(Đề tài NCKH) nghiên cứu phân bố nhiệt của bề mặt khuôn trong quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ với ring coil

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRỊNH VĂN QUỐC NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ NHIỆT CỦA BỀ MẶT KHN TRONG Q TRÌNH GIA NHIỆT BẰNG CẢM ỨNG TỪ VỚI “RING COIL” NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ– 60520103 SKC005056 Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRỊNH VĂN QUỐC NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ NHIỆT CỦA BỀ MẶT KHN TRONG Q TRÌNH GIA NHIỆT BẰNG CẢM ỨNG TỪ VỚI “RING COIL” NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ– 520103 Hướng dẫn khoa học: TS PHẠM SƠN MINH Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2016 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: TRỊNH VĂN QUỐC Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 19/05/1991 Nơi sinh: Bình Định Quê quán: Bình Định Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: 41/6A, Đường 11, Kp3, P Linh Trung, Quận Thủ Đức, TP.HCM Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: Điện thoại di động: 0913121905 E-mail: Vanquoc.spkt.1991@gmail.com II Q TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian từ 09/2009 đến 09/2013 Nơi học: Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ tin kỹ thuật Tên đồ án tốt nghiệp: “Tối ưu hóa kết cấu dàn có kể đến độ tin cậy” Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 21/07/2013 Đại học sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: Th.S Lâm Phát Thuận III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 08/2013 - i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác TP.HCM, ngày tháng 05 năm 2016 (Ký tên ghi rõ họ tên) Trịnh Văn Quốc ii LỜI CẢM ƠN Một đề tài nghiên cứu thành công khơng có trợ giúp kết hợp với nỗ lực cố gắng người nghiên cứu Do đó, tơi xin chân thành cảm ơn hỗ trợ của: Ban giám hiệu Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Khoa Cơ Khí Thầy TS Phạm Sơn Minh tồn thể quý thầy cô dạy hướng dẫn nhiệt tình tạo điều kiện thuận lợi cho tơi thời gian theo học trường Các bạn kỹ sư đồng nghiệp động viên ủng hộ tinh thần Tuy thời gian thực đề tài tháng lượng kiến thức để phục vụ cho công tác nghiên cứu thực đề tài lại đòi hỏi lượng kiến thức sâu rơng nên q trình thực đề tài gặp nhiều khó khăn hạn chế Tuy vậy, với hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi Thầy TS Phạm Sơn Minh bạn đồng nghiệp, lĩnh hội nhiều kiến thức mới, bổ ích để phục vụ cho ngành kỹ thuật khí cơng tác nghiên cứu sau trường Vì vậy, lần tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô bạn Xin chúc q thầy tồn thể bạn dồi sức khoẻ thành công! TP.HCM, ngày tháng 05 năm 2016 Người cảm ơn Trịnh Văn Quốc iii TÓM TẮT Đề tài “Nghiên cứu phân bố nhiệt bề mặt khn q trình gia nhiệt cảm ứng từ với Ring Coil” tìm hiểu phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ sử dụng dạng cuôn dây “Ring Coil” Cụ thể, người nghiên cứu tiến hành khảo sát nhiệt độ bề mặt khuôn thay đổi trường cụ thể sau: - Khoảng cách mặt khn thay đổi - Số vịng “Ring Coil” thay đổi - Khoảng cách vòng “Ring Coil” thay đổi Trong luận văn tác giả sử dụng phần mềm Comsol để mơ q trình gia nhiệt sau xuất kết biểu đồ nhiệt độ hình ảnh phân bố nhiệt bề mặt khuôn Sau tác giả tiến hành thí nghiệm mơ hình thực tế nhằm kiểm chứng số liệu hình ảnh đạt iv ABSTRACT The project of " The research of