Induktiojuotetut alumiiniputket korkean taajuuden induktiolämmityksellä
Uusien sovellusalojen induktio lämmitys vaativat lämpötilajakauman analysointia lämmitettyjen komponenttien sisällä ottaen huomioon vastaavat rakenteet ja materiaalin ominaisuudet. Rajaelementtimenetelmä (FEM) tarjoaa tehokkaan työkalun tällaisten induktiolämmitysprosessien analysoimiseksi ja optimoimiseksi kytkettyjen sähkömagneettisten ja termisten numeeristen analyysien ja simulaatioiden avulla.
Tämän panoksen päätavoitteena on osoittaa mahdollisuus käyttää asianmukaista, kehittynyttä ja tehokasta induktiojuotosteknologiaa aurinkokeräinten valmistuksessa numeerisen simulaation ja suoritettujen kokeiden perusteella.
Ongelman kuvaus
Tämä työ käsittelee juotosprosessiin soveltuvien aurinkokeräinten komponenttien, nimittäin keräysputkien osien suunnittelua (kuva 1a). Putket valmistetaan AW 3000 -tyyppisestä Al-seoksesta taulukossa 1 esitetyn kemiallisen koostumuksen kanssa. Juotettaessa käytetään Al 104 -tyyppistä seosta (taulukko 2) yhdessä Braze Tec 32/80 -juoksuveden kanssa, mitkä jäämät eivät ole - syövyttävä. Lämpötila-aika kiinteän ja nestemäisen lämpötilan välillä Al 104 -juottoaseoksessa vaihtelee välillä 575 ° C - 585 ° C. Putkimateriaalin kiintolämpötila on 650 ° C.
Taulukko 1 AW 3000 -seoksen kemiallinen koostumus [paino %]
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Cr | Al |
| 0.05-0.15 | 0.06-0.35 | max. 0.1 | 0.3-0.6 | 0.02-0.20 | 0.05-0.3 | max. 0.25 | tasapaino |
Taulukko 2 Al 104 -tyyppisen juottoseoksen kemiallinen koostumus [paino %]
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Al |
| 11-13 | 0.6 | max. 0.3 | 0.15 | 0.1 | 0.2 | max. 0.15 | tasapaino |
Juotosprosessi edellyttää induktiolämmityksen käyttämistä. Induktiolämmitysjärjestelmä on suunniteltava siten, että juottolämpötilat tulisi saavuttaa samalla alueella (juotetut metallit - juotosseos). Tästä näkökulmasta oikea induktiokelan, sen geometrian ja toimintaparametrien (pääasiassa taajuuden ja lähdevirran) valinta on erittäin tärkeää. Suunnitellun vesijäähdytetyn kuparin induktiokelan muoto ja mitat on esitetty kuvassa 1b
Induktiolämmityksen merkityksellisten parametrien vaikutus juotettujen osien lämpötilajakautumiseen arvioitiin käyttämällä induktiolämmityksen numeerista simulointia ohjelmakoodilla ANSYS 10.0.
Simulointimalli
Yhdistettyjen sähkömagneettisten ja lämpöongelmien ratkaisumenetelmän mukaisesti FEM: llä ANSYS 10.0 -ohjelmistolla [3-5] kehitettiin induktiolämmitysprosessin simulointimalli juottamista varten, mukaan lukien geometriset, fysikaaliset ja alku- ja rajaolosuhteet. Numeerisen simulaation päätavoitteena oli määritellä induktiolämmityksen optimaaliset parametrit (taajuus ja lähdevirta) vaaditun lämpötilajakauman saavuttamiseksi liitoksen muodostumisvyöhykkeellä.
Ehdotettu 3D-malli (kuva 2) sähkömagneettista analyysiä varten koostuu putkien, juotosseoksen, vesijäähdytteisen induktiokelan ja ympäröivän ilman mallista (ei esitetty kuvassa 2). Lämpöanalyysissä otettiin huomioon vain putket ja juoteseos. Yksityiskohta verkosta, joka on muodostettu lineaarisista, 8 solmun elementeistä liitoksen muodostumisvyöhykkeellä, on esitetty kuvassa 2b.
Kuva 2 a) Geometrinen malli sähkömagneettista analyysiä varten ilman ympäröivää ilmaa ja b) yksityiskohdat nivelten muodostumisvyöhykkeellä muodostetusta 3D-verkosta. AW 3000 -seoksen ja Al 104 -juoteseoksen sähkö- ja lämpöominaisuuksien lämpötilariippuvuudet saatiin JMatPro ohjelmisto [6]. Sen seurauksena, että käytetyt materiaalit eivät ole magneettisia, niiden suhteellinen läpäisevyys µr = 1.
Juotettujen materiaalien alkulämpötila oli 20 ° C. Materiaalien rajapinnoilla oletettiin olevan täydelliset sähkö- ja lämpökoskettimet. Lähdevirran taajuuden induktiokelassa piti olla 350 kHz. Lähdevirran arvo määritettiin välillä 600 A - 700 A. Juotettujen putkien jäähdytys vapaalla konvektiolla ja säteily ilmaan 20 ° C lämpötilassa otettiin huomioon. Juotettujen osien pintalämpötilasta riippuva yhdistetty lämmönsiirtokerroin määriteltiin. Kuvassa 3 on esitetty juotettujen komponenttien lämpötilajakauma vaadittujen lämpötilojen saavuttamisen jälkeen liitosvyöhykkeellä käytetyille lähdevirtojen valituille arvoille induktiokuumennuskäämi. 36 sekunnin aika käyttämällä 600 A: n lähdevirtaa näyttää olevan melko pitkä. Nopea lämmitys 700 A: n lähdevirralla ei voi olla riittävä Al 104 -juoteseoksen sulamiseen. Tästä syystä lähdevirtaa suositellaan suunnilleen 620 A - 640 A tasolle, mikä johtaa juottoajoihin 25 - 27.5 sekuntia ...
