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Untersuchung der Eigenschaften einesCO2-Kuhlsystems fur das Upgrade des

CMS-Spurdetektors

von

Franziska Scholz

Bachelorarbeit in Physik

vorgelegt der

Fakultat fur Mathematik, Informatik und

Naturwissenschaften der RWTH Aachen

im

August 2012

angefertigt im

I. Physikalischen Institut B

bei

Prof. Dr. Lutz Feld

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 5

2 Das CMS-Experiment am LHC 6

3 Das CO2-Kuhlsystem 8

3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.1.1 Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.1.2 Stromungslehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.3 Abhangigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4 Die Benutzersoftware des CO2-Kuhlsystems 21

4.1 Die Benutzeroberflache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.2 Modifikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

5 Dryout-Messung an einem Rohr 25

5.1 Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.2 Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

6 Messung mit vier parallelen Rohren 29

6.1 Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.2 Erste Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.3 Untersuchung der einzelnen Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

6.4 Messungen im Grenzbereich zum Dryout . . . . . . . . . . . . . . . . 33

7 Zusammenfassung 38

A Anhang 39

3

1 Einleitung

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein zweiphasiges CO2-Kuhlsystem fur das Upgradedes CMS-Experiments am Large Hadron Collider (LHC) am Europaischen Kernfor-schungszentrum CERN untersucht. Im Laufe der nachsten Jahre wird die instan-tane Luminositat des LHC stufenweise erhoht, zunachst von 1 · 1034 cm−2 s−1 auf2 · 1034 cm−2 s−1 und schließlich auf 5 · 1034 cm−2 s−1. Fur diese erhohten instanta-nen Luminositaten und den damit erhohten Teilchenraten ist das aktuelle Tracker-System nicht ausgelegt. Hinzu kommt, dass die Lebensdauer des Detektors aufGrund von Strahlenschaden begrenzt ist. Beim Pixeldetektor ist diese Lebensdauernach einigen Jahren und beim Streifendetektor nach 10 Jahren erreicht. Aus diesenGrunden ist es notig, ein neues Tracker-System fur den CMS-Detektor zu entwi-ckeln. Arbeitsgruppen uberall auf der Welt forschen an unterschiedlichen Projekten,um das neue Tracker-System zu entwickeln, zu testen und zu optimieren. Das ersteUpgrade ist fur 2016/17 geplant. Hierbei soll der komplette Pixeldetektor ausge-tauscht werden. In einem zweiten Upgrade nach 2020 soll auch der Streifendetektorgewechselt werden. Bei diesen Upgrades soll desweiteren die Kuhlung der Elementeoptimiert werden, d.h. es soll mit moglichst wenig Material eine moglichst effek-tive Kuhlung erreicht werden. Daher wurde im Rahmen eines fruheren Projektesvon Prof. Lutz Feld und Jennifer Merz ein zweiphasiges CO2-Kuhlsystem aufgebaut[1]. Der Vorteil einer zweiphasigen Kuhlung gegenuber der zur Zeit verwendeteneinphasigen Kuhlung liegt darin, dass der Phasenubergang von flussig nach gasfor-mig zur Kuhlung genutzt wird. Dadurch kann bei geringerer Masse des Kuhlmittelsmehr Warme abgefuhrt werden. Außerdem sind bei Verwendung von CO2 geringereRohrdurchmesser moglich, sodass insgesamt weniger Material benotigt wird.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Ablaufe im System zu verstehen und Aussagenuber den sicheren Betrieb treffen zu konnen.

Zunachst folgt in Abschnitt 2 ein kurzer Uberblick zum CMS-Experiment. Im An-schluss daran wird in Kapitel 3 das Prinzip erklart, nach welchem das betrachteteSystem funktioniert, und diskutiert, welche Vorteile eine CO2-Kuhlung gegenuberanderen Kuhlsystemen hat. Die relevanten theoretischen Hintergrunde werden er-lautert und das betrachtete Setup im Detail beschrieben. Desweiteren wird in Ab-schnitt 4 die zur Messung verwendete Software erlautert, welche ebenfalls wahrenddes vorangegangenen Projekts entwickelt und im Rahmen dieser Arbeit weiter op-timiert wurde. Die nachsten beiden Kapitel beschaftigen sich mit den Messungenzum Verhalten des Systems. Zunachst soll herausgefunden werden, wann das Sys-tem nicht mehr in der Lage ist, die aufgebrachte Warmelast abzutransportieren. Istdies der Fall, befindet sich das System im sogenannte Dryout (vgl. Abschnitt 5). InAbschnitt 6 wird untersucht, wie sich die parallele Nutzung von vier Rohren auf dieKuhlleistung des Systems auswirkt.

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2 Das CMS-Experiment am LHC

Das CMS-Experiment [2] ist eines der vier Experimente am LHC [3] am Europai-schen Kernforschungszentrum CERN. Der LHC ist der weltgroßte Teilchenbeschleu-niger und setzt somit neue Maßstabe in der Teilchenphysik. Bei der Kollision vonProtonen mit Protonen sollen Schwerpunktsenergien von bis zu 14 TeV und eineLuminositat von 5 · 1034 cm−2 s−1 erreicht werden.

Der CMS Detektor ist schalenformig aufgebaut (vgl. Abbildung 2.1). Im Innerenbefindet sich der Tracker bzw. Spurdetektor. Dieser wird von dem elektromagneti-schen Kalorimeter (ECAL) und dem hadronischen Kalorimeter (HCAL) umgeben.Außerhalb der Kalorimeter befindet sich eine supraleitende Spule, welche im gesam-ten Detektor ein Magnetfeld von ca. 3, 8 T erzeugt. Die Myonkammern bilden dieaußerste Schicht des Detektors.

Abbildung 2.1: Skizze des CMS Detektors. In beige ist der Siliziumpixel- und Sili-ziumstreifendetektor gezeigt, in grun das ECAL sowie in gelb das HCAL. Die Spuleist in grau dargestellt und die Myonkammern in weiß [4].

Fur die vorliegende Arbeit von besonderem Interesse ist der Tracker bzw. Spurdetek-tor. Dieser wiederum ist unterteilt in den Siliziumpixel- und Siliziumstreifendetektor.Der Pixeldetektor umschließt direkt das Strahlrohr und somit den Primarvertex undhat eine besonders hohe Ortsauflosung. Er besteht aus drei Lagen von Siliziumpi-xelmodulen mit einer Pixelgroße von 100µm × 150µm und 2 Endkappen (Disks)pro Seite. Der Streifendetektor umschließt den Pixeldetektor. Er besteht aus 10Barrel-Lagen und 9+3 Scheiben. Die Streifengroße betragt ca. 15 cm× 100µm. DerSpurdetektor dient zum Nachweis geladener Teilchen. Durch das Magnetfeld bewe-gen sich die Teilchen auf kreisformigen Bahnen, wodurch ihre Ladung und ihr Impulsbestimmt werden konnen.

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Dieser Tracker muss gekuhlt werden, da zum einen durch elektrische Verluste War-me entsteht, welche abgefuhrt werden muss. Zum anderen entwickeln die Silizium-sensoren durch Bestrahlung Warme durch den Leckstrom. Dieser hangt wiederumexponentiell von der Temperatur der Sensoren ab. Ohne Kuhlung kommt es dem-nach zu einer positiven Ruckkopplung, dem sog. thermal runaway. Aktuell wird zurKuhlung ein einphasiges Kuhlsystem mit C6F14 als Kuhlmittel verwendet.

Im Laufe der kommenden Jahre wird es mehrere Upgrades des CMS Detektors ge-ben, da die Luminositat schrittweise auf 5 · 1034 cm−2 s−1 erhoht werden soll. Beihoher instantaner Luminositat werden die Auslesechips der Pixelmodule sehr inef-fektiv und mussen daher ausgetauscht werden. Dieses erste Upgrade ist fur 2016/17geplant. Im Rahmen dieses Upgrades soll auch die Kuhlung des Pixeldetektors aus-getauscht werden, um deren Effizienz zu erhohen und das benotigte Material zureduzieren. Eine Reduktion des Materials ist erwunscht, da die bei der Kollisionentstandenen Teilchen mit Materie wechselwirken. Die hierbei auftretenden Effekteverfalschen jedoch das Messergebnis, falls sie nicht direkt aus dem ECAL oder HCALstammen, und sollen daher minimiert werden. Anstelle des einphasigen Systems mitC6F14 soll eine zweiphasige CO2-Kuhlung nach dem Vorbild der Kuhlung des LHCb-Experiments [5][6] eingebaut werden. Ein solches CO2-System soll ebenfalls zur Kuh-lung des Streifendetektors verwendet werden, welcher bei einem weiteren Upgradenach 2020 ausgetauscht werden soll.

Die Eigenschaften einer solchen CO2-Kuhlung werden im Rahmen dieser Arbeituntersucht.

