包括側(cè)壁溫控系統(tǒng)的鋁電解槽的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般涉及隔熱層，且特別涉及一種改進(jìn)的方法和系統(tǒng)，用于保持涵蓋大面 積的多個(gè)蒸發(fā)管中的工作流體液位，適用于控制鋁電解槽中在擴(kuò)展區(qū)域上的層形成以及熱 能的利用。
【背景技術(shù)】
[0002] 在基于所謂的Hall-Heroult電解槽利用當(dāng)今的電解技術(shù)生產(chǎn)鋁的過程中，電解 槽的操作有賴于電解槽側(cè)壁上凝結(jié)的電解液的保護(hù)層的形成和維持。凝結(jié)電解液稱為側(cè)層 并保護(hù)電解槽的側(cè)襯免受化學(xué)和機(jī)械磨損，且是實(shí)現(xiàn)電解槽的長壽命的重要條件。在熱平 衡改變方面，結(jié)晶電解液同時(shí)用作用于電解槽的緩沖墊。在操作期間，熱的產(chǎn)生以及電解槽 的熱平衡會(huì)因操作的不希望的干擾（電解液化學(xué)成分的改變、鋁濃度、極間距離的改變、陽 極效應(yīng)等）以及電解槽的預(yù)期活動(dòng)（金屬放出、更換陽極、火力等）而改變。這導(dǎo)致電解槽 周圍的層的厚度發(fā)生改變以及在某些情況下該層會(huì)在周圍的某些部位完全消失。那么側(cè)襯 將暴露于液體電解液和金屬，其與腐蝕性氣體相結(jié)合將導(dǎo)致側(cè)襯材料的侵蝕，導(dǎo)致它們腐 蝕。槽幫的損傷會(huì)導(dǎo)致金屬泄出。因此，重要的是，控制Hall-Heroult電解槽中層的形成 以及層穩(wěn)定性，特別是對(duì)于具有高電流密度的電解槽。模型計(jì)算表明，由于大熱量產(chǎn)生難以 維持電解槽的側(cè)層。因此，對(duì)于具有熱平衡問題的傳統(tǒng)電解槽和此種電解槽，其是人們能夠 維持保護(hù)側(cè)襯的所述層的長壽命電解槽的一個(gè)條件。
[0003] 所有鋁生產(chǎn)商試圖使生產(chǎn)每千克鋁的單位電能消耗（kWh/kg Al)最小化。電解槽 的熱產(chǎn)生作為電解槽中以及特別是在電解液中歐姆率電壓降，例如在電流饋給方面、產(chǎn)生 的金屬的結(jié)果而發(fā)生。輸入給電解槽的能量的大約45%用于鋁生產(chǎn)，其余是廢能。文獻(xiàn)數(shù) 據(jù)表明，電解槽的總熱量損耗的大約40%是通過側(cè)襯。由于高的熱損耗以及希望控制側(cè)襯 中的保護(hù)凝結(jié)層，優(yōu)選地是在電解槽的該區(qū)域中設(shè)置用于熱量提取的元件。
[0004] 對(duì)最優(yōu)化層形成的控制以及熱量提取存在需求。為了同時(shí)使兩個(gè)目的都得到最優(yōu) 化，重要的是熱量提取盡可能靠近形成的側(cè)層進(jìn)行。這將使得可以在高溫下提取熱能。
[0005] 此外，由于大規(guī)模的電解槽，也希望在擴(kuò)展的區(qū)域上控制所述層形成，因?yàn)樵谛^(qū) 域上層形成的損壞會(huì)是破壞性的。去除熱量的傳統(tǒng)方法是在電解槽的整個(gè)表面區(qū)域上采用 自然（以及在某些情況下采用強(qiáng)迫）空氣對(duì)流，導(dǎo)致去除的熱的利用的潛能受限。
[0006] 對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，可參見W0/2004/083489,其披露了形成有用于流過冷卻介質(zhì)的孔 洞的側(cè)襯。然而，其制造工藝是復(fù)雜的且需要側(cè)襯模制有孔洞，優(yōu)選地在材料燒結(jié)前形成。
[0007] 對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，還可參見本申請(qǐng)人的對(duì)應(yīng)于W0/2012/039624的專利申請(qǐng) No. 20101321，其描述了用于控制鋁電解槽中的層形成以及熱的利用的系統(tǒng)，包括設(shè)置有至 少一個(gè)用于熱傳導(dǎo)的孔洞和至少一個(gè)熱管的側(cè)襯，特征在于熱管由孔洞提供以及孔洞是沿 所述側(cè)襯表面設(shè)置的至少一個(gè)通道。然而，其制造工藝復(fù)雜并且需要沿所述側(cè)襯表面為側(cè) 襯提供大量的熱管，通常為熱管路，每個(gè)熱管需要單獨(dú)冷卻。
[0008] 也可以參考基于形成平薄毛細(xì)管的板件的平的熱管，也稱為兩維熱管。該設(shè)計(jì)可 用于高度敏感應(yīng)用場合中的熱擴(kuò)散器，然而由于毛細(xì)管小且細(xì)，總的熱傳導(dǎo)小。而且該設(shè)計(jì) 特征體現(xiàn)在不是毛細(xì)管實(shí)際部分的大的金屬面積，進(jìn)一步降低了總的熱傳導(dǎo)。此外，該設(shè)計(jì) 通常是平的，從而應(yīng)當(dāng)預(yù)期側(cè)襯的某種表面粗糙度，導(dǎo)致不良的熱接觸。這意味著平的熱管 不適用于冷卻側(cè)襯。
[0009] 還可參考依賴返回管線的熱管組件。這里方面，各單個(gè)熱管是兩相流系統(tǒng)，其中蒸 發(fā)的氣體和冷凝的液體沿相反方向流動(dòng)，存在單相流系統(tǒng)，其中液相工作流體在熱端吸熱 并蒸發(fā)，流入冷端。氣體在冷端凝結(jié)成液體并沿單獨(dú)管線，在此稱為返回管線，返回?zé)岫?。?過使返回管線保持冷于工作流體的沸點(diǎn)，單相流也在返回管線中實(shí)現(xiàn)。此種系統(tǒng)可包括使 用冷端處的收集歧管和熱端處的分配歧管連接在一起的多根熱管，其中各歧管也通過返回 管線直接或間接連接。該方案的問題是，組件的操作受相對(duì)于重力的收集器角度的影響，從 而液體排放入熱管。否則液體會(huì)積聚在冷凝器中并導(dǎo)致熱管干運(yùn)行并因熱而損壞。
