本发明涉及一种用于铝电解槽的热交换装置，即一种采用沸点在150~200℃的液体作为循环介质，利用温差发电结构单元进行发电，并对盘绕在铝电解槽槽壳底部的低电压保温软管进行供电的热交换装置。其主体发电结构安装于铝电解槽槽壳侧部相邻两个摇篮架之间，降低铝电解槽槽壳侧部温度的同时，对铝电解槽槽壳底部进行保温，属于铝电解设备技术领域。
背景技术
电解铝的生产过程是利用强大直流电在电解槽内的两极间进行流通，产生950℃~970℃高温所完成的电化学反应过程。在铝电解槽中，槽帮可以保护阴极内衬及侧部碳块不被电解质和铝液侵蚀，也可以对电解槽内电解质的温度和热平衡进行自我调节。以400ka大型预备阳极铝电解槽为例，其槽壳中上侧部温度在280度以上，因此，为保证铝电解槽槽壳中上侧部温度的稳定以便于形成较好的槽膛内形，需要对铝电解槽槽壳中上侧部进行散热处理。同时，对于铝电解槽底部散热面积过大而产生的较高热损失，对铝电解槽槽壳底部进行保温也是电解铝生产过程中需要考虑并解决的问题。
目前，为解决铝电解槽槽壳中上侧部散热问题以及对槽壳侧部热量进行回收，已有多种散热或热回收结构和装置被开发出来，如各种形式的散热板、风冷对流冷却装置、高低温热交换器及余热回收装置以及有机闪蒸循环余热发电装置等。
单纯的散热板均是以增大铝电解槽侧部散热面积为目的设计的不同的散热结构形式，或利于于安装和拆卸，或利于安装位置的调整。
风冷对流冷却、高低温热交换器及余热回收以及有机闪蒸循环余热发电等装置多为多单元较复杂结构，而且需要额外对装置中的泵、汽轮机等单元提供动力源。
技术实现要素：
针对铝电解槽槽壳中上侧部需要散热、槽壳底部需要保温的问题，本发明提供一种用于铝电解槽的热交换装置，可以解决铝电解槽槽壳中上侧部需要散热的问题，同时可以避免槽壳中上侧部热量损失，将能量通过温差能转化为电能，带动低电压保温软管工作对铝电解槽槽壳底部进行保温。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
在铝电解槽槽壳相邻两个摇篮架之间，槽壳中上侧部安装一种热交换装置，该装置为外挂“s”型冷凝管、爬梯形管架、正负极导线及低电压保温软管的异形箱体结构，可通过该热交换装置的主体发电结构与铝电解槽槽壳中上侧部的贴合面直接焊接在铝电解槽槽壳中上侧部或者通过挂架螺栓紧固方式使贴合面紧压在铝电解槽槽壳的中上侧部来进行安装。该装置包括主体发电结构、“s”型冷凝管、冷凝管架、正负极导线及低电压保温软管，主体发电结构由异形蒸汽箱、温差发电结构单元、异形冷凝液箱构成。
将常压下沸点在150-200℃的液体介质灌注到主体发电结构中的异形蒸汽箱中，灌注的体积要保证液体介质能够从异形蒸汽箱背部导板上方的溢出口溢出，通过温差发电结构单元前、后绝热封板间孔通道、异形蒸汽箱内部90度折转孔通道进入异形蒸汽箱，并使异形蒸汽箱内部液面高于靠近异形蒸汽箱底部的90度折转孔通道出口。异形蒸汽箱内部的液体介质在异形蒸汽箱背部导热板的传热作用下，在200℃左右的环境温度下发生相变变成蒸汽向异形蒸汽箱上部运动，蒸汽在异形蒸汽箱内部上罩板附近汇集并从侧封板上部管孔进入“s”型冷凝管。蒸汽在“s”型冷凝管中，通过与外界空气发生热交换被重新冷凝为液体，冷凝后的液体以重力自流的方式最终再流回异形蒸汽箱，进而完成循环。而主体发电结构中的温差发电结构单元热板和冷板分别以介质蒸汽和冷凝后的液体作为热源和冷源，将温差能转化为电能。将低电压保温软管与温差发电结构单元的正负极进行导线连接，低电压保温软管盘绕在铝电解槽槽壳底部，当通电发热后，可对铝电解槽槽壳底部进行热量补偿和保温。
