JPS5821195B2 - 開放型散水式蒸発装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は開放型散水式蒸発装置に関し、更に詳しくは低
湿液化ガスを水を用いて常温の気化ガスとする熱交換温
度差の大きい開放型散水式蒸発装置に関するものである
。

周知のごとく、沸点が一１５０°Ｃ〜−２００°Ｃ程度
の液化天然ガス、液体酸素等の低温液化ガスを常温の気
化ガスとするだめに加熱媒体として温水あるいは海水等
を含む水を用いた開放型散水式蒸発装置所謂オープンラ
ックベーパライザーが広く使用されている。

従来より、これら開放型散水式蒸発装置（以下単に蒸発
装置と称す）には、第１図ａおよびｂに示すように、蛇
行させた横型チューブ６の隙間に案内板７を設けるか、
押出しチューブ８を垂直パネル状に接合するかして熱交
換部を形成し、上方に設けられた散水管９より水をこれ
ら熱交換部表面に流下させる形式である所謂チューブ型
熱交換器用素子が使用されている。

しかしながら、このチューブ型の熱交換器用素子は単位
中車りの伝熱面積か小さく伝熱効率が低いという欠点が
ある。

単位中車りの伝熱面積を増大せしめるためにチューブの
内外面にフィンや切込み等を設けることも試みられてい
るが低温液化ガスと水との熱交換の場合は特に熱交換温
度差が犬であるため十分な効果を上げることが出来ず、
結局チューブの本数あるいは１本当りの長さを増やして
全体としての伝熱面積を増加する他なく、このことは必
然的に設備の大型化につながるものであった。

特に大量の液化天然ガス（ＬＮＧ）を大量の海水によっ
て蒸発させるだめの大規模な開放型散水式蒸発装置にお
いては熱交換器用素子自体のコンパクト化を画ることか
価格および設置面積の点から強く望まれているのであり
、所詮前記チューブ型のものではこの要望に答えるため
には経済的かつ実用的に問題があったものである。

このため、チューブ型に代るものとしてチューブ型のも
のよりも数段単位中車りの伝熱面積が大きく伝熱効果の
優れた所謂プレートフィン型の熱交換器用素子が注目さ
れている。

このプレートフィン型熱交換器用素子は第２図ａｙｂに
その一例を示すように、基本的に２枚の平板状伝熱壁１
，１′を相対向して配置し、この伝熱壁間に波形フィン
３、内フイン５等の２次伝熱要素を介装せしめてこれら
をろう付あるいは溶接により一体化して多数の流体通路
４，４′を形成した構成より成るものである。

このような基本的な構成であるプレートフィン型熱交換
器用素子は平板状伝熱壁間の波形フィンや内フィン等の
２次伝熱要素の数を増加せしめるか、あるいは平板状伝
熱壁外面にフィンや突起等を設けることによって適宜２
次伝熱面の面積を増加して伝熱効率を高めることが可能
であり、前述した蒸発装置に要求されるコンパクト化を
満足せしめるものであるか、実際に蒸発装置に適用する
に当っては新らたな問題を生じるものである。

この問題について以下に説明する。

まず、第１の問題は平板状伝熱壁の外壁面に垂下される
水が、伝熱壁の外壁面において凍結することである。

一般的に、２つの流体の熱交換を行なう場合、熱交換器
の伝熱壁面温度は、各流体側の伝熱面積化が１＝１の場
合には、境膜伝熱係数の大きい方の流体温度に近づくこ
とになる。

しかしながらプレートフィン型熱交換器用素子の場合、
主として低湿液化ガス側の伝熱面積を加熱媒体である水
仙よりも著しく増大せしめて高伝熱効率化を画っている
のであって、この点において、熱交換器の伝熱壁面温度
は境膜伝熱係数の重みを考慮しても概ね、水と低温液化
ガスの温度の平均値に近づく。

例えば、液化天然ガスと海水との熱交換の場合液化天然
ガスの温度は約−１６５℃、海水の温度は約４℃である
から、当然伝熱壁面の温度は０°Ｃ以下となるわけであ
り、伝熱壁面における海水の凍結を生じる結果となる。

プレートフィン型の熱交換器用素子を用いて低温液化ガ
スを水により蒸発させる場合、この伝熱壁面における水
の凍結は重大な問題である。

すなワチ、水の凍結によって生じる氷の厚さおよび面積
分だけ伝熱効率を減少させることになり、著しい場合に
は熱交換の作用自体を不能ならしめる。

つぎに、第２の問題は低温液化ガスの昇温湿度勾配が著
しく高いことである。

通常低温液化ガスは前述したごと＜−１５０°Ｃ〜−２
００℃程度のきわめて低温度であり、これを蒸発および
加湿せしめて常温状態の蒸発ガスにするまでのガス自体
の温度差は非常に大きなものである。

