Faculdade de Engenharia Mecânica - Reações químicas e...
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Exergia
Parte 1
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Energia e Exergia
• Qualidade da energia está diretamente relacionada ao conceito de Exergia
• Máximo trabalho teórico produzido por um sistema ao interagir com dado ambiente (até atingir o equilíbrio)
• Qualidade da energia => capacidade em convertê-la em outro tipo de energia
• Por ex: energia elétrica pode ser facilmente convertida => alta qualidade (nobre)
• Por ex: fonte de calor depende da temperatura • Temperaturas baixas dificilmente serão convertidas em outro tipo
de energia
• Por outro lado, se Tfonte >> Tdispositivo => “perda” de exergia
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Energia e Exergia
• Por ex: combustíveis dependem de sua composição química • Cerca de 30% da exergia química é destruída na combustão com ar
teórico
• Por ex: em grande parte dos processos ind., Tutiliz. < 600°C. 1400°C < Tchama < 1800°C => diminuição da qualidade a energia • Mesmo se ηT = 90% para caldeiras, grande parte da exergia é
perdida
• Maior parte da perda de exergia em centrais termelétricas se dá na caldeira! (e não em condensadores, que promovem rejeição de calor)
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Energia e Exergia
• Cogeração:
• Permite adequar a elevada disponibilidade de energia resultante da queima dos combustíveis com a extração de energia e transferências de calor. • Televada é utilizada onde é necessário.
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Análise Exergética
• Análise exergética:
• Faz uso da conservação da massa, da 1ª Lei e da 2ª Lei para o projeto e a análise de sistemas térmicos
• Exergia:
• Máximo trabalho teórico que pode ser obtido quando um sistema interage até atingir o equilíbrio com dado ambiente
• Ambiente: sistema idealizado suficientemente longe e grande, onde as propriedades intensivas não são afetadas por processos envolvendo o sistema e a vizinhança imediata. • Embora suas propriedades intensivas não mudem, as
propriedades extensivas podem mudar
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Análise Exergética
• Vizinhança imediata: região próxima ao sistema, onde variações de propriedades intensivas podem ocorrer devido a interações com o sistema
• Estado morto: estado em que o sistema considerado encontra-se em equilíbrio com o ambiente • Não existe mais diferença de potencial para realização de trabalho
• OBS: no estado morto, tanto o sistema como o ambiente possuem energia, porém a exergia é nula • Não existe diferença de potencial para realizar trabalho
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Exemplo
• Ea = Ec
• Ti + dt > Ti
• Ea > Ec
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Análise Exergética
• Ambiente
• Se o ambiente é referência, então KE = PE = 0
• Variações de Ue, Se e Ve (energ. int., entropia e volume do ambiente) se relacionam como:
• onde os índices “o” e “e” se referem ao Estado Morto e ao Ambiente, respectivamente
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Análise Exergética
• OBS:
• Exergia é uma propriedade
• Exergia é uma medida das diferenças entre o estado de um sistema e o ambiente
• Exergia não pode ter valores negativos • Diferença de potencial => exergia > 0
• Exergia não é conservada: ela é destruída por irreversibilidades
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Exergia de um sistema a dado estado
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Exergia intensiva e variação de exergia
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Exemplo1 (livro M.S.)
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Exemplo2 (livro M.S.)
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Exemplo3 (livro M.S.)
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Exemplo3 (livro M.S.)
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State 1
Dead state
State 2
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SF = massa
SF = sist. isolado
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Balanço de exergia para um SF
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Transf. Exergia devido ao calor
O fluxo de exergia devido ao calor pode ser visto como o trabalho disponível que seria gerado por um ciclo reversível operando entre Tb e T0.
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Transf. Exergia devido ao trabalho
O sistema em expansão deve comprimir o ambiente, a pressão constante P0. Assim, deve ser descontado P0(V2-V1) do trabalho disponível.
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Exemplo1 (livro M.S.)
• Um conjunto pistão-cilindro contém água inicialmente a 100°C no estado de líquido saturado. A água sofre um processo de aquecimento internamente reversível que a torna vapor saturado, no qual o pistão pode se mover livremente. Considere T0 = 20°C e P0 = 1.014 bar, determine, por unidade de massa: a variação de exergia, a transferência de exergia associada ao trabalho, a transferência de exergia associada ao calor, e a destruição de exergia. Despreze as variações devido às energias cinética e potencial. Estude 2 casos distintos:
(a) o processo é reversível
(b) O processo é adiabático e se deve a trabalho de eixo
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Onde:
Não há transp. Exergia devido ao trabalho pois P = P0
(a)
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Ou, alternativamente, utilizando a 1ª lei
Finalmente, a destruição de exergia é nula pois o processo é reversível
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(b)
Variação de exergia: é a mesma pois os estados iniciais e finais são os mesmos.
Transferência de exergia devido ao calor: é nula, pois o processo é adiabático
Onde, da 1ª lei:
=>
Logo,
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Finalmente, do balanço de exergia:
Obs: alternativamente, poderíamos ter calculado Ed como:
=>