Desenvolvimento de um sistema de refrigeração magnética do tipo rotativo

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015.Abstract : Magnetic refrigeration is an emerging cooling technology for applications at room-temperature. The magnetocaloric effect (MCE) is the thermal response of a magnetic material when subjected to a changing magnetic field. Magnetic refrigeration harvests the MCE in a regenerative thermodynamic cycle to transfer heat from a low-temperature environment to a high-temperature one by means of magnetic work in an active magnetic regenerator (AMR). In this thesis, several aspects of this technology were analyzed with contributions on four research fronts. First, a temperature controlled facility was constructed to improve the direct measurements of the MCE by means of the adiabatic temperature change, ?T_ad. Measurements of the benchmark magnetocaloric material gadolinium (Gd), and one of the most promising magnetic refrigerants, MnFe(P,As), were investigated. Second, a magnetic circuit with a 2-pole rotor-stator configuration with high magnetic flux regions of approximately 1 T was designed aiming at an efficient use of the Nd-Fe-B permanent magnets. A novel method to optimize the magnetic circuit was proposed by employing a magnet wedge concept. Third, a novel rotary magnetic refrigerator was designed and built at the Federal University of Santa Catarina (UFSC) using the optimized rotary magnetic circuit and a stationary AMR composed by 8 pairs beds packed with 1.7 kg of Gd spheres. Two low-friction rotary valves were developed to synchronize the hydraulic and magnetic cycles and positioned at the hot end to avoid heat generation in the cold end. The last part of this thesis comprised an experimental and thermodynamic performance analysis of the rotary magnetic cooler prototype developed at the Technical University of Denmark (DTU). A detailed study of the losses external to the regenerator and a methodology to breakdown the COP and the motor power was developed to quantify the efficiency improvements of the system and the major losses. The performance of both magnetic refrigerators were evaluated in terms of the regenerator temperature span, coefficient of performance (COP) and the overall second-law efficiency (?_2nd) as a function of different operating conditions. A refrigeração magnética é uma tecnologia alternativa de refrigeração para aplicações ao redor da temperatura ambiente baseada no efeito magnetocalórico (EMC). Este efeito se manifesta por meio de uma variação instantânea na temperatura de um material magnético quando submetido a uma variação de campo magnético externo. Um regenerador magnético ativo (RMA) submetido a um ciclo termodinâmico regenerativo permite transferir calor de um reservatório de baixa temperatura para um de alta temperatura através do trabalho magnético. Neste trabalho de doutorado foi realizada uma análise desta tecnologia com contribuições em quatro frentes de pesquisa. Na primeira etapa foi desenvolvida uma câmara de temperatura controlada para melhorar a medição direta do EMC por meio da variação adiabática da temperatura, ?T_ad. Neste trabalho foram caracterizadas amostras do material magnetocalórico de referência, gadolínio (Gd), e amostras de um dos refrigerantes magnéticos mais promissores, MnFe(P,As). A segunda frente consistiu no projeto de um circuito magnético do tipo rotor-estator com dois polos magnéticos de fluxo magnético de aproximadamente 1 T visando o uso eficiente dos ímãs permanentes de Nd-Fe-B, por meio de uma metodologia proposta através do conceito de segmentos magnetizados. Na terceira etapa, foi projetado e construído um refrigerador magnético do tipo rotativo na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) composto pelo circuito magnético otimizado e um RMA fixo com 8 pares de camadas empacotadas com 1.7 kg de esferas de Gd. A sincronização magneto-hidráulica foi realizada por duas válvulas rotativas de baixo atrito, desenvolvidas neste trabalho, ambas alocadas no lado quente do sistema para evitar geração de calor no lado frio. Na última parte desta tese, foi realizada uma análise experimental e termodinâmica de um sistema de refrigeração magnética desenvolvido na Universidade Técnica da Dinamarca (DTU). Um mapeamento detalhado das perdas externas ao regenerador e uma análise de decomposição do COP e da potência consumida pelo motor foram conduzidos para quantificar as melhoras na eficiência do sistema e as perdas mais relevantes. O desempenho de ambos sistemas foi avaliado em termos da amplitude de temperatura do regenerador, do coeficiente de performance (COP) e da eficiência de segunda lei da termodinâmica (?_2nd) em função de diferentes condições de operação