7

3 Das CO2-Kuhlsystem

Eine zweiphasige Kuhlung hat gegenuber einer einphasigen Kuhlung den großen Vor-teil, dass der Phasenubergang von flussig nach gasformig zum Abfuhren der Warmegenutzt wird, wodurch bei gleicher Masse des verwendeten Kuhlmittels eine deut-lich großere Warmemenge abgefuhrt werden kann. Die Verdampfungsenthalpie vonCO2 bei −20 ◦C betragt 282 J/g. Der große Vorteil von CO2 besteht darin, dasses im Vergleich zu den bisher genutzten Systemen moglich wird, deutlich dunne-re Rohre zu verwenden. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass der Dampfdruckvon CO2 (ca. 20 bar bei −20 ◦C) vergleichsweise hoch ist, sodass das Volumen desverdampften CO2 gering bleibt, da dieses stark komprimiert wird. Zudem ist derDruckverlust uber dem Rohr von nur wenigen bar klein gegenuber dem Dampfdruckim System, sodass ein stabiler Betrieb moglich wird. Um die thermische Leistungverschiedener Kuhlmittel zu vergleichen, muss man zwei unterschiedliche Effekte be-trachten. Die thermische Leistung ist zum einen abhangig von dem Temperaturgra-dienten entlang des Rohres und zum anderen vom Temperaturgradienten zwischenRohrwand und flussigem Kuhlmittel, welcher vom Warmeubergangskoeffizienten ab-hangt. Diese Großen konnen je nach Geometrie der Rohre stark variieren. Um den-noch einen Vergleich zu ermoglichen, wird im CERN-Courier in dem Artikel ”CO2cooling is getting hot in high-energy physics” von Bart Verlaat [7] fur eine beispiel-hafte Konfiguration eines 1 m langen Rohres mit einer Warmelast von 500 W undeinem Gasanteil von 50% bei einer Temperatur von −20 ◦C die auf das Volumenbezogene Warmeubergangsleitung fur unterschiedliche Rohrdurchmesser betrachtet(vgl. Abbildung 3.1). Hier ist der Vorteil von CO2 gegenuber anderen Kuhlmittelninsbesondere bei kleinen Rohrdurchmessern klar zu erkennen. Darum ist eine CO2-Kuhlung fur die Zukunft die bevorzugte Wahl. Hinzu kommt, dass CO2 im Vergleichzu dem zur Zeit verwendeten Kuhlmittel C6F14 um etwa einen Faktor 100 gunstigerist.

3.1 Grundlagen

3.1.1 Thermodynamik

Im Folgenden werden zunachst die fur das betrachtete System grundlegenden ther-modynamischen Phanomene erlautert.

Der Phasenubergang flussig-gasformig von CO2 wird durch die Dampfdruckkurve,die in Abbildung 3.2 gezeigt ist, beschrieben. Einer Temperatur T entspricht alsogerade der Druck P (T ) und umgekehrt entspricht einem Druck P eine TemperaturT (P ). Zu einer vorgegebenen Temperatur stellt sich demnach im thermodynami-schen Gleichgewicht der sogenannte Dampfdruck ein [8].

Da die Kuhlung uber den Phasenubergang von flussig nach gasformig erfolgen soll,muss das CO2 zu Beginn der Kuhlung genau an dieser Phasengrenze vorliegen. Diesentspricht einem CO2-Gasanteil von 0 %. Man definiert die sog. vapour quality x,welche eben diesen Gasanteil bezogen auf das Volumen des CO2 angibt. Zu Beginnder Kuhlung gilt folglich x = 0. Die zugefuhrte Warme wird durch Verdampfen eines

8

Abbildung 3.1: Kuhleffizienz verschiedener Kuhlmittel abhangig vom Rohrdurch-messer [7].

Carbon Dioxide: Temperature - Pressure Diagram

Saturation Line

Sublimation Line

Melting Line

0.1

1.0

10.0

100.0

1000.0

10000.0

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50Temperature, °C

Pres

sure

, bar

Drawn with CO2Tab V1.0

Copyright © 1999 ChemicaLogic Corporation

Triple Point

Critical Point

Solid Liquid

Vapor

Abbildung 3.2: Phasendiagramm von CO2. Die Dampfdruckkurve ist in blau ge-zeichnet [9].

9

Abbildung 3.3: Druck-Enthalpie-Diagramm von CO2. Die blauen durchgezogenenLinien entsprechen jeweils einer konstanten Temperatur, die grunen gestrichelten Lini-en einer konstanten Dichte und die roten gepunkteten Linien einer konstanten Entro-pie. Unter der dicken schwarzen Linie befindet sich der Koexistenzbereich zwischen derflussigen und der gasformigen Phase, die dunnen schwarzen Linien gehoren zu einerkonstanten vapour quality [9].

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Teils des CO2 abgefuhrt, wodurch die vapour quality ansteigt. Die maximal abfuhr-bare Leistung ergibt sich aus der Verdampfungsenthalpie. Abbildung 3.3 zeigt dasDruck-Enthalpie-Diagramm von CO2. Bei Eintritt in den Detektor befindet sich dasCO2 am Punkt 0 im Druck-Enthalpie-Diagramm, welcher x = 0 entspricht. Wirdein Teil des CO2 verdampft, bewegt man sich auf der zur jeweiligen Temperaturgehorenden Kurve nach rechts, d.h. die Enthalpie nimmt bei konstantem Druck zu.Ist das gesamte CO2 verdampft, gilt x = 1 und eine Warmeabfuhr durch Verdamp-fen ist nicht mehr moglich. Punkt 2 im Druck-Enthalpie-Diagramm ist erreicht. DieDifferenz der Enthalpie an den Punkten 0 und 2 entspricht gerade der Verdamp-fungsenthalpie H. Die durch Verdampfen des gesamten CO2 abfuhrbare LeistungPcool berechnet sich durch

Pcool = Hφ,

wobei φ der Fluss bzw. der Massenstrom des CO2 im System ist. Es gilt

φ = m = Avρ, (1)

wobei A der durchflossene Rohrquerschnitt und v die Stromungsgeschwindigkeit ist.Wird nicht das gesamte CO2 verdampft, sondern endet der Prozess beispielsweiseam Punkt 1, ergibt sich die entsprechende Enthalpiedifferenz ∆H = H1 − H0 ausdem Produkt der vapour quality x an der betreffenden Stelle mit der Verdampfungs-enthalpie H. Fur die abfuhrbare Leistung gilt somit allgemein

Pcool = ∆Hφ (2)

= xHφ. (3)

Da die Verdampfungsenthalpie von CO2 bei gegebener Temperatur konstant ist,hangt die maximal abfuhrbare Leistung Pcool vom Fluss φ ab. Bei konstanter Leis-tung und Verringerung des Flusses steigt die vapour quality x. Ist der Fluss hochgenug, kann die gesamte zugefuhrte Warme abgefuhrt werden und die Temperaturder Rohre bleibt konstant. Wird der Fluss zu klein und damit der Gasanteil zugroß, kann es vorkommen, dass die Rohrwand nicht mehr mit Flussigkeit benetztist. In diesem Fall kann die Warme nicht mehr abgefuhrt werden und es kommt zumsogenannten Dryout (vgl. Abschnitt 5).

3.1.2 Stromungslehre

Um die Eigenschaften des untersuchten Systems zu verstehen, ist die Kenntnisgrundlegender Zusammenhange der Stromungslehre wichtig. Diese werden im Fol-genden dargelegt. Das CO2 fließt durch sehr dunne Rohre und wird zur Kuhlungteilweise verdampft. Deshalb sind die verschiedenen Abhangigkeiten des Rohrwider-standes und das Verhalten des Flusses in verschiedenen Situationen von grundlegen-der Bedeutung.

Der Fluss φ (vgl. Formel (1)) ist uber die Stromungsgeschwindigkeit v abhangig vom

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Rohrwiderstand R. Fur diesen gilt:

Rl ∼l

d4 laminare Stromung

Rt ∼l

d5 turbulente Stromung

wobei l die Rohrlange und d der Rohrdurchmesser ist. Im System bilden sich je nachvapour quality x verschiedene Stromungsformen aus, welche jedoch alle turbulentsind. Der Rohrwiderstand R steigt zudem mit der vapour quality x. Der resultierendeFluss φ ist umso kleiner je großer der Rohrwiderstand R ist.

Desweiteren kommt es bei Rohrstromungen zu einem Druckverlust ∆p durch innereReibung oder Wandreibung etc. Es gilt:

∆p = Rlφ/ρ laminare Stromung (4)

∆p = Rtφ2/ρ2 turbulente Stromung (5)

Schaltet man mehrere Rohre parallel zueinander gilt:

1√Rges

=∑

i

1√Ri

Gesamtwiderstand

φges =∑

i

φi Gesamtvolumenstrom

∆pges = ∆p1 = . . . = ∆pn Gesamtdruckverlust

3.2 Setup

Der Aufbau des verwendeten CO2-Kuhlsystems ist in Abbildung 3.4 gezeigt.

