Numerical studies of new geometries for chemical vapour infiltration reactors

Carbon/Carbon composite materials are synthesized through the Chemical Vapour Infiltration (CVI) process. Products made of this material have high performance in hot environment. A typical application for this type of material is the production of break disks for aircrafts and race cars. Preforms of disks are stacked into a reactor, in which methane fluxes. Methane decompose in a pyrolytic process and decomposition products infiltrate the preform. The core of the process is the reactor: it provides the thermodynamic conditions for the hydrocarbon pyrolysis and the infiltrations of decomposition products inside preforms. In this thesis new geometries are proposed for this type of reactor, to improve the quality of final products. The analysis starts from the Anlage G, which is the existing CVI reactor used by Brembo S.p.A.: previous studies on this reactor shows that the quality of disks is not uniform in the chamber. The goal of the thesis is to study geometrical modifications and their impact on the performance of the reactor. For this purpose an existing numerical framework has been adopted, the numerical model was developed and validated in a previous MSC Thesis. The framework includes two tools, corresponding to two steps in the simulation process: the first is a Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis of the reactor, results obtained from this step provide the boundary conditions for the second step: the CVI process. Three geometries are analyzed in this work. The first geometry is the basic configuration of the Anlage G, the two other geometries were developed starting from this baseline geometry: the first configuration uses baffles to modify the internal geometry, the second one instead is obtained re-shaping internal walls of the reactor. The CFD and densification simulations shows that simple modifications of the geometry can improve performances of the reactor. Less recirculation in the chamber leads to a much more uniform density and quality of products.

Tramite il processo di Chemical Vapour Infiltration (CVI) è possibile sintetizzare materiali compositi carbonio/carbonio. I prodotti realizzati con questo materiale hanno ottime prestazioni meccaniche ad alte temperature. Un'applicazione tipica è la produzione di dischi dei freni per aeromobili e macchine da corsa. Le preforme dei dischi da trattare vengono impilate all'interno di un reattore nel quale viene fatto flussare del metano. Il metano si decompone in un processo di pirolisi ed i prodotti si infiltrano nella matrice carboniosa, aumentandone la densità. Il cuore del processo è il reattore: esso deve garantire le condizioni termodinamiche per la pirolisi dell'idrocarburo e l'infiltrazione dei prodotti di pirolisi nelle preforme. In questa tesi sono proposte nuove geometrie per questo tipo di reattore, con lo scopo di migliorare la qualità del prodotto finale. L'analisi parte dal reattore reale usato da Brembo S.p.A. nel suo processo, l'Anlage G: precedenti studi su questo reattore mostrano che la qualità del prodotto non è uniforme nella camera. Lo scopo di questa tesi è di studiare l'impatto di modifiche geometriche sulle performance del reattore. Per questo scopo è stato usato un modello numerico già convalidato in un precedente Tesi Magistrale. Il modello numerico si compone di due fasi: la prima fase è una analisi in fluidodinamica computazionale (CFD) del reattore, i risultati ottenuti forniscono le condizioni al contorno per il secondo step, l'analisi CVI. In questo lavoro verranno analizzate tre configurazioni: per prima verrà analizzata la configurazione di partenza dell'Anlage G, successivamente altre due geometrie sono state sviluppate a partire da questa configurazione base: la prima è stata creata inserendo delle paratie all'interno della camera, la seconda è ottenuta modificando il profilo delle pareti del reattore. L'analisi CFD e di densificazione mostrano che semplici modifiche geometriche possono incrementare le prestazioni del reattore, riducendo i ricircoli nella camera è possibile ottenere una densità ed una qualità del prodotto uniforme all'interno del reattore.