PROPUESTAS DE MEJORAS DEL SISTEMA ANÓDICO EN CELDAS HALL-230 DE LA V LÍNEA DE C.V.G. VENALUM

Rojas Francisco⁽¹⁾, Birrot Ángel⁽²⁾, Requena Durlym⁽¹⁾ y Malave Imer⁽¹⁾

⁽¹⁾ Centro Interdisciplinario de Investigación Aplicada a la Ingeniería (CIAPI), UNEXPO Vicerrectorado Puerto Ordaz

⁽²⁾Gerencia de Control de Calidad Venalum durlym@gmail.com

Resumen: Las 180 celdas de reducción de aluminio Hall-230 del complejo V Línea de C.V.G. VENALUM operan normalmente con una corriente eléctrica de 227 kA. Cuando se aumenta la alimentación de las celdas a su corriente de diseño (230 kA), la eficiencia y la estabilidad eléctrica de las celdas disminuyen, ocasionando menor producción de aluminio. El sistema anódico es un componente modificable de las celdas que puede producir mejoras al proceso. Usando simulaciones termoeléctricas, con el programa comercial de elementos finitos ANSYS, se realizaron 6 nuevos modelos de sistemas anódicos para comparar sus distribuciones de densidad de corriente, voltaje eléctrico y temperatura con las del ánodo 1400 mm. Los modelos propuestos son ánodos 1500 mm, a los cuales se les modificó el yugo (número de puntas y su forma) y la varilla anódica. Las simulaciones mostraron que los modelos de yugo 4 puntas con varilla modificada son los que presentaron mayores disminuciones de voltaje eléctrico por efecto óhmico, entre 27 y 36 mV, implicando un ahorro en el consumo de 35,147 MWh diario en V línea. Además, mostraron mejores simetrías en las distribuciones de corriente y temperatura, características que mejoran la eficiencia y la estabilidad eléctrica de las celdas.

Palabras claves: Celdas de reducción de aluminio/ Corriente eléctrica/ eficiencia y estabilidad eléctrica/ Sistema anódico./ Simulación termoeléctrica

IMPROVEMENT PROPOSALS OF ANODIC SYSTEM IN CELLS HALL-230 OF C.V.G. VENALUM V LÍNEA

Abstract: The 180 Hall-230 aluminiun reduction cell of V line C.V.G-VENALUM complex use to operate with an electrical current of 227 kA. When the supply of the cells increases to its design current (230 kA), the cells electrical-stability and efficiency decreases, producing a drop in the aluminum production The anodic system is a cells modifiable component which can produce improvements to the process. As using thermoelectric simulations, with the commercial program of finite elements ANSYS, 6 new anodic systems models were carried out in order to compare its distributions of current density, electrical voltage and temperature with the anodes 1400 mm.The proposed models are 1500 mm anodes whose yoke (tops and its forms nimbers) and the anodic rod were modified. The simulations showed that the models 4 tops yokes whose rods have been modified were those which had higher electrical voltage decreases for effect óhmico, between 27 and 36 mV, which implies daily saving of 35,147 MWh diary in V line. Furthermore, they showed better symmetries in the current distributions, all of which generates higher efficiency and electrical stability of the cells.

Keywords: Aluminum Ceduction Cells/ Electric Current/ Efficiency and Electrical Stability./ Anodic System/ Thermoelectric Simulations

 

I. INTRODUCCIÓN

Las celdas de reducción de aluminio Hall-230 del complejo V línea de C.V.G. VENALUM están diseñadas para operar con una corriente suministrada de 230 kA. Pero, normalmente ellas están operando a una corriente de 227 kA. El aumento de la corriente hasta su valor de diseño 230 kA hace que las celdas sean más inestables eléctricamente. La inestabilidad consiste en una alta desviación en la resistencia eléctrica de las celdas.

