(57) Реферат / Формула:
Данное изобретение обеспечивает способ и устройство для охлаждения по большой поверхности, пригодные для использования с целью контроля образования слоя по значительной поверхности в ванне электролиза алюминия и использования тепла. Этой цели достигают с помощью коллектора, из которого выходят горячие концы тепловых трубок, представляющие собой горячий конец или концы; при этом холодный конец или конденсатор можно обеспечить внутри коллектора, или он может быть расположен за пределами коллектора.
PCT/NO2013/050008 С25С 3/08
ВАННА ЭЛЕКТРОЛИЗА АЛЮМИНИЯ, СОДЕРЖАЩАЯ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ БОКОВЫХ СТЕНОК
Область техники, к которой относится изобретение В целом изобретение относится к регулированию тепла, а в частности к усовершенствованному способу и устройству для охлаждения по большой поверхности, пригодным для использования для контроля образования слоя по обширной площади ванны электролиза алюминия, и использованию тепла.
Уровень техники
В ходе получения алюминия по существующей в настоящее время технологии электролиза, основанной на так называемых ваннах Холла-Эру (Hall - Heroult), работа ванн зависит от образования и поддержания защитного слоя застывшего электролита на боковых стенках ванны. Этот слой застывшего покрытия называется бортовым слоем и защищает бортовую футеровку ванн от химического и механического износа, что и представляет собой существенное условие для достижения длительного срока службы ванн. Закристаллизованная ванна работает одновременно как буфер для ванны с точки зрения изменений теплового баланса. При работе выделение тепла и тепловой баланс ванны могут изменяться из-за нежелательных нарушений в работе (изменений кислотности ванны, изменений концентрации оксида алюминия, изменений расстояний между электродами и т.д.) и желаемого рода работы ванн (слив металла, замена анода, нагрев и т.д.). Это вызывает изменение толщины слоя по периферии ванны, и в некоторых случаях слой полностью исчезает на некоторых участках периферии. Затем, бортовая футеровка будет приведена в контакт с электролитом и металлом, что, в сочетании с окислительными газами, будет приводить к коррозии материалов бортовой футеровки, вызывая их эрозию. При работе со временем такие повторяющиеся события могут приводить к износу боковых стенок. Таким образом, важно контролировать образование слоя и стабильность слоя в ваннах Холла-Эру. Для ванн Холла-Эру с высокими плотностями тока
модельные расчеты показывают, что трудно поддерживать бортовой слой ванны из-за значительного выделения тепла. Таким образом, для таких ванн и для традиционных ванн с проблемами теплового баланса условием долгого срока службы ванны будет возможность поддерживать слой, защищающий бортовую футеровку.
В ходе получения алюминия в соответствии с принципом Холла-Эру, в настоящее время это происходит при относительно высоком использовании энергии, измеряемой в килоВатт-часах на килограмм алюминия. Выделение тепла в электролизных ваннах происходит в результате омического падения напряжения в ванне, например, в токоподводах, в полученном металле и особенно в электролите. Примерно 55% подводимой к электролизной ванне энергии идет на образование тепла в ванне. Данные из литературы указывают, что примерно 40% общих потерь тепла из ванны идет через бортовую футеровку. Из-за высоких потерь тепла и наличия защитного застывшего слоя в бортовой футеровке предпочтительным является помещать элементы для регенерации тепла в этой области ванны.
Существует необходимость оптимизировать контроль образования слоя и регенерации тепла. Для того чтобы оптимизировать оба эти показателя одновременно, важно, чтобы регенерация тепла происходила как можно ближе к образованному бортовому слою. Это может привести к тому, чтобы контроль образования слоя и скорость его образования были как можно более быстрыми, и к тому, чтобы разность температур между входящей и выходящей тепловой средой была как можно большей. Последнее является предпочтительным для использования/регенерации энергии.
Кроме того, из-за большого масштаба электролизных ванн желательно также контролировать образование указанного слоя по значительной поверхности, так как отсутствие образования слоя по небольшой площади может принести большой ущерб. Традиционным способом отвода тепла являлось использование воздушной конвекции по всей площади поверхности ванны, что приводило к ограниченным возможностям использования отведенного тепла.
Из уровня техники известен патент N0 318012, соответствующий WO/2004/083489. Он описывает бортовую футеровку, сформированную с пустотами для протекания через них тепловой среды. Однако процесс
изготовления такой футеровки является сложным и требует, чтобы бортовую футеровку отливали с пустотами, сформированными предпочтительно до спекания материала.
