Avaliação teórica e experimental da influência do perfil temporal do escoamento sobre a performance de um regenerador magnético-ativo

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017.Um Regenerador Magnético Ativo (RMA) ideal operando segundo o ciclo termo-magnético de Brayton realiza quatro processos fundamentais. Dois destes envolvem a variação do campo magnético aplicado no regenerador em condições adiabáticas, a fim de promover a manifestação do efeito magnetocalórico (EMC) na matriz de sólido refrigerante. Os outros dois ocorrem com o campo magnético fixo e envolvem o escoamento e a transferência de calor entre a matriz e o fluido de trabalho responsável por realizar as transferências de calor para os reservatórios térmicos. Na prática, os protótipos de RMAs desenvolvidos até então realizam simultaneamente as etapas de variação magnética e de escoamento devido às limitações na concepção dos circuitos magnéticos e hidráulicos. Portanto, a sincronização entre os perfis temporais de escoamento e de variação de campo magnético apresenta um papel importante na operação do sistema. Nesta perspectiva, a presente dissertação busca contribuir para a metodologia utilizada no estudo da sincronização escoamento-campo magnético através da aplicação de técnicas experimentais e numéricas. Para tanto, um aparato de avaliação de RMAs foi adaptado a fim de permitir a redução do período de escoamento do ciclo, alterando dessa forma o perfil temporal de fluxo de massa. A abordagem numérica foi viabilizada pela validação de um modelo matemático baseado na solução das equações de conservação do problema através do Método de Volumes Finitos. Os resultados obtidos mostraram que a redução dos períodos de escoamento é uma alternativa viável para a melhoria da performance do RMA. Por exemplo, um ganho de 96\% na capacidade de refrigeração foi observado ao reduzir o período de escoamento em 20\%. Contudo, essa melhoria não é irrestrita devido às exigências de vazão mássica que acompanham essa redução. Para o mesmo exemplo, a potência de bombeamento requerida pelo menor período foi 2,5 vezes maior. O modelo matemático foi validado e viabilizou a investigação de maiores reduções do período de escoamento, além da aplicação de uma metodologia de Minimização de Geração de Entropia para determinar o efeito da modificação do perfil temporal de escoamento nas fontes de irreversibilidades no RMA. Uma contribuição adicional envolveu a caracterização do desbalanceamento de massa entre as etapas do ciclo. Tal obstáculo requereu a avaliação por meios experimentais de uma técnica numérica proposta na literatura, a fim de operar corretamente o aparato e contribuir para futuras concepções e avaliações de circuitos hidráulicos para RMAs.Abstract : Idealized active magnetic regenerators (AMR) are based on the thermo-magnetic Brayton cycle, which includes four steps. Two of them are adiabatic magnetic field changes (magnetization and demagnetization) that lead to temperature variations of the regenerator matrix as a result of the magnetocaloric effect (MCE). The others are isofield fluid flow (cold-to-hot and hot-to-cold) and heat transfer between the solid and the fluid thermal agent. In real systems, however, the magnetization and demagnetization steps in general occur simultaneously with the cold-to-hot and hot-to-cold blows due to conceptual restraints of the magnetic and hydraulic circuits. As a result, the synchronization between the magnetic field change and fluid flow processes play a vital role in the AMR behavior. Therefore, this dissertation aims to implement experimental and numerical procedures for the assessment of the synchronization between magnetic and fluid flow waveforms in RMAs. The apparatus for evaluation of RMA performance was updated in order to allow variations on the fluid flow waveform by means of the reduction of blow time fraction. Numerical modeling of the governing equations was performed by a Finite Volume Method routine. Results indicate that reduced blow fractions can improve system performance, but there is a limit for such reduction, as the required flow rate increases. The mathematical model was able to reproduce experimental cooling capacities and transient variables, and it allowed the implementation of a Entropy Generation Minimization routine for better understanding of the losses mechanisms associated to the blow fraction. This dissertation also advanced the methodology for the experimental characterization of blow mass imbalance, which was a difficulty found during the experiments