RU2505890C2 - Способ использования тепловой энергии от поверхности пирометаллургической технологической установки и используемый в нем термоэлектрический прибор - Google Patents
Способ использования тепловой энергии от поверхности пирометаллургической технологической установки и используемый в нем термоэлектрический прибор Download PDFInfo
- Publication number
- RU2505890C2 RU2505890C2 RU2011115136/28A RU2011115136A RU2505890C2 RU 2505890 C2 RU2505890 C2 RU 2505890C2 RU 2011115136/28 A RU2011115136/28 A RU 2011115136/28A RU 2011115136 A RU2011115136 A RU 2011115136A RU 2505890 C2 RU2505890 C2 RU 2505890C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thermomagnetic
- thermoelectric
- connector
- semiconductor
- magnetic field
- Prior art date
Links
- 238000012545 processing Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 35
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 35
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 23
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 14
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 9
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 abstract 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 230000005426 magnetic field effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 29
- 229910001610 cryolite Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 15
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 8
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 8
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 7
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 6
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 6
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 5
- 230000005676 thermoelectric effect Effects 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 4
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000009853 pyrometallurgy Methods 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 4
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 4
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 4
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000005422 Nernst effect Effects 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 238000010420 art technique Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 2
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 2
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 2
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 2
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 2
- 238000003913 materials processing Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 2
- 230000005421 thermomagnetic effect Effects 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910005540 GaP Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007743 anodising Methods 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 150000002259 gallium compounds Chemical class 0.000 description 1
- HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N gallium phosphide Chemical compound [Ga]#P HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 150000002611 lead compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GGYFMLJDMAMTAB-UHFFFAOYSA-N selanylidenelead Chemical compound [Pb]=[Se] GGYFMLJDMAMTAB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N tellanylidenelead Chemical compound [Pb]=[Te] OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
- C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
- C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
- C25C7/06—Operating or servicing
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N15/00—Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Electrolytic Production Of Metals (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
Изобретение относится к преобразованию тепловой энергии в электрическую. Сущность: термоэлектрический прибор (100) содержит комбинацию термоэлементов (60, 62) и термомагнитных элементов (65) и может быть использован совместно с пирометаллургической технологической установкой (20), за счет работы которой возбуждается магнитное поле. Технический результат: увеличение вырабатываемой электрической энергии, повышение полного кпд электролизера за счет выработки электрической энергии с использованием потерянной диффузной теплоты, при одновременном повышении эффективности рекуперации теплоты за счет эффектов магнитных полей и улучшения контроля образования замерзшего слоя в электролизере для производства алюминия. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Область применения изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию термоэлектрического и термомагнитного устройства для получения годной к употреблению энергии из отходящей теплоты.
Предпосылки к созданию изобретения
Термоэлектрические приборы или устройства на эффекте Зеебека представляют собой устройства, которые преобразуют перепады температуры между противоположными сторонами устройства в электрическую энергию. Типично изготовленные из полупроводниковых металлов или полуметаллов устройства на эффекте Зеебека обычно имеют форму пластины и работают как источник электрического тока, возникающего за счет перепада температуры между их противоположными главными поверхностями. Ранее их считали имеющими низкую эффективность, однако последние достижения в области материалов и обработки материалов привели к существенному повышению эффективности. Более того, даже как исторически неэффективные генераторы, они все же позволяют использовать иным образом недоступную энергию дешевым, чистым и не требующим технического обслуживания образом. В дополнение к рекуперации энергии, использование устройств на эффекте Зеебека в металлургических ваннах создает дополнительное преимущество, связанное с содействием контролю эффектов охлаждения реакции или обработки, протекающих в ванне.
До настоящего времени, указанные устройства в первую очередь использовали для преобразования отходящей теплоты выхлопных газов автомобиля в электрическую энергию. Эти устройства не используют широко для рекуперации мощности от отходящей теплоты в пирометаллургических применениях, принимая во внимание их относительно низкий коэффициент преобразования теплоты в электрическую энергию, в отраслях промышленности, привыкших к использованию исторически дешевой и легко доступной электрической энергии. В конструкциях современных пирометаллургических технологических ванн также уделяют больше внимания объему выпуска продукции, а не концентрируются на экономии использованной энергии, что дополнительно неблагоприятно влияет на попытки рекуперации энергии.
Полупроводниковые термоэлектрические приборы обычно изготавливают из чередующихся акцепторных и донорных полупроводников, соединенных при помощи металлических межсоединений. Электроны проходят через донорный термоэлектрический полупроводник, пересекают металлическое межсоединение и проходят в акцепторный термоэлектрический полупроводник. Когда используют источник теплоты, кристаллические дислокации в акцепторном термоэлектрическом полупроводнике движутся в направлении удаления от источника теплоты, за счет чего создается поток электронов в направлении источника теплоты. Это создает разность напряжений, которая может быть использована для создания тока и мощности в нагрузке. Таким образом, тепловая энергия преобразуется в электрическую энергию.
