JP2015117807A - 温水式液化ガス気化器 - Google Patents

Abstract

【課題】再起動時の出口ガス成分の変化が起こりにくい温水式の気化器を提供する。【解決手段】縦長に設置されるシェル本体１０と、シェル本体１０内に複数本配置され逆Ｕ字状の湾曲部１１Ａとシェル本体１０に沿った一対の直線部１１Ｂを有するチューブ１１と、シェル本体１０の下部に配置され一対の直線部１１Ｂの一方の開放端が連通する温水流入部１２と、シェル本体１０の下部に配置され一対の直線部１１Ｂの他方の開放端が連通する温水流出部１３と、シェル本体１０内に液化ガスの液を流入させる液流入部１５と、シェル本体１０内で気化したガスを流出させるガス流出部１６とを備え、湾曲部１１Ａの曲率半径は、直線部１１Ｂで温水が凍結しない非凍結平均流速以上の設定流速でチューブ１１内に温水を流した場合に、直線部１１Ｂにおける非凍結平均流速の流速分布と同等以上の流速分布が湾曲部１１Ａで得られるように設定される。【選択図】図１

Description

本発明は、温水との熱交換で液化ガスを気化する温水式液化ガス気化器に関するものである。

ＬＮＧ，液体窒素などの液化ガスの気化器として、温水の熱を利用して液化ガスを沸点まで加温するものが知られている。このように温水を熱源とする気化器は、容器内に満たした温水中に熱交換用のパイプを配置し、このパイプを液化ガスが通過する間に気化させる温水バス式（下記特許文献１参照）や、シェル＆チューブ構造の熱交換器を用いて、シェル内に温水を循環させチューブ内を通過する液化ガスを気化させるシェル＆チューブ式（下記特許文献２参照）などが知られている。

特開２００１−２０１２７９号公報 特開平８−１８８７８５号公報

温水バス式の気化器は、貯留した温水が凍結しないようにバス容器を大きくして熱容量を大きくする必要があり、機器の大型化が避けられない。また、前述したシェル＆チューブ式の気化器も、シェル内を流れる温水の流速を高めることが難しいため、温水の凍結を避けるためにシェルを大きくして熱容量を大きくする構造になっており、温水バス式と同様に器体の大型化が問題になっている。さらに、液化ガスのチューブ内での気化による気液混合流れによる振動によってチューブの溶接部が破損しやすいという問題がある。

このような問題に加えて、シェル＆チューブ式の気化器は、停止時にチューブ内に液化ガスが液状態で滞留するため、再起動時に分留した滞留液が原因となって、気化器出口でのガス成分が変動することも問題になっていた。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、器体の小型化、省スペース化が可能であり、チューブの破損を抑制し、更には、再起動時の出口ガス成分の変化が起こりにくい温水式の気化器を提供すること、等が本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明による温水式液化ガス気化器は、以下の構成を少なくとも具備するものである。
縦長に設置されるシェル本体と、前記シェル本体内に複数本配置され逆Ｕ字状の湾曲部と前記シェル本体に沿った一対の直線部を有するチューブと、前記シェル本体の下部に配置され前記一対の直線部の一方の開放端が連通する温水流入部と、前記シェル本体の下部に配置され前記一対の直線部の他方の開放端が連通する温水流出部と、前記シェル本体内に液化ガスの液を流入させる液流入部と、前記シェル本体内で気化したガスを流出させるガス流出部とを備え、前記湾曲部の曲率半径は、前記直線部で温水が凍結しない非凍結平均流速以上の設定流速で前記チューブ内に温水を流した場合に、前記直線部における前記非凍結平均流速の流速分布と同等以上の流速分布が前記湾曲部で得られるように設定されることを特徴とする温水式液化ガス気化器。

