JP2018124019A

JP2018124019A - 熱交換器及び熱交換システム

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Publication number: JP2018124019A
Application number: JP2017017090A
Authority: JP
Inventors: 市川　達也; Tatsuya Ichikawa; 達也市川
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-02-01
Filing date: 2017-02-01
Publication date: 2018-08-09
Anticipated expiration: 2037-02-01
Also published as: JP6956491B2

Abstract

【課題】熱交換に係る性能を部分毎に最適化し、装置の大型化を抑え得る熱交換器及び熱交換システムを提供する。【解決手段】第一加熱ライン２を収容した第一シェル３と、第一加熱ライン２の下流に位置する第二加熱ライン４を収容した第二シェルと、第一シェル３と第二シェル５の間に位置し、内部に設けた空間に被加熱流体Ｌを流通させるよう構成された中間シェル６とを備え、第一シェル３における被加熱流体Ｌの流路断面積、被加熱流体Ｌの体積あたりの熱媒Ａとの接触面積、又は被加熱流体Ｌの体積あたりの熱媒Ａの容量の少なくともいずれか一つが、第二シェル５よりも大きくなるよう構成する。【選択図】図１

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及び熱交換システムに関する。

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、更に場合によっては気化した天然ガス（ＮＧ）を過熱し、所要の温度まで昇温させる必要がある。この際、ＬＮＧを気化し、過熱するための装置として、例えば、シェルアンドチューブ型と呼ばれる型式の熱交換器が用いられる（例えば、下記特許文献１参照）。

この種の熱交換器では、シェルの内部にＬＮＧの流路としての管（チューブ）を収容し、前記シェルの内部に熱媒を流通させて、前記管内を流れるＬＮＧと、前記管の周囲を流れる熱媒との間で熱交換させることでＬＮＧの加熱を行うようになっている。

尚、以下では、熱交換器を用いてＬＮＧ等の被加熱流体を加熱する一連の工程のうち、液体の状態の被加熱流体を気化させる工程を「気化」、気体となった被加熱流体に更に熱を加えて昇温させる工程を「過熱」と特に呼称することとする。

特表２００８−５１８１８７号公報

上述の如き熱交換器では、要求される性能を満たすために、設計段階において管の径や長さ、本数、管同士の間隔、シェルの大きさといった仕様が適宜決定される。ここで、従来のシェルアンドチューブ型の熱交換器の場合、ＬＮＧの流路をなす管は、それぞれが入口から出口までを単一の管にて構成されている。すなわち、シェルの入口から出口に至る流路の全体に亘り、各管の径や本数、管同士の間隔等は同一である。

一方、ＬＮＧの気化に用いられる熱交換器では、上流側の流路における単位長さあたりの熱交換量と、下流側の流路における単位長さあたりの熱交換量とが大きく異なる。上流側では、液体であるＬＮＧがＮＧへと気化する過程で熱媒から気化熱を奪うために熱交換量が大きいが、下流側では既に気化したＮＧを過熱する工程が行われるので、上流側と比較して熱交換量が小さい。

ところが、上述の如く、管の径や配置による流路の構成は上流側と下流側とで同一であり、設計上の熱交換に係る性能は、上流側と下流側とで差がない。したがって、上流側における熱交換量の大きさを考慮し、熱媒の凍結を防止し得るように管の径や配置を決定した場合、下流側では実際の熱交換量に対する設計上の性能が過大になってしまう。かと言って、逆に下流側での熱交換量に合わせて管を設計すれば、上流側では要求される熱交換量に対して設計上の性能が不足してしまうので、結局は上流側での熱交換量に合わせて全体を設計せざるを得ない。このように、従来のシェルアンドチューブ型の熱交換器では、要求される熱交換量に対して熱交換に係る性能が部分的に過剰となってしまい、その分、装置の構造に無駄な大型化が生じてしまっていた。装置の大型化は、据付架台の大型化を要して建造費の高騰を招くほか、積載可能な車両が限定されるなど、輸送上の制限をも生じ得る。

本発明は、斯かる実情に鑑み、熱交換に係る性能を部分毎に最適化し、装置の大型化を抑え得る熱交換器及び熱交換システムを提供しようとするものである。

本発明は、被加熱流体を流通させる第一加熱ラインを内部に収容し、該第一加熱ラインの周囲に熱媒を供給するよう構成された第一シェルと、前記第一加熱ラインを通過した被加熱流体を流通させる第二加熱ラインを内部に収容し、該第二加熱ラインの周囲に熱媒を供給するよう構成された第二シェルと、前記第一シェルと前記第二シェルの間に位置し、内部に設けた空間に被加熱流体を流通させるよう構成された中間シェルとを備え、前記第一シェルにおける被加熱流体の流路断面積、被加熱流体の体積あたりの熱媒との接触面積、又は被加熱流体の体積あたりの熱媒の容量の少なくともいずれか一つが、前記第二シェルよりも大きくなるよう構成された熱交換器にかかるものである。