Имеется класс термоэлектрических материалов, в которых термоэлектрический эффект усиливается, когда материал надлежащим образом ориентирован в магнитном поле. В то время как некоторое усиление самого термоэлектрического эффекта происходит за счет магнитного поля, соответствующая взаимная ориентация магнитного поля и градиента температуры создают дополнительный электрический ток, возбуждаемый за счет эффект Нернста или термомагнитного эффекта. Этот дополнительный электрический ток протекает в направлении, нормальном к взаимно перпендикулярным градиенту температуры и магнитному полю в материале. Ранее пытались использовать эту повышенную эффективность преобразования теплоты за счет помещения термоэлектрического материала в магнитное поле, созданное при помощи постоянных магнитов, установленных на каждой стороне материала.
Несмотря на то что далее настоящее изобретение будет описано со ссылкой на резервуары (ванны) для восстановления оксида алюминия (глинозема) в алюминий, следует иметь в виду, что оно в равной мере применимо к любым установкам, используемым в пирометаллургических процессах, которые в контексте настоящего изобретения относятся к термической обработке различного минерального сырья, металлических руд и концентратов, чтобы вызвать физическое и/или химическое преобразования для извлечения ценных металлов, причем эти процессы включают в себя (но без ограничения) сушку, прокаливание, обжиг, плавление, испарение и рафинирование (в том числе электролитические процессы). Типично, такие процессы протекают при температурах свыше 100°С. Настоящее изобретение специфическим образом применимо к любой пирометаллургической технологической установке, которая возбуждает магнитные поля при своей работе, так что настоящее изобретение не ограничено единственно его использованием в алюминиевой промышленности. Настоящее изобретение может быть использовано везде, где существуют соответствующие магнитные поля, причем оно может быть использовано для преобразования энергии горячих отходящих газов пирометаллургических процессов.
По своей природе, процессы рафинирования и плавления алюминия требуют использования значительного количества теплоты. Например, во время восстановления оксида алюминия (глинозема) в алюминий в электролизерах, только около 30% всей потребляемой энергии в действительности используется для процесса восстановления, а существенная пропорция остальной энергии теряется как теплота рассеивания. В современной крупной операции плавления алюминия, по причине необходимости нагревания восстановительной среды, может теряться свыше 600 МВт энергии за счет натуральных тепловых потоков через боковые стенки и верхнюю часть восстановительных резервуаров, а также за счет отходящих газов.
Электролизеры для производства алюминия содержат электролитическую ванну, имеющую по меньшей мере один катод и по меньшей мере один анод. Электролитическая ванна (резервуар) содержит внешнюю стальную оболочку, имеющую блоки угольных катодов, установленных на слое изоляционного и огнеупорного материала вдоль основания резервуара. В то время как точная конструкция боковых стенок может быть различной, всегда используют футеровку, содержащую комбинацию угольных блоков и огнеупорного материала на стальной оболочке. Во время электролитического процесса, от анода к катоду протекает сильный электрический ток (создающий сильное магнитное поле). Оксид алюминия растворен в криолитной ванне, имеющейся в резервуаре. Рабочая температура криолитной ванны обычно лежит в диапазоне от 930°С до 970°С. Большая часть той энергии, которая требуется для поддержания температур процесса, теряется как теплота рассеивания (диффузная теплота) за счет тепловых потоков рассеивания через огнеупорную футеровку резервуара.
Кроме этих тепловых потерь, ведущих к снижению кпд, теплопередача (через огнеупорную футеровку) и последующее охлаждение криолитной ванны у огнеупорной футеровки приводят к образованию слоя 'замерзшего' криолита внутри футеровки электролизера. Толщина этого замерзшего слоя /корки/ края может варьироваться во время работы электролизера, причем эта толщина замерзшего криолита зависит, например, от температуры криолитной ванны (которая зависит от силы тока между анодом и катодом) и от отвода теплоты от внешних боковых стенок резервуара. Если замерзший слой становится слишком толстым, это может ухудшать работу электролизера, так как замерзший слой нарастает на катоде и нарушает распределение катодного тока. Если замерзший слой становится слишком тонким или отсутствует в некоторых местах, то криолитная ванна может разъедать огнеупорную футеровку и в конечном счете приводить к ее разрушению (что приводит к необходимости замены футеровки, чтобы исключить повреждение стальной оболочки и возможное вытекание криолита из резервуара). Таким образом, контролируемое образование замерзшего слоя является важным для хорошей работы ванны и повышения срока службы огнеупорной футеровки внутри электролизера. Контролируемое образование замерзшего слоя может быть частично осуществлено за счет управления тепловым потоком от ванны через огнеупорную футеровку восстановительного резервуара.
В связи с изложенным, в соответствии с настоящим изобретением предлагается средство для использования тепловой энергии, теряющейся с поверхностей пирометаллургической технологической установки, такой как электролизер, чтобы повысить электрический кпд и, в случае электролизера, создать улучшенную термодинамическую среду на внутренней поверхности футеровки ванны, чтобы можно было лучше контролировать замерзание футеровки.
