를 가진 LNG가 하부혜더(10)로부터 유동된다.
라인(L1a) 에 의해서 표시된 바와같이, 하부헤더(10)로부터 유동된 LNG는 내부열교환 튜브(24)와 환형의 통로(23)에서 상승하는 만큼 가열매체로서의 해수와의 열교환에 의해 가열되고 LNG의 온도는 결과적으로 가열된다.
그다음에 라인(L1b) 에 의해서 표시된 바와같이, LNG 는 약 -90℃에서 증발하기 시작하고 점(L1c) 에서 증발을 완료한다.
라인(L1d) 에 의해서 표시된 바와같이, LNG 의 온도는 더 증가한다.
LNG 의 온도가 약 -100℃이면, LNG 는 내부열교환 튜브(24)로부터 분사구멍(34)을 통하여 환형의 통로(23)내로 분사되고 환형의 통로(23)내의 LNG와 NG 의 혼합액체로 혼합되고 혼합 구멍(40)으로부터 분사된 LPG와 더 혼합된다.
이 혼합점에 있어서, LNG 의 온도는 약 -20℃이다.
따라서, 높은 응결점을 가진 불순물질 예컨대 메탄올( 응결점은 약 -125℃) 이 LPG내에 수용되더라도, 이러한 불순물질( 메탄올) 은 응결되지 않고 이것은 따라서 응결로 인해 통로가 폐쇄되는 문제점을 제거한다.
홈통(19)으로부터 공급된 해수의 온도는 약 10℃이고 상부헤더(16)내의 NG 의 온도는 약 8℃이다. 제24(b) 도의 라인(L5)는 외부열교환 튜브(22)의 외면상에 형성된 얼음두께의 변화를 도시하고 있다.
얼음두께는 외부열교환 튜브(22)의 하단부분에서 조차도 약 2mm보다 더 크지는 않다.
이 두께는 무시해도 좋으며 열전달율에 악영향을 미치지 않는다. 제18도에 도시된 외부열교환 튜브(22)의 전체길이(H) 는 예컨대 10m길이로 설정될 수 있다.
제18도에서, 상부헤더(16)와 하부혜더(10)는 지지프레임에 의해서 지지되며 외부열교환 튜브(22)와 내부열교환 튜브(24)는 매달린 상태로 지지된다.
내부열교환 튜브의 하부끝부분(24a) 은 자유단이다.
또한, 외부열교환 튜브(22)의 하부끝 부분은 고정된 상태로 유지되지 않는다.
따라서, 열교환튜브(22,24) 가 열수축으로 인해 큰 열응력을 받는 것은 가능하지 않다.
본 발명은 상술된 증발기에 제한되지 않고 다른 구조도 다음과 같이 사용될 수 있다.
본 발명에 따라 외부열교환 튜브에서의 LNG의 유동방향은 제한되지 않는다.
예컨대 상부혜더는 유입포트로 사용될 수 있고 하부헤더는 유출포트로서 사용될 수 있고 이것은 상기 실시예의 배열에 반대이다.
이경우에, LNG 와 같은 저온액체는 상부헤더로부터 열교환튜브를 통하여 중량을 활용하는 하부헤더로 강제적으로 아래로 유동된다.
대안적으로, 유입헤더와 유출헤더는 동일한 수평면으로 배열될 수 있고, 동일한 수평면에 놓여있는 외부열교환 튜브를 통하여 서로 연결되어 있다.
제 1및 제 2실시예에 있어서, 외부열교환 튜브(22)와 내부열교환 튜브(24)의 길이차이 즉 내부열교환 튜브(24)가 외부열교환 튜브(22)에 제공되지 않는 구역에 대응하는 길이 간격은 유출헤더에서의 NG 의 목표온도에 따라 설정될 수 있다.
특히 목표온도가 높을수록, NG가 더 오래가열될 수 있도록 길이차이가 더 길게된다.
본 발명에 따라 유입헤더(10)내에 복수의 관통구멍을 가진 스파저 튜브를 제공하는 것이 이해될 것이다.
이 구조는 유입헤더(10)내의 LNG를 더욱 균일하게 공급하는 장점이 있다.
