Exergia final

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA EN ENERGÍA
TERMODINÁMICA I
TEMA: DISPONIBILIDAD Y
REVERSIBILIDAD
Profesor:
Ing. JOSÉ TEZÉN CAMPOS
Integrantes:
CASTILLO MOROTE ÁLVARO MIGUEL 092999K
POMACAJA FRANCO JHONEL JESÚS
SOTELO FARFÁN VICTOR JOAQUIN 101108B
VERGARAY MIRANDA AXEL DARÍO
BELLAVISTA – CALLAO
2014

DISPONIBILAD Y REVERSIBIL IDAD
SUMARIO
1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... .............................................................................. ...................2
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.......................................................................................................................................................................3
3. OBJETIVOS ....................................................................................................................................................................................................................3
4. MARCO TEÓRICO................................................................................ .....................................................................................................................4
4.1 EXERGÍA Y ANERGÍA ............................................................................................................................................................7
4.2 ESTADO MUERTO ...................................................................................................................................................................8
4.3 IRREVERSIBILIDAD.......................................................... ............................................................9
5. DEDUCCION DE LA EXPRESIÓN ........................................................................................... .................................................................................9
6. LEY DE PÉRDIDA DE EXERGÍA ....................................................................................... .......................................................................................10
6.1. FORMULACIÓN ........................................................................................................................11
7. PRINCIPIO DE DISMINUCIÓN Y DETRUCCIÓN DE LA EXERGÍA ................................................................................. .............................11
7.1. PRINCIPIO DE DISMINUCIÓN.................................................................................................11
7.2. PRINCIPIO DE DESTRUCCIÓN:...............................................................................................12
8. EXERGÍA DE UN SISTEMA CERRADO ............................................................................................................................................ ....................13
8.1. PRIMERA FUNCION GOUY O DARRIEUS .............................................................................13
8.2. EXERGÍA DE UN SISTEMA CERRADO A TO .........................................................................14
9. EXERGÍA DE UN SISTEMA ABIERTO ........................................................................................................................ ............................................15
9.1. SEGUNDA FUNCION GOUY O DARRIEUS ............................................................................15
10. EXERGÍA DEL CALOR ......................................................................................... ............................................................... ..................................16
11. BALANCE EXERGÉTICO......................................................................................................................................................................................16
11.1. BALANCE EN SISTEMAS CERRADOS ....................................................................................17
11.2. BALANCE EN SISTEMAS ABIERTOS.......................................................................................17
12. EFICIENCIA EXERGÉTICA ................................................................................................................... ...............................................................18
12.1. EFICIENCIA PARA MÁQUINAS TÉRMICAS: ..........................................................................20
12.2. EFICIENCIA PARA REFRIGERADORES O BOMBAS DE CALOR: .......................................20
12.3. RENDIMIENTO EXERGÉTICO PARA UN CICLO IRREVERSIBLE DE CARNOT ...............21
13. TRANSFERENCIA DE EXERGÍA ....................................................................................................................... .................................................22
13.1. EXERGÍA TRANSPORTADA POR MASA ..................................................................................22
13.2. EXERGÍA TRANSFERIDA POR CALOR Y TRABAJO .............................................................23
14. CONCLUSIONES ...................................................................................................................................................................................................25
15. REFERENCIAS .................................................................................................................................................................................................... .....26
16. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................................................................................. ......27
PÁGINAS WEB ..........................................................................................................................................................................................................27
17. ANEXOS: REPRESENTACIONES GRÁFICAS Y DIAGRAMAS DE EXERGÍA..........................................................................................28
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1. RESUMEN
Muchas formas de energía y transformaciones de energía intervienen en un proceso. Aunque todas obedecen la primera
ley de la termodinámica, diferencias se asoman en el tratamiento práctico y teórico de varios tipos de energía y
transformaciones de energía debido a la segunda ley de la termodinámica. La segunda da ley es importante para la
definición de eficiencia así como la correcta cuanti ficación de las diferentes formas de energía que pueden ser
trans formadas en trabajo.
Los tipos de energía se dividen en dos grupos de acuerdo a la posibilidad de ser convertidas en otros tipos . La clasificación
de formas de energía es un problema físico, aquí se hace en base a la entropía, utilizada como una medida de las
transformaciones de energía. El primer grupo se compone de las formas de energía que pueden transformarse en otras sin
