Projeto em andamento:
Intensificação da transferência de calor pela seleção da geometria de termoacumuladores do tipo casco e tubo que utilizam materiais de mudança de fase.
Projeto fomentado pela Fapemig – Demanda Universal 2024-2027
O armazenamento de energia térmica, juntamente com a geração de energia por meio de fontes renováveis, se apresenta como uma alternativa promissora para alcançar o objetivo do Acordo de Paris. Em particular, o armazenamento por calor latente tem sido utilizado em diversos sistemas para melhoria do desempenho. Uma das configurações mais utilizadas em armazenadores por calor latente é a casco e tubo, mas sabe-se que a geometria deste trocador de calor exerce grande influência no seu comportamento. Atualmente, a seleção dos melhores formatos para o casco se baseia, majoritariamente, na comparação de formas geométricas comuns, sem critérios bem fundamentados. Portanto, para se alcançar um melhor desempenho, por meio da intensificação e homogeneização das taxas de transferência de calor, é necessária uma escolha mais assertiva da configuração do casco. Neste sentido, o objetivo deste projeto é mostrar que o comportamento dos sistemas pode ser aprimorado pela escolha adequada da geometria, quando orientada pela observação da frente de fusão do material de mudança de fase. Para isto, o material de mudança de fase será caracterizado experimentalmente quanto a suas propriedades termofísicas. Em seguida, um protótipo será construído para a realização de testes de fusão e solidificação do material. Os dados experimentais serão utilizados para alimentar um modelo matemático da mudança de fase, implementado em um software de dinâmica dos fluidos computacional. Após a validação do modelo, realizar-se-á comparações do desempenho considerando a geometria benchmarks da literatura.
Projeto em andamento:
Caracterização de materiais de mudança de fase sustentáveis para aplicação em conforto térmico e aquecimento de baixa temperatura
Projeto fomentado pela PRPQ-UFMG 2025
O armazenamento de energia térmica por calor latente, aliado às energias renováveis, é uma opção promissora para a redução das emissões de dióxido de carbono. Nesta técnica, uma grande quantidade de calor é armazenada/liberada durante a mudança de fase de um material, denominado material de mudança de fase (phase-change material – PCM). Além da alta densidade energética, outra vantagem da utilização de PCMs é que a mudança de fase ocorre à temperatura aproximadamente constante, favorecendo melhor controle em aplicações que requerem baixa oscilação térmica. Por isto, estes materiais têm sido largamente investigados em sistemas como usinas de energia solar concentrada, painéis fotovoltaicos, sistemas de ar-condicionado, geladeiras domésticas, baterias e sistemas eletrônicos. No entanto, no Brasil, poucos PCMs potenciais tem suas propriedades caracterizadas e processos de fabricação identificados, especialmente aqueles obtidos a partir de fontes renováveis e classificados pela comunidade internacional como bio-based PCMs. Neste contexto, a presente proposta visa identificar e caracterizar potenciais compostos capazes de serem utilizados como PCMs em aplicações envolvendo conforto térmico e aquecimento de baixa temperatura (<85°C). Inicialmente, os compostos selecionados terão as propriedades termofísicas medidas. Em seguida, um dos PCMs será submetido à experimentos de fusão/solidificação, para quantificar as principais variáveis de transferência de calor. Finalmente, simulações serão realizadas para validar modelos matemáticos que reproduzam os processos de fusão/solidificação, permitindo o estudo das aplicações envolvendo aquecimento de baixa temperatura.
