Tabung Aluminium Mematri Induksi dengan Pemanasan Induksi Frekuensi Tinggi
Area aplikasi baru dari pemanasan induksi memerlukan analisis distribusi suhu di dalam komponen yang dipanaskan dengan mempertimbangkan struktur yang sesuai dan sifat material. Metode elemen hingga (FEM) menyediakan alat yang ampuh untuk melakukan analisis dan pengoptimalan proses pemanasan induksi melalui analisis dan simulasi numerik elektromagnetik dan termal yang digabungkan.
Tujuan utama dari kontribusi ini adalah untuk menunjukkan kemungkinan penerapan teknologi mematri induksi yang tepat, canggih, dan efisien untuk pembuatan kolektor surya berdasarkan simulasi numerik dan eksperimen yang dilakukan.
Deskripsi masalah
Pekerjaan ini berkaitan dengan desain komponen kolektor surya yang sesuai untuk proses mematri, yaitu bagian tabung pengumpul (Gbr. 1a). Tabung dibuat dari paduan Al tipe AW 3000 dengan komposisi kimia yang diberikan pada Tabel 1. Untuk mematri, digunakan paduan jenis Al 104 (Tabel 2) bersama dengan fluks Braze Tec 32/80 yang residunya tidak korosif. Interval suhu antara suhu solidus dan liquidus untuk paduan mematri Al 104 berkisar antara 575 ° C hingga 585 ° C. Suhu solidus dari bahan tabung adalah 650 °C.
Tabel 1 Komposisi kimiawi paduan AW 3000 [berat %]
| 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 | keseimbangan |
Tabel 2 Komposisi kimiawi dari paduan mematri tipe Al 104 [berat %]
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Al |
| 11-13 | 0.6 | max. 0.3 | 0.15 | 0.1 | 0.2 | max. 0.15 | keseimbangan |
Proses mematri mengandaikan penerapan pemanasan induksi. Sistem pemanasan induksi harus dirancang sedemikian rupa sehingga suhu mematri harus dicapai di zona sambungan (logam mematri - paduan mematri) dalam waktu yang sama. Dari sudut pandang ini, pemilihan kumparan induksi yang tepat, geometri dan parameter operasinya (terutama frekuensi dan arus sumber) sangat penting. Bentuk dan dimensi kumparan induksi berpendingin air tembaga yang dirancang ditunjukkan pada Gbr. 1b
Pengaruh parameter yang relevan dari pemanasan induksi pada distribusi suhu di bagian yang dipatri dinilai dengan menggunakan simulasi numerik pemanasan induksi yang menerapkan kode program ANSYS 10.0.
Model simulasi
Sesuai dengan metodologi solusi masalah elektromagnetik dan termal yang digabungkan dengan FEM menggunakan perangkat lunak ANSYS 10.0 [3-5], model simulasi proses pemanasan induksi untuk mematri dikembangkan termasuk kondisi geometris, fisik, dan kondisi awal dan batas. Tujuan utama dari simulasi numerik adalah untuk menentukan parameter optimum pemanasan induksi (frekuensi dan arus sumber) untuk mencapai distribusi temperatur yang diperlukan di zona pembentukan sambungan.
Model 3D yang disarankan (Gbr. 2) untuk analisis elektromagnetik terdiri dari model tabung, paduan mematri, koil induksi berpendingin air, dan udara di sekitarnya (tidak ditunjukkan pada Gbr. 2). Dalam analisis termal, hanya tabung dan paduan mematri yang dipertimbangkan. Detail mesh yang dihasilkan dari elemen linier 8-node di zona pembentukan sambungan diilustrasikan pada Gbr. 2b.
Gbr. 2 a) Model geometris untuk analisis elektromagnetik tanpa udara di sekitarnya dan b) detail mesh 3D yang dihasilkan di zona pembentukan sambungan. ketergantungan temperatur dari sifat listrik dan termal paduan AW 3000 dan paduan mematri Al 104 diperoleh dengan menggunakan perangkat lunak JMatPro [6]. Mengikuti fakta bahwa bahan yang digunakan bersifat non-magnetik, permeabilitas relatifnya µr = 1.
Suhu awal bahan yang dibrazing adalah 20 °C. Seharusnya terjadi kontak listrik dan panas yang sempurna pada permukaan batas bahan. Frekuensi arus sumber dalam kumparan induksi seharusnya 350 kHz. Nilai arus sumber ditentukan dari interval 600 A hingga 700 A. Pendinginan tabung brazing dengan konveksi bebas dan radiasi ke udara dengan suhu 20 ° C diperhitungkan. Koefisien perpindahan panas gabungan yang bergantung pada suhu permukaan bagian yang dipatri ditentukan. Pada Gbr. 3, distribusi suhu pada komponen brazing setelah pencapaian suhu yang diperlukan di zona sambungan ditunjukkan untuk nilai yang dipilih dari arus sumber yang diterapkan di kumparan pemanas induksi. Waktu 36 detik dengan menggunakan arus sumber 600 A tampaknya cukup lama. Pemanasan cepat dengan menggunakan arus sumber 700 A tidak dapat mencukupi untuk melelehkan paduan mematri Al 104. Oleh karena itu, arus sumber sekitar 620 A hingga 640 A direkomendasikan untuk menghasilkan waktu mematri dari 25 hingga 27,5 detik......
