UNIVERSIDAD PO LITÉC N IC A D E M AD R ID 1 TOE2009 c03 La exergía Termoeconomía y optimización energética
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1TOE2009 c03 La exergía
Termoeconomía y optimización energética
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2TOE2009 c03 La exergía
Temario
Introducción
Revisión de termodinámica
La exergía
Determinación de exergía
Balances y Álgebra lineal
El coste exergético
Análisis termoeconómico
Optimización termoeconómica
Integración energética
1.
2.
3.
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3TOE2009 c03 La exergía
Trabajo útil máximo obtenible al llevar el sistema desde su estado actual (T,p) al estado muerto (To,po) con la única intervención del sistema y del
ambiente.
Exergía Calidad de la Energía
Definición de exergía
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4TOE2009 c03 La exergía
Ambiente
Sistema
m
Q
W (p,V)
Referencias?
¿Referencias?
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5TOE2009 c03 La exergía
Estado Muerto
Equilibrio termodinámico completo
Estado Ambiental
Equilibrio restringido
Sistema Ambiente
Sistema Ambiente
Físico (p, T) y químico ()
Físico (p, T)
Estados de referencia
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6TOE2009 c03 La exergía
Completamente transformada (sin pérdidas)Intercambio de trabajoIntercambio reversible . Primer principioPropiedades del ambiente irrelevantes
Chorro Agua
Turbina Generador eléctrico
Motoreléctrico Masa
Polea
W MecánicoW Electrico W Mecánico
E Potencial
Calidad de la energíaEnergía ordenada
Exergía
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7TOE2009 c03 La exergía
Procesos reversibles
Eficiencia – Propiedades
termodinámicas del sistema y del
ambiente
Segunda ley
Cambios de entropía
W = Q- Qc
c=W/Q
c =1–Qo/Q Rendimiento de Carnot
Qo/Q = To/T Temperatura Kelvin
c =1–To/T Rendimiento de Carnot
Energía
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Energía útil
Sistema
T1,p1,1
Ambiente
To,po
Sistema
To,po ,oEstado muerto
1er ppio W=DU+Q
Wutil,max. Sistema Cerrado
Estado muerto
∆𝑆≥∫1
2 𝑑𝑄𝑟𝑒𝑣
𝑇2º ppio
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9TOE2009 c03 La exergía
Energía útil
Sistema
T1,p1,1
Ambiente
To,po
Sistema
To,po ,oTransformación 12: Adiabática y reversible W12=U12+Q12 Q12=0 S12=0
T12 Adiabática rev.
Sistema
To,p2 ,1
Wutil,max. Sistema Cerrado
Estado muerto
1er ppio W=DU+Q ∆𝑆≥∫1
2 𝑑𝑄𝑟𝑒𝑣
𝑇2º ppio
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10TOE2009 c03 La exergía
Energía útil
Sistema
T1,p1,1
Ambiente
To,po
Sistema
To,po ,o
Sistema
To,p2 ,1
Transformación 23:Isoterma y reversible W23 = U23+Q23 Q23 = To (S3-S1) (ya que S12=0)
T23 Isoterma rev.
Sistema
To,po ,1
Estado ambiental
Wutil,max. Sistema Cerrado
Estado muerto
1er ppio W=DU+Q ∆𝑆≥∫1
2 𝑑𝑄𝑟𝑒𝑣
𝑇2º ppio
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11TOE2009 c03 La exergía
Energía útil
Sistema
T1,p1,1
Ambiente
To,po
Sistema
To,po ,o
Sistema
To,p2 ,1Sistema
To,po ,1T30 química rev.
Transformación 30: Transf. química reversible.W30=U30+Q30 Q30=To(S0-S3)
Wutil,max. Sistema Cerrado
Estado muerto
1er ppio W=DU+Q ∆𝑆≥∫1
2 𝑑𝑄𝑟𝑒𝑣
𝑇2º ppio
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12TOE2009 c03 La exergía
Energía útil
Sistema
T1,p1,1
Ambiente
To,po
Sistema
To,po ,o
Estado muertopo (Vo-V1 )
WuW10
Transformación 10: W10=Wu,max + po (Vo-V1 )
Wu,max = W10 - po (Vo-V1 )
Wutil,max. Sistema Cerrado
1er ppio W=DU+Q ∆𝑆≥∫1
2 𝑑𝑄𝑟𝑒𝑣
𝑇2º ppio
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Energía útil
Sistema
T1,p1,1
Ambiente
To,po
Sistema
To,po ,o
W12=U12W23=U23+To(S3-S1)W30=U30+To(S0-S3)-----------------------------W10= U10+To(S0-S1) Wu,max = W10 - po (Vo-V1 )
Wu,max = U1-Uo-To (S1-So)+ po (V1-Vo)
Wutil,max. Sistema Cerrado
Estado muerto
1er ppio W=DU+Q ∆𝑆≥∫1
2 𝑑𝑄𝑟𝑒𝑣
𝑇2º ppio
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Variación dWu,max= dU+ po dV -To dS
01max,
iou
ou dSTdWdQ
T
TdW
Energía útil Wu,max = U1-Uo+To (So-S1)- po (Vo-V1 )
1er ppio. dU = dQ - dW2ºppio dS=dSe+dSi=dQ/T + dSi
Trabajo útil y expansión. dW=dWu + po dV
Variación de energía útil
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01max,
iou
ou dSTdWdQ
T
TdW
Sólo una parte del calor recibido (dependiente de T) por el sistema aumenta su energía útil.
