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Exergía

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Exergía

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Aprendizajes

►Analisis exergético, que incluye a la

exergía de referencia del ambiente, el

estado muerto, transferencia de exergía,

y la destrucción de la exergía.

►Evaluar la exergía para un estado y el

cambio de exergía entre dos estados, a

partir de información de las

propiedades.

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Aprendizajes

►Apicar balances de exergía a sistemas

cerrados y a volumenes de control en

flujo estacionario.

►Definir y evaluar las eficiencias

exergéticas.

►Aplicar costo exergético a la pérdida de

calor y a sistemas simples de

cogeneración.

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Análisis exergético

►Análisis exergético contribuye al objetivo de

hacer más efectivo el uso de los recursos

energéticos no renovables: gas natural, carbón, y

petróleo, mediante el establecimiento de los sitios,

tipos y magnitudes verdaderas de desecho y

pérdida en sistemas aprovisionados por ellos.

►El análisis exergético es a la vez importante

porque permite diseñar sistemas térmicos más

efectivos de todo tipo, orientando en la reducción

de ineficiencias en estos sistemas.

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¿Qué es la exergía?

►Cuando se llena de gasolina el tanque de un

automóvil, lo que se paga es la exergía de la

gasolina.

►La exergía no es sólo otro aspecto

de la energía. La exergía y la energía

están relacionadas pero se refieren a

diferentes cantidades. Estas

diferencias se pueden establecer con

la figura, ésta muestra un sistema

aislado inicialmente conformado por

un pequeño tanque de combustible

rodeado por aire en forma abundante.

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¿Qué es la exergía?

►Supongamos que el combustible se quema hasta

que finalmente hay una mezcla ligeramente “más

caliente” de aire y los productos de la combustión.

►Como hay aire en abundancia, la

temperatura de la mezcla final es casi

igual a la temperatura inicial del aire.

►La cantidad total de energía

asociada al sistema es constante

porque no hay transferencia de

energía a través de la frontera de un

sistema cerrado, la primera ley de la

termodinámica, señala que la energía

se conserva.

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►La la combinación inicial aire-

combustible posee un mayor

potencial de uso que la mezcla tibia

final. Por ejemplo, el combustible

puede usarse para generar

electricidad, producir vapor, o proveer

potencia a un carro en tanto que la

mezcla tibia es inadecuada para tales

aplicaciones.

►De hecho en las figuras mostradas,

el potencial inicial de uso es

fundamentalmente destruído dada la

naturaleza irreversible del proceso.

¿Qué es la exergía?

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La exergía como concepto

►Considerese un cuerpo a temperatura Ti colocado en

contacto con la atmósfera a temperatura T0. Si Ti > T0, el

cuerpo se enfriará hasta que estñe en equilibrio térmico

con la atmósfera.

►No obstante, al controlar el

enfriamiento, es posible obtener

trabajo como se ilustra.

►En lugar de que el cuerpo se enfrie espontáneamente, el

calor transferido Q pasa a un ciclo que da lugar al trabajo Wc.

El trabajo estaría plenamente disponible para levanter un

peso, desarrollar trabajo de flecha, o generar electricidad.

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La exergía como concepto

►Dado que el ciclo de potencia no experimenta un

cambio neto en su estado, el potencial para producer el

trabajo Wc tiene su origen en que el estado inicial del

istema es diferente al de la atmósfera Ti > T0.

►El sistema eventualmente alcanza el equilibrio

térmico con la atmósfera. En el equilibrio, el cuerpo y la

atmósfera poseen energía, pero ningun potencial para

desarrollar trabjo existe pues es imposible que exista

interacción alguna entre ellos.

►La exergía es el máximo valor teórico para el trabajo

Wc. El máximo trabajo se alcanza sólo cuando al

enfriarse el cuerpo y alcanzar el equilibrio, no hay

irreversibilidades presentes.

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►En el enfriamiento espontáneo a T0, no se obtiene

trabajo de modo que el potencial inicial para

desarrollar trabajo, la exergía, es destruido.

