Um sistema à base de eletroválvulas para o gerenciamento hidráulico de regeneradores magnético-ativos

Abstract

A refrigeração magnética é alvo de estudos por diversos grupos ao redor do mundo, sendo os resultados de suas pesquisas responsáveis pela concepção de diversas configurações de protótipos de refrigeradores magnéticos disponíveis na literatura. Nesse contexto, a fim de aumentar a eficiência dos sistemas existentes e de gerações futuras, é necessário avaliar a influência de parâmetros operacionais de cada sub-sistema e sua contribuição para o desempenho final do conjunto. Dentre os diversos sub-sistemas de refrigeradores magnéticos, o gerenciamento hidráulico do fluido chega a ser responsável por mais de 60% da potência consumida pelo sistema, segundo resultados experimentais obtidos por Capovilla et al. (2016). O principal motivo para o elevado consumo de potência da maioria dos protótipos é o fato de utilizarem sistemas de válvulas similares, do tipo rotativo com vedação do tipo face-face. Desta forma, este trabalho identificou e selecionou através de um modelo matemático de um circuito hidráulico de um regenerador magnético-ativo, eletroválvulas comerciais de 3/2 vias e 2/2 vias, que em seguida tiveram suas características avaliadas em uma bancada experimental desenvolvida especialmente neste trabalho. Foram realizados testes em regime permanente e cíclico, totalizando 136 casos conforme o previsto no planejamento dos experimentos. Além disso, foi projetado e fabricado um circuito eletrônico auxiliar para as medições de tensão e corrente elétrica. Os consumos de potência elétrica das quatro válvulas selecionadas foram avaliados, submetendo-as a pressões de suprimento que variaram de 2,5 a 7,5 bar com temperatura de fluido e ambientes controlados. As válvulas solenoides Tipo A, Tipo B e Tipo D foram submetidas a frequências de chaveamento de 0,4 Hz a 2,8 Hz. Os tempos de respostas foram identificados através da pressão hidráulica a montante e jusante destas válvulas além da corrente elétrica para válvulas com solenoide. A válvula com acionamento piezoelétrico Tipo H apresentou constantes vazamentos, e mostrou-se inoperante em regime cíclico para as faixas de frequências testadas neste trabalho, entretanto, mostrou-se com o menor consumo de potência elétrica entre as válvulas testadas e coeficiente de vazão experimental dentro da faixa desejada para o circuito hidráulico de um refrigerador magnético. As válvulas do Tipo B proporcionaram as maiores vazões no circuito hidráulico, o baixo consumo energético foi identificado, porém acima do informado pelo catálogo do fabricante. Apesar de sua atuação em dois estágios favorecer o consumo energético, ela atrasa o tempo de fechamento, necessitando a aplicação de atraso induzido no controle destas válvulas. As mesmas apresentaram problemas no fechamento em regimes cíclicos quando submetidas a pressões de suprimento maiores. As válvulas Tipo D apresentaram comportamento simétrico em regime cíclico e permanente, mas devido ao seu alto consumo energético e baixo coeficiente de vazão, desqualificam esta, para aplicações em refrigeradores magnéticos. A partir do estudo teórico e experimental desenvolvido neste trabalho é possível aplicar um novo conceito no gerenciamento hidráulico para refrigeradores magnéticos, com características flexíveis quanto ao tempo de escoamento e menor potência de acionamento comparada a sistemas atuais.

Abstract : The magnetic refrigeration is the subject of studies by several groups throughtout the world, and the results of their research are responsible for the design of several configurations of magnetic refrigerator prototypes available in the literature. In this context, in order to increase the efficiency of existing systems and future generations, it is necessary to evaluate the influence of operational parameters of each subsystem and their contribution to the final performance of the whole. Hydraulic fluid management is responsible for more than 60% of the power consumed by the system, according to experimental results obtained by Capovilla et al. (2016). The main reason for the high power consumption of most prototypes is the use of similar valve systems of the rotary type with face-to-face sealing. Thus, this work identified and selected through a mathematical model of a hydraulic circuit of a magnetic-active regenerator, commercial 3/2-way and 2/2-way electrovalves, which then had their characteristics evaluated on an experimental bench developed especially for this work. Tests were carried out in a steady and cyclic state, adding up to 136 cases according to the planning of the experiments. In addition, an auxiliary electronic circuit for voltage and current measurements has been designed and manufactured. The electrical power consumptions of the four selected valves were evaluated, subjecting them to supply pressures ranging from 2.5 to 7.5 bar with fluid temperature and controlled environments. Type A, Type B and Type D solenoid valves were subjected to switching frequencies from 0.4 Hz to 2.8 Hz. Response times were identified by the hydraulic pressure upstream and downstream of these valves in addition to the electric current for valves with solenoids. The type H piezo electric valve presented constant leakage, and was inoperative in a cyclic regime for the frequency range tested in this work, however, it exhibited the lowest power consumption of the valves tested and the experimental flow coefficient within the desired range for the hydraulic circuit of a magnetic refrigerator. The Type B valves provided the largest flow rates in the hydraulic circuit, a low energy consumption was identified, but above that reported by the manufacturer's catalog. Although its performance in two stages favors the energy consumption, it delays the closing time, necessitating the application of induced delay in the control of these valves. They presented problems in closing at cyclical regimes when subjected to higher supply pressures. Type D valves have shown symmetrical behavior in a cyclic and permanent manner, but because of their high energy consumption and low flow coefficient, they are disqualified for applications in magnetic refrigerators. From the theoretical and experimental study developed in this work it is possible to apply a new concept in hydraulic management for magnetic refrigerators, with flexible characteristics regarding the time of flow and lower power consumption compared to current systems.