上述主体发电结构，按与铝电解槽槽壳的距离由近及远依次为异形蒸汽箱、温差发电结构单元、异形冷凝液箱，其中异形蒸汽箱背部导热板紧压贴合在铝电解槽槽壳的中上侧部。
上述异形蒸汽箱直接接触并被紧压贴合固定在铝电解槽槽壳的中上侧部。由背部导热板、前导热板、前绝热封板、上罩板、底封板及两个侧封板构成的异形箱体结构，其中一侧的侧封板紧靠上部的位置开有管孔，用来连接“s”型冷凝管。异形蒸汽箱各板间以及侧封板上部管孔与“s”型冷凝管之间的缝隙均做密封处理。异形蒸汽箱的背部导热板、前导热板、前绝热封板、上罩板和底封板呈方形，并具有相同的长度。异形蒸汽箱的背部导热板和前导热板使用的是具有高热传导系数的材料。
该热交换装置的主体发电结构与铝电解槽槽壳中上侧部的唯一贴合面是异形蒸汽箱背部导热板；异形蒸汽箱前导热板位于异形蒸汽箱背部导热板的前方，其所在平面与背部导热板平行，但前导热板的上边界高于背部导热板的上边界；异形蒸汽箱的上罩板连接于异形蒸汽箱的前导热板和背部导热板的上边界之间，与背部导热板呈倾斜角度，当蒸汽在异形蒸汽箱内部上方空间汇集时，更有利于蒸汽向前导热板传热；异形蒸汽箱的前绝热封板的上边界与前导热板的下边界相连接，相比于前导热板，前绝热封板的下边界与背部导热板的距离更远，即异形蒸汽箱的前绝热封板所在平面与前导热板呈一定角度，使整个异形蒸汽箱内部在前后距离上呈现上小下大的空间；异形蒸汽箱的底封板连接于异形蒸汽箱的前绝热封板和背部导热板的下边界之间，垂直于背部导热板；异形蒸汽箱的两个侧封板垂直于背部导热板，并用于背部导热板、前导热板、前绝热封板、上罩板和底封板之间所形成空间的侧封闭。
异形蒸汽箱的前绝热封板长度方向的中点处有一长方形孔，该长方形孔与热交换装置的温差发电结构单元前、后绝热封板之间孔通道对应并连接，连接处缝隙做密封处理。以前绝热封板的长方形孔为边界先沿平行于异形蒸汽箱底封板的方向，再沿垂直于异形蒸汽箱底封板的方向构建90度折转孔通道，通道周壁做密封处理。该90度折转孔通道远离异形蒸汽箱的背部导热板，且通道端口靠近异形蒸汽箱的底封板，保证端口在异形蒸汽箱内的液面下方，即利用液封作用来防止产生的蒸汽进入该90度折转孔通道。垂直于异形蒸汽箱底封板方向一侧通道的横截断面呈条缝状，条缝的宽度尽可能窄，保证液体能够顺着条缝状通道内壁流下即可。
当沸点在150~200℃的液体介质通过异形蒸汽箱内部的90度折转孔通道进入异形蒸汽箱时，通过异形蒸汽箱背部导热板的传热，使液体介质发生相变变成蒸汽向异形蒸汽箱上部运动，蒸汽在异形蒸汽箱内部上罩板附近出汇集并从侧封板上部管孔进入“s”型冷凝管。同时，由于异形蒸汽箱背部导热板对热量的传递，铝电解槽槽壳中上侧部的温度也将降低。
