WO2013027301A1 - 液化ガス用気化器 - Google Patents

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heat medium
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勝二 福谷
春名　一生
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住友精化株式会社
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    • F17C2227/0388—Localisation of heat exchange separate
    • F17C2227/0393—Localisation of heat exchange separate using a vaporiser

Definitions

  • the present invention relates to a vaporizer that vaporizes and vaporizes liquefied gas such as nitrogen, oxygen, argon, LNG (liquefied natural gas), propane, etc., and supplies the vaporized gas to consumers.
  • a vaporizer that vaporizes and vaporizes liquefied gas such as nitrogen, oxygen, argon, LNG (liquefied natural gas), propane, etc., and supplies the vaporized gas to consumers.
  • fuel gases such as LNG (liquefied natural gas) and LPG (liquefied propane gas) are stored in liquid tanks and vaporizers. Evaporating and supplying the gas in the form of gas is used as an important industrial technique for repeatedly storing and consuming liquefied gas in each industrial field.
  • a variety of heating sources for the vaporizer can be used depending on the physical properties of the gas, but atmospheric air is generally used.
  • liquefied nitrogen, liquefied oxygen and liquefied argon are stored at a low temperature of ⁇ 180 ° C. or lower, liquefied carbon dioxide gas is ⁇ 25 ° C.
  • LNG is ⁇ 160 ° C. or lower
  • LPG is stored at a low temperature of ⁇ 40 ° C. or lower.
  • LNG satellite referring to a medium-sized or small-scale LNG storage facility installed at a plurality of locations apart from a large LNG storage facility serving as a center
  • at least two vaporizers are installed in parallel. Two units are switched and operated every predetermined time (for example, 4 hours), and while one vaporizer is performing the vaporization operation, the other vaporizer that has frozen is stopped and the ice is melted.
  • a vaporizer that uses a liquid medium such as seawater as a heating source is also known. Conventional vaporizers that use seawater or ambient air as a heating source are disclosed, for example, in Patent Documents 1 to 3 below.
  • Patent Document 1 in the case of a vaporizer that heats and vaporizes LNG, which is a typical liquefied gas, as seen in JP-A-5-203098 (Patent Document 1), a plurality of heat transfer tubes that allow LNG to pass therethrough and to them.
  • a so-called shell-and-tube heat exchanger composed of a chamber partitioned by a welded tube sheet was used.
  • a plurality of heat transfer tubes were incorporated between the tube plates, seawater was flowed to the shell side, and LNG was heated to evaporate.
  • Patent Document 2 discloses a vaporizer called an open rack type, in which a plurality of heat transfer tubes having a double tube structure are connected in the vertical direction and welded to upper and lower manifolds. By fixing, a panel-like structure was formed as a whole, and seawater was sprinkled on the outside to heat and evaporate.
  • Patent Document 3 discloses a vaporizer that heats using atmospheric air, and is spaced apart in the vertical direction as schematically shown in FIG.
  • a finned heat transfer tube 23 fins not shown
  • the LNG to be vaporized is introduced from the lower manifold 21, is evaporated by heat exchange with air while being distributed to the plurality of finned heat transfer tubes 23, is merged and recovered by the upper manifold 22, and is passed through the outlet tube 24.
  • reference numeral 25 indicates a welded portion between the heat transfer tube 23 and the upper and lower manifolds 21 and 22.
  • the carburetor according to the prior art is used by standing a plurality of pipes in common, and installing and fixing a partition chamber and a manifold above and below the pipe.
  • the gas vaporized while rising in the heat pipe gathered in the upper manifold and the partition chamber, and was heated by outside air and drawn out.
  • the length of the icing portion FZ is different for each of the different heat transfer tubes 23, and a temperature difference occurs between the different heat transfer tubes 23, and the length of expansion and contraction of each heat transfer tube is also different due to the difference in temperature difference.
  • a difference in expansion / contraction amount of 2.3 mm / m occurs when a temperature difference of 100 ° C. occurs, and a heat transfer tube made of stainless steel has a difference of 1.5 mm / m.
  • a difference in the amount of expansion and contraction occurs, and a difference in the amount of expansion and contraction of 1.2 mm per meter occurs in the steel heat transfer tube. For this reason, excessive stress is applied to the welded portions 25 fixed to the manifolds 21 and 22, and often causes a problem that the welded portions 25 are cracked when the vaporizer is operated intermittently.
  • the liquefied gas vaporizer since the liquefied gas vaporizer is designated as a gas facility of the High Pressure Gas Safety Act, the vaporizer must be subjected to a public open inspection of the welded part and internal configuration once every three years. A structure that can easily inspect the internal structure including the welded portion at the time of inspection is required.
  • the main problem to be solved by the present invention is to provide a carburetor that hardly causes problems such as breakage in the welded portion of the heat transfer tube even when repeated thermal stress is applied.
  • the supplementary problem of the present invention is that two identical vaporizers are installed alternately to reduce the heat exchange rate due to freezing of moisture on the surface of the heat transfer tube as in the case of heating with ambient air. It is to provide a vaporizer that does not require operation and de-icing.
  • Another supplementary problem of the present invention is to provide a carburetor having a structure that is easily subjected to public inspection of the welded portion and the entire internal structure as a gas facility subject to the High Pressure Gas Safety Law. .
  • the present invention proposes the following means to solve the above problems.
  • the present invention is a vaporizer that heats and vaporizes a liquefied gas with a heat medium, and includes a heat medium container that can be replenished with the heat medium, and extends from the lower part to the upper part of the heat medium container and again to the lower part A liquefied gas to be vaporized by the heat transfer tube, the upper end portion of the heat transfer tube not being fixed, and only the lower end portion of the heat transfer tube supported by the heat medium container.
  • a vaporizer is provided that continuously vaporizes the gas.