Im Wesentlichen besteht das System aus zwei externen Kuhlmaschinen, einem Aus-gleichsbehalter, zwei Warmetauschern, einer CO2-Pumpe und vier parallelen Roh-ren, welche spater den Detektor kuhlen sollen. Das CO2 wird in Abbildung 3.4bentgegen dem Uhrzeigersinn durch das System gepumpt.

Die Detektorrohre bestehen aus Edelstahl und die Lange eines Rohres betragt etwa525 cm. Die Rohre haben einen Innendurchmesser von 1, 7 mm sowie einen Außen-durchmesser von 2 mm. Um die Warmeabgabe der Detektorelemente zu simulieren,wird homogen uber das gesamte Rohr eine bestimmte Leistung zugefuhrt. Dazu wirdmit Hilfe von Netzgeraten1 eine Spannung an die Rohre angelegt. In der Mitte desRohres wird der Pluspol und am Anfang und Ende der Rohre Masse angelegt, so-dass durch das gesamte Rohr in etwa der gleiche Strom fließt. Auf den Rohren sindinsgesamt 36 Thermistoren2 befestigt, welche die Temperatur der Rohraußenwandmessen (vgl. Abbildung 3.5b). Die Thermistoren wurden im Rahmen des fruheren

1Manson SPS-9602 Schaltnetzteil210K3 MBD1 von Telemeter Elektronik (Artikel 29379)

12

(a)

(b)

Abbildung 3.4: Setup der CO2-Kuhlung: (a) zeigt das System in der Anfangsphasedes Aufbaus (ca. 2008) vor der thermischen Isolation der einzelnen Elemente aus zweiverschiedenen Perspektiven. (b) zeigt eine schematische Skizze des Systems.

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(a)

(b)

Abbildung 3.5: Detektorrohre: (a) zeigt ein Foto der Detektorrohre in der Alumini-umbox, (b) eine detaillierte Skizze der vier Detektorrohre. Es sind die Thermistorensamt Abstanden eingezeichnet sowie die Position des Pluspols und der Masse.

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Projektes durch Jennifer Merz kalibriert. Zur Auslese wird ein Multimeter3 verwen-det. Desweiteren befinden sich am Anfang und am Ende der Rohre jeweils Ventile,sodass einzelne Rohre gesperrt oder geoffnet werden konnen und so die Rohre aucheinzeln verwendbar sind.

Das System wurde so entwickelt, dass die Temperatur und somit der Druck im Aus-gleichsbehalter4 vorgegeben wird. Die Temperatur des flussigen CO2 im Ausgleichs-behalter kann durch die Kuhlmaschine Uni85 eingestellt werden. Im Ausgleichsbe-halter muss sich bei Betrieb zu jeder Zeit sowohl flussiges als auch gasformiges CO2befinden, sodass sich der jeweilige Dampfdruck einstellen kann, wodurch der Druckund damit auch die Temperatur des flussigen CO2 im System vorgegeben ist. Durchden Druckverlust ∆paußen uber die Rohre im Kuhlkreislauf stellt sich am Ende derDetektorrohre ein etwas hoherer Druck und damit eine etwas hohere Temperaturein als die am Ausgleichsbehalter eingestellte Temperatur. Zudem ergibt sich durchden Druckverlust ∆pRohre uber die Detektorrohre eine gewisse Temperaturdifferenzzwischen Anfang und Ende der Detektorrohre (vgl. Abbildung 3.6), sodass TA > TE

ist.

Mittels mehrerer Drucksensoren6 kann der Druckabfall im System beobachtet wer-den. Die Drucksensoren sind jeweils an den in Abbildung 3.4b mit 2, 3, 5 und 6bezeichneten Stellen eingebaut. Zudem kann die Druckdifferenz ∆pRohre zwischenAnfang und Ende der Detektorrohre mit Hilfe eines Differenzdruckmessers7 gemes-sen werden.

Eine Fullstandssonde8 zeigt an, ob ausreichend CO2 im Ausgleichsbehalter ist.

Da die CO2-Pumpe9 nur flussiges CO2 fordern kann, wird dieses durch den Warme-tauscher 210, welcher mit der Kuhlmaschine Uni711 temperiert wird, soweit gekuhlt,dass sich eine Temperaturdifferenz von mindestens 15 ◦C zum Ausgleichsbehalterergibt. Die Temperatur des CO2 wird folglich bei konstantem, durch den Ausgleichs-behalter vorgegebenen, Druck verringert, was im Phasendiagramm (Abbildung 3.3)einer Verschiebung nach links und damit in den Bereich der flussigen Phase ent-spricht.

Die CO2-Pumpe ist drehzahlgesteuert, wodurch sich je nach Bedingungen im System,d.h. je nach Widerstand der Rohre, ein bestimmter Fluss einstellt. Je nach Situationmuss die Drehzahl entsprechend angepasst werden. Die Pumpe baut einen Druck auf,welcher im weiteren Verlauf des Systems wieder abgebaut werden muss. Der erzeugteFluss wird mit einem Massendurchflussmesser12 gemessen. Es ist wichtig, bei starkenTemperaturanderungen den Nullpunkt des Flussmessers neu einzustellen.

3Keithley 27004Swagelok 304LHDF4-1Gal5Huber Unistat 815 Umwalzthermostat6Smart Pressure Transmitter APC-2000ALW von Aplisen7Smart Differential Pressure Transmitter APR-2000ALW von Aplisen8Kapazitives Fullstandsmesssystem KFS-1-500-365-PEEK-VA-3/4” von Rechner Sensors9GATHER 1MX-X/12-11/X-SS/S/Q/K200/HDT/DS2D50

10Plattenwarmetauscher B16DWx8/1P-SC-U von SWEP11Huber Unistat 815 Umwalzthermostat12Rheonik RHM015, RHE 07

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Hinter der CO2-Pumpe ist ein Filter eingebaut, der den Abrieb der Zahnrader derPumpe auffangt. An diesem Filter fallt der Großteil des von der CO2-Pumpe aufge-bauten Druckes ab.

Abbildung 3.6: Skizze der Druckabhangigkeiten im System. ∆pRohre ist der Druck-abfall uber die Detektorrohre, ∆pPumpe ist die Druckdifferenz, welche durch die CO2-Pumpe aufgebaut wird, und ∆pFilter ist der Druckverlust uber den Filter. ∆paußen

ist der Druckabfall zwischen Ende der Detektorrohre und dem Ausgleichsbehalter. pA

und TA sind der Druck bzw. die Temperatur am Anfang der Rohre, pE und TE sindder Druck bzw. die Temperatur am Ende der Rohre. Die Druckdifferenz zwischendem Ausgleichsbehalter und dem Anfang der Detektorrohre entspricht in etwa demDruckabfall uber die Detektorrohre.

Das System ist so konzipiert, dass das CO2 am Anfang der Detektorrohre genauan der Phasengrenze zwischen flussig und gasformig vorliegt. Dies entspricht einervapour quality von x = 0. Wird auf die Detektorrohre eine Warmelast aufgebracht,wird diese sofort durch den Phasenubergang des CO2 von flussig nach gasformig,d.h. durch Verdampfen des CO2, abgefuhrt. Hierbei steigt wie oben beschrieben derGasanteil des CO2. Folglich weist das CO2 am Ende der Detektorrohre eine je nachSituation unterschiedlich hohe vapour quality x auf. Im weiteren Kuhlkreislauf mussdas CO2 kondensiert werden, um wieder die Ausgangssituation an der Phasengrenzezu erreichen. Zudem muss das kalte CO2, welches aus der Pumpe kommt, auf dieTemperatur des Ausgleichsbehalters erwarmt werden. Hierzu dient der Warmetau-scher 113, ein Gegenlaufkuhler, durch den sowohl das kalte, zum Detektor hinflie-ßende CO2 als auch das teils gasformige, vom Detektor abfließende CO2 geleitetwird. Somit kann die bei der Kondensation frei werdende Energie zur Erwarmungdes kalten CO2 genutzt werden.

13Plattenwarmetauscher von Alfa Laval Europe GmbH AXP10-10H-F

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Um den Warmeeintrag aus der Umgebung zu minimieren, befinden sich die De-tektorrohre in einer Aluminiumbox, in der wahrend der Kuhlung Vakuum mittelseiner Vakuumpumpe14 erzeugt wird, wodurch es nicht zu Konvektion kommen kann.Zudem kann die Vakuumpumpe auch das System evakuieren. Hierzu muss der An-schluss der Vakuumpumpe gewechselt werden. Desweiteren ist es durch eingebauteVentile (vgl. Abbildung 3.4b) moglich, nur einzelne Teile des Systems, genauer nurdie vier Rohre bzw. nur den Kuhlkreislauf, zu evakuieren. Vakuum im System zuerzeugen ist notig, wenn dieses vollstandig geleert wurde. In diesem Fall muss dasSystem, bevor es wieder gefullt wird, evakuiert werden. Erst dann kann neues CO2einfullt werden.

