NO337186B1

NO337186B1 - Varmerørsammenstilling med returlinjer

Info

Publication number: NO337186B1
Application number: NO20130640A
Authority: NO
Inventors: Veroslav Sedlak
Original assignee: Goodtech Recovery Tech As
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2016-02-08
Also published as: NO20130640A1; EP2994557B1; EP2994557A1; CN105408522A; CA2909135A1; US20160068978A1; EP2994557B8; EP2994557A4; EA201592000A1; ZA201508078B; WO2014182176A1

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

Teknisk område

Oppfinnelsen gjelder generelt varmeregulering og særskilt en forbedret fremgangsmåte og system for å opprettholde et arbeidsfluidnivå i flere evaporerings- eller avdampingsrør som dekker et stort område, egnet for bruk til kontroll/styring av lagdannelse over et utvidet område i en elektrolysecelle for aluminium og utnyttelse av termisk energi.

Bakgrunnsteknikken

Ved produksjon av aluminium med dagens elektrolyseteknologi basert på såkalte Hall-Héroult-celler, vil prosessen med cellene være avhengig av dannelsen og opprettholdelsen av et beskyttende lag av elektrolytt i fast form i cellens side-vegger. Dette usmeltede bad er kalt sidelag og beskytter cellenes sideforing mot kjemisk og mekanisk slitasje, og utgjør en viktig situasjon for å oppnå en lang celle-levetid. Det krystalliserte bad tjener samtidig som ren buffer for cellen når det gjelder endringer i varmebalansen. Under driften vil varmegenereringen og varmebalansen i cellen variere grunnet uønskede forstyrrelser i driften (endringer i badets kjemiske sammensetning, konsentrasjon av aluminiumoksid, endringer i interpolaravstander, anodevirkninger etc.) og ønskede aktiviteter i cellene (metalltapping, endring av anode, gløding etc). Dette forårsaker at tykkelsen av laget i ytterkanten av cellen endrer seg, og i enkelte tilfeller vil laget kunne forsvinne fullstendig i deler av ytterområdet. Sideforingen vil da bli utsatt for flytende elektrolytt og metall, noe som i kombinasjon med korrosive gasser vil føre til korrosjon av sideforingsmaterialer som da vil erodere. Mangelen på en fremspringende kant kan føre til metalluttapping. Det er således av stor viktighet å kunne styre dannelsen av lag og lagstabiliteten i Hall-Héroult-celler, særskilt for celler med store strømtettheter. Modellberegninger viser at det vil være vanskelig å opprettholde sidelaget i cellen grunnet stor varme-generering. For slike celler og for tradisjonelle celler med varmebalanseproblemer vil det således være en betingelse for et langt celleliv at man kan håndtere lag-beskyttelsen av sideforingen.

Alle aluminiumprodusenter søker å redusere det spesifikke energiforbruk per kilo produsert aluminium (kWh/kg Al). Varmegenereringen i elektrolysecellene finner sted som et resultat av de ohmske spenningsfall i cellen, for eksempel ved strøm-tilførselene, det fremstilte metall og særskilt i elektrolytten. Tilnærmet 45 % av den tilførte energi til elektrolysecellen brukes til produksjon av aluminium, resten er tapt energi. Data fra litteraturen indikerer at tilnærmet 40 % av de totale varmetap fra cellene finner sted gjennom sideforingen. Grunnet det store varmetap og ønske om å kunne holde kontroll med det beskyttende usmeltede lag i sideforingen, vil det være foretrukket å anordne elementer for uttrekking av varme i dette området av cellen.

Det er et behov for optimalisering av kontrollen/styringen av lagdannelsen og varmeuttaket. For å kunne optimalisere begge disse mål samtidig er det viktig at varmeuttaket finner sted så nær det dannede sidelag som mulig. Dette vil gjøre det mulig å ta ut termisk energi ved høy temperatur.

Videre, og grunnet den store skala for elektrolyseceller, er det også ønskelig å kunne holde kontroll med lagdannelsen over et utvidet område, siden tapet av lagdannelse over et mindre område kan være skadelig. Den tradisjonelle måte å fjerne varme på var å bruke naturlig (og i enkelte tilfeller forsert) luftbevegelse over hele overflateområdet av cellen, hvilket førte til et begrenset potensial for utnyttelse av den uttatte varme.

