Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-22T13:37:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 235625.pdf: 5995392 bytes, checksum: e09c293bc0c8f1b4b31a1f1d7077dac5 (MD5) / O presente trabalho investigou a influência da rotação do compressor, da abertura do dispositivo de expansão e da carga de refrigerante sobre o desempenho de um sistema de refrigeração, visando à caracterização de regiões de operação de máximo coeficiente de performance. Para tanto, desenvolveu-se um aparato experimental constituído por um compressor de rotação variável (CRV), uma válvula de expansão eletrônica (EEV) tipo PWM (Pulse Width Modulation) e uma célula de carga de refrigerante.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2015-11-17T03:08:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 335894.pdf: 3270568 bytes, checksum: 8cd03704da81158faacc9c281b2f2785 (MD5) Previous issue date: 2015 / Sistemas de refrigeração, tais como refrigeradores e congeladores, têm comportamento dinâmico lento. Esse fato contribui sobremaneira para que os ensaios relacionados ao controle de qualidade na produção dos mesmos demandem elevados tempos e, consequentemente, custos. Este trabalho analisa, de forma experimental, grandezas alternativas às tradicionalmente usuais - temperaturas no interior do sistema; potência consumida no transiente de partida do compressor - com potencial de indicação de defeitos em tempos reduzidos. Para tal análise, foram provocados e emulados defeitos de forma controlada em refrigeradores domésticos. A partir de revisão bibliográfica e de contato com especialistas de empresas fabricantes de sistemas de refrigeração e de componentes, foram identificados três defeitos típicos: obstrução na linha de líquido; vazamentos internos ao compressor; carga de fluido refrigerante fora do valor nominal. Três refrigeradores foram empregados como estudo de caso. Individualmente, os resultados foram bons, porém, quando analisados comportamento médio dos três refrigeradores, observou-se grande dispersão de comportamento. Os resultados mostraram que as formas propostas de aplicação de defeitos foram satisfatórias e passíveis de aplicação em investigações futuras, seguindo a linha deste trabalho. Quanto às grandezas analisadas para caracterização de defeitos, houve indicativo de potencial aplicação, em especial da potência elétrica. Porém, há necessidade de aprofundamento dos estudos para efetiva validação dos resultados alcançados.<br> / Abstract : Refrigeration systems as freezers and household refrigerators have slow dynamic behavior. Quality tests in these products production lines demand extensive time and costs. The current work analyses alternative features and properties, based on the systems quantities, with potential to reduce the demanded time in these tests by an experimental approach. To reach this objective, defects were emulated and applied on household refrigeration systems in a controlled way. From the literature review and the contact with refrigeration systems manufacturers experts three typical defects were identified: liquid line restriction; compressor inner leakages; refrigerant fluid overcharge and undercharge. Three household refrigerators were used as case of study. Individually, they presented good results, however large dispersions were found in the sample results composed by the three refrigerators. In the other hand, the proposed methods for application and emulation of defects were validated and may be used in this work line future applications. Electrical power consumption was identified as the most potentially capable quantity to identify defects on the analyzed refrigeration systems. Nevertheless deeper researches may be done to validate the achieved results.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2018-01-09T03:20:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 348407.pdf: 30655459 bytes, checksum: 89d2b5aa66b1e8b7ae40e4796c73c05c (MD5) Previous issue date: 2017 / Um Regenerador Magnético Ativo (RMA) ideal operando segundo o ciclo termo-magnético de Brayton realiza quatro processos fundamentais. Dois destes envolvem a variação do campo magnético aplicado no regenerador em condições adiabáticas, a fim de promover a manifestação do efeito magnetocalórico (EMC) na matriz de sólido refrigerante. Os outros dois ocorrem com o campo magnético fixo e envolvem o escoamento e a transferência de calor entre a matriz e o fluido de trabalho responsável por realizar as transferências de calor para os