La creación de entropía destruye trabajo útil. (Gouy-Stodola: La destrucción de energía útil se acompaña de una creación de
entropía.)
Todo el trabajo realizado por el sistema disminuye su energía útil en el mismo valor: El trabajo es “trabajo útil” puro
Variación de energía útil
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To Eje T
Eje BqBq Q
Bq -
dQT
To
1
Influencia calor
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Wu,max = UR-UP+To (SP-SR)- po (VP-VR )
Recordando TSpVUpVFG
dWu,max= GR-GP
Reacción a To,po
Sistema
To,po ,o
Sistema
To,po ,1
T30
Energía útil química
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18TOE2009 c03 La exergía
Sistema al ambiente
uOOO wgzgzcchhq 22
2
1
2
1
gzc
qhhwb revOu 2
2
max,
SSTq OOrev ·
gzc
yyb o 2
2
sThy o Función de Darrieus
Exergía de un flujo de materia
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Calcular la exergía específica del vapor de agua saturado a una presión de 20 bar.
Referencia: agua líquida a 25 ºC y 1 atm.
OOOu SSThhwb ·max,
Estado p (bar) t (ºC) h (kJ kg-1) s (kJ K-1 kg-1)
1 20.0 212.4 2799.5 6.3409
0 1.013 (0.03169) 25.0 104.9 0.3674
...3674.03409.62989.1045.2799111 ooo ssThhb
1 5.9141.17806.2694... kgkJ
Exergía de un flujo de mat. Ej.
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20TOE2009 c03 La exergía
1111 5.9141.17806.2694 kgkJssThhb ooo
0500
10001500200025003000
70 35 15 7 3,5 2 1 REF.
p
t, h
, b
t (ºC) h (kJ kg-1) b(kJ kg-1)
Exergía de un flujo de mat. Ej.
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21TOE2009 c03 La exergía
b = bint + bk + bp
EstadoActual (T, p)
Estadoambiental
TO ,pOEstadoMuertoTO ,pOO
bint
bfísica
bquímica
gzc
qhhWb revomaxu 2
2
,
)( ssTq oorev
gzc
yyb o 2
2
Exergía interna
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22TOE2009 c03 La exergía
QT
TBq
01
Rendimiento de Carnot
ToEje T
Eje Bq
Bq Q
Bq -
W = Q- Qc
c=W/Q
c =1–Qo/Q Rendimiento de Carnot
Qo/Q = To/T temperatura Kelvin
c =1–To/T Rendimiento de Carnot
Exergía de un flujo de calor
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23TOE2009 c03 La exergía
Exergía del flujo de calor en un condensador.
1415 103.4 523
298110
523
2981
hMJhMJQB
Un condensador requiere disipar un flujo de calor Q = 105 MJ h-1 al condensar vapor a 250 ºC .
Ambiente a 298 K
QT
TBq
01
Exergía de un flujo de calor. Ej.
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24TOE2009 c03 La exergía
PRmaxu hhqw ,
RP ssTq 0
Tshg
PRu ggw max,
Entalpía libre: función de Gibbs
Reactants ProductsREACTOR
Q
Wu
Topo Topo
gzc
qhhWb revomaxu 2
2
,
Cambio de exergía en reacción Química.
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25TOE2009 c03 La exergía
Balance de Exergía
us
sse
eef
fo
d WmbmbQT
TB
1
fQ
W
em sm
Tf
dsalienteentrante BBB
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26TOE2009 c03 La exergía
Materia: Entrante – Saliente – Acumulada = 0
Energía: Entrante – Saliente – Acumulada = 0
Entropía: Entrante – Saliente – Acumulada = Generada
Exergía: Entrante – Saliente – Acumulada = Destruida
Balances