Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 1 July , 2009

Status der CO2 Kühlsystem Entwicklung

für den CMS Pixel- und Streifen-Tracker Upgrade

IEKP Meeting FZK

Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 2 July , 2009

Kollaboration

Karlsruhe: - Wim de Boer- Mike Schmanau- Schäfers ?

CERN CRYO Gruppe:- Friedrich Haug- Steffan Grohman (FZK)- Hans Postema- …

FH Esslingen

Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 3 July , 2009

Ziel

CO2 Kühlesysteme für CMS Tracker nach Vorbild des LHCb 3 kW Kühlsystems

Geplant für:- CMS Pixel Upgrade mit ~3 kW, 2013- CMS Streifen Upgrade mit ~100 kW, 2017

Vorteile:- Sensortemperaturen von -30°C – 40°C- Verminderung der Kühlsystemstrahlungs- länge um ~90% (Querschnittsüberschlag)

Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 4 July , 2009

Vorteile von CO2

- Hohe Verdampfungsenthalpie - Temperaturen von -50 - +15°C

erreichbar- kaum Druckverlust in Röhrchen

da geringe Viskosität (1/6 H2O)- gute Benetzung da niedrige

Oberflächungspannung

- Hoher CO2 Druck im Zu- und Rückführungssystem von

70 bar bei 20°C und 50 bar bei 15°C

Nachteile

Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 5 July , 2009

LHCb Kühlsystem

2-phase

gas

R404a chiller

22

33

6677

11

88

44

2-phase2-phase

liquid liquid liquid

2-phaseC

onden

ser Evaporators

Concentric tubePump

Rest

rict

ion

AccumulatorCooling plant area

Transfer lines(~50m) VELO area

55

liquid

Evaporator :• VTCS temperature ≈ -25ºC• Evaporator load ≈ 0-1600 Watt• Complete passive

Cooling plant:• Sub cooled liquid CO2 pumping• CO2 condensing to a R507a

chiller• CO2 loop pressure control using

a 2-phase accumulator

Accessible and a friendly environment

Inaccessible and a hostile environment

R507aChiller

Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 6 July , 2009

Erste Schritte

LHCb System wird am CERN aufgebaut mit:- KA Chiller (von Tracker Integration)- KA Membranpumpe (Lewa)- KA HEX (Heat Exchanger)- KA Accumulator und Dumper Behälter (Swagelok, 3,8l)

Ziele:- Komponententest und -auswahl - Flow-Regime-Messung von CO2 für Simulation - Druckabfallberechnung durch FH Esslingen- Skalierung auf 100 kW durch Simulation

Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 7 July , 2009

Basis Testaufbau am CERN

300

700

150

Level P

T<

15C

P<

52 b

ar

Dam

per 25 b

ar

600

100

HE

X

Chiller

CO2

heater

pressure release

P

U-profiles with steel plate on topca. 2x1 m2

SS table

1

2

3

4

Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 8 July , 2009

Erweiterter Testaufbau

fromchiller

Dam

per 25 b

ar

Accu

mu

lator 15 bar

1 2 3

4

6

7

Refrigerator or isolated rackCO2 bottle(s) in refrigerator

pressure release

T<

15C

P<

52 b

ar

brazed Cu platesfor contact cooling

evaporator

Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 9 July , 2009

KA Test-Evaporator

1. isolation

2. Isolation (5cm styrodur)

power supplyfor heaters

glas- tube

CO

2 b

ott

le

P-reducer

T-readout

flowmeter

manometer

hybrid withheater andT-sensors

tubes withT-sensors

brackets

Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 10 July , 2009

Cooldown/Warmupinput tube

output tube

hybrids

hybrid center

bracket

frigerator

cooldown

warmup

60 min cooldown, ~6cm Styrodur Isolation:- 31,2°C @ tubes - 29,7°C @ bracket Sensor, ~0,1cm Abstand- 26,4°C @ hybrid Sensoren, ~1,5cm Abstand- 23,5°C @ hybrid center Sensor, ~3,5cm Abstand

Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 11 July , 2009

Flow-Regime unter Gravitation

Horiziontal: 1. Bubbly 2. Plug 3. Stratified 4. Semi slug 5. Wave stratified 6. Slug 7. Dispersed annular

Vertical: 1. Bubbly 2. Slug or Plug 3. Churn annular 4. Annular 5. Wispy annular

Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 12 July , 2009

Flow-Regime ohne Gravitation

Aufgrund der extrem niedrigen Viskosität und hohen Drücke des CO2 sind bestehende Flow-Regime Modelle zu ungenau um Druckabfälle ineinem 100 kW System mit 50 bar Druck zu berechnen. Mit CO2 Flow-Regime-Maps parametriesierte Modelle sollten aber genaugenug sein.

Jayawardena et al.Bubbly nach Slug Übergang:

Die dimensionlose Reynoldszahl beschreibt den Übergang von laminarer in turbulente Strömung für .

Reynoldszahl Gas/Flüssigkeit:

Suratmanzahl:Slug nach Annular Übergang:

Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 13 July , 2009

Messung durch Thome et al., EPFL

1-4 slug, 5 slug/annular, 6 annular

Röhrchen von 0.6 -10 mm, Massengeschwindigkeiten 50-1500 kg/m2s, Wärmefluss 1.8 - 46 kW/m2 und Sätigungstemperaturen von -28 – +25°C

Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 14 July , 2009

Erste Messungen in KA