基于界面?zhèn)鳠釞C(jī)理的鋁電解槽綜合熱場分析模型及其應(yīng)用.pdf

1、在鋁電解工業(yè)生產(chǎn)中，電解槽內(nèi)的熱場直接影響電解過程的能耗。建立可靠的鋁電解槽熱場分析模型實現(xiàn)對槽內(nèi)熱場的準(zhǔn)確解析對于低能耗、高電流效率、高穩(wěn)定性的先進(jìn)大型工業(yè)鋁電解槽的開發(fā)設(shè)計及鋁電解新工藝的研發(fā)具有十分重要的理論和實際意義。
　　本文在國家自然科學(xué)基金項目的資助下，針對鋁電解槽熱場數(shù)值仿真理論基礎(chǔ)較薄弱、計算精度不高的現(xiàn)狀，開展基于界面?zhèn)鳠釞C(jī)理的鋁電解槽綜合熱場分析建模研究工作。研究內(nèi)容包括鋁電解槽槽體與環(huán)境界面換熱系數(shù)的建模計

2、算、電解質(zhì)與內(nèi)襯（槽幫和陽極）界面換熱系數(shù)的建模計算，以及考慮電化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的鋁電解槽電-熱場直接耦合建模計算。本文的主要研究成果如下:
　　(1)結(jié)合傳熱學(xué)理論和鋁電解槽槽體散熱特性，建立了鋁電解槽槽體與環(huán)境界面換熱系數(shù)的計算模型，并依據(jù)所建模型編制了GUI(Graphical User Interface)程序，實現(xiàn)了不同部位槽表面與環(huán)境換熱系數(shù)的理論計算。模型的應(yīng)用結(jié)果表明:影響電解槽槽體與環(huán)境換熱系數(shù)的因素主要為槽體表面

3、溫度和周圍流體流速，槽體表面溫度主要影響輻射換熱系數(shù)，流體流速主要影響對流換熱系數(shù)，總換熱系數(shù)隨槽體表面溫度和流體流速增加而增大;槽型越大的鋁電解槽槽表面與環(huán)境的對流換熱系數(shù)越小。
　　(2)基于CFD(Computational Fluid Dynamics)相關(guān)理論及壁函數(shù)方法，建立了鋁電解槽電解質(zhì)與內(nèi)襯界面換熱系數(shù)計算的數(shù)學(xué)模型，并在CFX平臺上實現(xiàn)了數(shù)值計算。應(yīng)用所建模型對界面?zhèn)鳠岬耐苿恿皳Q熱系數(shù)在各區(qū)域的分布特征進(jìn)行了

4、研究，結(jié)果表明:陽極氣泡對界面?zhèn)鳠岬耐苿悠鹬鲗?dǎo)作用，但電磁力的作用也不能被忽略，在進(jìn)行此換熱系數(shù)計算時，需對兩者同時進(jìn)行考慮;在槽幫表面處，換熱系數(shù)分布主要受電解質(zhì)流動的影響，由于受到氣泡層的阻礙，陽極底部的換熱系數(shù)較小;在陽極開槽的情況下，氣泡在陽極底掌積存量減小，陽極底部的換熱系數(shù)會有所增大，但由于電解質(zhì)流動相應(yīng)減弱，槽幫表面的換熱系數(shù)會有所減小。
　　(3)基于鋁電解槽內(nèi)的能量收支分析及電-熱平衡原理，建立了考慮電化學(xué)反應(yīng)熱