The paper gives the results of the experiments with a model two-section REBCO solenoid cooled by either gaseous helium (GHe) or sub-cooled/solid nitrogen (SN2) in (50-77) K temperature range. The major cooling source was a single-stage cryocooler Sumitomo CH-110 with the cooling power of 175 W and 130 W at 77 K and 50 K respectively. The coil itself was not directly conduction cooled. We compare the time taken by both coolants to obtain the temperature of the magnet of about 50 K and the homogeneity of the temperature distribution within the cryostat. Test results for the coil operation in solid nitrogen together with the comparison of its critical properties in SN2 and GHe are also presented.
Kim, K.L.;Song, J.B.;Kim, K.J.;Lee, J.H.;Lee, H.G.;Koh, D.Y.;Kim, S.H.;Seong, K.C.
Progress in Superconductivity and Cryogenics
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v.10
no.3
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pp.27-31
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2008
In order to cool the SMES coil to the operating temperature, conduction cooling is generally used. However, it often consumes a large amount of electric power because of it's continuous cryocooler operation. This can also lead to poor thermal stability and serious protection problems of the system. Solid nitrogen (SN2) can counter those disadvantages in the conduction cooling system because it has a large heat capacity. Particularly, a large amount of enthalpy with a minimal weight to the cold body of SN2 makes a compact and portable system by increase a recooling to recooling time period (RRTP) value. A conceptual design of the proto-type SN2 cooling system for a portable HTS superconducting magnetic energy storage (SMES) system will be introduced in this paper.
Jo, Young-Sik;Hong, Jung-Pyo;Kwon, Young-Kil;Ryu, Kang-Sik
Proceedings of the KIEE Conference
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2001.07b
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pp.574-576
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2001
This paper deals with High Temperature Superconducting (HTS) Motor, which have two characteristics: the HTS magnet with iron plates as field coil, and the solid nitrogen $(SN_2)$ as a cryogen. The HTS magnet has iron plates to achieve the maximum current-carrying capacity and the simple shape that can easily be wound and jointed. The HTS magnet with iron plates, magnet optimized current distribution, and initial magnet are presented through 3 Dimensional Finite Element Analysis (3D FEA), manufacturing and testing these magnets. And, it is employed $SN_2$ for keep the operating temperature of HTS synchronous motor. To make the liquid nitrogen $(LN_2)$ of $SN_2$, Gas helium (GHe) passes into the heat exchanger and cools its own temperature. Two types of heat exchangers are designed and manufactured to make the $SN_2$, and each of the temperature characteristics is compared.
The recent progress in new cooling techniques of the high Tc superconductor(HTS) systems is reported and discussed with some practical examples. At the beginning stage of the HTS development in research laboratories, liquid nitrogen(LN$_2$) is the standard medium for an effective cooling. The success of HTS in many different application areas, however, has required a variety of need in the cooling temperature and the cooling capacity with specific design restrictions. While the utilization of alternative liquid cryogens such as liquid neon (LNe) or liquid hydrogen (LH$_2$) has been tired in some of them, even solid cryogens such as solid nitrogen (SN$_2$) or solid hydrogen (SH$_2$) may be another option in special applications. The gaseous helium cooled by a cryogenic refrigerator has also been a good candidate in many cases. One of the best cooling methods for the HTS is the direct conduction-cooling by a closed-cycle refrigerator with no cryogen at all. The refrigeration may be based on Joul-Thomson, Brayton, Stirling, Gifford-McMahon, or pulse tube cycles. The pros and cons of the newly proposed cooling methods are described and some significant design issues are presented.
The phase transformations and the shape memory effect in In-rich Pb alloys and In rich-Sn alloys have been studied by means of X-ray diffractometry supplemented by metallographic observations. The alloys containing 12~15 at.%Pb transform from the ${\alpha}_2$ (fct) phase to the ${\alpha}_1$ (fct) phase by way of an intermediate phase (m phase) on cooling. The results of X-ray diffraction show that the metastable intermediate phase is observed both on cooling and heating, and has a face-centered orthorhombic (fco) structure. It is concluded that the ${\alpha}_1{\rightleftarrows}{\alpha}_2$ transformation is expressed by the ${\alpha}_1{\rightleftarrows}m{\rightleftarrows}{\alpha}_2$ transformation both on usual cooling and heating with the rate more than $8{\times}10^{-3}$ K/s. The $m{\rightleftarrows}{\alpha}_2$ transformation takes place with a mechanism involving macroscopic shear and are of diffusionless (martensitic) type. The temperature hysteresis in the two transformations is 10~13 K between the heating and cooling transformations. The alloys containing 0~11 at.%Sn are -phase solid solutions with a face centered tetragonal structure (c/a > 1) at room temperature, the axial ratio increasing continuously with tin content. The In-(11~15) at.%Sn alloys are mixtures of ${\alpha}$ and ${\beta}$ phases, the ${\beta}$ phase having a f. c. tetragonal structure (c/a < 1). The alloys containing more than 15 at.%Sn are ${\beta}$-phase solid solutions. The In-(12.9~15.0) at.%Sn alloys show a shape memory effect only when quenched to the temperature of liquid nitrogen, although their effect becomes weak and finally disappears after keeping at room temperature for a long time. The ${\beta}{\rightarrow}{\alpha}^{\prime}$ phase transformation is of the diffusionless (martensitic) type, and takes place between 330 K at 12.9 at.%Sn and 150 K at 14.5 at.%Sn. The hysteresis of transformation temperatures on heating and cooling is considerably large (29~40 K), depending on the composition. Both In-Pb and In-Sn alloys showed distinct the shape memory effects.