Fra den kjente teknikk skal vises til WO/2004/083489. Der beskrives en sideforing dannet med hulrom for gjennomstrømning av et kjølemedium. Frem-stillingsprosessen for dette er imidlertid kompleks og krever at sideforingene blir støpt med hulrom og fortrinnsvis utført før materialet sintres.

Fra den kjente teknikk vises også til patentsøknad NO 20101321, tilsvarende WO/2012/039624, i søkerens navn. Der beskrives et system for kontroll/styring av lagdannelsen i en elektrolysecelle for aluminium og utnyttelse av varme, ved å omfatte sideforinger utrustet med minst ett hulrom for varmeoverføring og minst ett varmerør, kjennetegnet ved at varmerøret er dannet av hulrommet og at hulrommet utgjør i det minste én kanal anordnet langs overflaten av sideforingen. Frem-stillingsprosessen for dette er imidlertid kompleks og krever at sideforingene har et stort antall varmerør, typisk som rørelementer, langs overflaten av sideforingen, idet hvert krever separat kjøling.

Det refereres også til flate varmerør, også kjent som todimensjonale varmerør og basert på plater som danner tynne plane kapillærrør. Denne konstruksjon er anvendelig for varmespredere i anvendelser med stor høydefølsomhet, men siden kapillærrørene er små og tynne vil den totale varmeoverføring også være liten. Også denne utforming innebærer at større metallområder ikke blir aktuelle deler av kapillærrørene, slik at den totale varmeoverføring reduseres ytterligere. Videre er denne konstruksjon typisk flat, mens enkelte overflateujevnheter i en sideforing må forventes, hvilket fører til dårlig varmekontakt. Dette betyr at flate varmerør ikke er egnet for kjøling av en sideforing.

Det skal også vises til varmerørsammenstillinger som baseres på en returlinje. Der enkle varmerør utgjør tofasestrømningssystemer hvor fordampet gass og kondensert væske strømmer i motsatte retninger, finnes enkeltfasestrømnings-systemer der arbeidsfluidet i væskefase tar opp varme i sin varme ende og for-damper, ved strømning til den kalde ende. Gassen kondenseres til væske i denne kalde ende og føres tilbake til den varme ende langs en separat linje, her kalt returlinjen. Ved å holde returlinjen kaldere enn kokepunktet for arbeidsfluidet oppnås en énfasestrøm også i returlinjen. Et slikt system kan omfatte flere varmerør koplet sammen ved bruk av en samlende manifold, også kalt grenrør, i den kalde ende og et fordelingsgrenrør i den varme ende, der grenrørene også er sammenkoplet direkte eller indirekte via returlinjen. Problemet med denne løsning er at driften av sammenstillingen påvirkes av kollektorvinkelen i forhold til tyngdekraftens retning, slik at væske kan føres ut i varmerørene. Ellers vil væske kunne samle seg opp i kondensatoren og forårsake at varmerørene kjøres tørre og kan ødelegges av varme.

Fra den kjente teknikk skal det endelig vises til NO 20120031 som viser system for temperaturkontroll i en aluminiumselektrolysecelle omfattende en manifold med flere varmerør for fordampning og kondensering av et kjølemiddel.

Generelt er det et problem at en effektiv kjøling over et stort område krever et system som har et stort antall deler, hvilket på sin side øker kompleksiteten og kostnaden, samtidig med at det også reduserer den totale pålitelighet.

Det er derfor et behov for en fremgangsmåte og et system som unngår de ovenfor nevnte problemer.

Kort gjennomgåelse av oppfinnelsen

Problemer som skal løses med oppfinnelsen

Av denne grunn vil et hovedmål for den foreliggende oppfinnelse være å kunne tilby en forbedret fremgangsmåte og et forbedret system for å opprettholde et arbeidsfluidnivå i flere varmerør som dekker et større område, egnet for bruk for kontroll/styring av lagdelingen over et utvidet område i en elektrolysecelle for aluminium, og utnyttelse av varme.

Midler for å løse problemene

Målet nås i samsvar med oppfinnelsen ved et system for kontroll/styring av lagdannelsen i en aluminiumelektrolysecelle og slik som fastlagt i ingressen i patentkrav 1, med de trekk som den karakteriserende del av krav 1 har, og en fremgangsmåte for kontroll/styring av lagdannelsen i en aluminiumelektrolysecelle og slik som fastlagt i ingressen i det uavhengige fremgangsmåtekrav 10, med trekkene i karakteristikken i dette krav 10, og en elektrolysecelle som omfatter den varmerørsammenstilling som hører til krav 11. Et antall ufullstendige utførelser eller utførelsesformer, varianter eller alternativer av oppfinnelsen er fastlagt i de uavhengige krav.

