專利名稱：鋁電解槽余熱利用熱聲模塊裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱聲模塊裝置，具體地說，是一種用于鋁電解槽余熱利用，提高鋁電 解槽有效能量利用率，降低其綜合能耗的余熱利用熱聲模塊裝置。
技術(shù)背景隨著鋁電解槽容量或者電流的不斷增大，電解槽側(cè)部槽殼溫度不斷提高。電解槽側(cè)部 槽殼溫度的提高，不僅對(duì)槽膛內(nèi)形的溫度分布和電解車間的環(huán)境溫度有著重要的影響，而 且會(huì)帶來更多的余熱損失。目前鋁電解槽的綜合能量利用效率只有49%，因此就有大量 的余熱直接散發(fā)到空氣中，而如何有效利用電解槽側(cè)部槽殼的余熱，目前國內(nèi)外還沒有相關(guān)的有效利用方法。熱驅(qū)動(dòng)熱聲熱機(jī)具有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)其一是完全沒有運(yùn)動(dòng)部件，從 根本上消除了常規(guī)熱機(jī)存在的磨損與振動(dòng)，因此具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)；第二是 采用熱能驅(qū)動(dòng)，可利用低品位熱能、余熱、太陽能、天然氣等作為熱源，具有很大的靈活 性和發(fā)展?jié)摿?。采用低品位的熱能和余熱不僅有利于提高系統(tǒng)的熱力學(xué)效率，而且對(duì)那些 缺乏電能的場合則更具有實(shí)際意義。同時(shí)，利用余熱的熱驅(qū)動(dòng)熱聲熱機(jī)使用惰性氣體工質(zhì) 作為工作介質(zhì)，非常環(huán)保。研究表明，對(duì)于熱驅(qū)動(dòng)的熱聲來說，只要熱端換熱器和冷端換熱器之間的溫差達(dá)到200K以上，在一定的諧振管和回?zé)崞髦芯涂梢援a(chǎn)生可資利用的聲波。 現(xiàn)有的熱聲系統(tǒng)， 一般采用半波長或者四分之一波長的系統(tǒng)，對(duì)于半波長的熱聲系統(tǒng)，其系統(tǒng)固有工作諧振頻率為一5z而對(duì)于四分之一波長的聲學(xué)系統(tǒng)，其系統(tǒng)固有工作諧振頻率為-"丄s對(duì)于以上兩種情況的熱聲聲學(xué)系統(tǒng)的長度￡均與系統(tǒng)工作的介質(zhì)聲速Q(mào))和工作諧振 頻率./相關(guān)，當(dāng)聲學(xué)工作介質(zhì)一定時(shí)，其介質(zhì)聲速就不變，因此系統(tǒng)的工作尺寸就主要與 系統(tǒng)工作頻率相關(guān)，當(dāng)工作頻率越高時(shí)，其相應(yīng)的尺寸就越小，那么其對(duì)應(yīng)的體積比功率就會(huì)越大。也即是當(dāng)or 1100m/s(氦氣工質(zhì))，工質(zhì)頻率戶50Hz時(shí)，半波長的熱聲諧振管 長為/,llm，四分之一波長的熱聲諧振管系統(tǒng)長度為i^5.5m，這樣的長度就便于熱聲模 塊系統(tǒng)和能量輸出利用系統(tǒng)分開布置，符合現(xiàn)有的鋁電解槽的實(shí)際空間位置布置的需要。另外熱聲熱機(jī)回?zé)崞鲀啥说臏囟忍荻仁菬崧暟l(fā)動(dòng)機(jī)起振的基本條件。當(dāng)熱量通過熱端 換熱器時(shí)，溫度梯度在回?zé)崞鲀啥酥鸩浇⑵饋?。?dāng)溫度梯度達(dá)到一臨界溫度時(shí)，起振溫 度參見附圖
5，諧振管內(nèi)的氣體就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，把熱能轉(zhuǎn)化為聲能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得在工 質(zhì)為氮?dú)?，充氣壓力Pn^0.4MPa的工況下，起振溫度A T有最小值180K。另外，諧振管 的長度對(duì)起振溫度A T有明顯的影響，諧振腔相當(dāng)于加長了諧振管的長度，對(duì)降低起振溫 度AT有顯著的效果。