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This paper proposes a torque sensor based on the differential air pres- sure measurement method using a new embedded structure. The pro- posed sensor design is an improvement over the previous sensor design. The mechanical sensitivity, resolution, and stress distribution of the new sensor are analyzed by finite element modeling. Based on the simulation results, a new mechanical sensing shaft body and its internal embedded parts were fabricated. The feasibility of the proposed embedded struc- ture is explored, and a sealing method based on this structure is pro- posed. In order to make the readout circuit of the differential pressure sensor embedded in the shaft body, the readout circuit PCB was rede- signed, and its power consumption was studied. To verify the design, the prototype sensor was measured at a static torque. The experimental results show that gas sealing of the sensor can be achieved using the proposed embedded structure and sealing method. The sensitivity of the mechanical design of the sensor is 249.23Pa/N·m, and the range is ±25N·m. The effect of using differential input to achieve common mode rejection is verified by applying an axial load to the shaft. The rotation test shows that using gas as the transmission medium can effectively avoid the influence of centrifugal force. The power consumption of the readout circuit is studied, and the results show that the sensor can work continuously for 34.7 days in sleep mode.

A novel compact steam engine design could be used to replace current combustion engines in the rapidly changing world of renewable energy. Especially with the increased research into alternative fuels such as hydrogen fuel cells and methane, which would vastly improve the efficiency of a steam engine. The thesis focuses on a rotating valve chamber, which is made up of an actuating mechanism, a sealing mechanism, a rotating valve, and its housing. The modern steam engine cannot operate on conventional oil lubrication because it would degrade and clog the steam engine’s micro tubes, making it even more complex due to the rise of tribological issues. As a result, the most difficult challenge is selecting compatible materials for the components in this chamber, which is also subjected to temperatures of 450 degrees Celsius and pressures of up to 25 MPa. In order for the shaft to translate and rotate at the same time, an actuating mechanism was required. Finally, a sealing solution that can withstand the harsh conditions. As a result, a material research followed by material testing using a test rig yielded comparable results across a laser microscope. Furthermore, the actuating mechanism was designed in Solid edge, and structural analysis was conducted in Ansys that was used to validate the optimizations. For ease of understanding, the final design was 3D printed. / En ny kompakt ångmotordesign kan användas för att ersätta nuvarande förbränningsmotorer i den föränderliga energins snabbt föränderliga värld. Särskilt med den ökade forskningen om alternativa bränslen som vätebränsleceller och metan, vilket skulle förbättra effektiviteten hos en ångmotor. Avhandlingen fokuserar på en roterande ventilkammare, som består av en manövreringsmekanism, en tätningsmekanism, en roterande ventil och dess hus. Den moderna ångmotorn kan inte fungera med konventionell oljesmörjning eftersom den skulle försämra och täppa till ångmaskinens mikrorör, vilket gör den ännu mer komplex på grund av uppkomsten av tribologiska problem. Som ett resultat är den svåraste utmaningen att välja kompatibla material för komponenterna i denna kammare, som också utsätts för temperaturer på 450 grader Celsius och tryck på upp till 25 MPa. För att axeln skulle översättas och rotera samtidigt krävdes en manövreringsmekanism. Slutligen en tätningslösning som tål de hårda förhållandena. Som ett resultat gav en materialforskning följt av materialtestning med en testrigg jämförbara resultat över ett lasermikroskop. Vidare utformades manövreringsmekanismen i Solidedge, och strukturanalys utfördes i Ansys som användes för att validera optimeringarna. För att underlätta förståelsen var den slutliga designen 3D ­tryckt.