ningún límite y el segundo es de aquellas que no pueden transformarse completamente.
Las entropías del primer grupo son igual a cero. Y este tipo de energía es considerada como “energía ordenada”. La
entrada o salida de calor a un cuerpo no cambia este tipo de energía.
La energía del segundo grupo no tiene entropía cero, y se conoce como “energía desordenada ”. La energía desordenada
a diferencia de la ordenada es alterada con entradas o salidas de calor. La segunda ley de la termodinámica permite
transformaciones donde halla incremento de entropía o no haya cambiado (reversibilidad). Por ello todas las formas de
energía ordenadas se pueden converti r en otra forma por tener entropía cero, mientras que las energías desordenadas no
se pueden converti r en otras formas que tengan menor entropía, y en particular no pueden transformarse en energía
ordenadas.
La medida general de cualquier tipo de energía es llamada exergía. Este concepto nos permi te expresar cualquier tipo de
energía es llamada exergía. Este concepto nos permi te expresar cualquier forma de energía del segundo grupo en términos
de energía del primer grupo. [1]
ABSTRAC:
Energy types are divided into two groups according to the possibility of being converted into other. The
classification of forms of energy is a physical problem, here is made based on entropy, used as a measure
of energy transformations. The first group consists of forms of energy that can be transformed into other
without limit and the second is for those who can not fully transformed.
The entropies of the first group are zero. And this energy is considered "ordered energy". The input or
output of heat to a body does not change this energy.
The energy of the second group has zero entropy, and is known as "disordered energy". The disordered
energy unlike the ordinate is altered with heat inputs or outputs. The second law of thermodynamics
allows transformations where entropy is increased or did not change (reversibility). Therefore all forms of
ordered energy can be converted to another form by having zero entropy, while the disordered energy
can not be converted into other forms that have lower entropy, and in particular can not be transformed
into ordered energy.
The overall measure of any kind of energy is called exergy. This concept allows us to express any kind of
energy is called exergy. This concept allows us to express any form of energy in the second group in terms
of energy the first group.
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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En el mundo , existe desde hace tiempo un gran temor por los elevados costos sociales y
medioambientales asociados a la energía. A causa de estos problemas que están afectando al medio
ambiente ha crecido el interés y la preocupación por buscar e implementar nuevas tendencias apuntadas
hacia el desarrollo de productos, procesos y tecnologías que generen un impacto ambiental reducido,
como el ahorro de energía, la reducción de emisiones, el tratamiento de efluentes, entre otras.
Sin embargo, para el caso de los procesos de producción ya establecidos, las alternativas son aplicar
estudios para contabilizar los posibles impactos al medio ambiente e identificar soluciones viables que
permitan enmarcar los procesos dentro de un sistema de desarrollo sostenible.
Hoy día, son pocos los estudios que se han hecho relacionados con el análisis exergético en la industria,
por lo tanto, no es posible encontrar gran cantidad de material bibliográfico.
Es por eso que se vio la oportunidad de realizar un análisis de la exergía. Se denomina “exergía” a la
cantidad máxima de energía que puede transformarse en trabajo útil, entendiendo por útil el que no se
emplea en actuar contra el ambiente, conociendo esto se puede optimizar el trabajo ; reduciendo los
costos para la empresa y por lo tanto al consumidor.
3. OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL:
Explicar de forma detallada la reversibilidad y disponibilidad de la energía, en forma de máquinas
térmicas para optimizar el trabajo.
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
 Describir una metodología detallada para el desarrollo del análisis exergético del proceso
termodinámico.
 Realizar el análisis exergético en cada tipo de máquina térmico.
 Identificar y cuantificar considerables pérdidas de energia.
 Proponer recomendaciones que permitan un mejor uso de la energía de modo que el proceso de
producción de la planta sea más eficiente y económico.
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4. MARCO TEÓRICO
CONCEPTOS BASICOS
Energía
El término energía (del griego ἐνέργεια [enérgueia], ‘actividad’, ‘operación’; de ἐνεργóς [energós],
‘fuerza de acción’ o ‘fuerza trabajando’) tiene diversa s acepciones y definiciones, relacionadas con la idea
de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento.
En física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo.
Exergía
La exergía es una medida de la disponibilidad de la energía. La idea es que parte de la energía de un
sistema se puede aprovechar para realizar trabajo mecánico, eléctrico o de otro tipo. El segundo
principio de la termodinámica nos establece limitaciones en cuanto a la cantidad de trabajo que
podemos realizar. Pero existe además una limitación práctica en cuanto a que sólo se puede realizar
trabajo si el sistema almacena una energía respecto al ambiente que le rodea.
Por ejemplo, consideremos el agua situada en un embalse a cierta altura. Este agua puede emplearse
para mover turbinas y generar energía eléctrica, pero, una vez que todo el agua ha bajado al nivel del
mar, ya no se puede seguir aprovechando. Hay un límite en la energía disponible asociado a la diferencia
de altura entre el agua del embalse y el entorno. Cuando este desnivel desaparece, ya no hay más
energía disponible.
Supongamos un recipiente que contiene un gas a alta presión y alta temperatura. Si hacemos un orificio
en el recipiente y dejamos que salga el aire a la atmósfera, perdemos toda la energía disponible, ya que
rápidamente su presión se iguala a la atmosférica y en poco tiempo su temperatura se iguala la del aire
que lo rodea. Hemos desperdiciado toda la energía disponible o exergía.
Se denomina “exergía” a la cantidad máxima de energía que puede transformarse en trabajo útil,
entendiendo por útil el que no se emplea en actuar contra el ambiente.
La exergía se consume por completo cuando la presión y la temperatura (y el resto de variables de
estado como la altura sobre el nivel del mar, el voltaje, etc. que lo diferencian de lo que le rodea) se
igualan a la del entorno. Una vez que se iguala la temperatura del sistema con la del ambiente
(alcanzándose el equilibrio térmico) y se iguala su presión con la exterior (llegándose al equilibrio
mecánico), ya no se puede extraer energía adicional. Se dice que en ese caso el sistema ha alcanzado el
“estado muerto”.
4