一方プレートフィン型の熱交換器用素子は高伝熱効率を
有するためにその素子自体の流体通路の長さは従来のチ
ューブタイプに比して著しく短かくて済むわけであるか
ら、流体通路の長さに対する前記ガスの温度差すなわち
ガスの昇温湿度勾配は著しく高いものとなり、このため
熱交換器の操作時において液の沸騰による熱的な応力が
発生し易く、運転操作に支障をきたすか機器自体に損傷
を与えることになる。

以上述べたように、プレートフィン型熱交換器用素子を
低温液化ガスの蒸発装置に適用するためには前記２つの
問題を解決すること、すなわち水の凍結を防止すること
および低温液化ガスの昇温湿度勾配を下げることが重要
な課題となるものである。

この課題を達成することが本発明の第１の目的であり、
そのだめの要旨は熱交換温度差の大きい開放型散水式蒸
発装置が、波形フィン・内フィン等の２次伝熱面を具備
するプレートフィン型熱交換器用素子を複数個並列配置
した熱交換要素をもち、これら熱交換要素は、低温液化
ガス流入口を下部に連接するとともに該液化ガスを蒸発
気化させる気化用熱交換要素と、該気化用熱交換要素か
らの気化ガスを外側を流下する水により熱交換壁面温度
を水の凍結点を越える湿度に保持する温度差緩和流路を
形成した熱交換要素とを含むことである。

すなわち、上記気化用熱交換要素（以下第１要素と称す
）は後述する上記湿度差緩和流路を形成した熱交換要素
（以下第２要素と称す）の前位においてあらかじめ低温
液化ガスを蒸発気化させて第２要素の伝熱壁面を水の凍
結点を越える温度に保持し得る温度（以下所定温度と称
す）の気化ガスとなすものであり、第２要素は該気化ガ
スを更に加熱して常温の気化ガスとなすものであり、こ
れら２つの熱交換要素において段階的に低温液化ガスの
加熱を行なうことによって上記課題が達成されうる。

それゆえ、プレートフィン型熱交換器用素子は複数個並
列配置されることが必要であり、この素子自体は波形フ
ィン、内フィン等の２次伝熱面を具備する各種プレート
フィン型のものが適宜選択される。

単一の素子すなわち単一の流路であるならば、流路の長
さを直線的に延ばすことによって全体としての昇混湛度
勾配を緩和することは勿論可能であるが、低温液化ガス
の沸騰あるいは伝熱壁面における水の凍結の問題は、低
湿液化ガスと水との温度差の犬なる熱交換の初期段階に
発生するものであるから、この初期段階における温度差
が緩和されぬ限り前記問題は通路の長さを幾ら延ばした
としても解決することは出来ない。

素子の並列配置される個数については、熱交換すべき低
湿液化ガスと水の温度・流量等の所謂熱交換の設計条件
および前記所定湿度に応じて適宜選択される。

通常、蒸発装置における熱交換用素子の最も常識的な効
率の良い使用態様としては、素子の両側面の伝熱壁面に
水が垂下される方式であるため、本発明においても、前
記第２要素としての２つの最外素子およびその間に配置
された前記第１要素としての１つの最内素子の合計３個
の素子が最小の個数となり得る。

また、第１要素と第２要素とを介して低温液化ガスか順
次段階的に加熱されるよう、第１要素と第２要素の素子
は各々その端部同士が直列に連通されることが必要であ
る。

例えば上記３個の素子の場合、最内素子より両最外素子
各りにガスが分枝せしめられるごとく最内素子端部と両
最外素子端部各りが連通される。

低温液化ガスの流入口については、ガスの逆流を防止す
る等の意味から第１要素の下端に設けられていることが
必要である。

更に、第１要素の流路の長さは、最大定格容量で蒸発装
置を使用した場合にも、低温液化ガスを蒸発気化せしめ
て前記所定温度とするに光分な長さを有することが望ま
しく、流路の長さが足りぬ場合、昇温り度勾配を緩和す
ることは可能であったとしても、第２要素の伝熱壁面を
水の凍結点を越える温度に保持することが困難であり、
水の伝熱面における凍結の問題を残すものである。

前記所定湿度は伝熱壁面温度を求めることによって特定
される。

例えば通常伝熱壁面の材料として用いられるアルミニウ
ム合金の場合、熱伝導度が太きいために伝熱壁内外の温
度差は無視することかでき伝熱壁湿度は一定とみなせる
から、伝熱壁温度Ｔｗは次式で求めることができる。

但し Ｔｉ；流体の温度（℃） Ｔ ｏ ｒ水の湿度（’Ｃ） Ａ １ ｍ流体通路内伝熱面積（７７Ｉ″）Ａｏ；流体
通路外伝熱面積（ｍ′） ｈｉ；流体通路内境膜伝熱係数（Ｋｍ／ ｄ−ｈ・℃） ｈｏ＋流体通路外境膜伝熱係数（Ｋｃａｌ、／ｍ′・ｈ
・℃） このＴｗが水の凍結点以上であるならば、伝熱壁面に水
は凍結しないから、前記所定温度はこのＴｗの近傍に適
宜選択されるものである。