La inestabilidad influye en la operación de las celdas electrolíticas, ocasionando movimientos en el puente anódico alterando la distancia ánodo – cátodo, lo cual implica una disminución en la eficiencia eléctrica de las celdas [1]. La pérdida de eficiencia puede estar asociada a un desgaste irregular del ánodo, producto de distribuciones asimétricas en la densidad de corriente y de temperatura del ánodo. Previas simulaciones termoeléctricas [2-4], con el programa comercial ANSYS, permitieron estudiar las distribuciones de temperaturas, potencial eléctrico y de densidad de corriente en los modelos de ánodos 1400 mm (ver figura 1) y 1500 mm (su bloque anódico es similar al ánodo 1400 mm, pero su longitud es 1500 mm y su yugo está descentrado con la primera punta del yugo a 182 mm del borde y la tercera a 192 mm). El ánodo 1500 no es simétrico porque no puede ser colocado en las celdas.

Las simulaciones para el ánodo 1400 mm, mostraron una alta simetría en las distribuciones de temperatura, potencial eléctrico y densidad de corriente. También, se observó que la corriente se dirige mayoritariamente hacia abajo o hacia el electrolito, lo cual es un comportamiento deseado porque implica buena eficiencia eléctrica.

Para el modelo 1500 mm, que tiene el yugo no centrado (por eso lo llamaremos asimétrico), las simulaciones presentaron asimetrías en sus distribuciones de temperaturas, voltaje y densidad de corriente. Las asimetrías en las distribuciones de temperatura y de densidad de corriente (que producen asimetrías en el campo magnético en el baño electrolítico y el metal) son factores adicionales que influyen en la disminución de la eficiencia eléctrica de las celdas, ya que producen mayores turbulencias en el metal y en el baño electrolítico [5-7].

Es conveniente mencionar que el ánodo 1500 mm, elaborado por CVG Carbonorca, fue puesto a prueba en 15 celdas de V línea, desde noviembre de 2007 hasta noviembre 2008, con el propósito de aumentar la vida útil del ánodo, disminuir el voltaje de operación y disminuir la inestabilidad de las celdas; como consecuencia se esperaba incrementar la producción de aluminio debido al aumento en la corriente de entrada en las celdas. Sin embargo, aún operando con una corriente de entrada de 227 kA las celdas no disminuyeron su voltaje de operación, la vida útil del ánodo 1500 sólo aumentó un día (de 23 días para el 1400, se elevó hasta 24 días con el ánodo 1500 asimétrico) y los niveles de inestabilidades se mantuvieron por encima de los valores normales permitidos, entre 0,06 y 0,08Wm, presentando altas frecuencias de efectos anódicos (0,45 por celda día, aproximadamente cada dos (2) días hubo un efecto anódico por celda) . Además, se presentaron en total cascos rojos en 35 celdas del complejo. En las 15 celdas de prueba con ánodos 1500 sólo se presentaron cascos rojos en dos (2) de ellas, y los otros 33 correspondieron a las celdas con ánodos 1400, lo que representa un promedio de 5 cascos rojos por cada 15 celdas con ánodos 1400. Todas estas 35 celdas presentaron sobrecalentamiento, lo que implicaba el uso de mangueras de enfriamiento en cada una de ellas. Estos resultados indican que con el uso del ánodo 1500 asimétrico no se lograron los objetivos planteados.

Posteriormente, a partir de septiembre de 2009, debido a un problema operativo las celdas funcionan con 220 kA. Esto ha causado el beneficio de operar con una desviación de resistencia por debajo del límite permitido de inestabilidad, es decir 0,06Wm. Como consecuencia se disminuyó la frecuencia de efectos anódico por debajo de 0,20 efectos anódicos celda día (en promedio cada 5 días hay un efecto anódico por celda) y sólo se están usando mangueras de enfriamiento en tres celdas. También, el consumo en kilogramo (kg) de aditivo químico en el baño electrolítico, como el fluoruro de aluminio, AlF3, por tonelada de aluminio (T Al) producido se redujo muy significativamente, de 32 kg/ T Al a 23 kg/T Al. Esto es importante porque el AlF3 es uno de los principales contaminantes del medio ambiente involucrado en el proceso. Por otra parte, el 21 de diciembre de 2009, debido a la crisis de energía eléctrica en el país se sacaron de producción 18 celdas Hall-230 en V línea, que representa un ahorro de consumo de energía eléctrica de 437,2 MWh diario.