Из уровня техники также известна патентная заявка N0 20101321, соответствующая PCT/NO2011/000263, и поданная автором данной заявки. Эта заявка описывает устройство для контроля образования слоя в ванне электролиза алюминия и использованием тепла, включающее бортовую футеровку, снабженную, по меньшей мере, одной полостью для теплопереноса и, по меньшей мере, одной тепловой трубкой, отличающееся тем, что охлаждающая трубка снабжена полостью, и что полость представляет собой по меньшей мере один канал, обеспеченный вдоль поверхности бортовой футеровки. Однако процесс изготовления этого устройства является сложным и требует снабжения бортовых футеровок большим количеством тепловых трубок, (обычно тепловых трубок), вдоль поверхности бортовой футеровки; при этом каждая из них требует отдельного охлаждения.
Также упомянуты плоские тепловые трубки, известные также как двухмерные тепловые трубки, на основе пластин, образующих тонкие плоские капилляры. Эта конструкция полезна для теплоотводов в применениях, чувствительных к высоте, однако, поскольку капилляры являются небольшими и тонкими, общий перенос тепла невелик. Также отличительной особенностью этой конструкции являются большие площади металла, которые не являются актуальными частями капилляров, что дополнительно снижает общий теплоперенос. Кроме того, эта конструкция обычно является плоской, в то время как следует предположить некоторую шероховатость поверхности бортовой футеровки, что приводит к плохому тепловому контакту. Это означает, что плоские тепловые трубки не подходят для охлаждения бортовой футеровки.
В целом проблемой является то, что эффективное охлаждение по большой площади требует устройства, имеющего большое количество деталей, что в свою очередь увеличивает сложность и стоимость, в то же время, снижая общую надежность.
Таким образом, имеется необходимость в способе и устройстве, которые решают вышеупомянутые проблемы.
Средства решения проблем
Согласно данному изобретению цели достигают с помощью устройства для контроля образования слоя в ванне электролиза алюминия, определенного в преамбуле п.1 формулы изобретения и имеющего отличительные признаки, изложенные в отличительной части п.1, и способа контроля образования слоя в ванне электролиза алюминия, который определен в преамбуле независимого, относящегося к способу, п. 10 формулы изобретения, где отличительные признаки указаны в отличительной части п. 10.
Данное изобретение достигает вышеописанной цели с помощью коллектора, из которого выходят горячие концы тепловых трубок, представляющие собой горячий конец или концы, и где холодный конец, или конденсатор, можно обеспечить внутри коллектора, или он может выходить за пределы коллектора.
Эффекты данного изобретения
Технические отличия по сравнению с существующим уровнем техники заключаются в том, что данное изобретение включает коллектор, из которого выходят горячие концы тепловых трубок, представляющие собой горячий конец или концы, и где холодный конец, или конденсатор, можно обеспечить внутри коллектора, или он может выходить за пределы коллектора. Также можно предусмотреть комбинации, использующие, по меньшей мере, один конденсатор внутри коллектора, и/или, по меньшей мере, один блок конденсации за пределами холодного конца.
Техническое назначение коллектора заключается в том, чтобы собирать рабочую текучую среду в виде паровой фазы из тепловых трубок и доставлять ее, по меньшей мере, к одному конденсатору, распределяя также текучую среду в виде жидкой фазы по меньшей мере по одной тепловой трубке.
Эти эффекты обеспечивают, в свою очередь, следующие дополнительные преимущества:
- позволяют обеспечить удобное решение, имеющее небольшое количество деталей, для охлаждения большой площади,
- позволяют чередовать раздвоенные тепловые трубки, что позволяет ремонтировать или заменять один блок, в то время как другие блоки работают, таким образом, позволяя осуществлять непрерывную работу, и
-
- обеспечивают в значительной степени упрощенную установку и соединение в том отношении, что раздвоенная тепловая трубка требует значительно меньшего количества охлаждающих блоков для холодных концов, чем число горячих концов.
Следует отметить, что данное изобретение отличается от других решений, относящихся к тепловым трубкам, например, от тепловых трубок с циркуляцией, в которых текучая среда в виде паровой фазы протекает по трубкам, отличающимся от трубок, проводящих текучую среду в виде жидкой фазы, добавляя, таким образом, лишние трубки и дополнительную сложность. В противоположность этому, в данном изобретении имеется двухфазный поток, в котором две фазы протекают по существу в противоположных направлениях.
Также следует отметить, что данное изобретение отличается от тепловых трубок, применяемых для нагревания солнечной энергией, обычно на крышах, в том, что они используют раздельные и индивидуальные тепловые трубки, соединенные с совершенно другим типом коллектора. Так как это соединение использует перенос тепла за счет теплопроводности, оно значительно менее эффективно, чем данное изобретение, в котором в устройстве используют фазовый переход, от горячих концов через коллектор и к холодным концам.