the surface temperature distribution during the heating mold by induction from the Ring Coil" learning about methods of heating by induction coil shape using the "Ring Coil" Specifically, where the researcher will carry out a survey on the mold surface temperature in three specific cases: - The mold gap between the two sides face changed - The number of turns on the "Ring Coil" change - The distance between the rings of the "Ring Coil" change In this research the author uses Comsol software to simulate the heating process and then export the results as graphs and photographs temperature distribution on the mold surface temperature Finally the authors conducted experiments on actual models to verify the data and images are achieved v MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC BẢNG BIỂU x CHỮ VIẾT TẮT xi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: 1.2 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU: 1.3 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.4 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI – ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1.5 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1.6 CÁCH TIẾP CẬN – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.7 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA NHIỆT 2.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ GIA NHIỆT BẰNG CẢM ỨNG TỪ 10 2.3 LÝ THUYẾT VỀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ỨNG DỤNG ĐỂ GIA NHIỆT 13 2.4 ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT BẰNG CẢM ỨNG TỪ 16 2.5 HIỆU ỨNG BỀ MẶT 17 2.6 THIẾT KẾ CUỘN DÂY GIA NHIỆT 18 2.7 CÔNG NGHỆ PHUN ÉP 19 2.8 LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT 20 2.9 LÝ THUYẾT VẬT LIỆU NHỰA TRONG CÔNG NGHỆ ÉP PHUN .27 CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG – THÍ NGHIỆM 31 vi 3.1 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT BẰNG CẢM ỨNG TỪ 31 3.2 THÍ NGHIỆM GIA NHIỆT BẰNG CẢM ỨNG TỪ 37 3.3 SO SÁNH–PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM .49 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN 56 4.1 KẾT LUẬN 56 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Hệ thống gia nhiệt cho khn nước (Steam heating) Hình 2.2: Hệ thống gia nhiệt cho khuôn tia hồng ngoại (infrared heating system) Hình 2.3: Phương pháp gia nhiệt cho khn dịng khí nóng (Gas heating) Hình 2.4: Ngun lý hoạt động phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ Hình 2.5: Dịng điện cảm ứng phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ Hình 2.6: Thí nghiệm Faraday Hình 2.7: Nguyên lý dẫn nhiệt Hình 2.8: Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng Hình 2.9: Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường ống Hình 3.1: Các chức phần mềm COMSOL Hình 3.2: Qui trình mơ phòng gia nhiệt từ trường phần mềm COMSOL Hình 3.3: Mơ hình phân tích khn mẫu Hình 3.4: Mơ hình chia lưới khn mẫu Hình 3.5: Hệ thống thí nghiệm Hình 3.6: Hệ thống đo nhiệt độ Hình 3.7: Vị trí đo nhiệt độ Hình 3.8: Hệ thống thiết bị thí nghiệm Hình 3.9: Máy gia nhiệt cảm ứng từ Hình 3.10: Ring Coil Hình 3.11: Kích thước khn thí nghiệm Hình 3.12: Cuộn dây khn cho thí nghiệm viii LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP -Thời gian gia nhiệt: 15s -Nhiệt độ ban đầu: 40 0C -Số vòng "Ring coil": vòng -Khoảng cách vòng: 20 mm 166.5 170 163.3 159.9 156.9 152 148.4 140 110 80 Mold gap (mm) Hình 3.17: