Wärmeübertrager in CO2-Kältesysteme des CERN integriert
Extreme Kühlung erfordert spezielle Komponenten und Fachwissen
CERN ist das weltweit größte Labor für Teilchenphysik und bietet Wissenschaftlern, die bahnbrechende Forschung in der Grundlagenphysik betreiben, eine einzigartige Auswahl an Teilchenbeschleunigeranlagen. Die ATLAS- und CMS-Detektoren am CERN werden derzeit aufgerüstet, um sie für das neue High-Luminosity-LHC-Programm vorzubereiten. Diese Aufrüstung wird zu erhöhten Strahlungswerten führen. Um den höheren Strahlungswerten standzuhalten, müssen die Detektoren unter -25 °C gehalten werden, was ein Kühlsystem erfordert, das Temperaturen von bis zu -40 °C erreichen kann. Um dieses Kühlniveau zu erreichen, musste das bestehende CO2-System, das Anfang der 2000er Jahre in den LHCb- und AMS-Detektoren installiert wurde, um zwei Größenordnungen erweitert werden.
Eine Steigerung dieser Größenordnung erforderte einen effektiven, großen Wärmeübertrager, der als CO2-Verdampfer positioniert wurde. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, entwickelte das schwedische Unternehmen den gelöteten Plattenwärmeübertrager „Q185H“, indem das bestehende Modell durch die Integration eines Q-Verteil-Rohrs erweitert wurde, wodurch das neue Modell entstand. In enger Zusammenarbeit mit den Ingenieuren des CERN passten die Ingenieure des Herstellers den „Q185H“ an die spezifischen technischen Anforderungen des neuen CO2-Kälteprojekts des CERN an. Die gesamte Anlage wurde dimensioniert und für die Kühlung von CO2 auf -53 °C optimiert – das
liegt nahe an der Temperatur, bei der sich CO2 verfestigt.
Die neuen Anlagen für die beiden Universaldetektoren ATLAS und CMS basieren ausschließlich auf dem natürlichen Kältemittel CO2, wodurch synthetische Kältemittel vollständig entfallen. Die einzigartigen Eigenschaften von CO2 ermöglichen die Verwendung von Rohren mit kleinem Durchmesser – ein bedeutender Vorteil bei begrenztem Platzangebot. Der unterirdisch verfügbare Platz am CERN reicht nicht aus, um sowohl ein primäres Kühlsystem als auch ein ölfreies CO2-Kompressionssystem unterzubringen. Durch die Verwendung von CO2 für die Primärkühlung war es jedoch möglich, Systeme oberirdisch zu installieren, weit entfernt von den Detektoren und dem beengten unterirdischen Raum.
Langjährige Zusammenarbeit mit Fokus auf Nachhaltigkeit
Das CERN arbeitet seit langem mit dem Hersteller aus Skandinavien bei der Entwicklung von Hochdruckwärmeübertragern zusammen. Der erste Hochdruckwärmeübertrager von SWEP wurde 2005 für die CO2-Kühlung des LHCb entwickelt. Dies führte zur Entwicklung des „B16DW“, eines verstärkten Wärmeübertragers, dem ersten Hochdruckmodell, welches das Unternehmen seinerzeit auf den Markt brachte. Seitdem wurde die enge Zusammenarbeit mit dem CERN fortgesetzt und erfolgreich eine breite Palette von Hochdruckmodellen installiert.Frühere Kühlsysteme für die Universaldetektoren verwendeten synthetische Kältemittel mit hohem Treibhauspotenzial (einschließlich fluorierter Gase). Diese Kältemittel waren zwar wirksam, aber auch für einen erheblichen Teil der direkten Treibhausgasemissionen des CERN verantwortlich.
Die Einführung der CO2-Kühlung als primäre Kühlmethode hat den Betreiber dazu veranlasst, den Einsatz anderer fluorierter Kältemittel zu überdenken und eine Nachhaltigkeitsstrategie zu entwickeln, die darauf abzielt, die Treibhausgasemissionen in allen seinen Einrichtungen zu reduzieren. Die Installation von CO2-Systemen mit niedrigem GWP (Treibhauspotenzial) ist ein wichtiger Schritt zur Erreichung dieser Umweltziele. Die Einführung von CO2 für Detektoren und andere Kältesysteme hat zu einer erheblichen Reduzierung der Treibhausgase geführt. Derzeit werden mehrere Systeme gebaut, die die aktuelle Generation von Gasdetektoren mit begrenzter Leistungsfähigkeit durch GEM-basierte Detektoren ersetzen werden, die CO2 verwenden.
Kühlung der nächsten Generation
Die neuen Kältesysteme für die Detektoren CMS und ATLAS sollen von 2030 bis 2045 in Betrieb gehen. Seit 2025 sind die neun CO2-Kälteanlagen der nächsten Generation in der unterirdischen Service-Kaverne des CMS in Cessy, Frankreich, installiert. Yann Herpin, kältetechnischer Ingenieur bei CERN EP-DT-FS, erklärt dazu: „Mit dem CO2-Kühlsystem und einer Leistung von bis zu 1 MW bei einer Kühlung auf eine Temperatur von -53 °C konnten wir die Grenzen dessen, was mit diesem natürlichen Kältemittel erreicht werden kann, erweitern. Wir sind stolz darauf, dass dieses neue System, das von den Abteilungen für Technik und Experimentalphysik des CERN in Zusammenarbeit mit den Experten von SWEP entwickelt wurde, den Weg für weitere Entwicklungen in der CO₂-Kältetechnik ebnet, die zu einer Verringerung der Emissionen in vielen anderen industriellen Anwendungen führen werden.“
Anpassung an zukünftige Anforderungen
Das CERN ist zwar für seine Spitzenforschung bekannt, doch die Einführung neuer Kältemittel mit niedrigem Treibhauspotenzial als Ersatz für Fluorkohlenwasserstoffgase (HFCs) ist kein Einzelfall. Klimabedenken haben viele Branchen dazu veranlasst, gängige Praktiken, die Treibhausgasemissionen verursachen, zu überdenken. Mit neuen Rechtsvorschriften in der EU und anderen Regionen ist die schrittweise Abschaffung von HFCs bereits in vollem Gange.
Wärmeübertrager in der CO₂-Kühlung der nächsten Generation
Da die Verwendung von CO2 und anderen natürlichen Kältemitteln in einer Vielzahl von Branchen weiter zunimmt, wird auch die Nachfrage nach neuen Technologien steigen, die für den optimalen Betrieb mit diesen Lösungen ausgelegt sind. Derzeit bietet SWEP ein komplettes Sortiment an zuverlässigen, kompakten gelöteten Plattenwärmeübertragern, die für den optimalen Betrieb unter den extremen Druckbedingungen von CO2 ausgelegt sind, darunter Geräte, die bei 135 °C mit bis zu 140 bar betrieben werden können. Im Zuge der Marktentwicklung wird der Hersteller weiterhin eine Vorreiterrolle einnehmen und eng mit OEMs und Zulieferern zusammenarbeiten, um deren Systeme anzupassen und den Übergang zu einer nachhaltigeren Zukunft zu
gestalten.
Über das CERN:
• Das Europäische Laboratorium für Teilchenphysik, bekannt als CERN, betreibt das größte Teilchenphysiklabor der Welt.
• Der 27 km lange Large Hadron Collider (LHC) am CERN ist der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger, der je gebaut wurde.
• Das CO₂-Kältesystem zeigt, dass mit diesem natürlichen Kältemittel eine Leistung von bis zu 1 MW bei einer Kühlung auf eine Temperatur von -53 °C erreicht werden kann.
