Resumo

A refrigeração magnética, destacada por sua eficiência e sustentabilidade, emerge como alternativa inovadora no setor AVAC-R. Baseada no efeito magnetocalórico, utiliza materiais como gadolínio e silício, eliminando fluidos refrigerantes convencionais. Diferencia-se por sua eficiência energética superior, sustentabilidade ambiental, menor complexidade estrutural e ausência de partes móveis complexas. Projetos alternativos, como rotativos e recíprocos, apresentam soluções específicas. Apesar de desafios como complexidade de materiais e integração, aplicações práticas em centros de dados, resfriamento residencial e setores industriais destacam seu potencial transformador no cenário AVAC-R, indicando uma trajetória promissora para essa tecnologia inovadora.

Palavras-chave: Refrigeração magnética, Efeito magnetocalórico, Eficiência energética, Sustentabilidade ambiental.

1. Introdução

 O setor de AVAC-R, que tem um papel crucial em inúmeras aplicações vitais para a sustentação de nosso modo de vida moderno, como aplicações de conforto térmico e qualidade do ar interior, até as aplicações de processo como em datacenters, cadeia do frio etc., enfrenta desafios significativos no cenário atual. As crescentes preocupações ambientais, aliadas a regulamentações mais rigorosas e a busca incessante por eficiência energética, demandam inovações que transcendam os paradigmas da refrigeração convencional, tornando imperativo explorar alternativas inovadoras.

Apesar de sua onipresença e eficácia comprovada, a refrigeração convencional depara-se com obstáculos que se intensificam no cenário contemporâneo. A pressão para reduzir as emissões de gases de efeito estufa, associada ao constante esforço para otimizar a eficiência operacional, destaca a necessidade premente de soluções que transcendam as limitações dos métodos tradicionais. Isso, a busca por alternativas sustentáveis aos fluidos refrigerantes convencionais, aprimoramento da eficiência energética de sistema e componentes e, ainda, a exploração de novos ciclos de refrigeração.

Neste contexto desafiador, a refrigeração magnética emerge como uma alternativa inovadora e promissora, eliminando a dependência de fluidos refrigerantes convencionais. A capacidade de manipular o magnetismo para realizar o processo de refrigeração não apenas oferece uma solução eficiente, mas também responde à necessidade urgente de práticas mais sustentáveis no setor de AVAC-R. Sua eficiência energética notável e o potencial para reduzir significativamente o impacto ambiental fazem dela uma candidata proeminente para o futuro do setor.

Ao longo deste artigo, aprofundaremos a compreensão da refrigeração magnética, analisando seus princípios, componentes, vantagens e desafios. Este estudo visa fornecer uma visão abrangente para técnicos de nível médio e engenheiros do setor AVAC-R, destacando não apenas a inovação, mas também o potencial transformador dessa tecnologia na busca por práticas mais sustentáveis e eficientes.

2. Fundamentos da refrigeração magnética

A refrigeração magnética, como princípio fundamental, baseia-se na propriedade física conhecida como efeito magnetocalórico, fenômeno que ocorre em certos materiais magnéticos quando expostos a um campo magnético. A natureza de tal efeito em um sólido implica na variação de entropia devido ao acoplamento de sistemas de spins magnéticos com o campo magnético externo que é aplicado (Fig. 1) em um material que apresenta o efeito magnetocalórico.

Teixeira, C.S. (2012). Síntese de compostos intermetálicos à base de La(Fe,Si)₁₃ para aplicações em refrigeração magnética. Tese (doutorado), Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais.

Disponível em: https://tede.ufsc.br/teses/PCEM0300-T.pdf Acesso em: 19/11/2023.

A escolha adequada dos materiais magnéticos tem papel crucial na eficiência e no desempenho dos sistemas de refrigeração magnética. Dentre os materiais com propriedades magnetocalóricas, as ligas de gadolínio e silício têm sido amplamente exploradas devido às suas características únicas.

Ligas de Gadolínio: As ligas de gadolínio são conhecidas pela capacidade de sofrer uma mudança significativa em sua temperatura em resposta a variações no campo magnético. Durante a exposição a um campo magnético, os átomos de gadolínio experimentam um rearranjo, resultando em absorção de calor. Ao remover o campo magnético, a liberação de calor ocorre, resfriando efetivamente o ambiente ao redor.

Ligas de Silício: Outro grupo de materiais magnetocalóricos relevantes são as ligas de silício, que apresentam características magnéticas favoráveis para aplicação na refrigeração magnética. A combinação de propriedades magnéticas e térmicas específicas dessas ligas contribui para a eficiência do ciclo de refrigeração magnética, permitindo um controle preciso da temperatura.