So sánh nhiệt độ mold gap (G) thay đổi 200 Mold gap (G) -Thời gian gia nhiệt: 15s -Nhiệt độ ban đầu: 40 0C -Số vòng "Ring coil": vòng -Khoảng cách vịng: 20 mm 160 Temperature (oC) Temperature (oC) 200 Thí nghiệm Mơ 120 G=1mm_Mơ G=1mm_Thí Nghiệm G=2mm_Mơ 80 G=2mm_Thí Nghiệm G=3mm_Mơ G=3mm_Thí Nghiệm 40 10 Thời Gian (s) Hình 3.18: Đồ thị so sánh kết điểm T2 thời gian thay đổi 50 15 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP - Mold gap: mm 150 - Thời gian gia nhiệt: 10s - Số vòng "Ring coil": vòng 140 - Khoảng cách vòng: 20 mm Nhiệt độ (oC) 129.7 130 120 110 100 90 80 T1 T2 T3 Điểm khảo sát nhiệt Hình 3.19: So sánh nhiệt độ điểm T1,T2,T3 mm Thí nghiệm Mơ Hình 3.20: So sánh hình ảnh nhiệt bề mặt khn thí nghiệm mô mold gap (G) thay đổi 51 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 3.3.2 So Sánh Kết Quả Khi Số Vòng Của “Ring Coil” Thay Đổi Với nhiệt độ khuôn ban đầu 40°C khoảng cách cn dây 20mm, nghiên cứu tìm hiểu thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn với số vòng “Ring Coil” 5, 6, N=5 Vịng _Mơ N=5 Vịng_Thí Nghiệm 220 N=6 Vịng_Mơ N=6 Vịng_Thí Nghiệm N=7 Vịng_Mơ 190 N=7 Vịng_Thí Nghiệm N Nhiệt độ (oC) 160 130 100 - Mold gap: mm 70 - Nhiệt độ ban đầu: 40 C - Khoảng cách vòng: 20 mm 40 Hình 3.21: So sánh kết thí nghiệm mơ điểm T2 số vịng “Ring coil” (N) thay đổi 52 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 190 - Mold gap: mm - Nhiệt độ ban đầu: 40 0C - Thời gian gia nhiệt: 10s - Khoảng cách vòng: 20 mm 160 N=7 vòng N=6 vòng N=5 vòng 160.1 153.1 144.2 141.6 Nhiệt Độ (oC) 129.7 130 121.3 99.4 100 Điểm khảo sát bề mặt khuôn 91.4 83.4 70 40 T1 T2 T3 Điểm Khảo Sát Hình 3.22: So sánh nhiệt độ thí nghiệm T1, T2, T3 số vòng (N) “Ring coil” thay đổi Vịng Thí nghiệ m Mơ Hình 3.23: So sánh hình ảnh thí nghiệm mơ số vịng “Ring coil” (N) thay đổi 53 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 3.3.3 So Sánh Kết Quả Khi Khoảng Cách Giữa Các Vòng Của “Ring Coil” Thay Đổi Trong nghiên cứu này, thông số khoảng cách vòng (S) thay đổi với giá trị: 18mm , 20mm , 22mm (bảng 3.1) Quá trình gia nhiệt tiến hành phương pháp mơ phỏng, sau đó, giá trị nhiệt độ bề mặt khuôn ghi nhận so sánh Ngoài ra, phân bố nhiệt độ ghi nhận, so sánh nhận xét nhằm làm rõ ảnh hưởng thơng số đến q trình gia nhiệt S 200 S S 180 - Mold gap: mm 160 Nhiệt độ (oC) 140 - Nhiệt độ ban đầu: 40 0C - Số vòng “Ring coil”: vòng - Thời gian gia nhiệt: 15s 120 100 80 S 60 40 Hình 3.24: Đồ thị so sánh kết nhiệt thí nghiệm mơ khoảng cách vòng “Ring Coil” (S) thay đổi 54 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP - Mold gap: mm - Số vòng “Ring coil”: vòng Nhiệt độ (oC) 160 - Thời gian gia nhiệt: 10s - Khoảng cách vòng: 22mm 140 120 105.3 106.05 60 40 T1 T2 T3 Hình 3.25: Đồ thị so sánh kết nhiệt thí nghiệm điểm T1, T2, T3 khoảng cách vịng “Ring Coil” (S) thay đổi Thí nghiệm Mơ Hình 3.26: So sánh hình ảnh nhiệt bề mặt khn khoảng cách vịng “Ring Coil” (S) thay đổi 55 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 KẾT LUẬN Thông qua nghiên cứu này, thông số đặc điểm cuộn dây trình gia nhiệt cảm ứng từ xem xét phân tích Với phương pháp mơ kết hợp với kiểm chứng thực nghiệm tác giả rút nhận xét kết luận sau đây:  Khi khoảng cách khuôn (Mold Gap) thay đổi: - Nhận xét:Trong mô phỏng, kết gia nhiệt sau thời gian 15 s với nhiệt độ ban đầu hai khuôn 40 0C, cho thấy nhiệt độ thời điểm T2 163,3°C, 156,9°C, 148.4°C với khoảng cách