Exergia final

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA EN ENERGÍA

TERMODINÁMICA ITEMA: DISPONIBILIDAD Y

REVERSIBILIDAD

Profesor:Ing. JOSÉ TEZÉN CAMPOS

Integrantes:

CASTILLO MOROTE ÁLVARO MIGUEL 092999K POMACAJA FRANCO JHONEL JESÚS SOTELO FARFÁN VICTOR JOAQUIN 101108BVERGARAY MIRANDA AXEL DARÍO

BELLAVISTA – CALLAO2014

DISPONIBILAD Y REVERSIBILIDAD

SUMARIO

1. INTRODUCCIÓN

........................................................................................................................................................................................................... 2

2. PLANTEAMIENTO DEL

PROBLEMA....................................................................................................................................................................... 3

3.

OBJETIVOS .................................................................................................................................................................................................................... 3

4. MARCO

TEÓRICO.....................................................................................................................................................................................................4

4.1 EXERGÍA Y ANERGÍA ............................................................................................................................................................ 7

4.2 ESTADO MUERTO ................................................................................................................................................................... 8

4.3 IRREVERSIBILIDAD.......................................................... ............................................................9

5. DEDUCCION DE LA EXPRESIÓN

............................................................................................................................................................................ 9

6. LEY DE PÉRDIDA DE EXERGÍA

.............................................................................................................................................................................. 10

6.1. FORMULACIÓN ........................................................................................................................11

7. PRINCIPIO DE DISMINUCIÓN Y DETRUCCIÓN DE LA EXERGÍA

.............................................................................................................. 11

7.1. PRINCIPIO DE DISMINUCIÓN ................................................................................................. 11

7.2. PRINCIPIO DE DESTRUCCIÓN:...............................................................................................12

8. EXERGÍA DE UN SISTEMA CERRADO

................................................................................................................................................................ 13

8.1. PRIMERA FUNCION GOUY O D ARRIEUS .............................................................................13

8.2. E XERGÍA DE UN SISTEMA CERRADO A TO .........................................................................14

9. EXERGÍA DE UN SISTEMA ABIERTO

.................................................................................................................................................................... 15

9.1. SEGUNDA FUNCION GOUY O D ARRIEUS ............................................................................15

10. EXERGÍA DEL CALOR

.......................................................................................................................................................................................... 16

11. BALANCE

EXERGÉTICO ...................................................................................................................................................................................... 16

11.1. BALANCE EN SISTEMAS CERRADOS ....................................................................................17

11.2. BALANCE EN SISTEMAS ABIERTOS ....................................................................................... 17

12. EFICIENCIA EXERGÉTICA

.................................................................................................................................................................................. 18

12.1. EFICIENCIA PARA M ÁQUINAS TÉRMICAS: ..........................................................................20

12.2. EFICIENCIA PARA R EFRIGERADORES O BOMBAS DE CALOR: .......................................2012.3. RENDIMIENTO EXERGÉTICO PARA UN CICLO IRREVERSIBLE DE C ARNOT ...............21

13. TRANSFERENCIA DE EXERGÍA

........................................................................................................................................................................ 22

13.1. E XERGÍA TRANSPORTADA POR M ASA ..................................................................................22

13.2. E XERGÍA TRANSFERIDA POR CALOR Y TRABAJO .............................................................23

14. CONCLUSIONES

...................................................................................................................................................................................................25

15. REFERENCIAS

.........................................................................................................................................................................................................26

16. BIBLIOGRAFÍA

........................................................................................................................................................................................................27

PÁGINAS WEB ..........................................................................................................................................................................................................27

17. ANEXOS: REPRESENTACIONES GRÁFICAS Y DIAGRAMAS DE

EXERGÍA..........................................................................................28

1DISPONIBILAD Y REVERSIBILIDAD

1. RESUMEN

Muchas formas de energía y transformaciones de energía intervienen en un proceso. Aunque todas obedecen la primera ley de la termodinámica, diferencias se asoman en el tratamiento práctico y teórico de varios tipos de energía y transformaciones de energía debido a la segunda ley de la termodinámica. La segunda da ley es importante para la definición de eficiencia así como la correcta cuantificación de las diferentes formas de energía que pueden ser transformadas en trabajo.

Los tipos de energía se dividen en dos grupos de acuerdo a la posibilidad de ser convertidas en otros tipos. La clasificación de formas de energía es un problema físico, aquí se hace en base a la entropía, utilizada como una medida de las transformaciones de energía. El primer grupo se compone de las formas de energía que pueden transformarse en otras sin ningún límite y el segundo es de aquellas que no pueden transformarse completamente.

