Post on 14-Apr-2021
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.
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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
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Ambiente de Referência
Equilíbrio térmico
Equilíbrio mecânico
Equilíbrio químico
temperatura
pressão
composição química
Tradicionalmente: temperatura (25ºC) e pressão (101,3 kPa)
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Tipos de Exergia
exergia
exergia potencial
exergia cinética
exergia física
exergia química
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Tipos de Exergia
Exergia cinética2
V2
cinética
Exergia potencial gzpotencial
Exergia física P,Tffísica
Exergia química químicacomposiçãofquimica
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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
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Determinação da Exergia Física
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
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T
T1 o
Q
WMT
QWMT
Determinação da Exergia Física
Q
MTW
To
Considerando uma máquina térmica
reversível (Carnot) tem-se:T
A eficiência deste ciclo pode também ser
escrita por:
Reescrevendo temos:
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QT
T1W o
MT
T
TQQW o
MT
T
QdS
Determinação da Exergia Física
Para um processo reversível tem-se da definição de entropia:
dSTQW oMT dSTWQ oMT
TdSQ
Substituindo e rearranjando temos:
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Determinação da Exergia Física
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
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Determinação da Exergia Física
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:
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Determinação da Exergia Física
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
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vPPgz2
VssTvvPuu o
2
ooooofluxo
Determinação da Exergia Física
gz2
VssTvPuPvu
2
ooooofluxo
gz2
VssThh
2
ooofluxo
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Reescrevendo
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Meios de Transferência de Exergia
Transferência de Calor
Trabalho
Fluxo de massa
T
T1QEx o
calor
WEx trabalho
mEx massadefluxo
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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)
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Principio de Diminuição da Exergia e a Destruição da Exergia
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
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Principio de Diminuição da Exergia e a Destruição da Exergia
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.
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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
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Principio de Diminuição da Exergia e a Destruição da 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
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Balanços de Exergia
Sistema
sistemadestruidasaídaentradaExExExEx
dt
dExIWQ
T
T1 k
k
o
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Balanços de Exergia
Volumes de Controle
VCdestruidasaídamassaentradamassatrabalhocalor ExExExExExEx
dt
dExImmWQ
T
T1 VC
sseek
k
o
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Eficiências Exergéticas
Eficiência Racional:
Eficiência Segundo Tipo:
insumo
produto
entrada
saída
Ex
Ex