CN104006671A - 用于铝电解槽侧部余热利用的换热元件 - Google Patents

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李贺松
曹亚飞
梅炽
薄均
陈红荣
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Abstract

本发明公开了一种用于铝电解槽侧部余热利用的换热元件，由进料换热元件(1)、中间换热元件(2)和出料换热元件(3)并联组成，所述的进料换热元件(1)、中间换热元件(2)和出料换热元件(3)的结构均为：砖体(4)内一侧设有第二竖管(5)，另一侧设有第一竖管(6)，所述的第二竖管(5)与所述的第一竖管(6)之间连接有蛇管(7)，所述的第二竖管(5)与低温空气进口(8)连接，所述的第一竖管(6)与高温空气出口(9)连接。本发明是一种回收铝电解槽的侧部余热，同时能避免因换热元件内热应力过大而产生破裂的问题，采用数值仿真技术对换热元件的结构和铝电解槽的操作参数进行优化，最后可以得到能用于铝电解槽侧部回收余热的用于铝电解槽侧部余热利用的换热元件。

Description

用于铝电解槽侧部余热利用的换热元件
技术领域
本发明涉及一种换热元件，特别是涉及一种铝电解槽侧部余热回收换热元件。
背景技术
铝电解槽是耗能大户，2013年我国电解铝产能为2200万吨，占全球的42.9％，行业用电量占全国工业总用电量的7％第一第二。而我国铝电解槽用于铝电解反应的能耗占总能量收入的45％第一第二，另外55％第一第二的能量都以散失的方式损失掉，而其中侧部散失掉的热量占整个能量收入的20％【1】，相当于每年浪费掉全国工业总用电量的1.4％第一第二的电能，所以对铝电解槽侧部余热的回收利用是我国铝行业节能降耗的重要措施。
国内外对铝电解槽侧部余热的利用的研究不多，有人对铝电解槽地沟余热利用技术进行了研究[2]，这部分热量相对于侧部余热较小，而且对铝电解槽的能量平衡的影响不是很大。还有人主要通过数值模拟的方法对铝电解槽侧部散热的规律进行了研究[3-4]，但这些研究没有发明一种能真正回收利用侧部余热的换热元件，没有从换热机理上来探讨铝电解槽的侧部余热。
[1]万沐,王印夫等，铝电解槽散热量及其分布规律，2006(6)：31-35.
[2]王培志，铝电解槽地沟余热利用技术研究与应用，2008(2)：155-157.
[3]崔大光，王富强，铝电解槽侧部槽壳散热三维仿真模型研究，2008(7)：31-34.
[4]李贺松，梅炽，铝电解槽热电场的有限元分析，2004(5)：854-859.
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种回收铝电解槽的侧部余热，同时能避免因换热元件内热应力过大而产生破裂的用于铝电解槽侧部余热利用的换热元件。
为了解决上述技术问题，本发明提供的用于铝电解槽侧部余热利用的换热元件，由进料换热元件、中间换热元件和出料换热元件并联组成，所述的进料换热元件、中间换热元件和出料换热元件的结构均为：砖体内一侧设有第二竖管，另一侧设有第一竖管，所述的第二竖管与所述的第一竖管之间连接有蛇管，所述的第二竖管与低温空气进口连接，所述的第一竖管与高温空气出口连接。
所述的低温空气进口的空气的进口速度为25m/s。
所述的蛇管的壁厚与直径之比t/D＝4～9。
所述的蛇管的壁厚与直径之比t/D＝6。
采用上述技术方案的用于铝电解槽侧部余热利用的换热元件，在碳化硅制品中布置一定形状的管道的方式来吸收电解槽内熔体经槽壁向外传递的热量，低温空气从低温空气进口流入，经过三块换热元件中的蛇管后从高温空气出口流出，此过程是一个对流换热的过程，加热后的空气约达到710℃，成为工业上可以利用的能源。
本发明的优点和积极效果：
1、减少蛇管转弯处的热应力：整个换热元件最大热应力发生在竖管和蛇管的接头处，在换热器的管道接头设计中，采用管道平缓过渡连接的方法可减少大热应力的产生；
2、减少整个砖体内的热应力：当t/D值从4到6变化时，砖体内最大热应力逐渐减小，当t/D值从6到9变化时，砖体内最大热应力逐渐增加，t/D最佳值为6。此时的砖体内的热应力最小。
3、换热元件中出来的热空气是高品位的热源：因为换热元件中出来的热空气为710℃，故可以用于驱动汽轮机发电。
所产生的积极效果是回收了铝电解槽的余热，约占全国工业总用电量的1.4％第一第二的电能，起到了节能与环保的积极效果。
本专利从铝电解槽侧部散热的特点出发，通过在侧部碳化硅砖中布置一定形状的蛇管、并通入低温空气来吸收侧部余热，得到高温气体的温度可以达到710℃，故可以用来发电，节能潜力很大。
综上所述，本发明是一种回收铝电解槽的侧部余热，同时能避免因换热元件内热应力过大而产生破裂的问题，采用数值仿真技术对换热元件的结构和铝电解槽的操作参数进行优化，最后可以得到能用于铝电解槽侧部回收余热的用于铝电解槽侧部余热利用的换热元件。
附图说明
图1是换热元件的系统布置图。
图2是换热元件中单层蛇形管的结构图。
图3是铝电解槽中各层SiC砖的分布图。
图4是换热元件最大热应力与uin之间的关系图。
图5是换热元件最大热应力与t/D之间的关系图。
图6是换热元件最大热应力与D之间的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1、图2和图3，本系统采用在回收铝电解槽的侧部碳化硅砖中布置一定形状的管道的方式来吸收电解槽内熔体经槽壁向外传递的热量即在回收铝电解槽的侧部布置用于铝电解槽侧部余热利用的换热元件来吸收电解槽内熔体经槽壁向外传递的热量，槽壳11与炉帮13之间设有隔热材料12和碳化硅制成的砖体4，即在砖体4中设有换热元件，换热元件由进料换热元件1、中间换热元件2和出料换热元件3并联组成，进料换热元件1、中间换热元件2和出料换热元件3的结构均为：砖体4内一侧设有第二竖管5，另一侧设有第一竖管6，所述的第二竖管5与所述的第一竖管6之间连接有蛇管7，所述的第二竖管5与低温空气进口8连接，所述的第一竖管6与高温空气出口9连接。
参见图1、图2和图3，低温空气从低温空气进口8流入，经过三块换热元件中的蛇管7后从高温空气出口9流出，此过程是一个对流换热的过程，加热后的空气约达到710℃，成为工业上可以利用的能源。
图2给出了换热元件中单层蛇形管的结构图，其中的管道分两种，一种是第二竖管5和第一竖管6，另一种是蛇管7，砖体4旁是高温熔体10。空气从第二竖管5、第一竖管6和蛇管7中流过，通过砖体4与高温熔体10发生热交换。这是一个低温空气和高温熔体进行热交换的过程。
图3给出了铝电解槽中各层SiC砖的分布。
在铝电解槽正常生产情况下，对换热元件结构参数与操作参数进行了优化。
优化的目标是：
1)SiC砖体内热应力与机械应力之和最小；
2)低温空气获得热量最大。
优化的内容是：
3)两种不同大小与类型管道之间的接头结构优化；
4)管道的壁厚和管道直径比率及管道直径的优化；
5)铝电解槽操作参数(电解温度、过热度)的优化；
6)隔热材料的厚度的优化；
7)空气进口温度的优化。
优化结果为：
1)空气入口速度的优化：
图4表示了空气的进口速度与砖体4内的最大热应力的关系。可以看出，当空气的进口速度变大时，砖体4内所产生的最大热应力变小，且砖体4内所产生的最大热应力与空气的进口速度基本上呈线形关系。当空气入口速度为25m/s时，砖体4内最大热应力值为45.4Mpa，小于抗折强度51MPa，所以低温空气进口8的空气入口速度定为25m/s比较合适。
2)蛇管7的壁厚与直径之比的优化：
如图5所示，当t/D从4到9变化时，砖体内最大热应力从53225Kpa变化到54401Kpa，它们之间的差值不大，基本上呈线形关系。当t/D从4变化到6时，砖体内最大热应力逐渐变小，当t/D从6变化到9时，砖体内最大热应力又逐渐变大。当t/D等于6时，砖体内最大热应力为41.8Mpa，远小于抗折强度51Mpa，说明在某些工业炉中采用此结构的换热元件来回收散失热量的方案是可行的。
3)蛇管7直径的优化：
蛇管直径决定了换热元件的换热面积，为了得到足够的热量，换热面积应足够大，但将改变砖体内的最大热应力。如图6所示，当蛇管直径变小时，砖体内最大热应力也变大，这由小直径大应力原理所决定的。
因此在设计换热器中管道直径时，应避免管道直径过小，可以在允许的范围内通过增大管道直径来增大换热面积和减小热应力，达到双重效果。
本专利从铝电解槽侧部散热的特点出发，通过在侧部碳化硅砖中布置一定形状的蛇管、并通入低温空气来吸收侧部余热，得到高温气体的温度可以达到710℃，故可以用来发电，节能潜力很大。