  • the heat transfer tube has a spiral shape, and the heat transfer tube can absorb the change in length even if the cooling and heating are repeatedly expanded and contracted due to the fluctuation of the evaporation amount. Therefore, it is possible to avoid an excessive stress being applied to the support portion (joint portion) of the heat transfer tube with respect to the heat medium container, and it is possible to eliminate or reduce problems such as breakage of the support portion.
  • the heat transfer area can be changed by adjusting the total length by adjusting the number of turns and the winding density of the heat transfer tube.
  • the heat transfer tube is heated at a temperature higher than normal temperature, for example, + 60 ° C., with a heating medium such as hot water. Therefore, freezing does not occur on the surface of the heat transfer tube. As a result, it is not necessary to place the frozen vaporizer on standby and defrost, so there is no need to install two vaporizers, and vaporization can be continued with only one.
  • a heating medium such as hot water.
  • the heat transfer tube is configured such that the inner diameter increases stepwise from the upstream side to the downstream side.
  • the flow rate of the liquid or gas can be optimized according to the evaporation amount in the heat transfer tube.
  • the inner diameter of the heat transfer tube is stepwise so that the inner diameter cross-sectional area of the thickest portion on the downstream side is in the range of 1.5 to 10 times the inner diameter cross-sectional area of the narrowest portion on the upstream side. It is configured to be large.
  • the heat transfer medium container includes a bottom plate and a main body housing detachably joined to the bottom plate, and the upstream end and the downstream end of the heat transfer tube are fixed only to the bottom plate.
  • the heat transfer medium container includes a bottom plate and a main body housing detachably joined to the bottom plate, and the upstream end and the downstream end of the heat transfer tube are fixed only to the bottom plate.
  • all the components incorporating the heat transfer tubes can be directly inspected and maintained simply by removing the covering main body housing from the bottom plate.
  • the upstream end portion and the downstream end portion of the heat transfer tube are respectively supported by the bottom plate via a cap, and the cap is connected to the upstream end portion or the first end via a first welded portion. While being joined to the downstream end, it is joined to the bottom plate via a second weld.
  • the stress accompanying expansion and contraction of the heat transfer tube and the cap can be distributed to the first welded portion and the second welded portion, respectively, and stress concentration can be avoided.
  • the cap has a curved ceiling wall
  • the heat transfer tube passes through the ceiling wall of the cap
  • the first welded portion has an obtuse angle with respect to the heat transfer tube and the ceiling wall of the cap. It is joined across. Also with this configuration, stress concentration on the welded portion can be more effectively avoided.
  • the heat medium container is provided with a heat medium introduction nozzle for supplying a heat medium therein, and the opening of the heat medium introduction nozzle is arranged in a circumferential direction of the outer peripheral wall of the heat medium container. A heat medium is sprayed along. Thereby, the heat exchange efficiency to the liquefied gas by a heat medium improves.
  • the heat medium container is provided with a heat medium overflow pipe that defines a liquid surface of the heat medium inside the heat medium container, and the heat medium that overflows beyond the upper end opening of the heat medium overflow pipe is disposed in the heat medium. It is configured to discharge to the outside of the container.
  • gas leak detection means for detecting liquefied gas leaked from the heat transfer tube in the heat medium container is further provided. Thereby, it is possible to avoid the operation from being continued in a state where the gas has leaked.
  • the vaporizer of the present invention is particularly suitable for vaporizing liquefied natural gas (LNG), but not only LNG vaporization but also liquefied oxygen having a boiling point of ⁇ 183 ° C., liquefied argon having ⁇ 186 ° C.
  • LNG liquefied natural gas
  • the present invention can also be applied to the case of vaporizing a liquefied gas stored in a low temperature in a liquid state such as liquefied nitrogen at ⁇ 196 ° C. or propane at ⁇ 42 ° C.
  • the vaporizer mainly includes a bottom plate 1, a shell-like main body housing 2, a heat transfer tube 3, a heat transfer tube 3, and a heat transfer tube 3.
  • a medium introduction nozzle 4, a heat medium overflow pipe 5, a heat medium drain pipe 6, and a gas leak detection pipe 7 are included.
  • the thickness of the main body housing 2, the heat transfer pipe 3, the heat medium introduction nozzle 4, the heat medium overflow pipe 5, the heat medium drain discharge pipe 6, etc. is omitted for the sake of simplicity.
  • the liquefied gas to be vaporized is liquefied natural gas (LNG) and the heating medium is warm water.
  • LNG liquefied natural gas
  • the heating medium is warm water.
  • the present invention is not limited to these.
  • the bottom plate 1 is made of stainless steel, for example, and has a plurality of heat transfer tube insertion holes 1a and 1b (two heat transfer tube insertion holes in FIG. 1) and a plurality of bolt holes 1c.
  • the bottom plate 1 may also serve as a scaffold plate for the LNG satellite (see definition in paragraph 0002).
  • the main body housing 2 is made of, for example, stainless steel, the lower end is open, and the upper end is closed by a partially spherical or curved ceiling wall 2a. Therefore, the main body housing 2 has a substantially bell-shaped form.
  • An annular flange 2 b is integrally formed on the outer periphery of the lower end of the opening of the main body housing 2, and a bolt hole 2 c corresponding to the bolt hole 1 c of the bottom plate 1 is provided in the flange 2 b.
  • the main body housing 2 and the bottom plate 1 are fixed in a sealed state to each other by bolts (not shown) inserted into the respective bolt holes 1c and 2c.
  • the main body housing 2 can be easily detached from the bottom plate 1 by removing a bolt (not shown), and the internal structure can be easily visually inspected.
  • the bottom plate 1 and the main body housing 2 define a heat medium container for accommodating a heat medium such as warm water.
  • an appropriate sealing material is interposed between the flange 2b of the main body housing 2 and the bottom plate 1 so that the sealed state is maintained.
