cryogenic lecture.pdf
TRANSCRIPT
MEDSI Shanghai 300-2 Introduction.ppt Page 1 of 6 Print date 15 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Introduction MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Course Material� Introduction - Monroe Brothers Ltd
- Structure of the talk� Principles of Refrigeration - Carnot efficiency
- Real Efficiency- Costs
� Refrigeration Systems - Main components- Cold Box operation
� Superconducting RF cavities - Cooling requirements- Valve Box & transfer lines- Control
� Other Cooling Requirements - Cryocoolers- Economics versus practicalities
MEDSI Shanghai 300-2 Introduction.ppt Page 2 of 6 Print date 15 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Introduction MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Background
Over 25 years experience�Pollution control systems
MEDSI Shanghai 300-2 Introduction.ppt Page 3 of 6 Print date 15 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Introduction MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Background
20 Years Experience�Pollution control systems�Superconducting magnets�Closed loop helium systems�Low loss cryogenic systems 10 mW�Reaction cooling at 120 kW�Nitrogen for breweries
MEDSI Shanghai 300-2 Introduction.ppt Page 4 of 6 Print date 15 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Introduction MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Withoutliquid
nitrogen
Withliquidnitrogen
BackgroundCryogenics – A Range of Applications!
MEDSI Shanghai 300-2 Introduction.ppt Page 5 of 6 Print date 15 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Introduction MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Monroe Brothers Ltd
� Where is the other brother(s)?
� Founded in 1920 - Shipping� Wound up in 1992
� Restarted in 1996
MEDSI Shanghai 300-2 Introduction.ppt Page 6 of 6 Print date 15 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Introduction MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Expectations?
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� � �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Introduction� �����%���� � ����� #������� $��
� ���%��%�� �� ��� ���)� ��������� �� *������������������� �� *������������������� �� *������������������� �� *���������� ���� �������������������� ��������(��������(��������(��������(
���� *��� ��������(*��� ��������(*��� ��������(*��� ��������(���� ��������������������
� *���������� �(���'� � ��� ��'������ ���� #�+ ��������
� �%������%��� *, ��-����� � ����� ��.%���'���� /��-� #�+ � ������� ����� ������
� ���� ����� *�.%���'��� � ��(��������� ����'��� -���%� ��������������
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� ! �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Overview
����� ����� ��� ��
����� �����
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� � �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Objective#���� %���� �� ����� '������ �� ���-��� ����� �� � 01� $��� ����� 2���%' $�.%������ 3 *������������ ��(��������� #%�) ��(���
������ ��� 4��� ����� '����� ��� � ��(���� �������
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� � �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Bulk Cryogens� $�& ���� ��(���������'%' ���� ����
� ��'�������'%' ������� �+�����%��
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� 5 �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Helium Liquefiers
����� ������ � ����� ����� ��� ��
� $��� �������(� �+����-�� �������%��%��� �)����� ���������
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� 6 �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
refrigeration Systems
Helium Refrigeration Systems
Helia
l ML
Helia
l LL
L70
L140
L280
L141
0 / L1
610
Helia
l SL0
200
400
600
800
1000
1200
1400Re
frigera
tion W
���� ���' ��� ������$�.%������� �%���� �������� �� ����'��� ��� *���������� ��&��
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� 7 �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Cryocoolers
� ����� ��&��� %� �� ��5 8 �� � 0� 8 �� �5 0
� ��4�� �������(29�� �����
� :��� $��� � ��(������ &��� ;��� 4�������� ��( �(���'� � � �-����( �� ��(���
����� ���������� ��� ��������� ��
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� � �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Refrigeration Systems
Helium Refrigeration Systems
Helia
l ML
Helia
l LL
L70
L140
L280
L141
0 / L1
610
Cryo
coole
rs
Helia
l SL0
200
400
600
800
1000
1200
1400Re
frigera
tion W
���� ���' ��� ������$�.%������� �%���� �������� �� ����'��� ��� *���������� ��&��
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� < �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Theoretical Performance
���� *����-��� 9�
2�� *����-��� 92
�* 8*
.�
.22��� ����=4���%�� ��'�����%�� ���������%��� �� ��������(
��
22
�2*
9.
9.
998
==−
,���� $�& 8�� � �(���' �+��%��� � �(���� ������� ��� ���4���� �%' �� ���&��) �������� �� �.%�� �� ��� ���4���� �%' �� ��� ���� ���������
����� $�& �� �� �'�����4�� �� �����%�� � ��-��� ���� &��� ������� � � �(��� ������%�� � ������ �+���� ��� ����� �� � &���� �� ��� �+������ ���� &��� � ���� �����-����
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� � �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Theoretical Performance
*���������� �� 2��� �%'�
���� *����-��� 9�
2�� *����-��� 92
8*
.�
.2*
�2
�
*
�99
98.� � −==
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �� �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Refrigeration at 4 K
CH
C
R
CTT
TWqCOP −==
3.43003.4
WqCOP
RC
−==
015.0WqCOP
R
C ==
67qW
COP1
C
R ==
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �! �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Refrigeration at 4 K & 80 K
CH
C
R
CTT
TWqCOP −==
3.43003.4
WqCOP
RC
−==
015.0WqCOP
R
C ==
67qW
COP1
C
R ==
CH
C
R
CTT
TWqCOP −==
8030080
WqCOP
R
C−==
376.0WqCOP
R
C ==
7.2qW
COP1
C
R ==
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �� �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Strobridge Plot
����4���� �<6<*���������� ����%������%��� ����(���� �(���'������� �� ����� 8����
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �� �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Refrigeration Sizing
CarnotofPercentCOPCOP IdealalRe ×=
CarnotofPercentTTT
WqalRe
CHC
RC ×−=
)8��6��'������� ��&��
� ��5 � ��5����� ������!>������ �� �����
���5!>
��5 8 ��� 8 �����������57 ��'������� ��&��
8�! ����� ��&��
0� � 2�� 9�'�����%��0���������� 9�'�����%��
��(�������$�.%�����
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �5 �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Strobridge Plot
����4���� �<6<*���������� ����%������%��� ����(���� �(���'������� �� ����� 8����
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �6 �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Comparison 1969 to 2009
0.1%
1.0%
10.0%
100.0%
1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06
Equivalent Refrigeration (Lowest temperature) Watts
Perce
nt of
Carno
t StrobridgeAir Liquide, Helial LiquefierLinde L series LiquefierLinde L series RefrigeratorStirLINStirlAIRSumitomo GMSumitomo PT Single stageSumitomo PT Tw o stageSumitomo StirlingQdrive AccousticCryomech GMCryomech PT Single stageCryomech PT Tw o stage
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �7 �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Comparison 1969 to 2009
0.1%
1.0%
10.0%
100.0%
1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06
