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TRASMISSIONE DEL CALORE IN

VUOTO E AD ALTA TEMPERATURA

1

Tutor Responsabile: Alberto

Andrighetto Tutor Collaboratori: Alberto

Monetti, Massimo Rossignoli

Stagisti: Bianco Nicola, Bolla

Marina, Maltese Marco, Torassa Luca

Stage ai LNL - Edizione 2015 -

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1. Progetto SPES: Introduzione

Progetto SPES

(Selective Production of Exotic Spieces)

Il principale obbiettivo del progetto SPES è accelerare fasci “esotici” composti di nuclei ricchi di neutroni lontani dalla valle di stabilità.

L’acceleratore primario è un Ciclotrone commerciale che produce un fascio di 750 uA arrivato da poco ai Laboratori

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1. Il cuore del progetto SPES: il sistema Target-Sorgente

3

P = 10-5 mbar Tcamera = 25°C

T dischi UCx = 2200°C

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1. Progetto SPES: Front End

4

ion source

complex

beam optics

subsystem

diagnostic

subsystem 1

Wien filter

subsystem

diagnostic

subsystem 2

Riceve il fascio protonico, alloggia la camera target e accelera i fasci di ioni radioattivi

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2. Metodi Trasmissione del Calore: Conduzione

CONDUZIONE

Metodo di trasmissione del calore che coinvolge solidi oppure fluidi fermi

Q: Calore trasmesso [W] k: Conducibilità termica [W/(m*K)] ΔT: Variazione di temperatura (Tc-Tf) [°C o K] A: Superficie di trasmissione del calore [m2] L: Distanza tra le superfici [m]

Q= 𝑘 Δ𝑇 𝐴

𝐿

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2. Metodi Trasmissione del Calore: Convezione

CONVEZIONE

Metodo di trasmissione di calore che coinvolge i fluidi

Il fluido entra in circolo (moto convettivo) che porta il calore dal corpo con T maggiore a quello con T inferiore

Q = α A ΔT

Q: Calore trasmesso [W] α: Coefficiene di convezione [W/(m2*K)] A: Superficie a contatto con il fluido [m2] ΔT: Variazione di temperatura (Tc-Tf) [°C o K]

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2. Metodi Trasmissione del Calore: Irraggiamento

IRRAGGIAMENTO

Metodo di trasmissione del calore per mezzo di onde elettromagnetiche Non prevede contatto

diretto e non necessita di un mezzo per propagarsi

Si propaga anche nel vuoto (es. Sole)

Q = ε σ S T4

Q: Calore trasmesso [W] ε: Emissività [ ] – dipende da materiale e superficie

σ: Costante di Stefan Boltzmann = 5.67E-08 [W/(m2*K4)] S: Superficie del corpo [m2] T: Temperatura [K]

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PIROMETRO

BICROMATICO

Misura la temperatura indipendentemente

dall’emissività dell’oggetto

3. Strumenti Misura: Pirometro Bicromatico e a filamento

PIROMETRO A

FILAMENTO

Si scalda un filamento di W portandolo alla stessa temperatura dell’oggetto

Quando il filamento “sparisce” si legge la

temperatura

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3. Strumenti Misura: termocamera e termocoppia

TERMOCAMERA

A SCANSIONE ELETTRONICA

La termocamera è composta da un array di

sensori sensibili alla radiazione infrarossa che

rilevano la temperatura mediante una

scansione elettronica

TERMOCOPPIA

La termocoppia è un trasduttore che utilizza l’effetto

termoelettrico Seebek per

misurare la temperatura

Costituita da una coppia di

conduttori elettrici uniti in un punto

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4.Calcolo e misura della resistenza di contatto: Descrizione test bench

Esperimento con Termocoppia

Calcolare la resistenza di contatto tra le superfici del tantalio e del nitruro di boro.

La termocoppia viene

inserita negli appositi

fori per misurare la

temperatura

relativamente alla

distanza dalla barra di

tantalio

La barra di tantalio

viene riscaldata per

effetto Joule (come

una stufa elettrica) il

calore viene poi

trasmesso al BN per

conduzione e

all’ambiente per

convezione e

irraggiamento

BN

Ta

Corrente

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4.Calcolo e misura della resistenza di contatto: Acquisizione dati

sperimentali e calcoli analitici

All’aumentare della distanza tra il foro del Ta e dei fori del

BN la temperatura decresce: calcolo calore di conduzione

L’interfaccia tra il Tantalio e il Nitruro di Boro sono a due

diverse temperature e permettono di calcolare la

resistenza di contatto

Diminuendo la compressione della molla la resistenza di

contatto dovrebbe diminuire

Y

X

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

100 200 300 400

Resis

tenza,

R [°C

/W]