Краткое описание чертежей
Ниже данное изобретение дополнительно описано со ссылкой на примеры воплощения, схематически изображенные на следующих чертежах.
Фиг. 1 изображает ванну Холла-Эру существующего уровня техники в виде блока бортовой футеровки и стальной оболочки или корпуса,
Фиг. 2 изображает выносной элемент воплощения Фиг. 1, совместно с видом сбоку в сечении,
Фиг. 3 изображает ванну Холла-Эру существующего уровня техники в виде блока бортовой футеровки с полостями, снабженными охлаждающими трубками, и стальной оболочкой или корпусом,
Фиг. 4а изображает вид с торца типичного воплощения раздвоенной тепловой трубки, вставленной в блок бортовой футеровки,
Фиг. 4Ь изображает вид спереди типичного воплощения раздвоенной тепловой трубки, вставленной в блок бортовой футеровки,
Фиг. 4с изображает вид сбоку типичного воплощения раздвоенной тепловой трубки, вставленной в блок бортовой футеровки,
Фиг. 5а изображает вид с торца раздвоенной тепловой трубки, снабженной прямым каналом,
Фиг. 5Ь изображает вид с торца раздвоенной тепловой трубки, снабженной изогнутым каналом,
Фиг 5с изображает вид с торца раздвоенной тепловой трубки без
канала,
Фиг. 5d изображает вид спереди раздвоенной тепловой трубки, снабженной каналом, соединяющим горячие концы каждой тепловой трубки друг с другом,
Фиг. 5е изображает вид сбоку Фиг. 5d,
Фиг. 5f изображает сечение детали А соединения Фиг. 5d,
Фиг. 5д изображает вид спереди раздвоенной тепловой трубки, снабженной каналом, соединяющим горячие концы на конце каждой тепловой трубки,
Фиг. 5h изображает вид сбоку Фиг. 5д,
Фиг. 5i изображает сечение В детали соединения Фиг. 2д,
Фиг. 5j изображает вид спереди раздвоенной тепловой трубки,
снабженной каналом, соединяющим горячие концы сбоку каждой тепловой
трубки,
Фиг. 5к изображает вид сбоку Фиг. 2j,
Фиг. 51 изображает сечение детали С соединения Фиг. 2j,
Фиг. 6а изображает вид с торца раздвоенной тепловой трубки,
снабженной двумя холодными концами, каждый из которых имеет один
теплообменник,
Фиг. 6Ь изображает вид с торца раздвоенной тепловой трубки, снабженной одним холодным концом, имеющим два теплообменника,
Фиг. 7а изображает вид с торца типичного воплощения двух чередующихся раздвоенных тепловых трубок,
Фиг. 7Ь изображает вид спереди типичного воплощения двух чередующихся раздвоенных тепловых трубок,
Фиг. 8а изображает вид с торца воплощения раздвоенной тепловой трубки с холодным концом, запитанным в центре,
Фиг. 8b изображает вид спереди воплощения раздвоенной тепловой трубки с холодным концом, запитанным в центре,
Фиг. 8с изображает вид сбоку воплощения раздвоенной тепловой трубки с холодным концом, запитанным в центре,
Фиг. 9а изображает вид с торца воплощения раздвоенной тепловой трубки с конденсатором, объединенным с коллектором,
Фиг. 9Ь изображает вид спереди воплощения раздвоенной тепловой трубки с конденсатором, объединенным с коллектором,
Фиг. 9с изображает вид сбоку воплощения раздвоенной тепловой трубки с конденсатором, объединенным с коллектором,
Описание численных сносок
На чертежах использованы следующие численные сноски и обозначения:
Анодная подвеска
Анодный углеродный блок
Жидкий электролит
Жидкий алюминий
Катодный углеродный блок
Застывший электролит
Изолирующая кирпичная кладка
Стальная оболочка
Уплотнительная паста
Теплоизоляция
Блок бортовой футеровки
Тепловая трубка
Блок конденсации для тепловой трубки
Ребра конденсатора
Термическая паста между блоком бортовой футеровки и стальной оболочкой
100
Узел раздвоенной тепловой трубки
102
Рабочая текучая среда
110
Холодный конец узла тепловой трубки
120
Блок конденсации для тепловой трубки
124
Жидкостное соединение
130
Горячий конец трубки узла тепловой трубки
132
Нижний конец горячего конца трубки
140
Канал
142
Стык каналов
144
Артериола
150
Коллектор
154
Разъем для текучей среды
Подробное описание изобретения
Далее данное изобретение описано более подробно, со ссылками на чертежи, изображающие воплощения изобретения. Фиг. 1 изображает ванну Холла-Эру существующего уровня техники в виде блока 11 бортовой футеровки и стальной оболочки или корпуса 8. Подробности приведены на Фиг. 2. Ванна существующего уровня техники, использующая активное охлаждение, известная из уровня техники, показана на Фиг. 3.