La exergía como concepto

►Trabajo Wc también se puede

obtener cuando Ti < T0. En este

caso, la transferencia de calor ocurre

en dirección contraria y el trabajo se

produce al calentarse el cuerpo

hasta alcanzar el eq. térmico con la

atmósfera.

►Como se explicó antes, el potencial para producir el

trabajo Wc tiene su origen en que el estado inicial del

istema es diferente al de la atmósfera Ti < T0.

Ti < T0

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Definición de exergía

►El término exergía de referencia ambiental – o

simplemente el ambiente – hace referencia a un modelo de

la atmósfera de la Tierra: un sistema simple compresible

muy grande en tamaño y uniforme en presión, p0, y

temperatura, T0. los valors de p0 y T0 son en general los que

corresponden a valores típicos, 1 atm y 25oC (77oF).

►La exergía es el máximo trabajo teórico que se puede

obtener de un sistema global constituido por un sistema

específico y su ambiente cuando el sistema alcanza el

equilibrio con éste último (pasa al estado muerto).

►El término estado muerto se refiere a que un sistema de

interés esté a T0 y p0 y en reposo enrelación al ambiente. En

el estado muerto no hay interacción entre el sistema y su

ambiente, por lo tanto no hay potencial para desarrolar

trabajo.

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Definición de exergía

►A partir de los balances de energía y exergía, se

obtiene la expresión para la exergía, E, de un sistema

para un estado dado como,

►Si el ambiente está determinado, es possible asignar un

valor a la exergía a partir de los valores de las

propiedades solo del sistema, así la exergía es una

propiedad del sistema. La exergía es una propiedad

extensiva.

donde U, V, S, KE, y PE denotan, respectivamente, energía

interna, volumen, entropía, energía cinética, y energía

potencial del sistema en el estado dado. U0, V0, y S0 denotan

energía interna, volume y entropía, respectivamente, de un

sistema en el estado muerto. En el estado muerto, las

energías potenciale y cinética del sistema son cero.

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►Si se expresa en una base de masa se tiene la

exergía específica

Definición de exergía

►El cambio en la exergía entre dos estados es

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►Si la temperatura o presíon de un sistema

difiere de la del ambiente, el sistema tiene

exergía. En términos más precisos, el sistema

tiene una contribución termomecánica a su

exergía. Otra contribución, denominada exergía

química, por diferencias en la composición

química del sistema y su ambiente.

Definición de exergía

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Cálculo de exergía

Ejemplo: Un globo lleno con O2 t

280 K, 1 bar se mueve a 15 m/s a

una altura de 0.5 km, relativos a la

superficie terrestre donde T0 = 300

K, p0 = 1 bar. A partir del modelo

de gas ideal, calcular la exergía

específica del aire, en kJ/kg.

Considere que g = 9.807 m/s2.

T = 280 K

p = 1 bar

V = 15 m/s

z = 0.5 km

T0 = 300 K

p0 = 1 bar

z

g

Tierra

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►A partir de la información de la Tabla A-23,

Cálculo de exergía

kJ/kg 13.13

kg/kmol 32

kJ/kmol 62425822)( 0

0

M

uuuu

Solución: La exergía específica es

kJ/kg 20.5K300280Kkg

kJ

32

314.8)(

que Dado .)(

000

,0

0

0000

TTRp

ppp

RT

p

RTpp

vv

vv

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Cálculo de exergía

kJ/kg 96.18kg/kmol 32

KkJ/kmol213.205191.203K 300)(

)(

que Dado .ln)(

00

o

0

o

000

,0

0

o

0

o

000

ssT

M

ssTssT

ppp

pRssTssT

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Cálculo de exergía

kJ/kg 02.52/V

mN 10

kJ 1

s

mkg1

N 1m) 500)(m/s 807.9(2/m/s) 15(2/V

2

3

2

222

gz

gz

►Finalmente,

e = (–13.13 – 5.20 + 18.96 + 5.02) kJ/kg = 5.65 kJ/kg

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Cambio en la exergía

►La figura muestra una superficie de exergía-

temperatura-presión para un gas en ella también

constant-exergy se ilustran las curvas de nivel de

exergía constante.

