Stage ai LNL-INFN

TEMA F

«TRASMISSIONE DEL CALORE AD ALTA TEMPERATURA»

A cura di Botter Nicola, De Vidi Luca, Ponchio Mattia, Vecchione Giacomo

Tutor Responsabile: Alberto AndrighettoTutor Collaboratori: Alberto Monetti, Massimo Rossignoli.

Metodi di trasmissione del caloreConduzione

𝑸𝑸 =𝝀𝝀 𝑨𝑨 𝜟𝜟𝑻𝑻 𝜟𝜟𝜟𝜟

𝒍𝒍

Convezione

𝑸𝑸 = 𝒉𝒉 𝑨𝑨 Δ𝑻𝑻 ∆𝜟𝜟

Irraggiamento

𝑸𝑸 = 𝝈𝝈 𝜺𝜺 𝑨𝑨 𝑻𝑻𝟒𝟒 ∆𝜟𝜟

Alberto Monetti05/12/2014

The SPES facility core:Target ion Source system & the Front End

3

Protons

RIB

Cyclotron

• A second generation ISOL facility for neutron-rich ion beams• The "Hope" of Laboratori Nazionali di Legnaro

50 m

CyclotronBuilding

SPES

FASCIO DI PROTONI

Camera di contenimento (p =

10-6 mbar)target

Elettrodo estrattore

Vcamera - Velettrodo = 40kV

Sorgente di Ionizzazione

linea di trasferimento

Corrente di linea (I Line)

riscaldatore

FASCIO RADIOATTIVO

IONE +

Target

Front-endSeparatorielettromagnetici

Fasciodi protoni

Sorgente di ionizzazione

Ciclotrone(sorgente primaria)

Post-acceleratoriEsperimenti

Target test bench

Pirometro a due colori

Pompa vuoto preliminare

Pompa vuoto turbomolecolare

Camera a vuoto

Target

Puntali in rame

Strumenti di misura

Multimetro (tester)

Pirometro a due colori

Termocoppia

Barometro

Termocamera

𝑇𝑇𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 =4

𝑇𝑇𝑐𝑐4 +ρ𝐼𝐼2

2π𝑟𝑟𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑠𝑠

1ɛ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖

+ 1 − ɛ𝑐𝑐ɛ𝑐𝑐

𝑟𝑟𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑟𝑟𝑐𝑐

σ2π𝑟𝑟𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖

𝑃𝑃 =σ𝐴𝐴 (𝑇𝑇𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖4 − 𝑇𝑇𝑐𝑐4)1ɛ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖

+ 1 − ɛ𝑐𝑐ɛ𝑐𝑐

𝑟𝑟𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑟𝑟𝑐𝑐

𝑃𝑃 =𝑙𝑙ρ𝐼𝐼2

2π𝑟𝑟𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑠𝑠

Esperimento n°1

r. camera = 15 cm = 1 cm

Effetto Joule

Irraggiamento

Potenza scambiata per irraggiamento tra due cilindri concentrici

Potenza dissipata per effetto Joule

Raccolta dati temperature del target

Corrente (A)Temperatura

(°C)100 147200 359300 621400 847500 1063600 1254700 1429800 1596900 1755976 1870

Misurazioni Temperature target (°C) con termocoppie

Corrente (A)Temperatura

(°C)100 /200 /300 /400 1100500 1295600 1463700 1610800 1740900 1875976 1950

Misurazioni Temperature target (°C) con pirometro

TERMOCOPPIE

Misurazione sperimentale temperature del Target

0

500

1000

1500

2000

2500

0 200 400 600 800 1000 1200

Tem

pera

tura

[°C]

Corrente [A]

TemperatureTermocopie

Temperaturepirometro

Termocoppie - grafite

• 2 misure diverse perché in 2 punti differenti• La temperatura del riscaldatore è correlabile a quella della scatola in grafite (misura possibile con fascio protonico)

