Exergia y Energia

 

UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL NORTE Facultades de Ingeniería Termodinámica

  INFORME N°1

“EXERGÍA Y ANERGIA” 

Daniel Cea Torres  Miguel Medina Contreras Karla San Martin Legua  Nicolas Villalobos Arancibia  Javiera Villegas Angel  Pía Del Canto 

Coquimbo 

GRUPO N° 5

 

. Índice

1

1. Índice ...................................................................................................................................................... 2  2  2. Resumen ................................................................................................................................................ 4  4  3. Descripción del tema .............................................................................................................................. 4  4  4. Objetivos ................................................................................................................................................ 4  4  4.1. Objetivo general --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4  4.2. Objetivos específicos --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4  5. Conceptos .............................................................................................................................................. 4  4  5.1. Exergía --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4  5.1.1. Componentes Com ponentes de la exergía ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 5  5.1.2. Destrucción de exergía ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 6  5.1.3. Balance de exergía ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 66   5.1.3.1. Exergía sistema cerrado ................................................................................................... 6  6  5.1.3.2. Exergía sistema abierto .................................................................................................... 7  7  5.1.4. Eficiencia exergética ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 88   5.2. Comparación entre las propiedades de energía y exergía. ----------------------------------------------------------------------------------------------- 88   5.3. Anergía -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8  5.4. Estado muerto --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9  6. Conclusiones .......................................................................................................................................... 9  9  7. Referencias ............................................................................................................................................ 9  9 

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Ilustración 1: Exergía. ............. ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ................ .. 5  Ilustración 2: Destrucción de exergía ............. ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 6 

Ecuación 1: Exergía. .............. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ................ .. 5  Ecuación 2: Exergía térmica ............. ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 5  Ecuación 3: Destrucción de exergía .............. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 6  Ecuación 4: Exergía sistema cerrado ............ .......................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 7  Ecuación 5: Variación de Exergía sistema cerrado. ........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ................ .. 7 

Ecuación 6: Variación de Exergía sistema abierto ............. ........................... ............................. ............................. ............................ ............................ ....................... ......... 7  Ecuación 7: Exergía sistema abierto ............. ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 7  Ecuación 8: Balance de exergía de sistema abierto ............. ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ..................... ....... 8  Ecuación 9: Eficiencia exergética ............ .......................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... ............ 8 

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2. Resumen La aplicación de la segunda ley en el análisis de diversos di versos sistemas se realiza a través de los análisis de exergía, lo cual es la capacidad de realizar trabajo en un sistema con un ambiente determinado. Cuando los sistemas alcanzan el equilibrio con su entorno, aunque poseen energía, ésta no se puede emplear para generar trabajo, lo que se conoce con el término de Anergía, en otras palabras cuando se llega al trabajo P or consiguiente, la energía se compone de la máximo exergía yrealizado Anergía.y aún queda energía disponible. Por 3. Descripción del tema La Energía está compuesta de la Exergía y Anergía. La primera consiste en un parámetro que mide la calidad energética(cuantificable), utilizándose para analizar la eficiencia de procesos, la cual se compone de energía cinética, potencial y térmica (física y química). En cuanto a la última se describe como la parte de la energía que no posee utilidad práctica dentro del proceso.   4. Objetivos 4.1. Objetivo general   Entregar una descripción cuantificable ddee pr procesos ocesos bajo difer diferentes entes parámetros ( sistema abierto o cerrado) refiriéndose a los respectivos balances y variaciones en función de la exergía del sistema. •

4.2. Objetivos   Aplicarespecíficos un análisis energético a diversas pproblemáticas roblemáticas para obtener cada una de las variables correspondientes del sistema en estudio, realizando una comparación com paración del rendimiento energético y determinando también su eficiencia. Lo cual ayudará al cálculo de posibles alternativas para la selección de un proceso. •

5. Conceptos 5.1. Exergía La exergía, termino introducido por Rant en 1956, es la porción de energía que puede sser er transformada en trabajo mecánico. 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 cual tiene el mayor rendimiento energético. 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 lim itación práctica en cuanto a que solo se puede realizar trabajo si el sistema almacena una energía respecto al ambiente que le rodea. La exergía determina de forma cuantitativa el valor termodinámico de cualquier recurso, y permite analizar rigurosamente el desperdicio de los recursos en las actividades de la sociedad, estableciendo pautas para su ahorro y uso eficiente, El propósito principal de un análisis de exergía es descubrir las causas del bajo rendimiento de un proceso, y cuantificar estas causas. En ocasiones puede ayudar a tomar decisiones de díselo o modificación de un proceso.