В данном случае можно понять, что под бортовой футеровкой подразумевают блок 11 бортовой футеровки, в случае существующего уровня техники, возможно, совместно с теплоизоляцией 10, при этом блок бортовой футеровки может быть снабжен тепловой трубкой 12. Блок 11 бортовой футеровки обычно представляет собой керамический блок, обычно в виде карбида кремния (SiC).
Основы изобретения
Под тепловой трубкой 12, 100 подразумевают два воплощения: "тепловую трубку", в которой посредством фитиля или другого капиллярного эффекта обеспечивают вытягивание жидкости обратно к горячему концу, и "термосифон", где сила тяжести вытягивает жидкость обратно к горячему концу. Горячий конец известен также как секция испарения. Оба принципа можно применить к данному изобретению, хотя в случае термосифона предпочтительно, чтобы корпус трубки был обеспечен наклоном, по существу сверху вниз, чтобы текучая среда в жидкой фазе могла стекать вниз по длине трубки. Так как тепловые трубки обоих типов работают путем удаления тепла за счет фазового перехода жидкость-газ, предпочтительно, чтобы охлаждающая трубка позволяла жидкости достигать самой нижней точки тепловой трубки.
Типичная ванна Холла-Эру включает стальной корпус или оболочку 8, окружающий блок 11 бортовой футеровки. Стальной корпус находится в хорошем термическом контакте с блоком бортовой футеровки благодаря термальной пасте. На стороне, противоположной стальному корпусу, блок бортовой футеровки находится в контакте с электролитом, содержащим алюминий (AI). Путем использования теплового контроля тепло, отбираемое от электролита, создает слой застывшего электролита на бортовой футеровке, оставляя оставшуюся часть электролита 3 в жидкой фазе.
Центральным моментом данного изобретения является осознание того, что узел раздвоенной тепловой трубки, имеющий горячие концы трубок, соединенные с коллектором, будет обеспечивать упрощенные устройство и способ для отвода тепла от большой поверхности, по сравнению с использованием традиционных тепловых трубок.
Коллектор подразделяет функциональные возможности традиционной тепловой трубки на две части:
- горячий конец трубки, где тепло поглощается за счет испарения, и
- холодный конец, где тепло выделяется за счет конденсации. Коллектор позволяет использовать горячие концы трубок и/или
холодные концы.
Конкретное воплощение коллектора раскрыто в одновременно находящейся на рассмотрении заявке, озаглавленной "Коллектор", того же автора, которая включена в текст данного описания посредством ссылки.
Конкретная форма охлаждающего элемента для внутреннего конденсатора, связанного с коллектором, описана в одновременно находящейся на рассмотрении заявке, озаглавленной "Охлаждающая спираль", этого же автора, которая включена в текст данного описания посредством ссылки.
Наилучшие способы осуществления данного изобретения
Воплощение устройства по данному изобретению, изображенное на Фиг. 4а, 4Ь и 4с, включает узел 100 раздвоенной тепловой трубки, присоединенный к блоку 11 бортовой футеровки. Узел 100 раздвоенной тепловой трубки включает коллектор 150, из которого выходят горячие концы трубок, представляющие собой горячий конец (или концы) 130 узла тепловой трубки, и холодный конец 110 узла тепловой трубки, выходящий за пределы коллектора, где обеспечен блок 120 конденсации.
Предпочтительно, чтобы все горячие концы работали при одинаковой производительности, и, соответственно, важно, чтобы каждый горячий конец трубки принимал по существу одинаковое количество рабочей текучей среды (в виде жидкой фазы). Обычно жидкость поступает непосредственно из коллектора. Для того чтобы улучшить ситуацию горячие концы трубок можно снабдить каналом, соединяющим горячие концы трубок, предпочтительно на
нижнем конце. Техническим эффектом этого является выравниванием уровня жидкости.
Фиг. 4а изображает вид с торца типичного воплощения раздвоенной тепловой трубки, вставленной в блок бортовой футеровки.
Фиг. 4Ь изображает вид спереди типичного воплощения раздвоенной тепловой трубки, вставленной в блок бортовой футеровки.
Фиг. 4с изображает вид сбоку типичного воплощения раздвоенной тепловой трубки, вставленной в блок бортовой футеровки.
