Cryogenic Cooling Options for sc Applications
Transcription
Cryogenic Cooling Options for sc Applications
Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Cryogenic Cooling Options for sc Applications Tampere sc conference Ch. Haberstroh Nov 5th, 2010 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Outline - Introduction - Cooling demands - Progress and development in cryogenic cooling - Liquid helium technology - Carnot considerations - Liquid nitrogen cooling - Cryocoolers Gifford-McMahon Stirling Pulse Tube Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 2 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Professorship for Refrigeration and Cryogenics, TU Dresden 1993 – 2008 Prof. Dr. H. Quack provisional (before: Sulzer Cryogenics, Swiss) Dr. rer. nat. et Ing. habil. Ch. Haberstroh since 2010 Prof. U. Hesse, „Bitzer-Stiftungsprofessur f. Kaelte-, Kryo- und Kompressorentechnik“ ca. 12 permanent members, mostly Ph.D. students Teaching: - Refrigeration - Compressor Technology - Kryo Technology Research: - … - … - Helium / Hydrogen Technology; Conceptual design for large Helium Plants He / H2 Liquefiers, Dewar optimization, Neon cooling, … responsible for the central Helium Plant TU Dresden co-operation with DESY, CERN, Rossendorf, GSI, BESSY, SLAC, FNAL, … Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 3 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Cooling Task Specification routine: cryostat, cooling power needed …. W @ 2 …5 ….80 K + …. W @ 100 K (superconductor) (thermal shield) secondary demands: - cool-down time - duty per year (100 … 8700 h) - efficiency expectations - MTTF / maintenance intervals - noise / vibration limits ATZ Adelwitz - available infrastructure - … Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 4 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Thermal sc Connection Bath cooling Forced cooling Conduction cooling e.g.: LHe 2…5 K (supercritical, ('dry cooling', LNe 25 … 29 K one-phase) indirect) LN2 65 … 84 K Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 5 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Cooling options: There had been apreciable progress within the last decades … „Kelvinator“ 1928 Ice Harvest , Ice distribution He-Liquefier W. Meißner, 1956 J-T-Cryocooler 60th (R. Radebaugh) LOX Plant, 1910 (R. Radebaugh) Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 6 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Helium Liquefaction first time by Heike Kamerlingh Onnes, Leiden University, July 10th, 1908 Helium from monazite sand next 15 years: exclusive LHe laboratory discovery of superconductivity, superfluidity, … Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 7 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Commercial Helium Liquefier Breakthrough Collins Liquefier: Use of Piston Expanders 1946 – 1964 about 250 units sold; “revolution” in cryogenic research Prof. Sam Collins, MIT/Boston 1946 capacity: 12 … 70 l/h Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 8 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik First sc Accelerator Magnets implemented in the 70th (CERN, Fermilab) Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 9 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Helium Plants Today Heliumverflüssiger LHC Cold Box 18 kW @ 4.5 K 33 kW @ 50 K …75 K + 23 kW @ 4.6 K … 20 K + 41 g/s liquefaction Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 10 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Theory: how to get a gas cold? a) Joule-Thomson-Effect b) Expansion machine simple throttle valve, isenthalpic expansion (without work extraction) ΔH = O Ù small effect (real gas property), below inversion curve only isentropic change of state work is extracted from the fluid Tampere Nov 5th, 2010 ΔSideal = O Ù big effect at any starting temperture (ideal gas property) Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 11 Fakultät Maschinenwesen Expansion in the T, s diagram Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Throttle 10bar Turbine ηs = 0.75 a) Expansion Turbine maschine 1 state ηs = of isentropic change expansion (without work extraction) ΔSideal = O 1bar Ù big effect any starting temperture (ideal gas property) Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 12 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Basic Refrigerator Cycles Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 13 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Liquefier warm He gas often only evaporation enthalpy used (20.4 kJ/kg) (cold gas warm-up: 1500 kJ/kg) standard liquefier: 10 … 200 l/h LHe consumer bulk liquefier: ~ 1000 … 4000 l/h Refrigerator heat load (e.g. superconductor) heat load Tampere Nov 5th, 2010 directly connected via transfer line + cold gas return 0.1 … 20 kW @ 1.8 …. 5 K Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 14 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Helium Expansion Turbines axial and radial gas bearing; operational speed 4500 s-1 typically recently optimized; isentropic efficiency 90th: ηs ≈ 65 % today: ηs ≈ 75 … 80 % ª Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 50 % more cooling power ! 