Pirometro -riscaldatore

Dati relativi a misure analitiche, sperimentali e numeriche

Corrente (A) Temperatura (°C)

100 /

200 /

300 /

400 1100

500 1295

600 1463

700 1610

800 1740

900 1875

976 1950

Corrente (A) Temperatura (°C)

100 /

200 /

300 /

400 1105.8

500 1289.8

600 1453.9

700 1604.5

800 1744.7

900 1876.3

1000 2000.9

FEMCorrente [A] Temperatura [°C]

100 430.6

200 823.5

300 1051.2

400 1245.1

500 1418.2

600 1574.8

700 1722.1

800 1859.9

900 1990.6

976 2085.8

Formula Analitica

Confronto tra valori analitici e numerici, misure sperimentali

0

500

1000

1500

2000

2500

0 200 400 600 800 1000 1200

Tem

pera

tura

Risc

alda

tore

[°C]

Corrente [A]

Relazione tra Temperatura del riscaldatore ed intensità di corrente

Valori analitici per ɛ=0.2Dati sperimentaliValori FEM

• Misure sperimentali in perfetto accordo con quelle FEM• I valori analitici sono superiori di 100°C (errore inferiore al 5%)• La formula analitica è facilmente implementabile, mentre i calcoli FEM necessitano di giorni di preparazione e il

software è molto costoso (1 licenza: decine di migliaia di euro all’anno per un’azienda)

Esperimento n°2: misura della resistenza termica di contatto

𝑃𝑃 =λ 𝐴𝐴 ∆𝑇𝑇𝑙𝑙

𝑅𝑅𝑇𝑇𝑇𝑇 =∆𝑇𝑇𝑃𝑃

=𝑇𝑇𝑀𝑀𝑀𝑀𝑇𝑇𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 1 − 𝑇𝑇𝑀𝑀𝑀𝑀𝑇𝑇𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 2

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑇𝑇𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐴𝐴

P

P

TMATERIALE 1

TMATERIALE 2

POTENZA

POTENZA

• Necessaria la sua valutazione quando il flusso di calore è intenso• Dovuta alla non perfetta planarità delle superfici

Immagine dalla termocamera

MATERIALE 1

MATERIALE 2

Esperimento n°2: rame-alluminio

y = -187,5x + 42,762

y = -75,714x + 43,422

37

38

39

40

41

42

43

44

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035

Tem

pera

tura

[°C]

Posizione [m]

Relazione Posizione-Temperatura

ALLUMNIO

Rame

Valori aggiuntivi rame

Interfaccia

0,188

0,151

0,448

1,063

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Resis

tenz

a (°

C/W

)

Pressione [MPa]

Relazione Pressione-Resistenza

Rame-Alluminio

MATERIALE 1: RAME (caldo)MATERIALE 2: lega di ALLUMINIO (freddo)

La resistenza di contatto sembra lineare con la pressione di contatto tra i due materiali all’interfaccia

Interfaccia tra i due materiali

Esperimento n°2: grafite-alluminio

y = -402,86x + 54,129

y = -201,19x + 49,051

40

42

44

46

48

50

52

54

56

58

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035

Tem

pera

tura

[°C]

Posizione [m]

Esperimento con grafite e alluminio

Grafite

Alluminio

MATERIALE 1: GRAFITE (caldo)MATERIALE 2: lega di ALLUMINIO (freddo)

Interfaccia tra i due materiali

Conclusioni• Abbiamo verificato che i calcoli teorici della temperatura del target

corrispondono con buona approssimazione alle misurazioni. Inoltre il modello FEM rispecchia molto bene la realtà sperimentale: questo target è il prototipo del target di bassa potenza che si utilizzerà nel progetto SPES.

• Abbiamo calcolato la variazione della resistenza termica del rame e dell’alluminio al variare della pressione.

• Abbiamo verificato le conducibilità termica della grafite e dell’alluminio: questo valore verrà utilizzato nella verifica termica dei collimatori del fascio protonico nel progetto SPES.

Grazie per l’ascolto