Горячие концы дополнительно могут быть снабжены каналом 140, соединяющим рядом расположенные горячие концы трубок, как показано на Фиг. 5а, который изображает вид с торца раздвоенной тепловой трубки, снабженной по существу прямым каналом. Для того чтобы обеспечить некоторую гибкость в случае неодинакового термического расширения, канал 140 можно снабдить изгибами, как показано на Фиг. 5Ь. Фиг. 5с изображает воплощение без канала. Эти альтернативы (прямой или изогнутый канал) можно объединять с изменениями в отношении того, как канал присоединен к горячим концам трубок.
Фиг. 5d изображает вид спереди раздвоенной тепловой трубки, снабженной каналом, соединяющим горячие концы каждой тепловой трубки друг с другом. Канал встроен в линию и включает серию более мелких трубок, каждая из которых соединяет два расположенных рядом горячих конца трубок. Фиг. 5е изображает вид сбоку Фиг. 5d. Для размещения канала следует предусмотреть средства в блоке бортовой футеровки, если для тепловых трубок в блоке бортовой футеровки обеспечены полости. Фиг. 5f изображает деталь соединения Фиг. 5d, показывающую, как можно переносить жидкость между отдельными трубками, чтобы выровнять уровень жидкости. Все горячие концы трубок, за исключением самых крайних горячих концов трубок, непосредственно соединены с двумя соседними тепловыми трубками, что позволяет осуществлять быстрый слив или заполнение жидкостью. Недостатком является сложность монтажа встроенного канала и большое количество соединений с тепловыми трубками.
Фиг. 5д изображает вид спереди раздвоенной тепловой трубки, снабженной каналом, соединяющим горячие концы на конце каждой тепловой трубки. Канал 140 представляет собой единую трубу, соединенную с трубками
горячего конца с использованием более мелких соединительных трубок, называемых артериолами 144, которые на одном конце соединены с каналом на стыке 142 каналов, а на другом конце с нижней частью каждого соответствующего горячего конца трубки. Фиг. 5h изображает вид сбоку Фиг. 5д. Также следует обеспечить возможность размещения канала в блоке бортовой футеровки, если тепловые трубки обеспечены полостями, устроенными в блоке бортовой футеровки. Фиг. 5i изображает деталь соединения Фиг. 2д, показывающую, как можно перемещать жидкость между отдельными трубками, чтобы уравнять уровень жидкости. Все горячие концы трубок соединены с каналом, обеспечивая более равномерное заполнение, чем в предыдущем примере, где все регулировки включают перенос жидкости возможно через горячие концы трубок, и где скорость переноса зависит от наклона по отношению к направлению силы тяжести.
Фиг. 5j изображает вид спереди раздвоенной тепловой трубки, снабженной каналом, соединяющим горячие концы с боковой стороны каждой тепловой трубки. Канал 140 представляет собой единую трубу, соединенную с горячими концами трубок с использованием более мелких соединительных трубок, называемых артериолами 144, которые на одном конце соединены с каналом на стыке 142 каналов, а на другом конце с нижним концом 132 каждого соответствующего горячего конца трубки. Фиг. 5к изображает вид сбоку Фиг. 2j. И снова следует обеспечить возможности размещения соединительного канала в блоке бортовой футеровки, если тепловые трубки снабжены пустотами, устроенными в блоке бортовой футеровки, если только эти пустоты не являются каналами, обеспеченными вдоль поверхности бортовой футеровки и неглубокими по сравнению с положением канала. Фиг. 51 изображает деталь соединения Фиг. 2j, иллюстрирующую, как можно перемещать жидкость между отдельными трубками, чтобы уравнять уровень жидкости. Все горячие концы трубок соединены с каналом, обеспечивая более однородное заполнение, чем в предшествующем примере, где все регулировки включают перенос жидкости возможно через горячие концы трубок, и где скорость переноса зависит от наклона по отношению к направлению силы тяжести. Недостатком является то, что уровень жидкости должен достигать уровня канала, чтобы жидкость могла перетекать в канал.
Охлаждение холодного конца можно проводить, как в традиционных решениях, с использованием теплообменника на конденсационном конце, как уже показано на Фиг. 4. Так как текучую среду в газовой фазе собирают из горячих концов трубок с помощью коллектора, то количество текучей среды, которую следует снова сконденсировать в жидкую фазу, будет больше, чем для традиционных тепловых трубок. Очевидным решением является обеспечение узла тепловой трубки большим блоком конденсации. В дополнительном аспекте данного изобретения холодный конец, имеющий один блок конденсации, можно заменить двумя холодными концами, имеющими блоки конденсации, как показано на Фиг. 6а. Это небольшое увеличение сложности обеспечивает то преимущество, что повышается надежность, так как два теплообменника можно присоединить к раздельным контурам, и в случае неисправности одного контура другой контур все еще будет работать и, таким образом, это позволит осуществить непрерывную работу. Можно предусмотреть несколько конфигураций, и хотя Фиг. 6а показывает, что оба холодные конца присоединены к одной и той же стороне коллектора, можно также использовать оба конца коллектора.
