| A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | AA | AB | AC | AD | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | Cooling Air Flow Stages | Color key: | ||||||||||||||||||||||||||||
2 | Contact: jhsilber@lbl.gov | INPUT | ||||||||||||||||||||||||||||
3 | CALCULATED | |||||||||||||||||||||||||||||
4 | Version history | LINKED | ||||||||||||||||||||||||||||
5 | v1 - June 24, 2025 - initial version | |||||||||||||||||||||||||||||
6 | v2 - June 27, 2025 - fixed corrugation area calc | |||||||||||||||||||||||||||||
7 | v3 - June 30, 2025 - fixed factor 1/2 in ΔP₂₃ₙ calc | |||||||||||||||||||||||||||||
8 | v4 - July 15, 2025 - 5 stages, cross-section totals | |||||||||||||||||||||||||||||
9 | v5 - Sept 8, 2025 - 6 stages, named, including exhaust stage | |||||||||||||||||||||||||||||
10 | v6 - Oct 21, 2025 - disk and barrel stave geometry details | |||||||||||||||||||||||||||||
11 | v7- Oct 21, 2025 - added module power loads | |||||||||||||||||||||||||||||
12 | ||||||||||||||||||||||||||||||
13 | Physical constants and unit conversions | |||||||||||||||||||||||||||||
14 | standard dynamic viscosity (air) | μ₀ | Pa*s | 1.72E-05 | ||||||||||||||||||||||||||
15 | standard temperature | T₀ | K | 273 | ||||||||||||||||||||||||||
16 | specific gas constant (air) | R | J/(kg*K) | 287 | ||||||||||||||||||||||||||
17 | heat capacity ratio (dry air @ 20C) | γ | - | 1.400 | ||||||||||||||||||||||||||
18 | specific heat capacity (dry air @ 20C) | cₚ = R γ / (γ - 1) | J/(kg*K) | 1004.5 | ||||||||||||||||||||||||||
19 | isentropic temperature exponent | k = (γ-1)/γ | - | 0.286 | ||||||||||||||||||||||||||
20 | critical pressure ratio (choked flow) | βₓ = Pₓ / P = [2/(γ+1)]^[1/k] | - | 0.528 | ||||||||||||||||||||||||||
21 | infinity | ∞ | - | 1E+99 | ||||||||||||||||||||||||||
22 | cfm per m³/s | cfm_per_m3s | - | 2118.88 | ||||||||||||||||||||||||||
23 | ||||||||||||||||||||||||||||||
24 | Disk geometry | |||||||||||||||||||||||||||||
25 | corrugation pitch | xc | mm | 34.7 | ||||||||||||||||||||||||||
26 | corrugation height | hc | mm | 6 | ||||||||||||||||||||||||||
27 | corrugation cross-sectional area | Ac ~ xc * hc / 2 | mm² | 104.1 | ||||||||||||||||||||||||||
28 | corrugation hydraulic diameter | Dc = √(4 Ac / π) | mm | 11.5 | ||||||||||||||||||||||||||
29 | large disk diameter (D1-D4) | Dd14 | mm | 870 | ||||||||||||||||||||||||||
30 | small disk diameter (D0) | Dd0 | mm | 488 | ||||||||||||||||||||||||||
31 | num large disks (per side) | nd14 | - | 4 | ||||||||||||||||||||||||||
32 | num small disks (per side) | nd0 | - | 1 | ||||||||||||||||||||||||||
33 | avg disk diameter (areally weighted) | Dd = √((Dd14²*nd14+Dd0²*nd0)/(nd14+nd0)) | mm | 808.2 | ||||||||||||||||||||||||||
34 | avg large disk corrugation length | Lc14 ~ π / 4 * Dd14 | mm | 683.3 | ||||||||||||||||||||||||||
35 | avg small disk corrugation length | Lc0 ~ π / 4 * Dd0 | mm | 383.3 | ||||||||||||||||||||||||||
36 | avg corrugation length | Lc ~ π / 4 * Dd | mm | 634.7 | ||||||||||||||||||||||||||
37 | avg num corrugations (per half disk) | nc ~ (Dd/2) / (xc/2) | - | 23.3 | <-- non-integer is ok, it's averaging large and small disks | |||||||||||||||||||||||||
38 | ||||||||||||||||||||||||||||||
39 | Barrel geometry | |||||||||||||||||||||||||||||
40 | stave channel width (this is one side) | ws | mm | 20.65 | ||||||||||||||||||||||||||
41 | stave channel height at edge | hs1 | mm | 2.92 | ||||||||||||||||||||||||||
