AN-LISE DE EXERGIA

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UTFPR – Termodinâmica 2
Análise de Exergia (Disponibilidade)
Princípios de Termodinâmica para Engenharia
 Capítulo 7
				
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Objetivos 
Analisar e Projetar sistemas térmicos usando os princípios de conservação de massa e energia, juntamente com a Segunda Lei;
Determinar perdas e rejeitos, em termos de sua localidade, tipo e valores, para com isso maximizar o uso eficiente da energia empregada.
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Introduzindo Exergia
Com o passar do tempo a quantidade de energia permanece constante, mas o potencial para uso diminuí devido as irreversibilidades.
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ANÁLISE 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 combinação inicial (a) possui um valor econômico bem maior e mais útil;
O potencial inicial é gradativamente destruído devido à natureza irreversível do processo;
Exergia é entendia como o potencial de uso de um sistema. 
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Definindo Exergia
Exergia é o maior trabalho teórico possível de ser obtido quando um ambiente de referência de exergia interage com o sistema de interesse, e permite-se que eles atinjam o ponto de equilíbrio.
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Ambiente de Referência para Exergia
Vizinhanças Imediatas
Sistema
Ambiente de referência para Exergia (Ambiente)
onde as propriedades
intensivas podem variar
com a interação com o 
sistema.
onde as propriedades
intensivas não são influenciadas pela
interação com o sistema.
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Modelando o ambiente
Ambiente é modelado como um sistema simples compressível;
Grande em extensões;
Propriedades intensivas são constantes;
Temperatura T0 e pressão p0 são uniformes;
As propriedades extensivas variam com a seguinte equação:
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Estado Morto
É um sistema onde uma quantidade fixa de matéria está selada e não há interação com o ambiente;
Também encontra-se em equilíbrio nas condições T0 e p0, e em repouso em relação ao ambiente;
Neste estado sistema e ambiente possuem energia, mas o valor da exergia é zero. 
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Avaliando a Exergia
Considerar o sistema combinado ao lado:
Hipóteses:
As únicas transferências de energia na fronteira são de trabalho;
O volume total é constante. 
 
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Balanço de Energia
OBS.: U0, V0 e S0 são os valores das propriedades, para o sistema no estado morto.
(I)
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Balanço de Entropia
Voltando em (I):
(II)
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Avaliando a Exergia
Para o trabalho máximo teórico:
Exergia de um sistema
Em (II):
OBS.: E : Exergia E : Energia
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Avaliando a Exergia
Exergia específica:
, onde:
logo:
finalmente,
Variação de Exergia entre dois estados de um sistema fechado:
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Aspectos da Exergia
É a medida do desvio de um sistema quando comparado ao do ambiente;
O valor da exergia não pode ser negativo;
Não é conservada, mas pode ser destruída pelas irreversibilidades;
Exergia também pode ser vista como o valor teórico mínimo de fornecimento de trabalho para levar o sistema do estado morto para um determinado estado;
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Balanço de Exergia para Sistema Fechado
Balanço de Energia
Balanço de Entropia
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Balanço de Exergia para Sistema Fechado
Taxa temporal do balanço de exergia para
 um sistema fechado:
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Interpretando o Balanço de Exergia 
Transferência de exergia
associada ao calor
Transferência de exergia
associada ao trabalho
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Exergia de Fluxo
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Exergia de Fluxo
Quando a massa escoa ao longo das fronteiras de um volume de controle, existe uma transferência de exergia que acompanha o fluxo de massa;
Além disso, existe uma transferência que acompanha o trabalho de fluxo;
A soma dessas duas transferências é a exergia de fluxo, dada por:
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Balanço de Exergia para V.C.
Taxa de variação 
temporal de 
exergia em um V.C.
Taxa de variação 
temporal de 
exergia por transferência de calor em um V.C.
Taxa de variação temporal de exergia por transferência de trabalho em um V.C. (excluído fluxo de massa e trabalho de fluxo)
Taxa de variação 
temporal de 
exergia associada ao fluxo de massa e ao trabalho de fluxo em um V.C.
Taxa de temporal de destruição de exergia devido irreversibilidades em um V.C.
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Formulações em Regime Permanente
Balanço de exergia sob a forma de taxa em regime permanente:
Se existe apenas uma única entrada e uma única saída:
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Eficiência Exergética
Quando se usa mais energia do que o necessário está ocorrendo desperdício;
Diz-se que o uso final não está ajustado à fonte, sendo usado de forma ineficiente. 
Eficiência energética
Eficiência exergética
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
(ou) Eficiência de Segunda Lei 
Uso mais eficiente em aplicações
industriais, onde há altas 
temperaturas de uso. 
Uso menos eficiente no aquecimento de ambientes, onde há leve aquecimento do ar. 
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Estimando a Perda de Calor
A perda de exergia no sistema anterior, possuí um valor termodinâmico, que está significativamente relacionado com a temperatura em que ela ocorre. E como isso está diretamente ligado ao custo gasto em combustível, é primordial melhorar a eficiência de uso.
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Eficiência Exergética de Componentes 
Efetividade de turbina
Eficiência exergética de compressor (bomba)
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Eficiência Exergética de Trocadores 
Trocador sem Mistura
Trocador de Contato Direto
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Uso das Eficiências Exergéticas
Útil para estabelecer qual meio de utilização de energia é mais eficaz;
Medir o potencial de melhorias no desempenho de um sistema térmico;
Importante para saber até “onde” é economicamente viável um aumento de eficiência; 
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Métodos de Otimização
Co-geração: produção seqüencial de potência e transferência de calor;
Recuperação de Potência: captura alguma exergia que seria perdida em compressão ou expansão espontânea;
Recuperação de Calor Rejeitado: captura parte da exergia que seria descarregada na vizinhança em forma de calor. 
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Termoeconomia
Para o projeto de um sistema térmico é preciso levar em conta conceitos de:
Termodinâmica;
Mecânica dos Fluídos;
Transmissão de calor;
Materiais;
Fabricação;
Projeto mecânico;
Engenharia econômica.
O termo termoeconomia pode ser entendido nessa ultima área acima, mas também é usado para designar um conjunto de metodologias que combinam exergia e economia.
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Usando Exergia no Projeto
Unidade geradora
de potência
Caldeira recuperadora
de calor
Corrente elétrica
Produtos de
combustão
Água de 
alimentação
Vapor com potencial
de utilização
A diferença entre a temperaturas
é uma medida de irreversibilidades
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Custos X Irreversibilidades
Ponto ótimo
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ANÁLISE DE EXERGIA (DISPONIBILIDADE)
Exergia e Termoeconomia
Outro aspecto da termoeconomia é o uso da exergia para agregação de custos aos produtos de um sistema;
Associar a cada produto o custo para produzi-lo (combustível, insumos, operação, manutenção);
Com isso pode-se determinar o custo de geração de cada utilidade.