Den foreliggende oppfinnelse når de mål som er skissert ovenfor ved en varmerørsammenstilling som omfatter flere avdampingsrør for opptak av varme ved avdamping av et arbeidsfluid fra en væskefase til en gassfase, en kollektor i fluidforbindelse med den øvre ende av avdampingsrørene, et fordelingsgrenrør i fluidforbindelse med den nedre ende av avdampingsrørene, hvor kollektaren og for-delingsgrenrøret også er tilkoplet flere returlinjer, der en første returlinje er anordnet for forbindelse mellom en første ende av kollektoren og fordelingsgrenrøret, og en andre returlinje er anordnet for forbindelse mellom en andre ende av kollektoren ved en motsatt side av den første ende av kollektoren, og fordelingsgrenrøret. Samlegrenrøret er utrustet med en faseskiller.

I en gitt utførelse er kollektoren et samlegrenrør med minst én utvendig kondensator. I en annen utførelse er kollektoren et grenrør med en innvendig kondensator.

I en særskilt utførelse er returlinjene anordnet hovedsakelig parallelle. I en foretrukket utførelse er returlinjene linjer for tofasestrøm. I en annen utførelse er returlinjene krysset.

I nok en utførelse er den første og den andre returlinje koplet til en tredje returlinje som på sin side er koplet til fordelingsgrenrøret.

I en foretrukket utførelse er returlinjene festet til den nederste del av den utvendige kondensator.

I en bestemt utførelse omfatter systemet videre en kollektor eller samler for ukondenserbare gasser.

Fortrinnsvis bør returlinjene være dimensjonerte slik at fordelingsgrenrøret kan tilføres væske via returlinjer i begge ender uten å måtte baseres på returlinjene ved begge ender samtidig.

Fortrinnsvis bør returlinjene ha en varmeutvidelseskoeffisient slik at det unngås mekaniske påkjenninger ved endring av driftstemperaturen.

Virkningene av oppfinnelsen

De tekniske forskjeller fra teknikkens stilling er at den foreliggende oppfinnelse omfatter minst to returlinjer, der minst den ene returlinje er anordnet på motsatte sider av varmerørsammenstillingen.

Den tekniske virkning av denne forskjell er at når varmerørsammenstillingen blir vippet i den ene eller andre retning vil det alltid være et utløp i den nedre ende av kollektoren og som sikrer at denne kollektor alltid effektivt vil dreneres. Dersom kollektoren ikke dreneres effektivt vil arbeidsfluid kunne samles opp i kollektoren og således redusere mengden av det arbeidsfluid som er i fordelingsgrenrøret og til slutt nivået av arbeidsfluid i avdampingsrørene, slik at virkningsgraden av varmerør-sammenstillingene blir dårligere til å fjerne varme og vil redusere kondenseringsenhetens virkning. Dette vil kunne føre til svikt i elektrolyttcellen.

Dimensjoneringen av returlinjene slik at fordelingsgrenrøret kan tilføres væske via disse returlinjer i begge ender og uten å måtte basere seg på returlinjene i begge ender samtidig, sikrer at kollektoren ikke samler opp for mye arbeidsfluid.

Disse virkninger gir etter tur flere fordelaktige trinn:

• det muliggjøres å etablere en hensiktsmessig løsning med få deler for kjøling av et større område,

og

• det gir en betydelig forenklet installasjon og tilkopling ved at en varmerør-sammenstilling krever langt færre kjøleenheter for samlegrenrøret enn antallet avdampingsrør.

