Evoluzione della configurazione del canale di raffreddamento (stringa)

raffreddamento (stringa)

La stringa è concepita come un condotto di refrigerazione dei ledges, ai quali sono collegati termicamente i moduli e l’aria interna al volume del TIB. Lo scopo è contenere la temperatura dei rivelatori al silicio al di sotto del valore specificato per l’esercizio (-10°C). Nel presente paragrafo si descrivono gli studi che hanno portato ha scegliere la configurazione finale della stringa tra le varie analizzate.

4.2.1 Configurazioni provate

Il primo tubo, presente nella configurazione di base sviluppata presso l’INFN di Pisa, aveva un diametro esterno di 4 mm e spessore 0.5 mm perché le sue ampie dimensioni garantivano un’estesa area di contatto (scambio termico) sui ledges ed, al tempo stesso, una buona robustezza, utile nelle fasi di costruzione e formatura. Quando lo spessore dei moduli è stato aumentato, per il crescere delle dimensioni dei componenti elettronici installati, è stato ridotto il diametro del tubo per recuperare millimetri preziosi per garantire un montaggio sicuro dei moduli.

Si e’ provato quindi ad utilizzare un tubo di 3 mm di diametro esterno con spessore di 0.25 mm. Questo, però, poneva problemi durante la realizzazione delle piegature a causa dell’esiguo spessore e prove eseguite con questo tubo ne hanno sconsigliato a causa dell’estrema fragilità del manufatto.

Sono stati quindi realizzati dei circuiti di raffreddamento (stringhe) con il tubo da 3 mm a spessore maggiorato (0.35 mm) che hanno permesso di superare i problemi della versione precedente.

Infine si è scelto di adottare un tubo di diametro intermedio tra i precedenti, e cioè 3.5 mm, con uno spessore di 0.35 mm, per riuscire, anche con la schiacciatura del canale, a mantenere le perdite di carico entro i livelli stabiliti dalle specifiche. I risultati delle analisi sulle perdite di carico sono riportati nel paragrafo 4.2.2 seguente.

4.2.2 Valutazione delle portate necessarie e delle perdite

di carico nelle stringhe

In questo paragrafo sono riportate le caratteristiche idrauliche delle stringhe al variare della sezione dei tubi utilizzati. In particolare, vengono riportate le curve delle perdite di carico in funzione della portata, dopo aver determinato le portate necessarie per asportare il calore, sia nei moduli “single sided” che “double sided” con una differenza di temperatura del fluido prescelta (vedi Appendice A).

I parametri che sono stati presi a riferimento per lo sviluppo della stringa sono quelli riportati in Tabella 4.1 (estratti dalla Tabella 3.1) dove sono riportate tutte le limitazioni imposte al circuito idraulico.

Parametro

limitato Valore limite Motivo limitazione

Numero di Re >5000 Garantire un regime di flusso turbolento

V media nella stringa

<4 m/s Evitare fenomeni vibratori, ridurre l’erosione e la corrosione

? P cooling loop <5 atm Contenere gli spessori della struttura

?P stringa <4 atm Contenere possibili deformazioni

?T stringa <1°K mantenere le temperature uniformi nei moduli e nella struttura

Tabella 4.1Criteri di progetto della stringa

Assegnato il fluido refrigerante con le sue proprietà fisiche, si sono quindi calcolate le portate, le velocità nei condotti, ecc., confrontando i valori ottenuti con i dati sperimentali raccolti in seguito ed illustrati nel paragrafo 4.4. Il foglio di calcolo

utilizzato è stato realizzato con Mathcad ed e’ riportato nell’Appendice A. Esso utilizza in ingresso i dati del “cooling loop” in esame (numero di stringhe, moduli “single sided” o “double sided”, descrizione geometrica della stringa e della sezione del canale, salto termico nella stringa) e calcola le cadute di pressione per ogni tratto di condotto ed il coefficiente di scambio termico medio all’interno della stringa.

Sempre utilizzando questo programma si può eseguire il confronto tra l’andamento sperimentale delle perdite di carico e quello teorico in funzione della portata (calcolate usando le correlazioni di Colburn [8] per le perdite di carico distribuite e quelle riportate in [19] per quelle concentrate). Per fare questo è necessario interpolare i dati sperimentali (ricavati come descritto nel paragrafo 7.1) con un polinomio di secondo grado. In Figura 4.2 e Figura 4.3 sono confrontati gli andamenti calcolati dal modello con quelli sperimentali per le stringhe con diametro rispettivamente 3 e 3.5 mm. In entrambi i casi si vede che il calcolo analitico sovrastima, con un errore inferiore a pochi punti percentuali, le perdite di carico in tutto l’intervallo di portate di interesse.

Perdite di carico stringa con tubo 3*0.35.