本発明の熱交換器を具体的に実施するにあたっては、前記第一加熱ラインを複数の管として、前記第二加熱ラインを一本以上の管としてそれぞれ構成し、前記第一加熱ラインを構成する管の本数を前記第二加熱ラインを構成する管の本数より多くすることができる。

本発明の熱交換器を具体的に実施するにあたっては、前記第一加熱ライン及び前記第二加熱ラインをそれぞれ複数の管として構成し、前記第一加熱ラインを構成する管同士の間隔を前記第二加熱ラインを構成する管同士の間隔より広く設定し、且つ前記第一シェルの管に直交する断面の面積が前記第二シェルの管に直交する断面の面積より大きく設定することができる。

本発明の熱交換器は、前記第一シェルの下部から前記第一加熱ラインに導入した被加熱流体を、前記中間シェルを介して前記第二加熱ラインの上方へ抜き出すよう構成することができる。

また、本発明は、前記熱交換器に、被加熱流体の温度を検出する温度センサ又は被加熱流体の圧力を検出する圧力センサの少なくとも一方を備えた、請求項１に記載の熱交換器を用いた熱交換システムにかかるものである。

本発明の熱交換システムにおいて、前記温度センサ又は前記圧力センサは前記中間シェルに備えられていることが好ましい。

本発明の熱交換器及び熱交換システムによれば、熱交換に係る性能を部分毎に最適化し、装置の大型化を抑え得るという優れた効果を奏し得る。

本発明の第一実施例による熱交換器の形態を説明する正断面図である。本発明の第二実施例による熱交換器の形態を説明する正断面図である。本発明の第三実施例による熱交換器の形態を説明する正断面図である。本発明の第四実施例による熱交換器の形態を説明する正断面図である。本発明の実施による熱交換システムの一例を説明するブロック図である。

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は本発明の第一実施例による熱交換器の形態を示している。本第一実施例の熱交換器１は、シェルアンドチューブ型に分類される型式であるが、管を内部に収容したシェルを上流側と下流側の二段に分割し、さらにその間を中間シェルで接続することにより、該二段のシェルの間で管による流路構成の変更を可能にした点を特徴としている。

図１に示す如く、熱交換器１は、ＬＮＧ等の被加熱流体Ｌを内部に流通させる第一加熱ラインとしての複数の管２を収容した上流側の第一シェル３と、同様に被加熱流体Ｌを内部に流通させる第二加熱ラインとしての複数の管４を収容した第二シェル５とを備え、第一シェル３と第二シェル５との間を中間シェル６により接続してなる。第一シェル３と第二シェル５は、それぞれ内部に熱媒Ａが導入されるようになっており、第一シェル３、第二シェル５内に導入された熱媒Ａは、管２，４の周囲に供給されて該管２，４を介して被加熱流体Ｌと接触し、該被加熱流体Ｌと熱交換するようになっている。第二シェル５は中間シェル６を介して第一シェル３の上方に配置されており、上流側と下流側の管２，４はそれぞれ、第一シェル３又は第二シェル５の内部に鉛直方向に沿った向きで配置されている。

第一シェル３は、全体として円柱形の形状をなす中空の部材であり、円筒状の面をなす側面３ａの下面を底板３ｂ、上面を上板３ｃにより覆われてなる。側面３ａの適宜位置には、第一シェル３内に熱媒Ａを導入するための熱媒入口３ｄと、第一シェル３から熱媒Ａを導出するための熱媒出口３ｅが設けられている。ここに示した例では、側面３ａの上端付近の一箇所に熱媒入口３ｄを備えており、側面３ａの中心軸に関して熱媒入口３ｄとは反対側における下端付近の一箇所に熱媒出口３ｅを配置している。

第一加熱ラインを構成する管２は、底板３ｂから上板３ｃまで延びており、底板３ｂ及び上板３ｃは、それぞれ第一シェル３の内部に備えられた管２の端部に貫通されている。こうして、被加熱流体Ｌが流通する管２内部の空間と、熱媒Ａが流通する第一シェル３の内側で且つ管２の外部の空間とは互いに隔絶されている。

第一シェル３の内部には、管２と直交する面をなすように、二枚の邪魔板７ａ，７ｂが備えられている。このうち、上側に位置する邪魔板７ａは、熱媒入口３ｄの下方において第一シェル３内の空間を横断するように区切っているが、この邪魔板７ａは熱媒出口３ｅ側の側面３ａ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、下側に位置する邪魔板７ｂは、熱媒出口３ｅの上方において水平方向に沿った面をなして第一シェル３内の空間を区切っているが、熱媒入口３ｄ側の側面３ａの内壁との間には開口が存在している。これらの邪魔板７ａ，７ｂは、各管２と交差する箇所においては管２に貫通されており、管２内部の被加熱流体Ｌの流路を妨げることはない。すなわち、邪魔板７ａ，７ｂは、管２内部の空間とは隔絶された第一シェル３内の空間に設置されている。

