Расчет электролизера (стр. 6 из 7)

где

– тепловой эффект реакции образования глинозема.

Потери энергии с выливаемым алюминием рассчитывают исходя из условия, что количество выливаемого металла соответствует количеству наработанного алюминия за то же время. При температуре выливаемого металла ~960 ºС энтальпия (теплосодержание) алюминия составляет 43940,4, а при температуре 25 ºС – только 6710,2 кДж/кмоль. Тогда изменение энтальпии алюминия ∆H_Al = 43940,4 – 6710,2 = 37230,2 кДж/кмоль, а потери тепла с выливаемым металлом составят:

Унос энергии с газами рассчитываем, принимая во внимание только основные компоненты анодных газов – СО₂ и СО. По практическим данным принимаем температуру отходящих газов равной 600 ºС. В этом случае изменение энтальпии газов DН при снижении температуры с 600 до 25 ºС составит 602,5 и 627,6 кДж/кг для СО₂ и СО, соответственно [7]. Тогда унос энергии с газами составит:

2.6.3Потери энергии с конструктивных элементов

Потерю энергии с конструктивных элементов электролизера в пространство вычислить непросто из-за сложной конфигурации и развитых теплоотдающих поверхностей, различных условий движения газов, омывающих электролизер, и переменных параметров лучистого обмена. Кроме того, расчет потерь затрудняется большими погрешностями в определении температуры теплоотдающих поверхностей и теплофизических характеристик изоляционного материала.

Различают три вида переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. В действительности эти элементарные виды теплообмена не обособлены и в чистом виде встречаются редко. В большинстве случаев один вид теплообмена сопровождается другим. Перенос тепла от горячего расплава к более холодным наружным поверхностям электролизера осуществляется самопроизвольно, и такой процесс называется теплопроводностью [2]. Передачу тепла теплопроводностью для плоской однослойной стенки рассчитывают по формуле:

где F – площадь поперечного сечения стенки, м²;

t₁ и t₂ – температура горячей и более холодной поверхности соответственно, ºС;

δ – толщина стенки, м;

λ – коэффициент теплопроводности, кДж/(м · ч · ºС).

Стенки, состоящие из нескольких разнородных слоев, называются многослойными. Если стенка состоит из плотно прилегающих друг к другу n слоев, то потери тепла определяют по уравнению:

где k – коэффициент теплопередачи, кДж/(м² · ч · ºС),

где δ₁, δ₂, …, δ_n – толщины слоев, м;

λ₁, λ₂, …, λ_n – коэффициенты теплопроводности слоев, кДж/(м · ч · ºС).

Потери энергии через подину ванны составят:

Потери энергии через борта ванны составят:

Потери энергии через корку электролита составят:

Потери энергии теплопроводностью через анод составят:

Тогда общие потери энергии теплопроводностью составят:

Конвективный теплообмен – процесс переноса теплоты с поверхности электролизёра в воздух, а потери тепла конвекцией с наружных стенок электролизера определяют по формуле:

где a_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией от стенки к газу, кДж/(м²·ч·ºС);

t_c и t_в – температура стенки и воздуха, °С;

F – площадь теплоотдающей поверхности, м².

Коэффициент теплоотдачи с вертикальных стенок можно вычислить по выражению:

где Dt – разность температур стенки и среды, °С;

А – коэффициент, зависящий от свойств среды и определяющей температуры, под которой понимают:

Зависимость коэффициента А от определяющей температуры для вертикальной стенки и воздуха представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – График зависимости определяющей температуры

от коэффициента А.

Для горизонтальных плит, с которых тепловой поток идет вверх, коэффициент a_к увеличивают на 30%, а если тепловой поток идет вниз – уменьшают на 30%.