上述温差发电结构单元是由冷板、热板、前绝热封板以及背部绝热封板组成的斜平板结构，温差发电电子元件位于两个绝热封板间。温差发电结构单元的热板是与异形蒸汽箱前导热板形状相同的半导体制平板，且与异形蒸汽箱前导热板边界完全吻合并固化为具有高效热传导的一体化热导结构；温差发电结构单元的背部绝热封板是与异形蒸汽箱前绝热封板形状相同的平板，与异形蒸汽箱前绝热封板边界完全吻合并固化为一体；温差发电结构单元的前绝热封板与背部绝热封板平行，形状相同，但前绝热封板的上边界与温差发电结构单元热板的上边界连接；温差发电结构单元的冷板与热板平行，且与热板形状、材质相同，但冷板的上、下边界分别连接于温差发电结构单元前绝热封板的下边界以及背部绝热封板的下边界，且与异形冷凝液箱背部导板固化为一体化冷导结构。即温差发电结构单元的前绝热封板和背部绝热封板间之间所形成的空间的上部和下部边界面分别是热板平面和冷板平面。
温差发电结构单元的前绝热封板在长度方向的中点处有一长方形孔，该长方形孔对应连通于温差发电结构单元背部绝热封板，并与异形蒸汽箱前绝热封板孔口连接形成孔通道，孔通道壁做密封处理，防止液体从通道中外泄。
上述异形冷凝液箱由前封板、背部导板、底封板、两个侧封板以及上折板构成的“凸”字型异形箱体结构，各板间缝隙做密封处理。异形冷凝液箱的背部导板使用的是具有高热传导系数的材料，其与温差发电结构单元冷板具有相同外形的平板，与冷板边界完全吻合并固化为一体化冷导结构；异形冷凝液箱的底封板是与异形冷凝液箱背部导板具有相同长度的方形平板，连接于异形冷凝液箱背部导板的下边界和前封板的下边界之间；异形冷凝液箱的前封板为“凸”字型平板，若不考虑异形冷凝液箱“凸”字型的凸起部分，异形冷凝液箱的前封板与异形冷凝液箱背部导板、两个侧封板围成的空间为六面体；考虑异形冷凝液箱“凸”字型的凸起部分，其上折板即由三块板组成上封板以及两个肩侧封板所构成，上封板包括两块肩部上封板和一块顶部上封板。由于异形冷凝液箱前封板比其背部导板在外形上多出一个凸起，且上折板处的肩侧封板连接于异形冷凝液箱前封板与温差发电结构单元的前绝热封板之间，连接处缝隙均做密封处理。使得在异形冷凝液箱背部导板上方以背部导板长度方向的中心处存在一个长方形孔口，该孔口即对应连接于温差发电结构单元的前绝热封板上的孔口，且其在异形冷凝液箱前封板平面上所形成的投影即前封板的凸起部分，连接处缝隙做密封处理。当在异形冷凝液箱中灌注超过异形冷凝液箱体积的液体时，该孔口作为异形冷凝液箱内液体的溢出口，通过温差发电结构单元前、后绝热封板间孔通道和异形蒸汽箱内部90度折转孔通道进入到异形蒸汽箱内部空间。
与异形蒸汽箱侧封板上部管孔位于同侧的异形冷凝液箱侧封板在下底部的位置开有管孔，用以连接“s”型冷凝管。
上述“s”型冷凝管是以具有高热传导系数的金属制作而成的多个“s”型管单元首尾连接的一体化整管结构。整管结构位于与铝电解槽槽壳中上侧部呈一定角度的斜平面内，连接在该热交换装置主体发电结构的侧部，并通过冷凝管架固定于铝电解槽槽壳上。“s”型冷凝管的入口端口连接于异形蒸汽箱侧封板上部的管孔，连接处做密封处理；其出口端口连接于与入口端口同侧的异形冷凝液箱侧封板下部的管孔，连接处做密封处理。“s”型冷凝管的入口端是从异形蒸汽箱中出来的蒸汽，流经多个“s”型管单元的过程中通过管壁与外界空气自然换热被冷凝为液体通过出口端口进入到异形冷凝液箱底部。每个“s”型管单元的直线管段应按流体流向为向下倾斜的形式，而非水平直线管段，同时由于“s”型冷凝管的入口端口在高处而出口端口在低处，保证了“s”型冷凝管中的冷凝液以重力自流式流入异形冷凝液箱内部。每个“s”型管单元的折转拐点处均固定在冷凝管架上，以保证“s”型冷凝管的稳定。