khuôn mẫu 1mm, 2mm, 3mm tương ứng Trong thí nghiệm cho thấy nhiệt độ thời điểm T2 sau 15s với gia nhiệt cảm ứng từ với “Ring Coil”, từ nhiệt độ ban đầu 40 ° C kết cho thấy rằng, nhiệt độ T2 166.5°C, 159.9°C, 152°C Như thông qua kết so sánh bảng 3.7 , hình 3.17, hình 3.18, nhiệt độ điểm T2 q trình thí nghiệm mơ sau 15s cho kết sai lệch không lớn Đồng thời qua kết ta kết luận phạm vi khoảng cách khuôn từ 1mm đến 3mm, trình giảm nhiệt độ từ 163,3°C xuống 148,4°C (mô phỏng) từ 166.5°C xuống 152°C (thí nghiệm) khơng có ý nghĩa nhiều.Vì vậy, ứng dụng thực tế khuôn phun ép nhựa, bên quấn cuộn dây cảm ứng nhiệt “Ring Coil” không bị ảnh hưởng đáng kể thay đổi khoảng cách khuôn từ 1mm đến mm - Kết luận: Khi khoảng cách khuôn (Mold Gap) lớn nhiệt độ bề mặt khn giảm  Khi số vòng “Ring Coil” thay đổi: 56 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP - Nhận xét: hình 3.21 cho thấy nhiệt độ điểm T2 thí nghiệm mô với thời gian gia nhiệt 15s Kết cho thấy với số vòng “Ring Coil” tăng nhiệt độ tăng theo Điều số vịng “Ring Coil” tăng lên, cường độ từ trường tăng lên, làm tăng nhiệt độ khuôn Trong mô sau 15s nhiệt độ điểm T2 đạt 116.3°C, 156.9°C, 202.7°C với số vòng 5, tương ứng Các kết thí nghiệm điểm T2 sau 15s 113.5°C, 159.9°C, 198.7°C tương ứng với số vòng 5, 7.Như điều cho ta thấy kết thí nghiệm mơ có sai lệch khơng q 5°C hình 3.22 cho thấy so sánh nhiệt độ thời điểm T1, T2 T3 sau 10s gia nhiệt Dựa kết này, nhiệt độ ba điểm phụ thuộc nhiều vào số vòng “ Ring Coil” Sự khác biệt nhiệt độ ba điểm trường hợp thay đổi từ 15°C đến 20°C, nhiệt độ cao đặt bên trái bên phải bề mặt khn, có tăng lên khu vực trung tâm bề mặt Khi số vòng tăng lên, hiệu ứng nhiệt tăng mạnh, đặc biệt bên trái bên phải khu vực trung tâm bề mặt khuôn Sự khác biệt quan sát thấy hình 3.23 - Kết luận: Khi số vòng “Ring Coil” tăng nhiệt độ bề mặt khn tăng  Khi khoảng cách vòng “Ring Coil” thay đổi: - Nhận xét: Hình 3.24 cho thấy nhiệt độ điểm T2 thí nghiệm mơ với thời gian gia nhiệt 15s, kết cho thấy với khoảng cách vòng “Ring Coil” tăng nhiệt độ giảm Vấn đề giải thích khoảng cách vịng “Ring Coil” tăng lên, cường độ từ trường giảm xuống, làm giảm nhiệt độ khuôn Trong mô sau 15s nhiệt độ điểm T2 đạt 134.6°C, 126.6°C, 108.1°C với khoảng cách vòng 18mm, 20mm 22mm tương ứng Các kết thí nghiệm điểm T2 sau 15s 136.8°C, 129.7°C, 111.2°C tương ứng với số vòng 18mm, 20mm 57 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 22mm Như điều cho ta thấy kết thí nghiệm mơ có sai lệch khơng đáng kể Hình 3.25 cho thấy so sánh nhiệt độ thời điểm T1, T2 T3 sau 10s gia nhiệt Dựa kết này, nhiệt độ ba điểm phụ thuộc nhiều vào khoảng cách vòng “ Ring Coil” Sự khác biệt nhiệt độ ba điểm trường hợp thay đổi từ 5°C đến 10°C Từ nhiệt độ điểm với hình ảnh phân bố nhiệt khn (hình 3.26) ta thấy nhiệt độ bề mặt khuôn giảm dần từ hai biên đến phần trung tâm khuôn - Kết luận: Khi khoảng cách vòng “Ring Coil” tăng nhiệt độ bề mặt khn giảm 4.2HƯỚNG PHÁT TRIỂN Thơng qua q trình nghiên cứu cuộn dây phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ, bên cạnh kết đạt được, hướng phát triển sau đề xuất: - Nghiên cứu trình gia nhiệt cảm ứng từ cho bề mặt khuôn phức tạp - Sử dụng cuộn dây gia nhiệt có tiết diện mặt cắt ngang hình trịn 58 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Tài liệu tham khảo J Callebaut, “Leonardo Energy – Power Quality Utilisation Guide” M C Jeng, S C Chen, P S Minh, J A Chang, C S Chung, Rapid mold temperature control in injection molding by using steam heating, International Communications in Heat and Mass Transfer 37(9) (2010) 1295-1304.