闞宗祥(香河?xùn)|方電子有限公司 065400)
半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在鋁電解槽中的應(yīng)用研究
闞宗祥
(香河?xùn)|方電子有限公司 065400)
測(cè)量鋁電解槽的散熱量、槽壁熱流密度及溫度,對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)用于鋁電解槽的可行性進(jìn)行分析。結(jié)合鋁電解槽和半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)符合鋁電解槽特點(diǎn)的半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置,測(cè)量發(fā)電裝置的功率和效率。測(cè)試結(jié)果顯示半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)可用于鋁電解槽余熱發(fā)電。
半導(dǎo)體;溫差發(fā)電技術(shù);鋁電解槽
溫差發(fā)電技術(shù)是一種將熱能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿墓虘B(tài)能量轉(zhuǎn)化發(fā)電技術(shù),與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)相比,溫差發(fā)電技術(shù)的體積和自重都具有明顯優(yōu)勢(shì),因而溫差發(fā)電裝置的可移動(dòng)性和便攜性能更好[1]。溫差發(fā)電技術(shù)的原材料為熱能,無(wú)需其他能源,屬于綠色環(huán)保發(fā)電技術(shù)。半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)是一種基于半導(dǎo)體熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換材料的發(fā)電技術(shù),由于半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)的成本較高,該技術(shù)多用于高精尖領(lǐng)域,例如衛(wèi)星和電力系統(tǒng)[2]。隨著科技的不斷進(jìn)步,半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用成本大幅度降低,該技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣,并且逐漸用于工業(yè)民用領(lǐng)域,本文主要對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在鋁電解槽中的應(yīng)用進(jìn)行研究。
1.1 鋁電解槽特點(diǎn)
鋁電解槽是進(jìn)行鋁電解過(guò)程的主體設(shè)備,隨著鋁電解工藝水平提升,鋁電解槽容量及電流量也在不斷提高,造成單位面積散熱強(qiáng)度提高,鋁電解槽外殼溫度也更高。相關(guān)研究報(bào)道[3],150~320kA容量的鋁電解槽,正常運(yùn)行狀態(tài)下鋁電解槽側(cè)部溫度在260~400℃。雖然化學(xué)能量轉(zhuǎn)化技術(shù)可回收能量,但是回收率低于50%,半數(shù)以上余熱未經(jīng)處理后直接排至大氣內(nèi)[4]。余熱排向大氣不僅造成能量損失,也容易導(dǎo)致鋁電解槽工作環(huán)境的溫度上升,影響鋁電解槽的性能。因此,基于鋁電解槽的熱損失較高問(wèn)題,有必要使用溫差發(fā)電技術(shù)回收余熱,提高余熱利用率以及改善車間工作環(huán)境。
1.2 鋁電解槽側(cè)部散熱量分析
溫差發(fā)電技術(shù)所用熱能需要滿足一定條件,即熱能屬于低品位熱能。因此將半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)用于鋁電解槽前,需要對(duì)鋁電解槽的熱能進(jìn)行分析,判斷側(cè)部散熱量是否符合低品位熱能要求[5]。本研究根據(jù)電解槽總體散熱量判斷電解槽的熱能質(zhì)量,并采用基于電壓的電解槽散熱量計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,公式:
hb=I(Eb-E△H)…… ①
公式①中Eb=E槽- E母線- E均攤……②
公式①中hb、I、Eb、E△H、分別表示電解槽單位熱量損失、電流強(qiáng)度、熱平衡體系邊界內(nèi)電解槽的電壓降、當(dāng)量電壓;公式②中E槽、E母線、E均攤分別表示槽電壓、陰陽(yáng)極母線壓降、母線均攤電壓。