上述冷凝管架呈爬梯形，其材料具有低热传导系数。冷凝管架由两根竖梯杆和多个水平横梯杆组成，两根竖梯杆间的距离等于“s”型冷凝管的“s”型管单元相邻两个折转间管段的水平投影长度，相邻水平横梯杆间的距离等于“s”型冷凝管的“s”型管单元相邻两个折转间管段的距离。
上述低电压保温软管与该热交换装置中温差发电结构单元的正负极进行导线连接，低电压保温软管盘绕在与安装有主体发电结构的铝电解槽槽壳侧部位置对应的铝电解槽槽壳底部。当热交换装置通过温差发电结构单元将温差能转化为电能，使低电压保温软管通电发热并对铝电解槽底部进行热量补偿。
与现有技术相比，本发明采用沸点在150~200℃的液体作为循环介质，利用温差发电结构单元进行发电，并对盘绕在铝电解槽槽壳底部的低电压保温软管进行供电的热交换装置，不需要泵和汽轮机等需要消耗能量的装置结构单元，仅利用空气自然冷却并通过重力自流式完成冷凝液回流，既可以解决铝电解槽槽壳中上侧部需要散热的问题，同时可以避免槽壳中上侧部热量损失，将热量通过温差能转化为电能，带动低电压保温软管工作对铝电解槽槽壳底部进行热量补偿。其装置结构简单、节能减排，易于安装和实际应用，极具技术推广前景。
附图说明
图1是用于铝电解槽的热交换装置示意图。
图2是异形蒸汽箱结构示意图。
图3是温差发电结构单元结构示意图。
图4是异形冷凝液箱结构示意图。
图中：1.一体化热导结构，2.异形蒸汽箱，3.温差发电结构单元，4.一体化冷导结构，5.异形冷凝液箱，6.“s”型冷凝管出口，7.“s”型冷凝管，8.冷凝管架，9.“s”型冷凝管入口，10.正负极导线，11.低电压保温软管，21.异形蒸汽箱上罩板，22.异形蒸汽箱背部导热板，23.异形蒸汽箱前导热板，24.异形蒸汽箱前绝热封板，25.异形蒸汽箱底封板，26.异形蒸汽箱前绝热封板孔口，27.异形蒸汽箱内部90度折转孔通道，28.异形蒸汽箱左侧封板，29.异形蒸汽箱右侧封板，31.温差发电结构单元冷板，32.温差发电结构单元前绝热封板，33.温差发电结构单元热板，34.温差发电结构单元背部绝热封板，35.温差发电结构单元前绝热封板孔口，36.温差发电结构单元前、后绝热封板间孔通道，51.异形冷凝液箱背部导板，52.异形冷凝液箱前封板，53.异形冷凝液箱右侧封板，54.异形冷凝液箱左侧封板，55.异形冷凝液箱背部溢出口，56.异形冷凝液箱底封板，57.异形冷凝液箱上折板，58.异形冷凝液箱肩部侧封板。
具体实施方式
本发明实施例中用于铝电解槽的热交换装置的主体发电结构呈异形箱体结构。
本发明实施例中异形蒸汽箱的背部导热板、前导热板、前绝热封板、上罩板和底封板呈方形。
本发明实施例中温差发电结构单元呈斜平板结构。
本发明实施例中异形冷凝液箱呈“凸”字型异形箱体结构。
本发明实施例中冷凝管架呈爬梯状。
本发明实施例中异形蒸汽箱的前绝热封板上的长方形孔、温差发电结构单元的前绝热封板和背部绝热封板上的长方形孔以及异形冷凝液箱背部导板上方的长方形孔所在位置相互对应，且在异形蒸汽箱背部导热板平面上具有边界完全吻合的投影。
本发明实施例中使用的液体介质为1,2-丙二醇或l-乳酸乙酯。
本发明的实施例：