熱媒入口３ｄから第一シェル３内に導入された熱媒Ａは、まず第一シェル３内の上板３ｃ付近を水平方向に沿って流れ、熱媒入口３ｄと反対側の側面３ａの内壁付近にて邪魔板７ａを迂回しつつ下方へ流れる。さらに、邪魔板７ａと邪魔板７ｂの間を熱媒入口３ｄ側に向かい水平方向に沿って流れた後、邪魔板７ｂを迂回しつつ下方へ向かい、底板３ｂ付近を水平方向に沿って流れて熱媒出口３ｅに達する。このように、第一シェル３内に邪魔板７ａ，７ｂを熱媒Ａの流路に対し互い違いに配することで、熱媒入口３ｄから導入された熱媒Ａを管２の周囲を蛇行させつつ熱媒出口３ｅへと導くようになっている。こうして熱媒Ａの流れを蛇行させることで、熱媒Ａが管２を介して被加熱流体Ｌと接触する機会を増やし、熱交換効率を向上させるようにしている。尚、ここでは邪魔板として、二枚の邪魔板７ａ，７ｂを第一シェル３に備えた場合を例示したが、第一シェル３の寸法や熱媒入口３ｄ、熱媒出口３ｅの配置等に合わせ、邪魔板の数はこれより増やすことも減らすことも可能である。邪魔板の数を増やす際には、上述の邪魔板７ａ，７ｂの如く、複数の邪魔板を互い違いに配置することで熱媒Ａを蛇行させるようにすると、熱交換効率の面で有利である。

第二シェル５は、第一シェル３と概ね同様の構成を有しており、全体として円柱形の形状をなす中空の部材である。円筒状の面をなす側面５ａの下面が底板５ｂに、上面が上板５ｃにより各々覆われており、第二加熱ラインを構成する管４が底板５ｂから上板５ｃまで延びている。底板５ｂ及び上板５ｃは管４の端部に貫通され、管４内部の空間と、第二シェル５の内側で且つ管４の外部の空間とは互いに隔絶されている。側面５ａの上端付近の一箇所には熱媒入口５ｄを備え、側面５ａの中心軸に関して熱媒入口５ｄとは反対側における下端付近の一箇所に熱媒出口５ｅを備え、第二シェル５の内側で且つ管４の外部の空間に熱媒Ａを流通させるようになっている。尚、ここに示した例では、第二シェル５には第一シェル３内の邪魔板７ａ，７ｂに相当する構成を備えていないが、第二シェル５の寸法や要求される熱交換量によっては、適宜邪魔板７ａ，７ｂと類似する邪魔板を備えるようにしても良い。

そして、本第一実施例の場合、第一シェル３と第二シェル５の間では、それぞれ内部に収容した管２と管４の本数が互いに異なっており、第一シェル３にて第一加熱ラインを構成する管２の本数が、第二シェル５にて第二加熱ラインを構成する管４の本数よりも多く設定されている。また、これに伴い、第一シェル３の直径は、第二シェル５の直径より大きく設定されている。尚、図１はあくまで熱交換器１の構成を概念的に説明する模式図であって、図１に示す管２や管４の径や本数等は必ずしも実際をそのまま反映してはいない。以下の図２〜図５でも同様である。

本第一実施例では、各管２の材質や径、肉厚は、各管４の材質や径、肉厚と同じであり、したがって、一本の管の単位長さあたりの熱交換に係る性能は、管２と管４の間で等しい。ただし、管２の本数が管４の本数よりも多いことで、第一加熱ライン全体としての流路断面積が、第二加熱ライン全体としての流路断面積よりも大きくなっている。したがって、仮に被加熱流体Ｌを同じ速さ且つ同じ密度で流通させた場合、第一加熱ラインを構成する管２全体の単位長さあたりに流れる被加熱流体Ｌの量は、第二加熱ラインを構成する管４全体の単位長さあたりに流れる被加熱流体Ｌの量よりも多くなる。また、仮に被加熱流体Ｌを同じ量で流通させた場合、管２を流れる被加熱流体Ｌの流速は、管４を流れる被加熱流体Ｌの流速よりも遅くなる。

