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CN105408522A - 包括侧壁温控系统的铝电解槽 - Google Patents

包括侧壁温控系统的铝电解槽 Download PDF

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CN105408522A
CN105408522A CN201480025228.4A CN201480025228A CN105408522A CN 105408522 A CN105408522 A CN 105408522A CN 201480025228 A CN201480025228 A CN 201480025228A CN 105408522 A CN105408522 A CN 105408522A
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heat pipe
distribution manifold
heat
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CN201480025228.4A
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V.塞德拉克
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Goodtech Recovery Technology AS
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Abstract

本发明提供了一种用于冷却大的区域的方法和系统，适用于控制铝电解槽中扩展区域上的层形成以及热的利用。该目的通过利用上端的收集歧管和下端的分配歧管连接在一起的多个蒸发管的组件得以实现，其中各歧管也通过多个返回管线进行连接，其中所设置的第一返回管线连接所述收集歧管的第一端与所述分配歧管；以及所设置的第二管线连接所述收集歧管的、处于所述收集歧管第一端相对侧的第二端与所述分配歧管。

Description

包括侧壁温控系统的铝电解槽
技术领域
本发明一般涉及隔热层，且特别涉及一种改进的方法和系统，用于保持涵盖大面积的多个蒸发管中的工作流体液位，适用于控制铝电解槽中在扩展区域上的层形成以及热能的利用。
背景技术
在基于所谓的Hall-Heroult电解槽利用当今的电解技术生产铝的过程中，电解槽的操作有赖于电解槽侧壁上凝结的电解液的保护层的形成和维持。凝结电解液称为侧层并保护电解槽的侧衬免受化学和机械磨损，且是实现电解槽的长寿命的重要条件。在热平衡改变方面，结晶电解液同时用作用于电解槽的缓冲垫。在操作期间，热的产生以及电解槽的热平衡会因操作的不希望的干扰(电解液化学成分的改变、铝浓度、极间距离的改变、阳极效应等)以及电解槽的预期活动(金属放出、更换阳极、火力等)而改变。这导致电解槽周围的层的厚度发生改变以及在某些情况下该层会在周围的某些部位完全消失。那么侧衬将暴露于液体电解液和金属，其与腐蚀性气体相结合将导致侧衬材料的侵蚀，导致它们腐蚀。槽帮的损伤会导致金属泄出。因此，重要的是，控制Hall-Heroult电解槽中层的形成以及层稳定性，特别是对于具有高电流密度的电解槽。模型计算表明，由于大热量产生难以维持电解槽的侧层。因此，对于具有热平衡问题的传统电解槽和此种电解槽，其是人们能够维持保护侧衬的所述层的长寿命电解槽的一个条件。
所有铝生产商试图使生产每千克铝的单位电能消耗(kWh/kgAl)最小化。电解槽的热产生作为电解槽中以及特别是在电解液中欧姆率电压降，例如在电流馈给方面、产生的金属的结果而发生。输入给电解槽的能量的大约45％用于铝生产，其余是废能。文献数据表明，电解槽的总热量损耗的大约40％是通过侧衬。由于高的热损耗以及希望控制侧衬中的保护凝结层，优选地是在电解槽的该区域中设置用于热量提取的元件。