Kort gjennomgåelse av tegningene

Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet ytterligere ved eksempler på utførelsesformer, og disse er skjematisk vist i tegningene, hvor: Figur 1 viser teknikkens stilling for en Hall-Héroult-celle i form av en sideforet blokk, og med et stålskall eller en beskyttende omslutning. Figur 2 viser et detaljutsnitt av utførelsen på figur 1 sammen med snittet, som sett fra siden. Figur 3 viser teknikkens stilling for en Hall-Héroult-celle i form av en sideforingsblokk med hulrom og utrustet med varmerør, og et stålskall eller en beskyttende omslutning. Figur 4a viser et enderiss av en typisk utførelse av en varmerørsammenstilling innsatt i en sideforingsblokk, Figur 4b viser et frontriss av en typisk utførelse av en varmerørsammenstilling innsatt i en sideforingsblokk, Figur 4c viser et sideriss av en typisk utførelse av en varmerørsammenstilling innsatt i en sideforingsblokk. Figur 5a viser et enderiss av en første utførelse av en varmerørsammenstilling utrustet med to returlinjer tilkoplet via en forbindelse med en tredje returlinje som forbinder forbindelsen med fordelingsgrenrøret, Figur 5b viser et frontriss av en første utførelse av en varmerørsammenstilling utrustet med to returlinjer tilkoplet via en forbindelse med en tredje returlinje som forbinder forbindelsen med fordelingsgrenrøret, Figur 5c viser et sideriss av en første utførelse av en varmerørsammenstilling utrustet med to returlinjer tilkoplet via en forbindelse med en tredje returlinje som forbinder forbindelsen med fordelingsgrenrøret. Figur 6a viser et enderiss av en første utførelsesform av en varmerør-sammenstilling utrustet med to returlinjer som strekker seg hovedsakelig parallelle og er koplet til fordelingsgrenrøret i motsatte ender, Figur 6b viser et frontriss av en første utførelsesform av en varmerør-sammenstilling utrustet med to returlinjer som strekker seg hovedsakelig parallelle og er koplet til fordelingsgrenrøret i motsatte ender, Figur 6c viser et sideriss av en første utførelsesform av en varmerør-sammenstilling utrustet med to returlinjer som strekker seg hovedsakelig parallelle og er koplet til fordelingsgrenrøret i motsatte ender, Figur 6d viser i nærmere detalj et tverrsnitt av en første utførelsesform av en varmerørsammenstilling og hvor det vises en returlinje koplet til fordelingsgrenrøret og et avdampingsrør. Figur 7a viser et enderiss av en andre utførelsesform av en varmerør-sammenstilling utrustet med to returlinjer som strekker seg hovedsakelig parallelle og er koplet til fordelingsgrenrøret i motsatte ender, der returlinjene er tofasestrøm-linjer, Figur 7b viser et frontriss av en andre utførelsesform av en varmerør-sammenstilling utrustet med to returlinjer som strekker seg hovedsakelig parallelle og er koplet til fordelingsgrenrøret i motsatte ender, der returlinjene er tofasestrøm-linjer, Figur 7c viser et sideriss av en andre utførelsesform av en varmerør-sammenstilling utrustet med to returlinjer som strekker seg hovedsakelig parallelle og er koplet til fordelingsgrenrøret i motsatte ender, der returlinjene er tofasetrøm-linjer, Figur 7d viser et detaljriss av et tverrsnitt av en andre utførelse av en varme-rørsammenstilling, der det vises en tofasestrømlinje koplet til samlegrenrøret, med en faseskiller. Figur 8a viser et enderiss av en første utførelse av en varmerørsammenstilling utrustet med to kryssede returlinjer koplet til fordelingsgrenrøret ved motsatte ender, Figur 8a viser et frontriss av en første utførelse av en varmerørsammenstilling utrustet med to kryssede returlinjer koplet til fordelingsgrenrøret ved motsatte ender, Figur 8c viser et sideriss av en første utførelse av en varmerørsammenstilling utrustet med to kryssede returlinjer koplet til fordelingsgrenrøret ved motsatte ender. Figur 9 viser et frontriss av en utførelse av en varmerørsammenstilling utrustet med en kollektor for ukondenserbare gasser.

Gjennomgåelse av henvisningstall

Følgende henvisningstall viser til tegningene og de tilhørende benevnelser:

Detaljert beskrivelse

Oppfinnelsen blir beskrevet i nærmere detalj nedenfor, idet det vises til de utførelsesformer som er illustrert i tegningene. Figur 1 viser teknikkens stilling for en Hall-Héroult-celle i form av en sideforingsblokk 11 og et stålskall 8 som danner en beskyttende omslutning. Detaljer er vist på figur 2. En celle som hørere til den kjente teknikk og bruker aktiv kjøling slik det er kjent fra den tidligere nevnte teknikkens stilling, er vist på figur 3.