本発明の他の目的は、前記第１および第２の要素による
段階的な加熱を基本的に、垂下される水の熱量のみによ
って行ない、余分の加熱手段を必要としないようにする
ことであり、この目的は前記要旨中、プレートフィン型
熱交換器用素子を複数個並列配置すること、すなわち各
素子が各素子の伝熱壁を隔壁として積層されることと、
最外素子の伝熱壁の外面に水を垂下されることによって
水の熱が順次内側の素子に伝達されるよう構成されて達
成される。

他の加熱手段、例えば、第１と第２の要素が切離されて
おり第１の要素が大気あるいはヒーター等の加熱手段を
設ける形式である場合、大気ならばその熱容量の低さか
ら処理ガス量が大きく成る程第１の要素の流路の長さを
必要とし、ヒーター等の強制的な加熱手段ならば、熱源
自体のランニングコストが高いためにいずれも経済的か
つ実用的ではあり得ない。

前記積層方法については、第２図ａあるいはｂに例示し
たプレートフィン型熱交換器用素子をあらかじめ単体と
して成形しておき、これら単体を積層する方法、また平
板状伝熱壁と波形フィン・内フィン等の２次伝熱要素を
交互に積層する方法、さらには、両側面に平板状伝熱壁
を有する区画室内を複数の平板状隔壁により仕切るとと
もに隔壁間に前記２次伝熱要素を介装する方法が適宜選
択される。

次に図面を用いて本発明の実施態様を説明する。

第３図は本発明による開放型散水式蒸発装置の熱交換要
素の一実施例を示す斜視図である。

同図において、熱交換要素Ａは５枚の平板状伝熱壁１と
４枚の波形フィン３を各り交互に積層するとともに端板
２により平板状伝熱壁間に形成される空間を仕切ったも
ので、全体としてろう付により一体化しているものであ
る。

この熱交換要素Ａは、１０，１０’の前記第１の熱交換
要素（液化ガスの蒸発気化用）である流体通路、１１゜
１１′の前記第２の熱交換要素（温度差緩和流路を形成
した）である流体通路を含んでいる。

実際の蒸発装置において、この熱交換要素Ａは多数並列
されて用いられるものである。

第４図は第３図における熱交換要素Ａを組み込んだ本発
明による開放型散水式蒸発装置の一実施例を示す一部縦
断面正面図である。

同図において、Ａは第３図における熱交換要素、１５．
１８は各り低湛液化ガスの導入パイプおよび供給パイプ
、１３は流体通路１ｏ、１０’の下端に各り接続された
入側ヘッダーであり、低温液化ガスを流体通路１０．１
０’へ供給する手段を構成している。

また、１６．１７は各々低温気化ガスの送出パイプおよ
び移送パイプ、１４は、流体通路１１．１１’の下端に
各り接続された出側へラダーであり、気化ガスを流体通
路１１．１１’より送出する手段を構成している。

流体通路１０と１１および流体通路１０′と１１′は各
り蓋１２によってその上端部において直列に連通されて
いる。

１９は熱交換要素Ａの上辺部を挾んで平行して対設され
ている面形トラフであり、原水配管（図示せず）より供
給される水を一旦トラフ内部に溜めた後に熱交換要素Ａ
側の側壁より二定の溢水を最外伝熱壁２０の外壁面２１
に垂下して均一な水膜Ｗを形成せしめる。

以上の構成からなる蒸発装置による液化天然ガスの蒸発
操作について以下に説明する。

−１６５℃程度の液化天然ガスは供給パイプ１８および
導入パイプ１５を通じて入側ヘッダー１３内に流入し、
ヘッダー１３内で均一に分散されて流体通路１０．１０
’中を、該流体通路中に設けられた波形フィン３によっ
て仕切られた多数の流れａとなって流体通路を充満しつ
つ上昇する。

流体通路１０．１０’の上端部に到達した流れａは蓋１
２によってその流れの方向を変えられて流体通路ＩＬ１
１’の上端部に到り、引き続いて流体通路１１．１１’
内の流れｂとなる。

ここにおいて、水膜Ｗからの熱は最外伝熱壁２０を介し
て流れｂに伝熱されるとともに、更に流れｂの熱は伝熱
壁２２．２３を介して流れａに伝熱されるごとく順次内
側の流体通路に伝熱されるから、流体通路１０．１０’
の下端部により流入かつ上昇する液化天然ガスは、流体
通路１０゜１０′中において蒸発気化されて前記所定流
度の気化ガスとなり、ついで流体通路１１．１１’中に
おいて常湿まで加熱された気化ガスとなって流体通路１
１．１１’の下端より、出側ヘッダー１４、送出パイプ
１６、移送パイプ１７を通じて系外に導出される。