このような特徴を備えた温水式液化ガス気化器は、シェル＆チューブ式気化器のチューブ内に温水を流しシェル本体内で液化ガスを気化させるものである。このため、チューブ内を流れる温水の流速を高めることで、器体を大型化することなく温水の凍結を防いで効率的に液化ガスを気化することが可能になる。また、チューブ内に比べて大容量のシェル本体内で液化ガスを気化することで、気液混合状態は殆ど無く、チューブやシェルに加わる振動を抑止することができる。更に、シェル本体内では停止時に残留液が殆ど生じないので、再起動時の出口ガス成分の変化が起こりにくい。

また、チューブ内を流れる温水の凍結が生じないようにチューブの曲率半径が設定されているので、温水が凍結することによるチューブの閉塞や破損による稼働障害が生じることがなく、更に、シェル本体とチューブが熱収縮に対してフリーな構造になっているので、クラック等の発生を抑止し耐久性の高い気化器を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る温水式液化ガス気化器の全体構成を示した説明図（縦断面図）である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 温水が凍結しないチューブを設計する設計手法を示した説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１及び図２は本発明の一実施形態に係る温水式液化ガス気化器の全体構成を示した説明図（図１が縦断面図、図２がＡ−Ａ断面図）である。温水式液化ガス気化器１は、シェル本体１０、シェル本体１０内に複数本配置されるチューブ１１、シェル本体１０の下部に配置される温水流入部１２と温水流出部１３、シェル本体１０内に液化ガスの液を流入させる液流入部１５、シェル本体１０内で気化したガスを流出させるガス流出部１６を備えている。

シェル本体１０は、縦長に設置され、下端のみが支持されて上端はフリーになっている。シェル本体１０内は、複数の仕切り板１４によって上下に区画されているが、仕切り板１４には複数の孔が形成されており、区画された各区分は互いに液又はガスの移動が可能になっている。また、シェル本体１０はリング状の分割体を縦に積み上げて気密に連結することによって形成することができる。

シェル本体１０に配置されるチューブ１１は、一本のチューブ１１が逆Ｕ字状の湾曲部１１Ａとシェル本体１０に沿って上下に延設される一対の直線部１１Ｂを備えており、湾曲部１１Ａの曲率半径が異なるチューブ１１が平面的に複数並べて配置され、湾曲部１１Ａの曲率半径が等しいチューブ１１が図示の紙面と垂直な方向に複数平行に並べて配置されている。これら複数のチューブ１１の直線部１１Ｂは、複数の仕切り板１４を貫通して各仕切り板１４に支持されている。チューブ１１は熱媒体である温水を流通させると共に温水の熱をシェル本体１０内に放出させるものであるが、仕切り板１４はチューブ１１を支持することでチューブ１１から伝わった熱を放散させる放熱板としても機能している。

温水流入部１２は、チューブ１１における一対の直線部１１Ｂの一方の開放端（下端）が連通しており、温水流入口１２Ａから流入した温水が温水流入部１２を介してチューブ１１内に流入するようになっている。また、温水流出部１３は、チューブ１１における一対の直線部１１Ｂの他方の開放端（下端）が連通しており、チューブ１１内を通った温水が温水流出部１３を介して温水流出口１３Ａから流出するようになっている。温水流入口１２Ａと温水流出口１３Ａは加熱源を含む循環流路を介して接続するようにしてもよい。

仕切り板１４で区画されたシェル本体１０内の上部区分１０Ａにはシェル本体１０内に液化ガスの液を流入させる液流入部１５が連通している。また、仕切り板１４で区画されたシェル本体１０内の下部区分１０Ｂには液化ガスが気化したガスを流出させるガス流出部１６が連通している。

液流入部１５には、液化ガスが供給される液配管２０が接続・導入されており、シェル本体１０内の全体に液化ガスの液を分散するようになっている。液配管２０には圧力調整バルブ２１が装備されている。また、ガス流出部１６には、ガス配管２２が接続されており、このガス配管２２を介して需要先にガスの供給がなされている。ここでは、シェル本体１０の上部に液流入部１５を設け、シェル本体１０の下部にガス流出部１６を設けており、チューブ１１の直線部１１Ｂの上端位置を液流入部１５より上方に設定している。これによって、湾曲部１１Ａ或いは湾曲部１１Ａの近傍で凍結が起こりにくい構造になっている。