42 | stave channel height at center | hs2 | mm | 7.49 | ||||||||||||||||||||||||||
43 | stave channel avg height | hs = (hs1 + hs2)/2 | mm | 5.2 | ||||||||||||||||||||||||||
44 | stave channel cross-sectional area | As ~ ws * hs | mm² | 107.5 | ||||||||||||||||||||||||||
45 | stave channel hydraulic diameter | Ds = √(4 As / π) | mm | 11.7 | ||||||||||||||||||||||||||
46 | variation from disk corrug hydraulic diameter | Ds / Dc - 1 | - | 1.6% | <-- this is pretty similar to disk corrugation hydraulic diameter | |||||||||||||||||||||||||
47 | L4 stave length | Ls4 | mm | 793 | ||||||||||||||||||||||||||
48 | L3 stave length | Ls3 | mm | 503 | ||||||||||||||||||||||||||
49 | num L4 staves (per half) | ns4 | - | 35 | ||||||||||||||||||||||||||
50 | num L3 staves (per half) | ns3 | - | 22 | ||||||||||||||||||||||||||
51 | avg stave channel length | Ls = (Ls4*ns4+Ls3*ns3)/(ns4+ns3) | mm | 681.1 | ||||||||||||||||||||||||||
52 | variation from disk corrug avg length | Ls / Lc - 1 | - | 7.3% | <-- this is pretty similar to disk average corrugation length | |||||||||||||||||||||||||
53 | Note: given geometric similarity of average barrel staves to average disk corrugation channels, I treat them all as basically the same in flow calcs below. | |||||||||||||||||||||||||||||
54 | num half disks equivalent to num staves | nds_equiv = (ns4 + ns3) / nc | 2.4 | <-- non-integer is ok, it's averaging lots of things | ||||||||||||||||||||||||||
55 | ||||||||||||||||||||||||||||||
56 | Module power loads | |||||||||||||||||||||||||||||
57 | reference link for power loads | Copy of EIC-LAS Power - 2025-10-22 | ||||||||||||||||||||||||||||
58 | power per RSU | Q_1rsu | W | 0.2 | ||||||||||||||||||||||||||
59 | power per LEC | Q_1lec | W | 0.2 | ||||||||||||||||||||||||||
60 | power per AncASIC | Q_1aa | W | 0.5 | ||||||||||||||||||||||||||
61 | length per RSU | L_rsu | mm | 23 | ||||||||||||||||||||||||||
62 | num rsu per avg corrug length (exact coverage) | n_rsu = Lc / L_rsu | - | 27.6 | <-- non-integer is ok, it's averaging stuff | |||||||||||||||||||||||||
63 | typical num RSU per module | n_rsu_per_mod | - | 5.5 | ||||||||||||||||||||||||||
64 | total RSU power per avg corrug | Qc_rsu = Q_1rsu * n_rsu | W | 5.52 | ||||||||||||||||||||||||||
65 | total LEC power per avg corrug | Qc_lec = Q_1lec * n_rsu / n_rsu_per_mod | W | 1.00 | ||||||||||||||||||||||||||
66 | total AncASIC power per avg corrug | Qc_aa = Q_1aa * n_rsu / n_rsu_per_mod | W | 2.51 | ||||||||||||||||||||||||||
67 | total power per avg corrug | Qc = Qc_rsu + Qc_lec + Qc_aa | W | 9.03 | ||||||||||||||||||||||||||
68 | total RSUs modeled below | n_rsu_system = n_rsu * L₄ * N₄ / n_rsu_per_mod | - | 2209.7 | <-- cross-check this against others' current-best-estimates | |||||||||||||||||||||||||
69 | ||||||||||||||||||||||||||||||
70 | Boundary conditions | |||||||||||||||||||||||||||||
71 | source temperature | Tₛ | K | 283 | <-- in practice, we would control a heater on the input airstream outside the detector until T₁ below is as desired | |||||||||||||||||||||||||
72 | source pressure | Pₛ | bar | 5.856 | Iteratively solved, so always check carefully for reasonability, and that final outlet pressure below = Pₑ boundary condition. If it misbehaves, the usual move is (1) Copy the formula. (2) Type in a numeric value that's a decent initial guess. (3) Paste the formula back in. | |||||||||||||||||||||||||
