Desenvolvimento de motores termomagnéticos de tesla acionados por energia solar ou por rejeitos térmicos industriais: parte II

Resumo

Dada a crescente importância das energias renováveis em nossa sociedade, identificamos a necessidade de se ter um dispositivo capaz de transformar eficientemente a energia solar ou rejeitos térmicos industriais em energia mecânica ou energia elétrica. Do estudo de materiais magnéticos com transições de primeira ordem em relação ao efeito magnetocalórico, visando sua aplicação em refrigeradores magnéticos, observamos que alguns materiais apresentam uma grande variação de magnetização em um curto intervalo de temperatura ao redor da transição. Da construção de um protótipo de refrigerador magnético, observamos os altos torques magnéticos presentes nestas máquinas. Juntando ambas as observações, vimos a possibilidade de usar estas características na construção de motores termomagnéticos, utilizando o conceito de motores de Tesla e materiais com temperatura de transição ligeiramente acima da temperatura ambiente. Modelagem preliminar indicou uma morfologia ímãs-materiais magnéticos que denominamos pistão magnético, capaz de fornecer altas forças. Esses conjuntos tratores podem ser multiplicados facilmente através de associação em paralelo, fornecendo altos níveis de forças. Projetamos também sistemas rotativos, capazes de altos torques. Foram construídos dois protótipos, um reciprocativo e outro rotativo tipo relutância variável, e o motor reciprocativo foi testado, e os resultados indicam a viabilidade de uso destes motores como conversores de energias térmicas de baixa qualidade em energia mecânica ou elétrica. Observação do comportamento do protótipo reciprocativo mostrou a importância do mecanismo de transferência de calor na limitação da frequência de operação dos motores, o que nos levou a pesquisar novos métodos de aglomeração dos materiais magnéticos visando maximizar a troca térmica e portanto a frequência de operação e a potência a ser obtida destes motores. Mostrou-se também a importância do uso de materiais magnéticos com transição de primeira ordem para maximizar a eficiência dos motores. Espera-se que essas máquinas possam operar com eficiências termodinâmicas que são uma fração significativa do rendimento de Carnot. O presente projeto objetiva: 1) testar modelo da força de Kelvin, para ter meios de calcular a eficiência esperada dos motores via as propriedades magnéticas dos materiais neles utilizados, e comparar com os resultados experimentais; 2) desenvolver vários materiais com transições magnéticas de primeira ordem em "grande quantidade" para uso nos motores; 3) testar o motor reciprocativo com os novos materiais de primeira ordem propostos serem desenvolvidos neste projeto; 4) terminar a montagem do motor rotativo, e testá-lo com os novos materiais; 5) construir e testar três novos motores, um tipo roda de Curie, outro à base de ferrofluidos, e o terceiro tipo pendular. Os materiais magnéticos de primeira ordem deverão ser obtidos em escala de quilogramas, utilizando métodos baseados em processos desenvolvidos durante os estudos de materiais magnetocalóricos. Os diferentes modelos de motores de Tesla deverão ser completamente caracterizados em termos de sua performance, prestando particular atenção ao seu rendimento termodinâmico. Para isso, precisamos que os motores operem na máxima frequência, e isso significa maximizar as trocas de calor entre os materiais magnéticos e os fluidos de troca de calor. Como o funcionamento desta parte do motor lembra o de um trocador de calor tipo regenerador, para o qual a máxima eficiência é alcançada quando a capacidade térmica da matriz é similar à capacidade térmica do fluido de calor, deveremos testar os motores com vários fluidos de troca de calor, objetivando essa maximização de frequência de operação, e portanto, maximização da potência dos motores. (AU)