 

En esta investigación se crearon seis modelos o propuestas del Sistemas Anódicos (SA) para el ánodo 1500 mm, mediante el uso de la técnica de elementos finitos, con el programa comercial ANSYS. Se proponen modificaciones en el número de puntas del yugo (modelos cuatro puntas en lugar del tres puntas) y en la geometría del yugo y de la varilla del ánodo.

Las modificaciones son hechas con el propósito de corregir las asimetrías en las distribuciones de temperatura y de densidad de corriente del ánodo 1500 mm. El modelo más óptimo de los propuestos, debe corregir mayormente las asimetrías ya mencionadas; pero también, debe disminuir la caída de potencial eléctrico, voltaje, en el SA a objeto de elevar la corriente sin incrementar la inestabilidad de las celdas. Todos estos detalles son expuestos en la parte II de este trabajo y en la parte III se exponen las conclusiones de esta investigación.

II. DESARROLLO

1. Modelado computacional del ánodo de 1400 mm utilizado en la celda Hall-230 de la V Línea de C.V.G. Venalum.

En la Figura 1 se muestra la vista isométrica del modelo del SA 1400 mm realizado en el programa de simulación ANSYS. Allí se observan las distintas piezas que componen el SA, desde la varilla hasta el bloque anódico. Una vez realizado el modelo, se configura el elemento a utilizar. En este caso de modelado termoeléctrico se utiliza solid69, para posteriormente realizar el mallado de todo el sólido (ver Figura 2).

El SA simulado corresponde a un bloque anódico con un día de operación, por lo cual posee poco desgaste. El bloque anódico esta sumergido en el baño electrolítico a una profundidad aproximada de 20 cm. La temperatura en la zona externa que hace contacto con el baño es de 960 ºC=1233 K.

El coeficiente de convección aire-celdas Hall-230 de la V Línea es de 24,0 W/m2 K [4]. La corriente de alimentación para un bloque anódico de un día de operación, para un nivel de corriente de línea de 227 kA es de 8,004 kA [8].

Las características físicas de los materiales utilizados para el modelado del ánodo son la resistividad eléctrica, la conductividad térmica y la densidad. Sólo la densidad de los materiales se considera constante. La resistividad eléctrica y la conductividad térmica en todos los materiales del SA se asumen isotrópicos y no lineales (propiedades que dependen de la temperatura, la cual varía entre el rango de valores de la temperatura ambiente de las celdas y el valor máximo de 960 grados centígrados). Los valores de estas propiedades no lineales son iguales a las usadas en [9] y están incorporadas al programa de elementos finitos. Los materiales de los componentes del sistema anódico son aluminio 6063 – T6 para la varilla, Aluminio 1330 para el bimetálico A, Acero 304L para el bimetálico B, Acero ASTM 105 para el yugo, Fundición gris entre 3 y 4% de carbono para la fundición gris y carbón anódico para el bloque anódico (ver tabla 1).

El mallado es realizado de forma automática por el programa, siendo modificado sólo en la fineza de la malla para disminuir el error de cálculo. Las condiciones asociadas al modelo son el coeficiente de convección, temperatura, potencial eléctrico y corriente eléctrica. La convección y la temperatura son aplicadas a todas las caras externas del ánodo que están expuestas al contacto del aire, pues este es un fluido. La temperatura asociada a las diferentes áreas expuestas al aire son las temperaturas en la que se encuentra el material antes de disipar parte de su temperatura al ambiente.

