Capitulo 2.3: Microturbina - Sistemas de Generacion Distribuida

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8082139 Sistemas de Generación Distribuida TEMA 23 TEMA 2.3 MicroTurbinas MicroTurbinas Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt [email protected] Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected] Copyright © 2008 Sistemas de Generación Distribuida TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida http://www.giaelec.org/fglongatt/SistGD.html

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TEMA 2 3 TEMA 2.3 MicroTurbinasMicroTurbinas

Prof. Francisco M. [email protected]

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Micro Turbinas

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Rango de Uso de las GT

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Características de las GTCaracterística Micro Mini Utility

Rango Disponible -kVA 20-500 650-10.000 12.500-265.000

Tamaño Aproximado Un refrigerador Un gran cambión Un edificioTamaño Aproximado Un refrigerador Un gran cambión Un edificio

Diseño original basado en Motores de autobús, camión

Motores de aviones Necesidades de utility

Combustible típico Gas natural, diesel Gas natural, diesel Gas natural, diesel, fuel oil

Cantidad de ruido Semejante a un automóvil a 40 mph

3-4 sopladores de aire Un avión jet

Fuera de servicio una vez cada

2 años Ocho meses Ano y año y medio

Numero de ejes Uno solo Dos ejes Dos o Tres

Velocidad de giro promedio 70.000 rpm 15.000 rpm 1.800 rpm

Modo de operación Velocidad variable Velocidad constante Velocidad constante

Mejor eficiencia de combustible

32% 30% 37%

Tiempo de espera de la compra e instalación

Una semana Dos meses Uno o dos años

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Costo típico 700 US$/kW 450 US$/kW 300US$/kW

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Micro Turbina• Una Micro Turbina es un pequeño motor de Ciclo

Brayton (turbina a gas de ciclo simple)Brayton (turbina a gas de ciclo simple)• Emplea la combustión de un elemento combustible

(gaseoso o líquido) para producir un torque en el eje,(g q ) p p q j ,el cual se emplea para hacer rotar un generadoreléctrico y de este modo producir electricidad.

ura

(T)

Tem

pera

tu

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Micro Turbina• Las micro turbinas de hoy, son el resultado del

trabajo de desarrollo y evolución de lostrabajo de desarrollo y evolución de losturbocargadores de automóviles y camiones, unidadesde potencia auxiliar de aviones, y motores depequeños aeroplanos, todo a comienzos de la décadade 1950.

• Las micro turbinas entraron en pruebas de campoalrededor de 1997 y comenzó su servicio comercialen 2000en 2000.

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Clasificación de las Micro turbinas• El tamaño de las micro turbinas disponibles esta entre

los 30 a 350 kW, mientras que las turbinaslos 30 a 350 kW, mientras que las turbinasconvencionales a gas están entre los 500 kW y 250MW.

• Hay, especialmente, dos tipos de micro turbinas :– Micro turbinas de un solo eje.– Micro turbinas de dos ejes o de eje partido.

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Micro TurbinasMicro TurbinasEje SimpleEje Simple

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Micro turbina Eje Simple• Evolucionaron de los turbocargadores de automóviles

y camiones, unidades de potencia auxiliar de aviones,y camiones, unidades de potencia auxiliar de aviones,y motores de pequeños aeroplanos.

• Constan de compresor, combustor, turbina,p , , ,alternador, recuperador y generador.

ha fabricado mas de 1700 microturbinas. (Oct, 2001)

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Esquema de una Micro Turbina

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Esquema de una Micro Turbina

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Arreglo de Micro turbinaCombustible entra en la cámara de combustión. La turbina puede funcionar con gas natural, gasolina,

Combustiblekerosene –Virtualmente cualquiera puede ser quemado

L li t d b tióLos gases calientes de combustión hacen girar la turbina, la cual esta en el mismo eje de la turbina. El escape transfiere calor al aire de entrada.

