Desenvolvimento e avaliação experimental de estratégias de controle para sistemas de refrigeração magnética

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Hoffmann, Gislaine
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/220420
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2020.
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Os resultados das caracterizações estática e dinâmica mostraram que: (i) a vazão mássica do fluido térmico tem maior influência na temperatura do gabinete do que as outras variáveis do sistema; (ii) a temperatura do gabinete em estado estacionário apresentou um comportamento parabólico com o aumento da vazão mássica do fluido, demonstrando que existe um valor de vazão mássica ideal para certas condições de operação; (iii) é possível atingir temperaturas de gabinete equivalentes alterando-se a frequência do ciclo ou a vazão mássica do fluido. Contudo, a primeira tem um impacto maior no consumo de energia e apresenta transientes mais lentos. Com base nos resultados, foram projetadas três estratégias de controle, em ordem crescente de complexidade: (i) liga-desliga de todo o sistema; (ii) controle PI da temperatura de gabinete por meio da manipulação da vazão mássica do fluido térmico; (iii) acoplamento do mesmo PI do item (ii) com um controlador baseado em eventos, o qual atua na frequência do ciclo de refrigeração e na frequência rotacional do ventilador para reduzir o consumo energético do sistema. Uma análise dos resultados das estratégias de controle revelou que as três foram aptas a seguir a referência desejada e a rejeitar as perturbações impostas. No entanto, a estratégia de controle baseado em eventos operando em uma malha externa ao controlador PI mostrou-se promissora para aplicação em refrigeração magnética, pois foi capaz de reduzir o consumo de energia do aparato experimental em mais de 50%, mantendo a temperatura do gabinete em torno do valor de referência.Abstract: The objective of this dissertation is to experimentally study, develop and evaluate control strategies for a magnetic refrigerator. For experimental validation, an isolated compartment with a capacity of 40 liters was coupled to amagnetic refrigeration system equipped with an active magnetic regenerator. The experimental apparatus enabled the evaluation of the influence of operational variables on the temperature behavior of the cabinet, so the results could be used in the development of different control strategies. The results of the static and dynamic characterizations showed that: (i) the flow rate of thermal fluid has a greater influence on the temperature of the cabinet than the other system variables; (ii) the temperature of the cabinet at steady state showed a parabolic behavior with respect to the fluid flow rate, demonstrating that there is an optimal flow rate for a given operating condition; (iii) it is possible to reach equivalent cabinet temperatures by changing the cycle frequency or the fluid flow rate. However, the former has a greater impact on the energy consumption and is associated with slower transients. Based on the obtained results, three control strategies were designed, in increasing order of complexity: (i) on-off strategy considering all components of the system; (ii) PI control of the cabinet temperature by manipulating the fluid flow rate; (iii) coupling the PI control of item (ii) with an event-based controller, which acts on the frequency of the refrigeration cycle and the rotational frequency of the fan to reduce the energy consumption of the system. An analysis of the control strategy results revealed that all three were able to follow the desired reference, while rejecting the imposed disturbances. However, the event-based control strategy operating in an external loop to the PI controller proved to be a promising alternative for magnetic refrigeration, since it was able to reduce the energy consumption of the experimental apparatus by more than 50%, while maintaining the temperature around the reference value.Flesch, Rodolfo César CostaBarbosa Junior, Jader RisoUniversidade Federal de Santa CatarinaHoffmann, Gislaine2021-02-26T14:50:36Z2021-02-26T14:50:36Z2020info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis119 p.| il., gráfs.application/pdf371143https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/220420porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2021-02-26T14:50:36Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/220420Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732021-02-26T14:50:36Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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