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An seinem unteren Ende kommuniziert dieser Hohlraum mit dem Innern
der Elektrolysewanne und mündet
in den Aluminiumsumpf. Am oberen
Ende des Hohlraums wird der kathodische Stromleiter eingeführt, welcher vorzugsweise
aus Titandiborid oder pyrolitischer Graphit besteht. Der elektrische Kontakt zwischen
Kathode und flüssigem Metall ist nicht optimal, weiter wird der Elektrolysezelle
verhältnismäßig viel Wärme entzogen. Dies wirkt stich insbesondere beim Einsatz
von benetzbaren Festkörperkathoden aus Titandiborid nachteilig aus, weil die Interpolardistanz
zwischen Kathode und Anode gering ist, und so weniger Wärme produziert wird als
bei großer lnterpolardistanz. Auch mit der in dieser GB-PS vorgeschlagenen Lösung
werden also die obenstehenden Nachteile bezüglich des teuren und schwer in großen
Dimensionen herstellbaren Titandiborids nicht beseitigt.
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Der Erfinder hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, einen kathodenseitigen
Stromanschluß für eine Schmelzflußelektrolysezelle zur Herstellung von Aluminium
die mindestens einen vom Aluminiumsumpf ausgehenden, die Seitenwand schräg nach
oben durchquerenden Kanal aufweist bereitzustellen, bei welchem auf den Einsatz
von Kathoden aus teuren, refraktären Materialien, insbesondere Titandiborid, mit
ungünstigem Spannungsabfall verzichtet werden kann.
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Mit kostengünstigeren Materialien soll bei geringem Wärmeentzug ein
minimaler Spannungsabfall erreicht werden.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in
dem/die Kanal/Kanäle im mittleren und oberen Bereich ein entsprechend geformtes,
satt anliegendes Wärmerohr, aus einer den elektrischen Strom und die Wärme gut leitenden
Metallwandung und einer darin eingeschlossenen verdampf- und kondensierbaren Wärmeträgersubstanz,
vorgesehen ist/sind, wobei ein Wärmerohr soviel Wärme von innen nach außen abzuziehen
vermag, daß an dessen unterem Ende, das um das t bis 4fache des Innendurchmessers
des Kanals von dessen unterer Eintrittsöffnung entfernt ist, eine stationäre Erstarrungsfront
aus Aluminium entsteht, was den elektrischen Übergangswiderstand vom erstarrten
Aluminium zum als kathodischen Stromableiter eingesetzten Wärmerohr erniedrigt.
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Weitere Ausbildungen des kathodenseitigen Stromanschlusses nach Anspruch
1 sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben.
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Das Prinzip der erfindungsgemäß eingesetzten Wärmerohre ist an sich
bekannt, beispielsweise aus der Zeitschrift Chem.-lng.-Techn. 50 (1978) Nr. 11,
Seiten A 654 ff. Die vakuumdicht verschlossenen Behälter haben im Innern eine Kapillarstruktur,
die z. B. aus Textil- oder Drahtgeweben, Rillen, gesinterten Strukturen usw.
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gebildet sein kann. Nach dem Evakuieren werden die Wärmerohre mit
einer geringen Menge Flüssigkeit als Wärmeträgersubstanz soweit gefüllt, daß die
Kapillarstruktur gerade gesättigt ist. Diese Flüssigkeit steht mit ihrem Dampf im
übrigen zur Verfügung stehenden Innenraum des Wärmerohres im Gleichgewicht Wird
das eine Ende des Wärmerohres erwärmt und das andere Ende gekühlt, so verdampft
die Flüssigkeit auf der warmen Seite unter Aufnahme der Verdampfungswärme. Der Dampf
strömt auf die andere, kalte Seite des Wärmerohres und kondensiert dort unter Abgabe
der Kondensationswärme an das Kühlmedium.
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Das Kondensat strömt unter Einwirkung der Kapillarkraft wieder auf
die warme Seite zurück.
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Ein Wärmerohr besteht also im wesentlichen aus drei Zonen: Einer
Verdampfungszone, einer isolierten Adiabatenzone und einer Kondensationszone.
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Mit einem Wärmerohr kann der zum Auskristallisieren des Aluminiums
am unteren Ende notwendige Wärmeentzug - mit großer Wärmeflußdichte -konzentriert
und gerichtet entzogen werden. Die dabei gebildete Erstarrungsfront ist bei konstantem
Wärmeentzug stationär. Das in fester Form vorliegende Aluminium bildet eine schützende,
selbstheilende Schicht um das untere Ende des Wärmerohres, das vorzugsweise auch
aus Aluminium besteht. Weiter hat das erstarrte Aluminium einen geringeren Übergangswiderstand
zum Wärmerohr.