Las entropías del primer grupo son igual a cero. Y este tipo de energía es considerada como “energía ordenada”. La entrada o salida de calor a un cuerpo no cambia este tipo de energía.

La energía del segundo grupo no tiene entropía cero, y se conoce como “energía desordenada”. La energía desordenada a diferencia de la ordenada es alterada con entradas o salidas de calor. La segunda ley de la termodinámica permite transformaciones donde halla incremento de entropía o no haya cambiado (reversibilidad). Por ello todas las formas de energía ordenadas se pueden convertir en otra forma por tener entropía cero, mientras que las energías desordenadas no se pueden convertir en otras formas que tengan menor entropía, y en particular no pueden transformarse en energía ordenadas.

La medida general de cualquier tipo de energía es llamada exergía. Este concepto nos permite expresar cualquier tipo de energía es llamada exergía. Este concepto nos permite expresar cualquier forma de energía del segundo grupo en términos de energía del primer grupo. [1]

ABSTRAC:

Energy types are divided into two groups according to the possibility of being converted into other.

http://www.academia.edu/3315176/Exergia_Conceituacao_e_Aplicacao

The classification of forms of energy is a physical problem, here is made based on entropy, used as a measure of energy transformations. The first group consists of forms of energy that can be transformed into other without limit and the second is for those who can not fully transformed.

The entropies of the first group are zero. And this energy is considered "ordered energy". The input or output of heat to a body does not change this energy.

The energy of the second group has zero entropy, and is known as "disordered energy". The disordered energy unlike the ordinate is altered with heat inputs or outputs. The second law of thermodynamics allows transformations where entropy is increased or did not change (reversibility). Therefore all forms of ordered energy can be converted to another form by having zero entropy, while the disordered energy can not be converted into other forms that have lower entropy, and in particular can not be transformed into ordered energy.

The overall measure of any kind of energy is called exergy. This concept allows us to express any kind of energy is called exergy. This concept allows us to express any form of energy in the second group in terms of energy the first group.

2


2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En el mundo , existe desde hace tiempo un gran temor por los elevados costos sociales y medioambientales asociados a la energía. A causa de estos problemas que están afectando al medio ambiente ha crecido el interés y la preocupación por buscar e implementar nuevas tendencias apuntadas hacia el desarrollo de productos, procesos y tecnologías que generen un impacto ambiental reducido, como el ahorro de energía, la reducción de emisiones, el tratamiento de efluentes, entre otras.

Sin embargo, para el caso de los procesos de producción ya establecidos, las alternativas son aplicar estudios para contabilizar los posibles impactos al medio ambiente e identificar soluciones viables que permitan enmarcar los procesos dentro de un sistema de desarrollo sostenible.

Hoy día, son pocos los estudios que se han hecho relacionados con el análisis exergético en la industria, por lo tanto, no es posible encontrar gran cantidad de material bibliográfico.

Es por eso que se vio la oportunidad de realizar un análisis de la exergía. Se denomina “exergía” a la cantidad máxima de energía que puede transformarse en trabajo útil, entendiendo por útil el que no

se emplea en actuar contra el ambiente, conociendo esto se puede optimizar el trabajo ; reduciendo los costos para la empresa y por lo tanto al consumidor.

3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL:

Explicar de forma detallada la reversibilidad y disponibilidad de la energía, en forma de máquinas térmicas para optimizar el trabajo.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Describir una metodología detallada para el desarrollo del análisis exergético del proceso termodinámico.

Realizar el análisis exergético en cada tipo de máquina térmico.

Identificar y cuantificar considerables pérdidas de energia.

Proponer recomendaciones que permitan un mejor uso de la energía de modo que el proceso de producción de la planta sea más eficiente y económico.

3


4. MARCO TEÓRICO

CONCEPTOS BASICOS

Energía

El término energía (del griego ἐνέργεια [enérgueia], ‘actividad’, ‘operación’; de ἐνεργóς [energós],

‘fuerza de acción’ o ‘fuerza trabajando’) tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la

idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento.

En física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo.