從公式①可以看到鋁電解槽散熱量主要與電流強(qiáng)度、電壓降和當(dāng)量電壓有關(guān),且關(guān)聯(lián)程度不同。在鋁電解槽中,電流和體系電壓屬于固定值,電流和體系電壓與溫度無(wú)關(guān)。當(dāng)量電壓屬于變量,溫度變化可引起當(dāng)量電壓發(fā)生變化。
鋁電解槽通過(guò)頂部、底部和側(cè)部散熱,各個(gè)部分的散熱效果與草體結(jié)構(gòu)有關(guān)。在穩(wěn)定運(yùn)行的電解槽中,各個(gè)部位的散熱量相對(duì)固定。本文所用鋁電解槽溫裝置主要通過(guò)電解槽側(cè)部發(fā)熱,在鋁電解槽容量范圍內(nèi),側(cè)部槽殼散熱量占總散熱量的20%~27%,符合溫差發(fā)電技術(shù)對(duì)散熱量的要求。
1.3 散熱孔溫度計(jì)熱流密度分析
溫差發(fā)電技術(shù)要求溫差符合一定標(biāo)準(zhǔn),熱量才能轉(zhuǎn)化為電能。因而需要對(duì)鋁電解槽散熱孔溫度和熱流密度進(jìn)行測(cè)試。本文使用紅外測(cè)溫儀和熱流儀測(cè)試某企業(yè)320 kA系列預(yù)焙鋁電解槽散熱溫度和熱流密度,并選擇15個(gè)散熱孔進(jìn)行分析。現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果顯示,15個(gè)散熱孔的溫度在301~44℃,熱流密度在6342~9371 W·m-2,符合溫差發(fā)電技術(shù)對(duì)溫差的要求。
1.4 可行性研究
內(nèi)可轉(zhuǎn)換熱能3520.8W,輸出電能29.4kW/h,可作為企業(yè)照明用電。
根據(jù)鋁電解槽側(cè)部散熱孔的尺寸,將半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置分為四個(gè)部分:鋁電解槽散熱孔壁、高導(dǎo)熱模塊、溫差發(fā)電模塊和冷卻模塊,溫差發(fā)電模塊為核心,負(fù)責(zé)熱能轉(zhuǎn)化。高溫導(dǎo)熱及冷卻模塊的底座采用鋁片設(shè)計(jì),提高導(dǎo)熱系數(shù)。模塊周邊使用高效隔熱材料包括,隔熱材料的熱導(dǎo)系數(shù)為0.012 W(m·K),可有效降發(fā)電裝置內(nèi)部熱損效率。電能輸出負(fù)載電路及控制裝置采用采用三層框架設(shè)計(jì),自上而下分為散熱模塊、裝置框架和導(dǎo)熱模塊,各個(gè)轉(zhuǎn)換裝置串聯(lián)若干個(gè)溫差發(fā)電模塊。
根據(jù)發(fā)電裝置的內(nèi)阻及相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù),本實(shí)驗(yàn)條件下發(fā)電裝置的輸出功率維持在20 W左右,詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表1?,F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示,100℃溫差條件下單個(gè)熱電轉(zhuǎn)換裝置可滿足4個(gè)5W節(jié)能燈穩(wěn)定工作。對(duì)裝置連續(xù)測(cè)試20h,結(jié)果顯示發(fā)電裝置運(yùn)行穩(wěn)定,未出現(xiàn)異常。
表1 熱電轉(zhuǎn)換裝置測(cè)試結(jié)果
目前鋁電解槽熱能利用率低,熱損高,不僅帶來(lái)環(huán)境污染問(wèn)題,更造成能源浪費(fèi),將半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)用于鋁電解槽中可以降低熱量損失,提高能源利用率,為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。但是應(yīng)用半導(dǎo)體溫發(fā)電技術(shù)還需要解決成本問(wèn)題和發(fā)電裝置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的影響,而且本研究結(jié)果顯示熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換效率仍不高,還需要熱傳和熱阻入手,提高轉(zhuǎn)換效率
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1007-6344(2016)06-0113-01