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Der Wärmeverlust nach außen ist kleiner, weil bei erstarrtem Aluminium
keine Verluste durch Konvektion entstehen, wie dies bei flüssigem Aluminium der
Fall wäre. Das zwischen den Kanal in der Seitenwand und das Wärmerohr eindringende
Aluminium erstarrt und bildet so einen dichten Verschluß.
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Muß das Wärmerohr aus irgend einem Grunde ausgewechselt werden, so
wird die Kühlung entfernt bzw. abgestellt Dadurch verliert das Wärmerohr seine Kühlkapazität;
das zwischen Kanal und äußerem Mantel des Rohres erstarrte Aluminium wird allmählich
flüssig. Nach einiger Zeit kann das Wärmerohr problemlos aus der Seitenwand der
Elektrolysezelle entfernt und durch ein neues ersetzt werden.
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Damit beim Auswechseln des Wärmerohres das Bad nicht aus der Wanne
ausläuft, ist der untere Rand der Austrittsöffnung des Kanals bevorzugt oberhalb
des Niveaus des Elektrolyten angeordnet Es ist in höchstem Maße unerwünscht, daß
Teile des aufgewirbelten Bodenschlamms in den das Wärmerohr enthaltenden Kanal hineingetragen
werden. Hier sollen möglichst keine Turbulenzen entstehen können. In der Regel ist
deshalb die Erstarrungsfront aus festem Aluminium im Kanal etwa 30 bis 40 cm von
dessen Eintrittsöffnung in der Seitenwand entfernt Zweckmäßig ist der untere Rand
dieser Eintrittsöffnung oberhalb des Niveaus des Wannenbodens angeordnet, vorzugsweise
wenige Zentimeter.
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In den vom Aluminiumsumpf ausgehenden, die Seitenwand schräg nach
oben durchquerenden Kanal ist bevorzugt ein gegen den Fluß beständiges Schutzrohr
eingeführt. Dieses Schutzrohr kann aus einem elektrisch isolierenden oder elektrisch
leitenden Material bestehen, beispielsweise aus hoch gesintertem Aluminiumoxid,
Refrax oder Graphit. Diese Materialien sind nicht nur gegen flüssiges Aluminium,
sondern auch gegen im flüssigen Aluminium vorhandene Tröpfchen des Schmelzflusses
beständig. Schutzrohre aus Graphit haben weiter den Vorteil, daß sie aus einem verhältnismäßig
weichen Material bestehen.
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Nach einer speziellen Ausführungsvariante der Erfindung ist zwischen
dem Wannenbord und der/den Anode/n mindestens ein gegen Elektrolyt und flüssiges
Aluminium beständiges, beidseitig offenes Schutzrohr mit einem im mittleren und
oberen Bereich satt anliegenden Wärmerohr angeordnet, das mit dem unteren Teil in
den Metallsumpf hineinragt In diesem Fall sind im Seitenbord der Elektrolysezelle
keine Kanäle ausgebildet, sonst sind alle erfindungsgemäßen Merkmale gleich. Der
in diesem Fall größere Wärmeverlust wird durch eine mittels größerer Stromdichte
erhöhte Wärmeentwicklung kompensiert Die Metallwandung des Wärmerohres kann beispielsweise
aus Aluminium, Kupfer, deren Legierungen oder einer elektrisch gut leitenden Eisenlegierung
bestehen Aus folgenden Gründen ist eine Wandung aus Aluminium für das Wärmerohr
bevorzugt:
- Der zur folgenden Elektrolysezelle führende Stromleiter
kann am oberen Ende des den Elektrolysestrom leitenden Wärmerohres problemlos verschweißt
werden.
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- Am unteren Ende des Wärmerohres wird eine Erstarrungsfront aus festem
Aluminium gebildet, der elektrische Übergangswiderstand von der Erstarrungsfront
zum Wärmerohr ist bei der Verwendung von Aluminium als Wandungsmaterial sehr gering.
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Die Dicke der Seitenwandung des Wärmerohres ist so bemessen, daß
die zu leitende Stromdichte auf höchstens 50 A/cm2 steigen kann. Im allgemeinen
ist die Außenwandung des Wärmerohres zylinderförmig ausgebildet, sie kann jedoch
auch von in Längsrichtung verlaufenden Rillen durchzogen sein.