[3] M C Yu, W B Young, P M Hsu, Micro injection molding with the infrared assisted heating system, Materials Science and Engineering A 460-461 (2007) 288-295.[7] P C Chang, S J Hwang, Simulation of infrared rapid surface heating for injection molding, International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (21-22) (2006) 3846-3854.[6] S C Chen, H M Li, S S Hwang, H H Wang, Passive mold temperature control by a hybrid filming-microcellular injection molding processing, International Communications in Heat and Mass Transfer 35 (7) (2008) 822827.[5] S C Chen, P S Minh, J A Chang, Gas-assisted mold temperature control for improving the quality of injection molded parts with fiber additives, International Communications in Heat and Mass Transfer 38 (3) (2011) 304312.[9] S C Chen, R D Chien, S H Lin, M C Lin, J.A Chang, Feasibility evaluation of gas-assisted heating for mold surface temperature control during injection molding process, International Communications in Heat and Mass Transfer 36 (8) (2009) 806-812.[8] S C Chen, Y C Wang, S C Liu, J C Cin, Mold temperature variation for assisting micro molding of DVD micro-featured substrate and dummy using pulsed-cooling, Sensors and Actuators A 151 (1) (2009) 87-93.[1] 59 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP S C Chen, Y Chang, Y P Chang, Y C Chen, C Y Tseng, Effect of cavity surface coating on mold temperature variation and the quality of injection molded parts, International Communications in Heat and Mass Transfer 36 (10) (2009) 1030-1035.[4] 10 S C Chen, Y W Lin, R D Chien, H M Li, Variable mold temperature to improve surface quality of microcellular injection molded parts using induction heating technology, Advances in Polymer Technology 27 (4) (2008) 224-232.[2] 11 S Zinn and S L Semiatin, “Element of Induction Heating Design, Control, and Application”, Electric Power Research Institute, Inc, Palo Alto, California, 185-187 (1987) 12 Efficiencies of Various Mold Surface Temperature Controls and Part Quality S.C Chen, J A Chang, W R Jong and Y P Chang 13 Rapid mold temperature variation for assisting the micro injection of high aspect ratio micro-feature parts using induction heating technology ShiaChung Chen, Wen-Ren Jong, Yaw-Jen Chang, Jen-An Chang and Jin-Chua Cin 14 Giáo trình “Cơng nghệ phun ép” PGS.TS Thái Thị Thu Hà 15 Giáo trình “nhiệt kỹ thuật” PGS.TS Nguyễn Bốn, PGS.TS Hoàng Ngọc Đồng 16 Tài liệu kỹ thuật Polyme 60 ... TẮT Đề tài ? ?Nghiên cứu phân bố nhiệt bề mặt khn q trình gia nhiệt cảm ứng từ với Ring Coil? ?? tìm hiểu phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ sử dụng dạng cuôn dây ? ?Ring Coil? ?? Cụ thể, người nghiên cứu tiến... vịng ? ?Ring Coil? ?? đến q trình gia nhiệt - Khảo sát phân bố nhiệt bề mặt khuôn âm dương với phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ sử dụng ? ?Ring Coil? ?? 1.4.2 Đối tượng nghiên cứu - Tấm khuôn - Ring Coil. .. lượng bề mặt? ?? hạn chế tốn nhiều chi phí qua trình gia cơng 1.4 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI – ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1.4.1 Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu phân bố nhiệt bề mặt khn q trình gia nhiệt cảm ứng từ với “Ring