中間シェル６は、下側の第一シェル３と、上側の第二シェル５との間に設置された中空の部材である。中間シェル６の側面６ａは、全体として截頭円錐体の円錐面をなしており、該円錐面の下側の径は第一シェル３の上板３ｃの径に、上側の径は第二シェル５の底板５ｂの径にそれぞれ等しい。側面６ａの下端及び上端は、第一シェル３の側面３ａの上端及び第二シェル５の側面５ａの下端にそれぞれ周溶接されており、中間シェル６の側面６ａと、第一シェル３の上板３ｃ及び第二シェル５の底板５ｂとにより截頭円錐体状の空間が形成されている。この空間は、第一加熱ラインをなす管２内部の空間及び第二加熱ラインをなす管４の内部の空間と連通しており、管２の外側で且つ第一シェル３の内側の空間、及び管４の外側で第二シェル５の内側の空間とは、それぞれ第一シェル３の上板３ｃ及び第二シェル５の底板５ｂにより隔絶されている。こうして、中間シェル６は、管２により構成される第一加熱ラインと、管４により構成される第二加熱ラインとの間を連絡する被加熱流体Ｌの流路をなしている。

第一シェル３の下方には、底板３ｂの下側を覆うように前室８が設けられており、被加熱流体Ｌはこの前室８に備えた被加熱流体入口８ａから前室８の内部空間に供給され、ここから第一加熱ラインである管２に導入される。また、第二シェル５の上方には、上板５ｃの上側を覆うように後室９が設けられており、第二加熱ラインである管４を流通する被加熱流体Ｌは、後室９の内部空間に導かれた後、後室９に備えた被加熱流体出口９ａから下流へと流れ出て行くようになっている。

こうして、本第一実施例の熱交換器１では、該熱交換器１下部の被加熱流体入口８ａから前室８内に被加熱流体Ｌを導入し、管２に下方から流入させて第一シェル３内の熱媒Ａと熱交換させた上で上方の中間シェル６に抜き出し、さらに該中間シェル６から管４の下方に流入させて第二シェル５内の熱媒Ａと熱交換させ、後室９から上方の被加熱流体出口９ａを通して抜き出すようになっている。

この際、上述の如く、第一加熱ラインを構成する管２の本数は、第二加熱ラインを構成する管４の本数よりも多い。したがって、被加熱流体Ｌの体積あたりの熱媒Ａとの接触面積は、管２において管４よりも大きい。また、管２では、本数が多い分、被加熱流体Ｌの流路断面積の合計が管４よりも大きいため、被加熱流体Ｌの流速が遅い。このため、被加熱流体Ｌが管２内をゆっくりと流通しながら加熱されることになるので、単位長さあたりの熱交換量が大きくなる。これにより、第一シェル３における熱交換に係る性能は、第二シェル５よりも高くなっている。

上述の如く、第一シェル３では、低温の液体として流入する被加熱流体Ｌの気化が主に行われ、熱媒Ａから多量の気化熱が奪われるため、多量の熱交換を必要とする。被加熱流体Ｌと熱媒Ａとの接触面積が大きく、且つ被加熱流体Ｌの流速が小さければ、その分、多くの熱を熱媒Ａから被加熱流体Ｌへ受け渡すことができるので、第一シェル３において効率よく被加熱流体Ｌが気化される。

また、この際、第一シェル３では、管２同士の間隔を管４同士の間隔より広く取っている。また、第一シェル３の管２に直交する断面の面積は、第二シェル５の管４に直交する断面の面積より大きくしてあるので、第一シェル３内の熱媒Ａの容量は、管２を流通する被加熱流体Ｌの体積に対して十分に大きく確保されている。したがって、被加熱流体Ｌの気化により多量の熱を奪われた熱媒Ａが凍結するような事態は未然に防ぐことができる。

一方、第二シェル５では、第一シェル３にて気化された被加熱流体Ｌが流通し、ここでは該被加熱流体Ｌの過熱が行われるのみであるので、要求される熱交換効率は小さい。したがって、第一シェル３と比較して被加熱流体Ｌの熱媒Ａとの接触面積が小さく、流速が速くても、性能上の問題は生じない。

このように、本第一実施例の熱交換器１では、従来は一段であったシェルを第一シェル３と第二シェル５の二段に分割することで、熱交換器１の上流側と下流側とで流路構成を変更し、熱交換に係る性能を異ならしめることができる。したがって、第一シェル３と第二シェル５を、各々熱交換に際して要求される性能に合わせて設計し、熱交換器１の各部の性能を、各部に要求される性能に見合うように最適化することが可能である。従来の熱交換器では熱交換に係る性能が過剰となっていた下流側の流路を、本来必要とされる性能に見合った構造とすることができるので、結果的に性能余剰分の流路に係る構成を削減することができ、装置の大型化を抑えることができる。この際、第一シェル３と第二シェル５との間には、被加熱流体Ｌの流路として中間シェル６を介在させているので、第一シェル３と第二シェル５との間で管２，４による流路構成が異なるとしても、被加熱流体Ｌの流通に関して不都合は生じない。