►Para un sistema que experimenta el

proceso A, la exergía se incrementa si su

estado se aleja del estado muerto: de 1 a 2.

Así, el cambio en la exergía es positivo.

►En el proceso B, la exergía decrese si el

estado se acerca al estado muerto: de 1' a

2'. Así, el cambio en la exergía es negativo.

►La figura también muestra que el valor de la exergía es positivo

para los estados distintos al estado muerto, es cero para el estado

muerto, y nunca es negativo.

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Introducción al balance de exergía para

sistemas cerrados

►Masa, energía, entropía, y exergía son

propiedades extensivas.

►Así como la masa, energía, y entropía se evalúan

por balances, la exergía se evalúa a través de un

balance.

►Como la masa, energía, y entropía, la exergía

puede transferirse a través de la frontera de un

sistema.

►La masa y la energía se conservan. La entropía y

exergía NO.

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Introducción al balance de exergía para

sistemas cerrados

►El balance de exergía para sistemas cerrados se

obtiene al combinar los balances de energía y

entropía para sistemas cerrados. El resultado es

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Introducción al balance de exergía para

sistemas cerrados

►Los primeros dos términos del lado de la

derecha cuantifican la transferencia de exergía por

transferencia de calor y trabajo, respectivamente:

donde Tb es la temperatura de la frontera en la que ocurre la

transferencia de calor,

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Introducción al balance de exergía para

sistemas cerrados

►El tercer término de la derecha cuantifica la

destrucción de exergía producto de las

irreversibilidades del sistema:

En concordancia con el término de generación de

entropía

= 0 (sin presencia de irreversibilidades)

> 0 (hay irreversibilidades)

< 0 (imposible)

Ed:

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Introducción al balance de exergía para

sistemas cerrados

►Hay dos formas de evaluar la destrucción de la

exergía:

1)Resolver a partir del balance de exergía

cuando los demás términos se conocen.

2)Aplicar la ecuación directamente,

cuando la generación de entropía se conoce

a partir de un balance de entropía.

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Balance de exergía en flujo para

sistemas cerrados

►En una base temporal, el balance dinámico de la

exergía es:

►En estado estacionario, se tiene

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Balance de exergía en flujo para

sistemas cerrados

►En las expresiones, el término representa la

rapidez de transferencia de exergía asistida por

transferencia de calor Qj que ocurre en donde la

temperature de la frontera es Tj.

►También, en las expresiones Ed cuantifica la rapidez con que

se destruye la exergía por irreversibilidades en el sistema.

►Por último, hay que notar que en estado estacionario, la

rapidez de transferencia de exergía asistida por potencia W

es simplemente la potencia.

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Balance de exergía en flujo para

sistemas cerradosEjemplo: Un extremo de una varilla cilíndrica cuya

superficie lateral está aislada, se encuentra en contacto con

una pared a T1 = 600 K. El otro extremo, a T2 = 310 K, está

expuesta a la atmósfera, a T0 = 300 K. En estado

estacionario, la energía se conduce por transferencia de

calor a través de la varilla a razón de 100 kW. Calcula, en

kW, (a) la rapidez de transferencia de exergía asistida por

transferencia de calor hacia y desde la varilla, (b) la rapidez

con que destruye la exergía en la varilla, y (c) la evaluación

de la exergía que entra a la varilla.

T1 = 600 KT2 = 310 K

T0 = 300 KQ = 100 kW∙

Aislamiento

Aislamiento

Q = 100 kW∙

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Balance de exergía en flujo para

sistemas cerrados

kW 3kW 100K 310

K 30011

kW 50kW 100K 600

K 30011

2

02q

1

01q

QT

T

QT

T

E

E

d2q1q EEE0 W

(a) Las rapideces de transferencia de exergía asistidas por

transferencia de calor son, respectivamente

(b) Al aplicar el balance de exergía dinámico,

kW 47kW 3kW 502q1qd EEE

La irreversibilidad en este caso es la transferencia de calor

en la varilla del extremo de alta temperatura al extremo de

baja temperatura.

