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Thesis (M.S.)--University of Wisconsin--Madison, 1971. / eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographical references.

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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich nach der Analyse und Optimierung der Stromzuführungen auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau, hauptsächlich mit der Untersuchung einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade als Kälteversorgungssystem eines resistiven HTSL-Kurzschlussstrombegrenzers. Unter einem Kurzschlussstrombegrenzer versteht man einen veränderlichen elektrischen Widerstand, welcher, gegebenenfalls in Serie mit konventionellen, mechanischen Stromunterbrechern, direkt in den zu schützenden Stromkreis eingebaut ist. Als veränderlicher elektrischer Widerstand kann z.B. ein supraleitendes Element verwendet werden. Im normalen Betriebsfall setzt dieser dem fließenden Strom praktisch keinen Widerstand entgegen. Die Dimensionierung wird so gewählt, dass im Falle eines Überstroms ein rascher Übergang in den normalleitenden Zustand erfolgt. Durch den nun vorhandenen Widerstand wird der Stromfluss sehr effektiv begrenzt, bis beispielsweise nachgeschaltete mechanische Schutzeinrichtungen ansprechen. Sobald dies erfolgt ist, kann der Supraleiter regenerieren und in den Ausgangszustand zurückkehren. Die Verwendung von HTSL-Material als Supraleiter erscheint hier höchst vorteilhaft, da damit ein Arbeiten auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau erlaubt wird. Ein entscheidender Punkt für die erfolgreiche Einführung der HTSL-FCL ist die Bereitstellung einer geeigneten Kälteversorgung. Dies kann entweder durch regelmäßiges Nachfühlen mit flüssigem Stickstoff oder durch den Einsatz einer Kältemaschine zur Stickstoffrekondensation realisiert werden. Beim Einsatz einer Kältemaschine hat man einen von der Stickstoffnachlieferung unabhängigen Betrieb mit geschlossenem Kühlsystem. Die Energiedissipation in dem HTSL-Element selbst ist unter Normalbedingungen vernachlässigbar klein. Für die Auslegung des Kühlsystems ist von Bedeutung, dass der größte Teil der Wärmelast durch die metallischen Stromzuführungen verursacht wird. Die Auslegung des Kühlsystems muss sich daher an der thermodynamischen Analyse der Stromzuführungen orientieren. Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Analyse von Kühlmethoden für solche Stromzuführungen hinsichtlich ihrer Effektivität und Wirtschaftlichkeit. Ein neues Kühlsystem auf der Basis einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade wird vorgeschlagen als Alternative zu den derzeit in Frage kommenden Kühltechniken. Es wurde folgende Vorgehensweise gewählt: 1. Verschiedene Kühlmethoden zur Kühlung von SZF werden aufgeführt und thermodynamisch bewertet. 2. Kühlsysteme, basierend auf einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade, werden vorgeschlagen und deren Charakteristika mittels numerischer Simulation bestimmt. 3. Ein auf der Basis einer Gemisch-Kältemaschine gebauter Stickstoffverflüssiger wird in Betrieb genommen und getestet. 4. Die Funktion und die Effektivität der Gemisch-Stickstoff-Kaskade zur Kühlung der Stromzuführungen werden bewertet. 5. Zugehörige Kühlsysteme auf der Basis verschiedener Kühltechniken werden analysiert 6. In einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden die Kühlsysteme einander gegenübergestellt Insgesamt kann als Ergebnis festgehalten werden, dass der Einsatz der vorgestellten Gemisch-Stickstoff-Kaskadenanlagen zur Kälteversorgung im vorgestellten Anwendungsfall eine durchaus wettbewerbsfähige, voraussichtlich sogar überlegene Alternative zu den sonst verfügbaren Methoden darstellt.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich nach der Analyse und Optimierung der Stromzuführungen auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau, hauptsächlich mit der Untersuchung einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade als Kälteversorgungssystem eines resistiven HTSL-Kurzschlussstrombegrenzers. Unter einem Kurzschlussstrombegrenzer versteht man einen veränderlichen elektrischen Widerstand, welcher, gegebenenfalls in Serie mit konventionellen, mechanischen Stromunterbrechern, direkt in den zu schützenden Stromkreis eingebaut ist. Als veränderlicher elektrischer Widerstand kann z.B. ein supraleitendes Element verwendet werden. Im normalen Betriebsfall setzt dieser dem fließenden Strom praktisch keinen Widerstand entgegen. Die Dimensionierung wird so gewählt, dass im Falle eines Überstroms ein rascher Übergang in den normalleitenden Zustand erfolgt. Durch den nun vorhandenen Widerstand wird der Stromfluss sehr effektiv begrenzt, bis beispielsweise nachgeschaltete mechanische Schutzeinrichtungen ansprechen. Sobald dies erfolgt ist, kann der Supraleiter regenerieren und in den Ausgangszustand zurückkehren. Die Verwendung von HTSL-Material als Supraleiter erscheint hier höchst vorteilhaft, da damit ein Arbeiten auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau erlaubt wird. Ein entscheidender Punkt für die erfolgreiche Einführung der HTSL-FCL ist die Bereitstellung einer geeigneten Kälteversorgung. Dies kann entweder durch regelmäßiges Nachfühlen mit flüssigem Stickstoff oder durch den Einsatz einer Kältemaschine zur Stickstoffrekondensation realisiert werden. Beim Einsatz einer Kältemaschine hat man einen von der Stickstoffnachlieferung unabhängigen Betrieb mit geschlossenem Kühlsystem. Die Energiedissipation in dem HTSL-Element selbst ist unter Normalbedingungen vernachlässigbar klein. Für die Auslegung des Kühlsystems ist von Bedeutung, dass der größte Teil der Wärmelast durch die metallischen Stromzuführungen verursacht wird. Die Auslegung des Kühlsystems muss sich daher an der thermodynamischen Analyse der Stromzuführungen orientieren. Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Analyse von Kühlmethoden für solche Stromzuführungen hinsichtlich ihrer Effektivität und Wirtschaftlichkeit. Ein neues Kühlsystem auf der Basis einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade wird vorgeschlagen als Alternative zu den derzeit in Frage kommenden Kühltechniken. Es wurde folgende Vorgehensweise gewählt: 1. Verschiedene Kühlmethoden zur Kühlung von SZF werden aufgeführt und thermodynamisch bewertet. 2. Kühlsysteme, basierend auf einer Gemisch-Stickstoff-Kaskade, werden vorgeschlagen und deren Charakteristika mittels numerischer Simulation bestimmt. 3. Ein auf der Basis einer Gemisch-Kältemaschine gebauter Stickstoffverflüssiger wird in Betrieb genommen und getestet. 4. Die Funktion und die Effektivität der Gemisch-Stickstoff-Kaskade zur Kühlung der Stromzuführungen werden bewertet. 5. Zugehörige Kühlsysteme auf der Basis verschiedener Kühltechniken werden analysiert 6. In einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden die Kühlsysteme einander gegenübergestellt Insgesamt kann als Ergebnis festgehalten werden, dass der Einsatz der vorgestellten Gemisch-Stickstoff-Kaskadenanlagen zur Kälteversorgung im vorgestellten Anwendungsfall eine durchaus wettbewerbsfähige, voraussichtlich sogar überlegene Alternative zu den sonst verfügbaren Methoden darstellt.