TurbinaEl aire pasa a través de un

GeneradorEléctrico

Compresor

Air

El aire pasa a través de un compresor que es calentado por los gases de escape que entran a la cámara de combustión

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Micro turbina Eje Simple• Desarrolladas por Capstone, Elliot y Honeywell.• Tienen potencias entre 20-150 kW• Tienen potencias entre 20-150 kW.• Un gran numero de configuraciones han sido

diseñadasdiseñadasanterior Elliot Energy System

Fabricante Velocidad Potencia kWe

Recuperada

Capstone 30 000 96 SiCapstone 30.000 96 SiElliot 116.000 45 No

Honeywell 75 000 75 Si

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Honeywell 75.000 75 Si

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Micro turbina Eje Simple• Las velocidades optimas rotacionales de las MT a

potencia nominal están entre 60.000 y 100.000 rpm.potencia nominal están entre 60.000 y 100.000 rpm.• El diámetro de la punta del compresor es de algunas

pulgadas, similar a los turbocargadores.p g , g• Las diferencia con los turbocargadores esta en el

diseño aerodinámico.• En el diseño es emplea Computacional Fluid

Dynamics (CFD), materiales compuestos yrodamientos de cerámica.

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Configuración• Un numero grande de configuraciones de caminos

para el flujo han sido empleados en la turbina.para el flujo han sido empleados en la turbina.• El mas compacto es el Wrap-around, con un

combustor anular, usado por Capstone., p p

G dCompresor

GeneradorTurbina Recuperador

Cámara deGenerador

Compresor

Cámara de Combustión

TurbinaRecuperador

Cámara de Combustión

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Anular Recirculante

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Configuración

Generador TurbinaCámara de

C200C200 (200 kW)(200 kW)

Cámara de Combustión

CompresorC60C60/65 (60 and 65 kW)/65 (60 and 65 kW)

Recuperador

Anular Recirculante

C30C30 (30 kW)(30 kW)

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Anular Recirculante

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Configuración

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CompresorCompresor TurbinaTurbina

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Configuración: Compresor-Turbina

ImpelesImpeles. . hh bibi iiDerechaDerecha: : TurbinaTurbina CeramicaCeramica

IzquierdaIzquierda: : compresorcompresor. . Ambos de 20 mm de Ambos de 20 mm de diametrodiametrodiametrodiametro

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Diseños de Camino de Flujo

V i Di ñ d C i d Fl j d Mi biDr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected]

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Varios Diseños de Caminos de Flujo de Micro turbinas

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Compresor-Recuperación • La MT emplea un ciclo Brayton con o sin

recuperación.recuperación.• La MT opera a una menor relación de compresión (3

a 4) comparado con las grandes GT (10 a 15).) p g ( )• En MT recuperadas, la relación de compresión es

directamente proporcional a la diferencia detemperatura entrada salida.

• En MT recuperada la eficiencia puede llegar a 30%.• En MT NO recuperada la eficiencia llega a 17%.

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Recuperador

ArregloArreglo de de RecuperadorRecuperadorEmpleadoEmpleado parapara aumentaraumentar la la

eficienciaeficiencia de la de la transferenciatransferencia

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de de calorcalor

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Configuración Ejemplo de Diseno de una MT

Dimensiones dependen de la capacidad de salidacapacidad de salida

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Compresor• Un característica importante de diseño es el uso de

compresores de flujo radial.compresores de flujo radial.• Se logran grandes relaciones de compresión

típicamente de 3 a 4:1, en una simple etapa (sonp , p p (necesario seis etapas axiales).

• Para turbinas < 100 kW se emplea una sola etapa decompresor radial.

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Compresor AxialCompresor AxialCompresor RadialCompresor Radial

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Eficiencia del Compresor

Compresores radiales para MT

87%89%

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Cojinete: Bearing• Importancia suprema para el arranque en frio de la

MT son los rodamientos.MT son los rodamientos.• Se emplean rodamiento flotantes en aire.• El cojinete de empuje de aire es normalmenteEl cojinete de empuje de aire es normalmente

localizado al comiendo del impele y requiere que seincrementa el espaciamiento axial entre la turbina ycompresor.

• No requiere aceite, ni refrigeración.

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Generador: PMG• La mejora de los materiales para imanes

permanentes ha resultado en generadores con imanespermanentes ha resultado en generadores con imanespermanentes (PMG) mas eficientes.

• La excitación es hecha por imanes que soportan hastap q p260° C.

• Estos generadores imponen retos: dinámica de altasvelocidades, balance, limitaciones de temperatura,selección del refrigerante, perdidas parasitas, etc.

• PMG provee un suave arranque.

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Generador: PMG• La potencia (P) de una PMG, es función de la

velocidad del rotor y el volumen: siendo L y D.velocidad del rotor y el volumen: siendo L y D.

Mapa de eficiencia del generador.Potencia kWe como funciónPotencia kWe como función

de la velocidad rotacional Krpm

cia

kWe

Pote

nc

Velocidad Rotacional

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Combustible: Gas Natural• El gas natural es la elección para pequeños

comercios, y hogares.comercios, y hogares.• Requiere compresión desde las presiones de la

tubería a niveles que exceden la presión de entregaq p gdel compresor de la MT.