Med sideforing vil man her forstå uttrykket til å gjelde sideforingsblokken 11 eventuelt innenfor teknikkens stilling sammen med varmeisolasjon 10, der sideforingsblokken eventuelt er utrustet med et varmerør 12. Sideforingsblokken 11 er typisk en keramisk blokk, typisk i form av silisiumkarbid (SiC). Figur 4a viser et enderiss av en slik typisk utførelse av en varmerørsammenstilling innsatt i en sideforingsblokk. Dette er også vist i forskjellige riss i figurene 4b og 4c.

Prinsippene som utgjør oppfinnelsens basis

Figur 5a viser et enderiss av en første illustrert utførelse av en varmerør-sammenstilling utrustet med to returlinjer tilkoplet via en sammenføyning ved en tredje returlinje i sammenkopling mellom sammenføyningen og fordelingsgrenrøret. Denne utførelse er også vist i frontrisset på figur 5 og siderisset på figur 5c.

Varmerør

Med varmerør 12 inngår to utførelser: «varmerør» der en «veke» eller en annen kapillarvirkning trekker væsken tilbake til den varme ende, og «termosifong» der tyngdekraften trekker væsken tilbake til den varme ende. Den varme ende vil også være kjent som avdampingsseksjonen. Begge prinsipper kan være anvendbare for denne oppfinnelse, selv om en termosifong vil være å foretrekke så rørlegemet ved en hovedsakelig nedover rettet skråning fører fluid i væskefase nedover langs rørlengden. Siden varmerør av begge typer arbeider ved å fjerne varme ved faseovergang fra væske til gass, foretrekkes at varmerøret muliggjør at væsken når det laveste punkt i det (varmerøret).

En typisk Hall-Héroult-celle omfatter et stålhus eller -skall 8 som omslutter en sideforingsblokk 11. Stålomslutningen som skallet danner vil være i god varmekontakt med sideforingsblokken ved at det er brukt en varmepasta. Sideforingsblokken, på motsatt side av stålskallet, vil være i kontakt med elektrolytten. Ved bruk av varmeregulering vil varme som trekkes ut fra elektrolytten danne et lag av elektrolytt i fast form på sideforingen, hvilket lar den resterende del av elektrolytten 3 være i væskeform.

Sentralt i oppfinnelsen vil være realiseringen av at en varmerørsammenstilling i samsvar med oppfinnelsen gir et forenklet system og en tilsvarende fremgangsmåte for å fjerne varme fra et stort område, sammenlignet med å bruke tradisjonelle varmerør.

Det er også sentralt for oppfinnelsen med oppdelingen av et varmerør i flere distinkte deler: • avdampingsrør som samsvarer med avdampingsenden av et varmerør, der varme absorberes ved avdampingsfaseendring i arbeidsfluidet • varmerørsammenstillingens kalde ende, som samsvarer med konden-seringsenden av et varmerør, der varme frigis ved kondenseringsfase-endring i arbeidsfluidet • tilkoplingsdeler som omfatter grenrør og returlinjer og som sikrer driften av syklusen mellom avdamping og kondensering, idet disse har ingen sam-svarende del i et tradisjonelt varmerør

Disse deler vil bli gjennomgått i nærmere detalj nedenfor.

Avdampingsrør

Avdampingsrørene 130 har en øvre ende 132 og en nedre ende 134 og tar opp varme ved avdamping.

Varmerørsammenstillingens kalde ende

Varmerørene absorberer varme som må fjernes, for å kondensere arbeidsfluidet, og dette finner sted i varmerørsammenstillingens kalde ende 110. Typisk strekker denne del seg utenfor sideforingen for å gi tilgang til deler og være koplet til en ekstern kjølekrets. Varmerørsammenstillingens kalde ende omfatter midler for oppsamling av arbeidsfluidgass og midler for kondensering av arbeidsfluidet til en væske. Det skal bemerkes at disse to midler kan være kombinert i en enkelt enhet.

Kollektor

Kollektoren 120 forbinder de øvre ender av flere avdampingsrør, samler opp fluid i gassfasen fra avdampingsrørene og kondenserer fluidet til sin væskefase. Kollektoren er også koplet til returlinjene og overfører fluid i væskefase til i det minste én av disse returlinjer.

Samlegrenrøret 126 muliggjør bruk av flere avdampingsrør der konden-seringsenden faktisk er kollektoren.

