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Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 1 July, 2009 Status der CO 2 Kühlsystem Entwicklung für den CMS Pixel- und Streifen-Tracker Upgrade IEKP.

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Präsentation zum Thema: "Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 1 July, 2009 Status der CO 2 Kühlsystem Entwicklung für den CMS Pixel- und Streifen-Tracker Upgrade IEKP."—  Präsentation transkript:

1 Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 1 July, 2009 Status der CO 2 Kühlsystem Entwicklung für den CMS Pixel- und Streifen-Tracker Upgrade IEKP Meeting FZK

2 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

3 Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 3 July, 2009 Ziel CO 2 Kühlesysteme für CMS Tracker nach Vorbild des LHCb 3 kW Kühlsystems Geplant für: - CMS Pixel Upgrade mit ~3 kW, CMS Streifen Upgrade mit ~100 kW, 2017 Vorteile: -Sensortemperaturen von -30°C – 40°C -Verminderung der Kühlsystemstrahlungs- länge um ~90% (Querschnittsüberschlag)

4 Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 4 July, 2009 Vorteile von CO 2 -Hohe Verdampfungsenthalpie -Temperaturen von °C erreichbar -kaum Druckverlust in Röhrchen da geringe Viskosität (1/6 H 2 O) -gute Benetzung da niedrige Oberflächungspannung - Hoher CO 2 Druck im Zu- und Rückführungssystem von 70 bar bei 20°C und 50 bar bei 15°C Nachteile

5 Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 5 July, 2009 LHCb Kühlsystem Evaporator : VTCS temperature -25ºC Evaporator load Watt Complete passive Cooling plant: Sub cooled liquid CO 2 pumping CO 2 condensing to a R507a chiller CO 2 loop pressure control using a 2-phase accumulator Accessible and a friendly environment Inaccessible and a hostile environment R507a Chiller

6 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 CO 2 für Simulation -Druckabfallberechnung durch FH Esslingen -Skalierung auf 100 kW durch Simulation

7 Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 7 July, 2009 Basis Testaufbau am CERN Level P T<15C P<52 bar Damper 25 bar HEX Chiller CO2 heater pressure release P U-profiles with steel plate on top ca. 2x1 m2 SS table

8 Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 8 July, 2009 Erweiterter Testaufbau from chiller Damper 25 bar Accumulator 15 bar Refrigerator or isolated rack CO2 bottle(s) in refrigerator pressure release T<15C P<52 bar brazed Cu plates for contact cooling evaporator

9 Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 9 July, 2009 KA Test-Evaporator 1. isolation 2. Isolation (5cm styrodur) power supply for heaters glas- tube CO2 bottle P-reducer T-readout flowmeter manometer hybrid with heater and T-sensors tubes with T-sensors brackets

10 Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 10 July, 2009 Cooldown/Warmup input tube output tube hybrids hybrid center bracket frigerator cooldown warmup 60 min cooldown, ~6cm Styrodur Isolation: tubes bracket Sensor, ~0,1cm Abstand hybrid Sensoren, ~1,5cm Abstand hybrid center Sensor, ~3,5cm Abstand

11 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

12 Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 12 July, 2009 Flow-Regime ohne Gravitation Aufgrund der extrem niedrigen Viskosität und hohen Drücke des CO 2 sind bestehende Flow-Regime Modelle zu ungenau um Druckabfälle in einem 100 kW System mit 50 bar Druck zu berechnen. Mit CO 2 Flow-Regime-Maps parametriesierte Modelle sollten aber genau genug 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:

13 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 mm, Massengeschwindigkeiten kg/m 2 s, Wärmefluss kW/m 2 und Sätigungstemperaturen von -28 – +25°C

14 Mike Schmanau, Karlsruhe Institute of Technology 14 July, 2009 Erste Messungen in KA


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