  • the heat transfer tube 3 is drawn into the inside of the main body housing 2 through one heat transfer tube insertion hole 1 a of the bottom plate 1, extends upward in a spiral shape, and then turns downward to return to the bottom plate 1. It leads out outside through the other heat exchanger tube insertion hole 1b. As a result, even if the heat transfer tube 3 expands and contracts due to a temperature change, it can be sufficiently absorbed by the spirally extending portion, and stress is not easily transmitted to the connecting portion to the bottom plate 1 (details of the structure will be described later). It has become.
  • the heat transfer tube 3 gradually increases in diameter as it extends from the upstream side to the downstream side, and extends from the upstream side small diameter portion 3a and from the small diameter portion 3a to the folded top.
  • a diameter portion 3b and a large diameter portion 3c extending from the medium diameter portion 3b toward the bottom plate 1 are included.
  • the small-diameter portion 3a and the medium-diameter portion 3b are connected by a reducer 3d (a known element for connecting pipes having different diameters), and the medium-diameter portion 3b and the large-diameter portion 3c are connected by a reducer 3e.
  • reducer 3d a known element for connecting pipes having different diameters
  • the small diameter portion 3a is, for example, a stainless steel pipe having an inner diameter of 27.2 mm ⁇
  • the medium diameter portion 3b is, for example, a stainless steel tube having an inner diameter of 35.5 mm ⁇ or an inner diameter of 52.7 mm ⁇ (with a cross-sectional area ratio of 1.7 times to 3.
  • the diameter of the large diameter portion 3c is a stainless steel pipe having an inner diameter of 65.9 mm ⁇ (the cross-sectional area ratio is increased from 1.6 to 3.4 times that of the medium diameter portion 3b). It is.
  • the inner diameter of the heat transfer tube 3 may be increased in two stages (in this case, the cross-sectional area ratio is increased 5.9 times from the inner diameter 27.2 mm ⁇ to the inner diameter 65.9 mm ⁇ ) at four stages or more.
  • the inner diameter may be increased separately.
  • the small diameter portion 3a of the heat transfer tube 3 is connected to a pipe extending from, for example, an LNG storage tank at the upstream end thereof.
  • the large-diameter portion 3c of the heat transfer tube 3 is connected to a pipe connected to, for example, a natural gas utilization site (not shown) at the downstream end thereof.
  • the heat medium introduction nozzle 4 is made of, for example, a stainless steel pipe, is connected to a pipe extending from a heat medium supply source (warm water supply source) (not shown), and penetrates the bottom plate 1. Extending upward. The upper end of the heat medium introduction nozzle 4 is opened along the circumferential direction of the outer peripheral wall at the lower part of the main body housing 2, and the heat medium is injected so that the heat medium introduced into the main body housing 2 becomes a vortex. It is supposed to be.
  • the heating medium liquid such as warm water, ethanol or ethylene glycol can be used, but it is preferable to use warm water in consideration of cost and ease of handling.
  • the heat medium overflow pipe 5 is made of, for example, a stainless steel pipe and extends through the bottom plate 1 in a sealed state.
  • the upper end opening 5 a of the heat medium overflow pipe 5 is located in the vicinity of the ceiling wall 2 of the main body housing 2, and the heat medium that overflows when the heat medium is sequentially supplied from the heat medium introduction nozzle 4 is discharged to the outside.
  • the heat medium discharged through the heat medium overflow pipe 5 is reheated by a reheating means (not shown) and is circulated again to a heat medium supply source (not shown).
  • the heat medium drain pipe 6 is for discharging the internal heat medium before the main body housing 2 is removed from the bottom plate 1 and the inside is inspected and is sealed through the through hole of the bottom plate 1. It communicates with the inside of the main body housing 2 in a state.
  • the heat medium drain pipe 6 is made of, for example, a stainless steel pipe.
  • the gas leak detection pipe 7 is provided to serve as a check nozzle when a liquefied gas such as LNG leaks inside the main body housing 2, and its upper end 7 a has an upper end opening 5 a (heat The liquid level of the medium is defined) and the ceiling wall 2 a of the main body housing 2.
  • the liquefied gas leaked inside the main body housing 2 is converted into a gas and led out to the outside by the gas leak detection pipe 7 and detected by a sensor (not shown) connected to the gas leak detection pipe 7.
  • a sensor not shown
  • connection structure of the heat transfer tube 3 to the bottom plate 1 will be described.
  • the heat transfer tube 3 is connected to the bottom plate 1 at two locations, that is, at the positions of the heat transfer tube insertion holes 1a and 1b, but the basic connection structure is the same, although there is a difference in diameter. Therefore, as a representative example, a connection structure in the heat transfer tube insertion hole 1a of the small diameter portion 3a will be described with reference to FIG.
  • the heat transfer tube insertion hole 1 a is closed by a cap 8, and the small-diameter portion 3 a of the heat transfer tube 3 passes through the central portion of the hemispherical or curved ceiling wall 8 a of the cap 8. Yes.
  • the small diameter portion 3a of the heat transfer tube 3 and the ceiling wall 8a of the cap 8 are joined by a welded portion 9a, and the skirt portion of the cap 8 and the bottom plate 1 are joined by a welded portion 9b.
  • a stress dispersion effect due to the hemispherical or curved ceiling wall 8 a in the cap 8 additionally acts. Therefore, coupled with the expansion / contraction absorption effect due to the heat transfer tube 3 having a spiral structure, stress concentration on the welds 9a and 9b does not occur.
  • the cap 8 is preferably made of, for example, stainless steel similar to the heat transfer tube 3.
  • hot water of about + 60 ° C. for example, is supplied to the main body housing 2 through the heat medium introduction nozzle 4 to substantially fill the inside of the main body housing 2.
  • the supplied hot water rises inside the main body housing 2 as a vortex, and the excess hot water is discharged to the outside through the heat medium overflow pipe 5 and reheated, and then the heat medium supply source (see FIG. Not shown).