Kollektoren representerer et middel for å motta gassfase, kondensere den til væskefase som så føres tilbake, og kollektoren kan foreligge i flere utførelsesformer.

I en første slik utførelsesform er kollektoren et sub system som omfatter et

samlegrenrør 126 i den kalde ende 110 av varmerørsammenstillingen og er utrustet med i det minste én ekstern kondenseringsenhet 122. Den eksterne kondenseringsenhet er fortrinnsvis endematet med gassfasen fra samlegrenrøret, og returlinjene er forbundet med begge ender av kondenseringsenheten. Geometrien er da slik at forbindelsene i endene lar kondenseringsenhetens midtområde være tilgjengelig for inneslutning med en kjølemantel forbundet med en kjølekrets for fjerning av varme.

Samlegrenrøret 126 mottar gass fra varmerørene og leder gassen til en kondenseringsenhet. Selv om tegningene viser at grenrøret er koplet i hver ende til en kondenseringsenhet, vil det også være mulig å ha en kondenseringsenhet i bare den ene ende, eller to kondenseringsenheter, én i hver ende. Det er foretrukket å kople en kondenseringsenhet til en endestilling, men det er også mulig å kople den til et annet sted, for eksempel i midten av grenrøret.

Den eksterne kondenseringsenhet omfatter typisk et sentralt kondenseringskammer som er omsluttet av en kjølemantel, typisk nedkjølt ved bruk av olje. Det sentrale kondenseringskammer strekker seg typisk i endene utenfor kjølemantelen, der gass føres inn og væske tas ut.

I en andre utførelse er kollektoren effektivt et grenrør anordnet med en intern kondenseringsenhet 124. Kondenseringen finner sted rundt en kald del innvendig i kondenseringsenheten, for eksempel et tverr-rør på innsiden og der et kjølemedium flyter.

I begge utførelsesformer etablerer kondenseringen et væskelegeme fra hvilket væske strømmer inn i det minste i én av returlinjene.

En fagkyndig person vil også innse at det kan foreligge ytterligere utførelser for en kollektor med samme tekniske virkning.

Fordelingsgrenrør

Fordelingsgrenrøret 140 forbinder de nedre ender av avdampingsrørene og tilfører disse avdampingsrør fluid i væskefase. Fordelingsgrenrøret danner også forbindelse med returlinjene og mottar fluid i væskefase til minst én av disse returlinjer.

Fordelingsgrenrøret gir hvert avdampingsrør tilsvarende samme mengde arbeidsfluid i væskefase, slik at samtlige avdampingsrør arbeider ved tilsvarende kapasitet.

Fordelingsgrenrøret representerer et middel for å motta væskefase og fordele denne til flere avdampingsrør, og det kan foreligge i forskjellige utførelsesformer.

Returlinjer

Selv om returlinjene gjerne er anordnet på motsatte sider av samlegrenrøret er det strengt tatt ikke like nødvendig å forbinde returlinjene med de motsatte sider av fordelingsgrenrøret. Typisk vil fordelingsgrenrøret være helt fylt med arbeidsfluid i væskeform, og væsken vil føres inn i avdampingsrørene. Dette betyr at returlinjene kan være forbundet med en tredje returlinje som tømmer arbeidsfluid i væskeform inn i fordelingsgrenrøret.

Beste måter å utføre oppfinnelsen på

Utførelsen av apparatet ifølge oppfinnelsen og vist på figurene 4a, 4b og 4c omfatteren varmerørsammenstilling 100 festet til en sideforingsblokk 11. Varme-rørsammenstillingen 100 omfatter et samlegrenrør 126 fra hvilket flere avdampings-rør 130 strekker seg, og en kald ende 110 av varmerørsammenstillingen, som strekker seg utenfor samlegrenrøret der en kondenseringsenhet 122 er anordnet.

Det foretrekkes at samtlige avdampingsrør arbeider med tilsvarende kapasitet, og følgelig vil det være viktig at hvert avdampingsrør mottar en hovedsakelig tilsvarende mengde arbeidsfluid i flytende fase, hvilket sikres ved bruk av et fordelingsgrenrør. Typisk mottas fluidet i væskeform direkte fra kollektoren via returlinjene. Den tekniske virkning av dette er å jevne ut væskenivået.

