eficiencia exergética

En ingeniería térmica , la eficiencia exergética (también conocida como eficiencia de la segunda ley o eficiencia racional ) calcula la efectividad de un sistema en relación con su rendimiento en condiciones reversibles . Se define como la relación entre la eficiencia térmica de un sistema real y una versión idealizada o reversible del mismo para máquinas térmicas . También puede describirse como la relación entre el trabajo útil producido por el sistema y el trabajo reversible producido por sistemas que consumen trabajo. Para refrigeradores y bombas de calor , es la relación entre el coeficiente de rendimiento (COP) real y el COP reversible.

La necesidad de la eficiencia según la segunda ley radica en que la eficiencia según la primera ley no considera una versión idealizada del sistema para su comparación. El uso exclusivo de la eficiencia según la primera ley puede llevar a creer que un sistema es más eficiente de lo que realmente es. Por lo tanto, se requiere la eficiencia según la segunda ley para obtener una visión más realista de la efectividad de un sistema. La segunda ley de la termodinámica demuestra que ningún sistema puede alcanzar una eficiencia del 100%.

El balance de exergía B de un proceso proporciona:

con la eficiencia exergética definida como:

Para muchos sistemas de ingeniería, esto se puede reformular como:

Dónde${\displaystyle \Delta G_{T}^{0}}$es la energía libre de Gibbs estándar de reacción a temperatura${\displaystyle T}$y presión${\displaystyle p_{0}=1\,\mathrm {bar} }$(también conocido como cambio de función de Gibbs estándar ), ${\displaystyle {\dot {W}}_{\text{net}}}$es el trabajo neto de salida y${\displaystyle {\dot {m}}_{\text{combustible}}}$es el caudal másico de combustible.

De la misma forma, la eficiencia energética puede definirse como:

Dónde${\displaystyle \Delta H_{T}^{0}}$es la entalpía estándar de reacción a temperatura${\displaystyle T}$y presión${\displaystyle p_{0}=1\,\mathrm {bar} }$.

La destrucción de exergía está estrechamente relacionada con la creación de entropía y, por lo tanto, cualquier sistema que contenga procesos altamente irreversibles tendrá una baja eficiencia energética. Por ejemplo, el proceso de combustión dentro de la turbina de gas de una central eléctrica es altamente irreversible y aproximadamente el 25 % de la exergía de entrada se destruye en este proceso.

Para los combustibles fósiles, la entalpía libre de reacción suele ser solo ligeramente inferior a la entalpía de reacción, por lo que, según las ecuaciones ( 3 ) y ( 4 ), la eficiencia energética será correspondientemente mayor que la eficiencia de la ley de la energía. Por ejemplo, una central eléctrica de ciclo combinado típica que quema metano puede tener una eficiencia energética del 55%, mientras que su eficiencia exergética será del 57%. Una central eléctrica de metano con una eficiencia exergética del 100% correspondería a una eficiencia energética del 98%.

Esto significa que, para muchos de los combustibles que utilizamos, la eficiencia máxima que se puede alcanzar es superior al 90%; sin embargo, en muchas situaciones estamos limitados a la eficiencia de Carnot, ya que se utiliza un motor térmico.

Para cualquier máquina térmica, la eficiencia exergética compara un ciclo dado con una máquina térmica de Carnot con la temperatura del lado frío en equilibrio con el entorno. Cabe señalar que una máquina de Carnot es la máquina térmica más eficiente posible, pero no el dispositivo más eficiente para generar trabajo. Las pilas de combustible , por ejemplo, pueden alcanzar teóricamente eficiencias mucho mayores que una máquina de Carnot; su fuente de energía no es térmica, por lo que su eficiencia exergética no se compara con la de una máquina de Carnot. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Ni la primera ni la segunda ley de la termodinámica incluyen una medida de la tasa de transformación de energía . Cuando se incluye una medida de la tasa máxima de transformación de energía en la medida de la eficiencia de la segunda ley, se la conoce como eficiencia de la segunda ley bajo potencia máxima, y ​​está directamente relacionada con el principio de potencia máxima (Gilliland 1978, p.  101).

Las aplicaciones que buscan cambios en los flujos, como la concentración de especies, requieren definiciones más precisas de los volúmenes de control y los estados finales deseados. Por ejemplo, para los sistemas HVAC que buscan enfriar y deshumidificar, es razonable definir sus eficiencias de la segunda ley para enfriamiento y deshumidificación calculando los cambios de exergía de todos los flujos de aire y agua entrantes y salientes, asumiendo una temperatura y humedad objetivo del aire de suministro. ^{[ 3 ]} En contraste, en la desalinización térmica, por ejemplo, la temperatura de los flujos en sistemas reales no es importante, por lo que los cálculos deben incluir volúmenes de control que permitan que los flujos salientes de salmuera y agua pura alcancen el equilibrio térmico con su entorno.

• Producción de entropía
• Energía
• eficiencia de conversión de energía
• principio de máxima potencia

• MW Gilliland (1978) Análisis energético: una nueva herramienta de política pública , Westview Press.
• Yunas A. Cengel, Michael A. Boles (2015) Termodinámica: Un enfoque de ingeniería , McGraw-Hill Education.