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出了一種鋁電解槽余熱的綜合利用方法，即利用熱聲裝置來對(duì)其進(jìn)行能量的 轉(zhuǎn)換和利用，由于鋁電解槽側(cè)部槽壁對(duì)外散熱溫度位于250 32(TC的范圍，鋁電解槽綜合 能量消耗為15000kwh/t，綜合有效能量利用效率約為49%，因此其散發(fā)的余熱就具有較 大的熱流密度。本發(fā)明的目的就是設(shè)計(jì)一種余熱利用裝置，該裝置能夠有效地收集鋁電解 槽側(cè)部槽壁的余熱，并對(duì)余熱的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換利用，從而提高鋁電解槽的有效能量利用效 率，降低其綜合能耗水平。本發(fā)明由諧振腔、熱端換熱器、回?zé)崞?、冷端換熱器、聲波導(dǎo)管和聲能輸出裝置依次 相接而成，熱端換熱器與回?zé)崞饕幻嫦嘟樱責(zé)崞鞯牧硗庖幻嬖倥c冷端換熱器相接，熱端 換熱器、回?zé)崞鳌⒗涠藫Q熱器均布置在諧振腔的內(nèi)腔中，諧振腔的冷端換熱器出口一面由 梯形過渡管連接到聲波導(dǎo)管，聲波導(dǎo)管的另外一段連接聲能輸出裝置，諧振腔中充有工質(zhì), 本發(fā)明的工質(zhì)為惰性氣體， 一般為氦氣、氮?dú)?、氖氣、氙氣，或者是這些氣體工質(zhì)的混合 物。使用混合物時(shí)的比例為60% 75%的氦氣和40% 25%的氖氣混合，也可以是三種 或三種以上氣體的混合物，其混合比例根據(jù)所需要的工作頻率來確定，確定的方法類似于 使用單一工質(zhì)氦氣的方法，熱聲模塊和鋁電解槽散熱孔采用焊接或螺紋連接固定。熱端換熱器2的長X高X厚度的范圍分別為長度為30 60cm，高度為20~35cm， 厚度為2~15cm;回?zé)崞?的長X高X厚度的范圍分別為長度為30~60cm，高度為 20 35cm，厚度為5~20cm;冷端換熱器4的長X高X厚度的范圍分別為長度為30~60cm， 高度為20 35cm，厚度為2 15cm;也即是熱端換熱器2、回?zé)崞?和冷端換熱器4的長 度和高度尺寸是一致的，只有厚度尺寸的不同。諧振腔要求有一定的長度，符合半波長或四分之一波長系統(tǒng)的需要，這樣可以根據(jù)實(shí) 際需要調(diào)節(jié)熱聲模塊裝置的工作頻率和能量輸出效率。本發(fā)明充分利用了鋁電解槽的槽壁散熱孔部分的余熱和熱聲熱機(jī)裝置的結(jié)構(gòu)簡單、熱 聲轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢，首次提出了一套完整的鋁電解槽余熱轉(zhuǎn)換和利用方案，使得鋁電解由以下方法完成(1) 糖化首先是淀粉轉(zhuǎn)化生成麥芽糖，然后由嗜熱菌產(chǎn)生的麥芽糖/海 藻糖酶，將麥芽糖轉(zhuǎn)化為海藻糖，得到海藻糖與麥芽糖、葡萄糖、麥芽三糖的 混合液。(2) 加氫將海藻糖與麥芽糖、葡萄糖、麥芽三糖的混合液進(jìn)行加氫，使 其中的雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為麥芽糖醇、山梨醇和麥芽三糖醇，而海藻糖由于不具有還原 性，而保持不變。方法為將海藻糖液加純水稀釋至折光濃度為20—60%，調(diào)PH 值至4. 0—8. 0后，加入高壓加氫反應(yīng)釜中，按糖液干物質(zhì)的2.0—10. 0%加入催 化劑，檸緊反應(yīng)釜蓋。在攪拌下開始升溫，同時(shí)通入氮?dú)猓脫Q釜內(nèi)的空氣， 反復(fù)置換三次，再用氫氣置換釜內(nèi)的氮?dú)?，置換完畢后，繼續(xù)通入氫氣升壓到 6. 0—12. OMpa,反應(yīng)釜攪拌速度控制在200—600轉(zhuǎn)/分鐘，溫度控制在95—150 °C,進(jìn)行催化加氫，當(dāng)釜內(nèi)停止吸氫時(shí)，保持20分鐘出料。此時(shí)麥芽糖轉(zhuǎn)化成 了麥芽糖醇，純度為10—30%，葡萄糖轉(zhuǎn)化成了山梨醇，純度為1一10%，麥芽三糖轉(zhuǎn)化成了麥芽三糖醇，純度為l一ioy。