Фиг. 6Ь изображает другую, в высокой степени надежную
конфигурацию, в которой один холодный конец снабжен двумя теплообменниками. Обычно каждый теплообменник присоединен к различным контурам охлаждения.
Также возможны комбинации с теплообменниками на холодных концах, присоединенных к одному и тому же коллектору.
В ходе работы рабочая текучая среда, находящаяся в жидкой фазе, испаряется по длине трубок к горячему концу и протекает в виде пара по направлению к коллектору, где пар собирают посредством коллектора из всех горячих концов трубок и доставляют в холодный конец или концы. По меньшей мере, на одном холодном конце тепло удаляют посредством, по меньшей мере, одного блока конденсации, обычно охлаждаемого маслом. Это заставляет рабочую текучую среду, находящуюся в паровой фазе, конденсироваться и течь в виде жидкости по направлению к коллектору, где жидкость распределяется в горячие концы трубок. Предпочтительно, чтобы поток жидкости был достаточным для того, чтобы позволить жидкости достигать нижнего конца тепловым трубок до того, как она снова испарится. Канал, если
он присутствует, дает возможность перераспределить жидкость между горячими концами трубок в том случае, если скорость заполнения горячих концов трубок значительно различается.
В традиционных тепловых трубках поток паровой фазы может превышать скорость звука и достигать точки, в которой этот поток увлекает жидкость вдоль потока пара и фактически меняет на противоположное нормальное направление потока жидкости. Это снижает эффективное количество рабочей среды и, таким образом, также снижает способность переносить тепло. Для того чтобы избежать такой ситуации расходы следует соответственным образом отрегулировать, например, путем увеличения диаметра труб. Это особенно важно для коллектора, в котором поток является суммарным потоком горячих концов трубок. Увеличение диаметра является одним из решений, путем снижения максимальной скорости потока. Присоединение холодных концов к различным положениям по коллектору также снижает максимальный расход в коллекторе.
Масло, применяемое для охлаждения теплообменников, переносит тепло от узла тепловой трубы и позволяет рекуперировать тепло, например, путем увеличения количества пара для использования в паровой турбине. Для того чтобы увеличить общую надежность, можно использовать более одного контура для масла. Эти контуры могут чередоваться таким образом, что если один контур выходит из строя, только часть сборок раздвоенных тепловых трубок прекращает работать. Также узел раздвоенной тепловой трубки можно снабдить более чем одним теплообменником, что позволяет вести непрерывную работу всех сборок тепловых трубок, хотя, по меньшей мере, некоторые из них работают с ограниченной производительностью.
Альтернативные воплощения
Можно предусмотреть ряд вариаций изложенного выше. Например, можно предусмотреть коллектор, имеющий единственную тепловую трубку, предоставляющую горячий конец, и конденсаторы. Это может быть полезно для систем с высокой доступностью и надежностью. В то время как первоначально этот пример воплощения выглядит компактным и привлекательным, следует отметить, что он влечет за собой несколько усложнений, например, эксплуатацию тепловых контуров внутри коллектора. В предпочтительном воплощении тепловая трубка определяется непрерывной поверхностью, в то
время как это объединенное решение требует ввода для входа и выхода тепловой среды.
Высокая надежность является важной, как и возможность проведения ремонта и обслуживания сборок тепловых трубок в ходе работы, а также возможность избежать единичных точек поломки, чтобы противостоять ограниченным проблемам, без катастрофического нарушения работы. С этой целью рассматривают решение, использующее чередующиеся узлы раздвоенных тепловых трубок, в которых горячие концы первого узла раздвоенной тепловой трубки чередуются с горячими концами второго узла раздвоенной тепловой трубки. Эффект этого заключается в том, что в случае неисправности одного узла раздвоенной тепловой трубки другой узел раздвоенной тепловой трубки может принять на себя рабочую нагрузку и поддержать защитный бортовой слой.
