包括侧壁温控系统的铝电解槽的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般涉及隔热层，且特别涉及一种改进的方法和系统，用于保持涵盖大面 积的多个蒸发管中的工作流体液位，适用于控制铝电解槽中在扩展区域上的层形成以及热 能的利用。
【背景技术】
[0002] 在基于所谓的Hall-Heroult电解槽利用当今的电解技术生产铝的过程中，电解 槽的操作有赖于电解槽侧壁上凝结的电解液的保护层的形成和维持。凝结电解液称为侧层 并保护电解槽的侧衬免受化学和机械磨损，且是实现电解槽的长寿命的重要条件。在热平 衡改变方面，结晶电解液同时用作用于电解槽的缓冲垫。在操作期间，热的产生以及电解槽 的热平衡会因操作的不希望的干扰（电解液化学成分的改变、铝浓度、极间距离的改变、阳 极效应等）以及电解槽的预期活动（金属放出、更换阳极、火力等）而改变。这导致电解槽 周围的层的厚度发生改变以及在某些情况下该层会在周围的某些部位完全消失。那么侧衬 将暴露于液体电解液和金属，其与腐蚀性气体相结合将导致侧衬材料的侵蚀，导致它们腐 蚀。槽帮的损伤会导致金属泄出。因此，重要的是，控制Hall-Heroult电解槽中层的形成 以及层稳定性，特别是对于具有高电流密度的电解槽。模型计算表明，由于大热量产生难以 维持电解槽的侧层。因此，对于具有热平衡问题的传统电解槽和此种电解槽，其是人们能够 维持保护侧衬的所述层的长寿命电解槽的一个条件。
[0003] 所有铝生产商试图使生产每千克铝的单位电能消耗（kWh/kg Al)最小化。电解槽 的热产生作为电解槽中以及特别是在电解液中欧姆率电压降，例如在电流馈给方面、产生 的金属的结果而发生。输入给电解槽的能量的大约45%用于铝生产，其余是废能。文献数 据表明，电解槽的总热量损耗的大约40%是通过侧衬。由于高的热损耗以及希望控制侧衬 中的保护凝结层，优选地是在电解槽的该区域中设置用于热量提取的元件。
[0004] 对最优化层形成的控制以及热量提取存在需求。为了同时使两个目的都得到最优 化，重要的是热量提取尽可能靠近形成的侧层进行。这将使得可以在高温下提取热能。
[0005] 此外，由于大规模的电解槽，也希望在扩展的区域上控制所述层形成，因为在小区 域上层形成的损坏会是破坏性的。去除热量的传统方法是在电解槽的整个表面区域上采用 自然（以及在某些情况下采用强迫）空气对流，导致去除的热的利用的潜能受限。
[0006] 对于现有技术，可参见W0/2004/083489,其披露了形成有用于流过冷却介质的孔 洞的侧衬。然而，其制造工艺是复杂的且需要侧衬模制有孔洞，优选地在材料烧结前形成。
[0007] 对于现有技术，还可参见本申请人的对应于W0/2012/039624的专利申请 No. 20101321，其描述了用于控制铝电解槽中的层形成以及热的利用的系统，包括设置有至 少一个用于热传导的孔洞和至少一个热管的侧衬，特征在于热管由孔洞提供以及孔洞是沿 所述侧衬表面设置的至少一个通道。然而，其制造工艺复杂并且需要沿所述侧衬表面为侧 衬提供大量的热管，通常为热管路，每个热管需要单独冷却。
[0008] 也可以参考基于形成平薄毛细管的板件的平的热管，也称为两维热管。该设计可 用于高度敏感应用场合中的热扩散器，然而由于毛细管小且细，总的热传导小。而且该设计 特征体现在不是毛细管实际部分的大的金属面积，进一步降低了总的热传导。此外，该设计 通常是平的，从而应当预期侧衬的某种表面粗糙度，导致不良的热接触。这意味着平的热管 不适用于冷却侧衬。
[0009] 还可参考依赖返回管线的热管组件。这里方面，各单个热管是两相流系统，其中蒸 发的气体和冷凝的液体沿相反方向流动，存在单相流系统，其中液相工作流体在热端吸热 并蒸发，流入冷端。气体在冷端凝结成液体并沿单独管线，在此称为返回管线，返回热端。通 过使返回管线保持冷于工作流体的沸点，单相流也在返回管线中实现。此种系统可包括使 用冷端处的收集歧管和热端处的分配歧管连接在一起的多根热管，其中各歧管也通过返回 管线直接或间接连接。该方案的问题是，组件的操作受相对于重力的收集器角度的影响，从 而液体排放入热管。否则液体会积聚在冷凝器中并导致热管干运行并因热而损坏。