El potencial eléctrico asociado a la cara inferior del bloque anódico es designado cero, esto se toma como potencial de referencia del sistema, y la corriente eléctrica es aplicada a la cara del diamante que hace contacto con el puente anódico.

En esto principalmente se diferencia el presente modelo de los anteriores realizados [2-4], pues en ello la corriente es aplicada en la cima de la varilla. Esto introducía un error en el cálculo del potencial del SA, debido a que la corriente entra por el diamante ubicado casi en la mitad de la varilla.

Si se tiene una corriente de alimentación de línea de 227 kA por cada celda y se conoce que aproximadamente un 3,53 % de la corriente del total pasa por los ánodos de un día de edad, entonces la corriente aplicada en el ánodo será 8004,05 A. La temperatura del baño aplicada al ánodo es el estándar aplicado a las celdas 960 ºC. El ánodo se encuentra a 20 cm de profundidad del baño electrolítico, por lo que se colocara la temperatura de las áreas del ánodo sumergidas en el baño a 960 ºC

2. Ecuaciones termoeléctricas

La distribución de potencial eléctrico V (x, y, z) en el SA para todos los modelos propuestos y el SA 1400 está definida por medio de la siguiente ecuación matricial

en donde es la matriz de la conductividad eléctrica, la cual depende de la temperatura T, definida por

 

Los elementos diagonales de la matriz de conductividad son iguales, , debido a las condiciones de homogeneidad e isotropía que hemos impuesto para SA. La distribución de temperatura T (x, y, z) del SA está definida por medio de la ecuación de transferencia de calor

q es la velocidad de generación de calor por unidad de volumen producida por efecto Joule y K es la matriz de conductividad térmica, dada por

con K_xx = K_yy = K_zz debido a que se asumen condiciones de homogeneidad e isotropía . El programa de elementos finitos necesita las condiciones de contorno para resolver este conjunto de ecuaciones diferenciales. Las condiciones de contornos utilizadas son las siguientes:

Térmicas

Se establece la condición de contorno

T (x, y₀, z)                (5)

la cual específica la temperatura constante (T_A = 960°C) sobre las superficies del fondo del ánodo, en equilibrio térmico con el baño; y la condición de flujo de calor dada por

en donde h son los coeficientes peliculares aplicadas sobre las superficies sometidas a flujo de calor por convección, T_S es la temperatura de la superficie y es la temperatura del medio en contacto con la superficie

Eléctricas

La condición de contorno eléctrica está dada por

V(x, y₁, z) = V_A

la cual especifica los voltajes en las superficies del fondo del ánodo, con V_A = 0 voltios . La corriente de entrada se suministra por la varilla, específicamente en el diamante. El programa también asume en las interfaces las siguientes condiciones por defecto

E_t1 - E_t2 = 0                         (8)

J_n1 - J_n2 = 0                         (9)

Los subíndices t y n indican respectivamente las componentes tangenciales y normales a las interfaces. La condición (8) garantiza la condición de equilibrio electrostático del campo eléctrico tangencial Et y la (9) garantiza la continuidad de la componente normal de la corriente Jn.

3. Propuestas de modificación del ánodo de 1400 mm.

Las propuestas de modificaciones al SA son de carácter geométrico, manteniendo el tipo de material de todas las secciones. Las modificaciones son realizadas solamente en el yugo y en la varilla. Las propuestas de modificación son 6 en total y se elaboran para su utilización en las celdas Hall-230 de la V Línea de C.V.G. Venalum, por lo que su geometría está adaptada a este tipo de celda. Se proponen modificaciones en el SA con el objetivo de eliminar o disminuir las asimetrías en las distribuciones de temperaturas, potencial eléctrico y densidad de corriente que presenta el ánodo 1500. Además, los modelos propuestos deben disminuir las caídas de potenciales en el SA. Los seis modelos o propuestas son los siguientes:

Modelo 1: ánodo 1500 (mm), yugo 3 puntas y varilla recta asimétrica (desplazada 5 cm hacia la izquierda del centro del yugo). Ver Figuras 4a-d.

