مدل سازي عددي هم زمان انتقال حرارت و ميدان مغناطيسي در كوره ذوب القايي تحت خلا

Simultaneous Numerical Modelling of Heat Transfer and Magnetic Fields in a Vacuum Induction Furnace

در اين مقاله به بررسي عددي انتقال حرارت و ميدان مغناطيسي در يك كوره ذوب القايي خلا پرداخته شده است. براي حل معادلات گرمايش القايي از كوپله شدن انتقال حرارت و ميدان مغناطيسي به روش المان محدود استفاده شده و با استفاده از يك هندسه صنعتي، مدل كوره القايي شبيه سازي شده است. مطالعات انجام شده نشان مي دهد كه تاثير شكل هندسي بوته و سيم پيچ، بر مدت زمان رسيدن به دماي ذوب به طور كامل بررسي نشده و مطالعات عميق تري نياز است. سعي در اين است با بهبود هندسه كوره القايي، در مدت زمان كمتري آلومينيوم در كوره ذوب شود. تاثير نسبت قطر به ارتفاع بوته (در حجم ثابت نمونه) بر مدت زمان رسيدن به نقطه ذوب در كوره القايي مورد بررسي قرار گرفته است. با كاهش نسبت قطر به ارتفاع، دما در زمان كوتاه تري به نقطه ذوب مي رسد. نتايج نشان مي دهد كه به ازاي نسبت قطر به ارتفاع كمتر از 0/4 تغيير قابل ملاحظه اي در دماي ميانگين حاصل نخواهد شد. با كاهش 10درصدي فاصله بين سيم پيچ ها، ميانگين دماي ماده افزايش يافته است. با ثابت درنظرگرفتن چگالي جريان سيم پيچ و جريان القاشده در ماده گرم شونده، اثرات تعداد حلقه سيم پيچ القايي بر توزيع دما و شار مغناطيسي نيز مورد بررسي قرار گرفته است و به همين روش صحت مدل سازي با مباحث گرمايش القايي مقايسه شده است. تاثير فركانس بر دما در نسبت هاي مختلف طول سيم پيچ مورد تحقيق قرار گرفته و نتايج نشان مي دهد افزايش 4برابري فركانس موجب افزايش 1/7برابري دماي ميانگين در قطعه كاري مي شود.

In this paper, heat transfer and magnetic fields in a vacuum induction melting furnace have been studied numerically. To solve the coupled equations of thermal and magnetic induction heating, the finite element method has been used. An induction furnace model is simulated using an industrial geometry. The studies indicate that the effect of the geometry of the crucible and the coil on the melting time has not been thoroughly investigated and requires more indepth studies. It is attempted to improve the shape of the induction furnace, so that in less time aluminum is melted in a small scale furnace. The effect of the diameter-to-height ratio of the crucible on the duration of melting has been investigated. By decreasing the diameter-toheight ratio, the temperature reaches melting temperature in a shorter time. The results show that for the diameter-to-height ratio of less than 0.4, there will not be a significant change at the average temperature. 10% reduction in the distance between the coils leads to an increase in the average temperature of the working material inside the furnace. With considering the constant density of the coil current and the constant induced current in the heated material, the effects of the number of coil turns on the temperature distribution and magnetic flux are investigated. In this way, the accuracy of the model is also checked by induction heating concepts. The effect of frequency on temperature has been investigated in different coil lengths. The results show that an increase of 4 times in the frequency caused an increase of 1.7 times in the average temperature.