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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