Exergía

http://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_(f%C3%ADsica)

http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica

http://es.wikipedia.org/wiki/Movimiento_(f%C3%ADsica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_(f%C3%ADsica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza

http://es.wikipedia.org/wiki/Idioma_griego

La exergía es una medida de la disponibilidad de la energía. La idea es que parte de la energía de un sistema se puede aprovechar para realizar trabajo mecánico, eléctrico o de otro tipo. El segundo principio de la termodinámica nos establece limitaciones en cuanto a la cantidad de trabajo que podemos realizar. Pero existe además una limitación práctica en cuanto a que sólo se puede realizar trabajo si el sistema almacena una energía respecto al ambiente que le rodea.

Por ejemplo, consideremos el agua situada en un embalse a cierta altura. Este agua puede emplearse para mover turbinas y generar energía eléctrica, pero, una vez que todo el agua ha bajado al nivel del mar, ya no se puede seguir aprovechando. Hay un límite en la energía disponible asociado a la diferencia de altura entre el agua del embalse y el entorno. Cuando este desnivel desaparece, ya no hay más energía disponible.

Supongamos un recipiente que contiene un gas a alta presión y alta temperatura. Si hacemos un orificio en el recipiente y dejamos que salga el aire a la atmósfera, perdemos toda la energía disponible, ya que rápidamente su presión se iguala a la atmosférica y en poco tiempo su temperatura se iguala la del aire que lo rodea. Hemos desperdiciado toda la energía disponible o exergía.

Se denomina “exergía” a la cantidad máxima de energía que puede transformarse en trabajo útil, entendiendo por útil el que no se emplea en actuar contra el ambiente.

La exergía se consume por completo cuando la presión y la temperatura (y el resto de variables de estado como la altura sobre el nivel del mar, el voltaje, etc. que lo diferencian de lo que le rodea) se igualan a la del entorno. Una vez que se iguala la temperatura del sistema con la del ambiente (alcanzándose el equilibrio térmico) y se iguala su presión con la exterior (llegándose al equilibrio mecánico), ya no se puede extraer energía adicional. Se dice que en ese caso el sistema ha alcanzado el “estado muerto”.

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Entropía (Anergia)

Etimológicamente “entropía”, asociada a la termodinámica, surgió como palabra acuñada del griego, de em (en: en, sobre, cerca de...) y sqopg (tropêe: mudanza, giro, alternativa, cambio, evolución).

La termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro y tiene sus propias leyes.

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/termodinamNociones.htm

Uno de los soportes fundamentales de la Segunda Ley de la Termodinámica es la función denominada entropía que sirve para medir el grado de desorden dentro de un proceso y permite distinguir la energía útil, que es la que se convierte en su totalidad en trabajo, de la inútil, que se pierde en el medio ambiente.

Este desorden se grafica en la mayor o menor producción de energía disponible o no disponible, y sobre esta base, también podemos definir la entropía como el índice de la cantidad de energía no disponible en un sistema termodinámico dado en un momento de su evolución.

Según esta definición, en termodinámica hay que distinguir entre energía disponible o libre, que puede ser transformada en trabajo y energía no disponible o limitada, que no puede ser transformada en él.

Para comprender conceptualmente lo dicho, analicemos el ejemplo de un reloj de arena, que es un sistema cerrado en el que no entra ni sale arena.

La cantidad de arena en el reloj es constante; la arena ni se crea ni se destruye en ese reloj. Esta es la analogía de la primera ley de la termodinámica: no hay creación ni destrucción de la materia-energía.

Aunque la cantidad de arena en el reloj es constante, su distribución cualitativa está constantemente cambiando: la cavidad inferior se va llenando, mientras la cavidad superior se vacía. Esta es la analogía de la segunda ley de la termodinámica, en la que la entropía (que es la arena de la cavidad inferior) aumenta constantemente.

La arena de la cavidad superior (la menor entropía) es capaz de hacer un trabajo mientras cae, como el agua en la parte superior de una catarata. La arena en la cavidad inferior (alta entropía) ha agotado su capacidad de realizar un trabajo. El reloj de arena no puede darse la vuelta: la energía gastada no puede reciclarse, a menos que se emplee más energía en ese reciclaje que la que será desarrollada por la cantidad reciclada

5


Energía disponible:

Energía disponible es aquella parte del contenido energético total que potencialmente puede transformarse en trabajo útil.

Esta energía puede calcularse permitiendo que la sustancia efectúe un cambio de estado reversible hasta alcanzar equilibrio termodinámico con el medio ambiente que se encuentra a P0 y T0. En la práctica, al medio ambiente se le designa como depósito estándar para determinar la energía disponible del sistema.

