Brasatura di tubi in alluminio con riscaldamento a induzione

Tubi in alluminio per brasatura a induzione con riscaldamento a induzione ad alta frequenza

Le nuove aree di applicazione di riscaldamento a induzione richiedono l'analisi della distribuzione della temperatura all'interno dei componenti riscaldati tenendo conto delle strutture corrispondenti e delle proprietà del materiale. Il metodo degli elementi finiti (FEM) fornisce un potente strumento per eseguire tali analisi e ottimizzare i processi di riscaldamento a induzione attraverso analisi e simulazioni numeriche elettromagnetiche e termiche accoppiate.

Lo scopo principale di questo contributo è quello di indicare la possibilità di applicazione della corretta, sofisticata ed efficiente tecnologia di brasatura a induzione per la produzione di collettori solari basata su simulazioni numeriche ed esperimenti eseguiti.

Descrizione del problema

Questo lavoro si occupa della progettazione di componenti per collettori solari idonei al processo di brasatura, ovvero le parti del tubo di raccolta (Fig. 1a). I tubi sono realizzati in lega Al di tipo AW 3000 con la composizione chimica riportata in Tabella 1. Per la brasatura si utilizza la lega di tipo Al 104 (Tabella 2) insieme al disossidante Braze Tec 32/80 i cui residui non sono -corrosivo. L'intervallo di temperatura tra le temperature di solidus e liquidus per la lega brasante Al 104 va da 575 ° C a 585 ° C. La temperatura di solidus del materiale del tubo è 650 ° C.

Tabella 1 Composizione chimica della lega AW 3000 [peso. %]

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 equilibrio

Tabella 2 Composizione chimica della lega brasante di tipo Al 104 [wt. %]

Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Al
11-13 0.6 max. 0.3 0.15 0.1 0.2 max. 0.15 equilibrio

Il processo di brasatura prevede l'applicazione del riscaldamento a induzione. È necessario progettare il sistema di riscaldamento a induzione in modo tale che le temperature di brasatura siano raggiunte nella zona di giunzione (metalli brasati - lega di brasatura) nello stesso tempo. Da questo punto di vista, una corretta selezione della bobina di induzione, della sua geometria e dei parametri di funzionamento (principalmente la frequenza e la corrente sorgente) è molto importante. La forma e le dimensioni della bobina di induzione raffreddata ad acqua in rame progettata sono mostrate in Fig. 1b

L'effetto dei parametri rilevanti del riscaldamento a induzione sulla distribuzione della temperatura nelle parti brasate è stato valutato utilizzando la simulazione numerica del riscaldamento a induzione applicando il codice di programma ANSYS 10.0.

Modello di simulazione

In accordo con la metodologia di soluzione di problemi elettromagnetici e termici accoppiati mediante FEM utilizzando il software ANSYS 10.0 [3-5], è stato sviluppato il modello di simulazione del processo di riscaldamento a induzione per la brasatura comprendente condizioni geometriche, fisiche e iniziali e al contorno. Lo scopo principale della simulazione numerica era definire i parametri ottimali del riscaldamento ad induzione (la frequenza e la corrente di sorgente) per ottenere la distribuzione della temperatura richiesta nella zona di formazione del giunto.

Il modello 3D suggerito (Fig. 2) per l'analisi elettromagnetica è costituito dal modello di tubi, lega di brasatura, bobina di induzione raffreddata ad acqua e aria circostante (non mostrata in Fig. 2). Nell'analisi termica sono stati considerati solo i tubi e la lega brasante. Un dettaglio della maglia generata dagli elementi lineari a 8 nodi nella zona di formazione del giunto è illustrato in Fig. 2b.

Fig.2 a) Modello geometrico per analisi elettromagnetica senza aria circostante eb) dettaglio della mesh 3D generata nella zona di formazione del giunto Le dipendenze dalla temperatura delle proprietà elettriche e termiche della lega AW 3000 e della lega brasante Al 104 sono state ottenute utilizzando JMatPro software [6]. A seguito del fatto che i materiali applicati sono non magnetici, la loro relativa permeabilità µr = 1.

La temperatura iniziale dei materiali brasati era di 20 ° C. Si supponeva contatti elettrici e termici perfetti sulle superfici di confine dei materiali. La frequenza della corrente sorgente nella bobina di induzione doveva essere di 350 kHz. Il valore della corrente di sorgente è stato definito dall'intervallo da 600 A a 700 A. Si è tenuto conto del raffreddamento dei tubi brasati per convezione libera e irraggiamento all'aria con temperatura di 20 ° C. È stato definito il coefficiente di scambio termico combinato dipendente dalla temperatura superficiale delle parti brasate. Nella Fig.3, la distribuzione della temperatura nei componenti brasati dopo il raggiungimento delle temperature richieste nella zona del giunto è mostrata per i valori scelti delle correnti di sorgente applicate in bobina di riscaldamento a induzione. Il tempo di 36 secondi utilizzando la corrente di sorgente di 600 A sembra essere piuttosto lungo. Il riscaldamento rapido applicando la corrente di sorgente di 700 A non può essere sufficiente per la fusione della lega brasante Al 104. Per questo motivo si consiglia una corrente di sorgente approssimativamente del livello da 620 A a 640 A portando a tempi di brasatura da 25 a 27.5 secondi ……

Brasatura di tubi in alluminio con riscaldamento a induzione

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