Efficienza exergy - Exergy efficiency

L'efficienza exergy (nota anche come efficienza di seconda legge o efficienza razionale ) calcola l'efficacia di un sistema rispetto alle sue prestazioni in condizioni reversibili. È definito come il rapporto tra l' efficienza termica di un sistema reale rispetto a una versione idealizzata o reversibile del sistema per motori termici . Può anche essere descritto come il rapporto tra l'output di lavoro utile del sistema e l'output di lavoro reversibile per i sistemi che consumano lavoro. Per i frigoriferi e le pompe di calore , è il rapporto tra il COP effettivo e il COP reversibile.

Motivazione

Il motivo per cui l'efficienza della seconda legge è necessaria è perché le efficienze della prima legge non tengono conto di una versione idealizzata del sistema per il confronto. Usare solo le efficienze di prima legge può portare a credere che un sistema sia più efficiente di quanto non sia nella realtà. Quindi, le efficienze di seconda legge sono necessarie per ottenere un quadro più realistico dell'efficacia di un sistema. Dalla seconda legge della termodinamica si può dimostrare che nessun sistema potrà mai essere efficiente al 100%.

Definizione

L' equilibrio dell'exergia B di un processo dà:

{\ displaystyle B _ {\ text {in}} = B _ {\ text {out}} + B _ {\ text {lost}} + B _ {\ text {distrutto}}}

( 1 )

con efficienza exergica definita come:

{\ displaystyle \ eta _ {B} = {\ frac {B _ {\ text {out}}} {B _ {\ text {in}}}} = 1 - {\ frac {\ left (B _ {\ text {lost }} + B _ {\ text {distrutto}} \ right)} {B _ {\ text {in}}}}}

( 2 )

Per molti sistemi di ingegneria questo può essere riformulato come:

{\ displaystyle \ eta _ {B} = {\ frac {{\ dot {W}} _ {\ text {net}}} {{\ dot {m}} _ {\ text {fuel}} \ Delta G_ { T} ^ {0}}}}

( 3 )

Dov'è l'energia Gibbs standard (libera) di reazione a temperatura e pressione (nota anche come variazione della funzione Gibbs standard ), è la produzione netta di lavoro ed è la portata massica del carburante. ${\ displaystyle \ Delta G_ {T} ^ {0}}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle p_ {0} = 1 \, \ mathrm {bar}}$ ${\ displaystyle {\ dot {W}} _ {\ text {net}}}$ ${\ displaystyle {\ dot {m}} _ {\ text {fuel}}}$

Allo stesso modo l'efficienza energetica può essere definita come:

{\ displaystyle \ eta _ {E} = {\ frac {{\ dot {W}} _ {\ text {net}}} {{\ dot {m}} _ {\ text {fuel}} \ Delta H_ { T} ^ {0}}}}

( 4 )

Dov'è l'entalpia standard di reazione a temperatura e pressione , per tutti i combustibili quindi l'efficienza exergica deve essere sempre maggiore dell'efficienza energetica. ${\ displaystyle \ Delta H_ {T} ^ {0}}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle p_ {0} = 1 \, \ mathrm {bar}}$ ${\ displaystyle \ Delta G_ {T} ^ {0} <\ Delta H_ {T} ^ {0}}$

Applicazione

La distruzione dell'exergia è strettamente correlata alla creazione di entropia e come tale qualsiasi sistema contenente processi altamente irreversibili avrà una bassa efficienza energetica. Ad esempio il processo di combustione all'interno di una turbina a gas di una centrale elettrica è altamente irreversibile e qui verrà distrutto circa il 25% dell'apporto energetico.

Per i combustibili fossili l'entalpia di reazione libera è solitamente solo leggermente inferiore all'entalpia di reazione, quindi dalle equazioni ( 3 ) e ( 4 ) possiamo vedere che l'efficienza energetica sarà corrispondentemente maggiore dell'efficienza della legge energetica. Ad esempio, una tipica centrale elettrica a ciclo combinato che brucia metano può avere un'efficienza energetica del 55%, mentre la sua efficienza energetica sarà del 57%. Una centrale elettrica alimentata a metano con efficienza 100% exergica corrisponderebbe a un'efficienza energetica del 98%.

Ciò significa che per molti dei combustibili che utilizziamo, l'efficienza massima ottenibile è> 90%, tuttavia siamo limitati all'efficienza di Carnot in molte situazioni poiché viene utilizzato un motore termico.

Per quanto riguarda il motore termico Carnot

Un malinteso comune è che l'efficienza exergica paragoni un dato ciclo a un motore termico di Carnot . Questo non è corretto perché un motore Carnot è il motore termico più efficiente possibile, ma non il dispositivo più efficiente per creare lavoro. Le celle a combustibile , ad esempio, possono teoricamente raggiungere efficienze molto più elevate di un motore Carnot.

Efficienza di seconda legge alla massima potenza

Né la prima né la seconda legge della termodinamica includono una misura della velocità di trasformazione dell'energia. Quando una misura del tasso massimo di trasformazione dell'energia è inclusa nella misura dell'efficienza della seconda legge, è nota come efficienza della seconda legge alla massima potenza e direttamente correlata al principio della massima potenza (Gilliland 1978, p. 101).

Guarda anche

Riferimenti

MW Gilliland (1978) Analisi energetica: un nuovo strumento di politica pubblica , Westview Press.
Yunas A. Cengel, Michael A. Boles (2015) Thermodynamics: An Engineering Approach , McGraw-Hill Education.

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