Ссылку на любой известный уровень техники в описании настоящего изобретения не следует понимать как признание того, или как любую форму подсказки на то, что известный уровень техники является частью общих знаний в Австрии или в любой другой юрисдикции, причем можно разумно ожидать, что этот известный уровень техники может быть оценен, понят и рассмотрен как подходящий специалистами в данной области.
Сущность изобретения
Термоэлектрические приборы или устройства на эффекте Зеебека представляют собой устройства, которые преобразуют перепады температуры между противоположными сторонами устройства в электрическую энергию. Типично изготовленные из полупроводниковых металлов или полуметаллов устройства на эффекте Зеебека обычно имеют форму пластины и работают как источник электрического тока, возникающего за счет перепада температуры между их противоположными главными поверхностями. Ранее их считали имеющими низкую эффективность, однако последние достижения в области материалов и обработки материалов привели к существенному повышению эффективности. Более того, даже как исторически неэффективные генераторы, они все же позволяют использовать иным образом (иначе, по другому) недоступную энергию дешевым, чистым и не требующим технического обслуживания образом. В дополнение к рекуперации энергии, использование устройств на эффекте Зеебека в металлургических ваннах создает дополнительное преимущество, связанное с содействием контролю эффектов охлаждения реакции или обработки, протекающих в ванне.
До настоящего времени, указанные устройства в первую очередь использовали для преобразования отходящей теплоты выхлопных газов автомобиля в электрическую энергию. Эти устройства не используют широко для рекуперации мощности от отходящей теплоты в пирометаллургических применениях, принимая во внимание их относительно низкий коэффициент преобразования теплоты в электрическую энергию, в отраслях промышленности, привыкших к использованию исторически дешевой и легко доступной электрической энергии. В конструкциях современных пирометаллургических технологических ванн также уделяют больше внимания объему выпуска продукции, а не концентрируются на экономии использованной энергии, что дополнительно неблагоприятно влияет на попытки рекуперации энергии.
Полупроводниковые термоэлектрические приборы обычно изготавливают из чередующихся акцепторных и донорных полупроводников, соединенных при помощи металлических межсоединений. Электроны проходят через донорный термоэлектрический полупроводник, пересекают металлические межсоединение и проходят в акцепторный термоэлектрический полупроводник. Когда используют источник теплоты, кристаллические дислокации в акцепторном термоэлектрическом полупроводнике движутся в направлении удаления от источника теплоты, за счет чего создается поток электронов в направлении источника теплоты. Это создает разность напряжений, которая может быть использована для создания тока и мощности в нагрузке. Таким образом, тепловая энергия преобразуется в электрическую энергию.
Имеется класс термоэлектрических материалов, в которых термоэлектрический эффект усиливается, когда материал надлежащим образом ориентирован в магнитном поле. В то время как некоторое усиление самого термоэлектрического эффекта происходит за счет магнитного поля, соответствующая взаимная ориентация магнитного поля и градиента температуры создают дополнительный электрический ток, возбуждаемый за счет эффект Нернста или термомагнитного эффекта. Этот дополнительный электрический ток протекает в направлении, нормальном к взаимно перпендикулярным градиенту температуры и магнитному полю в материале. Ранее пытались использовать эту повышенную эффективность преобразования теплоты за счет помещения термоэлектрического материала в магнитное поле, созданное при помощи постоянных магнитов, установленных на каждой стороне материала.
Несмотря на то что далее настоящее изобретение будет описано со ссылкой на резервуары (ванны) для восстановления оксида алюминия (глинозема) в алюминий, следует иметь в виду, что оно в равной мере применимо к любым установкам, используемым в пирометаллургических процессах, которые в контексте настоящего изобретения относятся к термической обработке различного минерального сырья, металлических руд и концентратов, чтобы вызвать физическое и/или химическое преобразование для извлечения ценных металлов, причем эти процессы включают в себя (но без ограничения) сушку, прокаливание, обжиг, плавление, испарение и рафинирование (в том числе электролитические процессы). Типично, такие процессы протекают при температурах свыше 100°С. Настоящее изобретение специфическим образом применимо к любой пирометаллургической технологической установке, которая возбуждает магнитные поля при своей работе, так что настоящее изобретение не ограничено единственно его использованием в алюминиевой промышленности. Настоящее изобретение может быть использовано везде, где существуют соответствующие магнитные поля, причем оно может быть использовано для преобразования энергии горячих отходящих газов пирометаллургических процессов.
По своей природе, процессы рафинирования и плавления алюминия требуют использования значительного количества теплоты. Например, во время восстановления оксида алюминия (глинозема) в алюминий в электролизерах, только около 30% всей потребляемой энергии в действительности используется для процесса восстановления, а существенная пропорция остальной энергии теряется как теплота рассеивания. В современной крупной операции плавления алюминия, по причине необходимости нагревания восстановительной среды, может теряться свыше 600 МВт энергии за счет натуральных тепловых потоков через боковые стенки и верхнюю часть восстановительных резервуаров, а также за счет отходящих газов.
