Principio De Ure

PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS DEL URE EN SISTEMAS TÉRMICOS

María Isabel Sosa, Alberto Fushimi Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de La Plata Avda 1 esq. Calle 47 (1900) La Plata, BA Teléfono: 54 221 470 7176 misosa@volta.ing.unlp.edu.ar, afushimi@ing.unlp.edu.ar

RESUMEN: En este trabajo los autores presentan en forma simple, los conceptos que derivan del análisis de sistemas térmicos según el Segundo Principio de la Termodinámica, como aporte a una mayor participación de profesionales y técnicos en aspectos del Uso Racional de la Energía, URE. Un sistema térmicos debe ser analizado no solo según el Principio de Conservación de la Energia, sino también según el Segundo Principio, tomando en cuenta consideraciones exergéticas. En nuestro País, la comprensión y adecuada aplicación del concepto exergético está muy lejos de alcanzar un nivel razonable de aplicación real. La inclusión del Segundo Principio permite la valoración cualitativa de las magnitudes de la energía en un sistema térmico, respecto a los alrededores con el que interactúa y permite ahorros sustanciales de recursos primarios. El actual panorama de utilización de combustibles fósiles, su disponibilidad previsible en un futuro próximo, y nivel de deterioro del medio ambiente revela una tendencia incompatible con los conceptos de sustentabilidad que la racionalidad muestra como necesaria.

Palabras Clave: Segundo Principio de la Termodinámica. Exergía. Uso Racional de la Energía. Recursos energéticos. Procesos de conversión.

INTRODUCCIÓN

La matriz energética de nuestro País muestra una elevada dependencia de los combustibles fósiles. En efecto, según datos de la Secretaría de Energía, S de E, la participación de los diferentes recursos energéticos primarios en el total para el año 2000, se indica en la Figura 1, siendo del 92% para los combustibles fósiles, petróleo y gas natural.

Carbón 0%

Otros 2%

Petróleo 47%

Gas Natural 45%

Nuclear 1%

Biomasa 2%

Hidro 3%

Producción Primaria: 83.3 Millones TEP R. Argentina, año 2000

Figura 1: Producción de recursos energéticos primarios en Argentina, (S de E), año 2000

Las dos aplicaciones energéticas de los combustibles son s, la obtención de trabajo mecánico (electricidad en la mayoría de los casos) y del vector calórico. Ambos resultan procesos separadamente ineficientes; el primero desde el punto de vista entálpico y el segundo desde el punto de vista exergético.

Shonder y Mc Lain (1995) hacen notar que durante 1992 en los Estados Unidos se utilizaron 30900 PJ de energía primaria para la conversión termoeléctrica, siendo las pérdidas de 20300 PJ, o sea de un 66%. Asimismo indican que una recuperación intensiva de esta energía mediante la cogeneración provocaría un impacto significativo en el consumo global de energía del País y en la emisión de contaminantes al medio ambiente. Aparte de lo impactante que resultan estas cifras, es un ejemplo que muestra claramente el enorme espacio disponible para reducir el consumo de combustibles fósiles mediante el Uso

ASADES

Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 8, Nº 2, 2004. Impreso en la Argentina. ISSN 0329-5184

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Racional de la Energía, URE, si se lograra alcanzar el interés de la Comunidad y de las generaciones futuras en armonía con los individuales, y se pudiera realizar una acción integrada en la producción y uso de la energía acorde a la racionalidad derivada de las leyes físicas.

En este trabajo los autores intentan presentar en forma conceptualmente simple, los conceptos que derivan del análisis de sistemas térmicos según el Segundo Principio de la Termodinámica, como aporte a una mayor participación de profesionales y técnicos en aspectos del Uso Racional de la Energía.

PRIMER Y SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA EN SISTEMAS TÉRMICOS

El Uso Racional de la Energía reconoce dos niveles de problemas, asociados respectivamente a cada uno de los principios de la Termodinámica:

1) Un análisis según el Primer Principio de la Termodinámica Principio o Ley de Conservación de la Energía está basado en la eficiencia térmica de las componentes del sistema térmico y en reducir las perdidas de energía. El denominado “housekeeping”, o “captura de BTU´s”, consiste pues en buscar y solucionar las pérdidas de energía que se producen por deficiencias en los elementos de un sistema, como ser aislaciones térmicas deficientes, pérdidas de condensado, purgas no justificables, trampas de vapor deficientes, quemadores descalibrados, instrumentación de control en mal estado, válvulas que no cierran correctamente, equipos inadecuados, etc. 2) Un análisis según el Segundo Principio de la Termodinámica Principio toma en consideración la calidad de la energía. Apunta a evitar las pérdidas de calidad de la energía, producidas espontáneamente en los procesos denominados “irreversibles”. Consideremos un sistema térmico que presenta desequilibrio de alguna naturaleza con los alrededores con los que interactúan. El sistema tendrá un vector energético, un contenido entálpico, pero según el Segundo Principio, solo una parte de esta energía, la exergía, puede transformarse en trabajo mecánico. El resto es “anergía”, energía que no puede transformarse en trabajo. Para sistemas circulantes será pues:

Exergía + Anergía = Entalpía

La exergía de un sistema térmico se define respecto de un estado de referencia, los alrededores, o sea el sistema con el que el sistema térmico interactúan (Bejan et al., 1996) y se la define como la cantidad máxima teórica de trabajo obtenible cuando el sistema térmico interactúa con los alrededores hasta alcanzar el equilibrio con éste. La energía que no puede ser transformada en trabajo es anergía. Esta “degradación de la energía” tiende a producirse espontáneamente y finaliza cuando el sistema ha alcanzado el equilibrio con los alrededores, o sea el sistema está sin capacidad de producción de trabajo; toda la entalpía que contiene es anergía. Se comprende pues que el buen uso de un recurso energético (URE) implica no sólo minimizar las pérdidas cuantitativas inútiles de energía del sistema, (Primer Principio), sino minimizar también en lo posible la degradación de la energía.

Por ejemplo, para el vapor de agua producido en caldera convencional o generador de vapor ideal con rendimiento entálpico del 100%, los valores calculados para algunos parámetros típicos se muestran en la Tabla 1, considerando como estado de referencia, (alrededores), líquido saturado a 40oC.

Tabla 1: Entalpía, exergía, anergía e eficiencia en la obtención de vapor de agua en un generador de vapor con rendimiento térmico del 100%

Presión Temperatura Entalpía Exergía Anergía Exergía / Entalpía Anergía / Entalpía Bar (a) ºC kJ/kg kJ/kg kJ/kg % % 10 179.9 2608.8 726.8 1882.0 27.9 72.1 20 300.0 2856.4 916.7 1939.7 32.1 67.9 30 420.0 3108.5 1099.8 2008.7 35.4 64.6 42 480.0 3228.4 1214.5 2013.9 37.6 62.4 50 490.0 3242.0 1246.7 1995.3 38.5 61.5 64 500.0 3249.3 1285.0 1964.3 39.5 60.5 105 525.0 3264.8 1361.4 1903.4 41.7 58.3

En la última columna se muestran los porcentajes de anergía del vapor con relación al calor ingresado como recurso primario, entalpía, evidenciando la enorme degradación que produce el generador de vapor. En una caldera ideal se produce vapor saturado de 10 bar con una eficiencia exergética del 27.9%, o sea degrada el 72.1%. En cambio si se tratara de una caldera industrial con rendimiento térmico del 80%, la eficiencia exergética disminuye al 22.3% degradando el 77.7% de la energía del recurso en la conversión. Esta degradación se debe a irreversibilidades del proceso de combustión, fricción de las corrientes de los fluidos y en especial a la enorme diferencia de temperaturas entre los fluidos (gases de combustión y el agua) en la transferencia térmica en la caldera.

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Los bajos valores de exergía del vapor con relación a la entalpía que debe transferirse para alcanzar el estado de referencia deseado hacen que la cantidad de trabajo que el vapor puede producir al expandirse en una turbina sea muy reducido con relación a la entalpía de la corriente de escape. También explican las razones por las que un ciclo de generación convencional a vapor de gran tamaño a nivel mundial, con parámetros de 310 bar de presión, temperaturas de 620/566/358°C, doble recalentamiento y 9 etapas de precalentamiento regenerativo, (Retzlaff y Ruegger, 1996), alcanza eficiencias netas de generación que no exceden significativamente el 40 a 45% de eficiencia eléctrica neta, siendo valores de entre 30 y 40% típicos en centrales a vapor de nuestro País.

Bajo estas consideraciones, vemos una diferencia sustancial desde el punto de vista termodinámico entre la turbina de gas TG y la de vapor TV, máquinas similares desde el punto de vista mecánico. La turbina de gas opera con los gases generados por combustión, mientras que la turbina de vapor recibe vapor generado en una caldera, donde los gases de combustión transfieren su energía al sistema agua-vapor la energía. Debido a un elevado nivel de irreversibilidad, el vapor pierde una parte sustancial de la exergía de los gases de combustión en este proceso. La caldera convencional es uno de los equipos de mayor irracionalidad termodinámica. Si se compara los valores indicados en la Tabla 1 de la exergía del vapor obtenido con la cantidad de energía en términos de entalpía insumida, los resultados son decepcionantes. Esto pone de manifiesto la irracionalidad de utilizar una energía

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