铝电解槽侧壁散热温差发电装置设计与仿真优化

论文摘要

铝电解槽是工业炼铝的主要生产设备,能耗极高,目前吨铝平均直流电耗在13000kWh以上,因此,降低铝电解槽能耗一直以来都是工业节能领域一个十分重要的研究课题。本论文设计了面向铝电解槽侧壁散热利用的温差发电装置,通过回收部分低品位散热以达到节能降耗的目的。该装置具有结构简单、体积小、重量轻、运行寿命长、可靠性高、无噪声、无机械运动部件、无污染等优点,并且对热源温度要求低,因此,特别适合工业低品位热源的回收利用,具有广阔的实际应用前景。本文主要开展并完成了以下工作：(1)建立了考虑陶瓷片、导流片接触热阻与接触电阻时,温差发电器输出功率、转换效率与发电器两端温差的关系式,计算了此时半导体电偶臂两端的温差值。通过分析这些参数之间的关系,为优化发电器输出功率和效率奠定了基础。(2)计算了输出功率达到最大值时的匹配负载值,此时匹配负载不等于内阻,而是略大于内阻。这是由于负载电阻增大使回路中电流减小、电流的帕耳帖效应降低,导致温差发电器中有效传热热流增大,使整体温差及其温度梯度增加而造成的。(3)对温差发电器进行了数值模拟与实验研究,并与理论计算结果进行比较。输出功率理论计算值、模拟值和实验值吻合较好,反映了内阻的变化及传热损失的忽略对结果影响不大；转换效率计算值与模拟值吻合较好,但与实验值在峰值后端相差较大,且理论计算值比实验值偏大,主要是因为在计算过程中忽略了不可逆热损失及材料物性参数随温度变化引入的误差,使得输入功率计算值偏小。(4)通过计算铝电解槽侧部散热量及测试槽壁热流密度与温度,对温差发电技术在铝电解过程中的应用可行性进行了研究。根据铝电解槽结构特点和温差发电的要求,设计加工了温差发电装置,并在铝电解槽上进行现场测试,对发电装置的输出功率、温差电转换效率进行了计算,结果表明每台温差发电器可以将3000W的热能转换为电能输出,对铝电解槽侧壁散热的能量回收率约为5.2%,吨铝发电量可达25kWh。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 温差发电技术发展历程
• 1.3 半导体温差发电发展现状及应用
• 1.3.1 半导体温差发电发展现状
• 1.3.2 半导体温差发电的应用
• 1.3.3 数值模拟的应用
• 1.4 课题背景和研究内容
• 1.4.1 课题背景
• 1.4.2 课题研究内容
• 第二章 温差发电理论基础
• 2.1 基本温差电效应
• 2.1.1 塞贝克效应
• 2.1.2 帕尔贴效应
• 2.1.3 汤姆逊效应
• 2.2 附加效应
• 2.2.1 焦耳效应
• 2.2.2 傅里叶效应
• 2.3 各种温差电效应之间的相互关系
• 2.4 本章小结
• 第三章 半导体温差发电过程热电耦合分析
• 3.1 半导体温差发电主要性能参数
• 3.1.1 输出功率
• 3.1.2 热电转换效率
• 3.1.3 匹配负载
• 3.1.4 温差电转换优值系数
• 3.2 实际温差发电模型建立和计算式推导
• 3.3 参数优化分析
• 3.3.1 接触效应的影响分析
• 3.3.2 导热系数的影响分析
• 3.3.3 发电器温度的影响分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 半导体温差发电器性能仿真与实验测试
• 4.1 温差发电器数值模拟
• 4.1.1 温差发电器的数值模型与控制方程
• 4.1.2 数值模拟结果分析
• 4.2 实验测试
• 4.2.1 实验装置的设计
• 4.2.2 实验过程及数据处理
• 4.3 本章小结
• 第五章 半导体温差发电在铝电解槽侧壁散热回收中的应用
• 5.1 铝电解槽侧壁散热发电可行性分析
• 5.1.1 铝电解槽的结构与散热特点
• 5.1.2 铝电解槽侧壁散热量
• 5.1.3 铝电解槽侧壁散热孔温度与热流密度测试
• 5.1.4 可行性分析
• 5.2 铝电解槽侧壁散热温差发电装置设计计算
• 5.3 铝电解槽侧壁散热温差发电装置性能仿真优化
• 5.3.1 散热孔温度场分布
• 5.3.2 散热风管的选型及优化
• 5.3.3 散热器模型优化
• 5.3.4 发电装置整体流场优化
• 5.4 铝电解槽侧壁散热温差发电装置性能测试
• 5.4.1 现场测试结果
• 5.4.2 经济性分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 研究总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的主要研究成果
• 致谢