Cuando el cambio de estado reversible se lleva a cabo en sistema cerrado, de la primera ley se tiene que:

δq = du + δw

De la segunda ley se sabe que:

ds(sistema) + ds(alrededores) = 0 ⇒ ds(alrededores) = – ds(sistema)

ds(alrededores) =

– dq(sistema) / T(alrededores)

Combinando las ecuaciones anteriores se tiene que:

T(alred) ds(stma) = du + δw(máx)

Se trata de δw(máx) por ser un proceso reversible, luego:

δw(máx) = T(alred) ds – du

Si los alrededores son el medio ambiente:

δw(máx) = T0 ds – du

Entonces el trabajo máximo queda dado por

w(máx) = (u – T0 s) – (u0 – T0 s0)

Donde T0, s0, u0 son las propiedades del sistema cuando se encuentra en equilibrio con el medio ambiente y w(máx) es el máximo trabajo que puede realizar un sistema hasta alcanzar equilibrio con el ambiente.Se debe tener en cuenta que parte de este trabajo máximo se realiza contra el medio ambiente y por tanto no resulta útil. Este trabajo contra el ambiente está dado por P0 (v0 – v), entonces el trabajo máximo útil es

w(máx, útil) = w(máx) – P0 (v0 – v)w(máx, útil) = (u + P0 v – T0 s) – (u0 + P0 v0 – T0 s0) [2]

6



4.1. ¿QUÉ ES LA EXERGÍA?

La exergía es una medida de la disponibilidad de la energía. La idea es que parte de la

energía de un sistema se puede aprovechar para realizar trabajo mecánico, eléctrico o

de otro tipo. El segundo principio de la termodinámica nos establece limitaciones en

cuanto a la cantidad de trabajo que podemos realizar. Pero existe además una

limitación práctica en cuanto a que sólo se puede realizar trabajo si el sistema

almacena una energía respecto al ambiente que le rodea.

Por ejemplo, consideremos el agua situada en un embalse a cierta altura. Esta agua

puede emplearse para mover turbinas y generar energía eléctrica, pero, una vez que

toda el agua ha bajado al nivel del mar, ya no se puede seguir aprovechando. Hay un

límite en la energía disponible asociado a la diferencia de altura entre el agua del

embalse y el entorno. Cuando este desnivel desaparece, ya no hay más energía

disponible.

Se denomina “exergía” a la cantidad máxima de energía que puede transformarse en

trabajo útil, entendiendo por útil el que no se emplea en actuar contra el ambiente.


.4.2. ESTADO MUERTO

El potencial de trabajo de la energía o exergía está asociado al desequilibrio entre

un

sistema y sus alrededores, es decir que depende de dos sistemas como mínimo.

Con

un ejemplo lo aclararemos. Vamos a suponer que tenemos una lámina metálica que se

encuentra a 70 °C, y la sumergimos en agua a 3 °C (es decir mucho más fría), en

este

caso como el desequilibrio térmico es grande, el nivel de exergía será mayor que

si

sumergimos la lámina en agua a 70°C en cuyo caso la temperatura del siste

ma

(lámina metálica) y su entorno (agua) es la misma (70°C), por lo que no pasaría

nada.

Este estado se denomina estado muerto ya que tenemos cero exergía y máxi

ma

entropía.

AMBIENTE

Es caracterizado porque sus parámetros permanecen sin cambios durante la interacción con el sistema bajo consideración. Esto quiere decir, que el ambiente es muy grande en comparación al sistema y puede amortiguar toda la energía dada a él sistema, de tal forma que su propio balance de energía permanece sin cambio. También existe

completo equilibrio termodinámico entre todos los componentes.


El estado muerto se refiere al estado del que nos es imposible extraer trabajo de un

sistema y este depende del medio ambiente que le rodea. Podemos concluir que un

sistema entrega el máximo trabajo posible cuando experimenta un proceso reversible,

desde el estado inicial especificado hasta el estado del ambiente que lo rodea, es decir

el estado muerto. Esto representa el potencial de trabajo útil del sistema en el estado

especificado y se conoce como exergía.

4.3. IRREVERSIBILIDAD

Partiendo de la definición de trabajo reversible Wrev que es la cantidad máxima de

trabajo útil que puede generarse (o el trabajo mínimo que debe suministrarse) en un

sistema cuando éste experimenta un proceso entre dos estados definidos (inicial y

final). Este trabajo máximo (o mínimo) se obtiene cuando el proceso entre los dos

estados es totalmente reversible. Se le llama Irreversibilidad I, a la diferencia entre el

trabajo reversible Wrev y el trabajo útil Wu durante un proceso entre dos estados

definidos; y es equivalente a la exergía destruida y se expresa así:

La exergía destruida representa el potencial de trabajo perdido o desperdiciado.