Projeto, Construção e Avaliação Experimental de um Motor Termomagnético Rotativo com Movimento Contínuo
Projeto fomentado pela FAPEMIG – Demanda Universal 2023-2026
Rejeitos térmicos com temperaturas (T) inferiores a 230oC são os mais abundantes na indústria, mas são frequentemente desprezados devido à dificuldade de convertê-los em energia útil. Para recuperá-los, empregam-se dispositivos conhecidos como energy harvesters, dos quais os motores termomagnéticos (MTM) compostos por ímãs permanentes e materiais magnetocalóricos (MM) estão entre as alternativas mais promissoras para aplicações práticas. Os MTM convertem calor em potência mecânica por meio da alternância no ordenamento magnético de MM e a sua interação com um campo magnético externo. Ao redor da temperatura de Curie (Tc) dos MM ocorre uma transição de fases magnéticas: o MM é ferromagnético se T<Tc, e não-magnético se T>Tc. Assim, ao remover calor do MM inicialmente sob a ação de um campo magnético mínimo, até T<Tc, este é atraído e desloca-se para a região de campo máximo. Em seguida, ao fornecer calor ao MM, até T>Tc, pode-se removê-lo do campo máximo, reiniciando-se o ciclo. Deste modo, disponibiliza-se torque em um eixo, todavia, com a limitação do movimento rotativo ser descontínuo na maioria dos protótipos conhecidos. Com uma equipe multidisciplinar e experiente no tema, esta proposta objetiva desenvolver um protótipo (TRL4) de motor termomagnético rotativo com movimento contínuo para reaproveitamento de energia térmica. A proposta envolve desde o projeto conceitual, modelagem matemática e simulação, até a fabricação, montagem, elaboração de sistemas de controle e avaliação experimental. Logo, as contribuições deste projeto são relevantes para o estabelecimento de uma tecnologia alternativa que visa o uso mais eficiente de insumos.
Projeto Finalizado:
Estudo Teórico-Experimental de Motores Termomagnéticos
Projeto fomentado pela FAPEMIG – Demanda Universal 2021-2024
Devido a fatores antropogênicos e econômicos, a demanda por energia aumenta a cada ano. Para supri-la são aplicadas fontes de energia baseadas em combustíveis fósseis, ou fontes renováveis como energia fotovoltaica e hidrelétrica. Porém, tecnologias alternativas e extremamente promissoras ainda são negligenciadas no cenário nacional, como é o caso dos motores termomagnéticos. O funcionamento de um motor termomagnético baseia-se no fornecimento e remoção de calor para alterar o estado magnético de um material e permitir que este interaja com um campo magnético externo. Ao aquecer o material, inicialmente atraído por um campo magnético, até que a sua temperatura seja maior a sua temperatura de transição de fases magnética, este perde suas propriedades ferromagnéticas e pode ser removido da ação do campo. Posteriormente, ao resfriar o material, o ferromagnetismo é restabelecido e este é atraído novamente pelo campo magnético. Portanto, é possível gerar movimento alternado ou rotativo, bem como armazenar energia, através da alteração da fase magnética de um material. Neste contexto, o presente projeto propõe o estudo teórico-experimental de motores termomagnéticos e irá se desenrolar em duas linhas principais: i) a modelagem matemática e simulação computacional; e ii) o projeto e construção de protótipos de motores termomagnéticos alternativos e rotativos. O proponente possui experiência no desenvolvimento de modelos teóricos e de protótipos. Os resultados numéricos e experimentais para potência líquida e rendimento de primeira lei permitirão avaliar e comparar o desempenho termodinâmico de diferentes conceitos de motores. Por fim, pretende-se estudar materiais magnetocalóricos com transição de fases magnética (ou magneto-estrutural) de primeira e segunda ordem, e comparar os seus resultados.
Motor termomagnético rotativo, projetado e construído no StreamLab.
Motor termomagnético alternativo, desenvolvido no StreamLab.
Projeto Finalizado:
Desenvolvimento de Circuitos Magnéticos à Base de Ímãs Permanentes de Terras-Raras para Aplicações em Sistemas de Conversão Termomagnéticos
Projeto fomentado pelo CNPq – Demanda Universal 2021-2024, em colaboração com pesquisadores do POLO-UFSC
Circuitos magnéticos (CMs) são arranjos de ímãs permanentes capazes de gerar campos magnéticos intensos em regiões ou volumes confinados (entreferros). Seu uso está presente em diversos sistemas de engenharia de alto valor agregado, como aerogeradores e trens de alta velocidade. Apesar de sua grande importância e potencial comercial, não há no Brasil parque fabril com know-how para projetar, otimizar, fabricar e montar CMs à base de ímãs permanentes de alta eficiência, o que limita o desenvolvimento de tecnologias limpas e portadoras de futuro. Dentre as inúmeras aplicações de CMs, encontram-se os refrigeradores magnéticos (RMs) e os motores termomagnéticos (MTs), os quais envolvem a conversão entre calor e trabalho magnético para bombeamento de calor e geração de potência, respectivamente. Em ambas as aplicações, fluidos ora nocivos ao meio ambiente são substituídos por refrigerantes sólidos, mais seguros e estáveis. Além disso, ciclos termomagnéticos são internamente reversíveis, gerando maiores eficiências. Tecnologias termomagnéticas são mais propícias à reciclagem de seus materiais.