Электролизеры для производства алюминия содержат электролитическую ванну, имеющую по меньшей мере один катод и по меньшей мере один анод. Электролитическая ванна (резервуар) содержит внешнюю стальную оболочку, имеющую блоки угольных катодов, установленных на слое изоляционного и огнеупорного материала вдоль основания резервуара. В то время как точная конструкция боковых стенок может быть различной, всегда используют футеровку, содержащую комбинацию угольных блоков и огнеупорного материала на стальной оболочке. Во время электролитического процесса, от анода к катоду протекает сильный электрический ток (создающий сильное магнитное поле). Оксид алюминия растворен в криолитной ванне, имеющейся в резервуаре. Рабочая температура криолитной ванны обычно лежит в диапазоне от 930°С до 970°С. Большая часть этой энергии, которая требуется для поддержания температур процесса, теряется как теплота рассеивания (диффузная теплота) за счет тепловых потоков рассеивания через огнеупорную футеровку резервуара.
Кроме этих тепловых потерь, ведущих к снижению кпд, теплопередача (через огнеупорную футеровку) и последующее охлаждение криолитной ванны у огнеупорной футеровки приводят к образованию слоя 'замерзшего' криолита внутри футеровки электролизера. Толщина этого замерзшего слоя /корки/ края может варьироваться во время работы электролизера, причем эта толщина замерзшего криолита зависит, например, от температуры криолитной ванны (которая зависит от силы тока между анодом и катодом) и от отвода теплоты от внешних боковых стенок резервуара. Если замерзший слой становится слишком толстым, это может ухудшать работу электролизера, так как замерзший слой нарастает на катоде и нарушает распределение катодного тока. Если замерзший слой становится слишком тонким или отсутствует в некоторых местах, то криолитная ванна может разъедать огнеупорную футеровку и в конечном счете приводить к ее разрушению (что приводит к необходимости замены футеровки, чтобы исключить повреждение стальной оболочки и возможное вытекание криолита из резервуара). Таким образом, контролируемое образование замерзшего слоя является важным для хорошей работы ванны и повышения срока службы огнеупорной футеровки внутри электролизера. Контролируемое образование замерзшего слоя может быть частично осуществлено за счет управления тепловым потоком от ванны через огнеупорную футеровку восстановительного резервуара.
В связи с изложенным, в соответствии с настоящим изобретением предлагается средство для использования тепловой энергии, теряющейся с поверхностей пирометаллургической технологической установки, такой как электролизер, чтобы повысить электрический кпд и, в случае электролизера, создать улучшенную термодинамическую среду на внутренней поверхности футеровки ванны, чтобы можно было лучше контролировать замерзание футеровки.
Ссылку на любой известный уровень техники в описании настоящего изобретения не следует понимать как признание того, или как любую форму подсказки на то, что известный уровень техники является частью общих знаний в Австрии или в любой другой юрисдикции, причем можно разумно ожидать, что этот известный уровень техники может быть оценен, понят и рассмотрен как подходящий специалистами в данной области.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано перспективное изображение с пространственным разделением деталей одного конструктивного варианта комбинации термоэлектрической и термомагнитной пластины и ее связи с панелью теплообменника, с возможной установкой теплообменника на пирометаллургическом технологическом резервуаре.
На фиг.2 схематично показана компоновка термоэлементов и термомагнитных соединителей в термоэлектрическом приборе в соответствии с настоящим изобретением, где можно видеть направление центровки термоэлектрического прибора относительно градиента температуры и магнитного поля.
Подробное описание изобретения
Далее будет описан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертежи.
Термоэлектрический прибор 100, показанный на фиг.1, имеет первую сторону 30 (горячая сторона) и вторую сторону 40 (холодная сторона), между которыми расположен корпусной участок 50, по меньшей мере два термоэлемента 60, 62 и по меньшей мере один термомагнитный соединитель 65. Следует иметь в виду, что элементы 60, 62 и 65 не обязательно должны быть расположены так, как это показано на фиг.1, причем это может быть любая комбинация последовательных и/или параллельных подключений (при условии, что 'металлическое межсоединение' донорного термоэлемента 60 и акцепторного термоэлемента 62 представляет собой термомагнитный соединитель 65, изготовленный из термомагнитного материала).
Блок 200 теплообменника, содержащий термоэлектрические приборы 100, прикреплен к поверхности 20 технологического резервуара. В этом теплообменнике, горячая сторона термоэлементов 100 получает отходящую от технологического резервуара теплоту при помощи любой комбинации проводимости, конвекции или излучения, за счет чего температура горячей стороны термоэлементов 100 повышается. В этом теплообменнике, холодная сторона термоэлементов 100 охлаждается, преимущественно за счет излучения или конвекции, с использованием охлаждающей жидкости, протекающей через каналы в корпусе теплообменника 200.