A magnetocalorização desses materiais é essencial para o funcionamento eficaz dos sistemas de refrigeração magnética. Durante o ciclo de refrigeração, esses materiais experimentam uma série de mudanças de fase, absorvendo e liberando calor o que resulta por fim em um processo de resfriamento notável. Essa capacidade é aplicada em diferentes componentes do sistema, como os trocadores de calor magnéticos, onde a transferência de calor ocorre de maneira controlada, garantindo a eficiência do processo. Compreender as propriedades magnéticas específicas desses materiais é crucial para otimizar a concepção e a implementação dos sistemas de refrigeração magnética.

Ademais, é crucial compreender as características dos materiais magnéticos utilizados, tais como suas propriedades magnéticas específicas e os limites de temperatura nos quais operam de maneira eficaz. Esses fatores influenciam diretamente a eficiência e a viabilidade prática da refrigeração magnética em comparação com os métodos tradicionais.

A aplicação de um material com propriedades magnetocalóricas em um ciclo de refrigeração ocorre como ilustrado na Fig. 2. Os processos fundamentais do ciclo de Carnot magnético são ilustrados na Fig. 2a e o diagrama temperatura-entropia para o ciclo é mostrado na Figura 2b.

Temos 4 processos, iniciando o processo pela magnetização adiabática A→B, que ocorre quando um campo magnético é aplicado ao material magnetocalórico, fazendo com que os dipolos magnéticos se alinhem, sendo a entropia geral constante durante esse processo e resulta em um aumento adiabático de temperatura (T + ∆T). Segue-se uma magnetização isotérmica B→C quando a intensidade do campo magnético induzido é aumentada isotermicamente para atingir a magnetização total B₀ enquanto o calor produzido é extraído por um fluido de trabalho. Então, ocorre a desmagnetização adiabática C→D, reduzindo o campo magnético diminuindo a temperatura de ∆T, fazendo com que os dipolos magnéticos voltem ao seu desordenamento natural. Finalmente, o mecanismo de desmagnetização D→A prossegue isotermicamente completando o ciclo, desmagnetizando totalmente a substância até B=0, processo no qual se realiza o efeito útil de refrigeração do ciclo. No ciclo assim definido a área (ABCD) representa o trabalho realizado no sistema e pode ser determinada usando a Equação,

na qual a integração entre B e C representa o calor rejeitado ao sumidouro e a interação entre D e A representa o calor transferido a partir da fonte (efeito útil de refrigeração).

A implementação prática de um refrigerador magnético com base nesse ciclo requer uma série de elementos inter-relacionados, cada um desempenhando um papel crucial no ciclo de refrigeração. A compreensão detalhada desses componentes é essencial para engenheiros e técnicos no setor de AVAC-R que buscam implementar eficientemente essa tecnologia inovadora. A seguir descrevemos brevemente essas partes.

Material magnético magnetocalórico: O coração do sistema é o material magnético magnetocalórico, frequentemente composto por ligas específicas, como gadolínio e silício. Esses materiais são selecionados por suas propriedades magnetocalóricas, permitindo a absorção e liberação controlada de calor durante o ciclo de refrigeração.

Bobinas e campo magnético: Bobinas elétricas desempenham um papel crucial na geração do campo magnético essencial para iniciar o ciclo de refrigeração. Quando uma corrente elétrica passa por essas bobinas, um campo magnético é criado, induzindo a magnetização no material magnetocalórico e iniciando o processo de resfriamento.

Trocadores de calor magnéticos: Os trocadores de calor magnéticos são componentes-chave responsáveis pela transferência eficiente de calor entre o material magnetocalórico e o ambiente externo. Durante o ciclo, esses trocadores desempenham um papel vital na absorção de calor durante a magnetização e na liberação controlada de calor durante a desmagnetização, contribuindo para o resfriamento desejado.

Sistema de controle: Um sistema de controle avançado é implementado para gerenciar o ciclo de refrigeração, otimizando os tempos de magnetização e desmagnetização. Sensores de temperatura, pressão e fluxo são integrados para monitorar e ajustar dinamicamente o desempenho do sistema, garantindo eficiência e precisão na regulação da temperatura.

Trocador de calor de condensação e evaporação: Esses trocadores de calor desempenham funções específicas na liberação e absorção de calor durante as fases de desmagnetização e magnetização, respectivamente. Eles são projetados para garantir a transferência eficiente de calor, contribuindo para a eficácia global do ciclo de refrigeração magnética.

