CN101230471A

CN101230471A - 铝电解槽余热利用热声模块装置

Info

Publication number: CN101230471A
Application number: CNA2007100342988A
Authority: CN
Inventors: 刘益才; 黄谦; 曹立宏; 刘振利; 杨智辉; 周孑民
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2007-01-23
Filing date: 2007-01-23
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2027-01-23
Also published as: CN101230471B

Abstract

一种铝电解槽余热利用热声模块装置，本发明采用模块化结构，由谐振腔1、热端换热器2、回热器3、冷端换热器4、声波导管5和声能输出装置6依次相接而成，即热端换热器2与回热器3一面相接，回热器3的另外一面再与冷端换热器4相接，热端换热器2、回热器3、冷端换热器4均布置在谐振腔1的内腔中，谐振腔1的冷端换热器4出口一面由锥形过渡连接到声波导管5，声波导管5的另外一段连接声能输出装置6组合而成。本发明充分利用了热声效应能够把余热转化为声功，进而对声功进行利用，使铝电解槽产生的余热经过模块化的热声装置进行能量转化，提高了铝电解槽的有效能量利用效率，并降低其综合能耗，本发明制造简单，加工、安装方便。

Description

铝电解槽余热利用热声模块装置

技术领域

本发明涉及一种热声模块装置，具体地说，是一种用于铝电解槽余热利用，提高铝电解槽有效能量利用率，降低其综合能耗的余热利用热声模块装置。

背景技术

随着铝电解槽容量或者电流的不断增大，电解槽侧部槽壳温度不断提高。电解槽侧部槽壳温度的提高，不仅对槽膛内形的温度分布和电解车间的环境温度有着重要的影响，而且会带来更多的余热损失。目前铝电解槽的综合能量利用效率只有49％，因此就有大量的余热直接散发到空气中，而如何有效利用电解槽侧部槽壳的余热，目前国内外还没有相关的有效利用方法。热驱动热声热机具有两个突出的优点：其一是完全没有运动部件，从根本上消除了常规热机存在的磨损与振动，因此具有可靠性高、结构简单等优点；第二是采用热能驱动，可利用低品位热能、余热、太阳能、天然气等作为热源，具有很大的灵活性和发展潜力。采用低品位的热能和余热不仅有利于提高系统的热力学效率，而且对那些缺乏电能的场合则更具有实际意义。同时，利用余热的热驱动热声热机使用惰性气体工质作为工作介质，非常环保。研究表明，对于热驱动的热声来说，只要热端换热器和冷端换热器之间的温差达到200K以上，在一定的谐振管和回热器中就可以产生可资利用的声波。

现有的热声系统，一般采用半波长或者四分之一波长的系统，对于半波长的热声系统，其系统固有工作谐振频率为：

f = \frac{1}{2} \frac{c_{0}}{L}

而对于四分之一波长的声学系统，其系统固有工作谐振频率为：

f = \frac{1}{4} \frac{c_{0}}{L}

对于以上两种情况的热声声学系统的长度L均与系统工作的介质声速c₀和工作谐振频率f相关，当声学工作介质一定时，其介质声速就不变，因此系统的工作尺寸就主要与系统工作频率相关，当工作频率越高时，其相应的尺寸就越小，那么其对应的体积比功率就会越大。也即是当c₀＝1100m/s(氦气工质)，工质频率f＝50Hz时，半波长的热声谐振管长为L＝11m，四分之一波长的热声谐振管系统长度为L＝5.5m，这样的长度就便于热声模块系统和能量输出利用系统分开布置，符合现有的铝电解槽的实际空间位置布置的需要。

另外热声热机回热器两端的温度梯度是热声发动机起振的基本条件。当热量通过热端换热器时，温度梯度在回热器两端逐步建立起来。当温度梯度达到一临界温度时，起振温度参见附图5，谐振管内的气体就会产生自激振荡，把热能转化为声能。经实验测得在工质为氮气，充气压力pm＝0.4MPa的工况下，起振温度ΔT有最小值180K。另外，谐振管的长度对起振温度ΔT有明显的影响，谐振腔相当于加长了谐振管的长度，对降低起振温度ΔT有显著的效果。

发明内容

本发明提出了一种铝电解槽余热的综合利用方法，即利用热声装置来对其进行能量的转换和利用，由于铝电解槽侧部槽壁对外散热温度位于250～320℃的范围，铝电解槽综合能量消耗为15000kwh/t，综合有效能量利用效率约为49％，因此其散发的余热就具有较大的热流密度。本发明的目的就是设计一种余热利用装置，该装置能够有效地收集铝电解槽侧部槽壁的余热，并对余热的能量进行转换利用，从而提高铝电解槽的有效能量利用效率，降低其综合能耗水平。