  • LNG that is a liquefied gas once rises in the heat transfer tube 3 wound in a spiral shape, and then changes from a liquid to a gas by being heated by hot water that is a heating medium while descending.
  • the volume of LNG which is a liquid, increases to about 70 times as it changes to a gas of ⁇ 145 ° C. at 0.3 MPaG.
  • the inner diameter of the heat transfer tube 3 increases stepwise, the resistance to the flow of the fluid does not increase, and an optimal flow rate of LNG or vaporized gas is ensured.
  • the vaporized natural gas is finally heated to near normal temperature inside the heat transfer tube 3 and discharged.
  • the surface area of the heat transfer tube 3 needs to be about 13 m 2, but if this is heated with air or seawater, The area needs to be about twice or more, and the height of the equipment increases and the installation area also increases. Therefore, according to this embodiment, it is possible to reduce the size of the vaporizer and the installation area.
  • the heat transfer tube 3 has a spiral shape, the expansion and contraction of the heat transfer tube due to a temperature change can be absorbed, stress is not easily applied to the welded portion, and the welded portion is not easily broken.
  • the heat transfer area can be easily changed by adjusting the total heat transfer tube length by adjusting the number of turns and the winding density of the spiral.
  • the main body housing 2 covering the heat transfer tube 3 is detachably joined to the bottom plate 1 in the shape of a bell or a cap, and the heat transfer tube 3 is welded to only the bottom plate 1, the main body housing 2 is attached to the bottom plate. Only by removing from 1, the state of the heat transfer tube 3 and the welded portion can be easily visually inspected and maintained.
  • the present invention can be variously modified without departing from the basic idea.
  • the material such as the heat transfer tube 3 is made of stainless steel.
  • it can be made of aluminum or an aluminum alloy.
  • one heat transfer tube 3 is used.
  • a plurality of spiral heat transfer tubes may be provided so as not to interfere with each other in arrangement, and each heat transfer tube may be provided with respect to the bottom plate 1.
  • a joining structure as shown in FIG. 4 can be employed.
  • the vaporizer according to the present invention not only vaporizes LNG but also liquefied oxygen having a boiling point of ⁇ 183 ° C., liquefied argon of ⁇ 186 ° C., liquefied nitrogen of ⁇ 196 ° C., propane of ⁇ 42 ° C., etc. in a liquid state at low temperature.
  • the present invention is also applicable when vaporizing the liquefied gas.

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Abstract