reservatórios térmicos. Na prática, os protótipos de RMAs desenvolvidos até então realizam simultaneamente as etapas de variação magnética e de escoamento devido às limitações na concepção dos circuitos magnéticos e hidráulicos. Portanto, a sincronização entre os perfis temporais de escoamento e de variação de campo magnético apresenta um papel importante na operação do sistema. Nesta perspectiva, a presente dissertação busca contribuir para a metodologia utilizada no estudo da sincronização escoamento-campo magnético através da aplicação de técnicas experimentais e numéricas. Para tanto, um aparato de avaliação de RMAs foi adaptado a fim de permitir a redução do período de escoamento do ciclo, alterando dessa forma o perfil temporal de fluxo de massa. A abordagem numérica foi viabilizada pela validação de um modelo matemático baseado na solução das equações de conservação do problema através do Método de Volumes Finitos. Os resultados obtidos mostraram que a redução dos períodos de escoamento é uma alternativa viável para a melhoria da performance do RMA. Por exemplo, um ganho de 96\% na capacidade de refrigeração foi observado ao reduzir o período de escoamento em 20\%. Contudo, essa melhoria não é irrestrita devido às exigências de vazão mássica que acompanham essa redução. Para o mesmo exemplo, a potência de bombeamento requerida pelo menor período foi 2,5 vezes maior. O modelo matemático foi validado e viabilizou a investigação de maiores reduções do período de escoamento, além da aplicação de uma metodologia de Minimização de Geração de Entropia para determinar o efeito da modificação do perfil temporal de escoamento nas fontes de irreversibilidades no RMA. Uma contribuição adicional envolveu a caracterização do desbalanceamento de massa entre as etapas do ciclo. Tal obstáculo requereu a avaliação por meios experimentais de uma técnica numérica proposta na literatura, a fim de operar corretamente o aparato e contribuir para futuras concepções e avaliações de circuitos hidráulicos para RMAs. / Abstract : Idealized active magnetic regenerators (AMR) are based on the thermo-magnetic Brayton cycle, which includes four steps. Two of them are adiabatic magnetic field changes (magnetization and demagnetization) that lead to temperature variations of the regenerator matrix as a result of the magnetocaloric effect (MCE). The others are isofield fluid flow (cold-to-hot and hot-to-cold) and heat transfer between the solid and the fluid thermal agent. In real systems, however, the magnetization and demagnetization steps in general occur simultaneously with the cold-to-hot and hot-to-cold blows due to conceptual restraints of the magnetic and hydraulic circuits. As a result, the synchronization between the magnetic field change and fluid flow processes play a vital role in the AMR behavior. Therefore, this dissertation aims to implement experimental and numerical procedures for the assessment of the synchronization between magnetic and fluid flow waveforms in RMAs. The apparatus for evaluation of RMA performance was updated in order to allow variations on the fluid flow waveform by means of the reduction of blow time fraction. Numerical modeling of the governing equations was performed by a Finite Volume Method routine. Results indicate that reduced blow fractions can improve system performance, but there is a limit for such reduction, as the required flow rate increases. The mathematical model was able to reproduce experimental cooling capacities and transient variables, and it allowed the implementation of a Entropy Generation Minimization routine for better understanding of the losses mechanisms associated to the blow fraction. This dissertation also advanced the methodology for the experimental characterization of blow mass imbalance, which was a difficulty found during the experiments.

