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1 TOE2009 c03 La exergía. 2 Introducción Revisión de termodinámica La exergía Determinación de exergía Balances y Álgebra lineal El coste exergético Análisis.

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1 1 TOE2009 c03 La exergía

2 2 Introducción Revisión de termodinámica La exergía Determinación de exergía Balances y Álgebra lineal El coste exergético Análisis termoeconómico Optimización termoeconómica Integración energética

3 3 TOE2009 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

4 4 TOE2009 c03 La exergía Ambiente Sistema m Q W (p,V) Referencias?

5 5 TOE2009 c03 La exergía Estado Muerto Equilibrio termodinámico completo Estado Ambiental Equilibrio restringido Sistema Ambiente Sistema Ambiente Físico (p, T) y químico ( ) Físico (p, T)

6 6 TOE2009 c03 La exergía Completamente transformada (sin pérdidas) Intercambio de trabajo Intercambio reversible. Primer principio Propiedades del ambiente irrelevantes Chorro Agua Turbina Generador eléctrico Motor eléctrico Masa Polea W Mecánico W Electrico W Mecánico E Potencial Calidad de la energía Energía ordenada

7 7 TOE2009 c03 La exergía Procesos reversibles Eficiencia – Propiedades termodinámicas del sistema y del ambiente Segunda ley Cambios de entropía W = Q- Q c c =W/Q c =1–Q o /Q Rendimiento de Carnot Q o /Q = T o /T Temperatura Kelvin c =1–T o /T Rendimiento de Carnot

8 8 TOE2009 c03 La exergía Energía útil Sistema T 1,p 1, 1 Ambiente T o,p o Sistema T o,p o, o Estado muerto 1er ppio W= U+Q Estado muerto 2º ppio

9 9 TOE2009 c03 La exergía Energía útil Sistema T 1,p 1, 1 Ambiente T o,p o Sistema T o,p o, o Transformación 12: Adiabática y reversible W12= U12+Q12 Q12=0 S12=0 T12 Adiabática rev. Sistema T o,p 2, 1 Estado muerto 1er ppio W= U+Q 2º ppio

10 10 TOE2009 c03 La exergía Energía útil Sistema T 1,p 1, 1 Ambiente T o,p o Sistema T o,p o, o Sistema T o,p 2, 1 Transformación 23:Isoterma y reversible W23 = U23+Q23 Q23 = To (S3-S1) (ya que S12=0) T23 Isoterma rev. Sistema T o,p o, 1 Estado ambiental Estado muerto 1er ppio W= U+Q 2º ppio

11 11 TOE2009 c03 La exergía Energía útil Sistema T 1,p 1, 1 Ambiente T o,p o Sistema T o,p o, o Sistema T o,p 2, 1 Sistema T o,p o, 1 T30 química rev. Transformación 30: Transf. química reversible. W30= U30+Q30 Q30=To(S0-S3) Estado muerto 1er ppio W= U+Q 2º ppio

12 12 TOE2009 c03 La exergía Energía útil Sistema T 1,p 1, 1 Ambiente T o,p o Sistema T o,p o, o Estado muerto p o (V o -V 1 ) WuWu W 10 Transformación 10: W 10 =W u,max + p o (V o -V 1 ) Wu,max = W10 - p o (V o -V 1 ) 1er ppio W= U+Q 2º ppio

13 13 TOE2009 c03 La exergía Energía útil Sistema T 1,p 1, 1 Ambiente T o,p o Sistema T o,p o, o W12= U12 W23= U23+To(S3-S1) W30= U30+To(S0-S3) W10= U10+To(S0-S1) Wu,max = W10 - po (Vo-V1 ) Wu,max = U 1 -U o -T o (S 1 -S o )+ p o (V 1 -V o ) Estado muerto 1er ppio W= U+Q 2º ppio

14 14 TOE2009 c03 La exergía Variación dWu,max= dU+ p o dV -T o dS Energía útilWu,max = U 1 -U o +T o (S o -S 1 )- p o (V o -V 1 ) 1er ppio. dU = dQ - dW 2ºppio dS=dSe+dSi=dQ/T + dSi Trabajo útil y expansión. dW=dWu + p o dV

15 15 TOE2009 c03 La exergía 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

16 16 TOE2009 c03 La exergía ToTo Eje T Eje B q B q Q B q -

17 17 TOE2009 c03 La exergía Wu,max = U R -U P +T o (S P -S R )- p o (V P -V R ) Recordando dWu,max= G R -G P Reacción a T o,p o Sistema T o,p o, o Sistema T o,p o, 1 T30

18 18 TOE2009 c03 La exergía Sistema al ambiente Función de Darrieus

19 19 TOE2009 c03 La exergía Calcular la exergía específica del vapor de agua saturado a una presión de 20 bar. Referencia: agua líquida a 25 ºC y 1 atm. Estadop (bar)t (ºC)h (kJ kg-1)s (kJ K-1 kg-1) ( )

20 20 TOE2009 c03 La exergía

21 21 TOE2009 c03 La exergía b = b int + b k + b p Estado Actual (T, p) Estado ambiental T O,p O Estado Muerto T O,p OO b int b física b química

22 22 TOE2009 c03 La exergía Rendimiento de Carnot ToTo Eje T Eje B q B q Q B q - W = Q- Q c c =W/Q c =1–Q o /Q Rendimiento de Carnot Q o /Q = T o /T temperatura Kelvin c =1–T o /T Rendimiento de Carnot

23 23 TOE2009 c03 La exergía Exergía del flujo de calor en un condensador. Un condensador requiere disipar un flujo de calor Q = 10 5 MJ h -1 al condensar vapor a 250 ºC. Ambiente a 298 K

24 24 TOE2009 c03 La exergía Entalpía libre: función de Gibbs Reactants Products REACTOR Q Wu TopoTopo TopoTopo

25 25 TOE2009 c03 La exergía TfTf

26 26 TOE2009 c03 La exergía Materia:Entrante – Saliente – Acumulada = 0 Energía:Entrante – Saliente – Acumulada = 0 Entropía:Entrante – Saliente – Acumulada =Generada Exergía:Entrante – Saliente – Acumulada =Destruida


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