Entropía (Anergia)
Etimológicamente “entropía”, asociada a la termodinámica, surgió como palabra acuñada del griego,
de em (en: en, sobre, cerca de...) y sqopg (tropêe: mudanza, giro, alternativa, cambio, evolución).
La termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de los sistemas
físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro y
tiene sus propias leyes.
Uno de los soportes fundamentales de la Segunda Ley de la Termodinámica es la función
denominada entropía que sirve para medir el grado de desorden dentro de un proceso y permite
distinguir la energía útil, que es la que se convierte en su totalidad en trabajo, de la inútil, que se pierde
en el medio ambiente.
Este desorden se grafica en la mayor o menor producción de energía disponible o no disponible, y sobre
esta base, también podemos definir la entropía como el índice de la cantidad de energía no disponible en
un sistema termodinámico dado en un momento de su evolución.
Según esta definición, en termodinámica hay que distinguir entre energía disponible o libre, que puede
ser transformada en trabajo y energía no disponible o limitada, que no puede ser transformada en él.
Para comprender conceptualmente lo dicho, analicemos el ejemplo de un reloj de arena, que es un
sistema cerrado en el que no entra ni sale arena.
La cantidad de arena en el reloj es constante; la arena ni se crea ni se destruye en ese reloj. Esta es la
analogía de la primera ley de la termodinámica: no hay creación ni destrucción de la materia-energía.
Aunque la cantidad de arena en el reloj es constante, su distribución cualitativa está constantemente
cambiando: la cavidad inferior se va llenando, mientras la cavidad superior se vacía. Esta es la analogía
de la segunda ley de la termodinámica, en la que la entropía (que es la arena de la cavidad inferior)
aumenta constantemente.
La arena de la cavidad superior (la menor entropía) es capaz de hacer un trabajo mientras cae, como el
agua en la parte superior de una catarata. La arena en la cavidad inferior (alta entropía) ha agotado su
capacidad de realizar un trabajo. El reloj de arena no puede darse la vuelta: la energía gastada no puede
reciclarse, a menos que se emplee más energía en ese reciclaje que la que será desarrollada por la
cantidad reciclada
5