O estudo de ciclos de refrigeração é de grande importância devido à preocupação crescente com o consumo de energia elétrica, diretamente ligada à eficiência de funcionamento dos componentes do processo. Considerando o elevado consumo de energia em ciclos de refrigeração, a otimização da operação destes sistemas se traduz em economia significativa. Este trabalho apresenta a aplicação de um método para otimização de ciclos de refrigeração por compressão a vapor, utilizados em unidades de processamento de gás natural. A metodologia empregada tem o propósito de otimizar este sistema através da determinação dos valores das variáveis de decisão que permitem atender a demanda energética da unidade com o compromisso de maximizar a eficiência do ciclo. Neste contexto realizou-se a análise dos principais componentes do ciclo de refrigeração e seu funcionamento. No presente trabalho realizou-se a simulação do processo utilizando o Excel, com o auxílio da biblioteca termodinâmica do Coolprop, onde foram definidos os valores mais efetivos das variáveis que causam maior impacto no Coeficiente de Performance (COP) do ciclo de refrigeração. Como principal análise é apresentada uma simulação do processo com dados de projeto. Posteriormente realiza-se uma análise do comportamento do ciclo frente a modificações das variáveis de decisão e uma otimização do processo para aumento do COP. Por fim é analisado o comportamento do ciclo de refrigeração frente a variações das condições de entrada do gás natural. A análise de sensibilidade foi realizada com as principais variáveis de decisão (pressões do ciclo, fração vaporizada e calores dos trocadores). Observa-se que com o aumento da pressão máxima de operação tem-se um aumento na vazão geral do ciclo e impacto na variação no trabalho do primeiro estágio de compressão. Quando analisa-se a variação da pressão mínima não se observa impacto na vazão do ciclo. Através da otimização do caso base obteve-se um aumento de 35% do COP, passando de 2.66 para 3.61. A otimização foi realizada considerando que a temperatura final do gás natural, ou temperatura do gás natural após passar pelo ciclo de refrigeração, não sofresse variação maior que 2%. / Due to the rising concern about electric energy consumption, refrigeration cycles studies have become more and more important. Considering the high energy that a refrigeration cycle demands, its optimization translates into expressive gains. This work presents an optimization of a vapor-compression refrigeration cycle commonly found in natural gas processing plants. The purpose of the employed methodology is to optimize the system through determination of the decision variables values, which still attend the energetic demand of the plant. In this context, the main components of the cycle were analyzed and modelled. Using the thermodynamic library Coolprop the refrigeration cycle was simulated and determined which variables have more influence in the Coefficient of Performance (COP) and its most effective values. It is presented as the main analysis a simulation of the process using project data. Then the behavior of the cycle was analysed by variating decision variables and optimized in terms of yielding a higher COP. Finally, the behavior of the cycle was analysed by changing properties such as temperature and mass flow of the natural gas entering the process. The sensitivity analysis was made by changes in the main decision variables (cycle pressures, vaporized fraction and heat from the heat exchangers). It was observed that the higher the maximum operation pressure, the higher the cycle mass flow is. In terms of varying the minimum pressure it was not observed changes in the cycle mass flow. By optimizing the reference case, the value of COP was increased from 2,66 to 3,61, an increase of 35%. The optimization was conducted considering that the natural gas final temperature, or the temperature of the natural gas after passing through the refrigeration cycle, did not have a variation higher than 2%.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:14:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 329788.pdf: 9799121 bytes, checksum: 2824407a4410e23af13f8b1cf2818a36 (MD5) Previous issue date: 2014 / O conhecimento de propriedades elétricas de misturas de fluidos é necessário quando se deseja projetar sistemas em que tais misturas entram em contato direto com componentes portadores de carga elétrica. Este é o caso, por exemplo, dos compressores herméticos de refrigeração, nos quais a mistura óleo-refrigerante no interior da carcaça escoa continuamente sobre o motor elétrico. Propriedades elétricas de misturas também são importantes no projeto de sistemas de detecção de fases em escoamentos multifásicos, como sensores de impedância ou capacitivos para a determinação da fração de vazio em escoamentos bifásicos em dutos. O objetivo deste trabalho é desenvolver um aparato experimental e um procedimento de medição que permita caracterizar propriedades elétricas (permissividade relativa e fator de dissipação) de misturas de óleos e substâncias voláteis sob condições variadas de pressão e temperatura. A bancada experimental, baseada em normas alemã e americanas foi validada a partir de dados experimentais de substâncias puras disponíveis na literatura. Resultados foram gerados para misturas de óleo lubrificante poliol éster (POE) ISO 10 e refrigerantes 134a e 1234yf sob condições controladas de temperatura (25 a 55 ºC) e solubilidade (0 a 100 %). Correlações empíricas foram utilizadas para a predição da permissividade relativa das misturas, com desvios RMS em relação aos resultados experimentais inferiores a 1 %.