Фиг. 7а изображает вид с торца типичного воплощения двух чередующихся раздвоенных тепловых трубок, показывая, как первый, третий и пятый горячие концы трубок соединяются с первым коллектором, а второй, четвертый и шестой горячие концы трубок соединяются со вторым коллектором. Фиг. 7Ь изображает этот пример воплощения как вид спереди. В этом воплощении отдельные узлы тепловых трубок являются асимметричными в отношении длины горячих концов трубок и в отношении соединения холодных концов с соответствующими коллекторами. Использование холодных концов, запитываемых с центра, может улучшить симметрию и, возможно, сделать два узла тепловых трубок полностью взаимозаменяемыми, снижая стоимость в отношении изготовления и инвентаря. Возможно также трехходовое чередование и чередование более высокого порядка.
Решения с чередующимися элементами также можно снабдить каналами. Для облегчения использования предпочтительно, чтобы каналы проходили в различных плоскостях; например, первый узел раздвоенной тепловой трубки может быть обеспечен расположенным по одной линии или смонтированным на торце каналом, как показано на Фиг. 5d и 5f, соответственно, а второй узел раздвоенной тепловой трубки может быть снабжен каналом, смонтированным сбоку, как показано на Фиг. 5j.
Фиг. 8Ь изображает вид спереди одного из воплощений раздвоенной тепловой трубки с запитанным в центре холодным концом. Это имеет то
преимущество, что снижает скорость течения в двух боковых ветвях коллектора. Для коллектора показан слабый наклон по отношению к действию силы тяжести, что является одним из способов обеспечения равномерного распределения рабочей текучей среды в жидкой форме. Как показано на Фиг. 8а и 8с, холодный конец выступает в направлении от блока бортовой футеровки, что имеет дополнительное преимущество в виде упрощения устройства по сравнению с показанными ранее примерами воплощения, где указан дополнительный изгиб холодного конца. Также можно модифицировать предшествующие воплощения, вводя выступающие наружу холодные концы.
В показанных ранее воплощениях конденсация происходит на холодном конце, вне коллектора. Авторы изобретения осознали, что эти функции можно объединить, за счет дополнительного усложнения, связанного с необходимостью ввода в узел тепловой трубки для подачи применяемого при охлаждении масла, что противоречит традиционным представлениям о конструкции тепловых трубок.
Фиг. 9а изображает вид с торца одного из воплощений раздвоенной тепловой трубки с конденсатором, встроенным в коллектор, имеющий два питающих ввода, снабженных разъемом 154 для текучей среды, обычно для масла. Теплообменник внутри может иметь много различных поверхностей, например, лопаток или профилей крыла. Для максимальной эффективности важно, чтобы эффективная площадь поверхности была как можно большей, например, путем использования такой поверхности, как ребра охлаждения. Преимущество объединенного коллектора заключается в том, что он решает задачу увеличения скорости течения в коллекторе, который объединяет потоки от каждого горячего конца трубки и направляет общий поток в один холодный конец. Таким образом, для объединенного коллектора скорость потока можно поддерживать низкой.
Применение в промышленности
Изобретение в соответствии с данной заявкой находит применение в ванне электролиза алюминия и в использовании тепла. Более конкретно, его можно использовать с электролизной ванной, содержащей вышеописанное устройство.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство, называемое узлом раздвоенной тепловой трубки, для контроля образования слоя в ванне электролиза алюминия и использования тепла, где указанная ванна электролиза включает бортовую футеровку (11) и оболочку (8);
отличающееся тем, что устройство включает
по меньшей мере, один горячий конец трубки для поглощения тепла путем испарения рабочей текучей среды из жидкой фазы в паровую фазу;
по меньшей мере, один холодный конец для конденсации рабочей текучей среды из паровой фазы в жидкую фазу, и
коллектор, из которого выходит указанный, по меньшей мере, один горячий конец трубки, и где коллектор проводит рабочую текучую среду между, по меньшей мере, одним горячим концом и, по меньшей мере, одним холодным концом.
2. Устройство по п. 1, в котором, по меньшей мере, один горячий конец трубки представляет собой тепловую трубку.
3. Устройство по п. 1, в котором, по меньшей мере, один горячий конец трубки представляет собой термосифон.
4. Устройство по пп. 1 - 3, в котором, по меньшей мере, один холодный конец расположен вне коллектора.
5. Устройство по пп. 1 - 3, в котором, по меньшей мере, один холодный конец расположен внутри коллектора.
6. Устройство по пп. 1 - 5, в котором, по меньшей мере, один холодный конец снабжен более чем одним теплообменником.
2.
7. Устройство по пп. 1 - 6, дополнительно включающее канал для равномерного распределения рабочей текучей среды в жидкой форме на нижнем конце, по меньшей мере, одного горячего конца трубки.
8. Устройство по п. 7, в котором канал изогнут для обеспечения
гибкости.
