View
260
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
7/27/2019 An-lise de Exergia
1/32
UTFPR Termodinmica 2
Anlise de Exergia (Disponibilidade)
Princpios de Termodinmica para EngenhariaCaptulo 7
7/27/2019 An-lise de Exergia
2/32
ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Objetivos
Analisar e Projetar sistemas trmicosusando os princpios de conservao demassa e energia, juntamente com aSegunda Lei;
Determinar perdas e rejeitos, em termos
de sua localidade, tipo e valores, para comisso maximizar o uso eficiente da energiaempregada.
7/27/2019 An-lise de Exergia
3/32
ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Introduzindo Exergia
Com o passar do tempoa quantidade de energiapermanece constante,mas o potencial para
uso diminudevido asirreversibilidades.
7/27/2019 An-lise de Exergia
4/32
ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Introduzindo Exergia
Seguindo o exemplo anterior percebe-se,que:
Embora a quantidade de energia em (a),(b) e (c) seja a mesma, a combinao
inicial (a) possui um valor econmico bemmaior e mais til; O potencial inicial gradativamente
destrudo devido natureza irreversveldo processo; Exergia entendia como o potencial de
uso de um sistema.
7/27/2019 An-lise de Exergia
5/32
ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Definindo Exergia
Exergia o maior trabalhoterico possvel de ser obtidoquando um ambiente de refernciade exergia interage com o sistemade interesse, e permite-se que elesatinjam o ponto de equilbrio.
7/27/2019 An-lise de Exergia
6/32
ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Ambiente de Referncia para Exergia
Vizinhanas Imediatas
Sistema
Ambiente de referncia para Exergia (Ambiente)
onde as propriedadesintensivas podem variar
com a interao com osistema.
onde as propriedadesintensivas no so
influenciadas pelainterao com o sistema.
7/27/2019 An-lise de Exergia
7/32ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Modelando o ambiente
Ambiente modelado como um sistemasimples compressvel; Grande em extenses;
Propriedades intensivas so constantes; Temperatura T0 e presso p0 souniformes;
As propriedades extensivas variam coma seguinte equao:
0 0amb amb ambU T S p V
7/27/2019 An-lise de Exergia
8/32ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Estado Morto
um sistema onde uma quantidade fixa dematria est selada e no h interaocom o ambiente;
Tambm encontra-se em equilbrio nascondies T0 e p0, e em repouso emrelao ao ambiente;
Neste estado sistema e ambiente possuemenergia, mas o valor da exergia zero.
7/27/2019 An-lise de Exergia
9/32ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Avaliando a Exergia
Considerar o sistemacombinado ao lado:
Hipteses: As nicas transferncias de
energia na fronteira so detrabalho;
O volume total constante.
7/27/2019 An-lise de Exergia
10/32ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Balano de Energia
c cE Q 0(1)
cW
0( )c ambE U E U
0 0 0( ) ( )c amb ambE U E T S p V
OBS.: U0, V
0e S
0so os valores das propriedades, para o sistema no estado morto.
0 0 0 0( ) ( )c ambW U E p V V T S (I)
7/27/2019 An-lise de Exergia
11/32ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Balano de Entropia
c cS
0( )c ambS S S S
0( ) amb cS S S
0 0 0 0 0 0( ) ( ) ( )c cW U E p V V T S S T
Voltando em (I):
(II)
7/27/2019 An-lise de Exergia
12/32ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Avaliando a Exergia
0 0 0 0 0( ) ( ) ( )cW U E p V V T S S
0c
0 0 0 0 0( ) ( ) ( )U E p V V T S S E
Para o trabalho mximo terico:
Exergia de um sistema
Em (II):
E cW
OBS.: E : Exergia E: Energia
7/27/2019 An-lise de Exergia
13/32ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Avaliando a Exergia Exergia especfica:
0 0 0 0 0( ) ( ) ( )e u p v v T s s e2 2 e u V gz
2
0 0 0 0 0( 2 ) ( ) ( )u V gz u p v v T s s e
2
0 0 0 0 0( ) ( ) ( ) 2u u p v v T s s V gz e
2 1 2 1 0 2 1 0 2 1( ) ( ) ( )E E p V V T S S E E
, onde:
logo:
finalmente,
Variao de Exergia entre dois estados de um sistema fechado:
7/27/2019 An-lise de Exergia
14/32ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Aspectos da Exergia
a medida do desvio de um sistema quandocomparado ao do ambiente; O valor da exergia no pode ser negativo;
No conservada, mas pode ser destrudapelas irreversibilidades; Exergia tambm pode ser vista como o valor
terico mnimo de fornecimento de trabalhopara levar o sistema do estado morto para umdeterminado estado;
7/27/2019 An-lise de Exergia
15/32ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Balano de Exergia para Sistema Fechado
2
2 1
1
E E Q W 2
2 1
1 b
QS S
T
0x( )T
Balano de Energia
2
0 2 1 0 0
1
( )
b
QT S S T T
T
2 2
2 1 0 2 1 0 0
1 1
( )b
QE E T S S Q T W T
T
2
02 1 0 2 1 0
1
1 ( )b
TQ W p V V T
T
E E
Balano de Entropia
7/27/2019 An-lise de Exergia
16/32ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Balano de Exergia para Sistema Fechado
Taxa temporal do balano de exergia paraum sistema fechado:
001 j d
j j
Td dVQ W p
dt T dt
E
E
7/27/2019 An-lise de Exergia
17/32ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Interpretando o Balano de Exergia
2
02 1 0 2 1 0
1
1 ( )b
TQ W p V V T
T
E E
0Ed T
0 com irreversibilidadesE :
0 sem irreversibilidadesd
2 1
0
E E : 0
0
Transferncia de exergiaassociada ao calor
Transferncia de exergiaassociada ao trabalho
7/27/2019 An-lise de Exergia
18/32ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Exergia de Fluxo
0 0
taxa temporal de transferncia de exergia( ) ( )
associada ao trabalho de fluxos s s sm pv p v m p v p v
7/27/2019 An-lise de Exergia
19/32ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Exergia de Fluxo
Quando a massa escoa ao longo dasfronteiras de um volume de controle, existeuma transferncia de exergia queacompanha o fluxo de massa;
Alm disso, existe uma transferncia queacompanha o trabalho de fluxo;
A soma dessas duas transferncias aexergia de fluxo, dada por:
2
0 0 0( )2
f
Vh h T s s gz e
7/27/2019 An-lise de Exergia
20/32ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Balano de Exergia para V.C.