Energía disponible:
Energía disponible es aquella parte del contenido energético total que potencialmente puede
transformarse en trabajo útil.
Esta energía puede calcularse permitiendo que la sustancia efectúe un cambio de estado reversible hasta
alcanzar equilibrio termodinámico con el medio ambiente que se encuentra a P0 y T0. En la práctica, al
medio ambiente se le designa como depósito estándar para determinar la energía disponible del sistema.
Cuando el cambio de estado reversible se lleva a cabo en sistema cerrado, de la primera ley se tiene que:
δq = du + δw
De la segunda ley se sabe que:
ds(sistema) + ds(alrededores) = 0 ⇒ ds(alrededores) = – ds(sistema)
ds(alrededores
) =
– dq(sistema) /
T(alrededores)
Combinando las ecuaciones anteriores se tiene que:
T(alred) ds(stma) = du + δw(máx)
Se trata de δw(máx) por ser un proceso reversible, luego:
δw(máx) = T(alred) ds – du
Si los alrededores son el medio ambiente:
δw(máx) = T0 ds – du Entonces el trabajo máximo queda dado por
w(máx) = (u – T0 s) – (u0 – T0 s0)
Donde T0, s0, u0 son las propiedades del sistema cuando se encuentra en equilibrio con el medio ambiente
y w(máx) es el máximo trabajo que puede realizar un sistema hasta alcanzar equilibrio con el ambiente.
Se debe tener en cuenta que parte de este trabajo máximo se realiza contra el medio ambiente y por
tanto no resulta útil. Este trabajo contra el ambiente está dado por P0 (v0 – v), entonces el trabajo
máximo útil es
w(máx, útil) = w(máx) – P0 (v0 – v)
w(máx, útil) = (u + P0 v – T0 s) – (u0 + P0 v0 – T0 s0) [2]
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4.1. ¿QUÉ ES LA EXERGÍA?
La exergía es una medida de la disponibilidad de la energía. La idea es que parte de la
energía de un sistema se puede aprovechar para realizar trabajo mecánico, eléctrico o
de otro tipo. El segundo principio de la termodinámica nos establece limitaciones en
cuanto a la cantidad de trabajo que podemos realizar. Pero existe además una
limitación práctica en cuanto a que sólo se puede realizar trabajo si el sistema
almacena una energía respecto al ambiente que le rodea.
Por ejemplo, consideremos el agua situada en un embalse a cierta altura. Esta agua
puede emplearse para mover turbinas y generar energía eléctrica, pero, una vez que
toda el agua ha bajado al nivel del mar, ya no se puede seguir aprovechando. Hay un
límite en la energía disponible asociado a la diferencia de altura entre el agua del
embalse y el entorno. Cuando este desnivel desaparece, ya no hay más energía
disponible.
Se denomina “exergía” a la cantidad máxima de energía que puede transformarse en
trabajo útil, entendiendo por útil el que no se emplea en actuar contra el ambiente.
7

.4.2. ESTADO MUERTO
El potencial de trabajo de la energía o exergía está asociado al desequilibrio entre un
sistema y sus alrededores, es decir que depende de dos sistemas como mínimo. Con
un ejemplo lo aclararemos. Vamos a suponer que tenemos una lámina metálica que se
encuentra a 70 °C, y la sumergimos en agua a 3 °C (es decir mucho más fría), en este
caso como el desequilibrio térmico es grande, el nivel de exergía será mayor que si
sumergimos la lámina en agua a 70°C en cuyo caso la temperatura del sistema
(lámina metálica) y su entorno (agua) es la misma (70°C), por lo que no pasaría nada.
Este estado se denomina estado muerto ya que tenemos cero exergía y máxima
entropía.
AMBIENTE
Es caracterizado porque sus parámetros permanecen sin cambios durante la interacción con
el sistema bajo consideración. Esto quiere decir, que el ambiente es muy grande en
comparación al sistema y puede amortiguar toda la energía dada a él sistema, de tal forma
que su propio balance de energía permanece sin cambio. También existe completo equilibrio
termodinámico entre todos los componentes.
8

El estado muerto se refiere al estado del que nos es imposible extraer trabajo de un
sistema y este depende del medio ambiente que le rodea. Podemos concluir que un
sistema entrega el máximo trabajo posible cuando experimenta un proceso reversible,
desde el estado inicial especificado hasta el estado del ambiente que lo rodea, es decir
el estado muerto. Esto representa el potencial de trabajo útil del sistema en el estado
especificado y se conoce como exergía.
4.3. IRREVERSIBILIDAD
Partiendo de la definición de trabajo reversible Wrev que es la cantidad máxima de
trabajo útil que puede generarse (o el trabajo mínimo que debe suministrarse) en un
sistema cuando éste experimenta un proceso entre dos estados definidos (inicial y
final). Este trabajo máximo (o mínimo) se obtiene cuando el proceso entre los dos
estados es totalmente reversible. Se le llama Irreversibilidad I, a la diferencia entre el
trabajo reversible Wrev y el trabajo útil Wu durante un proceso entre dos estados
definidos; y es equivalente a la exergía destruida y se expresa así:
La exergía destruida representa el potencial de trabajo perdido o desperdiciado.
5. DEDUCCION DE LA EXPRESIÓN
Tenemos el trabajo útil:
Pero, por el primer principio de la termodinámica el calor y el trabajo que salen
equivale a la disminución de la energía total
9