5. DEDUCCION DE LA EXPRESIÓN

Tenemos el trabajo útil:

Pero, por el primer principio de la termodinámica el calor y el trabajo que salen

equivale a la disminución de la energía total

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Siendo E la energía total suma de cinética, potencial e interna. Queda entonces

El segundo miembro de esta ecuación es el diferencial de una función de estado, ya

que se trata de una combinación de tres diferenciales de funciones de estado

multiplicadas por constantes. Por tanto, podemos escribir esto como una diferencial

exacta (con “d” en vez de con “δ”). Puesto que estamos interesados en el máximo

trabajo que puede realizar el sistema y no el que se puede realizar sobre él,

cambiamos el signo y escribimos

Donde X es la función de estado que denominamos exergía.

Integrando entre el estado inicial (que indicamos sin subíndices) y el estado final, que

corresponde al estado muerto en el que la temperatura y la presión son iguales a la

exterior (con subíndice 0) nos queda

Resumiendo: [3]


6. LEY DE PÉRDIDA DE EXERGÍA

El Teorema de Gouy-Stodola (denominada también como ley de pérdida de exergía)

es un teorema empleado en termodinámica para describir la cantidad de energía no

disponible que tiene lugar en un sistema termodinámico.

1

0


6.1. Formulación

La ley establece que la destrucción de exergía es proporcional al producto de

la temperatura de referencia ( ) por la generación de entropía dentro del sistema (

). La expresión formal de la energía no disponible se suele expresarse como: . El

valor de esta destrucción de energía se expresa mediante la ecuación:

Esta ecuación muestra que un proceso termodinámicamente eficiente debe tener una

mínima generación de entropía. es una propiedad intensiva que permite en caso de

existir varios sistemas con generación de entropía ( ), pueda calcularse la exergía

perdida total mediante suma de las partes:

7. PRINCIPIO DE DISMINUCIÓN Y DETRUCCIÓN DE LA EXERGÍA

7.1. Principio de Disminución

El principio de disminución de la exergía sostiene que la exergía de un sistema aislado

(recuerde que ni calor, ni trabajo, ni masa pueden cruzar sus fronteras) durante un

proceso siempre decrece o, en el caso límite de un proceso reversible, permanece

constante. Esto se expresa así:

Las irreversibilidades como la fricción, las reacciones químicas, la transferencia de

calor debida una diferencia finita de temperaturas, la expansión libre, las mezclas,

siempre generan entropía, en consecuencia siempre se destruye la exergía. Por ello la

exergía destruida en proporcional a la entropía generada:

El principio de disminución de la exergía puede resumirse así

11


7.2. Principio de Destrucción:

Describiremos algunos mecanismos de destrucción de la exergía.

Destrucción de la exergía debido a la transferencia de calor a través de

una pared.

La misma cantidad de calor fluye a

través del sistema desde el reservorio

de la izquierda hacia el de la derecha.

Sin embargo, como la temperatura del

reservorio de la derecha es menor, la

exergía transferida por su exergía es

menor. Podemos concluir que la

generación de entropía debido a la

transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperatura es la causa de la

destrucción de exergía.

Destrucción de la exergía debido a la fricción.

La exergía es destruida

espontáneamente por la

fricción. En la imagen

mostrada el trabajo transferido

al sistema a través del eje

debe ser igual al calor

rechazado hacia la atmosfera,

sin embargo ya que el calor n

transporta exergía a través de

la frontera externa (se

encuentra a la temperatura de la atmosfera), la única forma para que la exergía del

sistema pueda permanecer constante es la destrucción de la exergía.

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Destrucción de la exergía debido al calentamiento por resistencia

eléctrica.

La exergía es destruida

espontáneamente por la

electricidad que pasa a través

de una resistencia. En la

imagen mostrada el trabajo

eléctrico transferido al sistema

debe ser igual al calor

rechazado hacia la atmosfera,

sin embargo ya que el calor no transporta exergía a través de la frontera externa (se

encuentra a la temperatura de la atmosfera), la única forma para que la exergía del

sistema pueda permanecer constante es la destrucción de la exergía.

8. EXERGÍA DE UN SISTEMA CERRADO[4]

8.1. Primera funcion Gouy o Darrieus

13



8.2. Exergía de un sistema cerrado a To

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9. EXERGÍA DE UN SISTEMA ABIERTO[5]

Es el máximo trabajo de circulación.