Seal glass is essential and plays a crucial role in solid oxide fuel/electrolyzer cell performance and durability. A seal glass should have a combination of thermal, chemical, mechanical, and electrical properties in order to seal different cell components and stacks and prevent gas leakage. All the desired properties can simultaneously be obtained in a seal glass by suitable compositional design. In this dissertation, SrO-La₂O₃-A₂O₃-B₂O₃3-SiO₂ based seal glasses have been developed and composition-structure-property relationships have been investigated. B₂O₃ free SrO-La₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ based seal glass is the most suitable and its compatibility with the metallic interconnects and sealing performances have been evaluated. A seal glass should be stable for 5,000-40,000 hrs in the oxidizing and reducing atmospheres at 600-900°C but both the thermal and chemical stability is a persistent problem. The effect of Al₂O₃ on a SrO-La₂O₃-Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂ based seal glass has been studied to improve the thermal properties, such as glass transition temperature, softening temperature and thermal expansion coefficient, and the thermal stability. Al₂O₃ improves the thermal stability but does not significantly affect the thermal properties of the seal glass. Comprehensive understanding of composition-structure-property relationships is needed to design a suitable seal glass. The thermal properties and stability of a borosilicate seal glass depend on the B2O3:SiO2 ratio in the composition. The role of B₂O₃:SiO₂ ratio on the glass network structure of the SrO-La₂O₃-Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂ based seal glasses has been studied using Raman spectroscopy and nuclear magneto resonance spectroscopy. The thermal properties and thermal stability were correlated with the glass network structure and the calculated network connectivity. This study shows that the thermal properties degrade with increasing B₂O₃:SiO₂ ratio due to increase in the non-bridging oxygen and decrease in the network connectivity. High B₂O₃:SiO₂ ratio induces BO4 and SiO4 structural unit ordering, increases micro-heterogeneity, and subsequently degrades thermal stability. B₂O₃ free SrO-La₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ seal glass shows the best combination of the thermal properties and thermal stability among the studied glasses. Nickel or nickel oxide is added into a seal glass to modify the thermal properties depending on the specific composition. The role of nickel as a network former or modifier and its effect on the thermal properties and thermal stability of the SrO-La₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ based seal glasses have been investigated. Nickel is a modifier in this glass system and does not improve the thermal properties but degrades thermal stability by decreasing network connectivity and inducing micro-heterogeneity. The interconnect-seal glass interface stability is the most crucial for solid oxide fuel/electrolyzer cell. Crofer 22 APU and AISI 441 alloys are the preferred interconnects. The interfacial stability of the SrO-La₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ based seal glass with these alloys have been studied as a function of time (0-1000 hrs), temperature (700-850°C), atmospheres (air, argon, and H₂O/H₂) using scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), and X-ray diffraction analysis (XRD). Complementary analytical techniques such as wave length dispersive spectroscopy (WDS) and SEM of thin samples were also carried out for selected samples. This study shows good interfacial stability of the SrO-La₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ based seal glass with these alloys for the studied conditions. A suitable seal glass should be hermetic and withstand 100-1000 thermal cycles for practical application. Sealing performances of the SrO-La2O3-Al2O3-SiO2 based seal glass have been evaluated by pressure-leakage method. The seal glass is hermetic for at least 2000 hrs and withstands 100 thermal cycles. Overall, present work shows that the SrO-La₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ based glass has all the desired properties and suitable for solid oxide fuel/electrolyzer cell seal. / Ph. D.

