專利名稱：風冷式鋁電解槽廢熱利用裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種風冷式鋁電解槽廢熱利用裝置。
背景技術：
我國電解生產金屬鋁過程，大多采用預焙陽極鋁電解技術，電解溫度為
95(TC左右，鋁電解槽的平均電能利用率為48%左右，鋁電解槽側壁溫度約300 °C，槽底溫度約9(TC，槽上部排氣管道約15(TC的溫度，有一半以上的能量 以廢熱的形式散發(fā)到環(huán)境中，造成巨大的能源浪費，且對環(huán)境造成熱污染。 而且由于廢熱利用對電解槽本身的溫度場分布和維持電解生產過程的能量平 衡會造成復雜的影響，甚至會使得電解過程不能正常進行，因此，到目前為 止尚無對鋁電解槽廢熱的利用的相關報道。
發(fā)明內容
本發(fā)明的所要解決的技術問題是提供一種風冷式鋁電解槽廢熱利用裝置， 該裝置在維持電解槽熱平衡的基礎上利用廢熱產生電能，即首先滿足鋁電解 工藝過程對鋁電解槽內熱平衡的要求，其次再利用其散發(fā)的廢熱進行轉化。
為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案為
一種風冷式鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，包括熱電模塊、控制 熱能輸出的冷卻裝置以及電池或負載，該熱電模塊的高溫端緊貼固定在電解 槽外壁，低溫端接冷卻裝置，所述的熱電模塊的電壓引出端接電池或負載； 所述的冷卻裝置包括設置在所述熱電模塊的低溫端的熱管散熱器件；鼓風機; 連接鼓風機的鼓風管，該故風管的噴嘴安裝在熱管散熱器件正對位置；固定 在鋁電解槽外壁的溫度傳感器；控制器，該控制器的輸入端連接所述溫度傳感器的輸出端。
該控制器采用PID、模糊控制或神經網(wǎng)絡控制策略，或者上述多種控制策 略的組合，上述控制策略根據(jù)電解槽的大小、槽型以及工藝條件確定。該控 制器的輸出端連接所述的鼓風機的轉速控制端，用于控制冷卻空氣的流量。 本發(fā)明的冷卻裝置具有控制鋁電解槽外壁溫度的功能
作為改進，所述的熱電模塊為多個，以串聯(lián)或并聯(lián)或串聯(lián)及并聯(lián)相結合 的方式相互連接。
根據(jù)鋁電解槽溫度分布的具體情況，安裝于電解槽側部的熱電模塊的高
溫端工作溫度優(yōu)選為200 500°C，安裝于電解槽底部的熱電模塊的高溫端工
作溫度優(yōu)選為50 150°C。
熱電模塊高溫端與低溫端優(yōu)選維持60 10(TC的溫度差。
作為改進，所述的熱電模塊和電池或負載之間串聯(lián)有穩(wěn)流裝置或穩(wěn)流裝置。
本發(fā)明所具有的有益效果有
本發(fā)明通過對電解槽廢熱的利用，能降低鋁電解過程的能源消耗，能提 高鋁電解能量利用率0.5 5%，由于電解鋁是高耗能過程，因此能降低能源消 耗，其意義尤為重大?，F(xiàn)有的一些廢熱利用并沒有考慮到鋁電解槽的正常工 作狀態(tài)下熱平衡的要求，且廢熱利用過程中，會對電解槽產生復雜的影響， 很可能使正常的生產過程無法進行。本發(fā)明充分考慮了鋁電解槽工作溫度， 熱平衡條件的要求，將熱電模塊和冷卻裝置巧妙地結合，引入了鋁電解槽熱 平衡控制系統(tǒng)，有利于電解槽電解溫度的控制，尤其是側部，底部溫度的控 制，從而控制爐幫的厚度，形成規(guī)整的爐膛內型，有效提高鋁電解槽的使用 壽命，在利用熱能產生電能的過程不會對原有的鋁電解過程產生任何不良影 響。
圖1為本發(fā)明的總體結構框圖；圖2為熱電單元示意圖；(l-導熱陶瓷，2-導電銅片組成) 圖3為熱電模塊示意圖；(3-熱電單元)
圖4為本發(fā)明的實施例的具體結構圖(4-熱電模塊，6-溫度傳感器，7-鋁電解槽)；
圖5為本發(fā)明的實施例的冷卻裝置的自動控制示意圖； 圖6為本發(fā)明熱電模塊風冷裝置示意圖。(8-熱管散熱器件，9-鼓風管， 10-鼓風機,ll-噴嘴)
具體實施例方式
以下結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。以下實施例旨在說明本發(fā)明而不 是對本發(fā)明的進一步限定。