0 1 2 3 4 5 6 0 10 20 30 40 50 60 Portata l/h

Perdita di carico atm

sperimentale teorica

Perdie di carico stringa con tubo 3.5*0.35 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 10 20 30 40 50 60 Portata l/h

Perdita di carico atm

sperimentale teorica

Figura 4.3 Confronto degli andamenti teorico e sperimentale delle perdite di carico con tubo 3.5x0.35

Questo può essere imputabile all’uso di una correlazione per tubi rettangolari nella valutazione delle perdite di carico concentrate nelle curve: la sezione reale del canale ha angoli molto arrotondati e potrebbe generare meno turbolenza, e di conseguenza un minore attrito.

Nelle Tabella 4.2 e Tabella 4.3 sono riportati, insieme ai limiti di progetto, i dati calcolati, relativi a due condizioni di portata: minima e massima rispettivamente da utilizzare negli strati “single sided” e “double sided” ricavati dall’Appendice A ed indicano la portata necessaria ad ogni stringa per il raffreddamento ottimale dei rispettivi moduli installati. I valori contrassegnati in rosso sono quelli che non rispettano i limiti specificati.

Ai requisiti richiesti della specifica si è anche aggiunto il valore del coefficiente di scambio termico interno al condotto in modo da avere una più diretta percezione delle prestazioni termiche delle varie soluzioni.

Stringa con tubo 3*0.35 schiacciato (1.8mm*3.6mm) Parametro

limitato Valore limite

Min flow (SS) 29.93 l/h Max flow (DS) 48,3 l/h Numero di Re >5000 5000* 8030 V media nella stringa <4 m/s 2.5 m/s 4.02 m/s

? P cooling loop <5 atm 2.4 atm 5.7 atm ?P stringa <4 atm 1.8 atm 4.26 atm

? T stringa <1°K 0.5°K 1°K

H D-B W/m2*K >1600 1764 2560

H Gn. W/m2*K >1600 1603 2643

*La portata è stata aumentata rispetto al valore necessario per avere il salto termico massimo(1°K) per soddisfare questa condizione.

Per i coefficienti di scambio termico le indicazioni D-B e Gn indicano la correlazione utilizzata per il calcolo: Ditus-Boelter [8] e Gnielinsky [20] rispettivamente.

Come appare dai dati della Tabella 4.2 il valore della caduta di pressione (portata) necessaria per garantire un aumento di temperatura di un solo grado centigrado negli strati “double sided” è superiore a quella specificata. Un risultato migliore in termini di perdite di carico si e’ ottenuto con le stringhe realizzate con il tubo da 3.5mm, vedi Tabella 4.3, che permettono anche ampi margini per le regolazioni in fase di calibrazione ed esercizio.

In collaborazione con il gruppo di progettisti meccanici si è riusciti ad utilizzare un tubo con diametro esterno maggiore (3.5 mm): modificando la sede dei ledges e schiacciando il tubo si riesce ad avere gli stessi ingombri radiali del tubo da 3 mm.

Stringa con tubo 3.5*0.35 schiacciato (1.9mm*4.55mm) Parametro

limitato Valore limite

Min flow (SS) 21.58 l/h Max flow (DS) 48,3 l/h Re number >5000 5287 11400 V media nella stringa <4 m/s 1.35 m/s 2.9 m/s

? P cooling loop <5 atm 0.99 atm 3.94 atm

?P stringa <4 atm 0.60 atm 2.15 atm

? T stringa <1°K 0.82°K 1°K

H D-B

W/m2*K >1600 1608* 2972

H Gn.

W/m2*K >1600 1823 3937

* La portata è stata aumentata rispetto al valore necessario per avere il salto termico massimo(1°K) per soddisfare questa condizione.

Tabella 4.3 Dati per stringa da 3.5mm*0.35mm a sezione schiacciata

In questa ottica è stato anche riconsiderato l’uso del tubo da 4 mm ma, dopo la schiacciatura a 1.9 mm, l’altra dimensione ottenuta eccede la dimensione massima accettabile. Questa ipotesi è stata quindi nuovamente scartata.

Per rendere la produzione più omogenea si è deciso di utilizzare il medesimo tubo sia per gli strati “single sided” che per quelli “double sided”, anche se i primi potrebbero utilizzare anche i tubi più piccoli, Tabella 4.2.

Il tubo utilizzato nella stringa finale sarà quello da 3.5 mm perché rappresenta il miglior compromesso sotto il profilo idraulico e meccanico, con una quantità di materiale minore di quella iniziale del tubo da 4 mm.

Una stringa realizzata con il tubo finale è stata poi installata nell’apparecchiatura dell’INFN di Pisa per eseguire le prove di raffreddamento di un modulo “single sided” (vedi Capitolo 6).