Prof: Sylvana Vega Termodinámica I 2° semestre 2009
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AnAnáálisis exerglisis exergééticoticoProf: Sylvana VegaTermodinámica I2° semestre 2009
noviembre de 2009
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La energía es clave para el desarrollo
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8.365.5567.536.9446.769.722
6.027.5005.290.278
4.105.833
0
2.000.000
4.000.000
6.000.000
8.000.000
10.000.000
2003 2010 2015 2020 2025 2030
Fuente: Energy information administration, Official Energy Statistic from the U.S. Government
Perspectivas del consumo mundial de electricidad (MW)
5.000.0008.400.000
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Energía necesaria y recursos disponibles
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Consumo mundial de energía proyectado por insumo
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Participación de la Energía Renovable en el Consumo Final Global de Energía
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Sistemas Eléctricos Chilenos
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Precios de Combustibles
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TERMINAL GNL Quinteros 1100 Millones US$
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TERMINALES GNL Mejillones 500 MUS$
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Introducción• Cuando una nueva fuente de energía es descubierta
(por ejemplo, geotérmica) la primera variable que se explora es la estimación de la cantidad de energía contenida en la fuente.
• Sin embargo, esta información es un pequeño valor para decidir si se construye una planta de generación de energía.
• La información relevante es conocer cuál es el potencial de trabajo de la fuente, es decir, la cantidad de energía que se puede extraer para generar la energía (trabajo útil)
• El resto de la energía es eventualmente descargada como una energía residual y no es considerada.
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¿Preguntas?
-Irreversibilidad
¿Cómo interpretar el concepto de energíaresidual?
-Energía Disponible o útil
¿Cuál es un recurso real desde el punto de vista energético?
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CAUSAS IRREVERSIBILIDAD
1. Rozamientos mecánicos2. Flujo viscoso con gradiente3. Flujo térmico con gradiente4. Difusión con gradiente5. Reacción química6. Efecto Joule
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El concepto general de exergía
• En 1953, el término “exergía” fue sugerido por Z. Rant para referirse a la "capacidad de trabajo técnico".
• H. D. Baehr, 1965. “La exergía es la parte de la energía que es convertible en todas las demás formas de energía”
• Wall, 1977. “La exergía es una medida de hasta qué punto un determinado sistema se desvía de un estado de equilibrio con su medio ambiente”
• Según Szargut et al. (1988) "La exergía es la cantidad de trabajo puede obtenerse cuando algún asunto es llevado a un estado de equilibrio termodinámico con los componentes comunes de los alrededores naturales''.
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El concepto general de exergía
• Se denomina también “potencial de trabajo”, “disponibilidad”, “energía disponible”
• La exergía es la cantidad de energía que se puede extraer como trabajo útil.
AnergíaExergíaEnergía +=
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CapacidadAlmacena-
miento
Recursos
Exergía
Impactoambiental
La exergía es la combinación de recursos, capacidad de almacenamiento e impacto ambiental
El concepto general de exergía
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Análisis de 2° ley en procesos reales
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Análisis exergético de la tierra
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Análisis exergético de la tierra
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Global exergy flow, accumulation and destruction
Prepared by I-Chun Hsiao based on the work of Wes Hermann Global Climate and Energy Project at Stanford (http://gcep.stanford.edu/)
Ver 1.0 April, 2009 © MRS Source: Proceedings of the 2009 MRS Spring Meeting
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Global exergy flow, accumulation and destruction
Prepared by I-Chun Hsiao based on the work of Wes Hermann Global Climate and Energy Project at Stanford (http://gcep.stanford.edu/)
Ver 1.0 April, 2009 © MRS Source: Proceedings of the 2009 MRS Spring Meeting
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Análisis exergético de la industria
ExergíaDisminución de
generaciónde entropía
Incremento del valor agregado
Integración decadenas deproducto
Utilización eficientede exergía
Análisis de exergía
Disminu
ción
de
irreve
rsibil
idad
Efecto
multiplicador
del capital y
creación de
empleos
Aumen
to de
la
eficie
ncia
de
los re
curso
s no
renov
ables
Sustentabilidad
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• Si hay una serie de depósitos térmicos.• WR es el trabajo máximo reversible que
puede obtenerse entre dos temperaturas.