個別に見るならば、流体通路１１．１１’中の気化ガス
の加熱媒体は水膜Ｗであり、流体通路１０．１０’中の
液化天然ガスの加熱媒体は前記最外流体通路ＩＬ１１’
中の気化ガスとなるのであり、本実旅例以外の場合を含
めて表現するならば、当該流体通路中のガスは次位の流
体通路中のガスを加熱媒体として順次加熱されるわけで
ある。

第５図に本発明における開放型散水式蒸発装置の熱交換
要素の他の実施例を示す。

同図において、熱交換要素Ｂは多数の内フィン５を設た
６枚の平板状伝熱壁１′を一定間隔を置いて立設すると
ともに、平板状伝熱壁間に形成される空間を端板２′に
、よって仕切ったもので、全体として溶接により一体化
しているものである。

この熱交換要素Ｂは、２４，２５．２５’の前記第１の
熱交換要素である流体通路２６．２６’の前記第２の熱
交換要素である流体通路を含んでいるのであって、この
場合、低温液化ガスが最内流体通路である２４の下端よ
り導入されるとともに、２４の上端において次位の流体
通路２５゜２５′の各りの上端へと分校せしめられ、つ
いで２５．２５’の下端より最外流体通路である２６．
２６′の下端に流入すべく各流体通路が連通せしめられ
る。

そして気化ガスの送出は、２６および２６’の各々の上
端より行なわれるものであり、本発明においては熱交換
要素の流体通路の数および各流体通路の連通方式等の設
計上、気化ガスの送出を最外流体通路の上端より行なう
が下端より行なうかは適宜選択されるものである。

以上述べた通りの構成である本発明は下期の効果を有す
る。

すなわち、（ａ） 熱交換要素として、従来のチュー
ブ型熱交換器用素子に比して数段伝熱効率の優れたプレ
ートフィン型熱交換器用素子を採用するため、熱交換要
素ひいては蒸発装置自体のコンパクト化を画ることかで
きる。

（ｂ）シかもプレートフィン型熱交換器用素子を採用す
る際に発生する伝熱壁面への水の凍結を防止し得るため
、蒸発装置の運転条件に関わらず、高伝熱効率が維持さ
れる。

（ｃ）さらに低温液化ガスの昇混混度勾配が緩和される
だめ、低温液化ガスの蒸発に際しての好ましからぬ沸騰
態様（例えば膜沸騰により境膜伝熱抵抗が犬となるかあ
るいは熱応力が発生する如きもの）を防止することが出
来蒸発装置の運転中、高伝熱効率が維持されるとともに
、機器の損傷が全くない。

【図面の簡単な説明】

第１図ａおよびｂは従来の開放型散水式蒸発装置を示す
説明図、第２図ａおよびｂはプレートフィン型熱交換器
用素子の一例を示す断面図、第３図は本発明による開放
型散水式蒸発装置の熱交換要素の一実施例を示す斜視図
、第４図は第３図における熱交換要素を組込んだ本発明
による開放型散水式蒸発装置の一実施例を示す一部縦断
面正面、第５図は本発明による開放型散水式蒸発装置の
熱交換要素の他の実施例を示す斜視図。 Ｌ １’ ；平板状伝熱壁、２．２’ ；端板、３；
波型フィン、４．４’；流体通路、５；内フィン、６，
８；チューブ、７；案内板、９；散水管、１０．１０’
、１１，１１’、２４，２５，２５’。 ２６．２６’ ；流体通路、１２；蓋、１３，１４；ヘ
ラグー、１５，１６，１７，１８；パイプ、１９；トラ
フ、２０，２２，２３；伝熱壁、２１；壁面、Ａ、Ｂ；
熱交換要素、ａ、ｂ；流れ、Ｗ；水膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 熱交換温度差の大きい開放型散水式蒸発装置であっ
   て、波形フィン・内フィン等の２次伝熱面を具備するプ
   レートフィン型熱交換器用素子を複数個並列配置しだ熱
   交換要素をもち、これら熱交換要素は、低湿液化ガス流
   入口を下部にまた気化ガス流出口を上部に夫々有し、か
   つ流下する水に直接には接しない気化用熱交換要素と、
   前記気化用熱交換要素の気化ガス出口に通じる気化ガス
   流入口と気化ガス流出口とを有するとともに一方のプレ
   ートか流下する水に直接に接しかつ他方のプレートが前
   記気化用熱交換要素に接する熱交換要素とを含み、前記
   気化用熱交換要素が後者の熱交換要素を介して水と熱交
   換されるように構成したことを特徴とする開放型散水式
   蒸発装置。