Projeto de um protótipo de refrigeração magnetocalórica assistido por modelagem de sistemas

Abstract

A refrigeração é fundamental para a manutenção do padrão de vida da sociedade, porém seus benefícios têm como contrapartida o agravamento de questões ambientais. A principal delas está relacionada à intensificação do efeito estufa causado pela emissão direta de fluidos refrigerantes e, de forma indireta, pelas emissões associadas ao consumo energético dos sistemas de refrigeração, baseados principalmente na tecnologia convencional de compressão de vapor. Mediante as perspectivas de aumento dos impactos ocasionado pela alta da demanda desses sistemas, a refrigeração magnética foi proposta como possível alternativa mais limpa, pois substitui os fluidos refrigerantes por materiais sólidos submetidos a ciclos termomagnéticos, teoricamente, de alta eficiência. Apesar do seu notável desenvolvimento nas últimas duas décadas, ainda há muito a ser feito em relação à caracterização de protótipos magnetocalóricos em condições reais de operação, especialmente em termos de comparação com o desempenho da tecnologia convencional. Ainda não existe na literatura aberta um protótipo que se equipare em termos de eficiência termodinâmica a um dispositivo de compressão de vapor análogo. Um dos grandes entraves nesse sentido são as perdas associadas a componentes auxiliares do sistema magnético, como bombas, válvulas de controle de fluxo, motores e ventiladores. Outra questão são os custos envolvidos na fabricação desses protótipos devido à utilização de ligas de elementos terras-raras nos ímãs e no refrigerante sólido. Neste ponto, o cenário nacional apresenta perspectivas favoráveis, pois existe um grande potencial de exploração desses elementos. Porém, não se pode desprezar os impactos socioambientais e fatores econômicos dessa exploração, considerados críticos para diversas tecnologias renováveis. Considerando esse contexto, mais um passo para o desenvolvimento da tecnologia pode ser dado ao investigar qual aplicação seria mais favorável em termos de utilização dos elementos críticos e de consumo energético visando a sua exploração nacional. Recentemente, uma adega de vinhos magnética foi fabricada e atingiu pontos de operação similares aos de um sistema convencional análogo, porém com apenas 60% da eficiência termodinâmica e com dimensões da unidade de refrigeração ainda incompatíveis com a aplicação. Portanto, o objetivo desta tese é realizar o projeto conceitual de uma segunda versão da adega de vinhos magnética, visando avaliar diferentes configurações de sistema projetados a partir da combinação de opções para cada subsistema e determinar em qual delas o sistema magnético seria mais vantajoso do ponto de vista da minimização da utilização de elementos de terra-raras, do aumento da eficiência energética e do aproveitamento do volume do compartimento refrigerado em relação ao volume da unidade frigorífica. A metodologia de projeto foi construída em torno de um modelo numérico simplificado do sistema utilizado em uma rotina de minimização da massa de terras-raras que incluiu também critérios para a eficiência e dimensões. O desenvolvimento dos modelos dos componentes foi baseado na simplificação das equações de conservação e visou a minimização do tempo computacional e da dependência de ajustes empíricos, além de garantir que a sua aplicação apresente resultados consistentes em condições em que não há resultados experimentais disponíveis. Além disso, restringiu-se as opções de componentes no projeto do protótipo proposto para aqueles de fácil obtenção no país, com exceção do material refrigerante, cujo estágio de desenvolvimento da sua produção nacional está nas fases iniciais. Os resultados da análise indicam que o novo sistema deve alcançar 90% da eficiência do sistema convencional, considerando uma temperatura de gabinete de 8 °C, e deve superá-lo em 12% para uma temperatura de 12 °C, utilizando cerca de 50% da massa de ligas de terras-raras da primeira versão da adega de vinhos magnética. Espera-se que a fabricação do novo protótipo e a validação da metodologia de projeto possibilite a investigação do desempenho de sistemas magnéticos em outras aplicações.

Abstract: Refrigeration is essential for maintaining society's living standards, but its benefits are followed by the worsening of environmental issues. They are related to the greenhouse effect aggravation due to the emission of refrigerant fluids and the energy consumption of the conventional technology, which is the vapor compression. Considering the increasing footprint caused by the growing demand for such systems, magnetocaloric refrigeration was proposed as an alternative technology, as it replaces fluids with solid materials of high theoretical efficiency subjected to oscillating magnetic fields. Despite the remarkable development of the technology, there is still much to be done in the evaluation of prototypes under real operating conditions, especially in terms of the comparison with the performance of the conventional technology. There is still no prototype in the open literature that is equivalent in terms of thermodynamic efficiency to an analogous vapor compression device. One of the major obstacles in this regard are the losses associated with auxiliary components of the magnetic system, such as pumps, flow control valves, motors and fans. Another issue is related to the manufacturing costs of these prototypes due to the use of rare-earth alloys in the magnets and in the solid refrigerant. In this scenario, the national scenario presents favorable prospects. However, the social and environmental impacts as well as economic factors of this exploitation cannot be neglected and they are considered critical for several renewable technologies. In this sense, the development of the technology can take another step by investigating in which application it would be more favorable in terms of the usage of critical elements and energy consumption. Recently, a magnetic wine cooler was manufactured and reached operation points similar to an analogous conventional system, but with only 60% of the thermodynamic efficiency and dimensions still incompatible with the application. Therefore, the objective of this thesis is to perform the conceptual design of a second version of the magnetic wine cooler, aiming at evaluating system configurations designed from the combination of candidate devices for each subsystem and determining in which of them the magnetic system would require lower masses of rare-earth alloys, achieve higher energy efficiencies and occupy less volume with respect to that of the refrigerated cabinet. The design methodology was built around a simplified numerical model of the system coupled to a mass minimization routine. Criteria for efficiency and dimensions were also included. The development of the mathematical models was based on the simplification of the conservation equations and aimed at minimizing the computational time and the dependence on empirical adjustments, aiming at guaranteeing that their application presents consistent results in conditions in which there are no experimental results available. Moreover, the options of components were restricted to those that can be obtained in the country, with the exception of the refrigerant material, whose stage of development of its national production is in the initial phases. The results indicate that the new system should achieve 90% of the efficiency of the conventional system when operating at a cabinet temperature of 8 °C, and exceed it by 12% when operating at 12 °C, using 50% of the rare-earth alloys mass of the first version of the magnetic wine cooler. Manufacturing and characterization of the new prototype and the validation of the design methodology will enable investigations of the magnetic systems performance for other applications in order to determine in which of them the magnetocaloric technology has more potential to be explored.