15 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Cycle Compressors / Heat Exchangers aluminium plate-fin counterflow heat exchangers, vacuum-brazed oil-lubricated screw compressors one-stage, 1 bar Æ 12 bar Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 16 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik “Evolution” of Suppliers 1908 1918 1928 1938 1948 1958 1968 1978 1988 1998 2008 1908 H.K.Onnes, Leiden ADL 500Inc CTi HPS KPS PSI CPS 2002 Linde 1923 McLennan, Toronto 1925 Meißner, PTR Berlin Sulzer BOC 1992 1980 Air Liquide 1946 Collins, MIT Philips Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 17 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik In-house liquid helium supply re-liquefaction: 5 … 2 kWh / lLHE spare helium: 4 … 8 € / lLHE Set-up for laboratory liquidhelium supply with helium recovery Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options Source: Air Liquide 18 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Maximum Efficiency Carnot limit: · COPideal = Q/W = To /(Tamb – To) for full reversible process, perfect components, … 77 K: COPideal ≈ 0.33 (3 W/W) 4.2 K: COPideal ≈ 0.014 (70 W/W) 1.8 K: COPideal ≈ 0.006 (166 W/W) Carnot fraction: η := COPreal / COPideal He Plants: η ≈ 0.01 …. 0.35 e.g.: input power Pel ≈ 0.5 MW cooling power @ 1.8 K: 200 W Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 19 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik COP of Large Helium Refrigerators 500 C.O.P. [W/W @ 4.5K] 400 300 200 100 Carnot source: Ph. Lebrun, CERN 0 TORE SUPRA RHIC TRISTAN CEBAF HERA LEP LHC for better efficiency / less demanding cooling technology: B Cooling / sc operation at elevated temperature level (~ 80 K) !? Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 20 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Commercial Liquid Nitrogen (LN2) Supply excellent infrastructure, scaled LN2 Tanks available, no recovery necessary Linde-Gas Minimum price: 1 l LN2 ↔ 1 kWh electr. power Praxair Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 21 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik In-house LN2 production two-stage Stirling Cooler N2 condensation / refrigerator @ 80 K Pel = 12 kW 700 W @ 80 K or 500 W @ 65 K B basic technology of the 60th; lack of progress / N2 turbine plants Stirling BV, Eindhoven Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 22 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Cryocooler I: Gifford-McMahon W. Gifford + H. McMahon, 50th - Standard-Cyclecompressor (50/60 Hz) - flex. lines - one/twostage coldhead (1…2 Hz) typical: 3 … 20 W @ 20 K + 20 … 100 W @ 80 K + reliable, moderate costs + sales 20 000 units / yr - compressor 30 … 80 kg - coldhead vibration - modest efficiency (0.7 … 1.4 % 'Carnot' @ 80 K) Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options COOLPOWER, Oerlikon-Leybold 23 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik G-M – Cooler AL600 CryoMech: www.cryomech.com Tampere Nov 5th, 2010 580 W @ 80 K Pel ≈ 13 kW i.e. 11% Carnot fraction ! maintenance interval: 10 000 h Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 24 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Cryocooler II: Stirling Coolers Stirling: vintage cooler, subject to continuous improvement + moderate costs (600 … 3000,- €/unit) + small, lightweight + technically mature (~ 100 000 units manufactured to date) + turnover 20 000 units / yr. - limited lifetime (dry sealing) - intrinsic vibration now: flexure bearing Rotory Stirlingcooler 1 W @ 80 K, Pel ≈ 50 W I. Rühlich, AIM Heilbronn Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 25 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik 50 000 Rotary Cooler Reliability MTTF [h] 40 000 Linear Cooler 1st. Gen 2000 30 000 20 000 10 000 Flexure Bearing Cooler Next Gen + Pulse Tube coldfinger 2nd. Gen + Stirling coldfinger Lifetime of Stirling Cryocoolers I. Rühlich, AIM Heilbronn 2nd. Gen 2002 SL150 1st. Gen (HD1033, SC100) Small Rotary newest design 1st Gen 1993 0 000 Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 26 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Stirling Cryocooler, Example Produkt Line I. Rühlich, AIM Heilbronn Pulse Tube Stirling SX095 SL100 SL150 SX040 SF070 SF100 SF400 PT Cooling Capacity at 80K 1.3 W 1.5 W 2.5 W 0.7 W [95K] 0.8 W 2W 2W Input Power Pin 45 W 60 W 85 W 35 W 35 W 60 W 100 W Weight 1.0 kg 2.0 kg 2.3 kg 0.7 kg 1.0 kg 1.6 kg 3.4 kg Reliability MTTF Tampere Nov 5th, 2010 >25.000 h > 10.000 h > 8.000 h >25.000 h Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options >20.000 h >20.000 h > 50.000 h 27 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Cryocooler III: Pulse Tube = Stirling Cooler without solid displacer (gas column only) discovered by chance; since ~ 1985 systematic R & D Modifications: basic, orifice, double-inlet, inertance tube Pulse Tube Geometry: in-line / coaxial / U-shaped To = 80 K … 4 K … 2.35 K (!) + no moving cold part, no wear, simple layout + no vibrations / no elektromagnetic noise + high efficiency - short history, limited series-production readiness - orientation-dependant; limited scalability Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 28 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Pulsrohrkühler CryoMech PT60 60 W @ 80 K Pel ≈ 3.3 kW maintenance-free www.cryomech.com Tampere Nov 5th, 2010 (Adsorber change after 20 000 h) Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 29 Fakultät Maschinenwesen Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Kälte- und Kryotechnik Summary Appreciable progress in cooler technology during the last decades 2 x chicken-and-egg problem: a) still some missing capacity / temperature level combinations b) cooler availability strongly dependent on turnover figures Cryogenic cooling necessarily will stay demanding and expensive There is a variety of available cooling options – no sc application should fail because of missing cryogenic cooling technology Tampere Nov 5th, 2010 Ch. Haberstroh, Cryogenic Cooling Options 30