An drei Stellen im System wurden Berstscheiben15 eingebaut, um das System vorSchaden durch Uberdruck zu schutzen.

Außerdem sind am Ein- und Ausgang der Detektorrohre Schauglaser16 eingebaut,sodass das fließende CO2 beobachtet werden kann.

Um die Temperatur im System zu kontrollieren, sind an einigen Stellen Thermistoreninstalliert. Diese System-Thermistoren befinden sich am Ausgleichsbehalter, vor undhinter dem Warmetauscher 2, hinter der CO2-Pumpe, hinter dem Warmetauscher 1,am Ein- und Ausgang der Detektorrohre sowie von den Detektorrohren aus gesehenvor dem Warmetauscher 1.

Abschließend soll nun der Weg betrachtet werden, den das System im Druck-Enthal-pie-Diagramm durchlauft (vgl. Abbildung 3.7). Hierbei werden die Druckverlusteuber Leitungen im Kuhlsystem und den Detektorrohren vernachlassigt. Das Systemlauft bei einer Temperatur des flussigen CO2 von −20◦C. An Position 1 herrscht derdurch den Ausgleichsbehalter vorgegebene Druck. Die Temperatur des CO2 wurdedurch den Warmetauscher 2 verringert. Durch die CO2-Pumpe wird der Druck beikonstanter Temperatur erhoht, sodass sich das System am Punkt 2 befindet. AmFilter fallt nun der aufgebaute Druck wieder ab (Position 3). Durch den Warme-tauscher 1 wird das CO2 erwarmt und somit an die Phasengrenze flussig-gasformiggebracht. Das System befindet sich nun an Position 4. In den Detektorrohren wirddas CO2 verdampft und die Enthalpie steigt (Punkt 5). Durch den Warmetauscher1 wird nun ein Teil des gasformigen CO2 kondensiert, wodurch die Enthalpie unddamit die vapour quality sinkt und sich das System am Punkt 6 befindet. Im War-metauscher 2 wird das CO2 jetzt wieder abgekuhlt, sodass das System zuruck zuPunkt 1 gelangt und der Kreislauf erneut beginnt.

3.3 Abhangigkeiten

In diesem Kapitel werden die Abhangigkeiten der verschiedenen Großen voneinandererlautert.

In Tabelle 3.1 wird zunachst eine Ubersicht uber die verschiedenen relevanten Ab-hangigkeiten gegeben. Hierbei ist

14Pfeiffer UNO 30M15bis 100 bar16N912 von KSA

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Abbildung 3.7: Weg des Systems im Druck-Enthalpie-Diagramm [9]. Die entspre-chenden Punkte sind in Abbildung 3.4b eingezeichnet.

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• R der Rohrwiderstand,

• φ der Fluss,

• x die vapour quality,

• ∆p die Druckdifferenz zwischen Anfang und Ende der Detektorrohre,

• P0 die zugefuhrte Leistung,

• d der Rohrdurchmesser,

• l die Rohrlange,

• U die Drehzahl der Pumpe und

• TE die Temperatur am Ende der Detektorrohre.

R↗ φ↗ x↗ ∆paußen ↗ P0 ↗ d↗ l↗ U ↗R ↗ ↗ ↘ ↗φ ↘ ↘ ↘ ↗ ↘ ↗x ↘ ↗

∆pPumpe ↗ ↗ ↗∆pRohre ↗ ↗ ↗∆paußen ↗ ↗ ↗TE ↗

Tabelle 3.1: Ubersicht der verschiedenen Abhangigkeiten im System. Hierbei steht↗ fur einen Anstieg der entsprechenden Große und ↘ fur einen Abfall.

Allgemein muss zwischen Situationen mit konstantem Rohrwiderstand und mit va-riierendem Rohrwiderstand unterschieden werden. Der Rohrwiderstand eines einzel-nen Detektorrohres hangt vom Rohrdurchmesser sowie der Rohrlange ab. Variierendiese beiden Großen nicht, ist der Rohrwiderstand uber alle Detektorrohre abhangigvon der Anzahl der offenen Rohre sowie der zugefuhrten Leistung und somit dervapour quality. Je mehr Rohre offen sind, desto geringer wird der gesamte Rohrwi-derstand. Je großer die zugefuhrte Leistung ist, desto großer ist die vapour qualityund desto großer ist der Rohrwiderstand.

Ist der Rohrwiderstand konstant, steigt der Fluss ausschließlich bei Erhohung derDrehzahl der CO2-Pumpe. Durch Erhohung des Flusses sinkt bei konstanter zuge-fuhrter Leistung die vapour quality.

Wird der Rohrwiderstand bei konstanter Drehzahl großer, so stellt sich ein geringererFluss in den Rohren ein. Das heißt, wenn eine hohere Leistung zugefuhrt wird, sinktder Fluss.

Der Druckabfall uber die Detektorrohre wird maßgeblich durch die Druckdifferenzbestimmt, welche von der CO2-Pumpe aufgebaut wird. Am Filter fallt zwar einGroßteil dieser Druckdifferenz ab, der Druckabfall am Filter kann jedoch als kon-stant angenommen werden, sodass eine Anderung in der Druckdifferenz uber der

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Pumpe einer Anderung des Druckabfalls uber den Detektorrohren entspricht (vgl.Abbildung 3.6). Die Kennlinie der CO2-Pumpe zeigt die relevanten Abhangigkeiten(vgl. Abbildung 3.8).

Abbildung 3.8: Kennlinie der CO2-Pumpe.

Die Kurven bei konstantem R folgen aus Formel (5). Die Kennlinie zeigt erneut,dass der Fluss bei konstanter Drehzahl und großerem Rohrwiderstand kleiner wird.Außerdem steigt in diesem Fall die Druckdifferenz uber der CO2-Pumpe. Bei kon-stantem Rohrwiderstand und steigender Drehzahl steigen sowohl der Fluss als auchder Druckverlust.

Die Temperatur am Ende der Detektorrohre ist umso hoher, je großer die Druckdif-ferenz zum Ausgleichsbehalter ist.

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4 Die Benutzersoftware des CO2-Kuhlsystems

In diesem Abschnitt wird die Benutzersoftware zur Steuerung und Auslese des CO2-Systems beschrieben.

Die Software wurde von Jennifer Merz im Rahmen eines fruheren Projektes entwi-ckelt und durch mich im Rahmen dieser Arbeit an einigen Stellen modifiziert. ZurUmsetzung wurde LabView [10] verwendet. Die Kuhlmaschinen, die CO2-Pumpeund die Netzgerate werden direkt uber den Computer angesteuert. Die Thermis-toren sowie die angelegte Spannung und der resultierende Strom werden mit Hilfedes Multimeters ausgelesen. Die weiteren Großen werden direkt von den jeweiligenGeraten ausgelesen.

Es werden folgende Großen von der Software aufgenommen:

• Temperatur der Thermistoren auf den Rohren

• Temperatur der System-Thermistoren

• Drehzahl der CO2-Pumpe

• Fluss φ im System

• Druck an den verschiedenen Stellen im System

• Druckdifferenz ∆p zwischen Anfang und Ende der Rohre

• Spannung und Strom auf den Rohren

• Zugefuhrte Leistung

Alle Messwerte werden in verschiedenen Textdateien gespeichert, die zur spaterenAuswertung verwendet werden konnen.

4.1 Die Benutzeroberflache

Durch die Software konnen die Parameter des Systems eingestellt und ausgelesenwerden. Die Abbildung 4.1 und 4.2 zeigen die Benutzeroberflache. Der untere Bereichist der Systemskizze aus Abbildung 3.4b nachempfunden, sodass die verschiedenenBedien- und Anzeigeelemente leicht zuzuordnen sind. Im oberen Bereich werden dieverschiedenen gemessenen Großen in Diagrammen visualisiert.

Im rechten Bereich in Abbildung 4.1 konnen die Großen eingestellt bzw. ausgelesenwerden, die direkt mit den Detektorrohren verknupft sind. Die Temperatur der Ther-mistoren auf den Rohren wird im unteren Bereich angezeigt. Fur jedes Rohr gibtes einen eigenen Reiter. Der zu einem Thermistor gehorende Kanal CHx wird zurbesseren Ubersicht ebenfalls angezeigt. Im oberen Bereich werden die gemessenenWerte der Temperatur gegen den Messpunkt und damit gegen die Zeit aufgetragen,sodass der Temperaturverlauf beobachtet werden kann. Zudem lasst sich die Leis-tung einstellen, die auf die Rohre aufgebracht werden soll. Jedes Rohr wird durch ein

21

Abbildung 4.1: Benutzeroberflache zur Steuerung der CO2-Kuhlung.