L'Electrolyse de la Vapeur d'eau à Haute Température (EVHT) est l'un des procédésde production d'hydrogène les plus prometteurs. Dans l'optique d'une économie del'hydrogène produit par EVHT, de nombreux verrous restent à lever. L'un d'entre euxporte sur l'étanchéité. En effet, dans un EVHT, la gestion des gaz est primordiale. Ilfaut pouvoir gérer et prévoir dans le temps le comportement des joints afin d'éviter unedégradation des performances. Or, en EVHT, les températures de fonctionnement sontélevées (classiquement autour de 800 °C), des phénomènes de fluage ou de relaxationapparaissent, le différentiel de dilatation thermique entre les cellules électrochimiques encéramique et les interconnecteurs métalliques doit être pris en compte. Enfin, il convientde maintenir l'étanchéité de l'empilement à faible niveau d'effort pour ne pas risquerd'endommager la partie céramique.L'objet du travail de cette thèse démarre par un constat simple : nous ne disposons pasd'outils de prédimensionnement des joints à haute température permettant de prévoirun débit de fuite. Dès lors que l'on est amené à changer un paramètre de fonctionnement,comme la température, la pression, la stratégie de chargement, la géométrie ou la naturedu joint, une nouvelle expérience doit être menée.A partir d'essais d'étanchéité et de simulations numériques aux éléments finis, un modèleoriginal est proposé. Ce modèle qui a été validé en fonction de différents paramètresexpérimentaux permet d'estimer le débit de fuite associé à un joint en Fecralloy (Fe-CrAl) selon sa forme, ses conditions de serrage et du temps de maintien. Offrant ainsila possibilité de concevoir à moindre coût des joints spécifiques pour l'application visée. / High Temperature Steam Electrolysis (HTSE), is one of the most promising processfor hydrogen production. In a hydrogen economy produced via HTSE, many problemshave to be overcome. One of them is related to sealing. Actually, in a HTSE, gasmanagement is very important. The behavior of the seal has to be predicted in time toavoid a deterioration of the performances. But, in a HTSE, the fuctioning temperaturesare important (typically around 800 °C), creep or relaxation may occur, the differencebetween the thermal expansion of the ceramic cells and the metallic interconnectorsmust be taken into account. Finally, the sealing has to be maintain with low effortsprotect the ceramic.This thesis started from the noticing that we don't have any designing tool for hightemperature seals that may help to foresee a leak rate. Since we have to change anyexperimental parameter, such as the temperature, the pressure, the loading strategy, thegeometry or the material of the seal, another experiment has to be done.From sealing tests and finite element modelisation, an original model is presented.This model that has been validated for different experimental parameters allows toestimate the leak rate of a Fecralloy (FeCrAl) seal depending on its shape, the loadingconditions and tightening time. This may help to design specific low cost seals for thedesired applications.

Le joint à rainures hélicoïdales (JRH) est l'une des solutions techniques d'étanchéité sans contact utilisées dans les machines tournantes. Ce dispositif est conçu pour des applications bien particulières qui nécessitent une durée de vie et une non-tolérance aux fuites au-delà des limites que peuvent satisfaire les joints à contact. Le JRH est caractérisé par l'absence d'usure due au jeu radiale nettement supérieure aux amplitudes des aspérités et les défauts de fabrication. L'étanchéité est obtenue grâce aux rainures hélicoïdales présentes sur l'une des ses surfaces internes. Ces rainures sont à l'origine de phénomènes hydrodynamiques synthétisant un débit de pompage de même ordre que le débit de fuite.Dans ce travail, un modèle numérique pour le calcul d'étanchéité dans les JRH est proposé. Basé sur la théorie des films minces, le comportement de ce dernier est déterminé par le calcul du champ de pression et du remplissage qui satisfont l'Equation de Reynolds Modifiée (ERM). Cette dernière permet de bien gérer les frontières de rupture et de reformation du film. La résolution est faite par la méthode des éléments finis.La caractérisation du pouvoir d'étanchéité du JRH est faite par « la longueur utile » qui spécifie largeur, dans la direction axiale, de la zone occupée par le fluide lorsque l'étanchéité s'établisse. Cette étendue du domaine étant une inconnue du problème, on itère sur la longueur du joint jusqu'à l'obtention d'un débit axial nul sur le bord. Néanmoins, l'étanchéité dans le JRH dépend d'un certain nombre de paramètres géométriques et de fonctionnement. Il s'agit de la forme des rainures, leurs inclinaisons ainsi que la vitesse de rotation. Tout d'abord, une géométrie optimale de fonctionnement a été déterminée. Les aspects turbulents de l'écoulement et le comportement thermique, selon un bilan thermique global, sont également étudiés. Enfin, l'introduction des effets d'excentricité a permis de statuer sur les phénomènes dynamiques dans le JRH. / The viscoseal is one of the contacts less sealing technical solutions used in machinery. This device is designed for very specific applications requiring durability and non-tolerance leakage past the limits that can satisfy joints contact. The viscoseal is characterized by the friction absence due to radial clearance well above the asperities amplitudes and the manufacturing defects. The sealing is obtained by the helical grooves formed in one of its internal surfaces. These grooves induce a hydrodynamic phenomenon that synthesizes same pumping rate of the same order as the leakage rate.In this work, a numerical model is proposed to calculate the seal in the viscoseal. Based on the thin film theory, the behavior of the latter is determined by the calculation of the pressure field and the filling that satisfy the Modified Reynolds Equation (MRE). The latter allows managing the borders of the film breaking and reformation. Resolution is made by the finite element method.The sealing power characterization in the viscoseal is made by the "sealing length" that specifies width of the fluid full area, in the axial direction, when the sealing is established. This domain extension is unknown, it iterates over the length of the seal until a zero axial flow over the edge. However, in the sealing depends on several geometrical and operating parameters. It is about the shape of the grooves, their angle orientation of and the journal speed.First, an optimal operating geometry was determined. Turbulent aspects of flow and thermal behavior, according to a global heat balance, are also studied. Finally, the introduction of eccentricity effects allowed approving dynamic phenomena in the viscoseal.