9.1. Segunda funcion Gouy o Darrieus


10. EXERGÍA DEL CALOR

11. BALANCE EXERGÉTICO

En realidad un balance de exergía no es más que la combinación de un balance de

energía y de entropía, que derivan a su vez del primer y segundo principio de

la termodinámica. No es por tanto un resultado independiente, pero puede utilizarse

como formulación alternativa de la segunda ley de la termodinámica.

Como alternativa al principio de incremento de entropía, se puede formular la segunda

ley estableciendo que, los únicos procesos que puede experimentar un sistema

aislado son aquellos en los que la exergía del sistema disminuye.

El balance de exergía es un método de análisis muy útil a la hora de valorar el

rendimiento energético de una instalación, nos da una visión más amplia que

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el rendimiento térmico. Permite valorar las pérdidas de energía en un proceso, la

http://es.wikipedia.org/wiki/Segunda_ley_de_la_termodin%C3%A1mica





energía que sería aprovechable de flujos salientes en sistemas abiertos y las ventajas

de métodos regenerativos en instalaciones térmicas.

11.1. Balance en sistemas cerrados

Un sistema cerrado puede interaccionar con el entorno mediante transferencias de

energía en forma de calor o trabajo, que implican una transferencia de exergía entre el

sistema y el entorno. Esta exergía transferida no coincide necesariamente con la

variación de exergía del sistema, ya que la exergía también se destruye como

consecuencia de la generación de entropía (todos los procesos reales con

transferencia de energía en forma de calor conllevan, además de una transferencia de

entropía, una generación de entropía debida a procesos irreversibles dentro del

sistema.

La variación de exergía del sistema cerrado es igual a la transferencia de exergía con

el entorno, menos la destrucción de exergía , donde representa la generación

de entropía, que por el segundo principio, no puede ser negativa.

11.2. Balance en sistemas abiertos

Para sistemas abiertos, en los que hay transferencia de masa, se maneja el concepto

de exergía de flujo, que no es más que la exergía asociada a una corriente material

que atraviesa un volumen de control determinado. Adaptando la expresión y utilizando

magnitudes específicas (por unidad de masa) se tiene:

Donde h, s, C, y z son entalpía, entropía, velocidad, altura del flujo

respectivamente. son las propiedades evaluadas en el estado muerto. g

es la aceleración de la gravedad.

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http://es.wikipedia.org/wiki/Gravedad


El balance de exergía en un sistema abierto como:

Esto es, la variación de exergía acumulada dentro del sistema por unidad de tiempo es

igual a: la transferencia de exergía asociada a la transmisión de

energía en forma de calor, donde representa la velocidad de transferencia de calor

a través de una parte de la frontera a temperatura ,menos la

velocidad de intercambio de exergía por trabajo, excluyendo el trabajo de flujo,

más es la transferencia de exergía asociada a la

transferencia de masa entre el sistema y el entorno y menos la destrucción de

exergía por unidad de tiempo causada por irreversibilidades internas del volumen de

control.

Que el término recuerde al rendimiento máximo calculado por

Carnot en sus teoremas no es casualidad. Representa precisamente la potencialidad a

la hora de obtener trabajo de focos térmicos a diferente temperatura.

12. EFICIENCIA EXERGÉTICA[6]

La Eficiencia de Segunda Ley es una medida del desempeño de un dispositivo real

con relación a su desempeño en condiciones reversibles para los mismos estados

inicial y final.

Las siguientes imágenes describen la deferencia entre la eficiencia térmica y la

eficiencia exergética (o eficiencia según la segunda ley) de una máquina térmica.


18


Hasta el momento, al hacer referencia a la eficiencia siempre ha sido en términos energéticos,

sin hacer distinción de la calidad de la energía producida o consumida. Una forma más apropiada

de evaluar los procesos es en términos de la energía disponible consumida o producida ya que

es la energía verdaderamente aprovechable. En esta sección se presentará la eficiencia

exergética de procesos la cual se conoce también como eficiencia de segunda ley. En general, la

eficiencia se puede definir como lo que se obtiene sobre lo que se paga:

A diferencia de la eficiencia energética, la eficiencia exergética puede ser del ciento por ciento si

el proceso de transformación al que se refiere se realiza de una manera completamente

reversible (sin destrucción de exergía).