22

Abbildung 4.2: Bereich fur Grundeinstellungen.

23

anderes Netzgerat PSx angesteuert. Der entsprechende Parameter zu einer bestimm-ten Leistung muss der Tabelle A.1 im Anhang entnommen werden. Die angelegteSpannung und der resultierende Strom auf den einzelnen Rohren wird ebenfalls ge-messen und gemeinsam mit der berechneten Leistung auf dem Reiter des jeweiligenRohres angezeigt.

Der linke Bereich in Abbildung 4.1 dient zur Ansteuerung und Kontrolle des Kuhl-kreislaufs. Es kann die Temperatur der beiden externen Kuhlmaschinen sowie dieDrehzahl der Pumpe eingestellt werden. Zudem werden zur Kontrolle die interngemessenen, aktuellen Werte angezeigt. Neben der aktuellen Drehzahl der Pumpewird der gemessene Fluss ausgegeben. Desweiteren wird an mehreren Stellen im Sys-tem die Temperatur gemessen. Diese Werte konnen an den entsprechenden Stellender Skizze abgelesen werden. Auch hier werden im oberen Bereich die gemessenenWerte gegen den Messpunkt, d.h. gegen die Zeit aufgetragen. Hierdurch lasst sichinsbesondere der Verlauf des Flusses beobachten.

In Abbildung 4.2 ist der Teil der Software gezeigt, in der ausschließlich Grundeinstel-lungen vorgenommen werden, sodass dieser Bereich nicht zur eigentlichen Messungbenotigt wird. Hier werden beispielsweise die Kanale angegeben, welche vom Multi-meter ausgelesen werden sollen.

4.2 Modifikationen

In der ursprunglichen Version der Software wurden die Messwerte einmal pro Mi-nute ausgelesen, wodurch ein starker Anstieg der Temperatur im Falle des Dryouts(vgl. Abschnitt 5) teilweise nur sehr verzogert registriert werden konnte. Aus diesemGrund war die Gefahr des Uberhitzens der Rohre sehr groß.

Um diese Gefahr zu minimieren, wurde die Auslesezeit im Rahmen dieser Arbeitauf ca. 12 Sekunden reduziert. Hierbei war darauf zu achten, dass das Rauschen derMesswerte nicht zu stark wird. Je kurzer die Zeit zwischen 2 Messpunkten ist, destogeringer ist die Zahl der Werte, uber die das Multimeter intern mittelt, wodurch sichdas Rauschen vergroßert. Bei einer Auslesezeit von 12 Sekunden wurde ein optimalesVerhaltnis zwischen Auslesegeschwindigkeit und Rauschen erreicht.

Zudem wurde die Software um eine Sicherheitsabfrage erweitert. Sobald eine vom Be-nutzer einstellbare Temperatur uberschritten ist, wird demnach die angelegte Span-nung auf allen Rohren auf Null gesetzt, sodass keine Leistung mehr abgefuhrt werdenmuss und die Temperatur wieder sinkt. Außerdem leuchtet eine große, rote Warn-leuchte auf und dem Benutzer wird mitgeteilt, dass ein Thermistor uberhitzt ist.Anderenfalls ist die Leuchte aus und es wird Alles OK angezeigt (vgl. Abbildung 4.1,rot umrandet).

24

5 Dryout-Messung an einem Rohr

Bei dieser Messung geht es darum, herauszufinden, wann die zugefuhrte Warme nichtmehr abgefuhrt werden kann, d.h. das sogenannte Dryout einsetzt. Dieser Fall wirdzunachst fur ein System mit nur einem Rohr im Detektor betrachtet. Zur Messungwurde Rohr 1 verwendet. Die parallele Nutzung von vier Rohren wird in Abschnitt 6untersucht.

5.1 Theorie

Unter Dryout versteht man den Effekt, dass die Rohrinnenwand gewissermaßen aus-getrocknet ist und somit die zugefuhrte Leistung nicht mehr abgefuhrt werden kann.Dieser Fall tritt ein, wenn der Fluss in den Detektorrohren zu gering wird und damitder Gasanteil, d.h. die vapour quality x, einen bestimmten Grenzwert xDry erreicht.Wird zu viel CO2 verdampft, bilden sich Blasen im Rohr und die Rohrinnenwandist nicht mehr mit Flussigkeit benetzt. Je nach Fluss bilden sich unterschiedlicheArten von Stromungen aus. Diese verschiedenen Stromungen sind in Abbildung 5.1gezeigt. Dryout tritt in etwa ab dem Bereich der Wellenstromung, spatestens jedochim hinteren Bereich der Ringstromung ein, da dort die Rohrinnenwand stellenweisebzw. ganzlich trocken ist (vgl. Abbildung 5.1).

Abbildung 5.1: Stromungsformen im waagerechten Verdampferrohr [11].

5.2 Messung

Ziel dieser Messung ist es, den Grenzwert xDry und den damit verbundenen Fluss φDry

fur eine bestimmte Leistung fur Rohr 1 zu bestimmen. Dazu wird die Temperaturentlang des Rohres mit Hilfe von 14 Thermistoren gemessen. Das System wird beieiner Temperatur des flussigen CO2 von −20◦C betrieben. Die Drehzahl der CO2-Pumpe wird automatisch alle drei Minuten um 50 Umdrehungen/min verringert.Dies entspricht einer Flussanderung von ca. 30 g/min. Mit jeder Verringerung des

25

Flusses steigt die vapour quality x. Diese Messung wurde vor der Modifikation desProgramms durchgefuhrt, daher wurde in diesem Fall nur jede Minute ein Messwertaufgenommen. Nach der Erwartung setzt das Dryout bei Uberschreitung von xDry,d.h. Unterschreitung des minimal moglichen Flusses φmin zunachst am Ende desRohres ein. Die Temperatur des letzten Thermistors steigt. Wird der Fluss weiterverringert, breitet sich das Dryout entlang des Rohres aus. Auf einem immer großerwerdenden Stuck des Rohres kann die zugefuhrte Leistung nicht mehr abgefuhrtwerden. Nach und nach steigt auch die Temperatur weiterer Thermistoren (vgl.Abbildung 5.2). Dryout herrscht im Rohr jeweils vom Ende des Rohres bis zu demersten Thermistor, dessen Temperatur angestiegen ist. Fur die effektiv abgefuhrteLeistung Pcool, d.h. die Leistung bis zu dem Punkt, an dem das Dryout auftritt, gilt

Pcool = P0l

L,

wobei P0 die auf dem Rohr insgesamt aufgebrachte Leistung, L die Lange des Rohresund l die Lange vom Anfang des Rohres bis zum ersten Thermistor im Dryout ist.Die Messung wird fur vier verschiedene Leistungen P0 durchgefuhrt. Es wurde eineWarmelast von 150 W, 180 W, 200 W und 220 W zugefuhrt.

Messpunkt0 5 10 15 20 25

C]

°Tem

pera

tur

[

10

0

10

20

30

40

50

6014. Thermistor

13. Thermistor

12. Thermistor

11. Thermistor

10. Thermistor

9. Thermistor

8. Thermistor

7. Thermistor

6. Thermistor

5. Thermistor

4. Thermistor

3. Thermistor

2. Thermistor

1. Thermistor

Abbildung 5.2: Dryout Messung bei 220 W: Die Temperatur der Thermistoren aufRohr 1 wird gegen den Messpunkt, d.h. gegen die Zeit aufgetragen. Der Fluss wurdenach je drei Messpunkten verringert.

5.3 Auswertung

Um den Punkt zu bestimmen, an dem das Dryout einsetzt, genugt es, den letztenThermistor auf dem Rohr zu betrachten, da das Dryout dort zuerst eintritt. Zu jedem

26

Fluss wurden jeweils drei Messwerte aufgenommen. Diese werden gemittelt und derFehler auf den Mittelwert wird bestimmt. Die gemittelten Werte der Temperatur desletzten Thermistors werden gegen den zugehorigen gemittelten Fluss aufgetragen.Um den Fluss φDry zu bestimmen, wird eine Gerade an die Punkte gefittet, beidenen die Temperatur eindeutig angestiegen ist (vgl. Abbildung 5.3). Als Parameterder Funktion wird die Steigung m und der Schnittpunkt d der Geraden mit derKonstanten y = −15 ◦C gewahlt, d.h. es wird folgende Funktion angefittet:

T = m (φ− d)− 15.

Der Parameter d entspricht direkt dem gesuchten Fluss φDry.

[g/min]ΦFluss 40 50 60 70 80 90

C]

°Tem

pera

tur

[

15

10

5

0

5

10

15

20

150W

180W

200W

220W

Abbildung 5.3: Temperatur des letzten Thermistors gegen den Fluss. Die Fehlerergeben sich durch die Mittelung der 3 zusammengehorenden Punkte. Bei den Geradenhandelt es sich um die oben beschriebenen linearen Anpassungen.