本发明由谐振腔、热端换热器、回热器、冷端换热器、声波导管和声能输出装置依次相接而成，热端换热器与回热器一面相接，回热器的另外一面再与冷端换热器相接，热端换热器、回热器、冷端换热器均布置在谐振腔的内腔中，谐振腔的冷端换热器出口一面由梯形过渡管连接到声波导管，声波导管的另外一段连接声能输出装置，谐振腔中充有工质，本发明的工质为惰性气体，一般为氦气、氮气、氖气、氙气，或者是这些气体工质的混合物。使用混合物时的比例为60％～75％的氦气和40％～25％的氖气混合，也可以是三种或三种以上气体的混合物，其混合比例根据所需要的工作频率来确定，确定的方法类似于使用单一工质氦气的方法，热声模块和铝电解槽散热孔采用焊接或螺纹连接固定。

热端换热器2的长×高×厚度的范围分别为：长度为30～60cm，高度为20～35cm，厚度为2～15cm；回热器3的长×高×厚度的范围分别为：长度为30～60cm，高度为20～35cm，厚度为5～20cm；冷端换热器4的长×高×厚度的范围分别为：长度为30～60cm，高度为20～35cm，厚度为2～15cm；也即是热端换热器2、回热器3和冷端换热器4的长度和高度尺寸是一致的，只有厚度尺寸的不同。

谐振腔要求有一定的长度，符合半波长或四分之一波长系统的需要，这样可以根据实际需要调节热声模块装置的工作频率和能量输出效率。

本发明充分利用了铝电解槽的槽壁散热孔部分的余热和热声热机装置的结构简单、热声转换效率高等优势，首次提出了一套完整的铝电解槽余热转换和利用方案，使得铝电解槽的余热通过热声模块装置转化为可利用的声波，可以再利用热声制冷模块或其他模块装置实现能量利用的输出。本发明的实施就可以有效地实现铝电解槽余热能量的利用，提高其能量综合利用效率。并且本发明构造简单，加工、安装方便。

附图说明

图1是本发明的热声模块结构示意图；

图2是本发明的热声模块竖向布置结构示意图；

图3是本发明的热声模块与铝电解槽配置示意图；

图4是本发明与实际的铝电解槽两侧散热孔配置位置示意图；

图5是本发明的热声模块声波导管长度随温差的变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2，本发明热声模块装置由谐振腔1、热端换热器2、回热器3、冷端换热器4、声波导管5和声能输出装置6依次相接而成，即热端换热器2与回热器3一面相接，回热器3的另外一面再与冷端换热器4相接，热端换热器2、回热器3、冷端换热器4均布置在谐振腔1的内腔中，谐振腔1的冷端换热器4出口一面由锥形过渡连接到声波导管5，声波导管5的另外一段连接声能输出装置6，声能输出装置6可以是热声制冷装置或膜振动发电装置。热端换热器2的长×高×厚度的范围分别为：长度为30～60cm，高度为20～35cm，厚度为2～15cm；回热器3的长×高×厚度的范围分别为：长度为30～60cm，高度为20～35cm，厚度为5～20cm；冷端换热器4的长×高×厚度的范围分别为：长度为30～60cm，高度为20～35cm，厚度为2～15cm；也即是热端换热器2、回热器3和冷端换热器4的长度和高度尺寸是一致的，只有厚度尺寸的不同。相应地，谐振腔的内腔尺寸长度×高就等于热端换热器2、回热器3和冷端换热器4的长度×高，谐振腔的厚度尺寸大于热端换热器2、回热器3和冷端换热器4三者厚度尺寸的和，其厚度尺寸范围为15～45cm；与谐振腔矩形部分过渡到声波导管的梯形高度范围为5～15cm，声波导管的直径为5～20cm，声波导管的长度范围可以根据实际的声谐振频率和声波波长来确定，当热声模块的工作介质为氦气时，工作频率位于50～150Hz时，声波导管的长度为3～15m；声波导管的另外一段直接连接声能利用装置，比如热声制冷设备或者热声发电设备等；谐振腔1的壁厚根据谐振腔内部使用的工作压力确定，一般为5～20mm，谐振腔1的外部尺寸与所配置的铝电解槽的散热孔9尺寸一致，采用焊接或螺纹连接固定。热端换热器2的材料为铜或不锈钢薄片，回热器3的材料为铜或不锈钢薄片，或者铜网或不锈钢丝网，其中丝网的目数为100～450目，冷端换热器4的材料为铜或不锈钢管，管内通水冷却。谐振腔1和声波导管5的材料也可为铜或不锈钢等加工而成，热端换热器2和冷端换热器4之间的谐振腔材料应该为导热性能差的材料来过渡连接，并辅助有适当的保温措施。