73 | " | " | Pa | 593,316 | ||||||||||||||||||||||||||
74 | " | " | psi | 86.1 | ||||||||||||||||||||||||||
75 | source mass flow rate | ṁₛ | kg/s | 1.10 | ||||||||||||||||||||||||||
76 | final exit pressure | Pₑ | bar | 1.0 | atmospheric = 1.0, or possibly supplied vacuum >= ~0.3 | |||||||||||||||||||||||||
77 | ||||||||||||||||||||||||||||||
78 | Each "stage" consists first of a length of pipe with a friction factor, then a change of cross-sectional area | |||||||||||||||||||||||||||||
79 | 1 = entrance = at beginning of stage | |||||||||||||||||||||||||||||
80 | 2 = downstream = after pipe length, but before area change | It's not trivial to add or subtract column channels in this spreadsheet. | ||||||||||||||||||||||||||||
81 | 3 = outlet = manifold = after area change | To calculate fewer than 6 distinct channels: | ||||||||||||||||||||||||||||
82 | - set "nᵢ" to 1 for the dummy channel(s), i.e. no splitting of parent | |||||||||||||||||||||||||||||
83 | - set L, D_mm, and hs to same value as their respective parents | |||||||||||||||||||||||||||||
84 | stage description | - | - | source --> ePIC | branches to hadron + electron sides | branches to top + bottom halves | pipes inside ePIC to half disks and half barrels | disk channels and staves | exhaust ducts | |||||||||||||||||||||
85 | stage index | - | - | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||||||||||||||||||||
86 | num channels (per parent channel) | nᵢ | - | 1 | 2 | 2 | 7.4 | 23.3 | 0.0144 | |||||||||||||||||||||
87 | total num channels in system | Nᵢ = product(nᵢ) | m | 1 | 2 | 4 | 30 | 694 | 10 | |||||||||||||||||||||
88 | mass flow per channel | ṁ = (ṁₛ or previous stage ṁ) / nᵢ | kg/s | 1.100 | 0.550 | 0.275 | 0.037 | 0.002 | 0.110 | <-- mass flow is split exactly among branches at each stage, i.e. assuming each branch has similar back-pressure | ||||||||||||||||||||
89 | length | L | m | 10.000 | 10.000 | 15.000 | 10.000 | 0.635 | 10.000 | |||||||||||||||||||||
90 | hydraulic diameter (mm) | D_mm | mm | 50 | 50 | 50 | 23 | 11.5 | 88.274 | |||||||||||||||||||||
91 | hydraulic diameter | D | m | 0.050 | 0.050 | 0.050 | 0.023 | 0.012 | 0.088 | |||||||||||||||||||||
92 | single channel cross-sectional area along length L | A₁₂ = π D² / 4 | m² | 1.96E-03 | 1.96E-03 | 1.96E-03 | 4.15E-04 | 1.04E-04 | 6.12E-03 | |||||||||||||||||||||
93 | all channels total cross-sectional area | ΣA₁₂ = A₁₂,ᵢ * Nᵢ | m² | 1.96E-03 | 3.93E-03 | 7.85E-03 | 1.24E-02 | 7.22E-02 | 6.12E-02 | |||||||||||||||||||||
94 | " | " | cm² | 19.63 | 39.27 | 78.54 | 123.77 | 722.25 | 612.00 | |||||||||||||||||||||
95 | entrance temperature | T₁ = Tₛ or previous stage T₃ | K | 283 | 280.5 | 279.5 | 279.2 | 277.9 | 283.6 | |||||||||||||||||||||
96 | " | " | °C | 10.0 | 7.5 | 6.5 | 6.2 | 4.9 | 10.6 | <-- aim for desired temperature at corrugation or stave inlet (see highlighted cell) | ||||||||||||||||||||
97 | entrance pressure | P₁ = Pₛ or previous stage P₃ | Pa | 593,316 | 537,851 | 438,530 | 351,269 | 134,963 | 111,009 | |||||||||||||||||||||
98 | entrance density (ideal gas law) | ρ₁ = P₁ / (R * T₁) | kg/m³ | 7.305 | 6.682 | 5.467 | 4.384 | 1.692 | 1.364 | |||||||||||||||||||||
99 | entrance dynamic viscosity | μ₁ = μ₀ * (T₁/T₀)^0.76 | Pa*s | 1.76E-05 | 1.75E-05 | 1.75E-05 | 1.75E-05 | 1.74E-05 | 1.77E-05 | |||||||||||||||||||||
100 | Reynold's number | Re = 4 ṁ / (π D μ₁) | - | 1.59E+06 | 8.00E+02 | 4.01E+02 | 1.17E+02 | 1.01E+01 | 8.98E+01 |