Equivalent Refrigeration (Lowest temperature) Watts
Perce
nt of
Carno
t StrobridgeAir Liquide, Helial LiquefierLinde L series LiquefierLinde L series RefrigeratorStirLINStirlAIRSumitomo GMSumitomo PT Single stageSumitomo PT Tw o stageSumitomo StirlingQdrive AccousticCryomech GMCryomech PT Single stageCryomech PT Tw o stage
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �� �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
� ����� -���%� ��� �������������� � 3 � � ? 7 ��������� � 3 � � ? 7 ,����� �� 7 �� �5 ��'�� &���� ��� �����������
Helium Liquefiers ~ 100 Watts
9� �4��� � 8 �� ����� �� ��! 0 ��.%����@ �� �� �7 )8 �� ��%� ��&��
A #���� ��&� �� ����'��(�'���
A 9�'�����%�� ������ � ��� ���� �+������A 2��� ���� ���' �'4���A ,�%�� ���& ������� ������ � ��� �������
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �< �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
� ����� -���%� ��� �������������� � 3 � � ? 7 ��������� � 3 � � ? 5 ,����� �� 7 ��'�� &���� ��� �����������
Cryocoolers ~ 1 watt
A #���� ��&� �� ����'��(�'���
A 9�'�����%�� ������ � ��� ���� �+������A 2��� ���� ���' �'4���A ,�%�� ���& ������� ������ � ��� �������A B � ��;� �� ��'������� ���� ���C
9� �4��� � 8 �� ����� �� ��! 0 ��.%����@ � �� � )8 �� ��%� ��&��
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� ! �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Installed Costs
D � ) �� D ! ) �� ��� 8
D � �� D ! ��� �����
#%�) ��(���
D ! ) �� D � ) �� ��� 8
D ! ) ��� � 3 ��
D 5 ) ��� 8
5 8
D �5 �� D !� ��� �����
D 7 ) ��D ! � �� D �� �
2���%' *����������
D �5 ) �� ��� 8D 5 ) ��� 8
� 8 �� ��5 8
D !5 ) ��D � ) �� D 65 )
��(�������
�������� �����
�������� ������ �����������
� �.%��'��
� �.%��'��
� ��.%�������
������ ������.%��'��
�������-� ��%��� ��� �������� ����������� � '����� �����
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� !� �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Basic Principles��'�������
�����%������������
$�.%��������� #�+
2�������%��
2���%' ��&��
2���%' �&� ����� ���&� ���%�
��(���� �(���'
���� ����%' �����%�
E�� 4%����! �� �5 4�� =
8��' ����%'�� ���%�
������ ������ � !����� ��� � "���� ���
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� !! �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Technologies Superconductivity
����� ������ � !����� ��� � "���� ���
�%������%��� *, ��-�����
� ���'�� $��� ��%��� $��� �(������� ��� ���'F� ����� ��'��
� 8 ��� ��-��(��%�
5 8 ������4%���
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� !� �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Large Scale Refrigeration SystemsLarge Scale Helium Refrigeration Systems
Helia
l ML
Helia
l LL
L70
L140
L280
L141
0 / L1
610
Cryo
coole
rs
Helia
l SL0
200
400
600
800
1000
1200
1400Re
frigera
tion W
���� ���' ��� ������$�.%������� �%���� �������� �� ����'��� ��� *���������� ��&��
9(������(������������������
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� !� �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Costs
9����
*��������������������(����������(
��������
9����
����������(����������(
��������
#%�) ��.%�� ����%'
��(��������
�-�������� ����2��� ����
���%���� ��� ��4�� 4���& &��� %'4���&��� ��� �����&� &���� �� ��%����
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� !5 �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Costs
9����
*��������������������(����������(
��������
9����
����������(����������(
��������
#%�) ��.%�� ����%'
��(��������
�-�������� ����2��� ����
B������ ��''��( %������������ ��)� � ��%)%��� � ��'������1��� �%����� ������ ������ ���%'������C
���) 9&��
���%���� ��� ��4�� 4���& &��� %'4���&��� ��� �����&� &���� �� ��%����
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� !6 �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Costs
D � ��
D � ��%�! )8
D �! ��D � ��
*����������
D 7�5 ��� �����D � '����� �� F
�5 8
�%������%��� *,��-�����
G� ��-�����H
9����
*��������������������(����������(
��������
9����
����������(����������(
��������
#%�) ��.%�� ����%'
��(��������
�-�������� ����2��� ����
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� !7 �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Low Loss NMR Cryostat
����� ��� � � ��������
9(����� ��& ������(����� ��� I�*�����������(
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� !� �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Low Loss NMR Cryostat
Magn
et
2 Helium vessel necks
Working inventory of theliquid helium reservoir
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� !< �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Low Loss NMR Cryostat
Magn
etLiquid nitrogenreservoir
3 Nitrogen reservoirneck tubes
2 Helium vessel necks
Horizontal support for thenitrogen vessel
Nitrogen Screen boretube (Full length)
Working inventory of theliquid helium reservoir
Horizontal support for theHelium Vessel
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� � �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Low Loss NMR Cryostat
Magn
etLiquid nitrogenreservoir
3 Nitrogen reservoirneck tubes
2 Helium vessel necks
Horizontal support for thenitrogen vessel
Horizontal support for theHelium Vessel and the GasCooled Screen
Gas Cooled Screen boretube (Half height)
Nitrogen Screen boretube (Full length)
Working inventory of theliquid helium reservoir
��%����������%����������%����������%��������
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �� �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Low Loss NMR Cryostat�+���'� �����5 '8 ≡ !! �� 3 ��
�< ������ ��� (��� ���� ��'�
$��� I�* '���! �� 3 ���� ������
� '���� ���� ��'�
����� ��� � � ��������
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �! �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Costs
D � ��
D � ��%�! )8
D �! ��D � ��
*����������
D 7�5 ��� �����D � '����� �� F
�5 8
�%������%��� *,��-�����
G� ��-�����H
#%�) 3 ��(��������
D !� ��
D � � ��6�5 )8
D �� 5 ��
D �5 ��� �����D !6 ��D �5
! �� 3 ���5 '8
$�& $��� I�* ����$���
#%�)
D �6 ��
D 6 � ��� )8
D � ��
D � ��� �����D 5 ��D !5
! �� 3 ���5 '8
$�& $��� I�* �����'���
9����
*��������������������(����������(
��������
9����
����������(����������(
��������
#%�) ��.%�� ����%'
��(��������
�-�������� ����2��� ����
I���� � *����4����( �� �%���(
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �� �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Wiggler Magnet� ,�%� �&� ���� ��(��������
! �������� ������
*������� ����%'
� � 8 �� ��! 0
����� ������ � !����� ��� � "���� ���
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �� �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Wiggler Magnet
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �5 �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Wiggler Magnet��(������� ���� ��������1
E� ��� 4��)�FE� ��� 4��)�FE� ��� 4��)�FE� ��� 4��)�F
� ����� &���� �� ��� ��������� ��� ������ ��� �����(������� ����� ��&����� ��'����� &��) �� /�*J������%���
9�� ���� ��� �� '��'������ ���� ����� &����%���%��������
����� ������ � !����� ��� � "���� ���
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �6 �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Costs
9����
*��������������������(����������(
��������
9����
����������(����������(
��������
#%�) ��.%�� ����%'
��(��������
�-�������� ����2��� ����
D 5 ����(�������� G*����������H
D < ��
D �� ��!6 )8
D �6 ��
D 7�5 ��� �����D !� �� ⇓⇓⇓⇓D ��
� � �� 3 �� 8
8���� ����
9������ ���� D !