Технологическая установка также имеет объединенное с ней магнитное поле. Комбинация 20 термоэлектрических и термомагнитных пластин 100, расположенных в теплообменнике, ориентирована внутри теплообменника таким образом, что магнитное поле оптимальным образом воздействует на термомагнитные элементы 65 внутри каждой из пластин.
Теплота, переданная от поверхности резервуара к горячей стороне термоэлементов, и удаленная за счет охлаждения конструкций в теплообменнике, создает градиент температуры через термоэлектрические и термомагнитные элементы, за счет чего возникает движущая сила для преобразования порции отходящей тепловой энергии в электрическую энергию.
Материал, использованный для конструирования первой стенки 30 и второй стенки 40, преимущественно является хорошо теплопроводным, чтобы обеспечивать более равномерное распределение температуры. Особенно подходящими материалами для этого являются медь или алюминий. Материал первой стенки может потребовать обработки (нанесения покрытия, анодирования или другой обработки), чтобы обеспечить коэффициент излучения, стремящийся к 1, так чтобы поглощенная теплота приближалась к теплоте, излучаемой поверхностью технологического резервуара. Первая сторона может иметь любой профиль; однако особенно предпочтительным профилем является такой профиль, который позволяет наиболее эффективно передавать теплоту от технологического резервуара к горячей стороне термоэлементов. Например, первая стенка может иметь ребра для повышения площади поверхности, имеющейся для теплоотдачи с нее, и для того, чтобы исключить ламинарный поток флюида, который может протекать между поверхностью 20 технологического резервуара и горячей стороной термоэлементов, установленных в теплообменнике 200.
Материал или материалы, которые используют для конструирования корпусного участка 50, преимущественно представляет собой изолятор, чтобы замедлить распространение тепловой энергии через материал корпусного участка термоэлектрической пластины per se (сам по себе) и увеличить количество тепловой энергии, принудительно переносимой через термоэлементы. Например, корпусной участок может быть изготовлен из предварительно отформованных керамических брикетов (из оксида алюминия, оксида магния, диоксида циркония и т.п.) или из другого материала, который препятствует распространению теплоты и протеканию электрического тока через его матрицу. Однако порции материала корпуса могут быть сделаны теплопроводящими за счет металлических вставок или при помощи других технологий изготовления, чтобы оптимизировать тепловой поток через термомагнитные соединители 65.
За счет выбора типа флюида, использованного как различные флюиды, проходящие через теплообменник, и их расхода через пространства внутри теплообменника, можно регулировать (в градусах) тепловую энергию, переносимую от технологической установки. Более высокая степень контроля может быть обеспечена за счет введения устройства типа теплообменника в эти пространства. Например, может быть использовано устройство внутреннего охлаждения, такое как описанное в публикации РСТ/ AU 2005/001617. Контролируемое охлаждение внешней поверхности технологической установки в соответствии с настоящим изобретением является лучшим, чем используемое в настоящее время. Это означает, что оно обеспечивает большую возможную степень охлаждения при более жестком контроле.
Что касается электролизера, то этот повышенный контроль теплового баланса внутри электролизера является существенным. Что более важно, можно контролировать внешнюю температуру оболочки электролитической ванны, что также позволяет контролировать образование корки/замерзшей футеровки. Например, можно регулировать скорость потока флюида в соответствии с внешней температурой оболочки, так что если внешняя температура падает, то скорость потока флюида может быть снижена, чтобы уменьшить перенос тепловой энергии от оболочки к термоэлектрическому прибору. Скорости потока флюида можно регулировать при помощи любого подходящего известного средства, например, при помощи системы клапанов или задвижек.
Флюидом может быть газ или жидкость. Флюидом преимущественно является газ, так как это позволяет снизить расходы при монтаже и при эксплуатации. Например, флюидом может быть воздух. Первый флюид, протекающий через первое пространство между поверхностью технологического резервуара и горячей стороной термоэлементов, имеет более высокую температуру, чем второй флюид, протекающий мимо холодной стороны термоэлементов. В первом пространстве, первый флюид конвективно нагревается поверхностью технологической установки и конвективно переносит свою тепловую нагрузку к первой стенке. Теплота от поверхности к первой стенке также поступает за счет лучистого переноса. Первая стенка также может иметь несколько ребер или других аналогичных элементов, которые выступают в первое пространство для повышения конвективной теплопередачи. Альтернативно, термоэлементы могут быть установлены непосредственно на поверхности технологического резервуара. Во втором пространстве используют второй флюид для отвода теплоты от второй стенки. Второй флюид преимущественно имеет температуру окружающей среды, но он также может быть охлажден. Вторая стенка может иметь несколько ребер или других аналогичных элементов, которые выступают во второе пространство для повышения конвективной теплопередачи. Флюиды могут быть приведены в движение через пространства при помощи любых известных средств. Например, для этого могут быть использованы вентилятор или воздуходувка, которые могут получать питание за счет электрической энергии, вырабатываемой при помощи термоэлектрического прибора.