Siendo E la energía total suma de cinética, potencial e interna. Queda entonces
El segundo miembro de esta ecuación es el diferencial de una función de estado, ya
que se trata de una combinación de tres diferenciales de funciones de estado
multiplicadas por constantes. Por tanto, podemos escribir esto como una diferencial
exacta (con “d” en vez de con “δ”). Puesto que estamos interesados en el máximo
trabajo que puede realizar el sistema y no el que se puede realizar sobre él,
cambiamos el signo y escribimos
Donde X es la función de estado que denominamos exergía.
Integrando entre el estado inicial (que indicamos sin subíndices) y el estado final, que
corresponde al estado muerto en el que la temperatura y la presión son iguales a la
exterior (con subíndice 0) nos queda
Resumiendo: [3]
6. LEY DE PÉRDIDA DE EXERGÍA
El Teorema de Gouy-Stodola (denominada también como ley de pérdida de exergía)
es un teorema empleado en termodinámica para describir la cantidad de energía no
disponible que tiene lugar en un sistema termodinámico.
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6.1. Formulación
La ley establece que la destrucción de exergía es proporcional al producto de
la temperatura de referencia ( ) por la generación de entropía dentro del sistema (
). La expresión formal de la energía no disponible se suele expresarse como: . El
valor de esta destrucción de energía se expresa mediante la ecuación:
Esta ecuación muestra que un proceso termodinámicamente eficiente debe tener una
mínima generación de entropía. es una propiedad intensiva que permite en caso de
existir varios sistemas con generación de entropía ( ), pueda calcularse la exergía
perdida total mediante suma de las partes:
7. PRINCIPIO DE DISMINUCIÓN Y DETRUCCIÓN DE LA EXERGÍA
7.1. Principio de Disminución
El principio de disminución de la exergía sostiene que la exergía de un sistema aislado
(recuerde que ni calor, ni trabajo, ni masa pueden cruzar sus fronteras) durante un
proceso siempre decrece o, en el caso límite de un proceso reversible, permanece
constante. Esto se expresa así:
Las irreversibilidades como la fricción, las reacciones químicas, la transferencia de
calor debida una diferencia finita de temperaturas, la expansión libre, las mezclas,
siempre generan entropía, en consecuencia siempre se destruye la exergía. Por ello la
exergía destruida en proporcional a la entropía generada:
El principio de disminución de la exergía puede resumirse así
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7.2. Principio de Destrucción:
Describiremos algunos mecanismos de destrucción de la exergía.
 Destrucción de la exergía debido a la transferencia de calor a través de
una pared.
La misma cantidad de calor fluye a
través del sistema desde el reservorio
de la izquierda hacia el de la derecha.
Sin embargo, como la temperatura del
reservorio de la derecha es menor, la
exergía transferida por su exergía es
menor. Podemos concluir que la
generación de entropía debido a la
transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperatura es la causa de la
destrucción de exergía.
 Destrucción de la exergía debido a la fricción.
La exergía es destruida
espontáneamente por la
fricción. En la imagen
mostrada el trabajo transferido
al sistema a través del eje
debe ser igual al calor
rechazado hacia la atmosfera,
sin embargo ya que el calor n
transporta exergía a través de
la frontera externa (se
encuentra a la temperatura de la atmosfera), la única forma para que la exergía del
sistema pueda permanecer constante es la destrucción de la exergía.
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 Destrucción de la exergía debido al calentamiento por resistencia
eléctrica.
La exergía es destruida
espontáneamente por la
electricidad que pasa a través
de una resistencia. En la
imagen mostrada el trabajo
eléctrico transferido al sistema
debe ser igual al calor
rechazado hacia la atmosfera,
sin embargo ya que el calor no transporta exergía a través de la frontera externa (se
encuentra a la temperatura de la atmosfera), la única forma para que la exergía del
sistema pueda permanecer constante es la destrucción de la exergía.
8. EXERGÍA DE UN SISTEMA CERRADO[4]
8.1. Primera funcion Gouy o Darrieus
13

