Modeling and optimization of active magnetic regenerators using La-Fe-Si based alloys

Abstract

Tecnologias alternativas de refrigeração buscam o desenvolvimento de sistemas que tenham um consumo de energia e impacto ambiental menores do que os sistemas convencionais. Recentemente, principalmente devido à questão ambiental, a busca por tais sistemas vem se intensificando cada vez mais. Neste contexto, a refrigeração magnética surge como uma das alternativas mais atrativas e promissoras, porém ainda sofre com limitações que impedem sua aplicação em larga escala como o custo de seus componentes, sua complexidade e seu tamanho. Esta dissertação consiste do desenvolvimento de um modelo numérico de simulação de regeneradores magnéticos ativos, os quais são um dos principais componentes de um sistema de refrigeração magnética, com o objetivo de projetar o regenerador de uma unidade de refrigeração magnética com capacidade de 9000 BTU/h para temperaturas das fontes fria e quente de 22ºC e 35ºC. Um sistema de refrigeração magnética é uma estrutura complexa, porém este trabalho tem como foco o regenerador e sua interação com dois outros subsistemas: o sistema hidráulico e o circuito magnético. O sistema hidráulico é responsável pelo escoamento dentro do regenerador, influenciando a vazão máxima, o perfil de escoamento e a frequência de operação. O circuito magnético fornece o perfil de campo magnético através de sua rotação e contém os regeneradores no seu interior, afetando não só o efeito magnetocalórico, mas também a frequência de operação e as dimensões do regenerador. Dessa forma, este trabalho pode ser dividido em duas partes: desenvolvimento e aprimoramento de um modelo de regeneradores magnéticos ativos capaz de simular características específicas de regeneradores à base de La-Fe-Si, e uso de tal modelo para analisar a influência de diversos parâmetros de operação na capacidade de refrigeração do sistema, visando o projeto do regenerador final. O modelo resultante da primeira parte é descrito de maneira aprofundada e inclui, além do modelo básico de um regenerador magnético ativo, perdas devido aos volumes mortos, à troca de calor através da carcaça, à influência do epóxi na troca de calor e perda de carga, à desmagnetização causada pelo material e outras perdas menores. A segunda parte consiste inicialmente da validação do modelo com resultados experimentais, os quais foram realizados para três tipos diferentes de materiais a base de La-Fe-Si. A validação mostrou resultados promissores, com o modelo demostrando um desvio menor do que 7\% em relação à capacidade de refrigeração a \textit{span} zero obtida experimentalmente em um regenerador ligado por epóxi. Em seguida, uma análise dos resultados obtidos pelo modelo é feita, descrevendo o desempenho do regenerador em função de diversos parâmetros de projeto. A maior parte dessas análises é feita dentro do contexto de uma unidade de refrigeração magnética, ou seja, de maneira integrada com os outros subsistemas, principalmente o magnético, os quais foram modelados por outros membros da equipe do projeto. Ao final, o processo de decisão aplicado para definir o regenerador final e o seu material é descrito, e as especificações resultantes deste processo são expostas, incluindo as dimensões do circuito magnético. O regenerador escolhido é equivalente a um regenerador prismático de base retangular com altura de 45 mm, largura de 59 mm e comprimento de 130 mm. A massa final de cada regenerador foi estimada em 1.5 kg, com 16 regeneradores sendo utlizados no sistema, resultando em 24 kg de material. Cada regenerador é composto por 12 camadas de material com temperaturas de Curie variando entre 288.15 K e 314.15 K. O sistema hidráulico precisará fornecer uma vazão média por blow de 800 kg $h^{-1}$ com uma frequência de 2.5 Hz. Nessas condições, a capacidade de refrigeração esperada é de 2638 W (9000 BTU/h).

Abstract: Alternative refrigeration technologies aim for the development of systems that have a lower energy consumption and environmental impact than conventional systems. Recently, mainly due to environmental issues, the search for such systems has been increasingly intensifying. In this context, magnetic refrigeration emerges as one of the most attractive and promising alternatives, but it still suffers from limitations that prevent its large-scale application such as the cost of its components, its complexity and its size. This dissertation consists of the development of a numerical model of active magnetic regenerators, which are one of the main components of a magnetic refrigeration system, with the objective of designing the regenerator of a magnetic refrigeration unit with a cooling capacity of 9000 BTU/h between cold and hot environments with temperatures of 22ºC and 35ºC. A magnetic cooling system is a complex structure, but this work focuses on the regenerator and its interaction with two other sub-systems: the hydraulic system and the magnetic circuit. The hydraulic system is responsible for the flow within the regenerator, influencing the maximum mass flow rate, the flow profile and the frequency of operation. The magnetic circuit provides the magnetic field profile through its rotation and contains the regenerators inside it, affecting not only the magnetocaloric effect, but also the frequency of operation and the dimensions of the regenerator. Thus, this work can be divided into two parts: development and improvement of a model of active magnetic regenerators capable of simulating specific characteristics of La-Fe-Si-based regenerators, and use of this model to analyse the influence of different operating parameters on the cooling capacity of the system, aiming for the design of the final regenerator. The model resulting from the first part is described in depth and includes, in addition to the basic model of an active magnetic regenerator, losses due to void volumes, heat exchange through the casing, the influence of epoxy bonding on the heat exchange and the pressure drop, demagnetization caused by the material and other minor losses. The second part initially consists of validating the model with experimental results, which were performed with three different types of La-Fe-Si based materials. The validation showed promising results, with the model showing a deviation of less than 7\% in relation to the cooling capacity at zero-span obtained experimentally in an epoxy-bonded regenerator. Then, an analysis of the results obtained by the model is made, describing the performance of the regenerator according to several design parameters. Most of these analyses are made within the context of the magnetic refrigeration unit, that is, in an integrated manner with the other sub-systems, mainly the magnetic circuit, which were modeled by other members of the project team. In the end, the decision process applied to define the final regenerator and its material is described, and the specifications resulting from this process are exposed, including the dimensions of the magnetic circuit. The chosen regenerator is equivalent to a prismatic regenerator with a rectangular base 45 mm high, 59 mm wide and 130 mm long. The final mass of each regenerator was estimated at 1.5 kg, with 16 regenerators being used in the system, resulting in 24 kg of material. Each regenerator consists of 12 layers of material with Curie temperatures ranging from 288.15 K to 314.15 K. The hydraulic system will need to provide an average mass flow rate per blow of 800 kg $h^{-1}$ with a frequency of 2.5 Hz. Under these conditions, the expected cooling capacity is 2638 W (9000 BTU / h).