Eficiencia de una máquina térmica:

De acuerdo con el objetivo de una máquina térmica, que es obtener trabajo a partir de calor suministrado, y ya que todo el trabajo producido es, en este caso, energía disponible mientras que la fracción disponible del calor es

Qc (1 – T0 /Tc)

Entonces:

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Eficiencia de un refrigerador:

El objetivo de un refrigerador es extraer calor para lograr una baja temperatura por medio de

una máquina que consume trabajo. Al extraer calor de un depósito, este queda en capacidad de

permitir la producción de trabajo mediante una máquina térmica reversible que recibe calor del

ambiente y descarga en el depósito; luego, la eficiencia exergética es:

Eficiencia de una bomba de calor:

En este caso se desea mantener un recinto a una temperatura alta suministrándole calor

extraído de un foco que se encuentra a menor temperatura mediante el empleo de trabajo

mecánico. Al obtener un depósito caliente, se está en capacidad de producir trabajo mediante

una máquina térmica reversible conectada entre este depósito y el ambiente.

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Eficiencias de bombas y compresores:

En estos equipos la sustancia recibe energía mecánica para aumentar su exergía (representada

en alta presión o incremento de energía potencial)

Eficiencia de una turbina :

En estos equipos se obtiene trabajo a expensas de una disminución de la exergía de la sustancia,

luego

Eficiencia de un intercambiador de calor:

De acuerdo con el criterio de eficiencia exergética se podría definir para un intercambiador de

calor

En la práctica esta eficiencia no tiene mucho sentido, pues lo que interesa es la transferencia de

calor para aumentar la energía de una sustancia. Sería más útil hacer referencia a una eficiencia

energética.

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12.1. Eficiencia para Máquinas Térmicas:

Diagrama de Energía de una máquina térmica

Diagrama de Exergía

12.2. Eficiencia para Refrigeradores o Bombas de Calor:

Diagrama de Energía


Diagrama de Exergía Refrigerador

Diagrama de Exergía Bomba de Calor

12.3. Rendimiento Exergético para un ciclo irreversible de Carnot


13. TRANSFERENCIA DE EXERGÍA[7]

13.1. Exergía transportada por Masa


13.2. Exergía transferida por Calor y Trabajo

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14. CONCLUSIONES

En el presente trabajo, se ha preferido dar la visión de la utilización de la exergía disponible

en los procesos de utilización calórica mediante su transformación en trabajo mecánico, en

lugar de su degradación inútil.

Como se indicó, cuando es posible superponer una máquina térmica entre el ingreso del

combustible y la utilización calórica, la eficiencia marginal de la conversión de la energía

térmica a trabajo mecánico es idealmente del 100%, y que el aumento de la eficiencia de

tal máquina térmica permite obtener también mayores cantidades de trabajo con una

eficiencia marginal ideal del 100%.

La posibilidad de obtención de estas cantidades de trabajo es similar a la disponibilidad que

existe en un salto hidráulico que, de no ser aprovechado, se pierde irreversiblemente. Es

indudable pues que, desde el punto de vista del uso racional de los recursos energéticos y

del desarrollo sustentable se debe alentar en lo posible la implementación de estos

sistemas, lo que implica un cambio importante de los conceptos y modalidades

tradicionales.

Se trata de una valorización de la exergía.

Desde el punto de vista ambiental, desplazando la generación térmica convencional, es una

de las formas de reemplazar las prácticas convencionales por las que al menos son más

sustentables que las actuales, y que en muchos casos puede ser de implementación

inmediata.

Es posible manejar el concepto de exergía cualitativamente, entre otras cosas para

depurar el lenguaje cotidiano, de manera que se hable propiamente de consumo de exergía

y de conservación de energía, y no de ``consumo de energía''. En el mismo sentido, se suele

definir a la energía como la ``capacidad para hacer trabajo''; pero de lo expuesto hasta aquí

deberá quedar claro que ésta es una propiedad exclusiva de la exergía y no de la energía.

Un ejemplo sencillo sirve para enfatizar lo anterior: considérese un gas encerrado en una

delas mitades de un recipiente aislado del exterior, estando la otra mitad vacía. Si la pared

de separación entre el gas y la otra mitad vacía se quita, el gas se expandirá hasta ocupar el

espacio completo, siendo su energía final igual a la inicial.

