Projeto em andamento:
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 em andamento:
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.
Projeto em andamento:
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.
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.
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.
