EXERGIA - Marcelo ModestoESTE021-17 - Termodinâmica Aplicada II Principio de Diminuição da...

EXERGIA

• Conceito de Exergia;

• Tipos de Exergia;

• Cálculo de Exergia;

• Balanços de Exergia;

ESTE021-17 - Termodinâmica Aplicada II

Conceito de Exergia

Exergia Parcela da energia “realmente” útil

Exergia Potencial de aproveitamento da energia

Exergia Máxima quantidade de trabalho

disponível para a uma substância a

um dado estado termodinâmico.


Conceito de Exergia

Segundo Szargut et al. (1988): “exergia é a quantidade de trabalho obtido

quando uma massa é trazida até um estado de equilíbrio termodinâmico

com os componentes do meio ambiente (estado morto), através de

processos reversíveis, envolvendo interação apenas com os componentes

do meio ambiente.

Estado morto: substância esta em equilíbrio termodinâmico com o meio.

Temperatura e pressão iguais a do meio (equilíbrio térmico e mecânico);

Não possui energia cinética e nem potencial (velocidade nula e altura nula

em relação um nível de referência);

Não reage quimicamente com as substância do meio (equilíbrio químico);

TAMBEM CONHECIDA COMO DISPONIBILIDADE


Ambiente de Referência

Equilíbrio térmico

Equilíbrio mecânico

Equilíbrio químico

temperatura

pressão

composição química

Tradicionalmente: temperatura (25ºC) e pressão (101,3 kPa)


Tipos de Exergia

exergia

exergia potencial

exergia cinética

exergia física

exergia química


Tipos de Exergia

Exergia cinética2

V2

cinética

Exergia potencial gzpotencial

Exergia física P,Tffísica

Exergia química químicacomposiçãofquimica


Determinação da Exergia Física

P

T

Po

To)útil(fW

Po To

Q

MTW

To

(P) e (T) temperatura e

pressão em um determinado

estado termodinâmico e (Po) e

(To) no estado morto.

Máquina Térmica



A equação de conservação da energia para um sistema, desprezando-se as

variações de energia cinética e potencial para este sistema, pode ser escrita por:

Para este sistema temos

dUWQ

dUWQ

O trabalho diferencial pode ser descrito por:

dVPW

dVPPPW oo

dVPdVPdVPW oo

dVPdVPPW oo dVPWW oútilF


T

T1 o

Q

WMT

QWMT


Q

MTW

To

Considerando uma máquina térmica

reversível (Carnot) tem-se:T

A eficiência deste ciclo pode também ser

escrita por:

Reescrevendo temos:


QT

T1W o

MT

T

TQQW o

MT

T

QdS


Para um processo reversível tem-se da definição de entropia:

dSTQW oMT dSTWQ oMT

TdSQ

Substituindo e rearranjando temos:



Assim, da equação inicial de balanço de energia temos:

dUWQ

dUdVPWdSTW oútilFoMT

Rearranjando temos:

dSTdVPdUWWW ooMTútilFútil_total

A soma de todas as parcelas de trabalho possíveis de serem

realizadas pelo sistema desde o estado inicial ao estado mortoútil_totalW



Chamando o estado inicial (1) e o estado do ponto morto (o) e integrando entre os

dois estados temos:

o

1

o

o

1

o

o

1

o

1

útil_total dSTdVPdUW

Simplificando, rearranjando e representado o máximo trabalho total útil por ()

o1oo1oo1 SSTVVPUU (exergia física total)

gz2

VssTvvPuu

2

ooooosist

Por unidade de massa e considerando numa só expressão as exergias cinética e

potencial tem-se a seguinte expressão, que é válida para um sistema:



Para um fluxo de massa pode-se escrever:

escsistfluxo

Exergia de fluxo

Exergia de sistema

Exergia de escoamento

VPPVPPV ooesc

Substituindo

vPPgz2

VssTvvPuu o

2

ooooofluxo


vPPgz2

VssTvvPuu o

2

ooooofluxo


gz2

VssTvPuPvu

2

ooooofluxo

gz2

VssThh

2

ooofluxo


Reescrevendo


Meios de Transferência de Exergia

Transferência de Calor

Trabalho

Fluxo de massa

T

T1QEx o

calor

WEx trabalho

mEx massadefluxo


Principio de Diminuição da Exergia e a Destruição da Exergia

Balanço de Energia:

Balanço de Entropia:

(1)

(2)

Multiplicando a equação (2) por To e subtraindo da equação (1) temos:

Considerando um sistema isolado

(3)



ooooo SSTVVPUU

Considerando que a exergia de um sistema pode ser escrita por:

12o1212 SSTEE

(4)

(6)

Desde que:

12o1212 VVPUUEE

1212o12gero SSTEEST

A variação de Exergia pode ser escrita por:

(5)

Combinando com a equação (3) tem-se

(7)12geroST



0ST 12gero

Uma vez que a temperatura To é a absoluta e a geração de entropia (Sger) é

sempre positiva, tem-se

0isolado12

A equação expressa o chamado principio de diminuição de exergia, ou

seja, a exergia de um sistema isolado sempre diminui ou no caso limite

(processo reversível) permanece constante.


Princípio de Diminuição da Exergia e a Destruição da Exergia

Irreversibilidades tais como:

• Transferência de calor com diferenças finitas de temperatura;

• Expansão não resistida

• Atrito

• Reações químicas

Tais irreversibilidades levam a geração de entropia (Sger) e geração de entropia

sempre destrói exergia



0STI gero

A “destruição de exergia” é proporcional a exergia gerada, como mostrado na

equação:

Denomina-se o termo “I” como destruição de exergia, ou simplesmente de

Irreversibilidade. Lembrando que a irreversibilidade é proporcional a entropia

gerada, podemos resumir o principio de diminuição da exergia por:

impossívelprocesso0

reversívelprocesso0

elirreversívprocesso0

Ise


Balanços de Exergia

Sistema

sistemadestruidasaídaentradaExExExEx

dt

dExIWQ

T

T1 k

k

o


Balanços de Exergia

Volumes de Controle

VCdestruidasaídamassaentradamassatrabalhocalor ExExExExExEx

dt

dExImmWQ

T

T1 VC

sseek

k

o


Eficiências Exergéticas

Eficiência Racional:

Eficiência Segundo Tipo:

insumo

produto

entrada

saída

Ex

Ex

EXERGIA - Marcelo ModestoESTE021-17 - Termodinâmica Aplicada II Principio de Diminuição da...

Documents

Transcript of EXERGIA - Marcelo ModestoESTE021-17 - Termodinâmica Aplicada II Principio de Diminuição da...