La compréhension des mécanismes à l’origine de la formation de la porosité et de ses propriétés dans les matériaux cimentaires est un enjeu majeur pour l’évaluation de leur durabilité. L’utilisation des laitiers de haut fourneau comme liant hydraulique modifie les phases formées, leur proportion et la microstructure des mortiers et bétons. Il reste un grand nombre de verrous scientifiques à lever concernant les paramètres modifiant les valeurs de porosité, le rayon des capillaires et, par conséquent, la perméabilité. Des échantillons de mortiers ont été réalisés avec différents mélanges de CEM I et de laitiers de haut-fourneau puis différentes cures ont été utilisées afin d’évaluer l’influence de la baisse de la température ou de l’hygrométrie sur la géométrie de leur porosité. Différentes techniques d’analyses de porosité et de perméabilité ont permis de mettre en évidence principalement une augmentation de la porosité totale et libre, des rayons des capillaires et de la perméabilité avec l’augmentation de la proportion de laitier et la diminution de l’hygrométrie. Des observations au microscope électronique à balayage à pression de vapeur d’eau contrôlée ont permis de montrer le lien entre l’ouverture des capillaires et l’hygrométrie. Ainsi les forces exercées par les pressions de disjonction et les pressions capillaires déforment les hydrates de manière à fermer les capillaires avec l’augmentation de l’hygrométrie. La mise au point d’une méthode originale de cartographie de la porosité à partir de données de conductivité thermique a permis de confirmer la présence d’une peau et de déterminer son étendue. Grâce à cette technique, il est possible d’évaluer la distribution des taux de porosité au travers des échantillons. De plus, une nouvelle approche d’analyse a permis de cartographier à partir du même modèle la distribution des proportions relatives de granulats. / In order to evaluate the sustainability of cementitious materials, it is significant to understand the mechanisms linked to the formation of the porosity and to its properties. The use of ground granulated blast-furnace slag as an eco-friendly hydraulic binder influences the hydration processes therefore the phases formed, their proportion and their microstructure of mortar and concrete. Mortar samples were made to evaluate the influences of the blast-furnace slag, its grinding fineness and the influence of temperature or relative humidity of curing on the porosity. The analysis of the mortar samples with complementary measures of porosity allowed us to highlight the increase of the total and free porosity, of the threshold diameter and the absolute permeability with the increase of slag proportion used and the decrease of relative humidity. We also showed a gradual slowing down of capillary absorption kinetics called self-sealing effect and observed the relationbetween the relative humidity and the capillary aperture with a low vacuum scanning electron microscopy. Thus, the strength of disjunction and capillary pressures applied on the hydrates clog the capillaries with increasing humidity. The development of a novel method for mortar porosity mapping from thermal conductivity data allowed us to confirm the skin presence and its area. This method allows the evaluation of the porosity distribution and the relative proportion of aggregates through the sample.

