2.5.1 计算方法与基础条件
(1)计算方法
所谓计算体系，即计算对象的边界范围。计算体系可以任意选择，但必须包括生产设备的基本部分，否则所进行的计算就失去了实际意义。一般有两种计算体系：第一种是以槽底——槽壳——槽罩为其外部便边界；另一种是以槽底——槽面——阳极为其计算边界。
(2)计算基础条件
温度基础：取25℃作为计算基础
时间：取1小时
体系：槽底——槽壳——槽罩
体系电压：V槽底+V电解质+V阳极+V铁-碳+V钢爪+V实际分解+V效应=3714.7Mv=3.7147V 开罩时间：8分/次 换阳极时间：6/次 电流强度：280kA
阳极气体成分：CO275%；CO25%
电流效率：94%
排烟量：7900m3/h
2.5.2 能量平衡计算
(1)热量收入计算 电能收入
1瓦电1秒产生0.239卡热，每小时则产生0.86kCal/h。 Q电=IV热=0.86×3.7147×280000
=894499.76kCal/h=3739008.99KJ/h
阳极反应所的热
每个电解槽每小时产铝量为：
P=0.3356Iηt×10-3=3.27kmol/(槽·h) 阳极气体中CO2约占75%，CO占25%，CO,CO2的生成量可按以下反应方程式计算： Al2O3+12/7C→2Al+9/7CO2+3/7CO
则 CO2为：（3.27×9/7）/2=2.1021kmol/槽·h CO为：（3.27×3/7）/2=0.7007kmol/槽·h
电解温度为940～950℃，此时，查得CO2和CO的生成热分别为94.49 kCalmol和27.05kCalmol 每个电解槽
CO2的生成热为：94.49×2.1021×103=198627.43kCal/h CO的生成热为：27.05×0.7007×103=18953.95kCal/h 则 气体总生成热：
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Q气=198627.43+18953.95 =909490.17kJ/h CO燃烧热
CO在火眼部分燃烧，使体系内空气温度升高，一般可认为燃烧50%。 CO+1/2O2=CO2
25℃时，1kmolCO燃烧生成CO2，燃烧热为67630kCal，则： QCO=67630×0.5383×50% =18202.61kCal/h =76159.74kJ/h
(2)热量支出计算 1）Al2O3反应热
Al2O3（s）→2Al(l)+1.5O2(g)
电解温度为950℃即1223K下查得Al2O3分解的自由能计算公式为：
Ft=405760+3.75T㏒T-92.22T
可得Al2O3的分解热：△Ft=405760+3.75T㏒1223-92.22×1223=292981.8kCal 每槽1h可分解Al2O3166.85kg，即166.85/102=1.636mol Q氧化铝=1.636×292981.8 =479255.03kCal/h =2003286.04kJ/h
2）气体带走的热
电解槽气体流量：8000m3/h，排烟管烟气温度为85℃。 气体（空气、CO、CO2等）平均比热：CP=0.3kCal/m3·℃
Q气=Cp·V·△t=0.3×8000×(85-25)
=144000.00kCal/h=602496.00kJ/h
3）铝液带走的热
电解质温度：950℃，铝的熔点：660℃ 由物质的比热表可查铝熔化热:93kCal/kg
由物质的比热表可查铝比热：298K～933K时，C0=4.96+0.00296T 933K～1273K时，Cp=7.00Cal/mol 则 Q固=nAL?C0Dt
298933=3.27
?933298(4.96+0.00296T)dT
=14082.23kCal/h
Q熔=93.0×88.33=8214.69kCal/h Q液=nAL?1223933CPDT=3.27×?1223933=9.00dT
=6556.32kCal/h
所以 QAL= Q固+Q熔+Q液=14082.23+8214.69+6556.32
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=120606.54KJ/h
4）残极带走的热
Al2O3+12/7C→2Al+9/7CO2+3/7CO
知1mol氧化铝需12/7mol碳，每块残极高度160mm，消耗380mm，故： C残：C耗=160：380，则残极量为：
n残=(12/7×12×nAL×160)/(2×27×380)=0.5245mol
由于残极换出时表面温度为450℃，电解质温度为950℃，故残极换出温度约为：
T残=（450+954）/2=700℃
残极炭比热：CP=4.10+1.02×10-3T-2.10×10-5T-2 故残极炭带走热量为： Q残=n残?973298（4.10+1.02×10-3T-2.10×10-5T-2）Dt
=1595.03kCal/h
残极上覆盖有10mm的氧化铝，平均温度为500℃，带走热量1000kCal/h. 残极总带走热量为：
1595.03+1000=2595.03kCal/h=10847.22KJ/h
5）加热冰晶石、氟化铝
溶化冰晶石、氟化铝、氟化镁等需22W/kg-Al,则一小时需： 22×0.860×88.33=1671.20kCal/h=6985.63KJ/h
6）散热损失
电解槽散热损失计算，采用传导计算法，在前人的基础上对角部采用分布场计算法，即槽底以下的面积采用几何平均面积，正对槽膛底的面积用等面积进行计算，角部用温度分布平均值进行计算。
侧部：（由里向外）伸脚：平均厚度200mm；侧部炭块：125mm；刚壳：12mm； 底部：（由里向外）炭块：450mm；耐火砖：2×65×2mm；干式防渗料：65mm；保温砖：2×65mm；绝缘转：65mm。