Modelo 2: ánodo 1500, yugo 4 puntas y varilla recta asimétrica (Figuras 5a-d).

Modelo 3: ánodo 1500, yugo 4 puntas recto y barra recta asimétrica (Figuras 6a-d).

Modelo 4: ánodo 1500, yugo 3 puntas y varilla no recta (Figuras 7a-d).

Modelo 5: ánodo 1500 mm, yugo 4 puntas recto y varilla no recta (Figuras 8a-d).

Modelo 6: ánodo 1500, yugo 4 puntas y varilla no recta (Figuras 9a-d ).

A diferencia del ánodo 1500 asimétrico, la posición del yugo en todos los modelos propuestos es simétrica respecto al bloque del ánodo. El modelo de ánodo 1400, usado actualmente, y cada uno de los modelos propuestos son presentados en el apartado de los resultados.

4. Resultados

4.1 Ánodo 1400 mm

Las Figuras 3 (a,b,c y d) muestran los resultados de la simulación correspondientes al comportamiento de la temperatura, caída de potencial y distribución de corriente para el SA 1400 de la V Línea de C.V.G. Venalum:

En la Figura 3a se observa la distribución de temperatura en el SA 1400. La zona de mayor temperatura es la zona del bloque anódico que está en contacto con el baño (960 ºC) y la zona de menor temperatura (63ºC) es la zona de la varilla, el punto más alejado del baño electrolítico Se muestra claramente la simetría en la distribución de la temperatura hacia ambos lados del yugo y el bloque anódico.

En la figura 3b se presenta el comportamiento de la distribución de potencial eléctrico en el SA 1400. La cara inferior del bloque anódico está a potencial de referencia de 0 V, que corresponde al potencial mínimo. El área de contacto de la varilla con la grapa posee el punto de mayor potencial (0,274 V). Se observa la simetría en la distribución de potencial eléctrico hacia ambos lados del yugo y el bloque anódico. En las figuras 3c y 3d se muestran las distribuciones de la densidad de corriente eléctrica en el SA 1400. La zona de mayor concentración de corriente se encuentra en la varilla y el yugo, y la zona de menor concentración de corriente es la zona de superior del carbón anódico hacia los bordes. En la figura 3d se observa claramente la simetría en la distribución de la densidad de corriente en el fondo del bloque anódico. La zona de las esquinas posee la menor densidad de corriente de 6000 A/m2 a 7000 A/m2 y la zona del centro posee la mayor densidad de corriente de 8000 A/m2 a 9000 A/m2 .

4.2 Resultados para las propuestas de sistemas anódicos

Desde las Figuras 4 hasta la 9 se muestran los resultados de las simulaciones correspondientes al comportamiento de la temperatura, caída de potencial y distribución de densidad de corriente de los modelos propuestos para la celda Hall-230 la V Línea de C.V.G. Venalum

4.2.1 Propuesta 1

 

Figura   4. Propuesta 1. Distribuciones de temperatura, potencial elèctrico y densidad de corriente elèctrica.

4.2.2 Propuesta 2

Figura   5. Propuesta 2 Distribuciones temperatura, potencial elèctrico y densidad de corriente elèctrica.

 

4.2.3 Propuesta 3

Figura   6. Propuesta 3 Distribuciones de temperatura, potencial elèctrico y densidad de corriente elèctrica

4.2.4 Propuesta 4

Figura    7. Propuesta 4 Distribuciones de temperatura, potencial elèctrico y densidad de corriente elèctrica

4.2.5 Propuesta 5

Figura  8. Propuesta 5 Distribuciones de temperatura, potencial elèctrico y densidad de corriente elèctrica

 