对最优化层形成的控制以及热量提取存在需求。为了同时使两个目的都得到最优化，重要的是热量提取尽可能靠近形成的侧层进行。这将使得可以在高温下提取热能。
此外，由于大规模的电解槽，也希望在扩展的区域上控制所述层形成，因为在小区域上层形成的损坏会是破坏性的。去除热量的传统方法是在电解槽的整个表面区域上采用自然(以及在某些情况下采用强迫)空气对流，导致去除的热的利用的潜能受限。
对于现有技术，可参见WO/2004/083489，其披露了形成有用于流过冷却介质的孔洞的侧衬。然而，其制造工艺是复杂的且需要侧衬模制有孔洞，优选地在材料烧结前形成。
对于现有技术，还可参见本申请人的对应于WO/2012/039624的专利申请No.20101321，其描述了用于控制铝电解槽中的层形成以及热的利用的系统，包括设置有至少一个用于热传导的孔洞和至少一个热管的侧衬，特征在于热管由孔洞提供以及孔洞是沿所述侧衬表面设置的至少一个通道。然而，其制造工艺复杂并且需要沿所述侧衬表面为侧衬提供大量的热管，通常为热管路，每个热管需要单独冷却。
也可以参考基于形成平薄毛细管的板件的平的热管，也称为两维热管。该设计可用于高度敏感应用场合中的热扩散器，然而由于毛细管小且细，总的热传导小。而且该设计特征体现在不是毛细管实际部分的大的金属面积，进一步降低了总的热传导。此外，该设计通常是平的，从而应当预期侧衬的某种表面粗糙度，导致不良的热接触。这意味着平的热管不适用于冷却侧衬。
还可参考依赖返回管线的热管组件。这里方面，各单个热管是两相流系统，其中蒸发的气体和冷凝的液体沿相反方向流动，存在单相流系统，其中液相工作流体在热端吸热并蒸发，流入冷端。气体在冷端凝结成液体并沿单独管线，在此称为返回管线，返回热端。通过使返回管线保持冷于工作流体的沸点，单相流也在返回管线中实现。此种系统可包括使用冷端处的收集歧管和热端处的分配歧管连接在一起的多根热管，其中各歧管也通过返回管线直接或间接连接。该方案的问题是，组件的操作受相对于重力的收集器角度的影响，从而液体排放入热管。否则液体会积聚在冷凝器中并导致热管干运行并因热而损坏。
总之，成为问题的是，在大面积上的有效冷却需要具有大量部件的系统，这又增加了复杂性和成本同时也降低了总的可靠性。
因此存在对克服上述问题的方法和系统的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题
因此，本发明的主要目的是提供一种改进的方法和系统，用于保持涵盖大面积的多个热管中的工作流体液位，适用于控制铝电解槽中在扩展区域上的层形成以及热的利用。
解决技术问题的手段
根据本发明，所述目的通过下述实现：权利要求1前序部分中限定的用于控制铝电解槽中的层形成的系统，所述系统具有权利要求1特征部分的特征；和方法独立权利要求11前序部分中限定的、用于控制铝电解槽中的层形成的方法，所述方法具有权利要求11特征部分的特征；以及包括如权利要求11所述的热管组件的电解槽。本发明的一些非穷尽的实施例、改型或替代实施例由从属权利要求限定。
本发明通过热管组件实现上述目的，热管组件包括多个蒸发管，用于通过工作流体从液相到汽相的蒸发吸热；收集器，与所述蒸发管的上端流体连通；分配歧管，与所述蒸发管的下端流体连通；其中，所述收集器和分配歧管还通过多个返回管线连接，其中所设置的第一返回管线连接所述收集器的第一端与所述分配歧管；以及所设置的第二管线连接所述收集器的、处于所述收集器第一端相对侧的第二端与所述分配歧管。
在一个实施例中，所述收集器是收集歧管，具有至少一个外部冷凝器。在另一个实施例中，所述收集器是具有内部冷凝器的歧管。
在一个实施例中，所述返回管线是基本平行的。在一个优选实施例中，所述返回管线是两相流管线。在一个优选实施例中，所述收集歧管设置有相分隔器。在另一个实施例中，所述返回管线是交叉的。
