注射机料筒电磁感应加热温度数学模型及数值模拟的研究

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本文主要研究电磁感应加热器加热注射机料筒时料筒温度分布的数值模拟。电磁感应加热是利用料筒中感生涡流的焦耳效应将料筒加热,这种加热方式具有升温快、效率高、控制精确、污染少、热惯性小等特点,在工业生产中得到了广泛的应用。如何设置加热过程的参数使之满足被加热料筒中各项性能要求是普遍关注的问题。料筒的诸多性能指标与热处理过程中的温度分布是密切相关的,然而基于实验的系统设计方法却耗时费力。因此,数值模拟技术对于这类系统的设计和研究具有重要意义。本文从电磁感应加热的基本原理和电磁-热耦合场计算的有限元方法着手,以电磁学和传热学为基础,推导了电磁感应加热料筒的电磁场和温度场分布的理论公式,并给出了电磁场、温度场分布的数学模型及相应的有限元分析模型。其中,电磁场和涡流场的数学模型是通过引入复矢量磁位而建立的。讨论了感应加热有限元分析中温度场与电磁场耦合、料筒材料物理参数对温度依赖性等关键技术问题的处理方法。分析了料筒的感应透热过程,得到了料筒内的温度分布状况以及温度随时间的变化规律。模拟分析了频率、线圈电流强度系数等参数对料筒温度控制的影响。通过得到的结果,了解感应加热温升过程和特点,从而为注射机料筒温度控制提供一定的依据以及为感应加热器的参数选取提供一定指导作用。对于电磁感应加热料筒,利用其高效率和生热原理的不同,该料筒相比按料筒表面积分配功率的电阻加热料筒在结构上可以进行优化,料筒壁厚可以减薄,节省材料。本文最后介绍了一种新的注射机料筒预热过程各个加热段等时控温方法。该方法是在原温度控制系统上用延时加热的方法实现注射机料筒各段等时到达设定温度的控温方法。其中各段的延时时间可以通过与上次各段延时时间比较而在以后开机过程中会越来越精确,实现延时时间的自适应性。经实践验证,采用该温控方法可以避免由于设定温度低的各段等待设定温度高的段到达设定温度而损耗的热能,降低了在温控设备上没有意义的电能浪费,达到节能的目的。
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