FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DISCIPLINA DE MÁQUINAS TÉRMICAS ACADÊMICAS: CAMILA EDUARDA KOERICH LETÍCIA CAROLINE WERNER EXERGIA 1
DEFINIÇÕES
1.1 EXERGIA Segundo Moran et al. (2013), a exergia é a propriedade que quantifica o potencial de uso. O autor também afirma que a exergia é o máximo trabalho teórico que é possível se obter a partir de um sistema global. Este sistema global é composto pelo ambiente e por um sistema que devem estar em equilíbrio, ou seja, quando se atinge o estado morto. O trabalho máximo, então, é obtido quando não há irreversibilidade. Para que exista a interação entre o sistema e o ambiente há a possibilidade da utilização de dispositivos auxiliares que permitam a realização de trabalho. Este trabalho obtido pode ser realizado como trabalho de eixo ou trabalho elétrico. Para a compreensão termodinâmica que envolve o conceito de exergia, necessita-se modelar os termos ambiente e estado morto. Ambiente é considerado grande em extensão, uniforme em temperatura e pressão e livre em irreversibilidades. Quando um sistema está em repouso em relação ao ambiente, afirma-se que este está em estado morto. No estado morto não pode haver interação entre o sistema e o ambiente, e, consequentemente, não há potencial para se desenvolver trabalho.
1.2 DESTRUIÇÃO DA EXERGIA Define-se destruição da exergia como lixo energético, ou seja, o desperdício que energia que ocorre em processos termodinâmicos devido à geração de entropia. Os ciclos termodinâmicos exergéticos são processos subsequentes que produzem exergia e energia para produção em processos industriais, além de gerarem desperdícios instáveis que devem ser controlados (GONÇALVES; GASPAR, 2017).
Além disso, a exergia não se conserva, é destruída por meio de irreversibilidades ou transferida de ou para sistemas. A exergia a qual é transferida de um sistema e não é utilizada, representa uma perda. Para um melhor aproveitando energético, procura-se reduzir a destruição de exergia ou diminuir as perdas no interior de um sistema. O objetivo ao analisar a exergia de um sistema é identificar locais os quais ocorrem destruição e perdas de energia e então, classifica-los de acordo com a sua importância, permitindo melhorias em relação ao custo da operação.
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BALANÇO ENERGÉTICO/EQUACIONAMENTO
Considerando um processo em que o sistema e o ambiente estejam em equilibro, o balanço de energia global é dado por:
∆ = + Como não há transferência de energia (calor) através da fronteira do sistema, Q c = 0.
Onde Wc é o trabalho desenvolvido pelo sistema global e ΔEc é a variação de energia do sistema global, ou seja, a soma das variações de energia do sistema e do ambiente. A energia do sistema no estado morto é, simplesmente, sua energia interna, U o, portanto:
∆ = −+ ∆ Onde E é a energia do sistema e ΔUamb é a variação da energia interna do ambiente. Embora temperatura e pressão sejam constantes, as variações de energia interna, entropia e volume do ambiente estão relacionadas pela seguinte equação:
∆ = 0 .∆ − . ∆ Substituindo,
∆ = −+ 0 .∆ − . ∆
Substituindo na primeira equação e isolando W c:
= − −0 .∆ − . ∆ Como o volume total é constante, a variação de volume do ambiente é igual em magnitude e oposta em sinal à variação de volume do sistema, sendo assim:
∆ = − − Portanto,
= − + . 0 −−0 .∆ Esta equação fornece o trabalho para o sistema global à medida que o sistema passa ao estado morto. Para o trabalho teórico máximo é determinado utilizando o balanço de entropia a seguir.
Para o sistema global:
∆ = Neste caso, o termo da transferência de entropia é omitido pois nenhuma transferência de calor atravessa a fronteira do sistema global. O termo
considera a
produção de entropia devido às irreversibilidades à medida que o sistema entra em equilíbrio com o ambiente. A variação de entropia ( ΔSc) é o somatório das variações de entropia do sistema e do ambiente, ou seja:
∆ = −+ ∆ Onde S e So são, respectivamente, a entropia do sistema em um dado estado e no estado morto. Combinando, temos:
= − +.−− .− − . Como,
=++ A equação torna-se:
= −+. −− .− + +− .
O termo
, de acordo com a segunda lei da termodinâmica, é positivo quando há
irreversibilidades e se anula quando não há a presente de irreversibilidades. Este não pode ter valores negativos, portanto, o valor teórico máximo para o trabalho do sistema global Wc é obtido fazendo-se máximo é a exergia, E.