<br> / Abstract : Electrical properties of fluid mixtures are needed in the design of systems in which the process streams or working fluids come into direct contact with electrically live parts. This is the case, for instance, of hermetic refrigeration compressors, in which the refrigerant-lubricating oil mixture inside the crankcase wets the electric motor continuously. Electrical properties of fluid mixtures are also important in the design of phase fraction detectors, like impedance and capacitance void fraction sensors for two-phase flow in pipes. The purpose of this dissertation is to develop an experimental apparatus and an experimental procedure to measure electrical properties (dissipation factor and relative permittivity) of mixtures involving volatile substances (liquefied gases and refrigerants) and oils under different pressure and temperature conditions. The experimental apparatus was designed and built following the recommendations of the german and american standards for measurements of electrical properties of fluids. The procedure was verified against data for pure substances available in the open literature. Experimental results were generated for mixtures of polyol ester (POE) ISO 10 lubricating oil and refrigerants 134a and 1234yf for temperatures and solubilities ranging from 25 to 55 °C and 0 to 100 %. Empirical correlations were used to predict the relative permittivity of the mixtures, with RMS deviations with respect to the experimental data lower than 1 %.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:41:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 327998.pdf: 3676297 bytes, checksum: 37aa8333354ebbf38bac7a89c1ac9492 (MD5) Previous issue date: 2014 / Neste trabalho realizou-se um estudo numérico e experimental sobre o desempenho de condensadores skin aplicados a refrigeradores domésticos. Um modelo matemático foi desenvolvido considerando tanto a transferência de calor para o ambiente externo como para os compartimentos refrigerados. Um modelo bidimensional, utilizando a técnica dos volumes finitos, foi utilizado para subsidiar o desenvolvimento do modelo matemático. O modelo desenvolvido considera a transferência de calor através do tubo, da fita metálica, da chapa externa e da camada de isolamento térmico. O modelo é capaz de estimar a taxa de transferência de calor a partir da geometria do condensador, das temperaturas do ambiente e dos compartimentos refrigerados, da vazão mássica de refrigerante e do estado termodinâmico do fluido refrigerante na entrada do condensador. Numa segunda etapa, o modelo do condensador foi incorporado a um modelo de simulação de sistemas de refrigeração. Dessa forma tornou-se possível avaliar o efeito das características do condensador sobre a capacidade de refrigeração, consumo de energia e coeficiente de performance. Uma base de dados experimentais foi obtida através de ensaios realizados com um refrigerador posicionado no interior de uma câmara com temperatura e umidade controladas e submetido a diferentes condições de funcionamento. Os ensaios foram realizados em regime permanente, ou seja, com o compressor funcionando ininterruptamente sob a ação de resistências elétricas colocadas no interior dos compartimentos refrigerados. Foram utilizados diferentes valores de temperatura ambiente, temperatura do gabinete, temperatura do congelador e rotação do compressor, os quais deram origem a dezesseis pontos experimentais. Além disso, foram registradas imagens termográficas para mapear os campos de temperatura nas paredes externas do refrigerador. As estimativas do modelo foram confrontadas com a base de dados experimentais quando se observou diferenças inferiores a 5%. As estimativas do modelo mostraram ainda que aproximadamente 60% do calor total é rejeitado para o ambiente externo e que os 40% restantes são transferidos para o interior dos compartimentos refrigerados. Além disso, identificou-se que mais de 80% do calor rejeitado para o meio ambiente ocorre por radiação. Os resultados da simulação do sistema de refrigeração permitiram concluir ainda que os parâmetros do condensador com maior efeito sobre o consumo de energia são a condutividade térmica e a espessura da chapa externa e do isolamento térmico. Ficou evidente também que a passagem dos tubos do condensador pela parede do congelador aumenta consideravelmente o consumo de energia.