この温水式液化ガス気化器１は、液配管２０によって供給される液化ガスを液流入部１５を通してシェル本体１０内に流入させ、温水が流れるチューブ１１から発せられる熱によってシェル本体１０内で液化ガスを気化させるものである。液流入部１５を介してシェル本体１０内に流入した液化ガスは、下方に落下する間にチューブ１１や仕切り板１４から熱を受けて気化するので、シェル本体１０内に液が溜まることが少なく、シェル本体１０内は気化したガスで充満される。そして、気化したガスは、シェル本体１０内の圧力でガス流出部１６に接続されるガス配管２２に流入し、ガス配管２２を介して需要先に供給させる。

この温水式液化ガス気化器１においては、超低温の液化ガスとチューブ１１が接触することでチューブ１１内の温水が凍結することが問題になる。チューブ１１内での温水の凍結を避けるためには、稼働中は温水を所定の流速以上で流し続けることが必要になる。しかしながら、ある程度速い流速でチューブ１１内の温水を流したとしても、チューブ１１には湾曲部１１Ａが存在するので、チューブ１１内での流速分布が必ずしもチューブ１１の内壁面から中心に向けて同方向に徐々に速くなる分布にならないことがあり、チューブ１１の内壁面近くでチューブ１１に沿った同方向の流速が得られない場合には、その箇所で温水が凍結しやすくなる。そこで、温水式液化ガス気化器１においては、湾曲部１１Ａの曲率半径を温水の流速との関係で設定して、チューブ１１内で温水が凍結しないようにしている。

図３は、温水が凍結しないチューブ１１を設計する設計手法を示した説明図であり、チューブ１１の内壁近傍における流速分布を示したグラフ（横軸が内壁からの距離／縦軸が流速）である。この設計手法は、液化ガスの温度と処理量、チューブ１１の内径、チューブ１１を流れる温水の温度を稼働条件として定め、先ず、直管（直線部１１Ｂ）において凍結が生じない温水の平均流速（非凍結平均流速）ｍ１を実験的に求める。そして、その非凍結平均流速ｍ１における流速分布をシミュレーションによって求める。図３においては、曲線ａ１が直管における非凍結平均流速ｍ１の流速分布である。ここでは、液化ガスがＬＮＧであり、処理量が０．５ｔ／ｈ〜１．０ｔ／ｈ、チューブ１１の内径が３５ｍｍ、温水温度が６０℃以上であるという稼働条件の基で、直管での非凍結平均流速０．１ｍ／ｓ（＝ｍ１）を実験的に求め、その流速分布を示している。

次に、前述した稼働条件において、温水の平均流速をｍ１以上にすることを前提にして、湾曲部１１Ａの曲率半径を変え、曲率半径と流速の組み合わせで湾曲部１１Ａにおける流速分布をシミュレーションする。図３におけるｂ１，ｂ２，ｃ１，ｃ２がそのシミュレーション結果の曲線である。曲線ｂ１は曲率半径が６７．５ｍｍであり平均流速が０．３ｍ／ｓの例であり、曲線ｂ２は曲率半径が６７．５ｍｍであり平均流速が０．４ｍ／ｓの例である。また、曲線ｃ１は曲率半径が１１４．５ｍｍであり平均流速が０．３ｍ／ｓの例であり、曲線ｃ２は曲率半径が１１４．５ｍｍであり平均流速が０．４ｍ／ｓの例である。