8.2. Exergía de un sistema cerrado a To
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9. EXERGÍA DE UN SISTEMA ABIERTO[5]
Es el máximo trabajo de circulación.
9.1. Segunda funcion Gouy o Darrieus
15

10. EXERGÍA DEL CALOR
11. BALANCE EXERGÉTICO
En realidad un balance de exergía no es más que la combinación de un balance de
energía y de entropía, que derivan a su vez del primer y segundo principio de
la termodinámica. No es por tanto un resultado independiente, pero puede utilizarse
como formulación alternativa de la segunda ley de la termodinámica.
Como alternativa al principio de incremento de entropía, se puede formular la segunda
ley estableciendo que, los únicos procesos que puede experimentar un sistema
aislado son aquellos en los que la exergía del sistema disminuye.
El balance de exergía es un método de análisis muy útil a la hora de valorar el
rendimiento energético de una instalación, nos da una visión más amplia que
16

el rendimiento térmico. Permite valorar las pérdidas de energía en un proceso, la
energía que sería aprovechable de flujos salientes en sistemas abiertos y las ventajas
de métodos regenerativos en instalaciones térmicas.
11.1. Balance en sistemas cerrados
Un sistema cerrado puede interaccionar con el entorno mediante transferencias de
energía en forma de calor o trabajo, que implican una transferencia de exergía entre el
sistema y el entorno. Esta exergía transferida no coincide necesariamente con la
variación de exergía del sistema, ya que la exergía también se destruye como
consecuencia de la generación de entropía (todos los procesos reales con
transferencia de energía en forma de calor conllevan, además de una transferencia de
entropía, una generación de entropía debida a procesos irreversibles dentro del
sistema.
La variación de exergía del sistema cerrado es igual a la transferencia de exergía con
el entorno, menos la destrucción de exergía , donde representa la generación
de entropía, que por el segundo principio, no puede ser negativa.
11.2. Balance en sistemas abiertos
Para sistemas abiertos, en los que hay transferencia de masa, se maneja el concepto
de exergía de flujo, que no es más que la exergía asociada a una corriente material
que atraviesa un volumen de control determinado. Adaptando la expresión y utilizando
magnitudes específicas (por unidad de masa) se tiene:
Donde h, s, C, y z son entalpía, entropía, velocidad, altura del flujo
respectivamente. son las propiedades evaluadas en el estado muerto. g
es la aceleración de la gravedad.
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El balance de exergía en un sistema abierto como:
Esto es, la variación de exergía acumulada dentro del sistema por unidad de tiempo es
igual a: la transferencia de exergía asociada a la transmisión de
energía en forma de calor, donde representa la velocidad de transferencia de calor
a través de una parte de la frontera a temperatura ,menos la
velocidad de intercambio de exergía por trabajo, excluyendo el trabajo de flujo,
más es la transferencia de exergía asociada a la
transferencia de masa entre el sistema y el entorno y menos la destrucción de
exergía por unidad de tiempo causada por irreversibilidades internas del volumen de
control.
Que el término recuerde al rendimiento máximo calculado por
Carnot en sus teoremas no es casualidad. Representa precisamente la potencialidad a
la hora de obtener trabajo de focos térmicos a diferente temperatura.
12. EFICIENCIA EXERGÉTICA[6]
La Eficiencia de Segunda Ley es una medida del desempeño de un dispositivo real
con relación a su desempeño en condiciones reversibles para los mismos estados
inicial y final.
Las siguientes imágenes describen la deferencia entre la eficiencia térmica y la
eficiencia exergética (o eficiencia según la segunda ley) de una máquina térmica.
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Hasta el momento, al hacer referencia a la eficiencia siempre ha sido en términos energéticos, sin
hacer distinción de la calidad de la energía producida o consumida. Una forma más apropiada de
evaluar los procesos es en términos de la energía disponible consumida o producida ya que es la
energía verdaderamente aprovechable. En esta sección se presentará la eficiencia exergética de
procesos la cual se conoce también como eficiencia de segunda ley. En general, la eficiencia se
puede definir como lo que se obtiene sobre lo que se paga:
A diferencia de la eficiencia energética, la eficiencia exergética puede ser del ciento por ciento si el
proceso de transformación al que se refiere se realiza de una manera completamente reversible (sin
destrucción de exergía).
Eficiencia de una máquina térmica:
De acuerdo con el objetivo de una máquina térmica, que es obtener trabajo a partir de calor
suministrado, y ya que todo el trabajo producido es, en este caso, energía disponible mientras que
la fracción disponible del calor es
Qc (1 – T0 /Tc)
Entonces:
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Eficiencia de un refrigerador:
El objetivo de un refrigerador es extraer calor para lograr una baja temperatura por medio de una
máquina que consume trabajo. Al extraer calor de un depósito, este queda en capacidad de permitir
la producción de trabajo mediante una máquina térmica reversible que recibe calor del ambiente y
descarga en el depósito; luego, la eficiencia exergética es:
Eficiencia de una bomba de calor:
En este caso se desea mantener un recinto a una temperatura alta suministrándole calor extraído de
un foco que se encuentra a menor temperatura mediante el empleo de trabajo mecánico. Al
obtener un depósito caliente, se está en capacidad de producir trabajo mediante una máquina
térmica reversible conectada entre este depósito y el ambiente.
20