Iron nitride $Fe_4N$ by partial substitution of nitrogen by carbon was prepared by nitriding the iron oxalate whose thermal decomposition gives a carburating atmosphere. Iron oxalates, the precursors, were prepared by precipitation and co-precipitation. The size and shape of the carbonitride particles could be controlled by modifying the conditions of preparation of the oxalate precursor. From the results of electron micrographs, it is clear that the $Fe_4N$ pigment particle maintains the original shape(needle shape) of the starting materials and that it consists of fine unit particles which link together to form a stereo-network structure. An investigation of the $Fe^{II}_3\;Fe^I_{1-x}\;Sn_xN_{1-y}C_y$ solid solution has shown that Sn plays the role of a growth inhibitor of the elementary microcrystallites of the iron carbonitride. The coercive force and saturation magnetization of iron carbonitride obtained from co-precipitated iron oxalate were 500 Oe and 120 emu/g, respectively.
We synthesized phase pure CrN having surface areas up to $47m^2/g$ starting from $CrCl_{3}$ with $NH_{3}$. Thermal Gravimetric Analysis coupled with X-ray diffraction was carried out to identify solid state transition temperatures and the phase after each transition. In addition, the BET surface areas, pore size distributions, and crystalline diameters for the synthesized materials were analyzed. Space velocity influenced a little to the surface areas of the prepared materials, while heating rate did not. We believe it is due to the fast removal of reaction by-products from the system. Temperature programmed reduction results revealed that the CrN was hardly passivated by 1% $O_{2}$. Molecular nitrogen was detected from CrN at 700 and $950^{\circ}C$, which may be from lattice nitrogen. In temperature programmed oxidation with heating rate of 10 K/min in flowing air, oxidation started at or higher than $300^{\circ}C$ and resulting $Cr_{2}O_{3}$ phase was observed with XRD at around $800^{\circ}C$. However the oxidation was not completed even at $900^{\circ}C$. CrN catalysts were highly active for n-butane dehydrogenation reaction. Their activity is even higher than that of a commercial $Pt-Sn/Al_{2}O_{3}$ dehydrogenation catalyst in terms of volumetric reaction rate. However, CrN was not active in pyridine hydrodenitrogenation.
Kinetic analysis was important to develope the biological nutrient removal process effectively. In this research, anoxic-anaerobic-aerobic system was operated to investigate kinetic behavior on the nutrient removal reaction. Nitrification and denitrification were important microbiological reactions of nitrogen. The kinetics of organic removal and nitrification reaction have been investigated based on a Monod-type expression involving two growth limiting substrates : TKN for nitrification and COD for organic removal reaction. The kinetic constans and yield coefficients were evaluated for both these reactions. Experiments were conducted to determine the biological kinetic coefficients and the removal efficiencies of COD and TKN at five different MLSS concentrations of 5000, 4200, 3300, 2600, and 1900 mg/L for synthetic wastewater. Mathematical equations were presented to permit complete evaluation of the this system. Kinetic behaviors for the organic removal and nitrification reaction were examined by the determined kinetic coefficient and the assumed operation condition and the predicted model formulae using kinetic approach. The conclusions derived from this experimental research were as follows : 1. Biological kinetic coefficients were Y=0.563, $k_d=0.054(day^{-1})$, $K_S=49.16(mg/L)$, $k=2.045(day^{-1})$ for the removal of COD and $Y_N=0.024$, $k_{dN}=0.0063(day^{-1})$, $K_{SN}=3.21(mg/L)$, $k_N=31.4(day^{-1})$ for the removal of TKN respectively. 2. The predicted kinetic model formulae could determine the predicted concentration of the activated sludge and nitrifier, investigate the distribution rate of input carbon and nitrogen in relation to the solid retention time (SRT).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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