Projeto termodinâmico de um sistema de refrigeração magnética para aplicações em condicionamento de ar

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Peixer, Guilherme Fidelis
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/220405
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2020.
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As principais barreiras ao desenvolvimento das chamadas tecnologias calóricas, em geral, são o alto custo dos componentes, a complexidade e o custo computacional das ferramentas de simulação e otimização disponíveis, o que impede o desenvolvimento de abordagens unificadas para projetar e melhorar o desempenho combinado dos componentes. Assim, a presente dissertação se concentra no desenvolvimento de uma abordagem integrada para projetar os componentes de um condicionador de ar magnetocalórico capaz de produzir uma capacidade de resfriamento de 9.000 BTU/h (2637 W) para temperaturas dos ambientes quente e frio de 22°C e 35°C, respectivamente. Testes de desempenho realizados em um laboratório certificado demonstraram que um condicionador de ar baseado em um sistema de refrigeração por compressão mecânica disponível no mercado operando nas condições estabelecidas anteriormente teve um consumo energético de 1190 W, resultando em um COP de 2.48 e um eficiência de segunda lei de 10.91%. Com o objetivo de minimizar o consumo de energia, o custo e a massa total do conjunto, modelos matemáticos semi-empíricos para materiais magnetocalóricos, regeneradores magnético-ativos e circuitos magnéticos foram desenvolvidos e validados contra dados numéricos. Esses modelos foram posteriormente acoplados a um modelo de trocador de calor do tipo tubo-aleta. Em seguida, um método de otimização do sistema foi proposto a fim de avaliar os melhores sistemas de refrigeração magnetocalórica com base no seu consumo de energia. A montagem final apresenta um COP de 2.39 e uma eficiência de segunda lei de 10.52%. Uma análise do consumo de energia mostra que as maiores parcelas de consumo estão relacionadas à magnetização do sólido e bombeamento do fluido, enquanto do ponto de vista da massa, o rotor do circuito magnético apresenta a maior contribuição.Abstract: In recent years, due to environmental pressure and governmental policy, research and development in the refrigeration industry has increasingly turned to seeking the development of more efficient systems with less environmental impact. Alternative refrigeration technologies have drawn more and more attention and, in this scenario, magnetocaloric refrigeration stands out as one of the most promising options. However, magnetic refrigeration systems have not yet demonstrated their potential to achieve high efficiencies, and the systems developed to this date are still lab prototypes at a pre-commercial stage. The main barriers to the development of the so-called caloric technologies in general are the high financial cost of the components, complexity and computational cost of the available simulation and optimization tools, which hinders the development of unified approached to designing and improving the combined performance of the components. The present dissertation focuses on the development of an integrated approach to designing the components of a magnetocaloric air conditioner capable of producing a cooling capacity of 9000 BTU/h (2637 W) for cold and hot ambient temperatures of 22°C and 35°C, respectively. Performance tests at a certified laboratory demonstrated that a commercial available vapor compression air conditioner operating at that condition has a power consumption of 1190W, which resulted in a COP of 2.48 and a second law efficiency of 10.91%. With the aim of minimizing power consumption, cost , and the total mass of the assembly, semi-empirical mathematical models for magnetocaloric materials, active magnetic regenerators and magnetic circuits were developed and validated against numerical data. Those models were later coupled to a tube-fin type heat exchanger model. Then, a method for optimizing the system was proposed in order to evaluate the best magnetocaloric cooling systems based on its energy consumption. The final assembly had a predicted COP of 2.39 and a second-law efficiency of 10.52%. An analysis of energy consumption shows that the largest consumption shares are related to the magnetization of the solid and pumping of the working fluid, while from the point of view of mass, the rotor of the magnetic circuit has the greatest contribution.Barbosa Junior, Jader RisoLozano Cadena, Jaime AndrésUniversidade Federal de Santa CatarinaPeixer, Guilherme Fidelis2021-02-26T14:50:09Z2021-02-26T14:50:09Z2020info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis256 p.| il., gráfs.application/pdf371163https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/220405engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2021-02-26T14:50:09Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/220405Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732021-02-26T14:50:09Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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