Sistema de sincronização hidráulica-magnética para unidade de refrigeração magnética

Abstract

A refrigeração magnética é uma tecnologia alternativa de refrigeração que usa re- frigerantes sólidos e tem mostrado potencial para substituir tecnologias convencio- nais. A sincronização entre circuitos hidráulico e magnético é fundamental para o funcionamento de um sistema de refrigeração magnética. A maioria dos protótipos de refrigeradores magnéticos desenvolvidos até agora aplicam técnicas mecânicas de sincronização, como válvulas de vedação e cames. Nos últimos anos, a necessi- dade de flexibilidade nos parâmetros do ciclo hidráulico-magnético de refrigeradores magnéticos resultou na utilização de eletroválvulas para realizar o gerenciamento hi- dráulico e na criação de sistemas de sincronização baseados em processamento de sinais elétricos. O objetivo geral deste trabalho é criar um sistema de sincroniza- ção hidráulica-magnética para uma unidade de refrigeração experimental. Para tanto, elencaram-se as necessidades específicas do sistema termo-magnético estudado, que possibilitaram o desenvolvimento de sistemas de supervisão, aquisição e sincroniza- ção do refrigerador experimental. A partir de pesquisa bibliográfica, uma estratégia para identificação da posição do campo magnético no refrigerador e uma lógica de sin- cronização foram desenvolvidas, ambas executadas por um dispositivo com arranjo de portas programáveis em campo (FPGA, do inglês field-programmable gate array). Um componente para acionamento das eletroválvulas foi selecionado baseado no menor tempo de ativação elétrica, e uma PCI foi construída para possibilitar os acionamentos. Selecionaram-se componentes de aquisição e controle, que foram integrados por meio de uma aplicação com uma arquitetura modular. A análise de resultados mostrou que o sistema de sincronização desenvolvido é capaz de sincronizar os circuitos hidráulico e magnético do refrigerador magnético dentro dos requisitos desejados, além disso atende às funções de aquisição e supervisão. O sistema desenvolvido identifica o ciclo magnético com resolução mínima de 0,0173°, com frequência de atualização de até 15,6 kHz. Além disso, esse sistema possui uma resolução mínima de disparo de ele- troválvulas de 0,16 s, que resulta em uma fração de escoamento de 2,25% em ciclos hidráulico-magnéticos de 1,5 Hz, sem considerar o atraso causado pelo escoamento.

The magnetic refrigeration is an alternative cooling technology that applies solid-state materials as refrigerants and it has shown potential to substitute conventional technolo- gies. The synchronization between hydraulic and magnetic circuits is essential for the functioning of a magnetic refrigeration system. Most prototypes of magnetic refrigera- tors developed so far apply mechanical techniques of synchronization, such as rotary valves and cams. Over the past few years, the need for flexibility in the hydraulic and magnetic cycles of magnetic refrigerators has led to the use of electronic solutions, such as electrovalves, to carry out the fluid flow management and to synchronize both sub-systems based on the processing of electric signals. The main purpose of this work is to develop a hydraulic-magnetic synchronization system for an experimental mag- netocaloric refrigeration unit. In this sense, the specific needs of the referred thermal- magnetic system were identified, which allowed for the development of a system of supervision, acquisition, and synchronization for the experimental refrigerator. Based on evidence from the literature, a strategy was developed to identify the positioning of the magnetic field within the refrigerator and to create a synchronization logic, both of which were carried out using a field-programmable gate array (FPGA). A component for the driving of electrovalves was selected based on the minimum turnaround time for electric activation, and a PCB was built for the driving. Components for acquisition and control were selected and then integrated by means of a modular architecture. The analysis of the obtained results demonstrated that the synchronization system that was developed is capable of synchronizing the hydraulic and magnetic systems of the mag- netic refrigerator within the desired standards. Furthermore, it addresses the functions of acquisitions and supervision. The developed system identifies the magnetic cycle with a minimum resolution of 0,0173°, with an update rate of up to 15,6 kHz. Moreover, this system has a minimum trigger resolution of electrovalves of 0,16 s, which leads to a flow fraction of 2.25% in hydraulic-magnetic cycles of 1.5 Hz, without considering the delay caused by the flow.