• La presión de salida del compresor es típicamente 3 a3 Atmosferas/

• Eficiencia adiabática del 40% y requiere cerca del 6%de la potencia de la salida de potencia.

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Combustible: Gas Natural• La selección de la relación de compresión del ciclo de

la MT requiere considerar el equipo de suministro dela MT requiere considerar el equipo de suministro degas.

Diagrama Esquemático del ciclo de

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Diagrama Esquemático del ciclo de Brayton invertido

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Aspectos de Diseño• Costos – costos globales de US$/kW y costo del

recuperador.recuperador.• Emisiones.• Métodos de inyección del gas natural y su seguridadMétodos de inyección del gas natural y su seguridad• Dinámica del eje y diseño de los rodamientos.• Confiabilidad del recuperador efectividad y costos• Confiabilidad del recuperador, efectividad y costos.

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Aplicaciones• Stand-by power, power quality y reliability, peak

shaving, y cogeneracionshaving, y cogeneracion• Pueden emplear variedad de combustibles, se pueden

usar con gas asociadog• La aplicación en transporte esta en progreso.

TurbecTurbec ABAB

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TurbecTurbec AB AB 100kW100kW AplicacionAplicacion de Capstone en GMde Capstone en GM

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Electrónica de Potencia y Controles• El generador de la MT produce AC de alta

frecuencia.frecuencia.• La electrónica de potencia se emplea para convertir

la fuente no regulada de potencia a una forma útilf g p f(por ejemplo 60 Hz, 480 V).

Arquitectura de una d MT

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moderna MT

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Electrónica de Potencia y Control

1-> 2->Corriente HF suministrada por

Corriente de la Cargael generador

C i t l d

Convertidores alanzan una eficiencia mayor al 96%.

Corriente en el generador

Corriente de la Carga

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Oscilograma de una sistema de MT operativo

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Control: Tecnología DSP• Micro Nivel: control para manejar la electrónica de

potencia.potencia.– Mas demandante.

• Macro Nivel: Manejar el sistema como un todo.j– Flujo de Potencia, Fuente de energía, Elemento de

Almacenamiento, Carga.

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Procesamiento de Señal Digital y Control

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CostosCostos Asociados a las Microturbinas

C d Mi biCostos de MicroturbinasCosto de Capital 700-1100 US$/kWCosto de O y M $.005-0.016 US$/kW

Intervalos de Mtto 5000-8000 hrs

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CostosDistribución de costos en una micro turbina

Elemento % del CostoElemento % del CostoCabeza de Potencia 25%

R d 30%Recuperador 30%Electrónica 25%Generador 5%Accesorios 5%Empaque 10%

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Costos• La recuperación de calor aumenta US$75 -

US$350/kW.US$350/kW.• Los costos de instalación pueden variar por la

localización agregando un 30-50% del costo total deg ginstalación.

• Se espera que el costo en el futuro disminuya pordebajo de US$650/kW.

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Page 38: Capitulo 2.3: Microturbina - Sistemas de Generacion Distribuida

EficienciaEficiencia de la Microturbina

C fi ió Efi i iConfiguración EficienciaNo recuperada 15%

Recuperada 20-30%Con recuperación de calor Hasta 85%

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DtechDtech TurbinesTurbines

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Eficiencia

Velocidad Potencia Eficiencia Fabricante Velocidad

rpmPotencia

kWe%

(base LHV)Recuperada

Capstone 30 000 96 28 SiCapstone 30.000 96 28 SiElliot 116.000 45 17 No

Honeywell 75.000 75 30 SiHoneywell 75.000 75 30 Si

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Page 40: Capitulo 2.3: Microturbina - Sistemas de Generacion Distribuida

Eficiencia-CostosCaracterísticas de Rendimiento y Costos de sistemas de Micro

turbinasCaracterísticas de rendimiento y

costos Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Sistema 4

Capacidad de Electricidad Nominal (kW) 30 kW 70 kW 100 kW 350 kWCosto del empaque (2000 US$/kW) US$1,000 US$950 US$800 US$750 Costo Total Instalado (2000 US$/kW) US$2,516 US$2,031 US$1,561 US$1,339 Heat Rate Eléctrico (Btu/kWh) 14,581 13,540 12,637 11,766 Eficiencia Eléctrica (%) 23 4% 25 2% 27 0% 29 0%Eficiencia Eléctrica (%) 23.4% 25.2% 27.0% 29.0% Entrada de Combustible (MMBtu/hr) 0.437 0.948 1.264 4.118 Presión de Gas Combustible Requerida (psig) 55 55 75 135