Eficiencias de bombas y compresores:
En estos equipos la sustancia recibe energía mecánica para aumentar su exergía (representada en
alta presión o incremento de energía potencial)
Eficiencia de una turbina :
En estos equipos se obtiene trabajo a expensas de una disminución de la exergía de la sustancia,
luego
Eficiencia de un intercambiador de calor:
De acuerdo con el criterio de eficiencia exergética se podría definir para un intercambiador de calor
En la práctica esta eficiencia no tiene mucho sentido, pues lo que interesa es la transferencia de
calor para aumentar la energía de una sustancia. Sería más útil hacer referencia a una eficiencia
energética.
21

12.1. Eficiencia para Máquinas Térmicas:
 Diagrama de Energía de una máquina térmica
 Diagrama de Exergía
12.2. Eficiencia para Refrigeradores o Bombas de Calor:
 Diagrama de Energía
22

 Diagrama de Exergía Refrigerador
 Diagrama de Exergía Bomba de Calor
12.3. Rendimiento Exergético para un ciclo irreversible de Carnot
23

13. TRANSFERENCIA DE EXERGÍA[7]
13.1. Exergía transportada por Masa
13.2. Exergía transferida por Calor y Trabajo
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14. CONCLUSIONES
 En el presente trabajo, se ha preferido dar la visión de la utilización de la exergía disponible en
los procesos de utilización calórica mediante su transformación en trabajo mecánico, en lugar
de su degradación inútil.
 Como se indicó, cuando es posible superponer una máquina térmica entre el ingreso del
combustible y la utilización calórica, la eficiencia marginal de la conversión de la energía
térmica a trabajo mecánico es idealmente del 100%, y que el aumento de la eficiencia de tal
máquina térmica permite obtener también mayores cantidades de trabajo con una eficiencia
marginal ideal del 100%.
 La posibilidad de obtención de estas cantidades de trabajo es similar a la disponibilidad que
existe en un salto hidráulico que, de no ser aprovechado, se pierde irreversiblemente. Es
indudable pues que, desde el punto de vista del uso racional de los recursos energéticos y del
desarrollo sustentable se debe alentar en lo posible la implementación de estos sistemas, lo
que implica un cambio importante de los conceptos y modalidades tradicionales.
Se trata de una valorización de la exergía.
 Desde el punto de vista ambiental, desplazando la generación térmica convencional, es una de
las formas de reemplazar las prácticas convencionales por las que al menos son más
sustentables que las actuales, y que en muchos casos puede ser de implementación inmediata.
 Es posible manejar el concepto de exergía cualitativamente, entre otras cosas para depurar el
lenguaje cotidiano, de manera que se hable propiamente de consumo de exergía y de
conservación de energía, y no de ``consumo de energía''. En el mismo sentido, se suele definir
a la energía como la ``capacidad para hacer trabajo''; pero de lo expuesto hasta aquí deberá
quedar claro que ésta es una propiedad exclusiva de la exergía y no de la energía. Un ejemplo
sencillo sirve para enfatizar lo anterior: considérese un gas encerrado en una delas mitades de
un recipiente aislado del exterior, estando la otra mitad vacía. Si la pared de separación entre el
gas y la otra mitad vacía se quita, el gas se expandirá hasta ocupar el espacio completo, siendo
su energía final igual a la inicial.
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15. REFERENCIAS
1. Agencia Andaluza de la Energía, consejería de innovación ciencia y empresa
Energía solar fotovoltaica general, 2008. p. 1-32
2. ALGOR, Energía 2010 foro nuclear; Junio 2010. p. 19-37 53-93 195-216
3. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Eólica; FOCER. Septiembre
2002. p. 6-21
4. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Hidráulica a pequeña escala.
FOCER. Septiembre 2002. p. 6-22
5. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Solar Fotovoltaica; FOCER.
Septiembre 2002.p. 8-27
6. BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Solar térmica. FOCER. Septiembre 2002.
p. 6-25
7. Carnevale, F.; Energía Mareomotriz. Instituto Balseiro, Universidad Nacional de
Cuyo. Mayo 2008, p. 2-10
8. Flórez-Orrego, Daniel; Silva Ortiz, Pablo. (2013). Exergia, Conceptualización y
Aplicación. Escuela Politécnica de la Universidad de Sao Paulo.
*El trabajo presentado es una recopilación de las monografías mostradas en las referencias y unido a
nuestra propia fuente de información (autoría).*
26