Der so bestimmte Fluss φDry wird im Folgenden gegen die zugefuhrte Leistung Pcool

aufgetragen (vgl. Abbildung 5.4). Es zeigt sich ein linearer Zusammenhang, welchernach Formel (3) auch zu erwarten war. Es wird eine lineare Anpassung durchfuhrt.Mit der durch diese Anpassung erhaltenen Steigung p1 lasst sich die gesuchte vapourquality xDry bestimmen. Es gilt nach Formel (3)

xDry = Pcool

HφDry

= 1p1H

.

Außerdem ergibt sich aus dem y−Achsenabschnitt p0 der Warmeeintrag aus derUmgebung, da auch ohne zugefuhrte Leistung ein Fluss von etwa 2, 3g/min notig ist,um nicht ins Dryout zu kommen, d.h das System auf der gewunschten Temperaturzu halten. Es gilt

PUmgebung = p0

p1.

27

Leistung [W]150 160 170 180 190 200 210 220

[g/m

in]

ΦF

luss

45

50

55

60

65

/ ndf 2χ 1.524 / 2p0 1.991± 2.267 p1 0.01055± 0.2932

/ ndf 2χ 1.524 / 2p0 1.991± 2.267 p1 0.01055± 0.2932

Abbildung 5.4: Fluss φDry gegen abgefuhrte Leistung. Es wurde eine lineare Anpas-sung durchgefuhrt. Die Fehler stammen aus der ersten Anpassung zur Bestimmungdes Flusses φDry.

Es ergeben sich folgende Werte:

xDry = 0, 7553± 0, 0005

PUmgebung = (7, 7± 6, 8) W

Ab einem Gasanteil von ca. 76 % ist eine Kuhlung im untersuchten System demnachnicht mehr moglich. Es ist deshalb darauf zu achten, dass das System im realenBetrieb diesen Grenzwert nie erreicht. Dies entspricht in etwa dem hinteren Bereichder Ringstromung, wie aus der Theorie erwartet. Zu der zugefuhrten Leistung aus derUmgebung ist zu sagen, dass der hier bestimmte Werte nur fur die im betrachtetenFall gegebenen außeren Einflusse gilt, da die Warmelast aus der Umgebung mitunterschiedlichen außeren Einflussen variiert.

28

6 Messung mit vier parallelen Rohren

Nun sollen die Eigenschaften des Systems bei paralleler Nutzung aller vier Roh-re untersucht werden. Es wird getestet, welche Auswirkungen eine unterschiedlicheBelastung der Rohre hat und wie sich das System im Grenzbereich zum Dryoutverhalt.

6.1 Theorie

Das Hauptproblem bei der Nutzung paralleler Rohre ergibt sich, wenn die Rohrwi-derstande der einzelnen Rohre nicht gleich sind. Dieser Fall kann zum einen eintreten,wenn Unebenheiten der Rohrwand den Innendurchmesser eines Rohres verringern.Zum anderen kann es im Detektor vorkommen, dass nicht auf allen Rohren die glei-che Leistung zugefuhrt wird. In beiden Fallen konnen sich die Rohrwiderstande starkunterscheiden, was dazu fuhrt, dass der Fluss in den einzelnen Rohren stark vari-iert. Der Fluss ist auf dem Rohr am großten, welches den kleinsten Rohrwiderstandaufweist. Der Rohrwiderstand wird jedoch gerade bei großerer zugefuhrter Leistunggroßer. Dieses bedeutet jedoch, dass der Fluss auf dem Rohr am kleinsten ist, aufdem die großte Leistung zugefuhrt wird. Aus diesem Grund tritt das Dryout auf dementsprechenden Rohr gegebenenfalls deutlich fruher ein als durch Messung des Ge-samtflusses und der insgesamt zugefuhrten Leistung sowie des hieraus berechnetenx erwartet.

6.2 Erste Messung

Zur Untersuchung der grundsatzlich auftretenden Phanomene bei paralleler Nut-zung aller vier Rohre wurde zunachst eine Messung bei einem Gesamtfluss in derAusgangssituation von ca. 220g/min durchgefuhrt. In der Ausgangssituation wer-den auf allen vier Rohren 60 W zugefuhrt. Dies entspricht einer vapour quality vonx = 0, 26. Der Fluss ist so hoch, dass ein Eintreten des Dryouts ausgeschlossen ist.Die Drehzahl der Pumpe wird uber die gesamte Messung konstant gehalten. Wah-rend der Messung wird die Temperatur auf den Rohren, der Gesamtfluss sowie dieDruckdifferenz zwischen Anfang und Ende der Rohre betrachtet. Der Fluss auf deneinzelnen Rohren kann nicht gemessen werden. Zu Beginn der Messung wird aufallen vier Rohren eine Leistung von 60 W zugefuhrt. Nach ca. 10 Minuten wird dieSpannung auf Rohr 4 abgeschaltet, sodass nur noch auf Rohr 1-3 Leistung zugefuhrtwird. Nach jeweils weiteren 10 min wird auch auf Rohr 3 und 1 die Spannung aufNull gesetzt, sodass am Ende nur noch auf Rohr 2 eine Leistung von 60 W zuge-fuhrt wird. In Abbildung 6.1 sind der Gesamtfluss im System (Abbildung 6.1a) unddie Druckdifferenz uber alle vier Rohre (Abbildung 6.1b) sowie die Temperatur desletzten Thermistors des jeweiligen Rohres (Abbildung 6.1c - f) gegen den Messpunktaufgetragen.

Im Folgenden soll das Verhalten der einzelnen Großen erlautert werden.

29

Messpunkt0 10 20 30 40 50 60

Flu

ss [g/m

in]

220

230

240

250

260

(a) Gesamtfluss gegen den Messpunkt

Messpunkt0 10 20 30 40 50 60

p [bar]

∆

0.8

0.9

1

1.1

1.2

(b) ∆pRohre gegen den Messpunkt

Messpunkt0 10 20 30 40 50 60

C]

°Tem

pera

tur

[

16.6

16.5

16.4

16.3

16.2

(c) Temperatur des letzten Thermistorsauf Rohr 1 gegen den Messpunkt

Messpunkt0 10 20 30 40 50 60

C]

°Tem

pera

tur

[

16.96

16.94

16.92

16.9

16.88

16.86

16.84

16.82

16.8

16.78

(d) Temperatur des letzten Thermistorsauf Rohr 2 gegen den Messpunkt

Messpunkt0 10 20 30 40 50 60

C]

°Tem

pera

tur

[

17.4

17.3

17.2

17.1

17

16.9

(e) Temperatur des letzten Thermistorsauf Rohr 3 gegen den Messpunkt

Messpunkt0 10 20 30 40 50 60

C]

°Tem

pera

tur

[

17.4

17.35

17.3

17.25

17.2

17.15

17.1

17.05

17

(f) Temperatur des letzten Thermistorsauf Rohr 4 gegen den Messpunkt

Abbildung 6.1: Erste Messung mit vier Rohren. Im ersten Abschnitt ist auf allenvier Rohren eine Last von 60 W angelegt. Dann wird nacheinander auf Rohr 4, 3 und1 die Leistung weggenommen, wodurch die weiteren Sprunge entstehen. Die Messungentspricht einer vapour quality von x = 0, 26.

30

Der Anstieg des Flusses in Abbildung 6.1a lasst sich damit erklaren, dass bei jedemSprung die Leistung von einem Rohr weggenommen wurde, wodurch der jeweiligeRohrwiderstand und damit auch der Gesamtrohrwiderstand sinkt.

Der Abfall von ∆pRohre (Abbildung 6.1b) ist, wie in Abschnitt 3.3 beschrieben, durchdie Arbeitsweise der Pumpe zu erklaren. Wird bei konstanter Drehzahl der Fluss φgroßer, nimmt die Druckdifferenz ∆pPumpe, welche durch die CO2-Pumpe aufgebautwird, und somit der Druckabfall ∆pRohre ab. Genau das ist hier der Fall.

Aus dem gleichen Grund sinkt auch ∆paußen und damit auch die Temperatur TE amEnde der Rohre. Da der letzte Thermistor auf dem jeweiligen Rohr betrachtet wird,sehen wir eben dieses Verhalten im Temperaturverlauf (vgl. Abbildung 6.1c - f). Dergroße Sprung in der Temperatur, jeweils bei Abschalten der Last, ist darauf zuruck-zufuhren, dass der Temperaturgradient zwischen flussigem CO2 und Rohrwand vonder Leistung abhangt. Es gilt

∆T = P0

αA,

wobei P0 die zugefuhrte Leistung, α der Warmeubergangskoeffizient und A die Ober-flache der Rohrwand ist. Das heißt, dass die Temperaturdifferenz zu dem flussigenCO2 kleiner wird, wenn die Spannung auf dem betrachteten Rohr ausgeschaltet wirdund somit die Temperatur der Rohrwand sinkt. An diesem Sprung sieht man dahergut, auf welchem Rohr wann die Spannung ausgeschaltet wurde.