[0010] 总之，成为问题的是，在大面积上的有效冷却需要具有大量部件的系统，这又增加 了复杂性和成本同时也降低了总的可靠性。
[0011] 因此存在对克服上述问题的方法和系统的需求。
【发明内容】
[0012] 本发明所要解决的技术问题
[0013] 因此，本发明的主要目的是提供一种改进的方法和系统，用于保持涵盖大面积的 多个热管中的工作流体液位，适用于控制铝电解槽中在扩展区域上的层形成以及热的利 用。
[0014] 解决技术问题的手段
[0015] 根据本发明，所述目的通过下述实现：权利要求1前序部分中限定的用于控制铝 电解槽中的层形成的系统，所述系统具有权利要求1特征部分的特征；和方法独立权利要 求11前序部分中限定的、用于控制铝电解槽中的层形成的方法，所述方法具有权利要求11 特征部分的特征；以及包括如权利要求11所述的热管组件的电解槽。本发明的一些非穷尽 的实施例、改型或替代实施例由从属权利要求限定。
[0016] 本发明通过热管组件实现上述目的，热管组件包括多个蒸发管，用于通过工作流 体从液相到汽相的蒸发吸热；收集器，与所述蒸发管的上端流体连通；分配歧管，与所述蒸 发管的下端流体连通；其中，所述收集器和分配歧管还通过多个返回管线连接，其中所设置 的第一返回管线连接所述收集器的第一端与所述分配歧管；以及所设置的第二管线连接所 述收集器的、处于所述收集器第一端相对侧的第二端与所述分配歧管。
[0017] 在一个实施例中，所述收集器是收集歧管，具有至少一个外部冷凝器。在另一个实 施例中，所述收集器是具有内部冷凝器的歧管。
[0018] 在一个实施例中，所述返回管线是基本平行的。在一个优选实施例中，所述返回管 线是两相流管线。在一个优选实施例中，所述收集歧管设置有相分隔器。在另一个实施例 中，所述返回管线是交叉的。
[0019] 在又一个实施例中，所述第一和第二返回管线连接于第三返回管线，而第三返回 管线又连接于所述分配歧管。
[0020] 在一个优选实施例中，所述返回管线装接于所述外部冷凝器的最下部。
[0021 ] 在一个实施例中，系统还包括用于不能冷凝的气体的收集器。
[0022] 优选地，所述返回管线的尺寸应当如此确定，使得分配歧管可以通过任一端的返 回管线被供以液体，而无需同时依赖于两端的返回管线。
[0023] 优选地，返回管线的热膨胀系数能够避免操作温度改变时的机械应变。
[0024] 本发明的技术效果
[0025] 优于现有技术的技术差异在于，本发明包括至少两条返回管线，其中至少一条返 回管线设置在热管组件的相对侧。
[0026] 该差异的技术效果是，当热管组件在任一方向倾斜时，将总有一个出口位于收集 器的下端，确保收集器总是有效地排放。如果收集器没有有效排放，工作流体将积聚在收集 器中，并因此减少分配歧管中工作流体的量以及最终工作流体在蒸发管中的液位，从而降 低热管组件去出热的能力的效率并降低冷凝单元的效率。这将导致电解槽的实效。
[0027] 对返回管线的尺寸进行确定，使得分配歧管可以通过任一端的返回管线被供以液 体，而无需同时依赖于两端的返回管线，确保收集器不积聚过多的工作流体。
[0028] 这些技术效果又提供了若干有利效果：
[0029] 鲁使得可以提供一种简便的技术方案，具有用于冷却大面积的较少的零部件；以 及
[0030] 鲁提供了大大简化了的安装和连接，原因在于较之蒸发管的数量，热管组件需要 少的多的用于收集歧管的冷却单元。
[0031] 附图的简要说明
[0032] 下面将结合示意性图示在附图中的例示性实施例进一步描述本发明，其中：
[0033] 图1示出呈侧衬模块和钢