<br> / Abstract : The aim of this work is to numerically and experimentally investigate the performance of skin condensers applied to household refrigerators. To this end a two-dimensional CFD (Computational fluid Dynamics) code was firstly developed to support the development of the mathematical model. The developed model takes into account both the heat transfer to the ambient and to the refrigerated compartments by considering the heat transfer through the tube wall, aluminum tape, outer steel shell and insulation layer. The model predicts the heat transfer rates based on the internal and external temperatures, condenser geometry, refrigerant mass flow rate, pressure and temperature at the condenser inlet. In a second step, the condenser model was added to a simulation model of refrigerating systems. In this way it becomes possible to evaluate the effect of the condenser characteristics on the, cooling capacity, energy consumption and coefficient of performance. Steady-state tests ? compressor running continuously under the action of electric heaters placed inside the refrigerated compartments ? were carried out in different operating conditions with the product positioned within a climate-controlled chamber. The tests were carried out at different values of ambient temperatures, fresh-food compartment temperatures, freezer compartment temperatures and compressor speeds. Thermo graphic images of the temperature fields of the refrigerator outer steel shell were also recorded during the experiments. The model predictions were compared with the experimental database with the deviations falling inside a ?5% error band. It was shown that, independently of the operating conditions, the condenser rejects 60% of the heat to the ambient and the remaining 40% to the refrigerated compartments. It was also found that radiation is responsible by over 80% of the heat rejected to the ambient. It was also shown that the condenser parameters with the largest effect on the energy consumption are the thermal conductivity and thickness of the outer shell and thermal insulation layer. Furthermore, it was shown that there are some performance gains when the condenser tubes are not placed in the freezer walls.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-09-29T04:01:18Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014Bitstream added on 2015-10-06T04:03:55Z : No. of bitstreams: 1 334703.pdf: 2874133 bytes, checksum: 0b08502c0a72865238e89e6bbfde41d7 (MD5) / A eficiência energética de compressores de refrigeração é uma das variáveis mais importantes medidas durante as fases de desenvolvimento de novos produtos e de acompanhamento da qualidade dos compressores produzidos. Essa medição é realizada segundo requisitos de normas internacionais e a análise baseia-se em duas variáveis: capacidade de refrigeração e consumo de energia elétrica. Os ensaios para determinar essas grandezas são realizados em bancadas que custam centenas de milhares de reais e que apresentam grande ocupação na indústria. De modo a garantir a confiabilidade das medições, são necessários padrões metrológicos para verificação de todas as grandezas medidas durante o ensaio. Para consumo de energia há disponíveis no mercado inúmeros padrões e equipamentos para esse propósito. Entretanto, não há um padrão para capacidade de refrigeração que permita criar rastreabilidade no processo de medição. A melhor solução encontrada até o momento na indústria é utilizar um compressor como referência para análise comparativa entre os painéis. Na literatura foi encontrada uma proposta alternativa, porém não completamente adequada para aplicação no cenário industrial. O objetivo do trabalho é desenvolver, com base na solução anterior e na apresentada na literatura, e aplicar na indústria um novo método de intercomparação de capacidade de refrigeração e das demais grandezas medidas durante o ensaio que mais influenciam no resultado de capacidade de refrigeração. Esse novo sistema busca eliminar importantes limitações do método tradicional, como perda da referência com a quebra do compressor padrão e alteração do valor medido com o desgaste do compressor padrão. Além disso, visa contornar algumas dificuldades da proposta da literatura, como dificuldade de integração com uma grande gama de bancadas de ensaio com diferentes topologias. Ao longo do trabalho são mostrados resultados experimentais da nova proposta aplicada na indústria que ilustram os ganhos obtidos com o novo método.