I���� � *����4����( �� �%���(
D � ��
D � ��%�! )8
D �! ��D � ��
*����������
D 7�5 ��� �����D � '����� �� F
�5 8
�%������%��� *,��-�����
G� ��-�����H
#%�) 3 ��(��������
D !� ��
D � ! ��6�5 )8
D �� 5 ��
D �5 ��� �����D !6 ��D 5
! �� 3 ���5 '8
$�& $��� I�* ����$���
#%�)
D �6 ��
D 6 � ��� )8
D � ��
D � ��� �����D 5 7 ��D �
! �� 3 ���5 '8
$�& $��� I�* �����'���
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �7 �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
Costs
D � �� D ! ��� �����D �5 �� D !� ��� ������ ��.%�������
K�� �����
K�� �����D � ) �� D ! ) �� ��� 8D ! ) �� D � ) �� ��� 8D �5 ) �� ��� 8� �����������
D ! ) ��� � 3 ��� �.%��'��
D 5 ) ��� 8D 5 ) ��� 8� �.%��'��
5 8� 8 �� ��5 8
��'���$�& ���� ��(������
GI� ������ �����H
2�� ,�+�� �����+�������
�������%��%��
��-����/�4�����
4���-�����
D 7 ) ��D !5 ) �� ������ �����D ! � �� D � �D � ) �� D 65 )�.%��'��
#%�) ��(���2���%' *������������(�������
�������-� ��%��� ��� �������� ����������� � '����� �����
����� ������ � ��� ��������� � ��������� ��� �� �� �� ���� ���� �� �� ! �!
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Principles of Refrigeration MB / 12811
" ����� #������� $�� ! �!� ������ �� �� ������%�� &����%� ��� ���'����� �� ��� �%����� ��(����� ��� �(��������
,����
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 1 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Introduction� Introduction - Monroe Brothers Ltd
- Structure of the talk� Principles of Refrigeration - Carnot efficiency
- Real Efficiency- Costs
� Refrigeration Systems - Main components- Cold Box operation
� Superconducting RF cavities - Cooling requirements- Valve Box & transfer lines- Control
� Other Cooling Requirements - Cryocoolers- Economics versus practicalities
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 2 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Helium Liquefiers
Diamond LightSource Ltd
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 3 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Basic PrinciplesCompressor
PressureControlPanel
LiquefierCold Box
Helium dewar Cryogenic system
Highpressure
Helium two phase flow& return
Cold helium gasreturn
Gas buffer2 to 15 bar A
Warm heliumgas return
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 4 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Refrigeration at 4K ~ 100 W
Strobridge Plot
CH
C
R
CTT
TWqCOP −==
67qW
COP1
C
RIdeal
==
700300qW
COP1
CR
alRe→==
TC
TH
WR
qC
qH
R
0.1%
1.0%
10.0%
100.0%
1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06
Equivalent Refrigeration (Lowest temperature) Watts
Perce
nt of
Carno
t StrobridgeAir Liquide, Helial LiquefierLinde L series LiquefierLinde L series RefrigeratorStirLINStirlAIRSumitomo GMSumitomo PT Single stageSumitomo PT Tw o stageSumitomo StirlingQdrive AccousticCryomech GMCryomech PT Single stageCryomech PT Tw o stage
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 5 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Refrigeration at 4 K
CompressionTurbine expansionJoule ThomsonEfficient heat exchangers
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 6 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Refrigeration at 4 K
CompressionTurbine expansionJoule ThomsonEfficient heat exchangers
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 7 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Refrigeration at 4 K
CompressionTurbine expansionJoule ThomsonEfficient heat exchangers
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 8 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Refrigeration at 4 K
CompressionTurbine expansionJoule ThomsonEfficient heat exchangers
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 9 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Refrigeration at 4 K
CompressionTurbine expansionJoule ThomsonEfficient heat exchangers
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 10 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Refrigeration at 4 K
CompressionTurbine expansionJoule ThomsonEfficient heat exchangers
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 11 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Turbine Expansion� Valve
IsenthalpicConstant enthalpy
� Ideal TurbineIsentropicConstant entropy
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 12 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Turbine Expansion� Valve
IsenthalpicConstant enthalpy
� Ideal TurbineIsentropicConstant entropy
9.2 K
Turbine Expansion
13.8 bar A
10.0 bar A
6.0 bar A
3.0 bar A
1.15 bar A
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0Entropy kJ / kg.K
Temp
eratur
e K
35.8 K
50.0 K
40.1 K
18.0 K
11.7 K
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 13 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
� Turbine expansion– Temperature drop from to 50.0 K to 40.1 K 9.9 K– Temperature drop from to 18.0 K to 11.7 K 6.3 K
Compared to a total drop from 300 K to 4 K
Refrigeration at 4 K
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 14 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
0
50
100
150
200
250
300
Temp
eratur
e K
Heat Exchangers
Turbines
Refrigeration at 4 K
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 15 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
� Turbine expansion– Temperature drop from to 50.0 K to 40.1 K 9.9 K– Temperature drop from to 18.0 K to 11.7 K 6.3 K
Compared to a total drop from 300 K to 4 K
� Joule Thompson expansion– High pressure gas at 13.8 bar A and 5 K– Expansion to 1.3 bar A 4.5 K 63% liquid & 37% vapour
Refrigeration at 4 K
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 16 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
� JouleThompsonExpansion
Refrigeration at 4 KPressure Enthalpy Chart
JT Inversion Curve
3.50 K
4.22 K
4.80 K5.195 K
6.0 K
7.0 K
8.5 K 10.0 K
0.1
1.0
10.0
100.0
-10 0 10 20 30 40 50 60
Enthalpy kJ / kg
Pres
sure
bar A
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 17 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
� JouleThompsonExpansion
Refrigeration at 4 KPressure Enthalpy Chart
JT Inversion Curve
3.50 K
4.22 K
4.80 K5.195 K
6.0 K
7.0 K
8.5 K 10.0 K
0.1
1.0
10.0
100.0
-10 0 10 20 30 40 50 60
Enthalpy kJ / kg
Pres
sure
bar A
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 18 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