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5.1.1. Componentes de la exergía La exergía a diferencia de la energía, esta no posee una ley de conservación. Cualquier fenómeno que sea irreversible puede causar perdida de exergía. Lo cual conlleva a la reducción del potencial de los efectos útiles de la energía, o de lo contrario un aumento aum ento del consumo de energía proporcionado por un foco caliente.

Ilustración 1: Exergía.

La exergía (B), de una sustancia puede dividirse en cuatro componentes: com ponentes: exergía Cinética (Bk), exergía Potencial (Bp), exergía Física (Bf) y exergía Química Quím ica (Bq).

 =  +  +  +    Ecuación 1: Exergía.

La exergía cinética es igual a la energía cinética cuando la velocidad tiene como nivel de referencia la superficie de la Tierra. Lo mismo ocurre con la exergía potencial. La exergía física corresponde al trabajo que se obtiene sometiendo la sustancia a procesos físicos reversibles desde una temperatura y presión inicial, hasta llegar al estado determinado por la presión y la temperatura del entorno, La exergía química es el trabajo que se obtiene de una sustancia que se encuentra a presión y a temperatura del entorno, si esta alcanza el estado de equilibrio termodinámico mediante diversas reacciones químicas. A la suma de las exergía física y química se denomina exergía térmica:  =  +    Ecuación 2: Exergía térmica 

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5.1.2. Destrucción de exergía Las irreversibilidades como la fricción, el mezclado, las reacciones químicas, la transferencia de calor debida a una diferencia finita de temperatura, la expansión libre, la compresión o expansión sin cuasi equilibrio, siempre generan entropía y cualquier cosa que genera entropía siempre destruye la exergía. La exergía destruida es proporcional a la entropía generada y se expresa como:

Ecuación 3: Destrucción de exergía 

Observe que la exergía destruida es una cantidad ca ntidad positiva para cualquier proceso real y que se convierte en cero para uno reversible. La exergía destruida representa el potencial de trabajo perdido y también se denomina irreversibilidad o trabajo perdido.

Ilustración 2: Destrucción de exergía 

5.1.3. Balance de exergía En realidad un balance de exergía no es más m ás 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 increm ento 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 m uy útil a la hora de valorar el rendimiento energético de una instalación, nos da una visión más amplia que el rendimiento térmico. Permite valorar las pérdidas de energía en un proceso, la energía que sería aprovechable de flujos salientes en sistemas abiertos y las ventajas de métodos regenerativos en instalaciones térmicas. Para todo esto la principal herramienta son los diagramas de Sankey. 5.1.3.1. Exergía sistema cerrado

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.

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Ecuación 4: Exergía sistema cerrado  

La variación de exergía del sistema cerrado es igual a la transferencia de exergía con el entorno, menos la destrucción de exergía 0 ∆S, donde S representa la generación de entropía, que por el segundo principio, no puede ser negativa.

Ecuación 5: Variación de Exergía sistema cerrado. 

5.1.3.2. Exergía sistema abierto

Cuando se lleva a cabo un proceso semicontinuo o continuo se denomina un sistema abierto. En un sistema abierto es posible la transferencia de masa y de energía a través de sus límites; la masa contenida en él no es necesariamente constante. Variación de exergía 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:

Ecuación 6: Variación de Exergía sistema abierto 

En muchas ocasiones se despreciarán las variaciones de energía cinética y potencial:

Ecuación 7: Exergía sistema abierto  

, 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. El balance de exergía en un sistema abierto como:   Página 7 de 10 

 