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15. REFERENCIAS

1. Agencia Andaluza de la Energía, consejería de innovación ciencia y empresa

Energía solar fotovoltaica general, 2008. p. 1-32

2. ALGOR, Energía 2010 foro nuclear; Junio 2010. p. 19-37 53-93 195-216

3. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Eólica; FOCER. Septiembre 2002. p. 6-21

4. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Hidráulica a pequeña escala.FOCER. Septiembre 2002. p. 6-22

5. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Solar Fotovoltaica; FOCER. Septiembre 2002.p. 8-27

6. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Solar térmica. FOCER. Septiembre 2002. p. 6-25

7. Carnevale, F.; Energía Mareomotriz. Instituto Balseiro, Universidad Nacional deCuyo. Mayo 2008, p. 2-10

8. Flórez-Orrego, Daniel; Silva Ortiz, Pablo. (2013). Exergia, Conceptualización y

Aplicación. Escuela Politécnica de la Universidad de Sao Paulo.

*El trabajo presentado es una recopilación de las monografías mostradas en las referencias y unido a

nuestra propia fuente de información (autoría).*

26


16. BIBLIOGRAFÍA

Cengel, Y. A., & Boles, M. A.(2009). Termodinámica (6a ed.). McGraw-Hill.

Dincer, I., & Kanoglu, M. (2010). Refrigeration Systems And Applications (2th ed.).John Wiley and Sons, Ltd.

Dossat, R. J. (1998). Principios de refrigeración. CECSA.

Geurts, M. (2005). Properties of Refrigerant 22 (chlorodifluoromethane). Recuperado el 18 de agosto de 2011 del sitio web de Industrial RefrigeratioConsortium:http://www.irc.wisc.edu.html

Pita, E. G. Acondicionamiento de aire, principios y sistemas (2a ed.). CECSA.

Witman, W. C., & Johnson, W. M. Tecnología de la refrigeración y aire acondicionado, refrigeración comercial.( Para info.s.f.).

PÁGINAS WEB

Obtenido de http://www.emersonclimatemexico.com/home http://www.academia.edu/3315176/Exergia_Conceituacao_e_Aplicacao

http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/bk3/c03/Exergia.pdf

http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/gnavascu/TERMOTECNIA_10_11/7_

TERMOT_EXERGIA_2010_11.pdf

http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/Modulos/Modulo4.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Exerg%C3%ADa

http://www.smf.mx/boletin/Abr-98/ense/exer.html

http://termoweb.comyr.com/exergia.html

http://iqtma.uva.es/termoap/analisis_de_procesos.pdf

http://laplace.us.es/wiki/index.php/Introducci%C3%B3n_a_la_exerg%C3%ADa

http://gpinch.sourceforge.net/pinch/node57.html http://ing.unne.edu.ar/pub/termodinamica/e2010.pdf

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17. ANEXOS:

http://ing.unne.edu.ar/pub/termodinamica/e2010.pdf

http://gpinch.sourceforge.net/pinch/node57.html

REPRESENTACIONES GRÁFICAS Y DIAGRAMAS DE EXERGÍA[8]

En el análisis de exergía, el uso de los diagramas es particularmente útil, entre otras

aplicaciones, para obtener y calcular las propiedades termodinámicas, así como otras

cantidades tales como el calor (Q) y de trabajo (W) en relación con un proceso, o bien

para la representación Un procesos y ciclo de conversión de energía. Entonces SAOA

presentados algunos de estos diagramas.

En el diagrama de "entalpía exergía física", la representación de líneas vapor de

líquido saturado y depende de la localización del estado de punto muerto restringido,

es decir, (PO,TO)

Si este punto se encuentra en la región de líquido comprimido (se aplica a sustancias

tales como el agua, el amoníaco y algunos refrigerantes fluorados) o en la región de

vapor sobrecalentado, los diagramas correspondientes se muestran en la siguientes

tablas.

Un diagrama de uso común en el análisis de exergía de los procesos es el diagrama

de Grassmann, que es una representación analógica del diagrama de Sankey, este

último generalmente empleado en el análisis de los procesos energéticos. En este tipo

de diagrama, que representa que las proporciones relativas (relacionados con las

anchuras de barras) de diferentes flujos de exergía en el proceso de conversión de

energía.


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PLANTA DE COGENERACIÓN SIMPLIFICADA

Por ejemplo, mientras que en la primera diagrama energía se conserva en la caldera

en el segundo diagrama de exergía se destruye cuando se trata de un intercambio de

calor altamenteirreversível proceso con diferencia de temperatura finita, y las

reacciones de combustión.

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Este trabajo está dedicado a nuestros padres y a todas las personas que nos apoyan a lograr nuestras metas

Engineering

Exergia final