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Die im Wärmerohr hermetisch verschlossene Wärmeträgersubstanz kann
in an sich bekannter Weise Natrium, Kalium, ein Silikonöl oder ein geeigneter Alkohol
sein.
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Das obere, aus der Elektrolysewanne herausragende Ende des Wärmerohres
ist vorzugsweise mit einem lamellenartig ausgebildeten Wärmeaustauscher versehen.
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Wärmeaustauscher mit großen Lamellen werden durch die umgebende Atmosphäre
gekühlt. Obwohl die Kühlwirkung mit einem Ventilator erhöht werden kann, ist diese
Ausführungsform nicht besonders günstig, weil der Wärmeaustauscher sperrig ausgebildet
werden muß, und Manipulation an der Elektrolysezelle behindern kann.
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Zur Kühlung des Wärmerohres besser geeignet sind am oberen Ende angebrachte
kleinere Lamellen, die von einem Behälter umgeben sind. In diesem Behälter zirkuliert
ein geeignetes kühlendes Medium, beispielsweise Luft oder Wasserdampf, welches rezykliert
werden kann.
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Die den elektrischen Strom aus der Elektrolysezelle abführenden Wärmerohre
sind am oberen Ende mit flexiblen Bändern aus Aluminium verschweißt, welche ihrerseits
mit den zur folgenden Elektrolysezelle führenden Aluminiumschienen verbunden sind.
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Die Elektrolysezelle ist so berechnet, daß bei der unteren Eintrittsöffnung
der durch das Seitenbord der Zelle führenden Kanäle keine Elektrolytkruste ausgebildet
wird. Untersuchungen haben gezeigt, daß mittel-oder punktbediente Elektrolysezellen
auf diesem Niveau eine schwach ausgebildete Kruste aus erstarrtem Schmelzfluß haben.
Seitenbord und Einzug können in diesem Bereich sogar unterbrochen sein. Bei älteren,
seitenbedienten Elektrolysezellen dagegen ist das Seitenbord bis zum Einzug in verhältnismäßig
konstanter Stärke ausgebildet. -Als Elektrolysewannen können konventionelle Ausführungsformen
verwendet werden, bei welchen die eisernen Kathodenbarren nicht mehr als Stromleiter
benötigt werden. Falls die Stromzufuhr durch die Seitenwand erfolgt, müssen entsprechende
Kanäle ausgespart werden. Die Erfindung ist jedoch auch für völlig neuartige Elektrolysewannen
gedacht, welche elektrisch nicht leitende Wände haben können, jedoch stets thermisch
gut isoliert sein müssen. Insbesondere aus hitzebeständigem Beton bestehende Innenauskleidungen
von Elektrolysewannen weisen die in der Praxis notwendige Widerstandfähigkeit gegen
den schmelzflüssigen Elektrolyten und den Aluminiumsumpf auf.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbei-
spiels in der Zeichnung
näher erläutert. Der in Querrichtung zur Elektrolysezelle verlaufende schematische
Vertikalschnitt zeigt eine Elektrolysewanne mit seitlich eingesetztem Wärmerohr.
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Die Elektrolysewanne 10 besteht aus einem äußeren Stahlmantel 12,
einer thermischen Isolation 14 der Zelle, die sich auch über den seitlichen Bereich
erstrecken kann, und einer gegen das geschmolzene Aluminium 20 und den Schmelzflußelektrolyten
22 beständigen Wannenauskleidung 16, z. B. aus Kohlenstoff, die im unteren Bereich
den Wannenboden 18 bildet. Von oben taucht mindestens eine Anode 24 in den Schmelzflußelektrolyten
22 ein.
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Im vorliegenden Fall bildet die Aluminiumoberfläche 26 die Kathode.
Nach einer nicht dargestellten Variante können jedoch auch Festkörperkathoden mit
kleinerer Interpolardistanz eingesetzt sein.
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In der Seitenwand der Wannenauskleidung 16 verläuft, ausgehend vom
Aluminiumsumpf 20, ein Kanal schräg nach oben. Im oberen Bereich dieses Kanals ist
ein beidseitig offenes, zylinderförmig ausgebildetes Schutzrohr 28 eingebettet.
Der unterste Bereich 30 der Eintrittsöffnung des Schutzrohres 28 liegt einige Zentimeter
über dem Wannenboden 18.
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In das Schutzrohr 28 ist von oben ein Wärmerohr 32 mit etwas Spiel
eingeführt. Flüssiges Aluminium dringt zwischen das Schutzrohr 28 und das Wärmerohr
32 ein und erstarrt mindestens im obersten Bereich.