图3是铝电解槽余热回收利用系统布置示意图。包括热声模块的谐振腔1、热端换热器2、回热器3、冷端换热器4、声波导管5和声能输出装置6、铝电解槽厂房地面7、车间操作平面8、铝电解槽两侧散热孔9、铝电解槽本体10。也即是说，利用本发明的热声模块装置实现铝电解槽的余热回收转换。

图4为本发明与实际的铝电解槽两侧散热孔配置位置示意图，包括声波导管5、声能输出装置6、铝电解槽厂房地面7、车间操作平面8、铝电解槽两侧散热孔9、铝电解槽本体10、本发明的热声模块11、声波集散器12，其中的热声模块装置就包括了谐振腔1、热端换热器2、回热器3、冷端换热器4以及与声波导管5的连接部分。热声模块10的数量与实际的铝电解槽本体两侧的散热孔数量一致，对于160kVA的铝电解槽而言，可以同时布置28套以上的热声余热回收利用模块装置，对于320kVA的铝电解槽而言，可以同时布置56套以上的热声余热回收利用模块装置。铝电解槽散热孔9和车间操作平面8之间有一个间隙，该间隙为本发明的声波导管5向下穿过的位置，本发明的热声模块就布置在散热孔9中，本发明的热端换热器2通过谐振腔1壁直接与散热孔9的散热壁面紧密接触，通过本发明的热端换热器实现铝电解槽的余热回收。铝电解槽本体10的两边均可以布置本发明的热声余热利用模块装置

图5表示了声波导管长度随本发明热端换热器和冷端换热器之间的温差的变化曲线，说明了实际的铝电解槽侧部槽壁散热孔的温度与环境温度之间的差值大于热驱动热声热机起振的最低温差，因此是完全可行。

为了便于实际使用，可以对本发明的余热回收热声模块装置的声波导管进行集散，也即是把多个热声模块的声波导管通过声学集散器12来集中，从而实现大的声能密度输出，这样就便于实际的声能利用。

本发明的应用范围并不仅仅局限于铝电解槽，对于具有相似结构的余热装置，均可以使用本发明来作为余热回收利用设备，也即是对于相关的具有相当温差的余热系统均同样具有作用。

Claims

1.一种铝电解槽余热利用热声模块装置，其特征在于：由谐振腔、热端换热器、回热器、冷端换热器、声波导管和声能输出装置依次相接而成，热端换热器与回热器一面相接，回热器的另外一面再与冷端换热器相接，热端换热器、回热器、冷端换热器均布置在谐振腔的内腔中，谐振腔的冷端换热器出口一面由梯形过渡管连接到声波导管，声波导管的另外一段连接声能输出装置，谐振腔中充有惰性气体工质，整个装置和铝电解槽散热孔采用焊接或螺纹连接固定。

2.如权利要求1所述的热声模块装置，其特征在于：所述的热端换热器的长×高×厚度的范围分别为：长度为30～60cm，高度为20～35cm，厚度为2～15cm；回热器的长×高×厚度的范围分别为：长度为30～60cm，高度为20～35cm，厚度为5～20cm；冷端换热器的长×高×厚度的范围分别为：长度为30～60cm，高度为20～35cm，厚度为2～15cm。

3.如权利要求1或2所述的热声模块装置，其特征在于：所述谐振腔的内腔长度等于热端换热器、回热器和冷端换热器的长度之和，谐振腔的厚度范围为15～45cm。

4.如权利要求3所述的热声模块装置，其特征在于：谐振腔圆形或矩形部分过渡管到声波导管的梯形高度范围为5～15cm，声波导管的直径为5～20cm，热声模块的工作介质为氦气时，工作频率位于50～150Hz，声波导管的长度范围是3～15m。

5.如权利要求4所述的热声模块装置，其特征在于：热端换热器的材料为铜或不锈钢薄片，回热器的材料为铜或不锈钢薄片，或者铜网或不锈钢丝网，丝网的目数为100～450目，冷端换热器的材料为铜或不锈钢管，管内通水冷却或采用风冷或其他冷却方式，谐振腔和声波导管的材料为铜或不锈钢加工而成，热端换热器和冷端换热器之间的谐振腔材料用导热性能差的材料过渡连接。

6.如权利要求1所述的一种铝电解槽余热利用热声模块装置，其特征在于：所述的热声模块连接的声波导管是集散形式的，把多个热声模块的声波导管通过声学集散器来集中，声学集散器尺寸为直径为10～45mm，长度为3～15m，或者为等效直径为10～45mm，长度为3～15m的管道制作而成。

7.如权利要求1所述的一种铝电解槽余热利用热声模块装置，其特征在于：所述惰性气体工质为氦气、氮气、氖气、氙气，或者是这些气体工质的混合物。