また、このとき、各管２を通過した被加熱流体Ｌは、中間シェル６に抜き出されてから下流の管４に導入されるので、中間シェル６に流入した段階で一旦混ざり合ってから管４に流入することになる。したがって、仮に管２の出口における被加熱流体Ｌの温度に関し、管２間でばらつきがあったとしても、中間シェル６において各管２から抜き出された被加熱流体Ｌが混ざり合った結果、後に管４の上方から抜き出される被加熱流体Ｌの温度が均質化されるという効果も期待できる。

ここで、図１では中間シェル６の内部に構造物等を特に備えていない場合を例示しているが、例えばこの部分に、被加熱流体Ｌの流れを誘導する整流板や、中間シェル６の強度を確保するための構造材等を別途備えても良い。

また、管２，４については、それぞれの長さを適宜変更することで、熱媒Ａと接触する流路長を調節し、以て第一シェル３及び第二シェル５それぞれにおける熱交換量を調整することができる。すなわち、管２の長さは被加熱流体Ｌの気化を適切に実行可能な流路長に、管４の長さは気化した被加熱流体Ｌを必要な温度に過熱可能な流路長に、それぞれ設計段階において適宜設定すれば良い。

第一シェル３及び第二シェル５では、上述の如く、各々上端付近に備えた熱媒入口３ｄ，５ｄから、下端付近に備えた熱媒出口３ｅ，５ｅに向けて熱媒Ａが流通するようになっている。一方、管２や管４を流通する被加熱流体Ｌは下から上に向かって流れるので、被加熱流体Ｌの流れと熱媒Ａの流れは全体として互いに上下に向かい合う対向流をなしている。熱媒Ａにとっては、第一シェル３又は第二シェル５の上方から下方に向かって徐々に熱を奪われて温度が低下していき、被加熱流体Ｌにとっては、下方から上方に向かいより温度の高い熱媒Ａと次々に接触して熱を受け取る形となるので、効率の良い熱交換が可能となっている。

このようにシェルを分割した構造には、強度や耐久性の面でも利点がある。従来の熱交換器では、流路を構成する各管を上流から下流までそれぞれ単一の長い管としているために剛性が小さくなり、ねじれや振動、それらによる変形等が発生しやすくなる傾向があった。本第一実施例の熱交換器１の場合、第一加熱ライン及び第二加熱ラインを構成する管２及び管４は、それぞれの長さが分割された各シェル（第一シェル３、第二シェル５）の長さと等しいため、従来の一段のシェルによる熱交換器と比較して全長が著しく短い。したがって、各管２，４の剛性を保ちやすく、振動や変形といった問題を容易に回避することができる。

ここで、上述の第一実施例では、管２，４を収容した二個のシェル（第一シェル３、第二シェル５）の間に一個の中間シェル６を備えた二段式の熱交換器１を例示したが、本発明の構成はこれに限定されない。例えば、管を収容したシェルを合計三個とし、該三個のシェル同士の間に二個の中間シェルを備えた三段式の熱交換器とすることもできるし、段数を更に多くしても構わない。その他、熱交換器一台あたりの各シェルの個数は適宜変更することが可能である。このことは、後述する第二〜第四実施例においても同様である。

以上のように、上記本第一実施例の熱交換器１においては、第一加熱ライン２を収容した第一シェル３と、前記第一加熱ライン２の下流に位置する第二加熱ライン４を収容した第二シェルと、前記第一シェル３と前記第二シェル５の間に位置し、内部に設けた空間に被加熱流体Ｌを流通させるよう構成された中間シェル６とを備え、前記第一シェル３における被加熱流体Ｌの流路断面積、被加熱流体Ｌの体積あたりの熱媒Ａとの接触面積、又は被加熱流体Ｌの体積あたりの熱媒Ａの容量の少なくともいずれか一つが、前記第二シェル５よりも大きくなるよう構成されているので、第一シェル３における熱交換に係る性能を第二シェル５と異ならしめることができる。

本発明の熱交換器１において、前記第一加熱ライン２は複数の管２として、前記第二加熱ライン４は一本以上の管４としてそれぞれ構成されており、管２の本数が管４の本数より多いので、簡単な構成により、第一シェル３における被加熱流体Ｌの流路断面積と、被加熱流体Ｌの体積あたりの熱媒Ａとの接触面積を第二シェル５よりも大きくすることができる。

本発明の熱交換器１においては、管２同士の間隔が管４同士の間隔より広く設定され、且つ前記第一シェルの管に直交する断面の面積が前記第二シェルの管に直交する断面の面積より大きく設定されているので、簡単な構成により、第一シェル３における被加熱流体Ｌの体積あたりの熱媒Ａの容量を第二シェル５よりも大きくすることができる。

本発明の熱交換器１は、前記第一シェル３の下部から前記第一加熱ライン２に導入した被加熱流体Ｌを、前記中間シェル６を介して前記第二加熱ライン４の上方へ抜き出すよう構成されているので、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に関し、熱交換に係る性能を部分毎に最適化することができる。