本發(fā)明的總體結構框圖如圖l所示，該裝置包括熱電模塊、冷卻裝置、 穩(wěn)壓或穩(wěn)流裝置以及電池或負載；熱電模塊的低溫端(即冷端)連接冷卻裝置， 熱電模塊高溫端(即熱端)固定在鋁電解槽外壁上，熱電模塊將熱能轉化為 電能且其電壓引出端通過所述的穩(wěn)壓或穩(wěn)流裝置向電池或負載輸出電能。
熱電模塊的工作原理每塊熱電模塊(熱電材料)如圖3所示，由幾十 至幾百個熱電單元3組成，熱電單元如圖2所示，其中上下兩端各設有導熱 陶瓷l以及導電銅片2，每個熱電單元由一個p型半導體和一個n型半導體 組成，冷端(圖2的上端)接低溫區(qū)，熱端(圖2的下端)接高溫區(qū)，冷端 p型半導體和n型半導體通過導體連接，熱端接外電路，當熱端與冷端存在 溫差時，則熱端的p、 n半導體外接引線向外輸出電能。由于電壓較低，需要 通過串聯(lián)提高其輸出電壓。所使用的熱電模塊由廈門納米克熱電電子有限公 司生產，型號為TEPl-12656-0.6，或采用河南安陽市以太科技中心生產的產 品，型號為TECI-03180T125 。
我國目前采用的鋁電解槽多為預焙陽極鋁電解槽，由于電解槽陽極，電 解質，陰極等都存在電阻，在電解過程中，大電流通過時產生巨大的熱量， 采用下部保溫，上部抽風散熱的方式，維持整個電解槽的熱平衡，其正常電解溫度為95(TC左右，槽底溫度為70 110°C，槽側部為200~400 °C，與環(huán)境
有較大的溫差。
應用高溫端工作溫度為40(TC左右的溫差發(fā)電模塊，采用粘接或螺絲固
定于電解槽側部，高溫端工作溫度為iocrc左右的溫差發(fā)電模塊以同樣的方
式固定于電解槽底部。熱電模塊之間的間距為0. 5 3cm，以泡沫水泥等絕熱
材料填充。
熱電模塊發(fā)出的電壓為 V=S*(T ,"'廠T低)
其中，*為乘法號，S為熱電模塊的轉換系數(shù)(即Seebeck系數(shù))，T ,和 T^分別為熱電模塊高溫端、低溫端的溫度。 電解槽通過熱電模塊散發(fā)熱量為 Q放二c氺m氺(TT低)
其中，c為介質的比熱，m為流過的導熱介質的質量，從上式可知，調節(jié) 流過的導熱介質的流量，即可調節(jié)散出的熱量，從而維持電解槽溫度在所控 制的范圍。
實施例1:
針對一臺240kA預焙陽極鋁電解槽
槽側部面積+槽底部面積為2.1Pl(^mm2，每片熱電發(fā)電模塊40*40*4 mm3，當熱端與冷端維持60 10(TC的溫度差時，熱電模塊的輸出電壓為4 6V，
電流為3 5A。
以平均利用槽底槽側面積的70%，安裝2.11*106*70%/1600=9.23*102 (片)，應用高溫端工作溫度為40(TC左右的溫差發(fā)電模塊(熱電模塊)，采用 粘接或螺絲固定于電解槽側部，高溫端工作溫度為100。C左右的溫差發(fā)電模 塊(熱電模塊)以同樣的方式固定于電解槽底部。熱電模塊之間的間距為 0. 5 3cm，以泡沫水泥等絕熱材料填充。
熱電模塊低端溫度可調，低溫端以風冷式冷卻裝置來冷卻，維持一定的 溫度低溫端上安裝市場能購得的熱管散熱器件8，并安裝鼓風機10和連接鼓風機的鼓風管9，在每個熱管散熱器件8正對位置安裝鼓風管9的噴嘴 11，維持低溫端的溫度。在電解槽外表面與熱電模塊的高溫端之間固定溫度 傳感器6 (在鋁電解槽的底部和側部都設有溫度傳感器)，應用自動溫度控制 裝置，通過調節(jié)鼓風機10的轉速，調節(jié)吹向熱電模塊冷端的空氣流量，從而 調節(jié)帶走的熱量，保證鋁電解槽熱量平衡的基礎上把熱能轉化為電能。由溫 度傳感器、熱管散熱器件、鼓風機、鼓風管和控制器組成自動控制系統(tǒng)，控 制鋁電解槽的散熱量，維持電解槽表面溫度在一定范圍內(即控制鋁電解槽 側壁的溫度為200 400°C，控制鋁電解槽側壁的溫度為70 110°C)，從而滿 足鋁電解的正常溫度要求。本實施例根據(jù)溫度測定值與設定值的差值，基于 確定的PID控制規(guī)策略實現(xiàn)自動控制，其自動控制過程示意圖如圖5所示， 其中的調節(jié)器可以是鼓風機的轉速調節(jié)裝置，如變頻器等。