Die Ausgangssituation, bei der auf allen vier Rohren dieselbe Leistung von 60 Waufgebracht wird, entspricht in dieser Messung einem x von 0, 26. Es ist eindeutigzu erkennen, dass in diesem Fall in keinem der Rohre Dryout eintritt, da es zu keinenunerwarteten Schwankungen oder einem starken Anstieg in der Temperatur kommt.

Testmessungen nach dem gleichen Prinzip, jedoch bei großerem x haben gezeigt,dass es zu weiteren Effekten kommt. Wird der Fluss zu klein, beginnt die Tem-peratur schon im Fall der auf allen vier Rohren gleichmaßig zugefuhrten Leistungauf Rohr 4 stark zu schwanken. Diese Situation entspricht in etwa x = 0, 4. In derAusgangssituation wurde man jedoch erwarten, dass alle Rohre denselben Rohrwi-derstand aufweisen und sich somit in allen Rohren der gleiche Fluss einstellt, sodassin allen Rohren gleichzeitig ab einer vapour quality von xDry = 0, 76, welches in derDryout Messung mit einem Rohr bestimmt wurde, Dryout eintreten sollte. Da diesnicht der Fall ist, muss auch in der Ausgangssituation in Rohr 4 ein niedrigerer Flussvorliegen als in den ubrigen Rohren. Dies legt die Vermutung nahe, dass sich auchbei einzelner Nutzung der vier Rohre ein unterschiedlicher Fluss, bei gleichen Be-dingungen, auf den verschiedenen Rohren einstellt. Dies soll im Folgenden zunachstverifiziert werden.

6.3 Untersuchung der einzelnen Rohre

Um herauszufinden, ob und wenn ja wie sich das Verhalten des Flusses der vier Roh-re voneinander unterscheidet, wurde bei einer konstanten Drehzahl von 2800 U/minund ohne zugefuhrte Leistung hintereinander auf allen vier Rohren uber einen Zeit-raum von ungefahr 5 Minuten der Fluss gemessen. Es besteht die Vermutung, dass

31

sich durch die Art der Zuleitung des CO2 in die einzelnen Rohre auf Rohr 1 dergroßte Fluss einstellt und dieser dann zu Rohr 4 hin kontinuierlich abfallt. DieseVermutung begrundet sich darin, dass sich die gemeinsame Zuleitung aller vier Roh-re aus dem Kuhlkreislauf vor Eintritt in die einzelnen Rohre aufspalten muss und dieZuleitung zu Rohr 1 gerade verlauft, wohingegen die Zuleitungen zu den restlichenRohren einen Knick aufweisen und sich die Strecke zu jedem Rohr hin vergroßert(vgl. Abbildung 6.2). Abbildung 6.3 zeigt die Ergebnisse dieser Messungen.

Abbildung 6.2: Skizze der Zuleitung zu den Detektorrohren.

Messpunkt0 5 10 15 20 25 30

[g/m

in]

ΦF

luss

115

120

125

130

135Rohr 1

Rohr 2

Rohr 3

Rohr 4

Abbildung 6.3: Fluss auf Rohr 1 - 4 bei einer Drehzahl von 2800 U/min.

Diese Messwerte werden gemittelt und der Fehler auf den Mittelwert wird bestimmt.Die Ergebnisse sind in Tabelle 6.1 gezeigt. Es zeigt sich der erwartete Abfall desFlusses von Rohr 1 nach Rohr 4. Somit ist das Schwanken der Temperatur aufRohr 4 bei einer vapour quality von x = 0, 4 verstandlich, da dieses x mit demGesamtfluss berechnet wird. Dieser teilt sich jedoch ungleich auf die vier Rohreauf. In Rohr 1 stellt sich ein hoherer und in Rohr 4 ein geringerer Fluss als derGesamtfluss ein. Dies bedeutet, dass in Rohr 4 die tatsachliche vapour quality x

32

hoher ist als das mit dem Gesamtfluss berechnete x von 0, 4. Die Messung stelltalso keinen Widerspruch zu der Dryout Messung auf einem einzelnen Rohr dar. DasProblem ist, dass der Fluss in den Rohren bei paralleler Nutzung aller vier Rohrenicht einzeln gemessen werden kann. Aus diesem Grunde kann das tatsachliche xnicht berechnet werden. Das Phanomen des individuellen Flusses der Rohre kannjedoch in der Interpretation der Messungen berucksichtigt werden. Die Vier-Rohr-Messung wurde mit diesem Wissen wiederholt und der Grenzfall zum Dryout beivier parallelen Rohren untersucht.

Rohr Fluss φ [ g/min]1 130, 07± 0, 102 127, 86± 0, 083 120, 17± 0, 054 117, 07± 0, 04

Tabelle 6.1: Gemittelter Fluss der einzelnen Rohre samt statistischen Fehlern.

6.4 Messungen im Grenzbereich zum Dryout

Zunachst wurde eine Messung im Grenzbereich aufgenommen, an der man sehr gutden Einfluss des unterschiedlichen Flusses auf den einzelnen Rohren beobachtenkann. In Abbildung 6.4 ist diese Messung gezeigt. Der Gesamtfluss in der Ausgangs-situation betragt 146, 5 g/min. Dies entspricht einer vapour quality von x = 0, 39bei einer zugefuhrten Last von 60 W auf allen vier Rohren.

Das Verhalten des Flusses sowie von ∆p stimmt mit dem Verhalten der ersten Mes-sung uberein.

Bei der Temperatur erkennt man teils starke Schwankungen. Im ersten Abschnitt istauf allen vier Rohren eine Last von 60 W angelegt. Hier ergeben sich Schwankungenund damit Ansatze eines Dryouts auf Rohr 4, durch welches zu diesem Zeitpunktder geringste Fluss fließt. Auch Rohr 3 zeigt gegenuber Rohr 1 und 2 ein verstarktesRauschen, welches jedoch weniger stark ausgepragt ist als auf Rohr 4, da der Flussin Rohr 3 etwas hoher ist. Im zweiten Abschnitt wurde die Spannung von Rohr 4 aufNull gesetzt, d.h. Rohr 4 weist nun den geringsten Rohrwiderstand auf. Der Fluss aufRohr 4 ist demnach jetzt am hochsten. Daher treten ab dem zweiten Abschnitt aufRohr 4 keine unerwarteten Schwankungen in der Temperatur mehr auf. Dafur sinddie Schwankungen auf Rohr 3 nun starker, da der Fluss hier stark abgenommen hat.Im dritten Abschnitt wird auch auf Rohr 3 die Spannung auf Null gesetzt, sodassauch hier im weiteren Verlauf keine Probleme mehr auftreten. Jetzt verlagert sich dasProblem jedoch auf die Rohre 1 und 2, welche bisher keine Auffalligkeiten zeigten.Daran sieht man, dass der hohere Fluss in der Ausgangssituation nun nicht mehrausreicht, um den großeren Rohrwiderstand auf Grund der zugefuhrten Leistung,von Rohr 1 und 2 gegenuber Rohr 3 und 4 zu kompensieren. Nimmt man auch vonRohr 2 die Leistung weg, zeigt Rohr 1 das gleiche Verhalten wie Rohr 4 zu Beginn derMessung. Es ergeben sich starke Schwankungen sowie Ansatze von Dryout. Somithat sich die Abstufung im Fluss wahrend der Messung gerade umgekehrt.

33

Messpunkt0 50 100 150 200 250

Flu

ss [g/m

in]

145

150

155

160

165

170


Messpunkt0 50 100 150 200 250

p [bar]

∆

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8


Messpunkt0 50 100 150 200 250

C]

°Tem

pera

tur

[

16.1

16

15.9

15.8

15.7

15.6

15.5


Messpunkt0 50 100 150 200 250

C]

°Tem

pera

tur

[

16.7

16.6

16.5

16.4

16.3

16.2


Messpunkt0 50 100 150 200 250

C]

°Tem

pera

tur

[

18.2

18.1

18

17.9

17.8

17.7


Messpunkt0 50 100 150 200 250

C]

°Tem

pera

tur

[

16.4

16.2

16

15.8

15.6

15.4


Abbildung 6.4: Messung mit vier Rohren im Grenzbereich zum Dryout. Im erstenAbschnitt ist wieder auf allen vier Rohren eine Last von 60 W angelegt. Dann wirdnacheinander auf Rohr 4, 3 und 2 die Leistung weggenommen. Die Messung entsprichteiner vapour quality von x = 0, 39.

