trasmissione del calore in vuoto e ad alta...
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Gruppo F 26/06/2015
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