Figurene 6a, 6b og 6c viser en sammenstilling der to i alt vesentlig parallelle returlinjer brukes, hvor

en første returlinje er anordnet for forbindelse med den første ende av kollektoren med fordelingsgrenrøret, og en andre returlinje anordnet for forbindelse mellom en andre ende av kollektoren ved en motsatt side av den første ende av

kollektoren, med fordelingsgrenrøret, der den første og den andre returlinje er forbundet med motsatte sider av fordelingsgrenrøret.

Returlinjene er dimensjonert slik at fordelingsgrenrøret kan tilføres væske via disse returlinjer i hver av deres ender uten å måtte baseres på at returlinjene i begge ender trekker væske fra samlegrenrøret samtidig. Dette betyr at varmerørsammen-stillingen kan skjevstilles ved en vinkel på mer enn 3 grader fra horisontalen, men fremdeles å arbeide innenfor spesifikasjoner.

Figur 6d viser i detalj en del fra figur 6b angitt med en sirkel, og det vises hvordan returlinjen 162 er forbundet med arbeidsfluid 102 i væskeform, med fordelingsgrenrøret 140 i forbindelse med en nedre ende 134 av avdampingsrøret. Den nedre ende betyr i denne sammenheng den del av avdampingsrøret som typisk er nederst i forhold til tyngdekraften når installert i samsvar med den foretrukne utførelse, og generelt den del av avdampingsrøret som er festet til fordelingsgren-røret.

For en kondenseringsenhet vil den høye hastighet av gass-strømmen kunne forstyrre væskestrømmen. Det foretrekkes derfor å anordne gassinntaket ved en annen posisjon enn væskeutløpet, der returlinjene er forbundet. Det foretrekkes at væskeutløpet er anordnet ved de nederste deler av kondenseringsenheten.

Alternative utførelser

Flere varianter av det ovenfor kan stilles i utsikt. Som et eksempel kan man tenke seg at returlinjene er kryssende i stedet for parallelle. Den tekniske virkning av dette er at arbeidefluidet i væskefase blir ført ut fra det laveste punkt for opp-samlingen, til den høyeste del av fordelingsgrenrøret. Dette er vist på figurene 8a, 8b og 8c.

Ved å ha mange avdampingsrør i varmerørsammenstillingen unngås problemet med enkelte eller få sviktpunkter med tilhørende risiko. En tilsvarende tilnærming kan tas med returlinjene for å redusere sannsynligheten for svikt. En slik løsning er å kombinere et sett parallelle linjer med et sett kryssete returlinjer. Figurene 7a, 7b og 7c viser en variant av utførelsen på figurene 6a, 6b og 6c og viser en sammenstilling der to i alt vesentlig parallelle returlinjer brukes og arbeider i en tofaset strømningsmodus. Det foretrekkes at de ytterste avdampingsrør eller rørene nærmest linjene som forbinder kollektoren med samlegrenrøret arbeider i tofasemodus. For å unngå å la gass-strømmen strømme så hurtig at væskeflyt begrenses eller delvis reverseres, har man funnet at returlinjene fortrinnsvis bør ha større tverrsnitt enn avdampingsrørene for énfasestrøm. Figur 7d viser en detalj av en del av figur 7b og indikert med en sirkel, hvor det vises hvordan tofasestrømlinjen 169 først forbinder kondensatoren først med samlegrenrøret 126 og deretter fra samlegrenrøret til fordelingsgrenrøret 140 på figur 7b (ikke vist i utsnittet).

Arbeidsfluidet 103 i væskefase strømmer fra kondensatoren til samlegrenrøret og ledes der av faseskilleren 150 til tofasestrømlinjen 169 i fordelingsgrenrøret 140. En faseskiller 150 er vist å avgrense væske til tofasestrømlinjene, slik at væske hindres fra å komme inn i avdampingsrørene. Den øvre ende i denne sammenheng betyr den del av et avdampingsrør som typisk vender oppover mot tyngdekraften når det er installert i samsvar med den foretrukne utførelse, og generelt den del av avdampingsrøret som er festet til samlegrenrøret.

Figurene 5a, 5b og 5c viser en sammenstilling der returlinjene er forbundet med en tredje returlinje 168 i en returlinjesammenføyning 166 som på sin side er forbundet med fordelingsgrenrøret.