Донорный термоэлемент 60, акцепторный термоэлемент 62 и термомагнитный соединитель 65 могут быть изготовлены соответственно из любого подходящего известного термоэлектрического или термомагнитного материала. Типично, термоэлектрическими материалами являются полупроводниковые металлы или полуметаллы. В различных обычных вариантах, термоэлектрический материал содержит соединения висмута, свинца или галлия, которыми могут быть теллурид свинца, селенид свинца, смесь висмута с сурьмой, арсенид галлия и фосфид галлия. Основным требованием является способность материала работать при высоких температурах в диапазоне ориентировочно от 100°С до 500°С.
На фиг.1 показаны термоэлементы в прямом контакте с термомагнитными соединителями. Однако термоэлементы преимущественно имеют электрический контакт с термомагнитными соединителями при помощи любого известного средства, например, при помощи электропроводящей проволоки, сварки или иного соединения.
Для усиления термоэлектрического эффекта, описанное выше устройство, которое содержит как термомагнитные, так и термоэлектрические элементы, помещают в магнитном поле, таким образом, чтобы направление теплового потока, направление электрического тока в термомагнитных элементах и магнитное поле были орогональными. Если устройство установлено так, как это показано на фиг.1, так что направление магнитного поля находится в плоскости матрицы пластин через термоэлектрический прибор, и тепловой поток от технологической установки поступает от поверхности 20 технологической установки к горячей стороне устройства (например, 30), то тогда электрический ток будет протекать вверх и вниз через панель термоэлектрического прибора (причем протекание вверх или вниз зависит от того, являются ли термомагнитные соединители донорными термомагнитными полупроводниками или акцепторными термомагнитными полупроводниками). Этот ток усиливается за счет свойств термомагнитного материала, когда магнитное поле центрировано так, как это описано выше, по сравнению с другим направлением магнитного поля.
Термоэлементы, или пластины, устанавливают на корпусном участке 50 в изоляционной опорной панели. Термоэлементы с чередующимися акцепторными и донорными полупроводниковыми материалами электрически соединены через опорную панель при помощи термомагнитных соединителей. Термомагнитные соединители, которые изготовлены из донорных или акцепторных полупроводниковых материалов, в любом одном направлении ортогональны как к градиенту температуры, так и к магнитному полю. Изоляционная опорная панель покрыта как на горячей стороне 30, так и на холодной стороне 40 слоем теплопроводящего диффузного материала, такого как алюминий, который способствует выравниванию температур по поверхности термоэлектрического прибора и особенно исключает образование горячих точек.
Claims (11)
1. Способ использования тепловой энергии от поверхности пирометаллургической технологической установки, который включает в себя следующие операции:
- использование по меньшей мере одного термоэлемента, имеющего тепловую связь с поверхностью установки, причем указанный термоэлемент содержит по меньшей мере один донорный термоэлектрический полупроводник и по меньшей мере один акцепторный термоэлектрический полупроводник;
- с учетом направления магнитного поля, возбужденного за счет работы установки, использование по меньшей мере одного термомагнитного соединителя, причем по меньшей мере один термомагнитный соединитель, который (а) расположен так, что имеется или устанавливается градиент температуры через термомагнитный соединитель, причем градиент температуры создается за счет теплоты, исходящей от поверхности технологической установки, (b) расположен в магнитном поле так, что магнитное поле повышает эффективность термомагнитного соединителя, и (с) имеет электросвязь по меньшей мере с одним термоэлементом; и
- накопление электрической энергии, вырабатываемой при этом термоэлементами и термомагнитными соединителями.
- использование по меньшей мере одного термоэлемента, имеющего тепловую связь с поверхностью установки, причем указанный термоэлемент содержит по меньшей мере один донорный термоэлектрический полупроводник и по меньшей мере один акцепторный термоэлектрический полупроводник;
- с учетом направления магнитного поля, возбужденного за счет работы установки, использование по меньшей мере одного термомагнитного соединителя, причем по меньшей мере один термомагнитный соединитель, который (а) расположен так, что имеется или устанавливается градиент температуры через термомагнитный соединитель, причем градиент температуры создается за счет теплоты, исходящей от поверхности технологической установки, (b) расположен в магнитном поле так, что магнитное поле повышает эффективность термомагнитного соединителя, и (с) имеет электросвязь по меньшей мере с одним термоэлементом; и
- накопление электрической энергии, вырабатываемой при этом термоэлементами и термомагнитными соединителями.
2. Способ по п.1, в котором каждый термомагнитный соединитель имеет электросвязь по меньшей мере с одним донорным термоэлектрическим полупроводником и по меньшей мере с одним акцепторным термоэлектрическим полупроводником.