1: Capstone modelo 330-30kW, 2: IR Energy System 70LM-70kW (dos ejes), 3: Turbec T100-100kW, 4: DTE modelo actualmente en desarrollo -350kW

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Eficiencia-CostosCaracterísticas de Rendimiento y Costos de sistemas de Micro

turbinasCaracterísticas de rendimiento y costos Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Sistema 4

Capacidad de Electricidad Nominal (kW) 30 kW 70 kW 100 kW 350 kWCosto del empaque (2000 US$/kW) US$1,000 US$950 US$800 US$750 C t T t l I t l d (2000 US$/kW) US$2 516 US$2 031 US$1 561 US$1 339Costo Total Instalado (2000 US$/kW) US$2,516 US$2,031 US$1,561 US$1,339 Eficiencia Eléctrica (%) 23.4% 25.2% 27.0% 29.0%

Caracteristicas CHPFlujo de Escape (lbs/seg) 0.72 1.40 1.74 5.00 Temp de Gases de escape (grados F) 500 435 500 600 Temp Gases de Escape Intercambaidor (grados F) 150 130 131 140

Calor de salida (MMBtu/hr) 0.218 0.369 0.555 1.987 l d lid (k i l )Calor de salida (kW equivalentes) 64 108 163 582

Eficiencia total CHP (%) 73% 64% 71% 77% Potencia/Heat Ratio 0.47 0.65 0.62 0.60 Neto Heat Rate (Btu/kWh)10 5,509 6,952 5,703 4,668

fi i i l i f i (%) 62% 49% 60% 3%

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Eficiencia electrica efectiva (%) 62% 49% 60% 73%

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Fortalezas-Amenazas

Fortalezas AmenazasB j fi i i b iblPequeño numero de partes móviles Baja eficiencia combustible electricidad

Tamaño compacto Baja potencia de salida yTamaño compacto Baja potencia de salida y eficiencia con altas temperaturas ambientes

Peso ligeroBuena eficiencia en cogeneracióngBajas emisionesPuede usar combustibles de desechosLargos intervalos de mantenimiento

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mantenimiento

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8082139Sistemas de Generación Distribuida

Micro TurbinasMicro TurbinasEje DobleEje Doble

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Page 44: Capitulo 2.3: Microturbina - Sistemas de Generacion Distribuida

Micro Turbina de Eje Doble• Siguen una filosofica de diseno semejante a la usada

de chillers, calderas u hornos.de chillers, calderas u hornos.• Son disenadas para aplicaciociones industriales de

calidad, estacionaria.,

Diagrama de una Micro turbina deEje partidoj p

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Micro Turbina de Eje Doble• Las micro turbinas de dos ejes, o de eje partido, como

también son denominadas, emplean una turbina quetambién son denominadas, emplean una turbina quegira a 3600 rpm y un generador convencional(usualmente un generador de inducción) unido a unacaja de engranajes reductora.

Diagrama de una Micro turbina deEj tidEje partido

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Micro Turbina de Eje Doble

Diagrama de una Micro turbina deEje partido

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Micro Turbina de Eje Doble• Emplea componentes metálicos radiales de turbo

maquinaria.maquinaria.• Emplean sistemas presurizados de lubricación.• Operan a relativamente bajas relaciones de presión:Operan a relativamente bajas relaciones de presión:

3:1.• Emplean una etapa de compresión y dos etapas deEmplean una etapa de compresión y dos etapas de

turbina

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Ventajas de MT Eje Doble• Aumenta la vida útil del equipo

– Reduce el esfuerzo al dividir el trabajo de salida entre dosReduce el esfuerzo al dividir el trabajo de salida entre dosturbinas

• Potencia mecánica de salida:– Cualquier componte mecánico puede ser impulsado por la

turbina de potencia.S d i l i f i hill d– Se pueden incluir compresores refrigerantes, chiller deciclo de vapor.

– Típicamente empleado en armonía en sistemas de ciclos deTípicamente empleado en armonía en sistemas de ciclos derefrigeración.