La mise en œuvre des réfrigérateurs à dilution implique la consommation d'4He liquide. Ces réfrigérateurs ne sont pas autonomes et leur utilisation devient ainsi contraignante et onéreuse lorsque les laboratoires ne disposent pas de système de reliquéfaction.<br />A la fin des années 1990, les tubes à gaz pulsé bi-étagés commerciaux ont atteint des performances telles, que l'idée de les utiliser à la place des bains d'4He classiques commençé à émerger. Quelques prototypes de laboratoire furent ainsi développés, dont un exemplaire commercialisé par l'Air Liquide en collaboration avec le CNRS-CRTBT.<br />Cette thèse, réalisée au CRTBT et cofinancée par l'Air Liquide, a permis d'étudier le couplage d'un réfrigérateur à dilution avec un tube à gaz pulsé afin de réaliser un appareil commercial offrant des performances comparables, en volume expérimental et puissance froide, aux réfrigérateurs classiques de moyenne puissance.<br />Dans un premier temps, nous avons porté notre attention sur la réalisation du cryostat. L'absence de fluides cryogéniques permettant la thermalisation homogène des diverses entités, ainsi que la puissance frigorifique limitée par les performances du tube à gaz pulsé et les vibrations générées par ce dernier constituaient les principales caractéristiques de notre étude.<br />Nous avons réalisé un cryostat offrant un volume expérimental de 750 mm sur un diamètre de 200 mm. Le temps de prérefroidissement est de 12 heures entre 300 K et 4,2 K.<br />Dans un second temps, nous avons étudié l'intégration du réfrigérateur à dilution.<br />Le prérefroidissement de l'injection d'3He entre 300 K et 4,2 K nous a amenés à développer un système de thermalisation spécifique permettant d'optimiser l'utilisation des ressources du tube à gaz pulsé. Ce développement a abouti à un brevet CNRS-Air Liquide. <br />Le prérefroidissement entre 4,2 K et la température de l'évaporateur a constitué un travail important concernant l'étude du principe de refroidissement par échangeurs Joule-Thomson.<br />Nous avons ainsi atteint des températures inférieures à 10 mK et obtenu des débits de circulation allant de 90 à 200 micromoles par seconde avec des temps de condensation de l'ordre de 2 heures pour un réfrigérateur à deux échangeurs discrets.