したがって、上記本第一実施例の熱交換器によれば、熱交換に係る性能を部分毎に最適化し、装置の大型化を抑え得る。

図２は本発明の第二実施例による熱交換器の形態を示している。基本的な構成は上記第一実施例の熱交換器１（図１参照）と同様であるが、本第二実施例の熱交換器２１の場合、上流側の第一シェル２３と下流側の第二シェル２５との間で、管２２と管２４の本数ではなく、径と配置を異ならせることで、熱交換に係る性能の最適化を図っている。

具体的には、上流側の第一加熱ラインを構成する管２２では、下流側の第二加熱ラインを構成する管２４と比較して径が大きくしている。このようにすると、管２２における被加熱流体Ｌの体積あたりの熱媒Ａとの接触面積は管２４よりも小さいものの、被加熱流体Ｌの管２２における流速は管２４における流速よりも小さくなる。流速を十分に小さく取れば、単位長さあたりの熱交換量を大きくすることができるので、被加熱流体Ｌの気化が行われる上流側の第一シェル２３において要求される熱交換に係る性能を十分に確保することができる。また、この際、合わせて第一加熱ラインを構成する管２２同士の間隔を広く取ると共に、第一シェル２３の断面積を大きくすることで、熱交換に十分な量の熱媒Ａを管２２間に流通させ、熱媒Ａの凍結を防止することができる。一方、気化した被加熱流体Ｌの過熱を行う第二シェル２５では、熱交換に関して第一シェル２３ほどの性能は要求されず、熱媒Ａが凍結する虞もないので、管２４の径を小さくして被加熱流体Ｌの流速を速くし、管２４同士の間隔を狭くして第二シェル２５の断面積を小さくしても特に問題はない。

その他の構成や作用効果については上記第一実施例の熱交換器と同様であるため説明を省略するが、上記本第二実施例の熱交換器によっても、熱交換に係る性能を部分毎に最適化し、装置の大型化を抑え得る。

図３は本発明の第三実施例による熱交換器の形態を示している。基本的な構成は上記第一、第二実施例の熱交換器１（図１参照）及び熱交換器２１（図２参照）と同様であるが、本第三実施例の熱交換器３１の場合、上流側の第一シェル３３の管３２の本数を下流側の第二シェル３５の管３４の本数より多くすると共に、各管３２の径を各管３４の径より小さくしている。これにより、第一加熱ラインを構成する管３２では、被加熱流体Ｌの体積あたりの熱媒Ａとの接触面積が、第二加熱ラインを構成する管３４よりも大きくなっている。管３２における被加熱流体Ｌの流路断面積の合計は、管３４における流路断面積の合計と等しい。

このようにすると、被加熱流体Ｌの流速は管３２と管３４との間でさほど大きな差はない（ただし、管３４には気化された被加熱流体Ｌが流通するため、管３２内に液相の状態で流通する被加熱流体Ｌより流速は速くなる）が、管３２では熱媒Ａとの接触面積が大きいことによって高い熱交換効率が確保される。

ここで、本第三実施例では、管３２を管３４より多数設置することで第一加熱ライン３２における被加熱流体Ｌと熱媒Ａとの接触面積を大きくしているが、接触面積の調整は管本数の変更に限らず、例えば管３２の形状を変更することによっても可能である。例えば、管３２を扁平管、管３４を円形管として構成すれば、仮に管３２と管３４との間で合計の流路断面積が等しくても、管３２における被加熱流体Ｌと熱媒Ａとの接触面積は管３４よりも大きくなる。

その他の構成や作用効果については上記第一実施例の熱交換器と同様であるため説明を省略するが、上記本第三実施例の熱交換器によっても、熱交換に係る性能を部分毎に最適化し、装置の大型化を抑え得る。

図４は本発明の第四実施例による熱交換器の形態を示しており、基本的な構成は上記第一〜第三実施例の熱交換器１，２１，３１（図１〜３参照）と同様である。本第四実施例の熱交換器４１では、上流側の第一シェル４３の管４２の本数は、下流側の第二シェル４５の管４４の本数と同じであり、また、各管４２と各管４４の径も等しい。すなわち、被加熱流体Ｌの体積あたりの熱媒Ａとの接触面積は、管４２と管４４との間で差がなく、また、被加熱流体Ｌの流速にも、液相の流速と気相の流速の差以上に大きな差はない。ただし、第一シェル４３では、管４２同士の間隔を、第二シェル４５内における管４４同士の間隔よりも広く取っており、管４２間をより多くの熱媒Ａが流通するようになっている。また、第一シェル４３の管４２に直交する断面の面積は、第二シェル４５の管４４に直交する断面の面積より大きく、第一シェル４３内の熱媒Ａの容量は第二シェル４５よりも大きくなっている。