001
VC VC j VC e fe s fs d
j e sj
d T dV Q W p m m
dt T dt
E
e e E
Taxa de variaotemporal deexergia em um V.C.
Taxa de variao
temporal deexergia portransferncia decalor em um V.C.
Taxa de variao
temporal de exergia portransferncia de trabalhoem um V.C. (excludofluxo de massa etrabalho de fluxo)
Taxa de variao
temporal deexergia associadaao fluxo de massae ao trabalho defluxo em um V.C.
Taxa de temporalde destruio deexergia devidoirreversibilidadesem um V.C.
7/27/2019 An-lise de Exergia
21/32ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Formulaes em Regime Permanente
00 1 j VC e fe s fs dj e sj
TQ W m m
T
e e E
01 20 1 ( )j VC f f d
j j
TQ W m
T
e e E
2 2
1 21 2 1 2 0 1 2 1 2( ) ( ) ( )
2f f
V Vh h T s s g z z
e e
Balano de exergia sob a forma de taxa em regime permanente:
Se existe apenas uma nica entrada e uma nica sada:
001
VC VC j VC e fe s fs d
j e sj
d T dV Q W p m m
dt T dt
E
e e E
7/27/2019 An-lise de Exergia
22/32
ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Eficincia Exergtica
Quando se usa mais energia do que onecessrio est ocorrendo desperdcio;
Diz-se que o uso final no est ajustado fonte, sendo usado de forma ineficiente.
u
f
Q
Q
0 0
0 0
(1 ) 1
(1 ) 1
u u u
f f f
Q T T T T
Q T T T T
Eficincia energtica
Eficincia exergtica
7/27/2019 An-lise de Exergia
23/32
ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
(ou) Eficincia de Segunda Lei
Uso mais eficiente em aplicaes
industriais, onde h altastemperaturas de uso.
Uso menos eficiente no
aquecimento de ambientes, ondeh leve aquecimento do ar.
7/27/2019 An-lise de Exergia
24/32
ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Estimando a Perda de Calor
A perda de exergia no sistema anterior, possuum valor termodinmico, que estsignificativamente relacionado com atemperatura em que ela ocorre. E como isso
est diretamente ligado ao custo gasto emcombustvel, primordial melhorar aeficincia de uso.
7/27/2019 An-lise de Exergia
25/32
ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Eficincia Exergtica de Componentes
1 2
VC
f f
W m
e e
Efetividade de turbina
1 2
( )
f f
VCW m
e e
Eficincia exergtica de compressor (bomba)
7/27/2019 An-lise de Exergia
26/32
ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Eficincia Exergtica de Trocadores
Trocador sem Mistura
Trocador de Contato Direto
4 3
1 2
( )
( )
c f f
h f f
m
m
e e
e e
2 3 2
1 1 3
( )
( )
f f
f f
m
m
e e
e e
7/27/2019 An-lise de Exergia
27/32
ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Uso das Eficincias Exergticas
til para estabelecer qual meio deutilizao de energia mais eficaz;
Medir o potencial de melhorias nodesempenho de um sistema trmico; Importante para saber at onde
economicamente vivel um aumento deeficincia;
7/27/2019 An-lise de Exergia
28/32
ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Mtodos de Otimizao
Co-gerao: produo seqencial depotncia e transferncia de calor;
Recuperao de Potncia: capturaalguma exergia que seria perdida emcompresso ou expanso espontnea;
Recuperao de Calor Rejeitado:captura parte da exergia que seriadescarregada na vizinhana em forma decalor.
7/27/2019 An-lise de Exergia
29/32
ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Termoeconomia
Para o projeto de um sistema trmico preciso
levar em conta conceitos de: Termodinmica; Mecnica dos Fludos; Transmisso de calor;
Materiais; Fabricao; Projeto mecnico; Engenharia econmica.
O termo termoeconomia pode ser entendidonessa ultima rea acima, mas tambm usadopara designar um conjunto de metodologias quecombinam exergia e economia.
7/27/2019 An-lise de Exergia
30/32
ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Usando Exergia no Projeto
Unidade geradorade potncia
Caldeira recuperadorade calor
Corrente eltrica
Produtos de
combusto gua dealimentao
Vapor com potencialde utilizao
A diferena entre a temperaturas
uma medida de irreversibilidades
7/27/2019 An-lise de Exergia
31/32
ANLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Custos X Irreversibilidades
medT Combustvel
medT rea
medT
Ponto timo
7/27/2019 An-lise de Exergia
32/32
Exergia e Termoeconomia
Outro aspecto da termoeconomia o usoda exergia para agregao de custos aosprodutos de um sistema;
Associar a cada produto o custo paraproduzi-lo (combustvel, insumos,operao, manuteno);
Com isso pode-se determinar o custo degerao de cada utilidade.
Recommended