Status der CO2 Kühlsystem Entwicklung für den CMS Pixel- und Streifen-Tracker Upgrade IEKP Meeting FZK

Kollaboration Karlsruhe: CERN CRYO Gruppe: FH Esslingen - Wim de Boer Mike Schmanau Schäfers ? CERN CRYO Gruppe: Friedrich Haug Steffan Grohman (FZK) Hans Postema … FH Esslingen

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)

Vorteile von CO2 Nachteile Hohe Verdampfungsenthalpie Temperaturen von -50 - +15°C erreichbar kaum Druckverlust in Röhrchen da geringe Viskosität (1/6 H2O) gute Benetzung da niedrige Oberflächungspannung Nachteile - Hoher CO2 Druck im Zu- und Rückführungssystem von 70 bar bei 20°C und 50 bar bei 15°C

LHCb Kühlsystem CO 2 Evaporator : Cooling plant: 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 R507a Chiller CO 2

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

Basis Testaufbau am CERN 300 700 150 Level P T<15C P<52 bar Damper 25 bar 600 100 HEX Chiller CO2 heater pressure release U-profiles with steel plate on top ca. 2x1 m2 SS table 1 2 3 4

Erweiterter Testaufbau from chiller Damper 25 bar Accumulator 15 bar 1 2 3 4 6 7 Refrigerator or isolated rack CO2 bottle(s) in refrigerator pressure release T<15C P<52 bar brazed Cu plates for contact cooling evaporator

KA Test-Evaporator hybrid with heater and T-sensors tubes with brackets 1. isolation 2. Isolation (5cm styrodur) power supply for heaters CO2 bottle P-reducer T-readout flowmeter manometer glas- tube

Cooldown/Warmup 60 min cooldown, ~6cm Styrodur Isolation: cooldown input tube output tube warmup hybrid center hybrids frigerator bracket 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

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

Flow-Regime ohne Gravitation Die dimensionlose Reynoldszahl beschreibt den Übergang von laminarer in turbulente Strömung für . Jayawardena et al. Bubbly nach Slug Übergang: Reynoldszahl Gas/Flüssigkeit: Slug nach Annular Übergang: Suratmanzahl: Aufgrund der extrem niedrigen Viskosität und hohen Drücke des CO2 sind bestehende Flow-Regime Modelle zu ungenau um Druckabfälle in einem 100 kW System mit 50 bar Druck zu berechnen. Mit CO2 Flow-Regime-Maps parametriesierte Modelle sollten aber genau genug sein.

Messung durch Thome et al., EPFL Röhrchen von 0.6 -10 mm, Massengeschwindigkeiten 50-1500 kg/m2s, Wärmefluss 1.8 - 46 kW/m2 und Sätigungstemperaturen von -28 – +25°C 1-4 slug, 5 slug/annular, 6 annular

Erste Messungen in KA