Exergía

EXERGÍA

EXERGÍA

• La importancia del desarrollo de los sistemas térmicos que utilicen eficazmente los recursos energéticos como el petróleo, la gasolina, el gas natural y el carbón, ha cobrado gran importancia, tanto por las razones de disminución de recursos como la del impacto que su uso causa sobre el medio ambiente. La eficacia de su uso, en un sistema específico, se determina con los dos principios fundamentales de la Termodinámica.

• La energía que entra en un sistema térmico con el combustible, electricidad flujos de materia, y otros, está presente en los productos y por cada producto que genera dicho sistema ya que la energía no se destruye conforme al primer principio de la Termodinámica.

• Ahora bien, la capacidad de obtención de trabajo útil a partir de una misma cantidad de energía depende de la forma en que ésta se presente.

• Aparece así la idea de calidad de la energía, que puede definirse como su capacidad de originar una transformación. Consideremos, por ejemplo, la capacidad de producción de un cierto efecto (calentar un local, comprimir un gas, hacer progresar una reacción endotérmica, ...) con una cantidad dada de energía. Con 100 J de energía calorífica disponible a 1000 k se puede producir un efecto menor que con 100J de energía eléctrica. Si el ambiente se encuentra, por ejemplo, a 300 k, el efecto posible con 100 J disponibles a 400 k es mucho menor que a 1000 k.

• La exergía es un parámetro que mide la calidad de la energía. Este parámetro puede emplearse para analizar la eficiencia energética de los procesos industriales. Con un análisis de exergía pueden compararse diferentes alternativas para comprobar cuál tiene el mayor rendimiento energético. Sin embargo, no proporciona soluciones por sí misma.

La energía ordenada (o de alta calidad) puede presentarse de las formas siguientes:

• Energía potencial, tal como la almacenada en un campo gravitatorio, eléctrico o magnético, o en la deformación de un muelle perfectamente elástico, etc..

• Energía cinética no aleatoria, como la almacenada en un volante en rotación, o en un chorro no turbulento de un fluido ideal.

• Transformaciones reversibles de energía• Puede transformarse totalmente en otra forma

ordenada, si se realiza el proceso reversiblemente.• El intercambio de energía ordenada entre dos

sistemas se produce en forma de trabajo.• El intercambio reversible de energía ordenada se

produce sin cambios en las entropías de los sistemas afectados y puede analizarse sólo con la ayuda del Primer Principio.

• Las propiedades termodinámicas del ambiente no intervienen en la determinación de los intercambios de energía ordenada.

• Consideremos en primer lugar un reservorio calorífico a la temperatura T. Si el ambiente se encuentra a una temperatura To , el segundo principio nos indica que la manera más eficaz de transformar energía calorífica (desordenada) en trabajo mecánico (ordenado) es mediante una máquina reversible que funcione entre las temperaturas T y To.

Las consideraciones anteriores ponen de manifiesto las siguientes peculiaridades de los procesos que pretenden obtener la conversión más eficaz de energía desordenada en energía ordenada:

• Los procesos han de ser reversibles. • La eficacia de la conversión depende de las propiedades

termodinámicas del sistema y del ambiente.• Hay que aplicar el Segundo Principio en el análisis.• El proceso origina, en general, cambios entrópicos en

los sistemas que intervienen.• Vemos, por tanto, que la calidad (o capacidad de

producir un efecto útil) de las formas desordenadas de energía depende de la entropía, del tipo de energía y de las funciones termodinámicas del sistema y del ambiente.

BALANCES TERMODINÁMICOS

BALANCE DE MASA

PRIMERA LEY Sistema abierto

pksal

pken

n

ii eehmeehmWQ

ddE

..

0

.

SEGUNDA LEY

0..

1

..

salen sal

ent

n

i i

igen smsm

TQ

ddSS

dtdm

dtdm

dtdm se

edme

dms

T1 T2 T3 Tn

dQ1 dQ2 dQ3 dQn

s

dWu

VOLUMEN DE CONTROL

BALANCES TERMODINÁMICOSEl primer balance que formulamos es el de masa, de

acuerdo con el principio de conservación de masa, que al considerar estado estacionario no existe acumulación de masa en el sistema.

dme = dms BALANCE DE MASA

El balance de Primera Ley o balance de energía queda como:

he dme + dQ = hs dms + Wu BALANCE DE ENERGÍA

En donde he y hs corresponden a las entalpías específicas de cada flujo de entrada y salida respectivamente.


El balance de Segunda Ley o balance entrópico queda como:

En donde se y ss son las entropías de los flujos

entrantes y salientes respectivamente y dSgen es la entropía generada por el sistema en el intervalo de tiempo dt.

ssgen

n

i i

iee dmsdS

TdQdms

0


Si de las ecuaciones de balance de energía y entropía despejamos Q0 nos queda:

• Q0 = hs dms + Wu – (he dme + dQ)• (En donde la sumatoria de los calores es

desde i=1 hasta n, descontando el Q0.)


igualando ambas ecuaciones y despejando el trabajo útil nos queda

01

0 )( TdSTdQdmsdmsQ gen

n

i i

ieess

geni

n

i issseeeu STdQ

TTdmsThdmsThW 0

1

000 1


Si definimos como el Ambiente Estable de Referencia (AER) las condiciones de T=T0 y P=P0, podemos ver de la ecuación anterior que los dos primeros términos de la derecha corresponden a la diferencia de exergías de los flujos de masa, el siguiente es la sumatoria de las exergías asociadas a los flujos calor y el último término es la destrucción de exergía.


De esta ecuación podemos concluir que el trabajo útil máximo sucede cuando el proceso es reversible Sgen = 0, por lo que en un proceso real (irreversible) se pierde capacidad de hacer trabajo a una razón de T0*Sgen.

El trabajo real es entonces igual al trabajo reversible menos el trabajo perdido

Wu = Wr - Wl

En donde Wl = T0 Sgen que se conoce como el Teorema de Gouy-Stodola


Por lo que siempre:Wr≥Wu

yWl=T0*Sgen≥0 siempre positiva

El trabajo y el trabajo perdido dependen del “paso” ya que no son propiedades.


• La entropía generada por el sistema es una medida del trabajo disponible destruido.

• De acuerdo al límite reversible es posible evaluar el trabajo máximo que el sistema puede transferir.

• Se considera el trabajo perdido comol la exergía destruida en el proceso.


Estas relaciones nos dan dos direcciones importantes en la ingeniería termodinámica:

• La estimación de la operación teórica ideal de una instalación, en particular la potencia máxima de salida de las máquinas o los requerimientos mínimos de potencia para sistemas de refrigeración.


i

n

i issseeerevu dQ

TTdmsThdmsTh

dSTEdW

1

000

0 1

•La estimación y minimización de pérdidas del trabajo disponible por medio del diseño térmico.


El primer caso se conoce como el análisis de exergía de los procesos

Wu = be dme - bs dms + BQ- Bd

y el segundo es un concepto agregado al diseño de procesos.


La eficiencia exergética está relacionada con la destrucción del trabajo disponible dentro del sistema.

La eficiencia relativa queda como

rev

gen

rev

WII E

STEE 01


Y su relación con la eficiencia de primera ley queda como:

HII

HI T

TQW 01

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