　本発明の気化器は、液化ガスを熱媒で加熱して気化させるものであって、熱媒が補充可能に収容される熱媒容器（１，２）と、前記熱媒容器（１，２）の下部から上部に延びて再び下部に折り返すように延びるスパイラル状の伝熱管（３）と、を含む。前記伝熱管（３）の上端部を固定せず、当該伝熱管の下端部のみを前記熱媒容器（１，２）に支持させ、前記伝熱管（３）に気化すべき液化ガスを連続的に流して気化させるようにしている。　

Description

液化ガス用気化器
　本発明は窒素、酸素、アルゴンやＬＮＧ（液化天然ガス）、プロパンなど液化したガスを気化蒸発させガス状で需要者に供給する気化器に関する。
　液化窒素、液化酸素、液化アルゴンおよび液化炭酸ガスなどに代表される産業用ガスに加えて、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化プロパンガス）などの燃料ガスを液状でタンクに蓄え、気化器などで蒸発気化させてガス状にして供給することは各産業分野で液化ガスの貯蔵と消費を繰り返す重要な工業的手法として用いられている。気化器の加熱源としては、ガスの物性に応じて様々なものを使用することができるが、雰囲気空気を使用するのが一般的である。この場合、液化窒素、液化酸素や液化アルゴンは－１８０℃以下で、液化炭酸ガスは－２５℃以下で、ＬＮＧは－１６０℃以下で、ＬＰＧは－４０℃以下の低温で貯蔵しているので、気化器で蒸発気化させるときには雰囲気空気中の湿分が凍結し伝熱管に氷が蓄積し伝熱抵抗が著しく増大する。従って、例えばＬＮＧサテライト（中枢となる大型のＬＮＧ貯蔵施設から離れた複数箇所に設置される中規模又は小規模のＬＮＧ貯蔵施設をいう）にあっては、気化器は少なくとも２基並列設置され、所定時間（例えば４時間）ごとに２基を切換え運転し、一方の気化器で気化運転を行っている間に、氷結した他方の気化器を停止させて解氷を行うようにしている。また、加熱源として海水などの液体媒体を利用する気化器も公知となっている。加熱源として海水や雰囲気空気を利用する従来の気化器は、例えば下記特許文献１～３に開示されている。
　例えば代表的な液化ガスであるＬＮＧを加温して気化させる気化器の場合、特開平５－２０３０９８号公報（特許文献１）にみられるように、ＬＮＧを通過させる複数の伝熱管とそれらに溶接固定された管板で仕切られた室で構成される、いわゆるシェルアンドチューブ式の熱交換器が使われていた。これは複数の伝熱管を管板の間に組み込んで、シェル側に海水を流しＬＮＧを加温して蒸発気化させるものであった。
　また、特開平５－３３２４９９号公報（特許文献２）は、オープンラック式と呼ばれる気化器を開示するもので、２重管構造の伝熱管を竪方向に複数本連立させ、上下のマニホールドに溶接固定することにより、全体としてパネル状の構造にし、外部に海水を散水させて加温蒸発させていた。
　さらに、特開２００５－１５６１４１号公報（特許文献３）は、雰囲気空気を利用して加温する気化器を開示しており、図５に概略的に示すように、上下方向に間隔をあけたマニホールド２１，２２の間にフィン付伝熱管２３（フィンは図示せず）を並列に配置している。気化されるＬＮＧは、下部マニホールド２１から導入され、複数のフィン付伝熱管２３に振り分けられて流れる間に空気との熱交換により蒸発し、上部マニホールド２２にて合流回収され、導出管２４を介して図外の利用場所に供給される。なお、図５において符号２５は、伝熱管２３と上下のマニホールド２１，２２との溶接部を示している。
　以上のように、従来技術による気化器は共通してパイプを複数本立て、その上下に仕切り室やマニホールドを設け溶接固定して使用されるもので、ＬＮＧはまず下部から供給され、次に各伝熱管内を上昇しながら気化したガスが上部のマニホールドや仕切り室に集まり、外気で加温されて引出されるものであった。
　特許文献１に開示された気化器においては、加熱は海水で加温しているので海水が充分量流れている場合は－１６０℃に近い温度で送入されるＬＮＧによって海水が氷結する問題は起こらないが、伝熱管が上下の管板に溶接固定されているのでＬＮＧの送入量により加温の程度が変わると伝熱管が伸縮し管板との溶接箇所に熱応力がかかる。その結果、送入量が変化を続けるとこの熱応力の繰り返しが起こり、最後には熱疲労で管板に固定されている溶接部が破壊する。また、伝熱管が複数本あるのでこの内部でのＬＮＧの液分散が悪いと管板に固定されている各溶接部の温度のばらつきが起こり管板に歪が生じて、上記熱疲労を加速させる。
　同様な問題は、管板に相当するマニホールドに伝熱管が溶接固定されている特許文献２に記載の気化器でも起こる。
　一方、図５に示す特許文献３の空気加熱式の気化器では、伝熱管２３の内部には－１６０℃近い低温液体が導入されると同時に外部から雰囲気空気で加熱されるため、空気中の水分が伝熱管２３の表面で氷結（氷結部を符号ＦＺにて示す）し、伝熱効率が著しく低下する。また、下部マニホールド２１から上部マニホールド２２に向け複数本の伝熱管２３にＬＮＧを均一に振り分けて流すことは困難であり、特にＬＮＧの流量を減らして蒸発負荷を小さくした場合には、図５に示すように、異なる伝熱管２３ごとに氷結部ＦＺの長さも異なり、異なる伝熱管２３の間で温度差が生じ、この温度差の違いにから各伝熱管の伸び縮みの長さも異なることになる。例えば、伝熱管２３の材料としてアルミニウムを採用した場合において１００℃の温度差の違いが生じると１ｍあたり２．３ｍｍの伸縮量の違いが生じ、ステンレス鋼製の伝熱管では１ｍあたり１．５ｍｍの伸縮量の違いが生じ、鉄製の伝熱管では１ｍあたり１．２ｍｍの伸縮量の違いが生じる。このため、マニホールド２１，２２に固定されている溶接部２５に過剰な応力がかかり、気化器を間欠運転すると溶接部２５に割れが生じる問題をしばしば起こしていた。
　さらに、液化ガスの気化器は高圧ガス保安法のガス設備に指定されているために、気化器は３年間に１回、必ず溶接部および内部構成の公的な開放検査が必要となり、そのために点検時に簡単に溶接部も含めて内部構成が目視検査できるような構造が要求されていた。
特開平５－２０３０９８号公報 特開平５－３３２４９９号公報 特開２００５－１５６１４１号公報
　以上に鑑み、本発明が解決しようとする主たる課題は、繰り返し熱応力が負荷されても伝熱管の溶接部に破壊などの問題を生じることが極めて少ない気化器を提供することにある。
　また、本発明の補足的な課題は、雰囲気空気で加温する場合のような伝熱管表面での湿気の凍結による熱交換率の低下のために、同じ気化器を２基設置して、交互に運転と解氷を行う必要のない気化器を提供することにある。