16. BIBLIOGRAFÍA
 Cengel, Y. A., & Boles, M. A.(2009). Termodinámica (6a ed.). McGraw-Hill.
 Dincer, I., & Kanoglu, M. (2010). Refrigeration Systems And Applications (2th ed.).
John Wiley and Sons, Ltd.
 Dossat, R. J. (1998). Principios de refrigeración. CECSA.
 Geurts, M. (2005). Properties of Refrigerant 22 (chlorodifluoromethane). Recuperado el 18 de
agosto de 2011 del sitio web de Industrial RefrigeratioConsortium:http://www.irc.wisc.edu.html
 Pita, E. G. Acondicionamiento de aire, principios y sistemas (2a ed.). CECSA.
 Witman, W. C., & Johnson, W. M. Tecnología de la refrigeración y aire acondicionado,
refrigeración comercial.( Para info.s.f.).
PÁGINAS WEB
 Obtenido de http://www.emersonclimatemexico.com/home
 http://www.academia.edu/3315176/Exergia_Conceituacao_e_Aplicacao
 http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/bk3/c03/Exergia.pdf
 http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/gnavascu/TERMOTECNIA_10_11/7_
TERMOT_EXERGIA_2010_11.pdf
 http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/Modulos/Modulo4.pdf
 http://es.wikipedia.org/wiki/Exerg%C3%ADa
 http://www.smf.mx/boletin/Abr-98/ense/exer.html
 http://termoweb.comyr.com/exergia.html
 http://iqtma.uva.es/termoap/analisis_de_procesos.pdf
 http://laplace.us.es/wiki/index.php/Introducci%C3%B3n_a_la_exerg%C3%ADa
 http://gpinch.sourceforge.net/pinch/node57.html
 http://ing.unne.edu.ar/pub/termodinamica/e2010.pdf
27

17. ANEXOS: REPRESENTACIONES GRÁFICAS Y DIAGRAMAS DE EXERGÍA[8]
En el análisis de exergía, el uso de los diagramas es particularmente útil, entre otras
aplicaciones, para obtener y calcular las propiedades termodinámicas, así como otras
cantidades tales como el calor (Q) y de trabajo (W) en relación con un proceso, o bien
para la representación Un procesos y ciclo de conversión de energía. Entonces SAOA
presentados algunos de estos diagramas.
En el diagrama de "entalpía exergía física", la representación de líneas vapor de
líquido saturado y depende de la localización del estado de punto muerto restringido,
es decir, (PO,TO)
Si este punto se encuentra en la región de líquido comprimido (se aplica a sustancias
tales como el agua, el amoníaco y algunos refrigerantes fluorados) o en la región de
vapor sobrecalentado, los diagramas correspondientes se muestran en la siguientes
tablas.
Un diagrama de uso común en el análisis de exergía de los procesos es el diagrama
de Grassmann, que es una representación analógica del diagrama de Sankey, este
último generalmente empleado en el análisis de los procesos energéticos. En este tipo
de diagrama, que representa que las proporciones relativas (relacionados con las
anchuras de barras) de diferentes flujos de exergía en el proceso de conversión de
energía.
28

PLANTA DE COGENERACIÓN SIMPLIFICADA
Por ejemplo, mientras que en la primera diagrama energía se conserva en la caldera
en el segundo diagrama de exergía se destruye cuando se trata de un intercambio de
calor altamenteirreversível proceso con diferencia de temperatura finita, y las
reacciones de combustión.
29

Este trabajo está dedicado a nuestros
padres y a todas las personas que nos
apoyan a lograr nuestras metas

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