Com uma equipe multidisciplinar e experiente no tema, a presente proposta objetiva desenvolver, em âmbito laboratorial, CMs à base de ímãs de terras raras para sistemas de conversão termomagnética (RMs e MTs) desde o projeto conceitual, modelagem matemática, simulação e otimização e, finalmente, fabricação e montagem. Faz parte da proposta ainda o desenvolvimento de novos materiais, e também investigar a resistência à corrosão e seu efeito no desempenho dos CMs, propondo melhorias na seleção de materiais e mecanismos protetivos que aumentem a estabilidade ao longo da vida útil.
Um foco habilitador do projeto é o estudo das aplicações com desenvolvimento de protótipos de RMs e de MTs nas instituições participantes (UFSC e UFMG), já que os resultados obtidos com a pesquisa em CMs irão propiciar novas oportunidades para aumentar a eficiência e a competitividade desses dispositivos.
Circuito magnético, parte integrante de um motor termomagnético rotativo, plenamente projetado e contruído no StreamLab.
Projeto em andamento:
Desenvolvimento de Sistemas de Refrigeração Baseados nos Efeitos i-Calóricos
Sistemas de refrigeração padrão são baseadas nos processos de compressão mecânica e expansão de um fluido refrigerante. Estes sistemas de refrigeração, de uma forma geral, passaram por grandes avanços no decorrer dos últimos 70 anos. No entanto, nas últimas décadas, os apelos ambientais têm motivado a pesquisa e desenvolvimento de tecnologias alternativas que exijam menor consumo energético e que não utilizem agentes nocivos ao meio ambiente. Neste cenário, os sistemas baseados no efeito i-calórico – magneto, eletro, elasto e barocalórico -, também conhecidos como regeneradores calóricos ativos (ACR) vêm se destacando como uma alternativa promissora para o desenvolvimento de sistemas de refrigeração e bombas de calor. Em um ACR, o fluido refrigerante é substituído por um material no estado sólido que apresenta um elevado efeito i-calórico ao redor da temperatura ambiente. Este material sólido atua como refrigerante e matriz regenerativa. Dentre as tecnologias calóricas, a refrigeração magnetocalórica é a mais difundida e pesquisada, contudo, ela apresenta uma série de perdas e limitações as quais não são observadas nas demais. Já os sistemas barocalóricos, especialmente aqueles que utilizam polímeros elastômeros como refrigerante, apresentam uma série vantagens sobre os sistemas magnéticos como, por exemplo, possuir um maior efeito calórico e ter construção relativamente mais simples. Neste contexto, o presente projeto de pesquisa propõe o desenvolvimento de sistemas de refrigeração baseados nos efeitos i-calóricos, especialmente magnetocalóricos (apresentado na Figura abaixo) e barocalóricos. Para o cumprimento de tal objetivo, serão desenvolvidos modelos matemáticos e protótipos de refrigeradores para avaliar, numérica e experimentalmente, o desempenho termodinâmico e o real potencial desses sistemas quando aplicados como refrigerador ou bombas de calor do estado sólido.
Protótipo de refrigerador magnético PMII desenvolvido na University of Victoria, cordialmente cedido pelo Prof. Andrew Rowe ao StreamLab.
Projeto finalizado:
Projeto e Construção de um Motor Termomagnético Tipo Tesla
Desenvolvido na Universidade Estadual de Maringá.
O gif ao lado apresenta um protótipo de motor linear desenvolvido pelo StreamLab em colaboração com pesquisadores do GEMMAT da Universidade Estadual de Maringá. O motor é composto por um circuito magnético do tipo duplo-C com campo magnético máximo de 0,85 T, associado a dois trocadores de calor com esferas de gadolínio como material magnético.
