Desenvolvimento de Motores Termomagnéticos de Tesla Acionados por Energia Solar ou por Rejeitos Térmicos Industriais - Parte III

Resumo

Dada a crescente importância de energias renováveis na sociedade, identificamos a necessidade de se ter dispositivos capazes de transformar eficientemente a energia solar ou rejeitos térmicos industriais em energia mecânica ou elétrica. Do estudo de materiais magnéticos com transições de primeira ordem em relação ao efeito magnetocalórico, observamos que alguns materiais apresentam grande variação de magnetização em curto intervalo de temperatura ao redor da transição. Da construção de um protótipo de refrigerador magnético, observamos altos torques magnéticos nesta máquina. Juntando ambas as observações, vimos a possibilidade de usar estas características em motores termomagnéticos, utilizando o conceito de motores de Tesla e materiais com Tc ligeiramente acima da temperatura ambiente. Modelagem preliminar indicou uma morfologia ímãs-materiais magnéticos que chamamos pistão magnético, capaz de fornecer altas forças e torques. Projetamos motor linear reciprocativo e motor rotativo e foram construídos dois protótipos, um linear e outro rotativo, e ambos foram testados, e os resultados indicam a viabilidade de uso destes motores como conversores de energias térmicas de baixa qualidade em energia mecânica e/ou elétrica, embora a frequência de operação de ambos tenha ficado muito baixa, da ordem de 0,1 Hz, e a potência obtida para ambos também ficou muito baixa, como consequência da baixa frequência de operação, que está ligada ao mecanismo de transferência de calor entre os fluidos quente e frio e as placas magnéticas. Cálculos indicam que essas máquinas podem ter eficiências termodinâmicas que são uma fração significativa do rendimento de Carnot. O presente projeto objetiva: 1) re-projetar os motores de modo a se ter placas magnéticas com o volume morto dos fluidos de transferência de calor minimizado, com novos canais de fluxo dos fluidos com secção variável, e utilização de resistências hidráulicas variáveis para obter fluxo homogêneo nas placas, e também introduzir fluxo dos fluidos frio e quente simultaneamente nos dois sentidos nas placas magnéticas, o que levará à diminuição do tempo de variação da temperatura das placas magnéticas; 2) testar o motor reciprocativo com os novos materiais de primeira e segunda ordem propostos neste projeto; 3) re-projetar o motor rotativo em duas abordagens. A primeira é utilizar um único pistão magnético, controlando a temperatura das 6 placas magnéticas de modo que a diferença de temperatura entre elas seja sempre pequena, o que levará à diminuição do seu tempo de transição, aumentando a frequência do motor. A segunda abordagem é projetar o motor com três pistões magnéticos atuando simultaneamente, o que levará ao aumento do seu torque; 4) para ambas as abordagens do motor rotativo, re-projetar o estator, utilizando material não condutor para minimizar correntes parasitas, e também re-projetar os canais de fluxo dos fluidos quente e frio para minimizar volumes mortos e homogeneizar a distribuição de temperatura nas placas, para aumentar a frequência do motor.Para ambos os motores desenvolveremos os seguintes materiais: 1) compostos intermetálicos do sistema MnFeSn, com alta magnetização de saturação, transições de segunda ordem e Tc sintonizável via composição, podendo ser aplicados aos motores trabalhando ao redor da temperatura ambiente, ou em temperaturas até ~200oC; 2) compostos do sistema Mn2-xFexSiyP1-y , x [0,9 , 1,5], y [0,4 , 0,6], que são de primeira ordem com baixa histerese térmica e possuem Tc ligeiramente acima da temperatura ambiente. Estes compostos serão preparados por via química; 3) composto Fe2Zr, cujo Tc é sintonizável via composição, para motores que trabalharão em altas temperaturas (até 300oC), e adição de Al no composto para obter maior variação de Tc; 4) composto MnSb, cujo Tc também é sintonizável via composição, e cujo objetivo também é aplicação em motores de alta temperatura. Estudaremos estes compostos diluídos com Fe - Mn1-xFexSb. (AU)