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Balance de exergía en flujo para

sistemas cerrados(c) Si bien las rapideces con que se transfiere calor

en cada uno de los extremos son iguales, las

rapideces de transferencia de exergía son distintas.

Las rapideces de transferencia de exergía

proporcionan una medida termodinámica más

fidedigna que la de la transferencia de calor. El valor

termodinámico de una transferencia de calor depende

de la temperatura a la cual ocurre.

►La magnitud de la rapidez de transferencia en el

extreme de alta temperatura señala una oportunidad

para hacer algo útil.

►La menor rapidez de transferencia de exergía en el

extreme de baja temperatura indica una menor utilidad,

pero aún de una oportunidad.

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Balance de exergía en flujo para

sistemas cerrados► Una cuantificación de la exergía es:

Rapidez de entrada:

Disposición de la exergía:

►Rapidez de salida:

►Rapidez de destrucción:

50 kW

3 kW (6%)

47 kW (94%)

►En principio la exergía transferida por la varilla puede

emplearse para algo.

►La exergía transferida por la varilla se destruye

completamente por las irreversibilidades asociadas a la

transferencia de calor.

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Balance de exergía en flujo para volúmenes de

control

►Al igual que la masa,energía y entropía, la exergía

puede transferirse hacia y de un volume de control

en el que entra y sale masa.

►, La expresion para el balance de exergía para

volúmenes de control se puede obtener de aquella

para los sistemas cerrados. Así

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Balance de exergía en flujo para volúmenes de

control

►En la ecuación, efi representa la exergía específica

que ingresa en la entrada i y efe representa la exergía

específica que sale en e. Estos términos, denominados

exergía específica de flujo, se derivan de los balances

de energía y entropía y tienen la forma

donde h y s representan la entalpía y entropía

específicas, respectivamente, a la entrada o salida;

h0 y s0 son los valores de estas propiedades

evaluadas a T0, p0.

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Exergía específica de flujo ef

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Balance de exergía en flujo para volúmenes de

control

►Una forma alternative del balance es

donde

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Balance de exergía en flujo para volúmenes de

control

►Para volumenes de control con una entrada y una

salida se tiene

donde 1 y 2 representan la entrada y la salida,

respectivamente, m es el flujo de masa. El término

(ef1 – ef2) se puede evaluar a partir de

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Balance de exergía en flujo para volúmenes de

control

Ejemplo: La figura muestra un volume de control en

estado estacionario, en la que se indican los flujos de

exergía asociados a trabajo, transferencia de calor, y

flujo de masa. Aplicar el balance de exergía para

volúmenes de control, para calcular la razón de

destrucción de exergía, en MW.

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Balance de exergía en flujo para volúmenes de

control

►Para este problema

se tiene

dffcvq0 EEEE eiW

►Despejando Ed y sustituyendo valores se

concluye que

Ed = 60 MW – 40 MW + 2 MW – 15 MW = 7 MW∙

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Eficiencia Exergética

►Para distinguir las eficiencias

basadas en la exergíay energía,

considere el sistema de la

figura. El sistema representa

una aplicación en la que se

quema un combustible para

calefacción.

►La eficiencia basada en la exergía que se desarrolla de

balances exergéticos se denomina eficiencia exergética.

►Todas las transferencia de energía ocurren en la dirección de

las flechas.

►El sistema recibe energía por transferencia de calor a razón

Qs a una temperatura Ts y descarga Qu a la temperatura Tu.

►Se pierde energía por transferencia de calor a razón Ql a una

temperatura Tl.

►No hay trabajo y el sistema opera en estado estacionario.

