有着特殊要求的二氧化碳冷却器

作者:Bettine Kuhnert,Marc Geiselhart 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:30 发布时间:2017-04-14
对所有流程泵提出了非常特殊要求的二氧化碳冷却器。
有着特殊要求的二氧化碳冷却器

欧洲的大型科研项目正在探究物理的基本问题,也包括了来自施瓦本地区的流程泵,高端的研究需要高端的材料。在欧洲核子研究组织的研究人员揭开粒子物理学最后的奥秘之后,全球性能最强大的粒子加速器就发挥了关键作用。这一粒子加速器的一个小秘密就是它的二氧化碳冷却系统。

周长26.7 km,有大约9 600块电磁铁的大型强子对撞机(LHC)是欧洲核子研究组织迄今为止最大的和最复杂的粒子加速器。在那里,它将帮助现代物理学家回答一些最基本的问题,例如物质起源的答案。“大型强子对撞机底夸克实验LHCB”,“超环面仪器实验ATLAS”和“CMS紧凑渺子线圈实验”是目前在LHC大型强子对撞机中进行的四大实验中的3个。为了获得准确的测量结果,硅探测器都直接安装在所有实验的交叉点处。二氧化碳冷却系统对这些探测器的最内层进行冷却,使最内层的温度达到-40℃。从2007年起,LHCb底夸克实验开始使用的冷却泵是Lewa公司研发生产的膜片定量泵,以保证恒定冷却所需的均匀流量。从2015年年初开始,在TALS实验中温度管理系统通过两套类似的系统调节,控制着IBL的温度。2016年在CMS像素探测器升级时又安装了一套新的配用了Lewa公司远程遥控定量泵的二氧化碳冷却系统。与标准的流程泵不同,Lewa公司的流程泵能够在没有热传导的情况下完成高压缩二氧化碳的输送。

向欧洲核子研究组织提供了3台远程遥控定量泵。其中的一台安装在15 kWh的样机中,并成功地通过了测试

它的泵头是用1.4571号不锈钢制造的,设计有冷却水套。它是通过隔膜片的来回鼓动改变工作腔容积来吸入和排出液体的。这种结构就使它避开了挤出系统临界工作条件的限制。也就避免了升高二氧化碳或者其他冷却介质的温度,而温度升高是导致输送介质起泡而必须对流程泵进行调整的主要原因,这也是标准型流程泵经常遇到的问题。最后,在两相冷却时二氧化碳必须接近沸点温度,因为它接触到泵体较热的部分时往往会蒸发。这是非常重要的,因为欧洲核子研究组织的研究人员对这一点尤为重视:他们计划从2015年起把碰撞能量从第一次试验时的7 eV逐步的提高到13 eV,然后还有提高的14 eV。第一套配用Lewa泵的冷却系统是为阿姆斯特丹的国家亚原子物理研究所LHCb底夸克试验开发设计的。这一试验回答的问题是:为什么宇宙主要是由物质组成的而不是由反物质组成的。为此对B介子进行了检测,探测到了名为b-夸克或者被称之为美夸克的基本粒子。为了获得这种基本粒子要将质子加速到接近光速的速度进行碰撞。碰撞后得到的粒子,用专门的仪器收集起来,利用计算机程序进行分析。

在LHCb底夸克试验中,它所使用的探测器与其他试验所有的探测器不同在于:只在一个方向进行探测。第一台子探测器名为Velo(顶点定位器),它的位置就在碰撞点处。其他的子探测器在20 m的长度上依次排列起来。Velo探测器用于精确的测定衰变位置以及径迹重建。为了获得最高的检测精度,整套设备都要处在真空状况下工作。为了防止传感器受到辐射的伤害,两个二氧化碳冷却循环系统从两侧对传感器进行冷却,保持其温度为-25℃。在LHC强子对撞试验中有两种强辐射能够造成传感器的伤害有非电离能量损失的晶间组织移动和有电离能量损失的表面正电荷积累两种。它们带来的后果是:需要的电压明显增高,泄露电流增大,击穿电压明显降低。

因此,最终选择了Lewa公司研发生产的隔膜泵,因为在探测器的冷却循环中不得含有油类。因为在辐射的影响下,油类物质可以在冷却循环回路中硬化起来,堵塞了薄壁冷却管道。无油的转子泵也因其糟糕的二氧化碳润滑状况无法在这里使用。“因此我们选择了Lewa公司无需流体进行润滑的Ecoflow型隔膜泵。” 欧洲核子研究组织的高级机械工程师Hans Postema先生解释说道。

从连续稳定性和工作可靠性的角度来看,隔膜泵是最佳选择。另外,这家施瓦本地区流程泵生产厂家的产品在保证均匀的流量方面也是非常著名的,也是保证稳定的两相冷却所必须的。它也利用了二氧化碳从液态到气态的转变过程进行散热。这一利用也是很有好处的,因为这样使用的冷却剂量较少,在单相冷却时无需专用的冷却管道。但它所用冷却剂的处理却不简单,流体的温度可以低至-50℃,这是非常关键的临界温度,因为二氧化碳在-57℃时就开始固化成干冰了。目前,我们在20℃~-40℃之间的温度范围内正在进行一系列的测试。” Postema先生说。其中,通常情况下温度约为-30℃。但Atlas超环面仪器实验中的IBL粒子探测器需要的工作温度为-40℃。在这种情况下用自主开发的两级主冷却器控制着隔膜泵在正确的低温工况下运行。

 

 

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