Aluminijske cijevi za indukcijsko lemljenje s visokofrekventnim indukcijskim grijanjem
Nova područja primjene indukcijsko grijanje zahtijevaju analizu raspodjele temperature unutar zagrijanih komponenata uzimajući u obzir odgovarajuće strukture i svojstva materijala. Metoda konačnih elemenata (MKE) pruža moćan alat za izvođenje takvih analiza i optimizaciju indukcijskih procesa zagrijavanja kroz povezane elektromagnetske i toplinske numeričke analize i simulacije.
Glavni cilj ovog doprinosa je ukazati na mogućnost primjene odgovarajuće, sofisticirane i učinkovite tehnologije indukcijskog lemljenja za proizvodnju solarnih kolektora na temelju numeričke simulacije i izvedenih eksperimenata.
Opis problema
Ovaj se rad bavi dizajnom komponenata solarnih kolektora pogodnih za postupak lemljenja, odnosno dijelova sabirnih cijevi (slika 1a). Cijevi su izrađene od legure Al tipa AW 3000 s kemijskim sastavom navedenim u tablici 1. Za lemljenje koristi se slitina tipa Al 104 (tablica 2) zajedno s protokom Braze Tec 32/80 čiji ostaci nisu -jedak. Temperaturni interval između temperatura solidusa i liquidusa za leguru lemljenja Al 104 kreće se od 575 ° C do 585 ° C. Temperatura solidusa materijala cijevi je 650 ° C.
Tablica 1. Kemijski sastav legure AW 3000 [tež. %]
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Cr | Al |
| 0.05-0.15 | 0.06-0.35 | maks. 0.1 | 0.3-0.6 | 0.02-0.20 | 0.05-0.3 | maks. 0.25 | uravnotežiti |
Tablica 2 Kemijski sastav legure za lemljenje tipa Al 104 [tež. %]
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Al |
| 11-13 | 0.6 | maks. 0.3 | 0.15 | 0.1 | 0.2 | maks. 0.15 | uravnotežiti |
Postupak lemljenja pretpostavlja primjenu indukcijskog zagrijavanja. Potrebno je osmisliti sustav indukcijskog grijanja na takav način da se istovremeno trebaju postići temperature lemljenja u zoni fuge (lemljeni metali - legura za lemljenje). S ovog gledišta, pravilan odabir indukcijske zavojnice, njezine geometrije i radnih parametara (uglavnom frekvencije i struje izvora) vrlo je važan. Oblik i dimenzije projektiranog bakrenog indukcijskog svitka hlađenog vodom, prikazani su na slici 1b
Učinak relevantnih parametara indukcijskog zagrijavanja na raspodjelu temperature u lemljenim dijelovima procijenjen je pomoću numeričke simulacije indukcijskog zagrijavanja primjenom programskog koda ANSYS 10.0.
Simulacijski model
U skladu s metodologijom rješavanja povezanih elektromagnetskih i toplinskih problema pomoću MKE pomoću softvera ANSYS 10.0 [3-5], razvijen je simulacijski model postupka indukcijskog zagrijavanja za lemljenje, uključujući geometrijske, fizičke i početne i granične uvjete. Glavni cilj numeričke simulacije bio je definirati optimalne parametre indukcijskog zagrijavanja (frekvenciju i struju izvora) kako bi se postigla potrebna raspodjela temperature u zoni nastajanja spojeva.
Predloženi 3D-model (slika 2) za elektromagnetsku analizu sastoji se od modela cijevi, legure za lemljenje, indukcijskog svitka hlađenog vodom i okolnog zraka (nije prikazan na slici 2). U termičkoj analizi uzete su u obzir samo cijevi i legura za lemljenje. Detalji slike generirane od linearnih elemenata sa 8 čvorova u zoni formiranja zglobova prikazani su na slici 2b.
Slika 2 a) Geometrijski model za elektromagnetsku analizu bez okolnog zraka i b) detalj 3D mreže koja nastaje u zoni nastajanja spojeva. Temperaturne ovisnosti električnih i toplinskih svojstava legure AW 3000 i legure lema Al 104 dobivene su pomoću JMatPro softver [6]. Slijedom činjenice da su primijenjeni materijali nemagnetski, njihova relativna propusnost µr = 1.
Početna temperatura lemljenih materijala bila je 20 ° C. Pretpostavljali su se savršeni električni i toplinski kontakti na graničnim površinama materijala. Frekvencija struje izvora u indukcijskoj zavojnici trebala je biti 350 kHz. Vrijednost izvorne struje definirana je iz intervala od 600 A do 700 A. Uzeto je u obzir hlađenje lemljenih cijevi slobodnom konvekcijom i zračenjem u zrak s temperaturom od 20 ° C. Definiran je kombinirani koeficijent prijenosa topline koji ovisi o površinskoj temperaturi lemljenih dijelova. Na slici 3. prikazana je raspodjela temperature u lemljenim komponentama nakon postizanja potrebnih temperatura u zoni spoja za odabrane vrijednosti primijenjenih struja izvora u indukcijski grijač. Čini se da je vrijeme od 36 sekundi korištenja izvorne struje od 600 A prilično dugo. Brzo zagrijavanje primjenom izvorne struje od 700 A ne može biti dovoljno za taljenje legure lemljenja Al 104. Zbog toga se preporuča izvorna struja približno na razini od 620 A do 640 A, što dovodi do vremena lemljenja od 25 do 27.5 sekundi ...