9. Устройство по п. 7 или 8, в котором канал встроен в линию и включает серию меньших по размеру трубок, каждая из которых соединяет два расположенных рядом горячих конца трубок.
10. Устройство по п. 7 или 8, в котором канал представляет собой единую трубу, соединенную с горячими концами трубок с использованием меньших по размеру соединительных трубок, называемых артериолами 144, которые на одном конце соединены с каналом на стыке 142 каналов, а на другом конце с каждым соответствующим горячим концом трубки.
11. Устройство по п. 10, в котором артериолы присоединены к нижней части каждого соответствующего горячего конца трубки.
12. Устройство по п. 10, в котором артериолы присоединены к боковой части каждого соответствующего горячего конца трубки.
13. Способ применения ряда устройств по п. 6, в котором теплообменники соединены с контурами.
14. Способ применения устройств по пп. 1 - 10, в котором горячие концы первого узла раздвоенной тепловой трубки чередуются с горячими концами второго узла раздвоенной тепловой трубки.
15. Способ контроля образования слоя в ванне электролиза алюминия, отличающийся тем, что тепло отводят с использованием указанного узла раздвоенной тепловой трубки по п. 1.
12.
16. Электролизная ванна, включающая узел тепловой трубки по пп. 1
- 12.
ИЗМЕНЕННАЯ ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство, называемое узлом раздвоенной тепловой трубки, для контроля образования слоя в ванне электролиза алюминия и использования тепла, где указанная ванна электролиза включает бортовую футеровку (11) и оболочку (8);
отличающееся тем, что устройство включает
по меньшей мере, один горячий конец трубки для поглощения тепла путем испарения рабочей текучей среды из жидкой фазы в паровую фазу;
по меньшей мере, один холодный конец для конденсации рабочей текучей среды из паровой фазы в жидкую фазу, и
коллектор, из которого выходит указанный, по меньшей мере, один горячий конец трубки, и где коллектор проводит рабочую текучую среду между, по меньшей мере, одним горячим концом и, по меньшей мере, одним холодным концом.
2. Устройство по п. 1, в котором, по меньшей мере, один горячий конец трубки представляет собой тепловую трубку.
3. Устройство по п. 1, в котором, по меньшей мере, один горячий конец трубки представляет собой термосифон.
4. Устройство по пп. 1 - 3, в котором, по меньшей мере, один холодный конец расположен вне коллектора.
5. Устройство по пп. 1 - 3, в котором, по меньшей мере, один холодный конец расположен внутри коллектора.
6. Устройство по пп. 1 - 5, в котором, по меньшей мере, один холодный конец снабжен более чем одним теплообменником.
2.
7. Устройство по пп. 1 - 6, дополнительно включающее канал для равномерного распределения рабочей текучей среды в жидкой форме на нижнем конце, по меньшей мере, одного горячего конца трубки.
8. Устройство по п. 7, в котором канал изогнут для обеспечения
гибкости.
9. Устройство по п. 7 или 8, в котором канал встроен в линию и включает серию меньших по размеру трубок, каждая из которых соединяет два расположенных рядом горячих конца трубок.
10. Устройство по п. 7 или 8, в котором канал представляет собой единую трубу, соединенную с горячими концами трубок с использованием меньших по размеру соединительных трубок, называемых артериолами 144, которые на одном конце соединены с каналом на стыке 142 каналов, а на другом конце с каждым соответствующим горячим концом трубки.
11. Устройство по п. 10, в котором артериолы присоединены к нижней части каждого соответствующего горячего конца трубки.
12. Устройство по п. 10, в котором артериолы присоединены к боковой части каждого соответствующего горячего конца трубки.
13. Способ применения ряда устройств по п. 6, в котором теплообменники соединены с контурами.
14. Способ применения устройств по пп. 1 - 10, в котором горячие концы первого узла раздвоенной тепловой трубки чередуются с горячими концами второго узла раздвоенной тепловой трубки.
15. Способ контроля образования слоя в ванне электролиза алюминия, отличающийся тем, что тепло отводят с использованием указанного узла раздвоенной тепловой трубки по п. 1.
12.
16. Электролизная ванна, включающая узел тепловой трубки по пп. 1
- 12.
4/8
6/8
120
Фиг.7Ь
Фиг.8с
Заменяющий лист (измененная на международной стадии формула изобретения)
Ванна электролиза алюминия, содержащая устройство контроля температуры боковых стенок
Ванна электролиза алюминия, содержащая устройство контроля температуры боковых стенок
Ванна электролиза алюминия, содержащая устройство контроля температуры боковых стенок
Ванна электролиза алюминия, содержащая устройство контроля температуры боковых стенок