= 0. Por definição apresentada anteriormente, esse valor
A variação de exergia entre dois estados pode ser representada por:
Estado inicial:
= −+ . − − −+ + Estado final:
2 = 2 −+ .2 − − 2 −+2 +2 Subtraindo esses termos, temos a variação de exergia:
2− = 2 −+ .2 − − 2 −+2 −+2 − O balanço de exergia para um sistema fechado, se dá pela combinação dos balanços de energia e entropia apresentados anteriormente, as formulações usadas são, respectivamente:
2 ∆+∆+∆= − 2 ∆= ( ) +
Onde W e Q são, respectivamente, trabalho e transferência de calor entre o sistema e a vizinhança. No balanço de entropia, T b denota a temperatura nas fronteiras do sistema
onde Q ocorre. O termo S leva em conta a entropia produzida no interior do sistema pelas irreversibilidades internas. Multiplicando o balanço de entropia por To e subtraindo a expressão resultante do balanço de energia, obtém-se:
2 2 ∆+∆EC+∆EP− .∆= − ( ) −−. Rearranjando e introdução a equação da variação de entropia, temos:
2 2 − − .2 −= (1− ).− − . Rearranjando, o balanço de energia para a exergia fica:
2 2 − = (1− ).− [− .2 − ]− . Onde o termo
2 − ∫2 1− .−[− .2 − ] ∫2 1− .
representa a variação de exergia, a qual depende da natureza do
processo. O termo
exergia, onde o primeiro termo
representa as transferências de
está associado à transferência de calor de
ou para o sistema durante o processo, e o segundo termo
[− .2 − ]
está
associado como a transferência de exergia associada ao trabalho. E, por fim, o termo
.
representa a destruição da exergia em virtude das irreversibilidades no interior do sistema.
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EXEMPLOS DE APLICAÇÃO Sendo a exergia o máximo trabalho teórico que pode ser obtido, sua aplicação se dá através da análise dos processos, sendo possível quantificar e qualificar causas de irreversibilidade. Portanto, é uma ferramenta capaz de determinar melhorias e otimização nos processos, assim como mensurar possíveis impactos ambientais. Desta forma, a exergia pode ser estabelecida como o padrão mais adequado para avaliação da variação da qualidade da energia na análise de sistemas térmicos (Kotas, 1985).
Para uma máquina térmica, a exergia fornecida é o decréscimo na exergia do calor transferido para a máquina, que é a diferença entre a exergia do calor fornecido e a exergia do calor rejeitado (a exergia do calor rejeitado na temperatura ambiente é zero). O trabalho líquido de saída é a exergia recuperada (COSTA, 2007).
3.1 TROCADOR DE CALOR Para um trocador de calor com correntes de fluidos que não se misturam, normalmente a exergia é a diminuição na exergia da corrente fluida em temperatura mais alta, e a exergia recuperada é o aumento da exergia da corrente de fluido de temperatura mais baixa.
3.2 COMBUSTÍVEL A exergia química de um combustível é igual a máxima quantidade de trabalho obtido quando a substância em estudo é trazida das condições iniciais até o estado final, por processo envolvendo transferência de calor e mudança as substâncias com relação ao ambiente. A exergia química de combustíveis gasosos envolve uma complicação adicional, porque os combustíveis não fazem parte de substâncias comuns do ambiente considerado pela função de Gibbs.
3.3 MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA Considerando que o motor opere em regime permanente, a taxa pela qual a exergia entra no motor é igual à taxa pela qual a exergia sai mais a taxa pela qual a exergia é destruída no interior do motor. O ar para combustão entra na condição ambiente, e consequentemente com um valor nulo de exergia. Apenas o combustível fornece exergia ao motor. A exergia sai do motor acompanhando o calor e o trabalho, e com os gases da combustão. Dispositivos projetados para realizar trabalho utilizando um processo de combustão como motor de combustão interna, invariavelmente possuem irreversibilidades e perdas associadas as suas operações. Consequentemente, dispositivos reais produzem trabalho que é apenas uma fração do valor máximo teórico que poderia ser obtido em circunstâncias idealizadas.
REFERÊNCIAS COSTA, Yoge Jeronimo Ramos da. Análises Energética e Exergética de um Motor de Combustão Interna Operando com Mistura de Diesel e Gás Natural. 2007. 185 f. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia de Processos, Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, 2007.
GONÇALVES, Luís Carrilho; GASPAR, Pedro Dinis. Energia, Entropia, Exergia – Conceitos úteis
e
eficiências.
Disponível
em:
. Acesso em: 16 out. 2017.
KOTAS, T. J. The exergy method of thermal plant analysis. London: Butterworths, 1985.
MORAN, Michael J. et al. Princípios de termodinâmica para engenharia. Rio de Janeiro: LTC, 2013.
