Design concept for a CO2 vessel safety cooling system

Abstract

Kühlsysteme für Detektoren der künftigen Tracker Detektoren der ATLAS und CMS Experimente des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN werden vollständig auf CO2 Kühltechnologie basieren. Das Kühlsystem besteht aus einem zweistufigen transkritischen System und einem Niedertemperatur-Pumpenkreislauf, die beide mit CO2 betrieben werden. Um die thermischen Anforderungen zu erfüllen, wird ein CO₂-Tank als Systemerweiterung oberhalb des Experiments platziert, da der Platz unter der Erde begrenzt ist. Im Falle eines Ausfalls des Primärsystems muss ein Subsystem einspringen, um den Auslegungsdruck des Tankes aufrecht-zuerhalten. In dieser Arbeit wird die Leistung eines Aufbaus, einen handelsüblichen CO2 Verflüssigungssatzes beinhaltend, zum Betrieb eines Wärmetauschers mit deutlichem Höhenunterschied untersucht und die Eignung als redundantes Notkühlsystem. Es wurde eine umfassende Testkampagne durchgeführt, um die Fähigkeit des Systems zu bewerten, unterschiedliche Wärmelasten zu bewältigen. Die Ergebnisse bestätigen die Realisierbarkeit des vorgeschlagenen Notkühlsystems, und es werden Einblicke in seine künftige Umsetzung gegeben.

Detector cooling systems of the future tracking detectors of the ATLAS and CMS experiments at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN will be entirely based on CO2 refrigeration technology. The cooling system consists of a double-stage Transcritical system and a low temperature pumped loop, both operated by CO2. A storage vessel, located above the experiment accounts for the substantial amount liquid CO2 required, to fulfil the thermal constraints, due to limited space underground. In the event of a primary system failure, a sub-system must overtake to maintain the vessel’s design pressure. This work examines the performance of a setup, containing a commercial condensing unit, to operate a heat exchanger substantially elevated. The suitability as a redundant emergency cooling system is investigated. A comprehensive testing campaign was conducted to assess the system’s ability to handle varied heat loads. The findings confirm the viability of the proposed emergency cooling setup and insights to its future implementation are provided.