4.2.6 Propuesta 6

f9c

5. Discusión de resultados

5.1 Comportamiento de la Temperatura

En las Figuras 4a, 5a, 6a, 7a, 8a y 9a se muestran las distribuciones de temperaturas para cada uno de los seis modelos propuestos. Se aprecia que la mayor temperatura está localizada en la zona del bloque anódico que cubre el baño electrolítico (960 ºC), observándose una gran disminución en la temperatura hasta llegar al yugo; la temperatura menor está en la parte superior de la varilla (alrededor de 63 ºC). La distribución térmica en el bloque anódico en todos los modelos propuestos es similar a la del ánodo 1400. Esto quiere decir que en todos los modelos se logró eliminar la asimetría en la distribución de temperatura en el bloque anódico que presentaba el ánodo 1500 asimétrico.

Sin embargo, las primeras 3 propuestas, que corresponden a las Figuras 4a, 5a y 6a, muestran ligeras asimetrías de temperatura en el área del yugo, siendo menos notable en la primera propuesta (Figura 4a) y más en la segunda propuesta (Figura 5a). Estas 3 propuestas poseen la varilla conectada al yugo 5 cm hacia un extremo.

En las últimas 3 propuestas, que corresponden a las figuras 7a, 8a y 9a, se observa simetría en la distribución de las temperaturas en las zonas del yugo y del bloque anódico, siendo este comportamiento térmico similar al modelo de 1400. También, se observó en los modelos con 3 puntas un leve incremento de la temperatura en el yugo y parte superior del carbón anódico comparado con los modelos de 4 puntas.

5.2 Comportamiento del Potencial Eléctrico

En las Figuras 4b, 5b, 6b, 7b, 8b y 9b se aprecia que el punto de mayor potencial eléctrico está en la zona de la unión de la varilla con el diamante y el punto de potencial cero (0 V) se encuentra en la cara inferior del bloque anódico. La distribución de potencial electrico en el bloque anodico es, en general, muy similar al que corresponde al ánodo de 1400.

Todos los modelos presentan una caída de potencial menor que la del SA 1400 (0.274 V). El modelo 1 (Figura 4b) posee una caída de potencial total de 0,267 V; siendo el modelo que ahorra menos energía en términos de potencial eléctrico (apenas 7 mV). El modelo 4 (Figura 7b) posee una caída de potencial de 0,265 V, ahorrando 9 mV. Los modelos 6 (Figura 9b) y 2 (Figura 5b) poseen una caída de potencial alrededor de los 0,247 V, representando un ahorro de 27 mV. Los modelos 5 (Figura 8b) y 3 (Figura 6b) tienen una caída de potencial alrededor de los 0,238 V, ahorrando 36 mV, lo que implica una disminución del potencial eléctrico del 13 % en el SA.

Las simulaciones mostraron que los modelos de ánodos con yugo 4 puntas recto, ya sea con o sin la modificación en la varilla, ahorran más potencial eléctrico (36 mV) que el resto de los modelos, seguidos por los modelos de 4 puntas con yugo no recto (27 mV). Se puede concluir que agregar una punta más al yugo (pasar de yugo 3 puntas a yugo 4 puntas) es beneficioso porque presentan las mayores disminuciones en la caída de potencial eléctrico.

Las primeras 3 propuestas, figuras 4b, 5b y 6b, muestran pequeñas asimetrías en la distribución de potencial eléctrico en el área del yugo, siendo menor en la primera propuesta (ánodo con 3 puntas, fig. 4b) y mayor en la segunda propuesta (ánodo con 4 puntas, fig. 5b).

En las últimas 3 propuestas, figuras 7b, 8b, 9b, se observan distribuciones de potenciales simétricos tanto en el yugo como en el bloque anódico. En consecuencia, estos tres últimos modelos presentan una distribución del potencial eléctrico similar al ánodo de 1400, lo que implica mayor eficiencia eléctrica.

