Wärmeübertrager in CO₂-Kältesys­teme des CERN integriert

Das CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung, ist eine Großforschungseinrichtung, in der mit Hilfe großer Teilchenbeschleuniger der Aufbau der Materie erforscht wird.
Bild: CERN

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

Große Ultrahochdruck-Wärmeübertrager von SWEP, installiert am Standort des CMS-Detektors in Cessy, Frankreich.
Bild: SWEP

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

SWEP Lead Business Engineer Stefan Brohm bei den neuen CO2-Kältesystemen für die CERN-Detektoren CMS und ATLAS, die für die Kühlung auf -53 °C optimiert wurden.
Bild: SWEP

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-Experiments 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

Die Anlagen für Detektorkühlsysteme sollen von 2030 bis 2045 betrieben werden, die gelöteten Plattenwärmeübertrager von SWEP sind auf diesem Foto schon teilweise installiert.
Bild: SWEP

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.