在又一个实施例中，所述第一和第二返回管线连接于第三返回管线，而第三返回管线又连接于所述分配歧管。
在一个优选实施例中，所述返回管线装接于所述外部冷凝器的最下部。
在一个实施例中，系统还包括用于不能冷凝的气体的收集器。
优选地，所述返回管线的尺寸应当如此确定，使得分配歧管可以通过任一端的返回管线被供以液体，而无需同时依赖于两端的返回管线。
优选地，返回管线的热膨胀系数能够避免操作温度改变时的机械应变。
本发明的技术效果
优于现有技术的技术差异在于，本发明包括至少两条返回管线，其中至少一条返回管线设置在热管组件的相对侧。
该差异的技术效果是，当热管组件在任一方向倾斜时，将总有一个出口位于收集器的下端，确保收集器总是有效地排放。如果收集器没有有效排放，工作流体将积聚在收集器中，并因此减少分配歧管中工作流体的量以及最终工作流体在蒸发管中的液位，从而降低热管组件去出热的能力的效率并降低冷凝单元的效率。这将导致电解槽的实效。
对返回管线的尺寸进行确定，使得分配歧管可以通过任一端的返回管线被供以液体，而无需同时依赖于两端的返回管线，确保收集器不积聚过多的工作流体。
这些技术效果又提供了若干有利效果：
●使得可以提供一种简便的技术方案，具有用于冷却大面积的较少的零部件；以及
●提供了大大简化了的安装和连接，原因在于较之蒸发管的数量，热管组件需要少的多的用于收集歧管的冷却单元。
附图的简要说明
下面将结合示意性图示在附图中的例示性实施例进一步描述本发明，其中：
图1示出呈侧衬模块和钢外壳或壳体形式的Hall-Heroult电解槽领域的状态；
图2示出图1实施例的细部，为侧视剖面图；
图3示出呈侧衬模块和钢外壳或壳体形式的Hall-Heroult电解槽领域的状态，侧衬模块具有设置有热管的孔洞；
图4a示出插入侧衬模块的热管组件的典型实施例的端视图；
图4b示出插入侧衬模块的热管组件的典型实施例的前视图
图4c示出插入侧衬模块的热管组件的典型实施例的侧视图；
图5a示出热管组件的第一实施例的端视图，设置有经由接头连接的两个返回管线，具有将接头与分配歧管连接的第三返回管线；
图5b示出热管组件的第一实施例的前视图，设置有经由接头连接的两个返回管线，具有将接头与分配歧管连接的第三返回管线；
图5c示出热管组件的第一实施例的侧视图，设置有经由接头连接的两个返回管线，具有将接头与分配歧管连接的第三返回管线；
图6a示出热管组件的第一实施例的端视图，设置有两条在相对端与分配歧管连接的基本平行的返回管线；
图6b示出热管组件的第一实施例的前视图，设置有两条在相对端与分配歧管连接的基本平行的返回管线；
图6c示出热管组件的第一实施例的侧视图，设置有两条在相对端与分配歧管连接的基本平行的返回管线；
图6d示出热管组件的第一实施例的截面的细部视图，示出返回管线与分配歧管和蒸发管连接；
图7a示出热管组件的第二实施例的端视图，设置有两条在相对端与分配歧管连接的基本平行的返回管线，其中所述返回管线是两相流管线；
图7b示出热管组件的第二实施例的前视图，设置有两条在相对端与分配歧管连接的基本平行的返回管线，其中所述返回管线是两相流管线；
图7c示出热管组件的第二实施例的侧视图，设置有两条在相对端与分配歧管连接的基本平行的返回管线，其中所述返回管线是两相流管线；
图7d示出热管组件的第二实施例的截面的细部视图，示出两相流管线与具有相分隔器的收集歧管连接；
图8a示出热管组件的第一实施例的端视图，设置有两条在相对端与分配歧管连接的交叉的返回管线；
图8b示出热管组件的第一实施例的前视图，设置有两条在相对端与分配歧管连接的交叉的返回管线；
图8c示出热管组件的第一实施例的侧视图，设置有两条在相对端与分配歧管连接的交叉的返回管线；
图9示出热管组件的实施例的前视图，设置有用于不能冷凝的气体的收集器。
附图标记的说明
下列附图标记和符号对应附图
1 阳极吊杆
2 阳极碳块
3 液态电解液
4 液态铝
5 阴极碳
6 凝结电解液
7 绝缘砖结构