Carnot (máquina térmica)
Temperatura T*
T1
T2
Wnetto
QH
QL
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Trabajo máximo alcanzable
Hnetto QW maxη=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−=
H
LHnetto T
TQW 1
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Definición “estado muerto”• Es un sistema que se encuentra en
equilibrio termodinámico con el ambiente.
• La T° y P es a las condiciones del ambiente (equilibrio térmico y mecánico)
• La energía cinética y potencial relativa al ambiente es despreciable.
• No reacciona con el ambiente circundante (químicamente inerte).
• Las propiedades del sistema son definidas con subíndice cero (P0, T0, v0, h0, u0, s0)
• La exergía es cerocero.
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•La energía cinética es una forma de energía mecánica y puedeser convertida directamente en trabajo.
•La energía cinética en sí misma es el potencial de trabajo o exergía de la energía cinética indenpendientemente de la temperatura y presión del ambiente.
Exergía de la Energía Cinética:
Exergía asociada a la energía cinética
( )kgkJVecxec 2
2r
==
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•La energía potencial es una forma de energía mecánica y puedeser convertida directamente en trabajo.
•La energía potencial es en sí misma el potencial de trabajo o exergía de la energía potencia independientemente de la temperatura y presión del ambiente.
Exergía asociada a la energía potencial
Exergía de la Energía Potencial:
( )kgkJgzepxep ==
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El trabajo realizado por una máquina térmica no es siempre totalmente utilizable. Considere el siguiente cilindro- pistón:
Trabajo útil
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El trabajo realizado por la expansión del gas en el cilindro- pistónes la frontera de trabajo y puede ser escrita como:
Integrando, el trabajo efectivo realizado por el gas es:
Trabajo útil
El trabajo realizado en el entorno es:
( )dVPW
dVPdVPPPdVW
útilb 0,
00
+=+−==
δδ
( )120,
0,
VVPWdVPWW
útilb
útilb
−+=+= ∫
( )entornou
entorno
WWWVVPdVPW
−=−== ∫ 1200
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Trabajo útil
• El trabajo realizado en contra de la presión atmosférica sólo afecta en sistemas con cambio de volumen.
• En sistemas como estanques rígidos y flujos permanentes (estables), no afecta la presión atmosférica, por lo tanto:
WWu =
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•El trabajo reversible Wrev se define como la cantidad máxima de trabajo útil que puede ser producido (o el trabajo mínimo que debe ser suministrado) como un sistema sometido a un proceso entre los estados inicial y final.
•Esta es la producción de trabajo útil (o entrada) obtenido cuando el proceso entre los estados inicial y final se ejecuta de formatotalmente reversible.
•Cuando el estado final es el estado muerto, el trabajo reversible es igual a la exergía
Trabajo reversible
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La diferencia entre el trabajo reversible Wrev y el trabajo útil Wu se debe a las irreversibilidades presentes durante el proceso y se llama irreversibilidad I.
Es equivalente a la exergía destruida y se expresa como:
Trabajo irreversible
donde Sgen es la entropía generada durante el proceso.
•Para que un proceso totalmente reversible, las condiciones de trabajo útil y reversible son idénticos y por lo tanto la irreversibilidad es cero.•La irreversibilidad puede ser vista como el potencial de trabajo perdido o la oportunidad perdida para hacer el trabajo. Representa la energía que podrían haberse convertido en trabajo, pero no fue.•La exergía destruida representa el potencial de trabajo perdido y es también llamado el trabajo residual o trabajo perdido.
entradareventradausalidausalidarevgendestruida WWWWSTXI ,,,,0 −=−===
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Ejemplo
• Una máquina térmica recibe calor de una fuente a 1200K a un flujo de 500 kJ/s y sale el calor residual al medio que se encuentra a 300K. La potencia que sale de la máquina térmica es 180 kW.Determine la potencia reversible y la irreversibilidad de este proceso.
Hrevrev QW && η=salidausalidarev WWI ,,
&& −=