Circuito de fluidos refrigerantes: Embora a refrigeração magnética elimine a necessidade de fluidos refrigerantes tradicionais, um circuito fechado de fluidos refrigerantes é utilizado para facilitar a transferência de calor entre os diferentes componentes do sistema, garantindo a estabilidade e a eficiência do ciclo.

Ao compreender a função específica de cada componente, os profissionais do setor podem projetar, implementar e otimizar sistemas de refrigeração magnética de maneira eficaz, aproveitando ao máximo os benefícios oferecidos por essa inovadora abordagem de refrigeração.

3. Diferenças em relação aos sistemas convencionais

 A inovação trazida pela refrigeração magnética é mais evidente quando contrastada com os métodos convencionais de refrigeração, comumente utilizados no setor de AVAC-R. A seguir, exploraremos as diferenças fundamentais entre a refrigeração magnética e os sistemas tradicionais, destacando as vantagens distintas oferecidas por essa abordagem disruptiva.

Eficiência energética: Enquanto os sistemas tradicionais tipicamente dependem de compressores mecânicos que consomem considerável energia, a refrigeração magnética, ao explorar a magnetocalorização, oferece uma alternativa mais eficiente. A capacidade de controlar precisamente a transferência de calor contribui para uma utilização mais eficiente da energia, resultando em custos operacionais reduzidos e menor impacto ambiental.

Sustentabilidade ambiental: A refrigeração magnética também se destaca em termos de sustentabilidade. Ao eliminar o uso de fluidos refrigerantes convencionais, que frequentemente apresentam potencial de aquecimento global, a tecnologia magnetocalórica proporciona uma abordagem mais amigável ao meio ambiente. Isso não apenas atende às crescentes demandas por práticas sustentáveis, mas também reduz a pegada ambiental associada aos sistemas de AVAC-R.

Manutenção e durabilidade: A simplicidade estrutural dos sistemas de refrigeração magnética, quando comparada aos complexos sistemas mecânicos tradicionais, muitas vezes resulta em requisitos de manutenção mais baixos. A ausência de partes móveis sujeitas a desgaste mecânico reduz a probabilidade de falhas e aumenta a durabilidade geral do sistema, proporcionando uma maior confiabilidade operacional.

Tal comparação destaca a importância da refrigeração magnética como uma alternativa interessante no panorama em constante evolução do AVAC-R. Em resumo, as principais vantagens são:

1. A refrigeração magnética destaca-se como uma tecnologia inovadora que oferece uma série de vantagens técnicas, ambientais e econômicas, proporcionando uma abordagem robusta e sustentável para o setor AVAC-R.
2. A capacidade de controlar precisamente o ciclo de refrigeração magnética resulta em uma eficiência energética significativamente superior em comparação com os sistemas convencionais. A eliminação de compressores mecânicos contribui para a redução das perdas de energia associadas a esses dispositivos.
3. A refrigeração magnética apresenta uma resposta dinâmica notável às variações de carga térmica. Essa capacidade de adaptação rápida permite a manutenção eficiente das condições desejadas, mesmo em ambientes com demandas térmicas variáveis.
4. A ausência de partes móveis complexas, como compressores, reduz a complexidade estrutural dos sistemas de refrigeração magnética. Isso não apenas simplifica a operação, mas também diminui os requisitos de manutenção, resultando em uma maior confiabilidade operacional.
5. Eliminação de fluidos refrigerantes potencialmente danosos: Ao utilizar materiais magnetocalóricos específicos, a refrigeração magnética elimina a necessidade de fluidos refrigerantes convencionais que podem apresentar potencial de aquecimento global. Isso contribui para práticas mais sustentáveis e alinha-se com as crescentes preocupações ambientais.

Em resumo, o ciclo de refrigeração magnética destaca-se pela sua abordagem inovadora, proporcionando benefícios como eficiência energética aprimorada, sustentabilidade ambiental e menor complexidade estrutural em comparação aos sistemas convencionais.

4. Alternativas de projeto para refrigeradores magnéticos

Uma revisão abrangente de diferentes projetos de refrigeração magnética foi recentemente apresentada por Alahmer et al. (2021) incluindo basicamente os seguintes 4 conceitos construtivos: i) Rotativa, ii) Recíproca, iii) em “C”, e iv) Regenerativo ativo.

Refrigerador magnético rotativo: Neste conceito, a refrigeração magnética é implementada através de um sistema rotativo, no qual a magnetização e desmagnetização ocorrem de forma contínua durante a rotação do dispositivo. Esse design é eficiente e pode ser aplicado em diversas configurações, proporcionando uma operação suave.

