Caracterização termo-hidráulica e magnética de regeneradores magnéticos ativos em ligas de La-Fe-Si com geometria de microcanais triangulares

Abstract

A busca por sistemas de refrigeração com menores impactos ambientais e menor consumo energético tem motivado o desenvolvimento de tecnologias não convencionais de refrigeração. No contexto dessas novas tecnologias, a refrigeração magnética tem se mostrado alternativa promissora, porém trabalhos recentes demonstram a dificuldade das configurações atuais de regeneradores magnéticos ativos em atingir rendimentos satisfatórios devido ao elevado trabalho de bombeamento requerido. A partir dessa problemática, faz-se necessário o desenvolvimento de novas configurações geométricas de regeneradores magnético ativos que exijam menores potências de bombeamento, sem comprometer a capacidade de regenerar e transferir calor. Dentre essas novas geometrias, os microcanais triangulares se destacam pelo baixo número de Poiseuille e baixas porosidades. Em contrapartida, possuem número de Nusselt bem inferior se comparados às configurações convencionais de regeneradores magnéticos ativos (placas paralelas e leitos de esferas compactadas). Devido a esses efeitos concorrentes, surge a necessidade de estudar individualmente os efeitos térmicos, hidráulicos e magnéticos dessa geometria de regenerador, de modo a buscar um equilíbrio entre elas, e de desenvolver modelos matemáticos capazes de integrar os fenômenos físicos envolvidos, e que sejam capazes de prever o desempenho de refrigeradores magnéticos que utilizem essa geometria de regenerador. Para a análise de perda de carga no regenerador, foi utilizada uma abordagem de meio poroso com presença de termos inerciais para modelagem de efeitos de região de entrada. Para a análise dos fenômenos térmicos foi desenvolvido uma rotina computacional capaz de medir indiretamente o número de unidades de transferência (NTU) a partir da resposta dinâmica dos perfis de temperatura na entrada e saída do regenerador (Método Single-Blow). Também foi desenvolvido um modelo térmico bidimensional para a previsão de efeitos de região de entrada e de escoamento oscilatório em um único canal, entendido como uma espécie de célula unitária do regenerador magnético ativo. Para a modelagem do campo desmagnetizante, foram desenvolvidas, com auxílio do software comercial COMSOL, correlações capazes de prever o fator desmagnetizante da geometria de microcanais. Os resultados obtidos nas análises individuais foram então implementados em um modelo de regenerador magnético ativo já existente. Foram realizados experimentos para comparação de resultados em todas as etapas. Os resultados comparados atingiram um grau satisfatório de concordância. Foram analisados quatro regeneradores distintos, fabricados em alumínio e em liga magnetocalórica La-Fe-Si, sendo os regeneradores de alumínio utilizados como referência para o comportamento hidráulico e térmico dos regeneradores ativos. Os resultados obtidos pelo modelo de perda de carga mostraram um aumento dos efeitos de região de entrada (modelados no termo inercial) para canais com maior razão de aspecto. O modelo de Single-Blow foi utilizado para regressão do número de Nusselt nos regeneradores de alumínio, obtendo valores em torno de 2,49. Esse método também foi utilizado para medição indireta da área de troca intersticial entre as fases, uma vez que as irregularidades geométricas provocadas pelo método de fabricação dificultam a medição direta desta grandeza.

Abstract: The search for refrigeration systems with lower environmental impact and energy consumption has motivated the development of not-in-kind cooling technologies. In the context of these new technologies, magnetic refrigeration has been a promising alternative. However, recent works highlight the difficulty for current active magnetic regenerator configurations to achieve satisfactory efficiency due to the high pumping power required. Based on this problem, it is necessary to develop new geometric structures of active magnetic regenerators that require less pumping power without compromising the ability to regenerate and transfer heat. Among these new geometries, triangular microchannels stand out for their low Poiseuille number and porosity. In contrast, they have a much lower Nusselt number when compared to conventional active magnetic regenerator configurations (parallel plates and packed spheres). Due to these trade-offs, it becomes unavoidable to study the thermal, hydraulic and magnetic effects individually for this new generation of magnetic regenerators and develop new mathematical models capable of integrating all these physical phenomena, being capable of predicting the performance of magnetic refrigerators with this geometry. For the pressure drop analysis, this dissertation proposes a porous media approach with the presence of inertial terms to model the hydraulic entrance region effects. To analyze the thermal phenomena, this work developed a computational routine capable of indirectly measuring the number of transfer units (NTU) from a dynamic response of temperature profile change in the inlet of the regenerator (Single-Blow Method). It also developed a two-dimensional thermal model capable of predicting entrance region thermal effects and oscillatory flow in one channel, a unitary cell of the active magnetic regenerator. As for demagnetizing field model, it was developed, using the commercial software COMSOL, a series of correlations capable of predicting the demagnetizing factor of the microchannel matrix. The results obtained in the individual analyzes with each model were then implemented on an existing active magnetic regenerator modelcapable of integrating all geometric factors studied. Four thermal regenerators were tested, two being manufactured in aluminum and the other two being made of the magnetocaloric alloy (La-Fe-Si). The numerical results achieved by the models were all compared to experimetnal results at all stages. The aluminum regenerators were used as a reference for the hydraulic and thermal behavior of the magnetocaloric regenerators. The pressure drop model showed increased entrance region effects (modeled on the inertial term) for channels with higher aspect ratios. The Single-Blow model was used to estimate the Nusselt number for the aluminum regenerators obtaining values around 2.49. This method was also used to indirectly measure the interstitial heat exchange area between phases since the geometric defects caused by the manufacturing process made it difficult to measure this magnitude directly.