� JouleThompsonExpansion
Refrigeration at 4 K
5.0 K & 13.8 bar Ato
1.3 bar A (4.5 K)37.2 % vapour&62.8 % liquid
Pressure Enthalpy Chart
JT Inversion Curve
3.50 K
4.22 K
4.80 K5.195 K
6.0 K
7.0 K
8.5 K 10.0 K
0.1
1.0
10.0
100.0
-10 0 10 20 30 40 50 60
Enthalpy kJ / kg
Pres
sure
bar A
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 19 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
0
50
100
150
200
250
300
Temp
eratur
e K
Heat Exchangers
Turbines
Refrigeration at 4 K
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 20 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
The impact of a100 W heatload on thevapour returnline
Refrigeration at 4 K Notes11
5.6 K & 14.0 bar Ato
1.3 bar A (4.5 K)37.2 % vapour&62.8 % liquid46.9 % vapour&53.1 % liquid
Pressure Enthalpy Chart
JT Inversion Curve
3.50 K
4.22 K
4.80 K5.195 K
6.0 K
7.0 K
8.5 K 10.0 K
0.1
1.0
10.0
100.0
-10 0 10 20 30 40 50 60
Enthalpy kJ / kg
Pres
sure
bar A
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 21 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Helial 2000
0100200300400500600
0 30 60 90 120 150Liquefaction l / hr
Refrig
eratio
n W
Refrigeration & Liquefaction� Refrigeration - Gas returned cold Watts� Liquefaction - Gas returned warmed Liquid litres per hour
05
10152025303540
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00Liquefaction g / s
Refrig
eratio
n g /
s
303540455055606570
Turbi
ne Fl
ow R
ate g
/ s
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 22 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Pressure Control Panel
� PCVDifferential pressure control valveHolds the HP line at 15 bar above the LP line
� Increase InventoryAbsolute pressure control valveHolds the LP line at 1.05 bar by drawing gas from the buffertank
� Reduce InventoryAbsolute pressure control valve
Vents gas from the HP line when the LP line is high
PCV
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 23 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Third Turbine
�Follow the lines ofconstant entropy
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 24 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Third TurbinePressure Enthalpy Chart
JT Inversion Curve
3.50 K
4.22 K
4.80 K5.195 K
6.0 K
7.0 K
8.5 K 10.0 K
14.0 bar A, 7.0 K
14.0 bar A, 6.0 K
14.0 bar A, 5.0 K
14.0 bar A, 4.0 K
0.1
1.0
10.0
100.0
-10 0 10 20 30 40 50 60
Enthalpy kJ / kg
Pres
sure
bar A
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 25 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Third TurbinePressure Enthalpy Chart
JT Inversion Curve
3.50 K
4.22 K
4.80 K5.195 K
6.0 K
7.0 K
8.5 K 10.0 K
14.0 bar A, 7.0 K
14.0 bar A, 6.0 K
14.0 bar A, 5.0 K
14.0 bar A, 4.0 K
0.1
1.0
10.0
100.0
-10 0 10 20 30 40 50 60
Enthalpy kJ / kg
Pres
sure
bar A
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 26 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Third Turbine
�Follow the lines ofconstant entropy
� Install a turbinebefore the JT valve
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 27 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Third Turbine
�Follow the lines ofconstant entropy
� Install a turbinebefore the JT valve
Notes15
Third turbine(+water brakecircuit)
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 28 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Third TurbinePressure Enthalpy Chart
JT Inversion Curve
3.50 K
4.22 K
4.80 K5.195 K
6.0 K
7.0 K
8.5 K 10.0 K
14.0 bar A, 7.0 K
14.0 bar A, 6.0 K
14.0 bar A, 5.0 K
14.0 bar A, 4.0 K
0.1
1.0
10.0
100.0
-10 0 10 20 30 40 50 60
Enthalpy kJ / kg
Pres
sure
bar A
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 29 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Third Turbine� JT Expansion
� Turbine + JTExpansion
5.0 K & 13.8 bar Ato
1.3 bar A (4.5 K)37.2 % vapour &62.8 % liquid599 W
14.4 % vapour &85.6 % liquid816 W
Pressure Enthalpy Chart
JT Inversion Curve
3.50 K
4.22 K
4.80 K5.195 K
6.0 K
7.0 K
8.5 K 10.0 K
14.0 bar A, 7.0 K
14.0 bar A, 6.0 K
14.0 bar A, 5.0 K
14.0 bar A, 4.0 K
0.1
1.0
10.0
100.0
-10 0 10 20 30 40 50 60
Enthalpy kJ / kg
Pres
sure
bar A
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 30 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Sensitivities� Contamination� Incorrect pressures on the turbines� Low pressure or high temperature on the JT valve� High pressure drop on the return gas line� High temperature on the return gas
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 31 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
CompressorCompressorOil Removal SystemGas Management
Panel
Second Compressor� Redundancy� Maintenance
scheduling Diamond Light Source Ltd
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 32 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Buffer Tank� Either Small buffer regulate the LP / HP line pressures� Or Large buffer regulate the LP / HP line pressures
plus hold the entire helium inventory2000 liquid litres2 bar A to 15 bar A115 m³
Diamond Light Source Ltd
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 33 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Adsorbers
80 K AdsorberSingle or parallel20 K AdsorberNormally single
MEDSI Shanghai 302-2 Refrigeration at 4K.ppt Page 34 of 34 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Refrigeration Systems MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Finish
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� � � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Introduction
� ���������� � ����� $������� %��� ��������� � ��� ��&*
� ������&�� � �� �������� � ����� � �����)� ���& � �����)� �����
� �� �������� �)���(� � ��� ��(������ ��&� $�+ ��������
� ������������ �� �������������������� �� �������������������� �� �������������������� �� �������� ���� ���&� ��,����(������&� ��,����(������&� ��,����(������&� ��,����(������� -�&�� $�+ . ���� �� &���-�&�� $�+ . ���� �� &���-�&�� $�+ . ���� �� &���-�&�� $�+ . ���� �� &������� �����&�����&�����&�����&
� "���� ���&� ��,����(��� � ��)����&���� ����(��� ������ ��������&�����
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� � � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Technologies Superconductivity
������������ �� ��������
� ���(�� %��� ������ %��� �)������� ��� ���(/� ������������
����������
����� ����� �� ������� ����� ���� ���
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� � � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Technologies Suerconductivity
RF Cavities
1E+041E+051E+061E+071E+081E+091E+101E+11
1 10 100 1000Temperature K
Qo
QoQo PadamseeInterpolation
����� ����� �� ������� ����� ���� ���
������ � �
������������ �� ��������
� ���(�� %��� ������ %��� �)������� ��� ���(/� ������������
����������
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� ! � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Technologies Suerconductivity
����� ����� �� ������� ����� ���� ���
���( ��(��������~ ���'���� �� �� �&�������& ��'��~ �&�� ���&�
! 0 1 %�,��� 2�&��( 3�(�������� 4��567�8~ 9 : � �� �� �&�������& ��'��~ 2�&��( &�,�� ��� �� �9 *: � �&�������&
��'��~ ;��&��) �(�����(���
������������ �� ��������
� ���(�� %��� ������ %��� �)������� ��� ���(/� ������������
����������
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� 9 � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Technologies Suerconductivity
����� ����� �� ������� ����� ���� ���
������������ �� ��������
� ���(�� %��� ������ %��� �)������� ��� ���(/� ������������
����������
� : ��� �����)�&��
9 : ������<����
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� 5 � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Large Scale refrigeration Systems
Large Scale Helium Refrigeration Systems
Helia
l ML
Helia
l LL
L70
L140
L280
L141
0 / L1
610
Cryo
coole
rs
Helia
l SL0
200
400
600
800
1000
1200
1400Re
frigera
tion W
���� ��( ��� ������%�,�� ����� ������ ������� �� ����(��� ��� �� �������� ��'��
3)����&�)����������&�������
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� = � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Basic Principles��(�������
�������������&���&
%�,�� �����&� $�+
2����������
2�&��( ��'��
2�&��( �'� ����� &�'. �����
��)���� �)���(
>�� <� ��� �� �9 <�� ?
:��( ��&��(�� �����
������ ����� �� ������� ����� ���� ���
��&� ��&��( �� �����
%�,��� ��&��( &�'
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� @ � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
%�,��� ��&��( &�'
Process Control��(�������
�������������&���&
%�,�� �����&� $�+
2�&��( ��'�����9 <�� ?
��)���� �)���(���9 <�� ?
%�' ���������� 9 <�� ?
��&� ��&��( �� �����
>�� <� ��� �� �9 <�� ?
:��( ��&��( �� �����
�������������&%���& �����&2�����
����& �� �����&
-�&�� <�+
������� ����� ���� ���
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� 6 � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
��&� ��&��( �� �����
%�,��� ��&��( &�'
Process Control��(�������
�������������&���&
%�,�� �����&� $�+
2�&��( ��'�����9 <�� ?
��)���� �)���(���9 <�� ?
%�' ���������� 9 <�� ?
>�� <� ��� �� �9 <�� ?
:��( ��&��( �� �����
�������������&%���& �����&2�����
����& �� �����&
-�&�� <�+
�������������� �������
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� � � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
��&� ��&��( �� �����
%�,��� ��&��( &�'
Process Control��(�������
�������������&���&
%�,�� �����&� $�+
2�&��( ��'�����9 <�� ?
��)���� �)���(���9 <�� ?
%�' ���������� 9 <�� ?
>�� <� ��� �� �9 <�� ?
:��( ��&��( �� �����
�������������&%���& �����&2�����
����& �� �����&
-�&�� <�+
������� ����� ���� ���
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �� � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Process Control - Linde Valve Box
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �� � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Process Control
������ ����� ������������� ��������� ���� � ������������ !����� ���� � ������"������# $��� �������� ���#�������� � ��##�������
������� ���� <) ������ �� �������%����� ������ <) ? � ������ �� ��������%��
��A� �������� <) ��� �(<�� � ��&������������ � ���&����(���<&� "-�
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �� � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Process Control
������ ����� ������������� ��������� ���� � ������������ !����� ���� � ������"������# $��� �������� ���#�������� � ��##�������
������� ���� <) ������ �� �������%����� ������ <) ? � ������ �� ��������%��
��A� �������� <) ��� �(<�� � ��&������������ � ���&����(���<&� "-�
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �! � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Process Control
������ ����� ������������� ��������� ���� � ������������ !����� ���� � ������"������# $��� �������� ���#�������� � ��##�������
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �9 � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Transfer Lines - Justification
� : B (��?)-����( ���&����C �� : B (��?)-����( ���&����
��&�� &�'
� : B (��?)���( ���&�����@ : B (���� ���%�,��� �����D���&���� ����
5 : B (���&& ���%�,��� �����D���&���� ����� 9 : B (���� ���%�,��� ��&��(D���&���� ����
= : B (���&& ���%�,��� ��&��(D���&���� ����2��� %���?�� ����������)��
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �5 � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Construction Details
Lowconductivity
spacer Vacuum space(Multilayer
superinsulation) Flowpipe
Vacuum jacket
Heat Load of 1 W / m
3���(�& �����������$�&&�'� ����������� ������ �����&���
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �= � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Multiflow Transfer LinesLiquidheliumCold helium
gas return
Liquid nitrogencooled screen
Liquid nitrogenpath
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �@ � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Multiflow Transfer Lines
%�,��� ��&��( &�'
2�&��( �� �����%�,��� ����� &�'
?<���E � �����( ���&����5 ��<� ���� �� ����)�&�,��� ��&��(F ��&� ��&��(�� �� &�,��� �����
����E � �����(���&���� ! ��<� ����F
�)����&&) �� ����)�&�,��� ��&��( �� ��&��(
�� ������
������ ����� �� "�%�������EBB'''��+�����
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �6 � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Multiflow Transfer Lines
��9 : B (��9 : B ("���� &�' ���� � 9 : B (����&� ��&�� &�' ����
� : B ( � � : B ( � � : B (�����& &�' ����� 3�<�! 3�<�5 3�<�
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� � � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Cryogenic Valves
2��&� ����������
-����( �����4��&��&�)��
��������&����8�&�'����
-�&���&�
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �� � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Welded Transfer Line Connection
Welded joint sleeve
