Thermodynamik 2
Werbung
Exergie Konzept zur Bewertung der Qualität von Energie FH DüsseldorfThermodynamik 2 Susanne Staude Reversible Kreisprozesse Wärmequelle TH th,rev Qzu WKM TL 1 TH Wnetto Qab Wärmesenke TL FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 80 Definition: Exergie & Anergie • Exergie ist Energie, die sich in einer bestimmten Umgebung in jede andere Energieform umwandeln lässt. – Exergie: „nützlicher“ Teil einer Energie – Anergie: nicht nützlich Energie = Exergie (E) + Anergie (B) FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 81 System im Gleichgewicht mit der Umgebung • System / Stoffstrom im Gleichgewicht mit Umgebung ⇒ keine Arbeit – Gleichgewicht: • p = pu: mechanisches GGW • T = Tu: thermisches GGW FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 82 Exergie einer Wärmequelle Wird eine Wärmstrom (ein Stoffstrom/eine Kontrollmasse) in das Gleichgewicht mit der Umgebung gebracht, ist die hierbei gewinnbare negative reversible Arbeit die Exergie. Exergie = - Wrev,nutz FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 83 Exergie einer Wärmequelle Wärmequelle T Tu EQ Q1 T Q WKM Wnutz Carnotfaktor Qab Umgebung Tu FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 84 Exergie eines Stoffstroms Ein Stoffstrom wird reversibel in das Gleichgewicht mit der Umgebung gebracht (ΔEkin = ΔEpot= 0). Tu, pu m̊ T, p Q Prev Tu, pu h hu Tu s su E h Prev m FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 85 Exergie geschlossener Systeme W Tu, pu T, p Q EU mu uu Tu s su pu v vu berücksichtigt die Verdrängung der Atmosphäre bei pu FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 86 Exergie • Beinhaltet die Aussagen des 1. und 2. Hauptsatzes der Thermodynamik • Aussage über die Qualität einer Energiequelle in der gegebenen Umgebung: – Wärme: entsprechend dem Carnotfaktor – Stoffstrom: Betrag der maximalen (rev.) Arbeit bis zum Gleichgewicht mit Umgebung – geschlossene Systeme: Betrag der maximalen (rev.) Arbeit abzüglich dem Betrag der Verdrängungsarbeit an der Atmosphäre – andere Energieformen: reine Exergie FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 87 Irreversible Prozesse: Exergieverlust EV E Anf . EEnde Tu Sirr EV E ein E aus Tu Sirr FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 88 Beispiel: Exergieverlust Ein Kompressor saugt Umgebungsluft bei 100 kPa, 25 °C an und komprimiert diese auf 1 MPa, 540 K; die Wärmeabgabe beträgt 50 kJ/kg Luft. Wie hoch ist der spezifische Exergieverlust? Daten für Luft: RLuft = 0.287 kJ/kgK cp,Luft = 1,004 kJ/kgK FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 89 Exergie-Anergie-Flussbilder Exergiever lust(strom) EV E ein E aus Tu Sirr Tu Q1 P m ein eh,ein m auseh,aus T FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 90 Exergetischer Wirkungsgrad • Zur Bewertung von Prozessen: abgegebene n Exergiestr öme aufgewende te Exergiestr öme bzw. 1 FH Düsseldorf Exergiever lust aufgewende te Exergiestr öme Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 91 Beispiel: Exergetischer Wirkungsgrad Was ist der exergetische Wirkungsgrad des Kompressors aus dem vorherigen Beispiel? FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 92 Exergieverlust • Exergieverlust durch Irreversibilitäten: EV = TuΔSirr • Irreversible Prozesse erzeugen Entropie: – Reibung – Wärmeübertragung mit Temperaturdifferenz – Mischung –… FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 93 Erinnerung: Mischung idealer Gase vorher Gas A nachher Gas B TMischung = TA = TB TA = TB pMischung = pA1 pA1 = pB1 FH Düsseldorf Mischung =pA2 + pB2 Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 94 Reversible Mischung Wnutz FH Düsseldorf Wnutz Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 95 Reversible Mischung Wnutz FH Düsseldorf Wnutz Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 96 Reversible Mischung -Wrev, nutz = Exergie • Irreversible Mischung: – Kein Wnutz → Exergieverlust – d.h.: EV = -Wrev, nutz • Entmischung (Trennung): – mindestens aufzubringende Arbeit = -Wrev, nutz = EV = TuΔSirr FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 97 Exergieverlust bei Mischung • Entropieerzeugung durch Mischung: S 2 S1 S nachMischung S vorMischung FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Q12 Sirr T Seite 98 Mischung Idealer Gase - Entropie • zur Erinnerung: – Gemisch von Gasen: xi = Molenbruch pi = Partialdruck Enthalpie, innere Energie nur Funktion von Temperatur • Entropie: Funktion von T und P: ⇒ im Gemisch: Funktion von T und Partialdruck: SGemisch ni si (T , pi ) FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 99 Exergieverlust bei Mischung Id. Gase • Mischungsentropie: – adiabate Mischung von Gasen gleicher Temperatur und gleichen Drucks Sirr Rm ni ln xi i FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 100 Beispiel: Mischungsentropie Wie ändert sich die Entropie wenn 0.21 mol Sauerstoff mit 0.79 mol Stickstoff isobar isotherm bei Umgebungsbedingung von 1 bar und 25°C gemischt werden? Wie viel Arbeit wird mindestens benötigt, um die Gase wieder zu trennen? FH Düsseldorf Thermodynamik 2 Susanne Staude Seite 101 DAAD Deutscher Akademischer Austausch Dienst German Academic Exchange Service Forschungspraktika für Studierende der Natur- und Ingenieurwissenschaften im Sommer 2010 Verfahren 1 Projektangebote einsehen ab 18. Januar 2010 Onlineregistrierung unter www.daad.de/rise-northamerica 2 Online auf bis zu drei Angebote bewerben Bewerbungsschluss: 26. Februar 2010 3 Anfang April: Ergebnis Auswahlverfahren Bewerbungsvoraussetzung: zum Zeitpunkt der Bewerbung max. im 5. Semester, Abschluss nicht vor WS 2010/2011 Stipendien Monatliche Raten (EUR 800 USA; EUR 675 Kanada), Reisekostenpauschale, Kranken-, Unfall- und Privathaftpflichtversicherung, Alumniseminar im Herbst 2010 Nähere Informationen www.daad.de/rise-programs Ansprechpartnerin: Kerstin Spreier, Ref. 316, [email protected], 0228 882 601 RISE in North America wird gefördert mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung Bildquelle: DAAD