Varmerørsammenstillingen er ment å bli fylt med et arbeidsfluid som veksler mellom væskefase og gassfase. Også andre fluid kan imidlertid komme inn i systemet, så som gasser som ikke vil kondensere under den normale drift av systemet. Det er ønskelig å fjerne slike gasser. Én grunn for dette er at slike gasser vil fortrenge arbeidsfluid i gassfasen og således redusere den totale virkningsgrad av varmerørsammenstillingen.

Figur 9 viser et frontriss av en utførelse av en varmerørsammenstilling utrustet med en kollektor for ukondenserbare gasser, fortrinnsvis anordnet ved det høyeste punkt av varmerørsammenstillingen og med innløp fra begge sider av kondensatoren.

Ukondenserbare gasser kan fjernes fra systemet på forskjellige måter. I en første fremgangsmåte kan systemet kjøles ned til bare en uvesentlig fraksjon av arbeidsfluidet kommer til å være i gassfase, ved hvilket punkt den resterende gass er ukondenserbar gass. Gassen kan da trekkes ut via kollektoren 128 for ukondenserbare gasser. I en andre fremgangsmåte kan man utnytte det faktum at arbeidsfluid i gassfase føres inn i kondenseringsenheten ved en hastighet som er stor nok til at innerveggene i kondenseringsenheten brukes som en separator. Ukondenserbare gasser vil typisk være lettere enn arbeidsfluidet og vil således skilles fra dette arbeidsfluidet. De ukondenserbare gasser kan derfor trekkes ut fra en posisjon for-skjøvet fra innerveggene i kondenseringsenheten og trekkes ut via kollektoren 128 for ukondenserbare gasser.

Industriell anvendbarhet

Oppfinnelsen i samsvar med patentsøknaden finner bruk i aluminiumelektro-lyseceller og utnyttelse av varmen. Nærmere bestemt kan oppfinnelsen brukes med en elektrolysecelle som omfatter et system som beskrevet ovenfor.

Claims

1. Varmerørsammenstilling (100) for kontroll/styring av lagdannelse i en aluminiumelektrolysecelle og utnyttelse av varme, hvilken elektrolysecelle omfatter en sideforing (11) og et skall (8); karakterisert vedat sammenstillingen omfatter flere avdampingsrør (130) for opptak av varme ved avdamping av et arbeidsfluid (102) fra en væskefase til en gassfase; en kollektor (120) i fluidforbindelse med den øvre ende (132) av avdampings-rørene, et fordelingsgrenrør (140) i fluidforbindelse med den nedre ende (134) av avdampingsrørene, hvor kollektoren og fordelingsgrenrøret også er tilkoplet flere returlinjer (160,162, 164), der en første returlinje (162) er anordnet for forbindelse mellom en første ende av kollektoren og fordelingsgrenrøret, og en andre returlinje (164) er anordnet for forbindelse mellom en andre ende av kollektoren ved en motsatt side av den første ende av kollektoren, og fordelingsgrenrøret, karakterisert vedat samlegrenrøret er utrustet med en faseskiller (150).

2. System ifølge krav 1,karakterisert vedat kollektoren er et samlegrenrør med minst én ekstern kondenseringsenhet (122) for kollektoren.

3. System ifølge krav 1,karakterisert vedat kollektoren er et grenrør med en intern kondenseringsenhet (124) for kollektoren.

4. System ifølge kravene 1-3,karakterisert vedat returlinjene strekker seg i alt vesentlig parallelle.

5. System ifølge krav 4,karakterisert vedat returlinjene er tofasestrømlinjer (169).

6. System ifølge kravene 1-3,karakterisert vedat returlinjene krysser hverandre.

7. System ifølge kravene 1-3,karakterisert vedat de første og andre returlinjer er forbundet med en tredje returlinje (168) som på sin side er forbundet med fordelingsgrenrøret.

8. System ifølge kravene 1-2,karakterisert vedat returlinjene er festet til den nederste del av den eksterne kondenseringsenhet (122) for kollektoren.

9. System ifølge kravene 1-8, videre omfattende en kollektor for ukondenserbare gasser.

10. Fremgangsmåte for kontroll/styring av lagdannelse i en aluminiumelektrolysecelle,karakterisert vedå lede varmen vekk ved å bruke varmerørsammenstillingen i samsvar med krav 1.

11. Elektrolysecelle omfattende en varmerørsammenstilling i samsvar med kravene 1-9.