Long thermal path length,thin wall, low heat load
Vacuum space(Multilayer superinsulationand sorb pump)
Flow pipe
Pump out port
Flow pipe closing weld
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �� � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Vacuum Insulated Pipeline Technology
Joint sectionTypical 6 metrepipe length
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �� � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Bayonet Couplings
%� ���� &���F��� '�&&F%�' ���� &���
-����( ����� 4��&��&�)����������&����8
�&�' ����
?(<��� ��(��������������� G���
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �! � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Modular Tranfser Line Systems
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �9 � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Liquid helium
Multiflow Couplings
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �5 � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Liquid helium
Cold helium gas return
Multiflow Couplings
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �= � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Liquid helium
Cold helium gas return
Liquid nitrogen
Multiflow Couplings
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �@ � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Liquid helium
Cold helium gas return
Liquid nitrogen
Multiflow Couplings
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �6 � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Multiflow Couplings����� ����� �� �#�������� �� ����� ����
� ����& ��*�� ����&��� -����( <���*� �������� �������� �����
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� � � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Pressure Drop�������� -�&����������� ���� �������& �� ������&�' ���� �������&�' ���� ���������
h
2
d.G
2f
LP
ρ=∆∆
5h
2
2 d.m16
2f
LP
ρπ=∆∆
AmG
'
= > (��� &�' ��� ��� ����H �����)�� �)����&�� ���(���� ������ ��� �����
�������� ���� ��� ��� &���
��A� �� �����) ����� �������� . ���&��'
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �� � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Pressure Drop - Friction Coefficient
)Re64,Re
316.0max(f 25.0=
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �� � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Pressure Drop�������� -�&����������� ���� �������& �� ������&�' ���� �������&�' ���� ���������
h
2
d.G
2f
LP
ρ=∆∆
5h
2
2 d.m16
2f
LP
ρπ=∆∆
AmG
'
= > (��� &�' ��� ��� ����H �����)�� �)����&�� ���(���� ������ ��� �����
�������� ���� ��� ��� &���
��A� �� �����) ����� �������� . ���&��'
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �� � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Pipeline Sizing
� ������) ��� � I � ���(�����,����&�� �� � 9 I �������� � �������� ����
� "���� �������� �����1 ������ ����� ��� (��(����1 $���1 ����� � �����%�(�� ����� �� ���� ���) ��� &��� ��� ��� ������)
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �! � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Two Phase Flow
��5�5��9��
6�I
���5@�56 ==6� I�� �
�� B �3���& &�' ������ B �-����� &�' ����
-����� ,��&��)
�� B �%�,��� &�' ����* B (J-����� �����)* B (J%�,��� �����)<) (���-����� ,��&��)<�� >�������� B ��&�' ����
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �9 � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Two Phase Flow
Nitrogen Vapour Quality
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0% 20% 40% 60% 80% 100%Quality by Mass
Quali
ty by
Volu
me 0.0 bar G
2.0 bar G
5.0 bar G
10.0 bar G
15.0 bar G
����� � ���� �� ����) &�,���K��A� � ���� �� ����) � ��&�(��
3�� &����� �� ����&) � &�����<) ��� L'����M �� ��������
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �5 � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Two Phase Flow
D�� ��� %��*���� ������&&� (�����
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �= � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Lockhart Martinelli - Two Phase Flow Pressure Drop��&��&��� ��� ������������ �� � ��� &�,���&�,���&�,���&�,����&�� �������� ��� �����
��&��&��� ��� ������������ �� � ��� �������� �&���������� ��� �����LDL
DPVDL
DP
V
Ltt
DLDPDLDP
X =
tt
tt2
tt
X1XCX +⋅+
=Φ
L
2
TP DLDP
DLDP ⋅Φ=3'� ����� �������� ����
%�(���%�(���9%�(���3��<�&���
3��<�&��%�(�����3��<�&��3��<�&���
>�� �&�'%�,��� �&�'����
���� ��A� �� � �� � &����� <) ��� ���&��' �������� � ��&� �����
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �@ � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Control Valves
� 3����'E ����� � ��� �&& &�' �������) �� (��(�( &�'
$�&& �����& ��&�� @ ����)� �&�'�����>&�<� ��&�� � $���� (���� ��&��F���2�� ,��&��) &�<� ��&�� 9 :�*� ��)���� ��&��
��N� ������A� �����& ��&���/� ��A� �� �+���(� ��������
1 (�� &�'F (�+� �������� ����F (�� ������ ,��&��)1 (�+ &�'F (� �������� ����F (�+ ������ ,��&��)
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� �6 � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Control Valves
� ��A��� D� >�&&�� � '���� � ���0� (J B �� � '���� � <��0� &����� B (� � '���� � <��
PGQCv ∆= P
GQKv ∆=
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� ! � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Control Valves
� �&�' ���� �� ���&��'� ��� � �����& &�' �� ��)���� ��������� 2��� &��� � ��� ����&) &�� �� ��� �� �������� -�������� � ��� ����&) ��������� -�������� � ��� ��'�����( ��������
%�,��� ����� �)���(�� -�������� � ��� ������ ��������
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� !� � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Control ValvesValve Lift Flow Curve
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0% 20% 40% 60% 80% 100%Opening
Trim
Cap
acity
Linear Trim
Equal Percentage Trim
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� !� � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
Cryogenic Valves
� %�' ���� &���� >��� ��� ��'� ��&���&� ���(� �� �
��� ��&�� <��)� �����(���� ���( ��
��)���� ���&�������� ��&��<�&��)
:�*� ?>F �'��A��&��
Valve Trim Characteristics
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
0% 20% 40% 60% 80% 100%Valve Lift
Valve
Kv
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� !� � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
��&� ��&��( �� �����
%�,��� ��&��( &�'
Return Line Pressure Drop��(�������
�������������&���&
%�,�� �����&� $�+
2�&��( ��'�����9 <�� ?