34

Hier ist es von großer Bedeutung, auf welchem Rohr die Spannung als erstes aufNull gesetzt wird. Beginnt man mit Rohr 4, so kehrt sich die Abstufung des Flus-ses um. Beginnt man hingegen mit Rohr 1, verstarkt sich die Abstufung sogar. InAbbildung 6.5 ist die entsprechende Messung gezeigt. Der Gesamtfluss in der Aus-gangssituation betragt auch hier 146, 5 g/min. Der Fluss auf Rohr 4 wird jetzt injedem Abschnitt geringer und so tritt auf Rohr 4 Dryout ein. Die Temperatur steigtjedoch nicht immer weiter, sondern bleibt auf einem Niveau, solange der Fluss nichtweiter verringert wird. Dies zeigt, dass auch im Dryout noch eine gewisse Kuhlungmoglich ist. Die abfuhrbare Warme ist jedoch nicht mehr groß genug, um die ge-samte zugefuhrte Warme abzufuhren. Die Temperatur auf Rohr 4 steigt demnachstufenweise an. Auf Rohr 3 ergeben sich ebenfalls starke Schwankungen, ebenso wieauf Rohr 2. Das Verhalten des Flusses sowie von ∆p ist unverandert.

Als letztes wird eine Messung gezeigt, bei der gerade keine Auffalligkeiten mehr auf-treten (vgl. Abbildung 6.6). Diese Messung wurde bei einem Fluss von 184, 5 g/minin der Ausgangssituation durchgefuhrt, was einer vapour quality von x = 0, 31 ent-spricht.

35

Messpunkt0 50 100 150 200 250 300

Flu

ss [g/m

in]

145

150

155

160

165

170

175


Messpunkt0 50 100 150 200 250 300

p [bar]

∆

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8


Messpunkt0 50 100 150 200 250 300

C]

°Tem

pera

tur

[

16.3

16.2

16.1

16

15.9

15.8


Messpunkt0 50 100 150 200 250 300

C]

°Tem

pera

tur

[

16.8

16.7

16.6

16.5

16.4

16.3


Messpunkt0 50 100 150 200 250 300

C]

°Tem

pera

tur

[

18.2

18.1

18

17.9

17.8

17.7

17.6


Messpunkt0 50 100 150 200 250 300

C]

°Tem

pera

tur

[

20

10

0

10

20


Abbildung 6.5: Messung mit vier Rohren im Grenzbereich zum Dryout. Im erstenAbschnitt ist auch hier auf allen vier Rohren eine Last von 60 W angelegt. Dann wirdnacheinander auf Rohr 1, 2 und 3 die Leistung weggenommen. Die Messung entsprichteiner vapour quality von x = 0, 39.

36

Messpunkt0 20 40 60 80 100

Flu

ss [g/m

in]

185

190

195

200

205

210


Messpunkt0 20 40 60 80 100

p [bar]

∆

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1


Messpunkt0 20 40 60 80 100

C]

°Tem

pera

tur

[

16.35

16.3

16.25

16.2

16.15

16.1

16.05


Messpunkt0 20 40 60 80 100

C]

°Tem

pera

tur

[

16.9

16.8

16.7

16.6

16.5

16.4


Messpunkt0 20 40 60 80 100

C]

°Tem

pera

tur

[

18.4

18.3

18.2

18.1

18

17.9

17.8


Messpunkt0 20 40 60 80 100

C]

°Tem

pera

tur

[

16.7

16.6

16.5

16.4

16.3


Abbildung 6.6: Messung mit vier Rohren im Grenzbereich zum Dryout. Im erstenAbschnitt ist auf allen vier Rohren eine Last von 60 W angelegt. Dann wird nachein-ander auf Rohr 4, 3 und 2 die Leistung weggenommen. Die Messung entspricht einervapour quality von x = 0, 31.

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7 Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Verhalten eines CO2-Kuhlsystems in unter-schiedlichen Situationen untersucht.

Als Erstes wurde die vapour quality bestimmt, ab welcher bei Nutzung eines einzel-nen Rohres Dryout eintritt. Diese betragt

xDry = 0, 7553± 0, 0005.

Zudem wurde das Verhalten des Systems bei paralleler Nutzung von vier Rohrenuntersucht. Durch unterschiedliche Belastung der parallelen Rohre stellt sich in denverschiedenen Rohren ein unterschiedlicher Fluss ein, sodass auf einzelnen Rohrenfruher Dryout eintritt als durch Berechnung der vapour quality mit dem Gesamtflusserwartet. Zudem stellte sich heraus, dass der Fluss in den einzelnen Rohren sogarohne Warmelast von Rohr 1 zu 4 kontinuierlich abnimmt, was das Verhalten zusatz-lich beeinflusst. Eine stabile Nutzung des betrachteten Systems ist bei diesem Setupmit parallelen Rohren bis zu einer vapour quality von x = 0, 31, berechnet durchden Gesamtfluss und die insgesamt zugefuhrte Leistung in der Ausgangssituation,moglich.

Es hat sich gezeigt, dass ein detailliertes Verstandnis des CO2-Kuhlsystems sehrwichtig ist, um im spateren Einsatz im CMS-Tracker einen stabilen Betrieb zu ge-wahrleisten.

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A Anhang

Parameter zur Leistungszufuhr

Leistung [ W] 60 80 100 120 140 160 180 200 220Parameter 1, 08 1, 25 1, 4 1, 52 1, 65 1, 74 1, 85 1, 95 2, 05

240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 4402, 14 2, 22 2, 3 2, 39 2, 47 2, 54 2, 62 2, 69 2, 76 2, 83 2, 9

Tabelle A.1: Der Parameter, welche in der Benutzersoftware eingegeben wird, umeinem Rohr die jeweilige Leistung zuzufuhren.

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Literatur

[1] Lutz Feld, Waclaw Karpinski, Jennifer Merz und Michael Wlochal,CO2 cooling for the CMS tracker at SLHC, 2011 JINST 6 C01091

[2] The CMS Collaboration, The CMS experiment at the CERN LHC,2008 JINST 3 S08004

[3] Lyndon Evans und Philip Bryant, LHC Machine, 2008 JINST 3S08001

[4] http://cdsweb.cern.ch/record/1433717?ln=de

[5] Martin van Beuzekom, Ann Van Lysebetten und Bart Verlaat, CO2cooling experience (LHCb), PoS(Vertex 2007)009

[6] Bart Verlaat, Controlling a 2-phase CO2 loop using a 2-phase accu-mulator, ICR07-B2-1565

[7] Bart Verlaat, CO2 cooling is getting hot in high-energy physics,CERN Courier, Mai 2012

[8] Paul A. Tipler: Physik, 2. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag(2004)

[9] Chemical Logic Corporation, http://www.chemicalogic.com/

[10] http://www.ni.com/labview/d/

[11] H.D. Baehr und K. Stephan: Warme- und Stoffubertragung, 7. Auf-lage, Springer Verlag (2012)

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Erklarung

Ich versichere, dass ich diese Arbeit selbststandig verfasst und ausschließlich die an-gegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt sowie Zitate kenntlich gemacht habe.

Aachen, den 18. August 2012

Danksagung

Ich danke Herrn Prof. Feld, dass er mir diese Bachelorarbeit ermoglicht hat. Ich dan-ke ihm fur das Vertrauen, dass er in mich gesetzt hat, indem er mir das CO2-Systemzur Verfugung stellte. Außerdem mochte ich mich bei Prof. Feld dafur bedanken, dasser sich immer viel Zeit fur mich genommen und mir auch triviale Fragen geduldig be-antwortet hat. Zudem wurde ich durch seine Begeisterung fur das Kuhlsystem sowiedie gewonnenen Ergebnisse immer neu motiviert und in meiner Arbeit bestarkt.

Weiterhin mochte ich mich insbesondere bei Katja bedanken, die mir bei Problemenrund um das Kuhlsystem immer zur Seite stand, mich sehr gut in die Ablaufe imInstitut eingefuhrt hat und mir bei Fragen immer behilflich war.

Ich mochte Jan danken, der bei allgemeinen Fragen immer ein offenes Ohr fur michhatte.

Außerdem mochte ich Matthias und Daniel meinen Dank aussprechen, zu denenich immer mit Programmierproblemen kommen konnte, obwohl sie selber sehr vielStress hatten.

Insgesamt bin ich der gesamten Arbeitsgruppe von Prof. Feld fur die schonen Monatedankbar.

Ich danke meiner Familie dafur, dass sie mich immer unterstutzt hat, sowohl mo-ralisch als auch finanziell, und dafur, dass ich bei ihr immer einen sicheren Hafenhatte, in den ich mich in stressigen Zeiten zuruck ziehen konnte.

Abschließend mochte ich mich bei meinen Freunden fur die tolle Zeit in Aachenbedanken. Sie haben mir immer wieder neue Motivation gegeben und so diese Arbeitgewissermaßen erst ermoglicht.

Untersuchung der Eigenschaften eines CO -K r das Upgrade ... · System nicht ausgelegt. ... Die...

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