8 钢外壳
9 捣实胶
10 隔热层
11 侧衬模块
12 热管
13 用于热管的冷凝单元
14 冷凝翅片
15 侧衬模块与钢外壳之间的热胶
100 热管组件
102 工作流体
103 液相工作流体
104 气相工作流体
110 热管组件冷端
120 收集器
122 用于收集器的外部冷凝单元
124 用于收集器的内部冷凝单元
126 收集歧管
128 用于不能冷凝的气体的收集器
130 蒸发管
132 蒸发管上端
134 蒸发管下端
140 分配歧管
150 相分隔器
160 返回管线组件
162 第一返回管线
164 第二返回管线
166 返回管线接头
168 第三返回管线
169 两相流管线
详细描述
下面参照示出实施例的附图更详细地描述本发明。图1示出呈侧衬模块和钢外壳8或壳体的Hall-Heroult电解槽领域的状态。细节图示在图2中。图3中示出从先前提及的现有技术获知的采用主动冷却的本领域电解槽的状态。
对于侧衬，这里应当理解其指的是侧衬模块11，选择性地，在本领域状态的情况下，还连通带有隔热层10，其中侧衬模块选择性地设置有热管12。侧衬模块11一般是陶瓷模块，一般呈碳化硅(SiC)的形式。图4a示出插入侧衬模块的热管组件的此种典型实施例的端视图，其在图4b和图4c以不同的视图示出。
形成本发明基础的原理
图5a示出热管组件的第一例示性实施例的端视图，设置有经由接头连接的两个返回管线，具有将接头与分配歧管连接的第三返回管线。该实施例也图示在前视图5b中以及侧视图5c中。
热管
就热管12而言，意指两种实施例：“热管路”，其中芯绳或其他毛细管作用将液体拉回到热端，以及“热虹吸管”，其中重力将液体拉回到热端。热端也称为蒸发部。两种原理可应用于本发明，采用热虹吸管，优选的是管体配设成具有显著向下的斜度，使得液相流体能够顺着管的长度流动。由于任一类型的热管通过借助于液体到气体的相变去除热量进行操作，优选的是热管允许液体到达热管中的最低点。
典型的Hall-Heroult电解槽包括钢壳体或外壳8，包绕侧衬模块11。钢壳体由于热胶而与侧衬模块处于良好的热接触。在与钢壳体相对的一侧，侧衬模块与电解液接触。借助于热控制，从电解液提取的热量在侧衬上聚集一层凝结的电解液，电解液3的其余部分处于液相。
本发明的要点是认识到，根据本发明的热管组件，与采用多个传统热管相比，将提供简化的用于从大的区域去除热量的系统以及方法。
本发明同样重要的是将热管分成若干不同部分。
●蒸发管，对应于热管的蒸发端，热量在此通过工作流体中的蒸发相变被吸取；
●热管组件冷端，对应于热管的冷凝端，热量在此通过工作流体中的冷凝相变被释放；
●包括歧管和返回管线的连接部分，确保蒸发与冷凝之间的循环操作，传统热管不具有直接对应部分。
这些部分将在下面详细描述。
蒸发管
蒸发管130具有上端132和下端134并通过蒸发吸热。
热管组件冷端
热管吸收必须去除的热量以便冷凝工作流体，且这发生在热管组件冷端110中。通常该部分延伸到侧衬之外以便接近部件并连接到外部冷却回路。热管组件冷端包括用于收集工作流体气体的装置以及用于将工作流体冷凝为液体的装置。应当指出，这两个装置可以合并成单一单元。
收集器
收集器120连接多个蒸发管的上端、从蒸发管收集器相流体并将流体冷凝成液相。收集器也连接到返回管线并将液相流体传送入返回管线中的至少一个。
收集歧管126允许使用多个蒸发管，其中冷凝端实际上是收集器。
收集器代表用于接收气相的装置，将其冷凝为被返回的液相，并可设置在若干实施例中。
在第一实施例中，收集器是一个子系统，包括热管组件冷端110处的收集歧管126，设置有至少一个外部冷凝单元122。外部冷凝单元优选地从端部馈送来自收集歧管的气相，且返回管线连接于冷凝单元的两端。这种几何布局将连接器置于端部，留下冷凝单元中心区域用于用冷却罩包罩，冷却罩连接于用于去除热量的冷却回路。
