Termoeconomía y optimización energética

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

1TOE2009 c03 La exergía

Termoeconomía y optimización energética



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.

4.

5.

6.

7.

8.

9.



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



Ambiente

Sistema

m

Q

W (p,V)

Referencias?

¿Referencias?



Estado Muerto

Equilibrio termodinámico completo

Estado Ambiental

Equilibrio restringido

Sistema Ambiente

Sistema Ambiente

Físico (p, T) y químico ()

Físico (p, T)

Estados de referencia



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



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



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



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


Estado muerto

1er ppio W=DU+Q ∆𝑆≥∫1


𝑇2º ppio



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


Estado muerto



𝑇2º ppio



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)


Estado muerto



𝑇2º ppio



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 )




𝑇2º ppio



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)


Estado muerto



𝑇2º ppio



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



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



To Eje T

Eje BqBq Q

Bq -

dQT

To

1

Influencia calor



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



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



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.



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.



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



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



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.



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.



Balance de Exergía

us

sse

eef

fo

d WmbmbQT

TB

1

fQ

W

em sm

Tf

dsalienteentrante BBB



Materia: Entrante – Saliente – Acumulada = 0

Energía: Entrante – Saliente – Acumulada = 0

Entropía: Entrante – Saliente – Acumulada = Generada

Exergía: Entrante – Saliente – Acumulada = Destruida

Balances

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