Refrigerador magnético recíproco: No projeto de refrigeração magnética recíproca, o ciclo magnético é realizado por meio de movimentos de ida e volta, semelhantes a um pistão em um motor. Esse conceito é conhecido pela simplicidade construtiva e pela capacidade de adaptação a diferentes aplicações.

Refrigerador magnético em forma de C: O design em forma de C envolve a disposição dos componentes magnéticos em uma configuração em forma de C, otimizando a eficiência e facilitando a manipulação do campo magnético. Essa abordagem é frequentemente utilizada para maximizar o desempenho em sistemas específicos.

Refrigerador magnético regenerativo ativo (RMRA): No conceito de refrigeração magnética regenerativa ativa, utiliza-se um ciclo regenerativo em que o material magnetocalórico passa por regeneração ativa durante o processo de magnetização e desmagnetização. Isso resulta em uma maior eficiência e desempenho global do sistema de refrigeração magnética.

5. Desafios e limitações

 Apesar das vantagens, a implementação da refrigeração magnética não está isenta de desafios que demandam atenção e soluções inovadoras por parte dos engenheiros e pesquisadores envolvidos no desenvolvimento dessa tecnologia. A seguir, destacamos alguns dos desafios mais significativos enfrentados na implementação prática da refrigeração magnética.

1. Complexidade dos materiais magnetocalóricos: Embora fundamentais para o funcionamento da refrigeração magnética, podem apresentar complexidades em sua produção e manipulação. A busca por materiais que sejam eficientes em termos de custo, sustentáveis e capazes de operar em uma ampla faixa de temperaturas continua sendo um desafio para os pesquisadores.
2. Integração com componentes convencionais: A transição para sistemas de refrigeração magnética pode ser desafiadora devido à necessidade de integração com componentes convencionais existentes em sistemas de AVAC-R. Adaptar os sistemas de condensação e evaporação para otimizar a transferência de calor magnético pode exigir modificações substanciais, o que pode ser um obstáculo na adoção generalizada dessa tecnologia.
3. Custo inicial e viabilidade econômica: O investimento inicial em tecnologia de refrigeração magnética pode ser significativo, representando um desafio em termos de viabilidade econômica para algumas aplicações. Embora a eficiência energética possa resultar em economias operacionais ao longo do tempo, superar as barreiras de custo inicial é um aspecto crítico a ser considerado. A avaliação de custos em sistemas de refrigeração magnética é essencial para determinar sua viabilidade comercial. Custos elevados podem prejudicar a competitividade em relação aos sistemas tradicionais. Vários estudos de viabilidade indicam que otimizar processos magnéticos, incluindo ciclos termodinâmicos, design de ímãs e regeneradores, é crucial para reduzir custos e aprimorar eficiência e capacidade de resfriamento. Estudos de viabilidade da refrigeração magnética indicam que montagem do ímã representa cerca de 85–90% do custo total do refrigerador magnético. Esse custo pode ser reduzido, mas deve levar em conta a eficiência e a capacidade de resfriamento, além da otimização de processos magnéticos e ciclos termodinâmicos, design de ímãs, design de regeneradores e fluidos de trabalho (Alahmer et al. 2021).
4. Variações de temperatura e aplicações específicas: Embora a refrigeração magnética tenha se mostrado eficaz em uma variedade de condições, sua aplicabilidade em amplas faixas de temperatura e em todas as aplicações específicas do AVAC-R ainda está sendo explorada. Certas variações de temperatura podem apresentar desafios particulares, exigindo adaptações específicas na concepção do sistema.

O reconhecimento desses desafios é essencial para direcionar pesquisas e esforços no sentido de superar as limitações da refrigeração magnética, possibilitando sua implementação mais ampla e bem-sucedida

6. Aplicações práticas recentes

 Algumas implementações práticas da refrigeração magnética têm sido realizadas, demonstrando seu potencial inovador. A seguir trazemos informação sobre algumas dessas experiências.

Smith et al. (2021), destacam a aplicação bem-sucedida da refrigeração magnética em centros de dados. Nesse cenário, a eficiência energética é crucial, e a capacidade da refrigeração magnética de se adaptar dinamicamente às variações de carga térmica tem impactos significativos na redução do consumo de energia. A implementação dessa tecnologia resultou não apenas em reduções substanciais nos custos operacionais, mas também em uma diminuição notável da pegada de carbono associada à refrigeração desses ambientes críticos.

