cryogenic lecture.pdf

155
MEDSI Shanghai 300-2 Introduction.ppt Page 1 of 6 Print date 15 Oct 2012 Monroe Brothers Ltd Cryogenics 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

Upload: pranab

Post on 13-Dec-2015

129 views

Category:

Documents


6 download

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 +⋅+

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

MEDSI Shanghai 301-3 Cryocoolers.ppt Page 33 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

Finish