　さらに、本発明の別の補足的な課題は、高圧ガス保安法の対象となるガス設備として、溶接部および内部構成全体の公的検査が受けやすいような構造の気化器を提供することにある。
　本発明は、上記課題を解決するために次のような手段を提起採用した。
　すなわち、本発明は液化ガスを熱媒で加熱して気化させる気化器であって、熱媒が補充可能に収容される熱媒容器と、前記熱媒容器の下部から上部に延びて再び下部に折り返すように延びるスパイラル状の伝熱管と、を含み、前記伝熱管の上端部を固定せず、当該伝熱管の下端部のみを前記熱媒容器に支持させ、前記伝熱管に気化すべき液化ガスを連続的に流して気化させるようにした、気化器を提供する。
　以上の構成によれば、伝熱管はスパイラル状であり、伝熱管は蒸発量の変動により冷却と加温を繰り返し伸縮しても長さの変化を吸収できるようにしている。従って、伝熱管の熱媒容器に対する支持部（接合部）に過大な応力が負荷されるのを回避でき、支持部の破壊などの問題を解消ないし軽減できる。しかも、伝熱管の巻数や巻き密度を調整することで、延べ長さを調整することで伝熱面積を変えることもできる。
　また、雰囲気空気や海水を利用する場合とは異なり、温水などの熱媒で常温以上の温度、例えば＋６０℃で伝熱管を加温する。従って、伝熱管の表面に凍結は起こらない。その結果、凍結した気化器を待機させて解氷させる必要がないため２基の気化器を設置する必要がなくなり、１基だけで気化を続けることが可能となる。しかも、空気や海水で加温した場合と比較して例えば＋６０℃の温水を用いると加熱側と被加熱側との温度差が大きくなるため、伝熱面積を大幅に低減して、気化器をコンパクトにできる。
　好ましくは、前記伝熱管は、その上流側から下流側にかけて内径が段階的に大きくなるように構成している。これにより、ＬＮＧなどの液化ガスが液体から気体に変化していく過程で容積が７０倍以上に達しても、伝熱管内の蒸発量に合わせて液体もしくは気体の流速を最適化できる。
　好ましくは、前記伝熱管は、その下流側の最も太い部分の内径断面積が上流側の最も細い部分の内径断面積の１．５倍～１０倍の範囲になるように、内径が段階的に大きくなるように構成している。
　好ましくは、前記熱媒容器は、底板と、前記底板に着脱可能に接合された本体ハウジングと、を含んでおり、前記伝熱管の上流側端部と下流側端部とは前記底板にのみ固定されている。この構成によれば、覆いとなっている本体ハウジングを底板から取り外すだけで伝熱管を内蔵した全ての構成物が直接点検整備できる。
　好ましくは、前記伝熱管の上流側端部と下流側端部とはそれぞれキャップを介して前記底板に対して支持されており、前記キャップは第１の溶接部を介して前記上流側端部または下流側端部に接合されるとともに、第２の溶接部を介して前記底板に接合されている。この構成によれば、伝熱管とキャップの伸縮に伴う応力をそれぞれ第１の溶接部と第２の溶接部とに分散することができ、応力集中を回避できる。
　好ましくは、前記キャップは曲面状の天井壁を有しており、前記伝熱管は前記キャップの天井壁を貫通しており、前記第１の溶接部は前記伝熱管および前記キャップの天井壁を鈍角に跨って接合している。この構成によっても溶接部への応力集中をさらに効果的に回避することができる。
　好ましくは、前記熱媒容器には、その内部に熱媒を供給するための熱媒導入ノズルが設けられており、前記熱媒導入ノズルの開口は前記熱媒容器の外周壁の円周方向に沿って熱媒を噴射する。これにより、熱媒による液化ガスへの熱交換効率が向上する。
　好ましくは、前記熱媒容器には、その内部における熱媒の液面を規定する熱媒オーバーフロー管が設けられており、その熱媒オーバーフロー管の上端開口を越えてオーバーフローする熱媒を前記熱媒容器の外部に排出するように構成されている。
　好ましくは、前記熱媒容器において前記伝熱管から漏洩した液化ガスを検知するためのガスリーク検出手段がさらに設けられる。これにより、ガスがリークした状態のままで運転が継続されるのを回避することができる。
　本発明の気化器は、液化天然ガス（ＬＮＧ）を気化させるのに特に適しているものであるが、ＬＮＧの気化のみならず、沸点が－１８３℃の液化酸素、－１８６℃の液化アルゴン、－１９６℃の液化窒素、－４２℃のプロパンなどを液状で低温貯蔵された液化ガスを気化させる場合にも適用できる。
　本発明のさらなる特徴と作用・効果については、以下に添付図面に基づいて説明する実施形態より明らかとなろう。
本発明の実施形態に係る気化器の概略構成とその内部における伝熱管コイルの構成を主体的に示す部分縦断面図である。 同気化器における伝熱管以外の部材の概略構成を主体的に示す部分縦断面図である。 同気化器の概略構成を示す横断面図である。 同気化器における溶接箇所の構造を示す拡大断面図である。 従来の気化器における要部を示す概略構成図である。
　図１～４は、本発明の実施形態に係る液化ガス用気化器の構成を示しており、当該気化器は、主として、底板１と、シェル状の本体ハウジング２と、伝熱管３と、熱媒導入ノズル４と、熱媒オーバーフロー管５と熱媒ドレン管６と、ガスリーク検出管７と、を含んでいる。なお、これらの図１～４において、本体ハウジング２、伝熱管３、熱媒導入ノズル４、熱媒オーバーフロー管５、熱媒ドレン排出管６などの肉厚は簡略化のために図示を省略している。また、以下においては、気化される液化ガスが液化天然ガス（ＬＮＧ）であり、加熱媒体が温水であるものとして説明を進める場合もあるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　底板１は、例えばステンレス鋼製であり、複数の伝熱管挿通孔１ａ，１ｂ（図１では２個の伝熱管挿通孔）と、複数のボルト孔１ｃと、を有している。底板１は、ＬＮＧサテライト（段落０００２の定義を参照）の足場板を兼ねるものであってもよい。
　本体ハウジング２は、例えばステンレス鋼製であり、下端部は開口しており、上端部は部分球面状又は曲面状の天井壁２ａにて閉鎖されている。従って、本体ハウジング２は略釣鐘状の形態を有している。本体ハウジング２の開口下端部の外周には円環状のフランジ２ｂが一体形成されており、当該フランジ２ｂには底板１のボルト孔１ｃに対応するボルト孔２ｃが設けられている。本体ハウジング２と底板１とは、それぞれのボルト孔１ｃ，２ｃに挿入されるボルト（図示せず）によって相互に密封状態にて固定されている。従って、図示されないボルトを外すことにより、本体ハウジング２は底板１から容易に取り外すことができ、内部構造を容易に目視により検査することができる。本実施形態においては、底板１と本体ハウジング２とで温水などの熱媒を収容するための熱媒容器が規定される。なお、図示してはいないが、本体ハウジング２のフランジ２ｂと底板１との間には適宜のシール材が介装されており、密封状態が保たれるようになっている。