このようなシミュレーション結果に基づいて、湾曲部１１Ａにおける流速分布が非凍結平均流速ｍ１における直管での流速分布ａ１と同等以上になるように、湾曲部１１Ａの曲率半径とチューブ１１内の温水の平均流速を設定する。図３に示した例では、湾曲部１１Ａの曲率半径を６７．５ｍｍにした場合は、平均流速を非凍結平均流速の０．１ｍ／ｓより速い０．３ｍ／ｓや０．４ｍ／ｓにしたとしても、曲線ｂ１，ｂ２に示されるようにチューブ１１の内壁面近傍で曲線ａ１よりも流速が下まわる分布になるので、このような設定では凍結の可能性がある。これに対して、湾曲部１１Ａの曲率半径を１１４．５ｍｍにした場合には平均流速を０．３ｍ／ｓ，０．４ｍ／ｓにすると、曲線ｃ１，ｃ２に示されるように流速分布が全ての範囲で曲線ａ１を上まわることになり、このような設定は凍結の可能性が無い設定であるといえる。

また、湾曲部１１Ａの曲率半径を１００ｍｍとして平均流速を０．３ｍ／ｓとした場合には、曲線ｄのような流速分布になる。この場合には、チューブ１１の内壁の近傍で若干曲線ａ１より下まわる流速分布になってはいるがほぼ曲線ａ１と同等以上の流速分布が得られている。このように、直管（直線部１１Ｂ）における非凍結平均流速ｍ１の流速分布と同等以上の流速分布が得られるように湾曲部１１Ａの曲率半径と温水の平均流速を設定することで、凍結が生じないチューブ１１の設定が可能になる。

このような設計手法によると、湾曲部１１Ａを有するチューブ１１において、実際に凍結するかどうかの実験は、目視しやすい直管を用いて非凍結平均流速ｍ１を求める実験を行い、使用可能な湾曲部１１Ａの曲率半径と平均流速の設定は、コンピュータによるシミュレーション結果を用いて絞り込むことができるので、実証確認の範囲も合理的に設定が可能となる。

以上説明した本発明の実施形態に係る温水式液化ガス気化器１によると、チューブ１１内の温水を比較的速い流速で流すことで機器を小型にしても温水の凍結が生じない温水式液化ガス気化器１を得ることができる。また、シェル本体１０を縦長に設置することで、設置面積の省スペース化が可能であり、シェル本体１０やチューブ１１を上端フリーに支持しているので、熱収縮に対して歪みが生じることがなく、クラック等の発生を抑止することが可能になる。また、シェル本体１０内で液化ガスを気化するので、停止時にも液の残留が少なく、再起動時にも出口成分の変化がない。更には、チューブ１１の設計を温水の凍結が生じない設計にしているので、凍結によるチューブ１１の閉塞や破損の懸念が無く、安定した継続運転が可能になる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

１：温水式液化ガス気化器，
１０：シェル本体，１１：チューブ，１１Ａ：湾曲部，１１Ｂ：直線部，
１２：温水流入部，１２Ａ：温水流入口，
１３：温水流出部，１３Ａ：温水流出口，
１４：仕切り板，１５：液流入部，１６：ガス流出部

Claims (3)

1. 縦長に設置されるシェル本体と、
   前記シェル本体内に複数本配置され逆Ｕ字状の湾曲部と前記シェル本体に沿った一対の直線部を有するチューブと、
   前記シェル本体の下部に配置され前記一対の直線部の一方の開放端が連通する温水流入部と、
   前記シェル本体の下部に配置され前記一対の直線部の他方の開放端が連通する温水流出部と、
   前記シェル本体内に液化ガスの液を流入させる液流入部と、
   前記シェル本体内で気化したガスを流出させるガス流出部とを備え、
   前記湾曲部の曲率半径は、前記直線部で温水が凍結しない非凍結平均流速以上の設定流速で前記チューブ内に温水を流した場合に、前記直線部における前記非凍結平均流速の流速分布と同等以上の流速分布が前記湾曲部で得られるように設定されることを特徴とする温水式液化ガス気化器。
2. 前記非凍結平均流速が０．１ｍ／ｓである場合に、設定流速を０．３ｍ／ｓとし前記曲率半径を１００ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項１記載の温水式液化ガス気化器。
3. 前記直線部の上端位置を前記液流入部より上方に設定することを特徴とする請求項１又は２記載の温水式液化ガス気化器。

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