[发明专利]用于铝电解槽侧部余热利用的换热元件

说明书

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u_in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。