Cuando se estudia el Balance de Energía se establecen un grupo de limitaciones que la Segunda Ley de la Termodinámica impone al Principio de Conservación de la Energía producto de la irreversibilidad de los procesos reales. El grado de irreversibilidad implica una relación estrecha con la efectividad de la Energía, lo que indica que el análisis energético en sí es incompleto y no brinda toda la información que se requiere al estudiar el comportamiento de un sistema. Tradicionalmente se ha completado el estudio energético con el uso de eficiencias energéticas (η), basado en regularidades del proceso o en la experiencia del que enfrenta el análisis. Existen otros métodos para el estudio del aprovechamiento energético, uno de ellos es el basado en la exergía como propiedad del sistema que representa la parte útil de la energía contenida. Recibe también los nombres de “Capacidad de Trabajo Técnica” o “Trabajo Técnico Máximo” (Espinosa, 2014).
La exergía se define como el potencial de trabajo útil máximo que puede obtenerse de un sistema que está en un estado inicial dado y es llevado al estado muerto, el cual está equilibrado con el ambiente circundante. En este caso el sistema al final estaría a la presión y temperatura ambiente (en equilibrio térmico y mecánico), no se tendría energía cinética y potencial (cambio de velocidad y altura igual a 0) y finalmente está químicamente inerte, siendo así que sus componentes químicos ya se diluyeron en el ambiente circundante. La exergía es una propiedad del sistema, más no de la materia, ya que ella es una medida de energía disponible que puede convertirse en trabajo útil, que está ligado a las condiciones ambientales del entorno. El valor de la exergía no puede ser negativo ya que, si se tiene un estado diferente al muerto en un sistema y este espontáneamente cambia al estado muerto sin producir trabajo, indica que la exergía como máxima muestra de trabajo útil en un
sistema no contrarresta el balance de exergía para anular el trabajo que no existió. La exergía no es conservativa, por consiguiente, esta se destruye por las irreversibilidades. Un caso puede ser cuando se pasa del estado inicial del sistema al estado muerto y no se produce trabajo útil. Siendo así que el potencial de desarrollar trabajo se desperdició en el cambio de estado (Sanz, 2014).
La exergía total de un sistema está compuesta por la exergía potencial, cinética, física y química. La exergía física se refiere a la cantidad máxima de trabajo que se puede desarrollar en un sistema, cuando sus fluidos pasan de una temperatura y presión inicial al equilibrio térmico y mecánico con el ambiente circundante. La exergía química se refiere al trabajo máximo posible que se puede producir, al permitir que los flujos del sistema, se estabilicen o diluyan al estado muerto con los elementos químicos que forman el ambiente circundante a la presión parcial de cada uno de ellos (Sanz, 2014).
Una de las principales ventajas del análisis exergético sobre el análisis energético es que la exergía contenida en los flujos de un proceso es mejor evaluada que la energía ya que la exergía indica la fracción de energía que es realmente usada y útil. La aplicación del análisis exergético a un componente, proceso o sector puede guiar sobre cómo mejorar la sostenibilidad reduciendo las pérdidas exergéticas.
Metodología para el análisis exergético:
1. Realizar una descripción tanto del sistema como del proceso que va a estudiarse.
2. Dividir convenientemente el sistema en volúmenes de control por medio de fronteras claramente especificadas.
3. Definir el ambiente del sistema.
4. Realizarle idealizaciones necesarias para desarrollar un modelo manejable. 5. Calcular los flujos de masa y energía por medio de un análisis de Primera Ley. 6. Calcular los flujos de exergía y la destrucción de exergía en cada componente.
7. Definir y calcular la eficiencia exergética y otros parámetros de evaluación de cada componente.
9. Identificar la locación y magnitud de los principales sumideros de exergía.
En el caso del balance exergético la energía a la salida es igual a la de entrada más el crecimiento en el sistema y más las pérdidas exergéticas (distribución de la exergía) ocurrida en el mismo.
La exergía de cada corriente en el sistema se puede calcular como la suma de la exergía física y química:
𝑒 = 𝑒𝑃𝐻+ 𝑒𝐶𝐻
La exergía física se puede calcular por la siguiente expresión: 𝑒𝑃𝐻 =(ℎ − ℎ
0)− 𝑇0(𝑠 − 𝑠0)
Las condiciones estándar en el estado de referencia son 25ºC y 1 atm para el cálculo de la exergía química. La exergía química se calcula mediante la siguiente expresión:
𝑒𝐶𝐻 =( 1 𝑀𝑠𝑜𝑙 ) [∑𝑦𝑖 𝑛 𝑖=1 ∗ ɛ𝑖−0+ 𝑅𝑇0∑𝑦𝑖 𝑛 𝑖=1 ∗ 𝑙𝑛𝑎𝑖]
Donde el primer término representa la exergía estándar química de los componentes puros y el segundo la destrucción de exergía del proceso de disolución. Siendo Msol la masa molar (kg/kmol); yi fracción molar; εi-0 exergía química estándar del componente puro (kJ/kg); R constante ideal de los gases (J/mol-K) y ai coeficiente de actividad.
Aunque el análisis exergético minimiza las ineficiencias de un sistema o proceso, no considera la economía de las alternativas evaluadas, por lo que existe la posibilidad de obtener soluciones que son termodinámicamente eficaces, pero económicamente impracticables, esto conduce a la importancia de realizar un análisis exergoeconómico, pero esto está fuera de los objetivos de este trabajo.
En el presente trabajo se realiza el análisis exergético en las etapas de calentamiento y en el sistema de evaporación debido a que este último constituye el mayor consumidor de energía del proceso azucarero y presenta extracciones de vapores secundarios dirigidos a la red de intercambiadores.
1.3 Alternativas tecnológicas para la reducción de consumo de agua y energía en la