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Page 49: Capitulo 2.3: Microturbina - Sistemas de Generacion Distribuida

Ventajas de MT Eje Doble• Diseño mecánico del eje:

– Son impediente los aspectos de diseño relacionados a laSon impediente los aspectos de diseño relacionados a lapotencia de la turbina y los componentes de carga(compresor, impele, generador, etc).

– La complejidad de diseño de cada eje simple es muchomenor que la requerida en el diseño del eje de las turbinasde un solo eje.j

• Complejidad de la configuración de componentes:– Una turbina de potencia independiente provee el masp p p

grande grado de libertad en el esquema de los componentesgiratorios.

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Ventajas de MT Eje Doble• Aspectos de seguridad mecánica:

– La menor velocidad de giro de la turbina de potenciaLa menor velocidad de giro de la turbina de potenciareduce el peligro de una falla catastrófica en el sistemagiratorio.

• Características favorables de torque/velocidad:– Debido a que el flujo másico que fluye por el motor no

afecta la salida de potencia de la turbinaafecta la salida de potencia de la turbina.– La turbina realmente maneja mas torque ya que es mas

lenta, comparada con la turbina de un solo eje.p j

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Aplicaciones• La MT de eje doble puede ser empleado en una

variedad de aplicaciones debido a su flexibilidadvariedad de aplicaciones debido a su flexibilidadinherente en su diseño mecánico.

Matriz de Aplicaciones para MT de dos ejes

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Aplicaciones Aplicación de la MT como Enfriador

d

Calor al usuario

Agua fria o Aire al

Recuperador

Gas

400° Fusuario

CombustorTurbina

de potencia

naturalRecuperador de calor de

escapeGases de Evaporador

V l l d

TurbinaGasificador

CompresorGasificador

Compresor RefrigeranteEntrada de

Aire

escape Valvula de expansion

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GasificadorGasificador

Eje 1 Eje 2Condensador

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Eficiencia Efecto de la Temp. Entrada a la Turbina y la

Relación de CompresiónRelación de CompresiónMejoras pueden ser logradas con

d laumento de la relación de compresión o mas altas temperatura de aire a la entrada

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Page 54: Capitulo 2.3: Microturbina - Sistemas de Generacion Distribuida

Eficiencia Mejora en el Desempeño del Recuperador

Recuperación mejora la fi i i deficiencia de una

turbina típica de ciclo simple.Efecto es dramático en el rango bajo de relaciones de compresióncompresión (>3:1)

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Page 55: Capitulo 2.3: Microturbina - Sistemas de Generacion Distribuida

Eficiencia Mapa de Eficiencia

(para recuperador con efectividad del 91%)

33%@1600° F y 3:1

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Page 56: Capitulo 2.3: Microturbina - Sistemas de Generacion Distribuida

Eficiencia Mapa de Eficiencia

(para recuperador con efectividad del 85%)

33%%@1800° F y 4:1

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Page 57: Capitulo 2.3: Microturbina - Sistemas de Generacion Distribuida

Fabricantes• Bowman Power Systems: 80kW• Capstone Turbine Corporation: (30kW a 60-kW)• Capstone Turbine Corporation: (30kW a 60-kW)• Elliott Energy Systems: (80-kW)• Ingersoll Rand Energy Systems (70 kW)• Ingersoll-Rand Energy Systems (70-kW)• Turbec AB

www.capstoneturbine.com

http://www.bowmanpower.co.uk/www.tapower.com

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http://www.turbec.com/

Page 58: Capitulo 2.3: Microturbina - Sistemas de Generacion Distribuida

Vista de MicroturbinasIT250 Microturbine: 250 kw Infinity Turbine

Turbine Size: 250 kwFlow Rate: 500+ gpmTemp Diff:125+ deg FType: ORC - Organic Rankine CycleType: ORC Organic Rankine CycleSkid Mounted: ModularDelivery: 11 weeksTurbine Price: 300.000 US$

Capstone C30: $24,000 - $39,000

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Capstone C60: $48,000 -$78,000

Page 59: Capitulo 2.3: Microturbina - Sistemas de Generacion Distribuida

Vista de Microturbinas

Microturbina Capstone 30 kW con

Varias Microturbinas 30 kW Capstone instaladas en Sauk County Landfill.

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Microturbina Capstone 30 kW con cubierta removida

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Vista de MicroturbinasCapstoneCapstone microturbinemicroturbine (30 (30 kWkW))

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ElliotElliot microturbinemicroturbine (80 (80 kWkW))

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Elliot MicroturbinesTA100TA100

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TA100TA100--OffshoreOffshore

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Elliot Microturbines

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