3. Способ по п.1, в котором каждый термомагнитный соединитель обеспечивает в основном только электросвязь между донорным термоэлектрическим полупроводником и акцепторным термоэлектрическим полупроводником.
4. Способ по п.1, в котором каждый термомагнитный соединитель представляет собой металлическое межсоединение между донорным термоэлектрическим полупроводником и акцепторным термоэлектрическим полупроводником.
5. Способ по п.1, в котором каждый термомагнитный соединитель представляет собой донорный термомагнитный полупроводник или акцепторный термомагнитный полупроводник.
6. Способ по п.1, в котором все термомагнитные соединители, которые установлены в основном линейно в одном направлении, представляют собой донорный термомагнитный полупроводник или акцепторный термомагнитный полупроводник.
7. Способ по п.1, в котором термоэлементы образуют чередующиеся группы донорных термоэлектрических полупроводников и акцепторных термоэлектрических полупроводников, причем каждый термоэлектрический полупроводник имеет электросвязь с соседним термоэлектрическим полупроводником через термомагнитный соединитель.
8. Способ по п.1, в котором термомагнитный соединитель центрирован в магнитном поле таким образом, что возрастает электрическая энергия, выработанная при помощи термомагнитного соединителя.
9. Способ по п.1, в котором технологической установкой является электролизер.
10. Способ по п.9, в котором электролизер предназначен для производства алюминия.
11. Термоэлектрический прибор для преобразования тепловой энергии от поверхности технологической установки в электрическую энергию, который:
(a) выполнен с возможностью входа в контакт с установкой, так что образуется тепловая связь между технологической установкой и термоэлектрическим прибором;
(b) содержит:
(i) по меньшей мере один термоэлемент, который содержит по меньшей мере один донорный термоэлектрический полупроводник и по меньшей мере один акцепторный термоэлектрический полупроводник,
(ii) по меньшей мере один термомагнитный соединитель, имеющий электросвязь по меньшей мере с одним термоэлементом, причем указанный термомагнитный соединитель центрирован в магнитном поле, связанном с указанной установкой, так чтобы термоэлектрический прибор вырабатывал больше электрической энергии, чем в отсутствии магнитного поля.
(a) выполнен с возможностью входа в контакт с установкой, так что образуется тепловая связь между технологической установкой и термоэлектрическим прибором;
(b) содержит:
(i) по меньшей мере один термоэлемент, который содержит по меньшей мере один донорный термоэлектрический полупроводник и по меньшей мере один акцепторный термоэлектрический полупроводник,
(ii) по меньшей мере один термомагнитный соединитель, имеющий электросвязь по меньшей мере с одним термоэлементом, причем указанный термомагнитный соединитель центрирован в магнитном поле, связанном с указанной установкой, так чтобы термоэлектрический прибор вырабатывал больше электрической энергии, чем в отсутствии магнитного поля.
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| AU2008905553A AU2008905553A0 (en) | 2008-10-28 | Thermoelectric/thermomagnetic device | |
| AU2008905553 | 2008-10-28 | ||
| AU2008905856A AU2008905856A0 (en) | 2008-11-12 | Processing structures for heat recovery combination | |
| AU2008905856 | 2008-11-12 | ||
| PCT/EP2009/064143 WO2010049416A1 (en) | 2008-10-28 | 2009-10-27 | Combined thermoelectric and thermomagnetic generator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011115136A RU2011115136A (ru) | 2012-12-10 |
| RU2505890C2 true RU2505890C2 (ru) | 2014-01-27 |
Family
ID=41718531
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011115136/28A RU2505890C2 (ru) | 2008-10-28 | 2009-10-27 | Способ использования тепловой энергии от поверхности пирометаллургической технологической установки и используемый в нем термоэлектрический прибор |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20110253186A1 (ru) |
| EP (1) | EP2362971A1 (ru) |
| AU (1) | AU2009309728B2 (ru) |
| CA (1) | CA2741360A1 (ru) |
| RU (1) | RU2505890C2 (ru) |
| WO (1) | WO2010049416A1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2632995C1 (ru) * | 2016-05-16 | 2017-10-11 | Дончук Иван Эрнстович | Устройство для соединения полупроводниковых термоэлементов в батарею |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130048045A1 (en) * | 2010-03-10 | 2013-02-28 | Bhp Billiton Aluminium Technologies Limited | Heat recovery system for pyrometallurgical vessel using thermoelectric/thermomagnetic devices |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3547705A (en) * | 1967-01-17 | 1970-12-15 | George Guy Heard Jr | Integral ettingshausen-peltier thermoelectric device |