[0010] 總之，成為問題的是，在大面積上的有效冷卻需要具有大量部件的系統(tǒng)，這又增加 了復(fù)雜性和成本同時(shí)也降低了總的可靠性。
[0011] 因此存在對(duì)克服上述問題的方法和系統(tǒng)的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題
[0013] 因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種改進(jìn)的方法和系統(tǒng)，用于保持涵蓋大面積的 多個(gè)熱管中的工作流體液位，適用于控制鋁電解槽中在擴(kuò)展區(qū)域上的層形成以及熱的利 用。
[0014] 解決技術(shù)問題的手段
[0015] 根據(jù)本發(fā)明，所述目的通過下述實(shí)現(xiàn)：權(quán)利要求1前序部分中限定的用于控制鋁 電解槽中的層形成的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有權(quán)利要求1特征部分的特征；和方法獨(dú)立權(quán)利要 求11前序部分中限定的、用于控制鋁電解槽中的層形成的方法，所述方法具有權(quán)利要求11 特征部分的特征；以及包括如權(quán)利要求11所述的熱管組件的電解槽。本發(fā)明的一些非窮盡 的實(shí)施例、改型或替代實(shí)施例由從屬權(quán)利要求限定。
[0016] 本發(fā)明通過熱管組件實(shí)現(xiàn)上述目的，熱管組件包括多個(gè)蒸發(fā)管，用于通過工作流 體從液相到汽相的蒸發(fā)吸熱；收集器，與所述蒸發(fā)管的上端流體連通；分配歧管，與所述蒸 發(fā)管的下端流體連通；其中，所述收集器和分配歧管還通過多個(gè)返回管線連接，其中所設(shè)置 的第一返回管線連接所述收集器的第一端與所述分配歧管；以及所設(shè)置的第二管線連接所 述收集器的、處于所述收集器第一端相對(duì)側(cè)的第二端與所述分配歧管。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述收集器是收集歧管，具有至少一個(gè)外部冷凝器。在另一個(gè)實(shí) 施例中，所述收集器是具有內(nèi)部冷凝器的歧管。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述返回管線是基本平行的。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述返回管 線是兩相流管線。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述收集歧管設(shè)置有相分隔器。在另一個(gè)實(shí)施例 中，所述返回管線是交叉的。
[0019] 在又一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二返回管線連接于第三返回管線，而第三返回 管線又連接于所述分配歧管。
[0020] 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述返回管線裝接于所述外部冷凝器的最下部。
[0021 ] 在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)還包括用于不能冷凝的氣體的收集器。
[0022] 優(yōu)選地，所述返回管線的尺寸應(yīng)當(dāng)如此確定，使得分配歧管可以通過任一端的返 回管線被供以液體，而無需同時(shí)依賴于兩端的返回管線。
[0023] 優(yōu)選地，返回管線的熱膨脹系數(shù)能夠避免操作溫度改變時(shí)的機(jī)械應(yīng)變。
[0024] 本發(fā)明的技術(shù)效果
[0025] 優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)差異在于，本發(fā)明包括至少兩條返回管線，其中至少一條返 回管線設(shè)置在熱管組件的相對(duì)側(cè)。
[0026] 該差異的技術(shù)效果是，當(dāng)熱管組件在任一方向傾斜時(shí)，將總有一個(gè)出口位于收集 器的下端，確保收集器總是有效地排放。如果收集器沒有有效排放，工作流體將積聚在收集 器中，并因此減少分配歧管中工作流體的量以及最終工作流體在蒸發(fā)管中的液位，從而降 低熱管組件去出熱的能力的效率并降低冷凝單元的效率。這將導(dǎo)致電解槽的實(shí)效。
[0027] 對(duì)返回管線的尺寸進(jìn)行確定，使得分配歧管可以通過任一端的返回管線被供以液 體，而無需同時(shí)依賴于兩端的返回管線，確保收集器不積聚過多的工作流體。
[0028] 這些技術(shù)效果又提供了若干有利效果：
[0029] 魯使得可以提供一種簡便的技術(shù)方案，具有用于冷卻大面積的較少的零部件；以 及
[0030] 魯提供了大大簡化了的安裝和連接，原因在于較之蒸發(fā)管的數(shù)量，熱管組件需要 少的多的用于收集歧管的冷卻單元。
[0031] 附圖的簡要說明
[0032] 下面將結(jié)合示意性圖示在附圖中的例示性實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中：
[0033] 圖1示出呈側(cè)襯模塊和鋼