一种用于铝电解槽的热交换装置示意图如附图1所示。热交换装置包括呈异形箱体结构的主体发电结构以及外挂的“s”型冷凝管（7）、冷凝管架（8）、正负极导线（10）和低电压保温软管（11）。主体发电结构由异形蒸汽箱（2）、温差发电结构单元（3）和异形冷凝液箱（5）构成。异形蒸汽箱（2）与温差发电结构单元（3）之间通过一体化热导结构（1）进行热交换；温差发电结构单元（3）与异形冷凝液箱（5）之间通过一体化冷导结构（4）进行热交换。“s”型冷凝管入口（9）和“s”型冷凝管出口（6）分别连接于位于同侧的异形蒸汽箱（2）和异形冷凝液箱（5）的侧封板管孔位置。“s”型冷凝管（7）是以具有高热传导系数的金属为材料制作而成的多个“s”型管单元首尾连接的一体化整根管结构，整根管结构位于与铝电解槽槽壳侧部呈一定角度的斜平面内，连接在该热交换装置的侧部。“s”型冷凝管（7）每一处“s”型折转弯管的拐点处均被焊接于爬梯形冷凝管架（8）的横杆与竖杆的交叉点上。正负极导线（10）连接于温差发电结构单元（3）与低电压保温软管（11）之间，低电压保温软管（11）被盘绕在与安装有主体发电结构的铝电解槽槽壳侧部位置对应的铝电解槽槽壳底部。温差发电结构单元（3）将温差能转化为电能，通过正负极导线（10）使低电压保温软管（11）通电发热，进而对铝电解槽槽壳底部实现热量补偿。将热交换装置的贴合面直接焊接在两个相邻摇篮架之间的铝电解槽槽壳中上侧部或者通过挂架螺栓紧固方式使热交换装置贴合面紧压在铝电解槽槽壳的中上侧部来进行安装，热交换装置贴合面即异形蒸汽箱（2）的背部导热板。
热交换装置的主体发电结构中的异形蒸汽箱（2）、温差发电结构单元（3）、异形冷凝液箱（5）分别如附图2、附图3和附图4所示。
异形蒸汽箱（2）是一个异形箱体结构，由异形蒸汽箱上罩板（21）、异形蒸汽箱背部导热板（22）、异形蒸汽箱前导热板（23）、异形蒸汽箱前绝热封板(24)、异形蒸汽箱底封板（25）、异形蒸汽箱左侧封板（28）及异形蒸汽箱右侧封板（29）构成，各板间缝隙做密封处理。异形蒸汽箱背部导热板（22）即热交换装置与铝电解槽槽壳中上侧部之间的安装贴合面，其与异形蒸汽箱前导热板（23）均具有较高的热传导系数。异形蒸汽箱前绝热封板(24)具有绝热功能，并存在异形蒸汽箱前绝热封板孔口（26），可使液体介质通过与其连通的异形蒸汽箱内部90度折转孔通道（27）进入到异形蒸汽箱（2）的内部。
温差发电结构单元（3）是一个斜平板结构，由温差发电结构单元冷板（31）、温差发电结构单元前绝热封板（32）和温差发电结构单元热板（33）以及温差发电结构单元背部绝热封板（34）构成，温差发电电子元件位于两个绝热封板间。温差发电结构单元热板（33）是与异形蒸汽箱前导热板（23）形状相同的半导体制平板，且与异形蒸汽箱前导热板（23）边界完全吻合并固化为具有高效热传导的一体化热导结构（1）；温差发电结构单元背部绝热封板（34）是与异形蒸汽箱前绝热封板（24）形状相同的平板，与异形蒸汽箱前绝热封板（24）边界完全吻合并固化为一体；温差发电结构单元前绝热封板（32）与温差发电结构单元背部绝热封板（34）平行，形状相同，且具有绝热功能；温差发电结构单元冷板（31）与温差发电结构单元热板（33）平行，且与温差发电结构单元热板（33）形状、材质相同，但温差发电结构单元冷板（31）的上、下边界分别连接于温差发电结构单元前绝热封板（32）的下边界以及温差发电结构单元背部绝热封板（34）的下边界，且与异形冷凝液箱背部导板（51）固化为一体化冷导结构（4）。温差发电结构单元前绝热封板（32）上存在一个长方形的温差发电结构单元前绝热封板孔口（35），沿孔口边界连通至温差发电结构单元背部绝热封板（34）形成温差发电结构单元前、后绝热封板间孔通道（36），该通道做密封处理。