��)���� �)���(���9 <�� ?
%�' ���������� 9 <�� ?
>�� <� ��� �� �9 <�� ?
:��( ��&��( �� �����
�������������&%���& �����&
����& �� �����&
-�&�� <�+
���<&��������� ����(��������
��&� $�+O �� <�� ?
�������� �����& ��&��O � @ <�� ?
����� &��O � � <�� ?
����� ������ � ��� ������������ �� ������������ ��� !! � !! ���� ���� �! "�� � ��
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Superconducting RF Cavities MB / 12811
# ����� $������� %�� � ��� �&���� �� �� ��������� '������ ��� ���(����� � ��� ������� ��)����� �� �)��������
�����
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 1 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Introduction
� Introduction - Monroe Brothers Ltd- Structure of the talk
� Principles of Refrigeration - Carnot efficiency- Real Efficiency- Costs
� Refrigeration Systems - Main components- Cold Box operation
� Superconducting RF cavities - Cooling requirements- Valve Box & transfer lines- Control
� Other Cooling Requirements - Cryocoolers- Economics versus practicalities
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 2 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Large Scale refrigeration Systems
Large Scale Helium Refrigeration Systems
Helia
l ML
Helia
l LL
L70
L140
L280
L141
0 / L1
610
Cryo
coole
rs
Helia
l SL0
200
400
600
800
1000
1200
1400Re
frigera
tion W
Data from the internetLiquefaction duties factored to estimate the Refrigeration power
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 3 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Cryocoolers
� Cooling powers up to 1.5 W at 4 K40 W at 45 K
� Enabling technologyHTSC leads
� Zero Loss - cryostats with zero boil-off� Dry Systems - no inventory of cryogens
Sumitomo SRDK-415DImage courtesy of Sumitomo Heavy Industries
Cryogenics Group
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 4 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Refrigeration at 4K ~ 1 W
Strobridge Plot
CH
C
R
CTT
TWqCOP −==
67qW
COP1
C
RIdeal
==
5000qW
COP1
CR
alRe==
TC
TH
WR
qC
qH
R
0.1%
1.0%
10.0%
100.0%
1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06
Equivalent Refrigeration (Lowest temperature) Watts
Perce
nt of
Carno
t StrobridgeAir Liquide, Helial LiquefierLinde L series LiquefierLinde L series RefrigeratorStirLINStirlAIRSumitomo GMSumitomo PT Single stageSumitomo PT Tw o stageSumitomo StirlingQdrive AccousticCryomech GMCryomech PT Single stageCryomech PT Tw o stage
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 5 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Costs
$ 100 k to $ 200 k pa per W
$ 10 to $ 20 per litre
Bulk Cryogens
$ 2 k to $ 4 k pa per W
$ 20 k per l / hr
$ 5 k per W
500 W
$ 0.50 to $ 2.00 per litre
$ 700 k pa$ 2 M to 4 M
Helium Refrigerator
$ 15 k pa per W$ 50 k per W
1 W to 1.5 W
$ 25 k pa$ 40 k to $ 65 k
Cryocooler
Specific Costs
Specific Costs- refrigeration
- equipment
- equipment
- liquefaction
Operating costsEquipment
Design the cryostat to match the capacity of a cryocoolerAvoid the equipment cost of a Liquefier
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 6 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Principles
� Four steps CompressionCoolingExpansionHeating
� Regenerator
Notes2
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 7 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Principles
Thot
Tcold
Compressthe gasWork WH
Rejectheat QH
Step 2
Rege
nerat
or
Thot
Tcold
Warm gasexits theregenerator
Cold gasenters theregenerator
Step 1Re
gene
rator
Absorbheat QC
Expand thegasWork WC
Step 4
Rege
nerat
or
Warm gasenters theregenerator
Cold gasexits theregenerator
Step 3
Rege
nerat
or
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 8 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Regenerator - Ideal Properties
� Perfect insulator along the length� High thermal conductivity at the surface� High thermal capacity� Large surface area� Low flow impedance
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 9 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Subcomponents
� Compressor (air cooled or water cooled)� Regenerator� Displacer� Coldhead
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 10 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Cryocooler Types
Orifice instead ofcold displacer.
No cold moving parts.
Valves on thecoldhead to
sequence the colddisplacer movement
Phase shift betweenthe compressor andthe cold displacer
�Vertical axis for thecoldhead
�?
�Vibration�Compressor closeto the coldhead
�Effective�Remote
compressor�Low vibration�Low maintenance
�Effective�Remote
compressor
�Efficient�Reliable�Low vibration
Pulse TubeCooler
Gifford McMahonStirling Cycle
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 11 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Two Stage Cooler Capacity CurvesCryomech PT407
0 W
20 W 30 W 37 W
0.0 W
0.3 W
0.5 W
0.7 W
1.0 W
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
5.50
25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0First Stage Temperature K
Seco
nd St
age T
empe
rature
K
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 12 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Two Stage Cooler Capacity CurvesCryomech PT407
0 W
20 W 30 W 37 W
0.0 W
0.3 W
0.5 W
0.7 W
1.0 W
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
5.50
25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0First Stage Temperature K
Seco
nd St
age T
empe
rature
K
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 13 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Two Stage Cooler Capacity CurvesCryomech PT407
0 W
20 W 30 W 37 W
0.0 W
0.3 W
0.5 W
0.7 W
1.0 W
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 14 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Two Stage Cooler Capacity CurvesCryomech PT407
0 W
20 W 30 W 37 W
0.0 W
0.3 W
0.5 W
0.7 W
1.0 W
23 W at 48 K and 0.65 W at 4.2 K
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 15 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Cryocoolers versus Helium Liquefiers
Infrastructure $ 200 kValve Box $ 100 k
$ 1 500 k$ 80 kTOTAL
Dewar $ 50 kCryostat mounting $ 40 kInfrastructure
Transfer lines $ 100 k
Liquefier $ 1 000 kLiquefier $ 40 kEquipment CostLiquefierCryocooler
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 16 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Zero Loss and Cryogen Free
Zero Loss Cryogen inventoryColdhead recondenses cryogens
Cryogen Free No cryogen inventoryColdhead connects directly to the system
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 17 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Advantages of Cryocoolers
Zero Loss� Independent of cryogen supply
Cryogen Free� Reduced fabrication cost� Reduced pressure vessel coding requirements� Simplified pressure reliefSo what is holding back the applications?