Temperatura, T [°C]

Resistenza di contatto

32 mm

34 mm

R=∆𝑇

𝑄

conduzione

Q= 𝑘 Δ𝑇 𝐴

𝐿

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4 VALUTAZIONE TEMPERATURA DELLA HOT CAVITY

Esperimento con Pirometro bicromatico

Montaggio Target Lavaggio componenti del Target

Chiusura e creazione del vuoto (10-6 mbar)

Componenti in Tantalio

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4.1 MISURE SPERIMENTALI

Rilevamento sperimentale della temperatura nei punti scelti lungo la

superficie esterna della hot cavity e transfer line al variare della corrente

imposta.

Pos (mm) 150 A 200 A 250 A

15 1297.5 1655.833 1951.417

42 1333.833 1574.333 1806.75

60 1293.75 1519.083 1719.667

79 1233.5 1470.333 1669.917

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4.2 FEM (FINITE ELMET MODEL)

Modello CAD disegno componenti e assemblaggio mediante software 3D.

Modello elementi finiti Discretizzazione del modello CAD in elementi sui quali nodi

vengono risolte le equazioni termiche. Imponendo le condizioni al contorno (corrente,

potenziale a massa) otteniamo il campo di temperature in tutti i volumi considerati.

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4.3 CONFRONTO DATI FEM

Pos (mm) 150 A 200 A 250 A fem(150A)fem(200A)fem(250A)

15 1297.5 1655.833 1951.417 1832.1 1485.8 1120.2

42 1333.833 1574.333 1806.75 1688.3 1488.1 1220.9

60 1293.75 1519.083 1719.667 1714.4 1512.7 1250.3

79 1233.5 1470.333 1669.917 1676.2 1475.2 1216.6

• Temperatura ≈

costante lungo tutta

la linea di

trasferimento.

• All’ aumentare della

corrente fornita, il

contatto tra griglia e

hot cavity migliora

grazie alle T più

elevate (saldatura

componenti).

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4.4 POTENZA DEL SISTEMA E DISPERSIONE

PUNTALE

I (A) VP = 10 (V) VP = 20 (V) VP = 30 (V) Media [V]

150 1.85 1.84 1.84 1.84

200 2.81 2.81 2.82 2.81

250 3.88 3.88 3.89 3.88

ALIMENTATORE

I (A) VA = 10 (V) VA = 20 (V) VA = 30 (V) Media [V]

150.00 2.62 2.36 2.33 2.44

200.00 3.61 3.53 3.63 3.59

250.00 4.85 4.76 4.85 4.82

POTENZA DISPERSA NEI CAVI = (ΔV ALIMENTATORE - ΔV PUNTALE) * I

I (A) P 10 (W) P 20 (W) P 30 (W) Media [W]

150.00 115.50 78.00 73.50 89.00

200.00 160.00 144.00 162.00 155.33

250.00 242.50 220.00 240.00 234.17

POTENZA= ΔV PUNTALE * I

I (A) P 10 (W) P 20 (W) P 30 (W) Media [W]

150.00 277.50 276.00 276.00 276.50

200.00 562.00 562.00 564.00 562.67

250.00 970.00 970.00 972.50 970.83

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5 RILEVAMENTO T DELLA CAMERA IN PUNTI STABILITI

Esperimento con Termocamera

Lavaggio componenti del Target in rame e tantalio

Montaggio componenti

Chiusura e creazione del vuoto (10-6 mbar)

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5.1 DESCRIZIONE TEST BENCH

Raggiungimento della corrente desiderata con conseguenti foto della camera

attraverso la termocamera.

MARCATORI

1. Sottili e incollati in equilibrio termico con la camera.

2. Emissività controllata dei marcatori (ε = 0.93).

3. Misurando la T dei marcatori (camera) non si ha l’influenza dell’energia ambiente riflessa

dalla camera.