<br> / Abstract : Energy efficiency ratio (EER) of refrigeration compressors is one of the most important variables measured in the development phase of new products and also in the production phase, in order to guarantee the quality. EER calculation, performed according to ISO917, is done by the measurement of cooling capacity and electrical power consumption. In order to assure metrological reliability, all the measuring devices used for EER calculation must be calibrated against standards. For power consumption there are several standards available on the market, but there is not a standard for cooling capacity in order to guarantee the measurement process traceability. The best practice to minimize the inexistence of a standard is to use a reference compressor to compare the measurements between different test rigs. A proposal to an intercomparison method can be found in the literature, but it is not completely suitable for industrial application. This study aims to develop, based on the current solution and the solution proposed in the literature, and apply in industry a novel method for cooling capacity intercomparison between test rigs, with evaluation of cooling capacity and other variables measured during the test that impact on cooling capacity measurement. The new standard eliminates issues from the traditional method, as lose of reference due to damage of the compressor or measurement results variation due to wear of mechanical components of the compressor. Additionally, the new proposal eliminates the difficult to apply the standard on test rigs with different topologies. Experimental results from the proposed standard applied to industrial test rigs are presented and they prove the benefits of the new method.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-06-27T04:04:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 347847.pdf: 4076764 bytes, checksum: b9a52f51605f134e46920cff1afdcb22 (MD5) Previous issue date: 2016 / Nos últimos anos, devido a um crescimento na conscientização em relação à redução do consumo energético e dos impactos ambientais, tecnologias alternativas de refrigeração vêm sendo investigadas. Neste contexto, a refri-geração magnética, baseada no efeito magnetocalórico (EMC), tem se mos-trado uma promissora alternativa. O principal componente de um sistema de refrigeração magnética é o regenerador magnético ativo (active magnetic regenerator, AMR), o qual, através de um ciclo termodinâmico regenerati-vo, permite transferir calor de uma fonte fria para uma fonte quente através de um trabalho magnético. Durante a operação de um AMR, ao atingir o regime permanente cíclico, um perfil de temperaturas é estabelecido ao longo do comprimento do regenerador. Portanto, com o intuito de maximi-zar o EMC ao longo de todo o regenerador, diferentes materiais magnetoca-lóricos (MMCs) com diferentes temperaturas de Curie ( ) são alinhados ao longo do comprimento do regenerador. Neste trabalho de dissertação, foram avaliados numericamente AMRs de uma a quatro camadas, por meio da variação do comprimento e do MMC constituinte de cada camada. Para isso, foram considerados os parâmetros operacionais de um aparato experi-mental já desenvolvido na Universidade de Victoria (Canadá). Propriedades magnetocalóricas obtidas experimentalmente para o gadolínio (Gd) foram utilizadas para simular outras três ligas de Gd1-xYx (gadolínio-ítrio), com = 277 K (x = 0,075), = 283 K (x = 0,050) e = 286 K (x = 0,025). A análise de AMRs multicamadas foi realizada com um modelo numérico de AMR, avaliando o desempenho dos regeneradores em termos da capacidade de refrigeração. Assim, os AMRs ótimos são encontrados quando uma de-terminada combinação de MMCs fornece o maior valor de capacidade de refrigeração, para uma dada condição de operação. Observou-se que, de um modo geral, a capacidade de refrigeração tende a aumentar com o número de camadas, especialmente para maiores diferenças de temperatura entre as fontes. O desempenho dos AMRs foi também avaliado através de três mé-tricas diretamente relacionadas com o EMC dos MMCs. A métrica denomi-nada efeito refrigerante (refrigerant capacity, ) se mostrou como um parâmetro conveniente para avaliar o desempenho dos regeneradores, sendo proposta como uma alternativa mais prática para auxiliar na determinação das configurações ótimas de AMRs do tipo multicamadas, uma vez que sua aplicação não depende do uso de um modelo numérico para ser avaliada.