　図１に示すように、伝熱管３は、底板１の一方の伝熱管挿通孔１ａを介して本体ハウジング２の内部に引き込まれ、スパイラル状に上方に延びた後、下方に折り返して底板１の他方の伝熱管挿通孔１ｂを介して外部に導出される。この結果、伝熱管３が温度変化により伸び縮みしても、スパイラル状に延びる部分により充分に吸収することができ、底板１に対する接続部分（その構造の詳細は後述する）に応力が伝達され難くなっている。
　図示の実施形態においては、伝熱管３は、その上流側から下流側に延びるに従って段階的に直径が大きくなっており、上流側の小径部３ａと、この小径部３ａから折り返しの頂部まで延びる中径部３ｂと、この中径部３ｂから底板１に向けて延びる大径部３ｃと、を含んでいる。小径部３ａと中径部３ｂとの間はレデューサ３ｄ（直径の異なる管体を接続する公知の要素）により接続されており、中径部３ｂと大径部３ｃとの間はレデューサ３ｅにより接続されている。具体的には、小径部３ａは例えば内径２７．２ｍｍΦのステンレス鋼管であり、中径部３ｂは例えば内径３５．５ｍｍΦあるいは内径５２．７ｍｍΦのステンレス鋼管（断面積比で１．７倍から３．８倍の太さに大きくする）であり、さらに大径部３ｃは内径６５．９ｍｍΦのステンレス鋼管（断面積比で中径部３ｂに対して１．６倍から３．４倍に大きくする）である。但し、伝熱管３の内径を２段階で増大させてもよいし（この場合、内径２７．２ｍｍΦから内径６５．９ｍｍΦまで断面積比で一度に５．９倍に大きくする）、４段階以上に分けて内径を増大させてもよい。
　伝熱管３の小径部３ａは、その上流端において、例えばＬＮＧ貯蔵タンクから延びる配管に接続されている。一方、伝熱管３の大径部３ｃは、その下流端において、例えば天然ガス利用サイト（図示せず）につながる配管に接続されている。
　図２及び３に示すように、熱媒導入ノズル４は、例えばステンレス鋼管からなり、図示されていない熱媒供給源（温水供給源）から延びる配管に接続されているとともに、底板１を貫通して上方に延びている。熱媒導入ノズル４の上端は、本体ハウジング２の下部において外周壁の円周方向に沿って開口しており、本体ハウジング２の内部に導入された熱媒が渦流となるように熱媒を噴射するようになっている。熱媒としては、温水、エタノールまたはエチレングリコールなどの液体を使用できるが、コストと取り扱いの容易性を考慮すると温水を用いるのが好ましい。
　熱媒オーバーフロー管５は、例えばステンレス鋼管からなり、シールされた状態にて底板１を貫通して延びている。熱媒オーバーフロー管５の上端開口５ａは、本体ハウジング２の天井壁２の近傍に位置し、熱媒導入ノズル４から熱媒が順次供給されることによりオーバーフローする熱媒を外部に排出する。熱媒オーバーフロー管５を介して排出された熱媒は、図外の再加熱手段により再加熱され、再び図外の熱媒供給源に循環される。
　熱媒ドレン管６は、本体ハウジング２を底板１から取り外して内部を保守点検するのに先立って、内部の熱媒を排出するためのものであり、底板１の貫通孔を介してシールされた状態にて本体ハウジング２の内部に連通している。熱媒ドレン管６は、例えばステンレス鋼管にて構成される。
　ガスリーク検出管７は、ＬＮＧなどの液化ガスが本体ハウジング２の内部でリークしたときのチェック用ノズルとしての機能を果たすために設けられており、その上端７ａはオーバーフロー管５の上端開口５ａ（熱媒の液面を規定）と本体ハウジング２の天井壁２ａとの間に位置している。本体ハウジング２の内部でリークした液化ガスは、気体となってガスリーク検出管７により外部に導出され、当該ガスリーク検出管７に接続された図外のセンサによって検知される。液化ガスのリークが検出された場合には、点検修理が実施されることになる。
　次に、伝熱管３の底板１に対する接続構造について説明する。伝熱管３は、底板１に対して、２箇所、すなわち伝熱管挿通孔１ａ，１ｂの位置にて接続されているが、直径の大小の差はあるものの、基本的な接続構造は同じであるので、代表例として小径部３ａの伝熱管挿通孔１ａにおける接続構造について図４を参照して説明することにする。
　図４に示すように、伝熱管挿通孔１ａはキャップ８により塞がれており、このキャップ８の半球面状又は曲面状天井壁８ａの中央部を伝熱管３の小径部３ａが貫通している。伝熱管３の小径部３ａとキャップ８の天井壁８ａと間は溶接部９ａにより接合されており、キャップ８の裾部と底板１との間は溶接部９ｂにより接合されている。この結果、伝熱管３とキャップ８はそれぞれ異なる点で接合固定されているので、伝熱管３の伸び縮みとキャップ８の伸び縮みは別々にフリーとなり２つの熱応力は２箇所の溶接部９ａ，９ｂに分散される。また、伝熱管３に対する溶接部９ａについては、キャップ８における半球面状又は曲面状天井壁８ａによる応力分散効果が追加的に作用する。従って、伝熱管３をスパイラル構造にしたことによる伸縮吸収効果と相まって、溶接部９ａ，９ｂへの応力集中は起こらなくなる。なお、キャップ８は、伝熱管３と同様の例えばステンレス鋼製とするのが望ましい。
　以上の構成の気化器を運転するに際しては、熱媒導入ノズル４を介して本体ハウジング２に例えば＋６０℃程度の温水が供給されて、本体ハウジング２の内部をほぼ満たす。供給された温水は、本体ハウジング２の内部を渦流となって上昇し、過剰となった温水は熱媒オーバーフロー管５を介して外部に排出され、再加熱された上で熱媒供給源（図示せず）に循環される。
　一方、液化ガスであるＬＮＧはスパイラル状に巻かれた伝熱管３内を一旦上昇し、次いで下降する間に熱媒である温水による加熱を受けて液体から気体に変化する。その過程で液体であるＬＮＧは、０．３ＭＰａＧで－１４５℃のガスに変化していくと、その容積が約７０倍に増加する。しかしながら、上述したように、伝熱管３の内径は段階的に増加しているので、流体の流れに対する抵抗が上昇することはなく、ＬＮＧ又は気化したガスの最適な流速が確保される。気化された天然ガスは、伝熱管３の内部にて最終的には