，而海藻糖由于不具有還原性，沒有進(jìn)行加氬反應(yīng)，純度為50—80%，得到氫化液的折光濃度為20—60%。(3) 色譜分離將上述氫化液進(jìn)行脫色、離子交換、蒸發(fā)濃縮后，釆用模 擬移動(dòng)床設(shè)備進(jìn)行色譜分離,使混合液中的麥芽糖醇、山梨醇、麥芽三糖醇與海 藻糖分離。在模擬移動(dòng)床設(shè)備中裝滿鈣型的色譜分離樹脂，樹脂總裝量為IOL， 控制進(jìn)料濃度為20—70%，流速為0. 8 — 2. 5升/小時(shí)，進(jìn)洗脫劑水的流速為1. 5 一5升/小時(shí)，循環(huán)流速為4.0—9.0升/小時(shí)，分離溫度為40—8(TC,閥位切換 時(shí)間為200—600秒，控制出分離成品液的流速為0. 5 — 2. 0升/小時(shí)，出分離副 產(chǎn)品液的流速為1.0—3.0升/小時(shí)，經(jīng)處理的氫化液分離后，收集的分離成品 液濃度為20—50%,海藻糖純度為90—100%,分離副產(chǎn)品液濃度為10—30%，海絲網(wǎng)的目數(shù)為100~450目，冷端換熱器4的材料為銅或不銹鋼管，管內(nèi)通水冷卻。諧振 腔1和聲波導(dǎo)管5的材料也可為銅或不銹鋼等加工而成，熱端換熱器2和冷端換熱器4之間的諧振腔材料應(yīng)該為導(dǎo)熱性能差的材料來過渡連接，并輔助有適當(dāng)?shù)谋卮胧?。圖3是鋁電解槽余熱回收利用系統(tǒng)布置示意圖。包括熱聲模塊的諧振腔1、熱端換熱 器2、回?zé)崞?、冷端換熱器4、聲波導(dǎo)管5和聲能輸出裝置6、鋁電解槽廠房地面7、車 間操作平面8、鋁電解槽兩側(cè)散熱孔9、鋁電解槽本體IO。也即是說，利用本發(fā)明的熱聲 模塊裝置實(shí)現(xiàn)鋁電解槽的余熱回收轉(zhuǎn)換。圖4為本發(fā)明與實(shí)際的鋁電解槽兩側(cè)散熱孔配置位置示意圖，包括聲波導(dǎo)管5、聲能 輸出裝置6、鋁電解槽廠房地面7、車間操作平面8、鋁電解槽兩側(cè)散熱孔9、鋁電解槽本 體10、本發(fā)明的熱聲模塊ll、聲波集散器12，其中的熱聲模塊裝置就包括了諧振腔l、 熱端換熱器2、回?zé)崞?、冷端換熱器4以及與聲波導(dǎo)管5的連接部分。熱聲模塊10的數(shù) 量與實(shí)際的鋁電解槽本體兩側(cè)的散熱孔數(shù)量一致，對(duì)于160kVA的鋁電解槽而言，可以同 時(shí)布置28套以上的熱聲余熱回收利用模塊裝置，對(duì)于320kVA的鋁電解槽而言，可以同 時(shí)布置56套以上的熱聲余熱回收利用模塊裝置。鋁電解槽散熱孔9和車間操作平面8之 間有一個(gè)間隙，該間隙為本發(fā)明的聲波導(dǎo)管5向下穿過的位置，本發(fā)明的熱聲模塊就布置 在散熱孔9中，本發(fā)明的熱端換熱器2通過諧振腔1壁直接與散熱孔9的散熱壁面緊密接 觸，通過本發(fā)明的熱端換熱器實(shí)現(xiàn)鋁電解槽的余熱回收。鋁電解槽本體IO的兩邊均可以 布置本發(fā)明的熱聲余熱利用模塊裝置圖5表示了聲波導(dǎo)管長度隨本發(fā)明熱端換熱器和冷端換熱器之間的溫差的變化曲線， 說明了實(shí)際的鋁電解槽側(cè)部槽壁散熱孔的溫度與環(huán)境溫度之間的差值大于熱驅(qū)動(dòng)熱聲熱 機(jī)起振的最低溫差，因此是完全可行。為了便于實(shí)際使用，可以對(duì)本發(fā)明的余熱回收熱聲模塊裝置的聲波導(dǎo)管進(jìn)行集散，也 即是把多個(gè)熱聲模塊的聲波導(dǎo)管通過聲學(xué)集散器12來集中，從而實(shí)現(xiàn)大的聲能密度輸出， 這樣就便于實(shí)際的聲能利用。本發(fā)明的應(yīng)用范圍并不僅僅局限于鋁電解槽，對(duì)于具有相似結(jié)構(gòu)的余熱裝置，均可以 使用本發(fā)明來作為余熱回收利用設(shè)備，也即是對(duì)于相關(guān)的具有相當(dāng)溫差的余熱系統(tǒng)均同樣 具有作用。
權(quán)利要求