<br> / Abstract : In recent years, due to increased awareness regarding the reduction of ener-gy consumption and environmental impact, alternative refrigeration tech-nologies have been investigated. In this context, magnetic refrigeration, a technology based on the magnetocaloric effect (MCE), appears as a promis-ing alternative. The main component of a magnetic refrigeration system is the active magnetic regenerator (AMR) which, through a regenerative ther-modynamic cycle, allows the transfer of heat from a cold source to a hot source by means of magnetic work. During the operation of an AMR, after the cyclic steady state is reached, a temperature profile is established along the regenerator. Therefore, in order to maximize the MCE throughout the regenerator, different magnetocaloric materials (MCMs) with different Curie temperatures ( ) are positioned along the regenerator. In this disser-tation, AMRs with one to four layers were evaluated numerically as a func-tion of the length and the type of MCM in each layer. For that, the opera-tional parameters of an experimental apparatus already developed at the University of Victoria (Canada) were considered. Experimental magnetoca-loric properties of gadolinium (Gd) were employed to simulate three differ-ent Gd1-xYx alloys, with = 277 K (x = 0.075), = 283 K (x = 0.050) and = 286 K (x = 0.025). The analysis of multilayer AMR was performed using an AMR numerical model, where the performance of the regenerators was evaluated in terms of the cooling capacity. Thus, optimized AMRs are found when a given combination of MMCs provides the highest cooling capacity for a given operating condition. It has been observed that, in gen-eral, the cooling capacity tends to increase with the number of layers, espe-cially for larger temperature differences between the sources. The perfor-mance of the AMRs was also evaluated through three metrics directly relat-ed to the MCE of the MCMs. The metric called refrigerant capacity ( ) proved to be a very feasible alternative to evaluate the performance of re-generators, being proposed as a more practical alternative to assist in the determination of the optimal configurations of multilayer AMRs, since this method does not depend on the use of a numerical model to be evaluated.

Made available in DSpace on 2016-08-29T15:35:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_2944_.pdf: 4789530 bytes, checksum: 523ebc25e4140437c1560cdf118c63dc (MD5) Previous issue date: 2008-03-28 / Neste trabalho, verificou-se experimentalmente a variação da entropia magnética nas ligas Heusler não-estequiométricas Ni54[Mn(1-x)Fex]19Ga27, substituindo-se parcialmente (até 50%) os átomos de Mn por átomos de Fe. Tal estudo focalizou-se principalmente na região de transformação magneto-estrutural a baixas temperaturas. A análise dos difratogramas de raios-X indica que a substituição parcial de Mn por Fe nessa faixa de concentração, ocasiona uma predominância da fase- L21, porém acompanhada de outras fases espúrias. As medidas de magnetização em função da temperatura realizadas a campos baixos revelam que, em toda a faixa de concentração estudada (0 x 0,5), o sistema apresenta uma transição magnética (Ferromagnético Paramagnético) ao atingir a temperatura de Curie, TC, um pouco acima da temperatura ambiente, quando o material se encontra na fase austenítica. E, assim como muitas outras ligas Heusler, o material sofre uma transição estrutural ao ser resfriado a temperaturas inferiores à temperatura de transição martensítica, TM. À medida que se aumenta a concentração de Fe, a temperatura de Curie, TC, sofre uma pequena variação, aumentando em torno de 5%, enquanto que TM diminui lenta e monotonicamente. A variação da entropia, para um campo de 5T, apresenta um máximo SM = - 9,3 J/kg.K para x = 0,1, a uma temperatura T = 250K e, então, diminui para x 0,3, variando linearmente com o campo aplicado.