常温付近まで加熱され排出される。
　例えば、６００ｋｇ／ｈのＬＮＧを蒸発気化するのに＋６０℃の温水を用いると、伝熱管３の表面積は約１３ｍ2程度必要となるが、これを空気や海水で加温することになると伝熱面積は約２倍以上必要となり、機器高さが高くなると同時に設置面積も大きくなる。従って、本実施形態によれば、気化器の小型化と設置面積の縮小化を実現することができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、当該実施形態による効果を纏めると以下のとおりである。
　（１）伝熱管３をスパイラル状としたので温度変化による伝熱管の伸縮変化が吸収でき、溶接部に応力がかかり難く、溶接部の破壊も起こり難い。特に、図示の実施形態のように、１本のスパイラル状の伝熱管を用いる場合には、複数の伝熱管を用いる場合のような伝熱管ごとの熱応力差がなく熱疲労もさらに起こり難い。また、スパイラル状の伝熱管３を採用したことにより、スパイラルの巻数と巻き密度を調整することにより、延べ伝熱管長さを調整することで容易に伝熱面積を変えることができる。
　（２）伝熱管３の底板１に対する接合をキャップ８を介して２箇所の溶接部９ａ，９ｂに分けて行っているので、伝熱管３とキャップ８のそれぞれの伸縮に伴う熱応力を干渉させることなく分散することができる。しかも、伝熱管３に対する溶接部９ａについては、キャップ８における半球面状又は曲面状天井壁８ａによる応力分散効果が追加的に作用するので、全体としての応力分散効果がさらに高まる。
　（３）ＬＮＧが液体から気体に変化していく過程で容積は７０倍以上に達しても、伝熱管３内の蒸発量に合わせて伝熱管３の内径を段階的に大きくしているので、液体もしくは気体の流速を最適化できる。
　（４）温水などの熱媒を用いるので加熱側と被加熱側との温度差が大きくなり伝熱面積を小さくして、コンパクトにできる。また、熱媒を用いるため、凍結した気化器を待機させて解氷させる必要がないため２基の気化器を設置する必要がなく１基だけで気化ができる。
　（５）伝熱管３を覆う本体ハウジング２を釣鐘状又はキャップ状として底板１に着脱自在に接合しており、しかも伝熱管３を底板１のみに溶接接合しているので、本体ハウジング２を底板１から外すだけで、伝熱管３の状態や溶接箇所を容易に目視にて点検整備することができる。
　本発明はその基本思想から逸脱しない範囲で種々に変形することができる。例えば、図示の実施形態では、伝熱管３等の素材をステンレス鋼製としたが、軽量化が望まれる場合にはアルミニウムやアルミニウム合金にて構成することもできる。また、図示の実施形態では１本の伝熱管３を用いているが、複数のスパイラル状の伝熱管を相互に配置上干渉しないように設けてもよく、個々の伝熱管について底板１に対して図４に示したような接合構造を採用することができる。さらに、本発明の気化器は、ＬＮＧの気化のみならず、沸点が－１８３℃の液化酸素、－１８６℃の液化アルゴン、－１９６℃の液化窒素、－４２℃のプロパンなどを液状で低温貯蔵された液化ガスを気化させる場合にも適用できるものである。
１            底板
２            本体ハウジング
２ａ          本体ハウジングの天井壁
２ｂ          本体ハウジングのフランジ
３            伝熱管
３ａ          伝熱管の小径部
３ｂ          伝熱管の中径部
３ｃ          伝熱管の大径部
４            熱媒導入ノズル
４ａ          熱媒導入ノズルの開口
５            熱媒オーバーフロー管
５ａ          熱媒オーバーフロー管の上端開口
６            熱媒ドレン管
７            ガスリーク検出管
７ａ          ガスリーク検出管の上端
８            キャップ
８ａ          キャップの天井壁
９ａ，９ｂ    溶接部

Claims (10)

  1. 　液化ガスを熱媒で加熱して気化させる気化器であって、熱媒が補充可能に収容される熱媒容器と、前記熱媒容器の下部から上部に延びて再び下部に折り返すように延びるスパイラル状の伝熱管と、を含み、前記伝熱管の上端部を固定せず、当該伝熱管の下端部のみを前記熱媒容器に支持させ、前記伝熱管に気化すべき液化ガスを連続的に流して気化させるようにした、気化器。
  2. 　前記伝熱管は、その上流側から下流側にかけて内径が段階的に大きくなる、請求項１に記載の気化器。
  3. 　前記伝熱管は、その下流側の最も太い部分の内径断面積が上流側の最も細い部分の内径断面積の１．５倍～１０倍の範囲になるように、内径が段階的に大きくなる、請求項２に記載の気化器。
  4. 　前記熱媒容器は、底板と、前記底板に着脱可能に接合された本体ハウジングと、を含んでおり、前記伝熱管の上流側端部と下流側端部とは前記底板にのみ固定されている、請求項１に記載の気化器。
  5. 　前記伝熱管の上流側端部と下流側端部とはそれぞれキャップを介して前記底板に対して支持されており、前記キャップは第１の溶接部を介して前記伝熱管の上流側端部または下流側端部に接合されるとともに、第２の溶接部を介して前記底板に接合されている、請求項４に記載の気化器。
  6. 　前記キャップは曲面状の天井壁を有しており、前記伝熱管は前記キャップの天井壁を貫通しており、前記第１の溶接部は前記伝熱管および前記キャップの天井壁を鈍角に跨って接合している、請求項５に記載の気化器。
  7. 　前記熱媒容器には、その内部に熱媒を供給するための熱媒導入ノズルが設けられており、前記熱媒導入ノズルの開口は前記熱媒容器の外周壁の円周方向に沿って熱媒を噴射する、請求項１に記載の気化器。
  8. 　前記熱媒容器には、その内部における熱媒の液面を規定する熱媒オーバーフロー管が設けられており、その熱媒オーバーフロー管の上端開口を越えてオーバーフローする熱媒を前記熱媒容器の外部に排出する、請求項１に記載の気化器。
  9. 　前記熱媒容器において前記伝熱管から漏洩した液化ガスを検知するためのガスリーク検出手段をさらに備えている、請求項１の気化器。
  10. 　前記液化ガスは液化天然ガス（ＬＮＧ）であり、ＬＮＧサテライトに供される、請求項１に記載の気化器。
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