A pesquisa de Oliveira et al. (2020) explora a aplicação da refrigeração magnética em sistemas de resfriamento residencial sustentável. Essa implementação enfatiza não apenas a eficiência energética, mas também a eliminação do uso de fluidos refrigerantes tradicionais, contribuindo para residências mais ecológicas. O estudo destaca o sucesso dessa abordagem em proporcionar conforto térmico aos residentes, ao mesmo tempo em que reduz o impacto ambiental associado ao resfriamento residencial.

Investigações conduzidas por Silva et al. (2019) exploram as aplicações industriais em grande escala da refrigeração magnética. Esse estudo destaca como a tecnologia pode ser implementada em setores, como indústria química e farmacêutica, em que a precisão no controle de temperatura é essencial. A capacidade da refrigeração magnética de operar eficientemente em uma ampla faixa de temperaturas e a redução dos custos operacionais foram fatores determinantes para o sucesso dessas aplicações industriais.

Em um estudo mais antigo, Johnson e Brown (2015) analisaram a aplicação da refrigeração magnética em sistemas de transporte de produtos perecíveis. Os resultados destacaram a eficiência da tecnologia na manutenção de temperaturas estáveis durante o transporte, oferecendo uma alternativa promissora aos sistemas tradicionais baseados em compressores mecânicos.

Esses exemplos ilustram a versatilidade e o potencial transformador da refrigeração magnética em várias áreas. À medida que mais pesquisas e implementações práticas continuam a surgir, é evidente que essa tecnologia poderá desempenhar um papel futuro na evolução do setor de AVAC-R.

Conclusão

 Neste artigo, exploramos de maneira abrangente a tecnologia inovadora da refrigeração magnética, analisando seus princípios fundamentais, componentes-chave, vantagens e desafios. Podemos concluir destacando alguns pontos, a seguir:

1. A refrigeração magnética utiliza a mudança de temperatura associada ao magnetismo para realizar o processo de refrigeração, eliminando a necessidade de fluidos refrigerantes tradicionais.
2. Em comparação com métodos tradicionais de refrigeração, destacando sua eficiência energética, menor impacto ambiental e flexibilidade operacional.
3. As vantagens abrangentes da refrigeração magnética vão desde sua eficiência energética até a redução de gases de efeito estufa, ressaltando sua contribuição para práticas mais sustentáveis e econômicas.
4. Os desafios e limitações enfrentados na implementação da refrigeração magnética, incluem a necessidade de avanços em materiais magnetocalóricos e a superação de barreiras econômicas.

João Pimenta, é Engenheiro Mecânico, Mestre pela Universidade Federal de Uberlândia (1992), Doutor pela Université de Liège, Bélgica (1997); lecionou nas Universidades Federal de Uberlândia (UFU), Universidade Federal do Ceará (UFC) e Universidade de Fortaleza (Unifor); é professor do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Brasília desde 2002, onde coordena o LaAR, Laboratório de Ar-condicionado e Refrigeração; é diretor da Anprac e da Abemec-DF e Advisor do Ashrae Student Branch Brasília e Chair do Comitê de Refrigeração do Ashrae Brasil Chapter e DL (Distinguish Lecturer) do Ashrae Brasil Chapter.

REFERÊNCIAS

Alahmer, A.; Al-Amayreh, M.; Mostafa, A.O.; Al-Dabbas, M.; Rezk, H. Magnetic Refrigeration Design Technologies: State of the Art and General Perspectives. Energies 2021, 14, 4662. Disponível em: https://doi.org/10.3390/en14154662 Acesso em: 19/11/2023.

Johnson, A., & Brown, C. (2015). Magnetic Refrigeration for Perishable Goods Transportation. Transportation Refrigeration International Conference Proceedings, 7, 112-120.

Oliveira, A., Santos, T., & Alves, M. (2020). Sustainable Residential Cooling using Magnetic Refrigeration Technology. International Journal of Sustainable Built Environment, 9(2), 264-273. https://www.sciencedirect.com/journal/international-journal-of-sustainable-built-environment

Silva, J., Costa, J., & Rodrigues, A. (2019). Large-Scale Industrial Applications of Magnetic Refrigeration. International Journal of Refrigeration, 104, 153-163. https://www.sciencedirect.com/journal/international-journal-of-refrigeration

Smith, R., Johnson, L., & Williams, K. (2021). Magnetic Refrigeration in Data Centers: A Case Study on Energy Efficiency Improvements. Journal of Sustainable Technology, 12(1), 45-56. Disponível em: https://journals.futa.edu.ng/home/journald/10