Dynamic modelling of incidents for the protection of helium cryostats against excessive pressure

Heliumkryostate sind meist vakuumisolierte Druckbehälter, die in den Anwendungsbereich der Druckgeräterichtline (European Pressure Equipment Directive 2014/68/EU, PED) fallen. Heliumkryostate werden bei Temperaturen von typischerweise T < 10K betrieben und sind oft mit technischen Anwendungen der Supraleitung verbunden. Dazu gehören zum Beispiel supraleitende Magnetsysteme für die Magnetresonanztomographie (MRT), die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), die Teilchenphysik und Kernfusion, supraleitende hochfrequente Kavitäten, Squids und Quantencomputer. Die Technologie für den Niedertemperaturbetrieb in Form von Helium-Kälteanlagen, Verflüssigern und Transfersystemen ist ebenfalls enthalten.
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Nach der PED müssen Druckgeräte vor Überdruck geschützt werden. Bei Heliumkryostaten bestehen mehrere Risiken für einen Druckanstieg, wobei der Verlust des Isolationsvakuums (engl.: Loss of insulating vacuum, LIV) oft die maximal zu erwartende Störung (engl.: Maximum credible incident, MCI) darstellt. In diesem Fall wird hauptsächlich die latente und sensible Wärme des desublimierenden Luftstroms auf das Heliumsystem übertragen. Zusätzliche Wärmelasten können durch die in supraleitenden Komponenten gespeicherte Energie entstehen. Bei steigender Temperatur werden Supraleiter resistiv und die gespeicherte Energie wird als Wärme dissipiert. Etablierte Standards für den Schutz von kryogenen Lagerbehältern gegen Überdruck decken die Bedingungen in Heliumkryostaten nicht vollständig ab, da die aktiven internen Komponenten das Risikopotenzial maßgeblich beeinflussen.

Aufgrund der niedrigen Betriebstemperatur sind die Wärmeströme im Fall von Störungen groß und die geringe Verdampfungsenthalpie des flüssigen Heliums verursacht große Druckanstiegsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von (bar s−1). Die Absicherung von Heliumkryostaten gegen unzulässigen Überdruck erfordert daher ein detailliertes Verständnis der Prozessdynamik. Ein Dimensionierungsverfahren für Druckentlastungseinrichtungen (engl.: Pressure relief device PRD) unter solchen Bedingungen existiert jedoch noch nicht. Bisher basiert die Dimensionierung von PRDs oft auf einigen wenigen konstanten Wärmestromwerten, was zu potenziell überdimensionierten PRDs führt. Bei Druckentlastungsventilen (engl.: Pressure relief valves PRV) kann die Überdimensionierung zu instabilem Betrieb mit reduzierter Abblasekapazität, unzulässigem Überdruck und Beschädigung des PRV führen.

Das LIV-Szenario als typisches MCI wird in dieser Arbeit mit Schwerpunkt auf dem Wärmeübertragungsmechanismus untersucht. Verschiedene Modelle für die Dimensionierung von PRDs werden verglichen und ihre Anwendbarkeit für Heliumkryostate bewertet.

Als Weiterentwicklung eines bestehenden dynamischen Grundmodells wird der Wärmeübergang vom Vakuumraum zum Heliumsystem durch eine transiente Wärmeübergangsgleichung modelliert. Die resultierenden eindimensionalen Differentialgleichungssysteme berücksichtigen die konvektive Wärmeübertragung sowohl von der Luft als auch auf das Helium, die Wärmeleitung in der kryogenen Behälterwand und einen Wärmewiderstand durch thermische Isolierung.

Das transiente Wärmeübergangsmodell und das Dimensionierungsverfahren werden durch Experimente im kryogenen Sicherheitsprüfstand PICARD am Institut für Technische Physik des KIT validiert. Vor den Experimenten wurde die Anlage modifiziert und das Messsystem erweitert. In der experimentellen Studie werden Parameter wie der Belüftungsdurchmesser, der Füllstand des flüssigen Heliums, der Einstelldruck des PRV und die Art des PRV variiert. Zusätzlich wird der Einfluss von Superisolation (engl.: Multi-Layer-Insulation MLI), auf die Wärmeübertragung untersucht.

Neben Experimenten und Modellierung leistete diese Arbeit wesentliche Beiträge zur Entwicklung der neuen Europäischen Norm EN 17527 “Heliumkryostate – Schutz vor unzulässigem Überdruck”, die in Kürze von CEN/TC 268/WG6 veröffentlicht wird.

Helium cryostats are commonly vacuum-insulated, pressurised systems that fall under the scope of the European Pressure Equipment Directive 2014/68/EU (PED). Operated at temperatures of typically T < 10K, helium cryostats are often related to technical applications of superconductivity. This includes, for example, superconducting magnet systems used in magnetic resonance imaging (MRI), nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), particle physics and nuclear fusion, superconducting radio-frequency cavities, squids and quantum computing. The technology to provide low temperature operation in the form of helium refrigerators, liquefiers and transfer systems is also included in the applications of helium cryostats.
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Under the PED, all pressure equipment must be protected against excessive pressure. In the context of helium cryostats, several risks for pressure increase exist, whereby loss of insulating vacuum (LIV) often constitutes a maximum credible incident (MCI). In case of LIV, the latent and sensible heat of the de-sublimation airflow is predominantly transferred
to the helium system. Additional heat loads may arise from the energy stored in superconducting components, which become resistive at increasing temperature. Established standards for the protection of cryogenic storage vessels against excessive pressure do not cover the conditions in helium cryostats as active internal components significantly influence the risk potential.

Due to the low operating temperature, incidental heat fluxes are large and the low vaporisationenthalpy of liquid helium causes large pressure rise rates in the order of (bar s−1). Therefore, the protection of helium cryostats against excessive pressure requires a detailed understanding of the process dynamics. A dimensioning procedure for pressure relief devices (PRDs) under such conditions, however, does not yet exist. Currently, dimensioning of PRDs is often based on a small number of constant heat flux values, resulting in potentially oversized PRDs. In the case of pressure relief valves (PRV), over-sizing can result in unstable operation with reduced discharge capacity, inadmissible overpressure and damage of the PRV.

In this document, the LIV scenario as a typical MCI is investigated with a focus on the heat transfer mechanism. More specifically, different models for the dimensioning of PRDs are compared and their applicability for helium cryostats is evaluated. As a further development of an existing basic dynamic model, the heat transfer from the vacuum space to the helium system is modelled by a transient heat transfer equation. The resulting onedimensional differential equation system considers the heat transfer, both from the air to the wall and from the wall to the helium, the heat conduction in the cryogenic vessel wall and a thermal resistance due to thermal insulation.

The transient heat transfer model and the dimensioning procedure are validated with experiments performed in the cryogenic safety test facility PICARD at the Institute of Technical Physics at KIT. In the experimental study, parameters such as the venting diameter, the initial liquid helium level, the set pressure of the PRV and the type of PRV are varied. Additionally, the influence of multi-layer insulation (MLI) on the heat flux is investigated.

Beside novel experiments and modelling, this dissertation provided substantial contributions to the development of the new European Standard EN 17527 “Helium cryostats – protection against excessive pressure” (Publication by CEN/TC 268/WG6 forthcoming).