5.3 Comportamiento de la densidad de Corriente

En las Figuras 4c, 5c, 6c, 7c, 8c y 9c se aprecia que la zona de mayor densidad de corriente eléctrica en todos los modelos se encuentra entre la varilla y las puntas del yugo. Las zonas de menor densidad de corriente eléctrica se encuentran en la parte superior de la varilla y las esquinas superiores del carbón anódico, todo esto es similar al ánodo de 1400.

Las primeras 3 propuestas, figuras 4c, 5c y 6c, muestran asimetrías en la densidad de corriente en el área del yugo y el bloque anódico, siendo menos observada en la primera propuesta, figuras 4.c y 4.d.

En las últimas 3 propuestas, figuras 7c, 8c y 9c, se observan simetrías en la densidad de corriente en el yugo y en bloque anódico, siendo este comportamiento similar a la distribución de densidad de corriente del ánodo de 1400.

Se observa en las Figuras 4d, 5d, 6d, 7d, 8d y 9d que la densidad de corriente eléctrica disminuye en la cara inferior del bloque anódico con respecto al ánodo de 1400. Esta característica es importante ya que se puede incrementar la corriente de entrada sin aumentar la inestabilidad de las celdas. Si las celdas son lo suficientemente estables se puede bajar la distancia ánodo cátodo, distancia AC, la cual corresponde a 20 cm en las celdas Hall-230. Esta es la distancia entre el fondo del bloque anódico y la superficie inferior del baño electrolítico. Debido a la alta resistencia

eléctrica del baño electrolítico, cerca del 40 por ciento del voltaje total de la celda, 4,60 V, corresponde a la distancia AC, es decir 1,80 V.

 

Cabe destacar que el quinto y el sexto modelo (ánodos de 4 puntas con y sin barra, con varilla modificada) poseen, además de mejor simetría en la densidad de corriente eléctrica, una densidad de corriente más homogénea en el área del bloque anódico que el resto de los modelos (Figuras 8c, 8d, 9c y 9d). Esto se debe a que las 4 puntas del yugo distribuyen mejor la densidad de corriente; y a su vez, la varilla no recta logra centrar la entrada de corriente en el bloque anodico para distribuir más homogéneamente la densidad de corriente en el yugo y el bloque anódico.

5.4 Comparación de los resultados

La Tabla II muestra la comparación entre los resultados de las simulaciones para distribuciones de la temperatura, caída de potencial eléctrico y densidad de corriente eléctrica del ánodo de 1400 y los seis modelos propuestos de SA 1500.

Se observa que todos los modelos de yugo 4 puntas presentan disminuciones de potencial eléctrico mayores que el único modelo de yugo 3 puntas (modelo 4). Destaca el modelo 5 porque presenta la mayor disminución de potencial eléctrico y una distribución más simétrica en la temperatura y la densidad de corriente. Estas condiciones son equivalentes a una mayor eficiencia eléctrica de las celdas.

5.5 Ahorro en el consumo eléctrico

Como se puede apreciar en la Tabla 2 el mayor ahorro lo tiene el modelo 5. Sin embargo, es importante destacar que un ahorro de 36 mV en cada uno de los 26 sistemas anódicos para cada una de las 180 celdas Hall-230 de V línea implica un ahorro importante en el consumo de energía eléctrica. Esto se debe a la alta corriente de entrada de la celdas, 226 kA. Esta afirmación se puede apreciar con detalles en la Tabla 3.

En la Tabla III se observa que que para una corriente de entrada de 226 kA con un voltaje de 4,60 V por celda implica un consumo diario por celda de 24950,4 kWh. Una disminución de 36 mV en el SA implica un ahorro en el consumo diario por celda de 195,264 kWh y esto equivale a un ahorro de 35,147 MWh diario en todas las 180 celdas Hall- 230 del Complejo V Línea.

Esto quiere decir que por cada mV que se disminuya en el voltaje de todas las celdas Hall-230 se lograría un ahorro de un (1) MWh. Es conveniente mencionar que el ahorro es sólo por concepto de disminución de la resistencias eléctrica en el SA; pero, se espera un ahorro aún mayor por efecto de la mejor estabilidad eléctrica de la celdas.También, se estima disminuir la emisión de gases contaminantes al medio ambiente, esto está relacionado con un menor consumo de los aditivos, como el floururo de aluminio AlF3.

