Вступление. Индукционный нагрев это процесс, который использует электромагнитное поле переменного тока, чтобы вызвать высокую температуру в заготовке
Индукционный нагрев это процесс, который использует электромагнитное поле переменного тока, чтобы вызвать высокую температуру в заготовке. Он был использован для нагрева электричеством деталей с начала 1930-х годов.
Промышленное применение технологии включает термическую обработку и плавления металла, выращивание монокристаллов, переработку полупроводниковых пластин, уплотнение и упаковку с высокой скоростью, и отверждение органических покрытий [1].
Индукционный нагрев представляет собой сложный процесс с участием как электромагнитных и тепловых явлений. Электроэнергетика создавалась и развивалась при помощи электрических, магнитных и электромагнитных явлений, используемых для ее производства, передачи и трансформации в другие виды энергии. Этот процесс описывается уравнением Максвелла для электромагнитных явлений. Численные методы в Электротермии начали использовать еще в начале 1960-х годов с МКР (метод конечных разностей) для определения температуры ферромагнитного цилиндра [3]. Положительные отзывы о численных методах в индукционном нагреве и продолжении плавления можно найти в Lavers [4]. В последнее время метод конечных элементов (МКЭ), представленный в этой статье широко используется во многих задачах, связанных с электронагревом, таких как индукционный нагрев. Численный расчет асинхронных процессов нагрева становится все более распространенным [5]. Многие исследования были проведены в отношении теоретической модели и численного моделирования индукционных нагревательных приборов. Enokizono и Tanabe [6] исследовали численный анализ магнитного поля при высокочастотном индукционном нагреве. Зависимость различных магнитных свойств от температуры была учтена. Необходимые характеристики были получены экспериментально. Sade-ghipour др.. [7] с использованием метода конечных элементов, исследовали создавшиеся мощность и плотность тока, и переходное распределение температуры во фланцевой трубке AISI1040 стали. Эрнст и др.. [8] представил новый и оригинальный электромагнитно-тепловой способ связи моделирования двумерных конечных элементов на основе Matlab, использованный для оптимизации процесса индукционного создания SiC кристалла. Арита и др.. [9] проанализировали результаты конечно-элементного анализа задачи высокочастотного индукционного нагрева с учетом температурной зависимости характеристик материала высокочастотных проблем индукционного нагрева с учетом температурная зависимость характеристик материала с использованием трехмерного конечно-элементного анализа для того, чтобы определить необходимую форму катушки индуктора. Cajner др.. [10] разработали программу моделирования для аксиально-симметричных деталей относительно измеренным значениям твердости поверхности и глубинной прочности. Кавагути и др.. [11] представили результаты анализа методом конечных элементов задач индукционного нагрева с учетом температурной зависимости характеристик материала. Недавно Цзян и др.. [12] предложил оптимальную модель для нагрева / охлаждения для достижения равномерного распределения температуры по радиусу цилиндра. Tibouche др.. [13] разработал программный продукт на базе метода конечных разностей пар с полу- аналитическим началом. Кранич др.. [14] исследовал характеристики процесса индукционного нагрева как численно так и экспериментально. Недавно, Бар - Глик [15 ] исследовал трехмерный анализ электромагнитных и температурных полей в поперечном сечении индуктора для тонких полос и сравнил результат с данными измерений.
Большинство теоретических моделей с численными методами, сохданных раньше, применяются до сих пор, за исключением случаев применения их в системах стационарной индуктивности высокой частоты. Кроме того, эти исследования нельзя применить для получения хороших результатов, близких к экспериментальным, так как индукционный нагрев имеет свой недостаток - присущий ему неравномерный нагрев из-за поверхностного и концевого эффекта, а так же эффекта поперечной кромки. Эффекты с подвижными проводниками и катушками имеют большое влияние когда проводник движется относительно катушки и выходит из нее после нагрева. Это вызвано высоким градиентом магнитного поля в этой области, что может привести к большой погрешности в предварительных расчетах распределения температуры заготовок. Таким образом, в данной работе, способ с использованием коммерческого пакета, ANSYS [16], использован для анализа одномерных и двумерных задач индукционного нагрева. Основная цель этой работы – описать связанную более точную математическую модель для системы индукционного нагрева, принимая во внимание динамический эффект движущихся деталей, для получения более точных результатов, чем те, что были получены в предыдущих работах по исследованию электромагнитных полей и температурного распределения в заготовках. 2. Математическая модель
Мы решаем задачи тепловую и вихревых токов, чтобы смоделировать систему индукционного нагрева, которая используется для производства бесшовных труб и обычно состоит из четырех частей:№ 1 через № 3 катушки и камера между ними, как показано на рис. 1. Будем считать, что части нагрева (№ 1 через № 3 катушки и часть разрыва, в том числе в области воздуха между, до и после катушек),кроме удерживающей камеры, имеют осевую симметрию. Для простоты мы опишем только модель, состоящую из заготовки, катушки, и воздуха в расчетной области, как показано на Рис. 2.
|