Потери тепла излучением обусловлены законом Стефана – Больцмана, согласно которому потери тепла составляют:

где c₀=20,75 кДж/(м² · ч · К⁴) – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела;

Т_с и Т_в – абсолютная температура излучающей стенки и среды, в которую происходит излучение, К;

j – угловой коэффициент взаимного облучения данной излучающей поверхности соседними поверхностями, д.е.;

e – приведенная степень черноты излучающего тела, д.е.

Температура расплава принята на уровне 956 ºС, температуру окружающей среды с учетом летнего и зимнего периодов эксплуатации принимаем равной 10 ºС.

Температуру выступающей части штыря принимаем равной 70 ºС. Площадь выступающей части всех анодных штырей составляет:

Температуру поверхности КПК принимаем на основании практических данных и она равна 140ºС. Площадь поверхности КПК за вычетом площади штырей составляет:

Площадь открытой поверхности электролита с учетом режима обработки ванны принимаем равной 0,3 м².

Температура выступающей части блюмов принята равной 180 ºС. Их площадь составляет:

Средняя (по сечению анода) температура борта анода в нижней зоне 220 ºС.

Средняя (по сечению анода) температура борта анода в средней зоне 150 ºС.

Средняя (по сечению анода) температура борта анода в верхней зоне 80 ºС.

Боковую поверхность анодного кожуха, высотой 1,41 м разбиваем на три зоны:

Верхнюю (0,55м);

Среднюю (0,47м);

Нижнюю (0,39 м).

Площадь боковой поверхности анодного кожуха составит:

Верх:

;

Середина:

;

Низ:

Температура секций газосборного колокола принята на уровне 350 ºС.

Площадь поверхности ГСК:

Остальные размеры и температуры элементов, все значения черноты тел, угловые коэффициенты взаимного облучения взяты из практических и литературных данных [18].

Результатом расчетов теплопотерь лучеиспусканием и конвекцией с поверхности электролизера является таблица 7.

Таблица 7 – Расчет теплопотерь с конструктивных элементов электролизера конвекцией и излучением

Поверхность	t_c, ºС	t_в, ºС	t_c_р, ºС	А	a_к,	F, м²	ε, д.е.	φ, д.е.	Q_к, кДж/ч	Q_и, кДж/ч	Q, кДж/ч
1. Штыри	70	10	30	5,614	21,98	26,05	0,80	0,55	34355	17664	52019
2. Поверхность анодной массы	140	10	65	5,148	26,08	22,86	0,80	1,00	84063	92261	176 324
3. Поверхность анодного кожуха:верхняя зонасредняя зонанижняя зона
	80	10	35	5,538	22,82	12,38	0,80	0,71	19776	13297	33073
	150	10	70	5,094	26,45	10,58	0,80	0,71	39178	31924	71102
	220	10	105	4,735	28,14	8,78	0,80	0,71	51885	54492	106376
	4. Контрфорсы анодного кожуха	80	10	35	5,538	22,82	3,20	0,80	0,5	5111,7	2420,5	7532,1
5. Ребра жесткости анодного кожуха	80	10	35	5,538	22,82	11,4	0,80	0,44	18210	7588,1	25798
4. Газосборный колокол	300	10	145	4,451	29,46	6,75	0,80	0,59	57668	67026	124694
5. Глиноземная засыпка	200	10	95	4,824	27,73	7,96	0,80	0,45	41939	25949	67888
6. Открытая поверхность электролита	956	10	473	3,015	29,60	0,03	0,63	1,00	840	8922	9762
7. Боковая поверхность катодного кожуха	90	10	40	5,462	23,54	34,14	0,80	0,70	64292	43435	107727
8. Контрфорсы катодного кожуха	60	10	25	5,690	20,96	46,80	0,80	0,70	49046	31988	81034
9. Днище катодного кожуха	60	10	25	5,69	20,96	46,04	0,80	0,76	48250	34166	82416
10. Блюмсы	180	10	85	4,932	27,32	6,21	0,80	0,71	28842	26127	54968
Итого потерь											1000713,1

Таблица 8 – Энергетический баланс электролизера