收集歧管126从热管接收气体并将气体导引到冷凝单元。虽然附图示出该歧管在每一端连接于冷凝单元，但也可以仅在一端具有冷凝单元，或具有两个冷凝单元，一端一个。优选地是在端部位置连接到冷凝单元，但是也可以在别处进行连接，例如在歧管的中部。
外部冷凝单元通常包括由冷却罩包围的、通常用油冷却的中心冷凝室。中心冷凝室通常在端部伸出冷却罩之外，其中气体进入而液体排出。
在第二实施例中，收集器实际上是设置有内部冷凝单元124的歧管。冷凝围绕着冷凝单元内部的冷部件发生，例如冷却介质在其中流动的横向管路。
在两个实施例中，冷凝产生一定量的液体，该液体流入至少一根返回管线。
本领域技术人员将会认识到，具有相同技术效果的收集器还有其他实施例。
分配歧管
分配歧管140连接多个蒸发管的下端，并且为所述蒸发管提供液相流体。分配歧管还连接于返回管线并从至少一根返回管线接收液相流体。
分配歧管为每个蒸发管提供基本相同量的液相工作流体，使得所有蒸发管以相同的容量工作。
分配歧管代表用于接收液相并将其分配给多个蒸发管的装置，并可设置在若干实施例中。
返回管线
虽然返回管线应当设置在收集歧管的相对两侧，但是严格地说将返回管线连接于收集歧管的相对两侧不是必须的。通常，分配歧管将充满液态工作流体且液体将流入蒸发管。这意味着返回管线可以连接于将液态工作流体清空进入分配歧管的第三返回管线。
实施发明的最佳模式
示于图4a、4b和4c中的根据本发明的装置的实施例包括安装于侧衬模块11的热管组件100。热管组件100包括收集歧管126，多个蒸发管130自收集歧管126延伸出，以及热管组件冷端110，延伸到设置有冷凝单元120的收集歧管的外侧。
优选的是，所有蒸发管在相同的容量下工作，并相应地重要的是，每个蒸发管接收基本相同量的处于液相的工作流体，这通过使用分配歧管确保。通常，液体经由返回管线直接从收集器接收。这样做的技术效果是均衡液位。
图6a、6b和6c示出了一种采用两个基本平行的返回管线的组件，其中，设置的第一条返回管线将收集器的第一端与分配歧管连接，而所设置的第二条返回管线将收集器的、位于所述收集器第一端相对侧的第二端与分配歧管连接，其中第一和第二返回管线连接于分配歧管相对两侧。
返回管线的尺寸如此确定，使得分配歧管可以通过任一端的返回管线被供以液体，而无需必须依赖于两端的返回管线同时从收集歧管排放液体。这意味着热管组件能够以大于3度的角度偏离水平位置，但仍能按规定操作。图6d示出图6b中以圆圈指明的部分的详图，示出返回管线162如何使液相工作流体102连接于与蒸发管134下端连接的分配歧管140。文中提及的下端指的是在根据本实施例安装时相对于重力通常处于下部的蒸发管的部分，且通常是蒸发管的装接于分配歧管的部分。
对于冷凝单元，气流的高速会与液相流相干扰，因此优选地是，将气体入口设置在与返回管线相连接的液体出口不同的位置。优选地是，液体出口位于冷凝单元的最下部。
替代实施例
可以构想出上述实施例的若干改型。例如，可以构想出返回管线是交叉的而非平行的。如此的技术效果是，液态工作流体从收集器的最下部位置排入分配歧管的最上部。这示出在图8a、8b和8c中。
在热管组件中配设许多蒸发管避免了带有相关风险的单一或少数几个失效点的问题。类似的方法可以施用于返回管线以减少失效的可能性。此种方案之一是将一组平行返回管线和一组交叉返回管线组合使用。
图7a、7b和7c示出图6a、6b和6c的实施例的一种改型，图示了一种组件，其中使用了工作于两相流模式的两个基本平行的返回管线。优选地是，最外侧蒸发管或与将收集器连接于收集歧管的管线最接近的管工作于两相模式。为了避免气流流动过快而致使液流受到阻碍或甚至产生部分逆流，已经发现返回管线优选地比单相流蒸发管具有更大的横截面。
图7d示出图7b中以圆圈指明的部分的详图，示出两相流管线169如何首先将冷凝器与收集歧管126连接，以及随后从收集歧管通向图7b的分配歧管140(图中未示)。
