EXERGIA Concepto de exerga Esunapropiedadtermodinmicaquepermitedeterminarelpotencial de trabajo til de una determinada cantidad de energa que se puede alcanzar por la interaccin espontnea entre un sistema y su entorno. Informadelautilidadpotencialdelsistemacomofuentedetrabajo. Viendo que es una propiedad, hay que tener en cuenta que el valor de unapropiedadnocambiaamenosquecambieelestadodela materia, es decir el valor se mantiene siempre y cuando se mida en el mismo estado independientemente de la temperatura o la presion a la que se encuentre. Definidadeotraformalaexergaeslaporcindelaenergaque puedesertransformadaentrabajomecnico,laparterestante,sin utilidad practica, recibe el nombre de anerga o entropa. La exerga determina de forma cuantitativa el valor termodinmico de cualquierrecurso,ypermiteanalizarrigurosamenteeldesperdiciode losrecursosenlasactividadesdelasociedad,estableciendopautas para su ahorro y uso eficiente. Balances Enrealidadunbalancedeexerganoesmsquela combinacindeunbalancedeenergaydeentropa,que derivanasuvezdelprimerysegundoprincipiodela termodinmica.Noesportantounresultadoindependiente, peropuedeutilizarsecomoformulacinalternativadela segunda ley de la termodinmica. Comoalternativaalprincipiodeincrementodeentropa,se puedeformularlasegundaleyestableciendoque,losnicos procesosquepuedeexperimentarunsistemaaisladoson aquellos en los que la exerga del sistema disminuye. El balance de exerga es un mtodo de anlisis muy til a la horadevalorarelrendimientoenergticodeunainstalacin, nos da una visin mas amplia que el rendimiento Balance en sistemas cerrados Unsistemacerradopuedeinteraccionarconelentornomediante transferencias de energa en forma de calor o trabajo, que implican unatransferenciadeexergaentreelsistemayelentorno.Esta exerga transferida no coincide necesariamente con la variacin de exergadelsistema,yaquelaexergatambinsedestruyecomo consecuenciadelageneracindeentropa(todoslosprocesos realescontransferenciadeenergaenformadecalorconllevan, ademsdeunatransferenciadeentropa,unageneracinde entropa debida a procesos irreversibles dentro del sistema. Lavariacindeexergadelsistemacerradoesigualala transferenciadeexergaconelentorno,menosladestruccin deexerga,donderepresentalageneracindeentropa,que por el segundo principio, no puede ser negativa. Balance en sistemas abiertos Parasistemasabiertos,enlosquehaytransferenciademasa,se manejaelconceptodeexergadeflujo,quenoesmsquela exerga asociada a una corriente material que atraviesa un volumen decontroldeterminado.Adaptandolaexpresinyutilizando magnitudes especficas (por unidad de masa) se tiene: dondeh,s,C,yzsonentalpa,entropa,velocidad, alturadelflujorespectivamente.sonlas propiedadesevaluadasenelestadomuerto.gesla aceleracin de la gravedad. El balance de exerga en un sistema abierto como: Esto es, la variacin de exerga acumulada dentro del sistema por unidad de tiempo es igual a: latransferenciadeexergaasociadaalatransmisinde energaenformadecalor,donderepresentala velocidad de transferencia de calor a travs de una parte de la frontera a temperatura menos la velocidad de intercambio de exerga por trabajo, excluyendo el trabajo de flujo, mseslatransferenciadeexergaasociadaalatransferenciademasa entre el sistema y el entorno y menos la destruccin de exerga por unidad de tiempo causada por irreversibilidades internas del volumen de control. 1.3. Intercambio de energa entre sistemas Pese a que los cambios que pueden producirse en los sistemas son muy variados, el modo en que los sistemas intercambian energa solo se produce de dos formas: Mediante calor. El intercambio trmico se produce entre dos sistemas que se encuentren en desequilibrio trmico; esto es, a diferente temperatura. La energa pasa del sistema que se encuentre a mayor temperatura al de menor. Dos sistemas a igual temperaturase encuentran en equilibrio trmico, y no intercambian calor. Mediante trabajo. El intercambio mecnico se da cuando las fuerzas actan sobre los cuerpos y los desplazan, deforman o modifican de algn modo su movimiento. Es el tipo de intercambio energtico que se produce en las mquinas: un coche, una gra, una lavadora... Eficacia energtica Enlafsicayeningenieramecnica,laeficacia energtica(o eficacia termodinmica) es un nmero sin dimensin, queeselinformequeindicaloquepuederecuperarse provechosamentedelamquinadeloquesehagastadopara hacerla funcionar. Laeficaciaenergticasedenominaconlaletragriegaeta,yse define como Dondeoutput(salida)eslacantidaddetrabajo mecnico(envatios)oenergaconsumidaporelproceso (enjulios),einput(entrada),eslacantidaddetrabajoenerga que se utiliza como entrada para efectuar el proceso. Este concepto muy a menudo se confunde con el rendimiento, que eslarelacinentrelaeficaciarealdelamquinaylaeficacia tericamximaquesepuedeesperardeella.Elrendimientotiene siempreunvalorincluidoentre0y1(o0y100.%),mientrasque segn el sistema, la eficacia puede tomar cualquier valor positivo.1 Eneconoma,eltrminodeeficaciaenergticaseutilizade manerasinnimaaldeeficienciaenergtica,queconsisteen reducir los consumos de energa a igual servicio prestado. Wu,max = UR-UP+To (SP-SR)- po (VP-VR ) Recordando TS pV U pV F G + = + dWu,max= GR-GP

