Adaptação dos sistemas hidráulico e de acionamento de um protótipo de refrigeração magnética

Abstract

A refrigeração magnética é um ramo de tecnologias não convencionais para refrigeração e condicionamento de ar, seu funcionamento vem da utilização de materiais magnetocalóricos e de suas propriedades particulares, que possibilitam a geração de uma diferença de temperatura a partir da aplicação de um campo magnético sob o mesmo, fenômeno denominado efeito magnetocalórico. Este efeito em si não é grande o bastante para promover uma considerável variação de temperatura, portanto faz-se necessário o uso de ciclos térmicos regenerativos ativos para obter melhores resultados em aplicações chamadas de regeneradores magnéticos ativos. Para que estes componentes funcionem corretamente é preciso que se executem escoamentos de fluido secundário por entre as matrizes magnetocalóricas de forma sincronizada. O presente trabalho visa adaptar um novo sistema de gerenciamento hidráulico a base de eletroválvulas para uma bancada protótipo de refrigeração magnética presente na Universidade Federal de Santa Catarina, dentro do Laboratório de Pesquisa em Refrigeração e Termofísica – Polo, e seu grupo de pesquisa o PoloMag. Foram realizadas simulações computacionais com modelos dos componentes hidráulicos de um refrigerador magnético, visando comprovar o funcionamento do novo sistema proposto com base na utilização de válvulas do tipo 4/3 vias, e realizando testes para comprovar os conceitos abordados. Por meio destes avaliaram-se os padrões de escoamento no aparato para frequências de acionamento de 0,5, 1,0 e 2,0Hz. Outros aspectos monitorados foram a temperatura nas imediações do sistema hidráulico e a potência de acionamento dos solenoides, variável essencial na performance destes sistemas. Por fim concluiu-se que é possível utilizar o sistema proposto como solução ao desafio abordado, uma vez que o mesmo consegue apresentar os perfis de escoamento necessários, sendo o consumo total do novo sistema de 36,64, 27,84 e 16,62 W para as frequências analisadas. Apesar desses valores serem maiores do que esperado, o conceito apresentado alicerça a busca por soluções mais eficientes. A análise de influência térmica das válvulas não foi conclusiva acerca do calor dissipado pelas válvulas para o escoamento, por ´em ela permitiu verificar a importância do design adequado da tubulação hidráulica para evitar efeitos indesejados, como a presença de volumes mortos.

Magnetic Refrigeration is a non-conventional field of study of cooling technologies, its working principles are based in the use of magnetocaloric material and its properties, on which a temperature difference can be generated by the application of an external magnetic field. The magnetocaloric effect itself is not capable of generating enough cold for usefull applications, so in order to achieve better results active magnetic regener- ators are applied. In order to perform the regenerative cycles it is necessary to apply sychronized fluid flows through the magnetocaloric matrix. This work aims to adapt a new fluid flow management system based in directional solenoid valves and its actuation system to a previous built magnetic refrigeration prototype, at the Universidade Federal de Santa Catarina, in Research Laboratories for Emerging Technologies in Cooling and Thermophysics, and its group PoloMag. Computacional simulations of the magnetic refrigeration aparatus and models of solenoid valves were tested to authenticate the working principles of the hypotetical system. Later on, the aparatus was adapted with the new hydraulic system and experimental test were run. The resulting flow patterns were analysed for operation frequ ˆencies of the valves at 0,5, 1,0, 2,0 Hz. Another aspects of interest were monitored such as voltage and current for valve switching and temperatures along the valve pipings. It was concluded that the flow patterns presented are valid for applications in magnetic refrigeration. The total power consumption of the valve system achieved was 36,64, 27,84 and 16,62 for the before mentioned frequencies. The results over thermal influence of the valve were inconclusive, however these results allowed to verify the importance of adequate tubulation design in order to avoid undisired effects, such as dead volume.