∙∙

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Eficiencia Exergética

►Si se aplican los balances dinámicos de energía y

exergía para sistemas cerrados en edo. estacionario

►Que pueden expresarse como

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Eficiencia Exergética

►La ecuación basada en la energía muestra que la

energía que entra por transferencia de calor, Qs, se

puede usar, Qu, o perder, Ql. Este hecho queda

descrito por la eficiencia basada en la energía en la

forma producto/entrada como

El valor de h puede aumentar si se mejora el

aislamiento. En el límite en el que se elimina la

pérdida, el valor de h tiende a 1 (100%).

∙∙

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Eficiencia Exergética

►La ecuación basada en la exergía muestra que la

exergía incorporada por la transferencia de calor

Qs se puede transferir del sistema por

transferencia de calor Qu y Ql o se destruye por

irreversibilidades. Esto puede expresarse a través

de la eficiencia basada en la exergía en la forma

producto/entrada como

∙ ∙

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Eficiencia Exergética

►También puede expresarse como

Aun así, el límite de eficiencia exergética del 100% no es

realizable. En la mayoría de las aplicaciones en que se

quema un combustible con fines de calentamiento, e es

mucho menor que 100% y es menor al 10% en

calentadores de agua domésticos. En dichos casos, no hay

concordancia entre las temperaturas de la fuente y de uso.

►El análisis de esta expresion indica dos opciones para

incremetar la eficiencia exergética:

►Llevar el valor de h tan cerca de 1 como sea posible.

►Aumentar la temperatura de uso, Tu, de modo que se

asemeje a la temperature de la fuente, Ts.

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Eficiencia Exergética

Ejemplo: En la tabla se muestran datos para un

intercambiador de calor (ver figura) que opera en estado

estacionario. El flujo caliente es agua de desecho de un

proceso industrial. El flujo frío es gas que se precalienta para

algún uso. Es posible despreciar las contribuciones de

transferencia de calor, EP y EC. El cociente de los flujos de

masa es mc/mh = 1/3. Para el intercambiador, formula y

evalúa (a) eficiencia energética y (b) eficiencia exergética.

∙ ∙

Edo.

1

2

3

4

h (kJ/kg)

340

300

500

620

ef (kJ/kg)

24.4

16.0

36.8

47.0

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►El término de la izquierda cuantifica la disminución

de la energía del flujo caliente. El término de la

derecha cuantifica el increment de la energía del flujo

frío. El cociente de estos términos provee la

eficiencia con base en la energía:

Eficiencia Exergética

(a) Simplificando el balance de enería se tiene

0 = mh(h1 – h2) + mc(h3 – h4)∙∙

►Que puede expresarse como

mh(h1 – h2) = mc(h4 – h3)∙∙

21h

34c

suministro

ntorequerimie

hhm

hhm

h

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Eficiencia Exergética

►Si se sustituyen los valores de la tabla

kJ/kg300340

kJ/kg500620)3/1(h 1 = (100%)

La eficiencia base energía es del 100% porque

en ausencia de transferencia de calor del

intercambiador como un todo, el cambio en la

energía del flujo frío es igual al cambio de la

energía del flujo caliente.

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►El término de la izquierda cuantifica la disminución de

la exergía del flujo caliente. El primer término de la

derecha cuantifica el incremento de la exergía del flujo

frío. Si se considera que el flujo caliente da lugar al

incremento de la exergía del flujo frío y a la destrucción

de la exergía, la eficiencia exergética del

intercambiador es

Eficiencia Exergética

(b) El balance de exergía, se simplifica a

►Y puede expresarse como

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Eficiencia Exergética

►Sustituyendo valores

►Sólo 40% de la disminución del la exergía del flujo

calaiente se transfiere al flujo frío. El resto se destruye

en la transferencia de calor de flujo a flujo en el

intercambiador de calor.

►Una eficiencia exergética del 100% no es un objetivo

posible para intercambiadores de contraflujo.

kJ/kg 0.164.24

kJ/kg 8.360.47)3/1(e 0.4 (40%)