(산업에서의 이용)
상수된 바와같이, 본 발명에 있어서, 유입헤더와 유출헤더에 연통하는 외부열교환 튜브는 그 유입부분에서 내부열교환 튜브와 내부적으로 배열되어 있다.
저온액체를 유동시키기 위한 환형의 통로는 내부열교환 튜브와 외부열교환 튜브 사이에 형성되어 있다. 환형의 통로는 유입헤더와 연통하고 있다.
환형통로내의 유체의 축방향 유동과 액체상태와 기체상태의 공존은 환형의 통로내의 강제대류비등을 향상시키며 이에따라 열전달율을 증가시킨다.
그래서, 단지 가스를 수용하기 위한 단열공간을 구비한 종래의 증발기와 비교하여 볼 때 환형의 통로의 공간간극은 넓게 제조될 수 있다.
따라서, 충분한 열전달을 보장하고 외부열교환 튜브상에 얼음형성을 방지하는 공간간극의 치수공차를 증가시키는 것은 가능하다.
따라서, 저온액체 증발기의 제조는 간단화될 수 있고 제조비도 절감될 수 있다.

Claims (8)

  1. 저온액체를 유동시키기 위한 유입헤더; 유입헤더에 수직방향으로 각각 뻗어있고 그 외부가 가열매체와 접촉하여 있고 유입헤더와 연통하고 있는 복수의 외부열교환 튜브; 외부열교환 튜브내의 저온액체의 증발에 의해서 발생된 가스를 유동시키기 위하여 복수의 외부열교환 튜브를 통하여 유입헤더와 연통하는 유출헤더; 복수의 외부열교환 튜브의 적어도 각 유입부분내에 제공된 복수의 내부열교환 튜브로 구성되어 있고, 각 내부열교환 튜브는 대응외부열교환 튜브의 내면과 내부열교환 튜브의 외면사이에 환형의 통로를 각각 형성하고, 환형의 통로는 저온액체를 유동시키기 위하여 유입헤더와 연통하고 있는 것을 특징으로하는 저온액체 증발기.
  2. 제 1항에 있어서, 외부열교환 튜브의 내면과 내부열교환 튜브의 외면중의 어느 하나는 복수의 돌출부를 형성하고 있으며, 이 돌출부는 튜브의 원주방향으로 배열되어 있고 다른 하나의 면을 향하여 돌출하여 있으며, 각각의 돌출부의 선단은 다른 하나의 면과 접촉하여 있는 것을 특징으로 하는 저온액체 증발기.
  3. 제 2항에 있어서, 외부열교환 튜브의 내면에는 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 저온액체 증발기.
  4. 제 1항 내지 제 3항중의 어느 한항에 있어서, 내부열교환 튜브는 외부열교환튜브보다 더 짧으며, 내부열교환 튜브는 외부열교환 튜브의 유입끝부분에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 저온액체 증발기.
  5. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한항에 있어서, 내부열교환 튜브에는 그 내벽에 분사구멍이 형성되어 있고 분사구멍 보다 유출헤더에 더 근접한 위치에서 내부열교환 튜브내의 폐쇄 부재를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 저온액체 증발기.
  6. 제 5항에 있어서, 외부와 내부열교환 튜브는 수직방향으로 배열된 반면에 유출헤더는 유입헤더위에 있고 내부열교환 튜브의 상부끝은 유출헤더에 확고하게 부착되어 있고 외부와 내부열교환 튜브는 매달린 상태로 유출헤더에 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 저온액체 증발기.
  7. 제 5항에 있어서, 열조정 유체를 유동시키기 위한 제 2헤더를 더 포함하고 있으며, 내부열교환 튜브의 유출 끝은 외부열교환 튜브의 유출끝으로부터 돌출하여 있고 제 2헤더에 연결되어 있으며, 내부열교환 튜브에는 폐쇄부재 보다 유출끝에 더 근접하고 외부열교환 튜브의 유출끝을 넘지 않는 위치에서 벽내에 혼합구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 저온액체 증발기.
  8. 제 1항 내지 제 3항중의 어느 한항에 있어서, 내부열교환 튜브의 유입끝은 유입헤더에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 저온액체 증발기.
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