鋁電解槽側(cè)壁換熱體系的計(jì)算建模與應(yīng)用

周乃君，郭 勇，王曉元，王 宇

（中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083）

鋁電解槽側(cè)壁換熱體系的計(jì)算建模與應(yīng)用

周乃君，郭 勇，王曉元，王 宇

（中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083）

以商業(yè)軟件ANSYS為平臺(tái)，建立了400 kA預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽側(cè)壁換熱體系的的三維仿真模型，并進(jìn)行了具體的數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果表明：在設(shè)定的工況條件下，熔體區(qū)側(cè)壁最高溫度為112℃，與常規(guī)的自然冷卻相比，降低150℃以上，側(cè)壁單組換熱器的換熱量為2 342W。爐幫形狀比較規(guī)整，爐幫厚度為16.8 cm左右。研究成果可為鋁電解槽側(cè)壁換熱體系的設(shè)計(jì)提供參考。

鋁電解槽；換熱器；溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬

鋁電解工業(yè)是重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是高耗能大戶之一。鋁電解的電能有效利用不足50%，有一半以上以熱能的方式散耗到周圍環(huán)境，而槽側(cè)部散熱卻大約占整個(gè)槽體系散熱總量的45%［1］。如果能回收電解槽側(cè)部散失的熱量，將可以緩解鋁電解工業(yè)面臨的巨大節(jié)能減排壓力，同時(shí)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、減少對(duì)環(huán)境的熱污染。

目前有很多學(xué)者都在積極探索鋁電解槽側(cè)壁余熱利用技術(shù)，其研究主要集中在熱聲熱機(jī)技術(shù)［2，3］、溫差發(fā)電技術(shù)［4，5］等方面。但由于以上技術(shù)尚存在很多未能解決的問題，這就迫使科技工作者尋找新的方法。基于鋁電解槽的工作特點(diǎn)，中南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次提出了基于有機(jī)朗肯循環(huán)的鋁電解槽側(cè)壁余熱發(fā)電技術(shù)，并結(jié)合鋁電解槽側(cè)壁散熱特性，設(shè)計(jì)了一種高效換熱器。本文在此基礎(chǔ)上，采用ANSYS軟件，研究電解槽側(cè)壁裝余熱回收裝置后溫度場(chǎng)的分布情況，以便獲得側(cè)壁熱交換對(duì)鋁電解槽爐膛內(nèi)形的影響規(guī)律，為今后應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 計(jì)算模型

設(shè)計(jì)的槽壁換熱器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它將安裝于鋁電解槽側(cè)壁的散熱孔內(nèi)，換熱器平面面積設(shè)計(jì)為0.25 m2。它們與電解槽內(nèi)電解質(zhì)和鋁液熔體、爐幫結(jié)殼、側(cè)部炭塊、耐火保溫層、槽殼等共同構(gòu)成一換熱體系，換熱器傳熱管中充有低沸點(diǎn)工質(zhì)。

1.1 物理模型

考慮到鋁電解槽結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在建立計(jì)算模型時(shí)須進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，這些簡(jiǎn)化假設(shè)可參考文獻(xiàn)［6］?；谶@些合理假設(shè)，應(yīng)用ANSYS軟件，針對(duì)某400 kA電解槽及其設(shè)計(jì)的換熱體系建立物理模型，所建立的網(wǎng)格化的三維切片模型如圖2所示。

圖1 槽壁換熱器結(jié)構(gòu)圖

圖2 槽側(cè)壁換熱體系網(wǎng)格化的物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 控制方程

控制方程包括導(dǎo)電和導(dǎo)熱兩個(gè)微分方程。

導(dǎo)電微分方程：

其中：σ為材料電阻率；V為電位。

導(dǎo)熱微分方程：

其中：λ為材料的導(dǎo)熱率；q為單位時(shí)間內(nèi)熱源熱生成率，與式（1）中的電位有關(guān)，所以需要對(duì)兩式進(jìn)行耦合求解。

1.2.2 邊界條件

考慮電解槽的對(duì)稱面無電、熱流過；導(dǎo)桿上部電流流入和陰極鋼棒外表面電流流出為紐曼（Neumann）邊界，其大小為總電流的均攤值；陰極上表面、陽(yáng)極下表面為基準(zhǔn)電位，設(shè)定為零電勢(shì)面。覆蓋層氧化鋁的上表面、鋼爪和鋁導(dǎo)桿的表面與周圍空氣的復(fù)合傳熱系數(shù)的確定見文獻(xiàn)［7］；爐幫與鋁液、電解質(zhì)等與熔體相關(guān)的換熱系數(shù)，不同文獻(xiàn)差別很大，大致在200～1 600 W／m2·℃［8，9］之間。但文獻(xiàn)［10］研究指出，其換熱系數(shù)即使相差700 W／m2·℃時(shí)，實(shí)際換熱量的差距卻不到1%。本文取值為文獻(xiàn)［8］、［9］給出的相應(yīng)換熱系數(shù)的平均值。鑒于工質(zhì)的對(duì)流換熱與電解槽槽殼內(nèi)部導(dǎo)熱的耦合解析實(shí)施難度很大，本文借鑒文獻(xiàn)［11］的研究方法，對(duì)換熱器內(nèi)部流體進(jìn)行簡(jiǎn)化，即：不直接考慮流體的流動(dòng)，而是在換熱器內(nèi)部施加對(duì)流換熱條件，大小取值為990 W／m2·℃。另外，爐幫位置的調(diào)整方法見文獻(xiàn)［7］。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