液态工作流体103从冷凝器流向收集歧管，且在那里由分隔器150导向而进入分配歧管140的两相流管线169。相分隔器150被示出，将液体限定于两相流管线，防止液体进入蒸发管。文中提及的上端指的是在根据本实施例安装时相对于重力通常处于上部的蒸发管的部分，且通常是蒸发管的装接于收集歧管的部分。
图5a、5b和5c示出一种组件，其中返回管线在返回管线接头166处连接于第三返回管线168，而第三返回管线168又连接于分配歧管。
热管组件旨在填充以在汽相和液相之间来回转变的工作流体。然而，其他流体也可能进入系统，比如在系统的正常操作中不冷凝的气体，希望的是去除此类气体。原因之一是，此类气体取代了汽相工作流体，并因此降低了热管组件的总体效率。
图9示出了一种热管组件的实施例的前视图，设置有用于不能冷凝的气体的收集器。通常，热管组件可以设置有用于不能冷凝的气体的收集器，优选地设置在热管组件的最高点，入口连接于冷凝器两侧。
不能冷凝的气体能够以若干方式从系统去除。在第一种方法中，系统可以被冷却下来，直到仅只微小比例的工作流体处于汽相，此时剩余的气体是不能冷凝的气体。然后可以通过用于不能冷凝的气体的收集器128将气体排空。在第二种方法中，可以利用这样的原理，处于汽相的工作流体以足够高的速度进入冷凝单元以便利用冷凝单元的内壁作为分离器。不能冷凝的气体通常比工作流体轻，并因此将与工作流体分离。不能冷凝的气体因此得以从与冷凝单元的内壁错移开的位置分离出并通过用于不能冷凝的气体的收集器128去除。
工业实用性
根据本申请的发明应用于铝电解槽以及热的利用。更为具体地说，其可以用于包括如上所述系统的电解槽。

Claims (12)

1.一种热管组件(100)，用于控制铝电解槽中的层形成以及热的利用，所述电解槽包括侧衬(11)和外壳(8)；
其特征在于，所述组件包括：
多个蒸发管(130)，用于通过工作流体(102)从液相到汽相的蒸发吸热；
收集器(120)，与所述蒸发管的上端(132)流体连通；
分配歧管(140)，与所述蒸发管的下端(134)流体连通；
其中，所述收集器和分配歧管还通过多个返回管线(160，162，164)连接，其中
所设置的第一返回管线(162)连接所述收集器的第一端与所述分配歧管；以及
所设置的第二返回管线(164)连接所述收集器的、处于所述收集器第一端相对侧的第二端与所述分配歧管。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述收集器是收集歧管，具有至少一个用于收集器(122)外部冷凝单元。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述收集器是歧管，具有用于收集器(124)内部冷凝单元。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的系统，其中，所述返回管线是基本平行的。
5.根据权利要求4中所述的系统，其中，所述返回管线是两相流管线(169)。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述收集歧管设置有相分隔器(150)。
7.根据权利要求1到3中任一项所述的系统，其中，所述返回管线是交叉的。
8.根据权利要求1到3中任一项所述的系统，其中，所述第一和第二返回管线连接于第三返回管线(168)，而第三返回管线又连接于所述分配歧管。
9.根据权利要求1到2中任一项所述的系统，其中，所述返回管线装接于所述用于收集器(122)外部冷凝单元的最下部。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的系统，其中，还包括用于不能冷凝的气体的收集器。
11.一种用于控制铝电解槽中层形成的方法，其特征在于，利用权利要求1所述的热管组件将热传导走。
12.一种电解槽，包括权利要求1-10所述的热管组件。
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