Claims (4)

1.一种用于铝电解槽侧部余热利用的换热元件，其特征是：由进料换热元件(1)、中间换热元件(2)和出料换热元件(3)并联组成，所述的进料换热元件(1)、中间换热元件(2)和出料换热元件(3)的结构均为：砖体(4)内一侧设有第二竖管(5)，另一侧设有第一竖管(6)，所述的第二竖管(5)与所述的第一竖管(6)之间连接有蛇管(7)，所述的第二竖管(5)与低温空气进口(8)连接，所述的第一竖管(6)与高温空气出口(9)连接。
2.根据权利要求1所述的用于铝电解槽侧部余热利用的换热元件，其特征是：所述的低温空气进口(8)的空气的进口速度为25m/s。
3.根据权利要求1或2所述的用于铝电解槽侧部余热利用的换热元件，其特征是：所述的蛇管(7)的壁厚与直径之比t/D＝4～9。
4.根据权利要求3所述的用于铝电解槽侧部余热利用的换热元件，其特征是：所述的蛇管(7)的壁厚与直径之比t/D＝6。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN1777704A (zh) * 2003-03-17 2006-05-24 诺尔斯海德公司 电解槽和用于其中的结构元件
US20080271996A1 (en) * 2005-11-14 2008-11-06 Aluminum Pechiney Electrolytic Cell With a Heat Exchanger
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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