Tato diplomová práce je zaměřena na řešení problému praskání těsnících kuželů na tělesech railů při zkoušce dlouhodobé životnosti pomocí pulzního vysokotlakého testu. Hlavní částí je analýza vlivu těsnících zátek na namáhání těsnícího kuželu s následným návrhem nové zátky, která bude tvořit stejné nebo podobné zatížení všech komponent při pulzním testu jako vysokotlaká trubka, která se používá v sériové produkci. Další částí je ověření vlastností nové zátky pomocí vysokotlakého pulzního testu.

This study includes a systematic investigation of the bond strength of cementitious borehole plugs in welded tuff. Analytical and numerical analysis of borehole plug-rock stress transfer mechanics is performed. The interface strength and deformation are studied as a function of Young's modulus ratio of plug and rock, plug length and rock cylinder outside-to-inside radius ratio. The tensile stresses in and near an axially loaded plug are analyzed. The frictional interface strength of an axially loaded borehole plug, the effect of axial stress and lateral external stress, and thermal effects are also analyzed. Implications for plug design are discussed. Push-out tests are used to determine the bond strength by applying an axial load to the cement plugs. A total of 130 push-out tests are performed as a function of borehole size, plug length, temperature, and degree of saturation of the tuff cylinder. The use of four different borehole radii enables evaluation of size effects. A well-defined exponential strength decrease with increasing plug diameter results.

L’augmentation constante du dioxyde de carbone dans l’atmosphère est considérée comme étant la cause principale du réchauffement climatique actuel. La séquestration géologique du CO2 semble être une des meilleures solutions envisageable pour réduire les rejets des gaz à effet de serre (dont le CO2) dans l’atmosphère, seulement si l’intégrité de la couverture du réservoir est préservée sur des centaines ou des milliers d’années. Des simulations expérimentales en batch ont été réalisées afin d’observer la réactivité d’une roche de couverture argileuse et d’une roche réservoir carbonatée en présence de CO2 à 80°C et 150°C pour une pression de 150 bar avec une eau équilibrée. Le protocole analytique mis en place a permis de comparer les roches avant et après expérimentation concluant à une réactivité très faible, centrée sur l’aluminium au niveau des phyllosilicates. Les analyses texturales montrent que le CO2 n’a pas d’incidence sur les propriétés d’adsorption et sur la surface spécifique. L’étude des carbonates du réservoir par la microscopie confocale a permis de mettre en évidence des phénomènes de dissolution-précipitation qui n’ont cependant pas d’impact important sur la chimie et la structure du réservoir. Les simulations numériques réalisées sur des minéraux de référence comme la montmorillonite calcique ou le clinochlore montrent une réactivité importante en présence de CO2 non atteinte expérimentalement, certainement due à des lacunes dans les bases de données thermodynamiques ou à la cinétique des réactions. Les simulations sur Bure ne montrent pas de réactivité sur les minéraux majeurs de la marne argileuse confirmant les résultats obtenus en expérimentation batch / The constant increase in the quantity of carbon dioxide in the atmosphere is regarded as being the principal cause of the current global warming. The geological sequestration of CO2 seems to be an ideal solution to reduce the increase of greenhouse gases (of which CO2) in the atmosphere but only if the reservoir’s caprock keep its integrity for several hundreds or thousands of years. Batch experimental simulations were conducted to observe the reactivity of a caprock made of clay and a carbonate reservoir with CO2 at 80°C and 150°C for a pressure of 150 bar with an equilibrated water. The analytical protocol established allowed to compare the rocks before and after experimentations finding a very low reactivity, focusing on aluminium in phyllosilicates. Textural analysis shows that CO2 does not affect the properties of adsorption and the specific surface. The study of carbonate reservoir by confocal microscopy has revealed phenomena of dissolution-precipitation which have no significant impact on chemistry and structure of the reservoir. The numerical simulations carried out on mineral reference as calcium montmorillonite or clinochlore show a significant reaction in the presence of CO2 not achieved experimentally, probably due to lacunas in the thermodynamic databases or the kinetics of reactions. The simulations on Bure show no reaction on the major minerals confirming the results with batch experiments