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-02-16T03:02:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 337636.pdf: 47215847 bytes, checksum: d8cbaf64c2c44d3b97237292082b67b4 (MD5) Previous issue date: 2015 / Abstract : Magnetic refrigeration is an emerging cooling technology for applications at room-temperature. The magnetocaloric effect (MCE) is the thermal response of a magnetic material when subjected to a changing magnetic field. Magnetic refrigeration harvests the MCE in a regenerative thermodynamic cycle to transfer heat from a low-temperature environment to a high-temperature one by means of magnetic work in an active magnetic regenerator (AMR). In this thesis, several aspects of this technology were analyzed with contributions on four research fronts. First, a temperature controlled facility was constructed to improve the direct measurements of the MCE by means of the adiabatic temperature change, ?T_ad. Measurements of the benchmark magnetocaloric material gadolinium (Gd), and one of the most promising magnetic refrigerants, MnFe(P,As), were investigated. Second, a magnetic circuit with a 2-pole rotor-stator configuration with high magnetic flux regions of approximately 1 T was designed aiming at an efficient use of the Nd-Fe-B permanent magnets. A novel method to optimize the magnetic circuit was proposed by employing a magnet wedge concept. Third, a novel rotary magnetic refrigerator was designed and built at the Federal University of Santa Catarina (UFSC) using the optimized rotary magnetic circuit and a stationary AMR composed by 8 pairs beds packed with 1.7 kg of Gd spheres. Two low-friction rotary valves were developed to synchronize the hydraulic and magnetic cycles and positioned at the hot end to avoid heat generation in the cold end. The last part of this thesis comprised an experimental and thermodynamic performance analysis of the rotary magnetic cooler prototype developed at the Technical University of Denmark (DTU). A detailed study of the losses external to the regenerator and a methodology to breakdown the COP and the motor power was developed to quantify the efficiency improvements of the system and the major losses. The performance of both magnetic refrigerators were evaluated in terms of the regenerator temperature span, coefficient of performance (COP) and the overall second-law efficiency (?_2nd) as a function of different operating conditions. <br> / A refrigeração magnética é uma tecnologia alternativa de refrigeração para aplicações ao redor da temperatura ambiente baseada no efeito magnetocalórico (EMC). Este efeito se manifesta por meio de uma variação instantânea na temperatura de um material magnético quando submetido a uma variação de campo magnético externo. Um regenerador magnético ativo (RMA) submetido a um ciclo termodinâmico regenerativo permite transferir calor de um reservatório de baixa temperatura para um de alta temperatura através do trabalho magnético. Neste trabalho de doutorado foi realizada uma análise desta tecnologia com contribuições em quatro frentes de pesquisa. Na primeira etapa foi desenvolvida uma câmara de temperatura controlada para melhorar a medição direta do EMC por meio da variação adiabática da temperatura, ?T_ad. Neste trabalho foram caracterizadas amostras do material magnetocalórico de referência, gadolínio (Gd), e amostras de um dos refrigerantes magnéticos mais promissores, MnFe(P,As). A segunda frente consistiu no projeto de um circuito magnético do tipo rotor-estator com dois polos magnéticos de fluxo magnético de aproximadamente 1 T visando o uso eficiente dos ímãs permanentes de Nd-Fe-B, por meio de uma metodologia proposta através do conceito de segmentos magnetizados. Na terceira etapa, foi projetado e construído um refrigerador magnético do tipo rotativo na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) composto pelo circuito magnético otimizado e um RMA fixo com 8 pares de camadas empacotadas com 1.7 kg de esferas de Gd. A sincronização magneto-hidráulica foi realizada por duas válvulas rotativas de baixo atrito, desenvolvidas neste trabalho, ambas alocadas no lado quente do sistema para evitar geração de calor no lado frio. Na última parte desta tese, foi realizada uma análise experimental e termodinâmica de um sistema de refrigeração magnética desenvolvido na Universidade Técnica da Dinamarca (DTU). Um mapeamento detalhado das perdas externas ao regenerador e uma análise de decomposição do COP e da potência consumida pelo motor foram conduzidos para quantificar as melhoras na eficiência do sistema e as perdas mais relevantes. O desempenho de ambos sistemas foi avaliado em termos da amplitude de temperatura do regenerador, do coeficiente de performance (COP) e da eficiência de segunda lei da termodinâmica (?_2nd) em função de diferentes condições de operação.