采用的熱電模塊為40*40*4 60*60*9 mm3，當熱端與冷端維持60 100 。C的溫度差時，熱電模塊的輸出電壓為4 6V，電流為3 5A。
熱電模塊串聯(lián)提高其輸出電壓到額定要求，并聯(lián)方式達到所需直流電電 流范圍。
如果將熱電模塊的輸出電流用于240kA電解槽，則采用1000個熱電模塊 并聯(lián)，通過現(xiàn)有的鋁電解槽穩(wěn)流裝置向電解槽提供穩(wěn)定直流電。 另一種輸出電能方式是將輸出電壓經市售交直流逆變電路進行升壓或降壓， 獲得穩(wěn)定的輸出電壓，儲存于Ni-H二次電池或其它二次電池。
權利要求
1、一種風冷式鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，包括熱電模塊、控制熱能輸出的冷卻裝置以及電池或負載，該熱電模塊的高溫端緊貼固定在電解槽外壁，低溫端接冷卻裝置，所述的熱電模塊的電壓引出端接電池或負載；所述的冷卻裝置包括設置在所述熱電模塊的低溫端的熱管散熱器件；鼓風機；連接鼓風機的鼓風管，該鼓風管的噴嘴安裝在熱管散熱器件正對位置；固定在鋁電解槽外壁的溫度傳感器；控制器，該控制器的輸入端連接所述溫度傳感器的輸出端，該控制器的輸出端連接所述的鼓風機的轉速控制端。
2、 如權利要求l所述的風冷式鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，所述 的熱電模塊為多個，以串聯(lián)或并聯(lián)或串聯(lián)及并聯(lián)相結合的方式相互連接。
3、 如權利要求l所述的風冷式鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，電解 槽側部的熱電模塊的高溫端工作溫度為200 50(TC，電解槽底部的熱電模 塊的高溫端工作溫度為50 150°C。
4、 如權利要求l所述的風冷式鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，熱電 模塊高溫端與低溫端維持60 10(TC的溫度差。
5、 如權利要求l所述的風冷式鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，控制 器為PID控制器、模糊控制器或神經網(wǎng)絡控制器，或者綜合PID控制策略、 模糊控制策略和神經網(wǎng)絡控制策略的控制器。
6、 如權利要求1 5任一項所述的風冷式鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征 在于，所述的熱電模塊和電池或負載之間串聯(lián)有穩(wěn)流裝置或穩(wěn)流裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風冷式鋁電解槽廢熱利用裝置，其特征在于，包括熱電模塊和冷卻裝置以及電池或負載，該熱電模塊的高溫端緊貼固定在電解槽外壁，低溫端接冷卻裝置，所述的冷卻裝置為以鼓風機產生的高壓冷空氣為冷源，應用風管和多個噴嘴，把高壓冷卻空氣噴到熱電模塊的冷端的熱管散熱器件，高壓冷卻空氣的流速可調，用于調節(jié)通過熱電模塊散發(fā)的熱量，從而控制電解槽外部的溫度。所述的熱電模塊的電壓引出端接電池或負載；所述的熱電模塊為多個，以串聯(lián)、并聯(lián)或串聯(lián)及并聯(lián)相結合的方式相互連接。該風冷式鋁電解槽廢熱利用裝置能降低鋁電解過程的能源消耗，提高鋁電解能量利用率0.5～5％，且本發(fā)明由于引入了鋁電解槽熱平衡控制系統(tǒng)，在利用熱能產生電能的過程中不會影響原有的鋁電解生產過程。
文檔編號H02N11/00GK101610047SQ20081003150
公開日2009年12月23日 申請日期2008年6月16日 優(yōu)先權日2008年6月16日
發(fā)明者劉憲鋒, 振 廖, 汪奕醒, 湛雪輝, 肖忠良 申請人:湖南晟通科技集團有限公司