| SU1416844A1 (ru) * | 1983-06-13 | 1988-08-15 | Феб Веркцойгкомбинат (Инопредприятие) | Термоэлектрическое устройство дл регулировани температуры в термической печи |
| EP0603913A1 (en) * | 1992-12-25 | 1994-06-29 | Uninet Co., Ltd. | Thermoelectric power generating device |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3879235A (en) * | 1973-06-11 | 1975-04-22 | Massachusetts Inst Technology | Method of growing from solution materials exhibiting a peltier effect at the solid-melt interface |
| US4640977A (en) * | 1984-04-23 | 1987-02-03 | Omnimax Energy Corporation | Thermoelectric generator using variable geometry with support pedestals of dissimilar materials than the basic thermoelectric semi-conductor elements |
| US5038569A (en) * | 1989-04-17 | 1991-08-13 | Nippondenso Co., Ltd. | Thermoelectric converter |
| US5824947A (en) * | 1995-10-16 | 1998-10-20 | Macris; Chris | Thermoelectric device |
-
2009
- 2009-10-27 US US13/120,962 patent/US20110253186A1/en not_active Abandoned
- 2009-10-27 RU RU2011115136/28A patent/RU2505890C2/ru not_active IP Right Cessation
- 2009-10-27 CA CA2741360A patent/CA2741360A1/en not_active Abandoned
- 2009-10-27 WO PCT/EP2009/064143 patent/WO2010049416A1/en not_active Ceased
- 2009-10-27 AU AU2009309728A patent/AU2009309728B2/en not_active Ceased
- 2009-10-27 EP EP09752777A patent/EP2362971A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3547705A (en) * | 1967-01-17 | 1970-12-15 | George Guy Heard Jr | Integral ettingshausen-peltier thermoelectric device |
| SU1416844A1 (ru) * | 1983-06-13 | 1988-08-15 | Феб Веркцойгкомбинат (Инопредприятие) | Термоэлектрическое устройство дл регулировани температуры в термической печи |
| EP0603913A1 (en) * | 1992-12-25 | 1994-06-29 | Uninet Co., Ltd. | Thermoelectric power generating device |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| HENDRICKS T. et al, Engineering scoping study of thermoelectric generator systems for industrial waste heat recovery, US Department of energy technology program report, 2006. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2632995C1 (ru) * | 2016-05-16 | 2017-10-11 | Дончук Иван Эрнстович | Устройство для соединения полупроводниковых термоэлементов в батарею |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AU2009309728A1 (en) | 2010-05-06 |
| WO2010049416A1 (en) | 2010-05-06 |
| AU2009309728B2 (en) | 2013-09-12 |
| CA2741360A1 (en) | 2010-05-06 |
| EP2362971A1 (en) | 2011-09-07 |
| RU2011115136A (ru) | 2012-12-10 |
| US20110253186A1 (en) | 2011-10-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106374162B (zh) | 一种基于热电效应的电池模组热管理方法及装置 | |
| CN101809205B (zh) | 具有温度均化装置的高温电解槽 | |
| US20020046762A1 (en) | Thermoelectric generators | |
| CN103975431B (zh) | 微通道冷却器件、微通道冷却系统以及电子装置 | |
| JP2002084007A (ja) | 一体的な熱交換器を備えた熱電モジュール及びその使用方法 | |
| CN101313421A (zh) | 热电变换模块及使用热电变换模块的热交换器和热电发电装置 | |
| EP1172873A2 (en) | Fuel cell system having cooling apparatus | |
| JPH0745310A (ja) | バッテリ | |
| SK16642002A3 (sk) | Elektrolyzér na výrobu hliníka, linka obsahujúca elektrolyzéry, spôsob udržiavania kôry na bočnej stene elektrolyzéra a spôsob získavania elektriny z elektrolyzéra | |
| CN107105605B (zh) | 一种散热水冷板及其制作方法 | |
| KR20120084712A (ko) | 전기화학 에너지 저장장치 및 전기화학 에너지 저장장치를 냉각 또는 가열하기 위한 방법 | |
| RU2505890C2 (ru) | Способ использования тепловой энергии от поверхности пирометаллургической технологической установки и используемый в нем термоэлектрический прибор | |
| JP2002171776A (ja) | 工業炉用熱電発電装置 | |
| JP4834986B2 (ja) | 熱電ユニット | |
| EP2766517B1 (en) | System and method for control of layer formation in an aluminium electrolysis cell | |
| US20140299170A1 (en) | Thermoelectric device, especially intended to generate an electric current in an automotive vehicle, and process for manufacturing said device | |
| JP6002623B2 (ja) | 熱電変換モジュール | |
| WO2010026266A1 (en) | Thermoelectric device | |
| JP2013211471A (ja) | 熱電発電装置 | |
| US6482670B1 (en) | Semiconductor manufacturing unit and semiconductor manufacturing method | |
| AU2009289194B2 (en) | Thermomagnetic generator | |
| US8048549B2 (en) | Liquid metal heat exchanger for high temperature fuel cells | |
| JP5216197B2 (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP6507869B2 (ja) | 燃料電池モジュール | |
| KR20230004246A (ko) | 냉각 강화형 단위 열전발전 소자 모듈과 이를 포함한 냉각 강화형 열전발전 소자 어셈블리 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141028 |