①槽壳损失
ⅰ）正对槽膛底的槽壳损失
槽壳底面积：S=12.374×4.074=50.412m3
电解质温度:950℃，壳面温度：90℃，△t=950-90=860℃ 底部炭块：δ1=45cm，取平均温度为925℃。
-32
λ1=9.64-1.85×10t=7.9kCal/mh℃
粘土质耐火砖： δ=65×2=130mm 氧化铝添缝2mm
δ2=130+2=132mm，取平均温度：870℃ λ2=0.60+0.55×10-3t=1.0785kCal/m2h℃
干式防渗料：δ3=65mm，λ3=0.4652取平均温度770℃ 保温砖：δ4=130mm，取平均温度450℃
λ4=0.17+0.23×10-3t=0.274kCal/m2h℃
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钙酸质绝缘板：δ5=65mm，λ5≤0.06754 kCal/m2h℃ 钢壳：δ6=12mm，λ6=45 kCal/m2h℃
1/k=δ1/λ1+δ2/λ2+δ3/λ3+δ4/λ4+δ5/λ5+δ6/λ6 k=0.332
Q1=kS△t=0.332×50.412×860=14393.63kCal/h
ⅱ）槽膛底以下热损失
由于内外面积相差不大，用几何平均值：
S=（S1S2）1/2
=[0.55×(3.70+12.0)×2×0.55×(4.074+12.374)×2]1/2
=17.68m2
电解质温度为950℃，槽壳面温度为600℃，△t=950-600=350℃ 槽帮：δ1=15cm，取平均温度为900℃，则
λ1=1.86-0.314×10-2t+0.048×10-4×t2
=2.922 kCal/m2h℃
侧部炭块：δ2=125mm，取平均温度为850℃ λ2=7.90+1.80×10-3t
=9.43 kCal/m2h℃
钢板：δ3=12mm，λ3=45 kCal/m2h℃
1/k=δ1/λ1+δ2/λ2+δ3/λ3=0.06485 K=15.42
传导热：Q2=kS△t=15.42×17.68×350=95418.96 kCal/h
ⅲ）角部热损失
角部热损失计算较为复杂，可以简化计算，
AD面面积：（1.444-0.55）×（4.074+12.374）×2=29.409m2 BD面面积：（4.074-3.7）×12.374=4.628m2 K1=14.04;k2=0.332
根据公式：
Q3=kSAD△t=14.04×29.409×(650-600)=20645.12 kCal/h
Q4=KsBD△t=0.332×4.628×(750-25)=1113.96 kCal/h 槽壳总的热量损失量：Q总=Q1+Q2+Q3+Q4=550495.86kJ/h
②密闭罩热损失
密闭罩散热损失计算可分为四个部分：水平罩、端头罩、侧罩铝板、框架。
ⅰ）水平罩的辐射和对流热损失
环境温度为25℃，表面温度为:80℃,水平罩长1600mm，宽1125mm，宽1125mm,每侧11块共有22块。每侧的水平罩总长为1125×11=12375mm，宽为1600mm. 加上侧罩水平部分，总面积为：
S=12.375×（1.600+0.600）=27.225m2
查表知A3=1.27
则 a对=A3△t1/3=1.27×551/3=4.83
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即 Q对=a对（t-t0）S=4.83×55×27.225=7232.32 kCal/h
辐射计算公式:Q辐=εC0S[(t表/100+273/100)4-(t空/100+273/100)4]kcal/h 对于水平钢板槽罩： ε=1.0
C0=4.9kCal/(m2·h·℃) Q辐=10193.62 kCal/h
Q水平罩=7232.32+10193.62=17425.94 kCal/h ⅱ）端头罩热损失
它包括端头固定罩和三角板，材料为钢板 环境25℃，表面温度为50℃。 T计=（50-25）/2=12.5 查表得A3=1.35
垂直壁：a对上=1.35×（50-25）1/3-3.95 Q对=a对（t1-t2）S 罩高：1100mm，上底宽：1200mm（其中端头固定罩宽1000mm,三角板上宽200mm）， 下底宽：200mm,（其中端头固定罩宽1000mm,三角板上宽1000mm）。 S=(1.2+2.0)×1.1×2×2=13.44m2
Q对=3.95×（50-25）×13.44=1327.2kCal/h 辐射热损失：ε=1.0，C0=4.9kCal/(m2·h·℃)ψ=0.8 Q辐=1.0×0.8×4.9×13.44×[（50/100+273/1004-(25/100+273/100)4] =1579.70kCal/h
Q断头罩=1327.2+1579.7=2906.9 kCal/h ⅲ）侧罩铝板热损失
环境温度：25℃，表面温度：65℃
每块铝板长：1000mm，宽：500mm，共有48块。 铝板总面积：
S=1.0×0.5×48=24m2 T计=（65-25）/2=20℃ 查表：A3=1.30
a对=1.3×（65-25）1/3=4,45
对流热损失：ε=0.84，ψ=0.8， C0=4.9kCal/(m2·h·℃), 辐射热损失：
Q辐=0.8×0.84×4.9×24×[（65/100+273/100）4-(25/100+273/100)4] =4083.18 kCal/h
Q铝板=4272+4081.18=8354.18kCal/h
ⅳ)框架热损失
环境温度：25℃，表面温度：60℃ 框架长度：12374mm，宽：1650mm
总面积减去铝板面积，即为纯框架面积。
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