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Das obere Ende des Wärmerohres 32 ist von einem Wärmeaustauscher
umgeben, der aus einem lamellenartigen Aufsatz 34 mit einem Gehäuse 36 besteht.
Über einen Eintrittsstutzen 38 wird ein Kühlmedium in das Gehäuse 36 eingeführt
und umströmt den lamellenartigen Aufsatz 34, wodurch das Wärmerohr 32 gekühlt wird.
Durch den Austrittsstutzen 40 verläßt das Kühlmedium das Gehäuse 36. Im Bereich
des unteren Endes 42 des Kühlrohres 32 erstarrt das flüssige Aluminium zu einer
Erstarrungsfront 44, welche stationär gehalten wird. Das flüssige Aluminium des
unteren Bereichs 46 des Kanals wird möglichst ohne Ausbildung von Turbulenzen gehalten,
damit keine unnötigen Wärmeverluste entstehen.
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Das obere Ende 48 des Wärmerohres 32 ist vollflächig mit flexiblen
Aluminiumbändern 50 verschweißt, welche den Elektrolysestrom in die zur Folgezelle
führende Aluminiumschiene 52 überführen.
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Der dem vorliegenden Beispiel zugrunde liegenden Elektrolysezelle
wird über zwölf Doppelanoden 140 kA Elektrolysestrom zugeführt. Zwölf Wärmerohre
mit einem äußeren Durchmesser von 23 cm und einem Leiterquerschnitt von je 390 cm2
entziehen der Elektrolysewanne den Strom und speisen ihn in die Schienenführungen
zur Folgezelle ein. Die Stromdichte in der seitlichen Wandung der Wärmerohre 32
beträgt ungefähr 30 A/cm2.
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Wärmerohre mit einem Außendurchmesser von 23 cm bedingen einen minimalen
Metallstand von etwa 30cm. Ist ein niedrigerer Metallstand erwünscht, so kann ein
Wärmerohr durch eine Gruppe von 2-5 horizontal nebeneinander liegenden Wärmerohren
ersetzt werden, die zusammen einen Leiterquerschnitt von 390 cm2 haben.
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Die Wärmeverluste über die kathodischen Stromableiter sind mit 63
kW/m2 Leiterquerschnitt errechnet worden, was ungefähr 10% der totalen Wärmeverluste
entspricht. Unter diesen Bedingungen hat die Erstarrungsfront 44 eine Dicke von
ca. 20 cm. Der Bereich mit flüssigem Aluminium im Schutzrohr 28 ist etwa 40 cm
lang.
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Nach einem weiteren Beispiel hat eine von zwölf Doppelanoden gespeiste
100 kA Elektrolysezelle zwölf Wärmerohre mit einem äußeren Durchmesser von 19 cm
oder zwölf entsprechende Gruppen von Wärmerohren, die einen Leiterquerschnitt von
je 278 cm2 haben. Die Stromdichte in deren seitlicher Wandung beträgt wieder ungefähr
30 A/cm2.
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Abschließend können die Vorteile der Erfindung wie folgt zusammengefaßt
werden: - Verminderung des kathodischen Spannungsabfalls um etwa 300 mV, was einem
Energiegewinn von etwa 1 kWh/kg erzeugtes Aluminium entspricht, während die thermische
Bilanz der Elektrolysezelle nicht verändert wird.
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- Es können preisgünstige Kathoden von langer Lebensdauer eingesetzt
werden, die nicht aus
Kohlenstoff bestehen müssen.
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- Die Elektrolysewannen sind nicht empfindlich gegen Verkrustung des
Wannenbodens.
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- Die kathodischen Stromableiter können während des Betriebs ersetzt
werden.
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- Durch die seitliche Kühlung der Elektrolysewanne wird die Ausbildung
eines Seitenbordes bevorzugt, was sich auf die Lebensdauer positiv auswirkt.
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- Der Wärmeentzug durch die Wärmerohre kann an die äußeren Arbeitsbedingungen
der Elektrolysezelle angepaßt werden, beispielsweise auf ein im Verlaufe des Tages
wechselndes Energieangebot.
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- Die abgezogene Wärme ist rekupierbar.
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- Beim Einsatz von Materialien wie z. B. hitzebeständigem Beton muß
der Kathodenausbruch weder aufgearbeitet noch in einer Deponie gelagert werden.
Solche Wannenauskleidungen sind also umweltfreundlich.
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