[pt] Este trabalho apresenta um novo modelo térmico analítico que acopla poço e reservatório, constituído por um sistema combinado de reservatório, revestimento e coluna de produção. As soluções analíticas consideram fluxo monofásico de fluido pouco compressível em um reservatório homogêneo e infinito e fornecem dados transitórios de temperatura e pressão ao longo do poço para testes de fluxo e de crescimento de pressão, considerando efeitos Joule-Thomson, de expansão adiabática, de condução e convecção. A massa específica do fluido é modelada como função da temperatura e a solução analítica faz uso da transformada de Laplace para resolver a equação diferencial de fluxo de calor transiente, assumindo o termo aT⁄az totalmente transiente. Com relação à análise de transientes de pressão (PTA), dados de pressão impactados por variações térmicas podem levar à interpretação de falsas heterogeneidades geológicas, pois a perda de calor durante a estática proporciona um aumento da pressão exercida pela coluna de fluido, devido ao incremento de sua massa específica, além de uma contração da coluna de produção, provocando uma mudança na posição do registrador. Esses efeitos podem fazer com que um reservatório homogêneo seja erroneamente interpretado como um reservatório de dupla porosidade, resultando em conclusões inválidas para a modelagem geológica. Os resultados deste trabalho são comparados com a resposta de um simulador comercial não-isotérmico e impactos nas interpretações são extensivamente investigados. Adicionalmente, um estudo de caso de campo é fornecido para validar as soluções analíticas propostas. Comparado à Literatura, o modelo proposto fornece perfis transientes de temperatura mais acurados. / [en] This work presents a new coupled transient-wellbore/reservoir thermal analytical model, consisting of a reservoir/casing/tubing combined system. The analytical solutions consider flow of a slightly compressible, single-phase fluid in a homogeneous infinite-acting reservoir system and provide temperature- and pressure-transient data for drawdown and buildup tests at any gauge location along the wellbore, accounting for Joule-Thomson, adiabatic fluid-expansion, conduction and convection effects. The wellbore fluid mass density is modeled as a function of temperature and the analytical solution makes use of the Laplace transformation to solve the transient heat-flow differential equation, accounting for a rigorous transient wellbore-temperature gradient aT⁄az. Regarding pressure transient analysis (PTA), thermal impacted pressure data may lead to the interpretation of false geological heterogeneities, since the heat loss during the buildup period provides an increase in the pressure exerted by the wellbore-fluid column, due to an increase in the oil mass density, and a change in tubing length, consequently causing a change in the gauge location. These effects can make a homogeneous reservoir be wrongly interpreted as a double-porosity reservoir, yielding invalid conclusions to geological modeling. Results are compared to the response of a commercial non-isothermal simulator and thermal impacts on PTA interpretations are thoroughly investigated. In addition, a field case study is also provided to verify the proposed analytical solutions. The proposed model provides more accurate transient temperature flow profiles along the wellbore when compared to previous models in Literature.

The present master thesis deals with the technologies for gas liquefaction focused on helium. The first part of the thesis contains a description of the history of liquefaction, production and usage of liquid helium, as well as the principles of liquefaction and cooling cycles. In the following part of the thesis is a detailed model of the liquefaction cycle for which radial-axial turbine wheels were designed. The last part of the thesis contains financial analysis of the suitability of using the expander with eddy current brake and the expander with an electric generator.

This thesis deals with technologies for gas liquefaction and storage. The first section summarizes the development of liquefaction technology using expanders and throttling valves, followed by current technology. This is especially a rotary expanders. The storage technology is the above-ground storage of cryogenic tanks. The thesis includes proposals turbine wheels for liquefaction lines and included two proposals liquefaction cycles.