1. 一種鋁電解槽余熱利用熱聲模塊裝置，其特征在于由諧振腔、熱端換熱器、回?zé)崞?、冷端換熱器、聲波導(dǎo)管和聲能輸出裝置依次相接而成，熱端換熱器與回?zé)崞饕幻嫦嘟?，回?zé)崞鞯牧硗庖幻嬖倥c冷端換熱器相接，熱端換熱器、回?zé)崞?、冷端換熱器均布置在諧振腔的內(nèi)腔中，諧振腔的冷端換熱器出口一面由梯形過渡管連接到聲波導(dǎo)管，聲波導(dǎo)管的另外一段連接聲能輸出裝置，諧振腔中充有惰性氣體工質(zhì)，整個(gè)裝置和鋁電解槽散熱孔采用焊接或螺紋連接固定。
2、 如權(quán)利要求1所述的熱聲模塊裝置，其特征在于所述的熱端換熱器的長X高X厚度的 范圍分別為長度為30 60cm，高度為20 35cm，厚度為2 15cm;回?zé)崞鞯拈LX高X 厚度的范圍分別為長度為30 60cm，高度為20 35cm，厚度為5 20cm;冷端換熱器 的長X高X厚度的范圍分別為長度為30 60cm，高度為20-35cm，厚度為2 15cm。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的熱聲模塊裝置，其特征在于所述諧振腔的內(nèi)腔長度等于熱端 換熱器、回?zé)崞骱屠涠藫Q熱器的長度之和，諧振腔的厚度范圍為15 45cm。
4、 如權(quán)利要求3所述的熱聲模塊裝置，其特征在于諧振腔圓形或矩形部分過渡管到聲波 導(dǎo)管的梯形高度范圍為5 15cm，聲波導(dǎo)管的直徑為5 20cm，熱聲模塊的工作介質(zhì)為氦 氣時(shí)，工作頻率位于50 150Hz，聲波導(dǎo)管的長度范圍是3 15m。
5、 如權(quán)利要求4所述的熱聲模塊裝置，其特征在于熱端換熱器的材料為銅或不銹鋼薄片， 回?zé)崞鞯牟牧蠟殂~或不銹鋼薄片，或者銅網(wǎng)或不銹鋼絲網(wǎng)，絲網(wǎng)的目數(shù)為100-450目， 冷端換熱器的材料為銅或不銹鋼管，管內(nèi)通水冷卻或采用風(fēng)冷或其他冷卻方式，諧振腔 和聲波導(dǎo)管的材料為銅或不銹鋼加工而成，熱端換熱器和冷端換熱器之間的諧振腔材料 用導(dǎo)熱性能差的材料過渡連接。
6、 如權(quán)利要求l所述的一種鋁電解槽余熱利用熱聲模塊裝置，其特征在于所述的熱聲模 塊連接的聲波導(dǎo)管是集散形式的，把多個(gè)熱聲模塊的聲波導(dǎo)管通過聲學(xué)集散器來集中，聲學(xué)集散器尺寸為直徑為10 45mm，長度為3~15m，或者為等效直徑為10 45mm， 長度為3 15m的管道制作而成。
7、 如權(quán)利要求1所述的一種鋁電解槽余熱利用熱聲模塊裝置，其特征在于所述惰性氣體 工質(zhì)為氦氣、氮?dú)?、氖氣、氙氣，或者是這些氣體工質(zhì)的混合物。
全文摘要
一種鋁電解槽余熱利用熱聲模塊裝置，本發(fā)明采用模塊化結(jié)構(gòu)，由諧振腔1、熱端換熱器2、回?zé)崞?、冷端換熱器4、聲波導(dǎo)管5和聲能輸出裝置6依次相接而成，即熱端換熱器2與回?zé)崞?一面相接，回?zé)崞?的另外一面再與冷端換熱器4相接，熱端換熱器2、回?zé)崞?、冷端換熱器4均布置在諧振腔1的內(nèi)腔中，諧振腔1的冷端換熱器4出口一面由錐形過渡連接到聲波導(dǎo)管5，聲波導(dǎo)管5的另外一段連接聲能輸出裝置6組合而成。本發(fā)明充分利用了熱聲效應(yīng)能夠把余熱轉(zhuǎn)化為聲功，進(jìn)而對(duì)聲功進(jìn)行利用，使鋁電解槽產(chǎn)生的余熱經(jīng)過模塊化的熱聲裝置進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，提高了鋁電解槽的有效能量利用效率，并降低其綜合能耗，本發(fā)明制造簡單，加工、安裝方便。
文檔編號(hào)C25C3/08GK101230471SQ200710034298
公開日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2007年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月23日
發(fā)明者劉振利, 劉益才, 周孑民, 曹立宏, 楊智輝, 謙 黃 申請(qǐng)人:中南大學(xué)