Ecuación 8: Balance de exergía de sistema abierto  

5.1.4. Eficiencia exergética Se puede definir como,

Ecuación 9: Eficiencia exergética 

La dificultad reside en identificar estos términos para un sistema o instalación particular. En muchos casos pueden existir distintas interpretaciones válidas dentro de un orden lógico, que suelen depender de si los flujos exergéticos residuales que q ue abandonan el sistema son o no aprovechados para otros usos en otra instalación o en otro elemento de la misma instalación. 5.2. Comparación entre las propiedades de energía y exergía. ENERGIA(W)

EXERGIA (E)

1.- Depende de los parámetros de flujo de energía o materia solamente, y no depende de los parámetros del ambiente.

1.-Depende tanto en los parámetros del flujo de energía y de materia como de los parámetros del ambiente.

2.- Tiene magnitudes diferentes a cero.

2.- Puede ser igual a cero.

3.-Obedece la ley de conservación de energía en todos los procesos y no puede ser

3.- Obedece la ley de conservación co nservación de energía solamente en procesos reversibles; en los

destruida. 4.- La habilidad para convertirse entre diferentes formas está limitada por la segunda ley de la termodinámica para todos los procesos incluidos los reversibles.

procesos irreversibles es parcial o completamente destruida. 4.- La habilidad para transformarse entre otras formas no está limitada para procesos reversibles debido a la segunda ley de la termodinámica.

5.3. Anergía Porción de energía que no puede ser transformada en trabajo, pero permanece en el sistema. (Energía no disponible).

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5.4. Estado muerto  Dos sistemas en condiciones termodinámicas diferentes, que entren en contacto, evolucionarán espontáneamente, por medio de transferencias de masa y energía, hacia un estado intermedio de equilibrio (el que tenga mínima exergía y entropía máxima). A este estado de equilibrio se le denomina estado muerto. Cuanto mayor sean las diferencias entre sus magnitudes termodinámicas (presión, temperatura, etc.), más trabajo podremos obtener de la interacción in teracción entre sistema y entorno. La energía utilizable o exergía está asociada al desequilibrio desequilibr io entre un sistema y su entorno, es decir que depende de la variable de dos sistemas como mínimo. Desde el punto de vista de la obtención del trabajo máximo que podemos obtener de un sistema termodinámico, uno de los sistemas se considera el universo, y otro nuestro dispositivo. El estado muerto sería el estado del universo, nuestro sistema nos puede proporcionar p roporcionar trabajo, como máximo, la diferencia de energía entre el estado del universo y su estado inicial. Este trabajo máximo es la exergía de nuestro sistema. En general, como el universo es muy grande respecto a nuestro sistema se aplican las siguientes simplificaciones, el estado muerto no varía con la l a cesión de energía de nuestro sistem sistemaa y como universo se toma el medio ambiente que rodea a nuestro sistema, por ejemplo, la temperatura y la presión atmosférica del lugar en el que se encuentra nuestro sistema (densidad y temperatura del aire que rodea el motor de un coche). Resumiendo, el estado muerto marca el estado del que nos es imposible extraer trabajo de un sistema y este depende del medio ambiente que le rodea. 6. Conclusiones Para concluir se observó la composición de la energía, que es la exergía que sirve para determinar de manera cuantitativa el valor termodinámico de un recurso y la anergía, es la que no puede ser transformada en trabajo. A su vez la comparación de los diferentes estados de balance en e n el cual se puede someter la exergía ya sea un sistema cerrado como sistema abierto, que su principal diferencia es que en uno la masa es constante por lo cual se desprecia en comparación al otro que existe un flujo de masa. De forma mas industrial la exergia sirve para la eficiencia de los procesos, es decir nos permite comprobar cual es más eficientes y de esta forma comparar el rendimiento energético.

7. Referencias        

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http://laplace.us.es/wiki/index.php/Introducción_a_la_exerg%C3%ADa http://doctorprofesor.blogspot.com/2016/11/48-balance-de-exergia-en-sistemas.html https://www.ecured.cu/Exerg%C3%ADa http://doctorprofesor.blogspot.com/2016/11/49-balance-de-exergia-ensistemas.html?view=sidebar

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