Reaccin a To,po Sistema To,po ,o Sistema To,po ,1 T30 Energa til qumica Sistema al ambiente u O O Ow gz gz c c h h q + + + =2 22121gzcq h h w brev O u+ + + = 22max ,( ) S S T qO O rev = ( ) gzcy y bo+ + =22s T h yo Funcin de Darrieus Exerga de un flujo de materia Calcular la exerga especfica del vapor de agua saturado a una presin de 20 bar. Referencia: agua lquida a 25 C y 1 atm. ( )O O O uS S T h h w b = max ,Estadop (bar)t (C)h (kJ kg-1)s (kJ K-1 kg-1) 120.0212.42799.56.3409 0 1.013 (0.03169) 25.0104.90.3674 ( ) ( ) ( ) ... 3674 . 0 3409 . 6 298 9 . 104 5 . 27991 1 1= = =o o os s T h h b15 . 914 1 . 1780 6 . 2694 ...= = kg kJExerga de un flujo de mat. Ej. ( )11 1 15 . 914 1 . 1780 6 . 2694= = = kg kJ s s T h h bo o o05001000150020002500300070 35 15 7 3,5 2 1 REF.pt, h, bt (C) h (kJ kg-1) b(kJ kg-1)Exerga de un flujo de mat. Ej. b = bint + bk + bp Estado Actual(T, p) Estado ambiental TO ,pO Estado Muerto TO ,pOO bint bfsica bqumica gzcq h h W brev o max u+ + + = 22,) ( s s T qo o rev =( ) gzcy y bo+ + =22Exerga interna QTTBq|.|

\| =01Rendimiento de Carnot To Eje T Eje Bq Bq Q Bq - W = Q- Qc qc=W/Q qc =1Qo/Q Rendimiento de Carnot Qo/Q = To/Ttemperatura Kelvin qc =1To/TRendimiento de Carnot Exerga de un flujo de calor Exerga del flujo de calor en un condensador. 1 4 1 510 3 . 45232981 105232981 =|.|

\| =|.|

\| = h MJ h MJ Q B Un condensador requiere disipar un flujo de calor Q = 105 MJ h-1 al condensar vapor a 250 C . Ambiente a 298 K QTTBq|.|

\| =01Exerga de un flujo de calor. Ej. P R max uh h q w + =,( )R Ps s T q =0Ts h g =P R ug g w =max ,Entalpa libre: funcin de Gibbs ReactantsProducts REACTOR Q Wu Topo Topo gzcq h h W brev o max u+ + + = 22,Cambio de exerga en reaccin Qumica. Balance de Exerga uss see effodW m b m b QTTB + |.|

