Rotary thermomagnetic motor prototype for energy harvesting: design, production and performance characterization

Abstract

Rejeitos térmicos de baixo nível então presentes em abundância na maioria dos processos de conversão de energia, entretanto, sua baixa temperatura, tipicamente definida como inferior a 100ºC, limita a eficiência dos ciclos térmicos convencionais. Como resultado, essa energia permanece em grande parte inexplorada, representando um potencial de recuperação significativo. Nesse contexto, motores termomagnéticos (MTMs) emergem como uma alternativa para converter esse rejeito em energia mecânica útil, melhorando a eficiência de sistemas existentes. A presente dissertação tem como objetivo o projeto, fabricação, e caracterização do desempenho de um novo protótipo de MTM com rotor de aletas. Um circuito magnético (CM) estacionário em formato de L, contendo quatro volumes magnéticos, foi projeto utilizando simulações implementadas no COMSOL Multiphysics (formulação AC/DC). O CM foi, em sequência, fabricado e montado internamente, e o campo magnético foi caracterizado experimentalmente. Placas delgadas de gadolínio (Gd), disponíveis no laboratório, foram utilizadas como as aletas de material magnetocalórico (MM) do rotor. Finalmente, o sistema de transmissão, composto por um eixo bipartido e seus respectivos mancais superior e inferior, foi fabricado e montado, completando a fabricação do protótipo do MTM. Para os testes de caracterização de desempenho, foi utilizada uma estação de tratamento e distribuição de fluido para suprir as correntes de fluido necessárias para a operação do motor, bem como para medir todos os parâmetros operacionais relevantes. Os testes foram realizados utilizando ambas as configurações com dois e quatro volumes magnéticos do CM, para diversas condições de temperatura e vazões. Em relação às temperaturas das correntes de fluido, testes foram feitos utilizando a configuração de dois volumes magnéticos, com as temperaturas da corrente quente variando de 35∘C a 5∘C combinadas com as temperaturas do fluido frio de 5∘C e 10∘C, a uma vazão de 10 LPM por bocal (LPM/bolcal), correspondente a uma vazão total de 20 LPM. Já para as condições de vazão, os testes foram conduzidos para vazões variando de 5 a 22.5 LPM/bocal para a configuração de dois volumes magnéticos e de 5 a 11.75 LPM/bocal para a configuração de quatro volumes magnéticos. Nesse caso, as temperaturas dos fluidos frio e quente foram mantidas constantes em 5ºC e 45ºC, respectivamente. Torque e velocidade de rotação foram medidas em todos os testes, permitindo a caracterização experimental das curvas de torque versus velocidade e potência produzida versus velocidade. O protótipo desenvolvido apresentou métricas de desempenho que superaram protótipos de MTM do estado-da-arte, com uma velocidade máxima de 348,5 RPM, um torque máximo de 2,3 N·m e uma potência produzida máxima de 4,6 W. Finalmente, os resultados possibilitaram a discussão sobre a influência do número de volumes magnéticos, bem como da temperatura e da vazão das correntes de fluido, no desempenho do MTM.