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 18 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Technical Challenges
� Limited power� Thermal links� Point heat loads� Magnet quenching� Cryocooler maintenance & loss of performance� Lack of countercooling� HTSC leads� Undercooling (? zero loss systems only)� Vibration
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 19 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Cryocoolers
� Cooling powers up to 1.5 W at 4K40 W at 45 K
� HTSC leads� Cryostats with zero boil-off� Systems with no inventory of cryogens
Sumitomo SRDK-415DImages courtesy of Sumitomo Heavy
IndustriesCryogenics Group
20
Typical Load Map of 4K-GM(50Hz)
4K-GM Typical Load Map (50Hz)
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0
1st Stage Temp. [K]
2nd S
tage T
emp.
[K]
0W0W
15W 30W
0.2W
0.4W
0.6W
RDK-415DRDK-408D2RDK-305DRDK-205DRDK-101D
0W 3W5W0W
0.5W
0.7W0.2W
0.1W
0.3W
0W2W0W 1W
3W4W
80W0W 20W 40W 60W0W
1W
4W
0W20W
40W0W
1.5W
5W
21
Typical Load Map of 4K-GM(60Hz)
4K-GM Typical Load Map (60Hz)
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.01st Stage Temp. [K]
2nd S
tage T
emp.
[K]RDK-415DRDK-408D2RDK-305DRDK-205DRDK-101D
0W0W 20W 40W
0.2W
0.4W
0.6W
0W 4W 6W0W
0.5W0.7W
0.2W
0.1W
0.3W
0W 2W0W 1W 3W 4W
80W0W 20W 40W 60W0W
1W
4W
0W 20W 40W0W
1.5W
5W
5W
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 22 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Cryocoolers
� Cooling powers up to 1.5 W at 4K40 W at 45 K
� HTSC leads� Cryostats with zero boil-off� Systems with no inventory of cryogens
Cryomech PT410
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 23 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Cryocoolers for HTS
� Useful coolingbetween from20 K upwards
� Cryomech� Dry systems
orZero Loss(wet systems)
� Other suppliers
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 24 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Cryogens, Cryoolers & HTS ApplicationsCryogen coolant:Easier to design andbuild than a dry system
Helium
Neon
Nitrogen
OxygenArgon
Hydrogen
0.01
0.10
1.00
10.00
100.00
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Temperature K
Pres
sure
bar A
Unfortunatelynature has not given us
a working cryogenbetween
40 K and 60 K
Useful working temperature ofthe currently available HTS:� Above 20K
Ccryocoolers are providinguseful cooling powers;
� Below 60 KWarmer than this, theuseful performance ofHTS’s is disappearing.
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 25 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Wiggler Magnet
� Four two stage cryocoolers
2 radiation screens
Recondensing helium
� 3 W at 4.2 K
Image courtesy of Diamond Light Source Ltd
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 26 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Wiggler Magnet
Cryocooler DesignPrinciple:
Go for broke!
If the heat loads exceedthe cryocooler capacity thenremedial work is VERYdifficult.
The design has to minimisethe heat loads withoutcountercooling
Image courtesy of Diamond Light Source Ltd
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 27 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Costs
Total
RefrigeratorElectricityElectricity
Maintenance
Total
ElectricityElectricity
Maintenance
Bulk liquid helium
Cryocoolers
Evaporation rateHeat load
$ 50 000 paCryocoolers (Refrigerator)
$ 90 000 pa
$ 41 000 pa26 kW
$ 46 000 pa
$ 7.50$ 280 000 pa
$ 180 000
4 300 cc / h3 W
Wiggler Magnet
Transfer lines $ 200 000
Noise - Reliability of Supply
$ 400 000 pa
$ 4 000 000 plus200 kW
$ 320 000 pa$ 80 000 pa
Refrigerator
$ 7.50 per litre$ 30 million pa !
350 W
Superconducting RFCavities
(3 Cavities)
Bulk / Cryocoolers
$ 24 000 pa
$ 10 200 pa6.5 kW
$ 13 500 pa
$ 15 per litre$ 26 000 pa
$ 50 000
200 cc / hr150 mW
Low Loss NMR MagnetLarge
Bulk
$ 16 000 pa
$ 6 300 pa4 kW
$ 10 000 pa
$ 30 per litre$ 5 700 pa$ 30 000
20 cc / hr15 mW
Low Loss NMRMagnetSmall
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 28 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Technology
Wiggler
Wiggler
Level control
Levelcontrol2 000 l dewar
Isolation
Labyrinth
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 29 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Technology
2 000 l dewar
Isolation
Labyrinth
Wiggler
Wiggler
Level control
Levelcontrol
Compressorsuction
Gas monitoring
Batch FillingLiquid nitrogen shieldminimises thequantity of liquidhelium for thecooldown
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 30 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Technology
2 000 l dewar
Isolation
Wiggler
Wiggler
Level control
Levelcontrol
Labyrinth
Compressorsuction
Gas monitoring
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 31 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Cost Evaluation
Cryocoolers
$ 90 k
$ 180 k
paElectricity, maintenance,water
Cryocoolers
Transfer lines from a liquefier or dewar batch filled from theliquefier
pa$ 50 k4 litres / hr at $ 1.50 per litreHelium consumption
Transfer lines to Liquefier
$ 200 kTotal EquipmentCost
$ 50 kOther equipment$ 150 k100 mTransfer lines
Running Costs
Other Considerations�Real marginal cost of liquid helium�Convenience of factory test, site test commissioning a unit with cryocoolers
MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 32 of 33 Print date 14 Oct 2012
Monroe Brothers LtdCryogenics for Synchrotrons Cryocoolers MB / 12811
© Monroe Brothers Ltd 2012. Please do not reproduce without the permission of the author. Cryogenics for Synchrotrons
Introduction
� Introduction - Monroe Brothers Ltd- Structure of the talk
� Principles of Refrigeration - Carnot efficiency- Real Efficiency- Costs
� Refrigeration Systems - Main components- Cold Box operation
� Superconducting RF cavities - Cooling requirements- Valve Box & transfer lines- Control
� Other Cooling Requirements - Cryocoolers- Economics versus practicalities