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5.2 ANALI DATI: CAMERA FRONTALE e LATERALE

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150 200 250 300

Tem

pera

tura

, T

[°C

]

Posizione,X [mm]

Temperatura Sulla Superficie Laterale Della Camera

I = 0 A I = 200 A I = 350A I = 500A

x

1 2 3 4 5 6 7

Conduzione

Conduzione

Irraggiamento Convezione

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5.3 CONFRONTO DATI SPERIMENTALI E ANALITICI

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 100 200 300 400 500 600

Tem

pera

tura

, T

[°c]

Corrente, I [A]

Confronto Temperaure

T reali T teoriche

Ipotesi modello implementato:

1. No conduzione

2. Irraggiamento verso corpo nero a temperatura di 25°C

3. Convezione con coefficiente di α = 6 Wm-2K-1 con aria a T = 25°C

PC + PI = PJ

PC : calore convezione

PI : calore irraggiamento

PJ : calore eff.Joule

α∙2πr ∙(T-Ta) + σ ∙ ε ∙(T4-Ta4) ∙ 2πr = ρ/A ∙ I2

α: coefficiente di convezione [W/m2K] A: Superficie [m2]

r: raggio [m] I: corrente [A]

T : T ambiente [K] ε: emissività

Ta : T camera [K] σ: costante di Stefan-Bolzman

Convezione Irraggiamento Effetto Joule

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6.Valutazione sperimentale e teorica Temperatura Target

Rivelazione temperatura in 3 punti

prestabiliti con Pirometro a filamento e

bicromatico

. C

B . A .

Riscaldatore in

Tantalio

Schermo esterno

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6.Valutazione sperimentale e teorica della Hot Cavity: formule e

calcoli analitici

P = R I 2 P = L 𝜌

2 𝜋 𝑟1

𝑆 I 2

q1 = 𝜎 𝐴

1 (𝑇

14−𝑇

24)

1

𝜀1

+ 1 − 𝜀

2

𝜀2

( 𝑟

1

𝑟2

)

q2 = 𝜎 𝐴2 (𝑇2

4−𝑇34)

1

𝜀2

+ 1 − 𝜀

3

𝜀3

( 𝑟

2

𝑟3

)

T1 = [ 1

𝜀1

+1−𝜀

2

𝜀2

𝑟

1

𝑟2

𝑞

𝜎𝐴1

+ 𝑇24

4

T2 = [ 1

𝜀2

+1−𝜀

3

𝜀3

𝑟

2

𝑟3

𝑞

𝜎𝐴2

+ 𝑇34

4

P = q1 = q2

Riscaldatore:

r1, A1, ε1, T1 Schermo:

r2, A2, ε2, T2

Camera: r3, ε3, T3 r raggio

A superficie

ε emissività

T temperatura

σ costante di S.B.

L lunghezza

q potenza

ρ resistività

s spessore del riscaldatore Camera raffreddata ε3, T3 fissi

P

Effetto Joule

Irraggiamento

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6.Valutazione sperimentale e teorica della Hot Cavity: Punto A

A .

Temperatura dello schermo esterno della

sorgente nel punto A

PUNTO A

I T filo T ottico T2 ana.

300 777 * 1017.989

400 970.75 * 1203.16

500 1540.75 1118.25 1408.582

600 1206 1266.25 1558.842

700 1351.75 1381.25 1704.331

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6.Valutazione sperimentale e teorica della Hot Cavity: Punto B

Temperatura del riscaldatore nel punto B

. B

NB! Con il Pirometro a filo si compie

una misurazione più affidabile

PUNTO B

I T filo T ottico T1 ana.

300 1089 1003.5 1359.108

400 1342.25 1188 1593.791

500 1540.75 1351.5 1849.074

600 1717.75 1505.5 2018.357

700 1945 1640.5 2257.532

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6.Valutazione sperimentale e teorica della Hot Cavity: Punto C

Temperatura dello schermo esterno della

sorgente nel punto C

. C

PUNTO C

I T filo T ottico T2 ana.

300 742 * 1017.989

400 923.5 * 1203.16

500 1050.25 1058.5 1408.582

600 1235 1168.25 1558.842

700 1276.25 1380 1704.331

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6.Temperatura dei cavi

q convezione + q irraggiamento = P elettrica

α S L (T - Ta) + σ ε (T4 – Ta4) S L = L ρ𝐴 I 2

α coefficiente di convezione (dell’aria)

S circonferenza del filo

T Temperatura (incognita)

Ta Temperatura ambiente

σ costante di S.B.

ε emissività

ρ conduttività

I intensità di corrente

A sezione del filo

I T Cavo 4 T Cavo 2 T Cavo a T teo

300 38.2 40.6 33.9 32.7

400 40.5 46.7 35.3 39.2

500 48.9 57.4 36.1 47.3

600 56.4 66.1 39.9 56.8

700 61.4 81.5 37.1 67.4

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Conclusioni e Ringraziamenti

Ringraziamo per l’attenzione

Un ringraziamento speciale ai tutors e a tutto lo

Staff dell’INFN LNL