采用上述方法針對(duì)某鋁業(yè)公司400 kA電解槽進(jìn)行研究。其相關(guān)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，求解區(qū)域溫度分布如圖3所示，槽側(cè)壁溫度分布如圖4所示，傳熱管內(nèi)壁溫度分布如圖5所示。

表1 電解槽相關(guān)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 求解區(qū)域溫度分布

由圖3可知，求解區(qū)域最高溫度949.27℃，最低溫度58.97℃。鋁電解槽槽幫內(nèi)形比較規(guī)整，槽幫厚度16.8 cm，這一厚度相對(duì)比較理想，能夠起到保護(hù)內(nèi)襯的效果。

圖4 槽側(cè)壁溫度分布圖

圖5 傳熱管內(nèi)壁溫度分布

由圖4及圖5可知，由于換熱器將一部分熱量帶出，槽壁與換熱器接觸處溫度降低，最高溫度僅為112℃，與常規(guī)情況下的250～300℃相比，降低達(dá)150℃之多，這從側(cè)面反映了換熱體系的換熱具有一定的高效性。由于計(jì)算模型的對(duì)稱性，蛇形管溫度呈對(duì)稱分布。傳熱管內(nèi)壁平均溫度94.1℃，稍微低于換熱器與電解槽接觸表面平均溫度97.5℃，兩者溫差較小，這是由于本換熱體系采用的是導(dǎo)熱性能好的材料（傳熱管為銅，其余為鋁）的緣故。此外，側(cè)部散熱總量為7 200 W，每組換熱器的換熱量為2 342 W，占整個(gè)側(cè)部散熱總量的32.5%。

3 結(jié) 論

在對(duì)鋁電解槽進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)鋁電解槽側(cè)壁換熱體系進(jìn)行了仿真計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果來看，得到以下結(jié)論：

1.在給定工況下，鋁電解槽熔體區(qū)側(cè)壁最高溫度為112℃。鋁電解槽槽幫厚度為16.8 cm，大小較為理想，能夠滿足保護(hù)內(nèi)襯的要求。

2.換熱體系溫度呈對(duì)稱分布，由于換熱器采用導(dǎo)熱性能好的鋁和銅材料，換熱器各部分溫差較小。

3.每組換熱器的換熱量為2 342 W，占整個(gè)側(cè)部散熱總量的32.5%。

［1］ K.Eika，R.Skjeggstad.Heat recovery and dynamic process studies［J］.Light Metals，1993，6（5）：277－284.

［2］ 黃謙，劉益才，張明研，等.熱聲熱機(jī)在鋁電解槽余熱利用中的研究［C］.浙江：中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)，2007.620－624.

［3］ 周遠(yuǎn)，羅二倉(cāng).熱聲熱機(jī)技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，（3）：14－26.

［4］ 張韜，周孑民，黃學(xué)章，等.半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在鋁電解槽中的應(yīng)用研究［J］.熱科學(xué)與技術(shù)，2010，9（1）：58－63.

［5］ L.E.Bell.Cooling，heating，generating power，and recovering waste heatwith thermoelectric systems［J］.Science，2008，321（5 895）：1 457－1 461.

［6］ 崔大光，王富強(qiáng).鋁電解槽側(cè)部槽殼散熱三維仿真模型研究［J］.輕金屬，2008，（7）：31－34.

［7］ Mei Chi，Zhou Jie－min，Peng Xiao－qi，et al.Simulation and optimization on non－ferrousmetallurgy furnaces［M］.Beijing：Metallurgical Industry Press，2010.157－160.

［8］ Taylor M.P，Zhang W.D，V.Wills，et al.A dynamic model for the energy balance of an electrolysis cell［J］.Institution of Chemical Engineers，1996，74（8）：913－933.

［9］ 馮乃祥，梁芳慧.160 kA大型預(yù)焙鋁陽(yáng)極鋁電解槽溫度場(chǎng)及槽幫與熔體間換熱系數(shù)的計(jì)算［J］.有色金屬，1999，（3）：18－22.

［10］馬素紅.基于ANSYS的大型預(yù)焙鋁電解槽熱電場(chǎng)的仿真［D］.北京：北方工業(yè)大學(xué)，2007.19－22.

［11］TaoWen－ju，Wang Zhao－wen，Zhao Zhi－bin，et al.Thermo－electric field analysis on heat recovery aluminum reduction cell［C］.In Proceedings of 2010 World Non－Grid－Connected Wind Power and Energy Conference，Nanjing：World Wind Energy Institute，2010.249－252.

M odeling and Application for Calculation of a Heat Exchange System in Alum inum Reduction Cell Sidewalls

ZHOU Nai-jun，GUO Yong，WANG Xiao-yuan，WANG Yu
（School of Energy Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China）

With commercial simulation software ANSYS，a three－dimensional simulation model about the heat exchange system in 400kA pre－baked aluminum reduction cell sidewalls was established，and a specific numerical simulation was computed.The results show that under the given process condition，themaximum temperature ofmelt zone is only 112℃and decreases by 150℃，compared with the conventional natural cooling，the heat transfer of a single heat exchanger is up to 2 342W.In addition，a well shaped ledge is also acquired，which is about16.8 cm in thickness.The research results can provide reference for design of the heat exchange system in aluminum reduction cell sidewalls.

aluminum reduction cell；heat exchanger；thermal field；numerical simulation

TG146.1＋2

：A

：1003－5540（2014）02－0049－03

2014－03－15

湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2009GK2009）

周乃君（1963－），男，博士，教授，主要從事工業(yè)節(jié)能技術(shù)研究。