このようにすると、第一シェル４３では、管４２を流通する被加熱流体Ｌの体積に対し、該被加熱流体Ｌと熱交換する熱媒Ａの容量が十分に大きい。したがって、被加熱流体Ｌの気化が行われる第一シェル４３において、被加熱流体Ｌと熱媒Ａの熱交換量を大きくすると共に、熱媒Ａの凍結を防止することができる。

その他の構成や作用効果については上記第一実施例の熱交換器と同様であるため説明を省略するが、上記本第四実施例の熱交換器によっても、熱交換に係る性能を部分毎に最適化し、装置の大型化を抑え得る。

図５は上述の如き本発明の熱交換器を適用した熱交換システムの一例を示している。ここでは熱交換器として、上記第一実施例（図１参照）と同じ熱交換器１を採用した場合を例示している。

本熱交換システムでは、熱交換器１のシェルが上流側と下流側の二段に分割された構成を利用し、上流側の第一シェル３と、下流側の第二シェル５に供給する熱媒Ａの流量をそれぞれ個別に調整できるようにしている。

ポンプ１０は、熱媒Ａとして海水を汲み上げ、熱媒供給流路１１を介して第一シェル３と第二シェル５に送り込むようになっている。熱媒供給流路１１は、ポンプ１０の下流で第一分岐路１１ａと第二分岐路１１ｂとに分岐しており、第一分岐路１１ａは第一シェル３の熱媒入口３ｄに、第二分岐路１１ｂは第二シェル５の熱媒入口５ｄに、それぞれ接続されている。第一分岐路１１ａ及び第二分岐路１１ｂの途中には、それぞれ第一熱媒流量弁１２及び第二熱媒流量弁１３が備えられており、ここでポンプ１０から第一シェル３又は第二シェル５に送り込まれる熱媒Ａの量を調整できるようになっている。熱媒入口３ｄ，５ｄから第一シェル３、第二シェル５に送り込まれた熱媒Ａは、それぞれ熱媒出口３ｅ又は熱媒出口５ｅから排出される。尚、ここでは熱媒Ａとして海水を流通させる場合を例示したが、この他に、例えば不凍液等の熱媒を加熱しつつ循環させる方式を採用しても良い。

ポンプ１０の出力は、制御装置１４からポンプ１０に入力される流量制御信号１０ａにより制御され、これにより、熱媒供給流路１１に送り込まれる熱媒Ａの流量が操作される。制御装置１４は、熱交換器１を利用した熱交換システム全体を制御する制御装置であり、第一熱媒流量弁１２、及び第二熱媒流量弁１３の開度をも、それぞれ開度信号１２ａ，１３ａを介して制御するようになっている。

熱交換器１の中間シェル６には温度センサ１５と圧力センサ１６が備えられており、該温度センサ１５と圧力センサ１６は、中間シェル６内における被加熱流体Ｌの温度及び圧力を検出し、それぞれ温度信号１５ａ及び圧力信号１６ａとして制御装置１４に入力するようになっている。

熱交換器１下部の前室８に備えた被加熱流体入口８ａには、タンク１７から被加熱流体供給流路１８を介して被加熱流体Ｌが供給される。被加熱流体供給流路１８の途中には被加熱流体流量弁１９が備えられており、この被加熱流体流量弁１９の開度を変更することにより、熱交換器１に供給される被加熱流体Ｌの量を調整することができるようになっている。被加熱流体流量弁１９の開度は、制御装置１４から入力される開度信号１９ａにより操作される。

以上の構成により、制御装置１４では、中間シェル６における被加熱流体Ｌの温度や圧力の検出値に基づき、熱交換器１への被加熱流体Ｌの供給量や、第一シェル３、第二シェル５への熱媒Ａの供給量を適宜調整することができる。熱媒Ａの温度等は気候等の諸条件により変動するので、中間シェル６にて被加熱流体Ｌの状態を常時監視しておき、例えば、被加熱流体Ｌの温度が低い場合には、ポンプ１０からの熱媒Ａの供給量を増加させると共に第二熱媒流量弁１３の開度を大きくして第二シェル５に供給される熱媒Ａの量を増加させ、第二シェル５における熱交換量を増やして被加熱流体Ｌの過熱量を増大させる。また例えば、中間シェル６における被加熱流体Ｌの圧力が低いようであれば、ポンプ１０からの熱媒Ａの供給量を増加させると共に第一熱媒流量弁１２の開度を大きくして第一シェル３に供給される熱媒Ａの量を増加させ、第一シェル３における熱交換量を増やして被加熱流体Ｌの気化を促進する。あるいは、被加熱流体流量弁１９の開度を大きくして被加熱流体Ｌの供給量を増やすこともできる。この他、制御装置１４では、検出される被加熱流体Ｌの温度や圧力により、被加熱流体Ｌや熱媒Ａの供給量に関し種々の調整を実行することができる。尚、ここでは被加熱流体Ｌの状態を監視するためのセンサとして温度センサ１５と圧力センサ１６を備えた場合を例示しているが、温度センサ１５と圧力センサ１６のいずれか一方のみを備えて被加熱流体Ｌや熱媒Ａの供給量を制御するよう構成することも可能である。