III. CONCLUSIONES

1.- Con respecto al ánodo 1400 mm, todos los modelos de yugo de 4 puntas tienen mayores ahorros de caída de potencial eléctrico, entre 27 y 36 mV, que los modelos de yugo de 3 puntas, entre 7 y 9 mV.

2.- Las propuestas que producen mayores beneficios en las distribuciones de temperaturas, la caída de potencial y densidad de corriente son los modelos 5 (yugo 4 puntas recto y varilla no recta) y el modelo 6 (yugo 4 puntas con varilla no recta). Ambos modelos proveen de simetría al SA en las distribuciones de temperatura, potencial eléctrico y densidad de corriente eléctrica.

3.- Los modelos 5 y 6 son los que permiten mayores incrementos en la corriente de operación de las celdas sin aumentar significativamente su inestabilidad eléctrica, ya que son los que presentan simetrías en las distribuciones de temperatura, potencial eléctrico y densidad de corriente eléctrica.

4.- La implementación del mejor modelo, modelo 5, implica un ahorro en el consumo de energía eléctricas, solamente por efecto joule, de aproximadamente 35,148 MWh en todas las 180 celdas Hall-230 de V línea. Pero, por efecto de mayor estabilidad de las celdas se espera un ahorro mayor y una disminución en el consumo de floururo de aluminio AlF3, que es principal contaminante.

5.- Los modelos 1 (yugo 3 puntas, varilla asimétrica) y 4 (yugo 3 puntas, varilla no recta) representan menor dificultad de diseño y costo para la implementación, porque sólo involucran modificaciones de la varilla. Estos modelos mejoran las distribuciones de temperatura, potencial eléctrico y densidad de corriente eléctrica con respecto al ánodo 1500 mm asimétrico.

IV. REFERENCIAS

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2. Rojas, F., Birrot, A. y Malave, I. “Simulación de las caídas de potenciales en el sistema anódico producidas por las variaciones de la profundidad del yugo en el ánodo de una celda de reducción de aluminio”, Universidad, Ciencia y Tecnología,vol. 11, Nª 43, junio 2007, pp 79-86.

3. Barreto, E., “Estudio del del sistema anódico y descripción de la distribución de corrientes en las celdas hydroaluminium de V Línea de C.V.G. VENALUM”. Trabajo de Grado de Ingeniería Eléctrica. UNEXPO, Puerto Ordaz, Venezuela, 2007, pp 66-78.

4. González, I. “Adecuación tecnológica del sistema anódico y su influencia en la distribución de temperatura en las celdas de tecnología Hydro Aluminium de V línea de C.V.G. Venalum”. Trabajo de Grado de Ingeniería Mecánica. UNEXPO, Puerto Ordaz, Venezuela. 2007.

5. Kai Grjoteim and Barry Welch, “Aluminium Smelter Technology ” Segunda Edición, Aluminum Verlag, Dusseldorf,1986, pp 165-168.

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7. Panaitescu, A. et all “Magneto-hydro-dinamic analysis of an electrolysis cell for aluminum production”, IEEE Trasaction on Magnetics,vol. 36, Nª 4, julio 2000, pp 1305-1308.

8. Malave, I. “Simulación termoeléctrica de ánodos 1400mm en celdas Hall-230 de la V Línea C.V.G. Venalum”. Práctica Profesional de Ingeniería Eléctrica. UNEXPO, Puerto Ordaz, Venezuela. 2008.

9. Malave, I. “Estudio de la eficiencia termoeléctrica del sistema anódico en celdas Hall-230 De La V Línea de C.V.G. Venalum”. Trabajo de Grado de Ingeniería Eléctrica. UNEXPO, Puerto Ordaz, Venezuela. 2009.