异形冷凝液箱（5）是一个“凸”字型异形箱体结构，由异形冷凝液箱背部导板（51）、异形冷凝液箱前封板（52）、异形冷凝液箱右侧封板（53）、异形冷凝液箱左侧封板（54）、异形冷凝液箱底封板（56）、异形冷凝液箱上折板（57）以及异形冷凝液箱肩部侧封板（58）构成，各板间缝隙做密封处理。异形冷凝液箱的背部导板（51）具有较高的热传导系数，其与温差发电结构单元冷板（31）具有相同外形的平板，与温差发电结构单元冷板（31）边界完全吻合并固化为一体化冷导结构（4）；异形冷凝液箱的底封板（56）是与异形冷凝液箱背部导板（51）具有相同长度的方形平板，连接于异形冷凝液箱背部导板（51）的下边界和异形冷凝液箱前封板（52）的下边界之间；异形冷凝液箱前封板（52）为“凸”字型平板，因此异形冷凝液箱（5）的顶部上封板由异形冷凝液箱上折板（57）和两个异形冷凝液箱肩部侧封板（58）所构成。由于异形冷凝液箱前封板（52）比异形冷凝液箱背部导板（51）在外形上多出一个凸起，使得在异形冷凝液箱背部导板（51）的上方其长度方向的中心处存在一个对应于温差发电结构单元前绝热封板孔口（35）的长方形孔口。当在异形冷凝液箱（5）中灌注超过异形冷凝液箱体积的液体介质时，该孔口作为异形冷凝液箱内液体的溢出口，即异形冷凝液箱背部溢出口（55），以温差发电结构单元前、后绝热封板间孔通道（36）和异形蒸汽箱内部90度折转孔通道（27）进入到异形蒸汽箱（2）的内部空间。
将1.2~1.5倍异形冷凝液箱（5）体积的1,2-丙二醇或l-乳酸乙酯液体灌注到主体发电结构中的异形冷凝液箱（5）中，液体从异形蒸汽箱背部导板（51）上方的异形冷凝液箱背部溢出口（55）溢出，通过温差发电结构单元前、后绝热封板间孔通道（36）、异形蒸汽箱内部90度折转孔通道（27）进入异形蒸汽箱（2），并使异形蒸汽箱（2）内部液面高于异形蒸汽箱内部90度折转孔通道（27）靠近异形蒸汽箱（2）底部的出口。异形蒸汽箱（2）内部的液体在异形蒸汽箱背部导热板（22）的传热作用下，发生相变变成蒸汽向异形蒸汽箱（2）的上部运动，蒸汽在异形蒸汽箱（2）内部异形蒸汽箱上罩板（21）的附近汇集并从异形蒸汽箱左侧封板（28）上部的“s”型冷凝管入口（9）进入“s”型冷凝管（7）。同时，由于异形蒸汽箱背部导热板（22）对热量的传递，铝电解槽槽壳中上侧部的温度也将降低。蒸汽在“s”型冷凝管（7）中，通过与管外界空气发生热交换被重新冷凝为液体，冷凝后的液体以重力自流的方式最终再流回异形蒸汽箱（2），进而完成介质循环。主体发电结构中的温差发电结构单元热板（33）和温差发电结构单元冷板（31）分别以蒸汽和冷凝后的液体作为热源和冷源，将温差能转化为电能。将低电压保温软管（11）与温差发电结构单元的正负极导线（10）进行连接，低电压保温软管（11）盘绕在铝电解槽槽壳底部，当通电发热后，即可对铝电解槽槽壳底部进行热量补偿实施保温。