\| = 1fQWemsmTf d saliente entranteB B B + =Materia:Entrante Saliente Acumulada = 0 Energa:Entrante Saliente Acumulada = 0 Entropa:Entrante Saliente Acumulada =Generada Exerga:Entrante Saliente Acumulada = Destruida Balances Jos Agera Soriano 2011 20 BALANCE TRMICO a) Rendimiento neto del grupo b) Consumo especfico neto del grupo u cH mP=) red () NG ( q) red (CENGPH mu c =kWhkcal(adimensional) de esta forma dimensional es como suele medirseJos Agera Soriano 2011 21 Q (combustible) (combustin) P(red elctrica) ) NG ( qQQ99 , 0) combustin () e combustibl (~+= =c uucH HHQQfFactor de crdito fc Al poder calorfico inferior Hu del combustible,, hay que sumarle el equivalente a la energa recibida de los ventiladores de entrada de aire y de salida de humos, llamado crdito Hc u cH m Jos Agera Soriano 2011 22 Q (combustible) (combustin) (bruto vapor) P(red elctrica) ) NG ( qQQQ85 , 0 75 , 0) combustin () vap b () cald ( ==QQqRendimiento de la caldera El calor recibido por el vapor es inferior al calor de combustin, pues los humos salen de la chimenea a unos 130-170 oC, dependiendo del azufre que tenga el carbn. ste, en la combustin, produce anhdrido sulfrico (SO3), que en presencia de agua lquida se transforma en cido sulfrico (H2SO4), muy corrosivo. Por eso, el vapor de agua contenido en los humos ha de condensarse fuera. As pues, Jos Agera Soriano 2011 23 Q (combustible) (combustin) (bruto vapor) (neto vapor) P(red elctrica) ) NG ( qQQQQ01 , 1) vap n. () vap b. (~ =QQfgFactor de generacin, fg Parte del vapor bruto generado en la caldera no llega a la turbina. Para el vapor neto habra que descontar utilidades externas, como, tanque de purga continua, sopladores de cenizas yprdidas incontroladas: Jos Agera Soriano 2011 24 Q (combustible) (combustin) P(bombas) (bruto vapor) (neto vapor) P(red elctrica) P(turbina) ) NG ( qQQQQ) TNC ( q44 , 0) vap n. () turb () TBC ( ~ =QPqRendimiento bruto del ciclo, q(TBC) Cociente entre la potencia interior en el eje de la turbina y el calor neto: 43 , 0 vap) . n () bomba ( ) turb () TNC ( ~=QP PqRendimiento neto del ciclo, q(TNC) Cociente entre la diferencia de lapotencia interior en el eje de la turbina y la de las bombas, y el calor neto: Jos Agera Soriano 2011 25 Q (combustible) (combustin) P(bombas) (bruto vapor) P(bornes alter.) (neto vapor) P(red elctrica) P(turbina) ) NG ( qQQQQ) TNC ( q98 , 0) turb () BA (~ =PPemqRendimientoelectromecnico, qem Cociente entre la potencia exterior en el eje de la turbina (potencia en bornes de alternador), y la interior en el eje: Jos Agera Soriano 2011 26 Q (combustible) (combustin) P(bombas) (bruto vapor) P(bornes alter.) (neto vapor) P(red elctrica) P(turbina) ) NG ( qQQQQ) TNC ( q1 , 1) red () BA (~ =PPfaFactor de auxiliares,fa Cociente entre la potencia en bornes de alternador, y la que se enva a la red: Jos Agera Soriano 2011 27 Q (combustible) (combustin) P(bombas) (bruto vapor) P(bornes alter.) (neto vapor) P(red elctrica) P(turbina) ) BG ( q) NG ( qQQQQ) TNC ( q36 , 0) BA () BG ( ~=u cH mPq33 , 0) red () NG ( ~=u cH mPqRendimiento bruto del grupo, q(BG) Rendimiento neto del grupo, q(NG) Jos Agera Soriano 2011 28 Q ESQUEMA DEL BALANCE TRMICO (combustible) (combustin) P(bombas) (bruto vapor) P(bornes alter.) (neto vapor) P(red elctrica) P(turbina) 99 , 0) combustin () e combustibl (~+= =c uucH HHQQf85 , 0 75 , 0) combustin () vap b () cald ( ==QQq01 , 1) vap n. () vap b. (~ =QQfg44 , 0) vap n. () turb () TBC ( ~ =QPq43 , 0 vap) . n () bomba ( ) turb () TNC ( ~=QP Pq98 , 0) turb () BA (~ =PPemq1 , 1) red () BA (~ =PPfa33 , 0) red () NG ( ~=u cH mPq) BG ( q) NG ( qQQQQ) TNC ( q36 , 0) BA () BG ( ~=u cH mPqJos Agera Soriano 2011 29 Rendimiento neto del grupo ==u cH mP) red () NG ( qu cH mQQQ ) comb () comb () vap b. ( =) vap b. () vap n. () vap n. () turb () turb () BA () BA () red (QQQPPPPP1/fa qem q(TBC)1/fg q(cald)1/fc a g cemf f f =q q qq) TBC ( ) cald () NG (Jos Agera Soriano 2011 30 Consumos especficosSon la inversa de cada uno de los rendimientos respectivos anteriormente definidos: q(TBC), q(TNC), q(BG), q(NG). Consumo especfico bruto del ciclo, CEBC Consumo especfico neto del ciclo, CENC Consumo especfico bruto del grupo,CEBG Consumo especfico neto del grupo, CENG