このとき、本実施例の熱交換システムでは、主に被加熱流体Ｌの気化が行われる第一シェル３への熱媒Ａの供給と、被加熱流体Ｌの過熱が行われる第二シェル５への熱媒Ａの供給とを別々に制御するようにしているので、気化量と過熱量を各々個別に操作することが可能である。したがって、最終的に被加熱流体出口９ａから排出される被加熱流体Ｌの量や温度を所要の状態に保つにあたっての操作が容易である。

また、熱交換器１における被加熱流体Ｌの状態を把握するにあたり、温度センサ１５や圧力センサ１６の設置箇所を、気化の行われる第一シェル３と過熱の行われる第二シェル５との中間地点にあたる中間シェル６としている。気化から過熱に至る途中の地点にて被加熱流体Ｌの状態を監視するので、例えば前室８や後室９に温度センサ１５や圧力センサ１６を取り付ける場合と比べ、熱交換器１内における被加熱流体Ｌの加熱状況を適切に把握することが可能である。

以上のように、上記本実施例の熱交換システムは、前記熱交換器１に温度センサ１５又は圧力センサ１６の少なくとも一方を備えているので、熱交換器１による被加熱流体Ｌの気化量と過熱量を各々個別に操作することができ、最終的に排出される被加熱流体Ｌの量や温度を所要の状態に保つにあたって操作を容易にすることができる。

本発明の熱交換システムにおいて、前記温度センサ１５又は前記圧力センサ１６は前記中間シェル６に備えられているので、熱交換器１内における被加熱流体Ｌの加熱状況を適切に把握することができる。

その他の構成や作用効果については、システム中に採用している上記第一実施例の熱交換器の作用効果と同様であるため説明を省略するが、上記本実施例の熱交換システムによれば、熱交換に係る性能を部分毎に最適化し、装置の大型化を抑え得る。

尚、本発明の熱交換器及び熱交換システムは、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、被加熱流体としてはＬＮＧ以外にも種々の流体を想定し得ること等、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第一加熱ライン（管）
３第一シェル
４第二加熱ライン（管）
５第二シェル
６中間シェル
１５温度センサ
１６圧力センサ
２１熱交換器
２２第一加熱ライン（管）
２３第一シェル
２４第二加熱ライン（管）
２５第二シェル
３１熱交換器
３２第一加熱ライン（管）
３３第一シェル
３４第二加熱ライン（管）
３５第二シェル
４１熱交換器
４２第一加熱ライン（管）
４３第一シェル
４４第二加熱ライン（管）
４５第二シェル
Ａ熱媒
Ｌ被加熱流体

Claims

被加熱流体を流通させる第一加熱ラインを内部に収容し、該第一加熱ラインの周囲に熱媒を供給するよう構成された第一シェルと、
前記第一加熱ラインを通過した被加熱流体を流通させる第二加熱ラインを内部に収容し、該第二加熱ラインの周囲に熱媒を供給するよう構成された第二シェルと、
前記第一シェルと前記第二シェルの間に位置し、内部に設けた空間に被加熱流体を流通させるよう構成された中間シェルとを備え、
前記第一シェルにおける被加熱流体の流路断面積、被加熱流体の体積あたりの熱媒との接触面積、又は被加熱流体の体積あたりの熱媒の容量の少なくともいずれか一つが、前記第二シェルよりも大きくなるよう構成された熱交換器。
前記第一加熱ラインは複数の管として、前記第二加熱ラインは一本以上の管としてそれぞれ構成されており、前記第一加熱ラインを構成する管の本数が前記第二加熱ラインを構成する管の本数より多い、請求項１に記載の熱交換器。
前記第一加熱ライン及び前記第二加熱ラインはそれぞれ複数の管として構成されており、前記第一加熱ラインを構成する管同士の間隔が前記第二加熱ラインを構成する管同士の間隔より広く設定され、且つ前記第一シェルの管に直交する断面の面積が前記第二シェルの管に直交する断面の面積より大きく設定されている、請求項１に記載の熱交換器。
前記第一シェルの下部から前記第一加熱ラインに導入した被加熱流体を、前記中間シェルを介して前記第二加熱ラインの上方へ抜き出すよう構成された、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記熱交換器に、被加熱流体の温度を検出する温度センサ又は被加熱流体の圧力を検出する圧力センサの少なくとも一方を備えた、請求項１に記載の熱交換器を用いた熱交換システム。
前記温度センサ又は前記圧力センサは前記中間シェルに備えられている、請求項５に記載の熱交換システム。