TEMA 23 2.3 MicroTurbinas · trabajo de desarrollo y evolución de los turbocargadores de...
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8082139Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2 3 TEMA 2.3 MicroTurbinasMicroTurbinas
Prof. Francisco M. [email protected]
Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected] © 2008
Sistemas de Generación DistribuidaTEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
http://www.giaelec.org/fglongatt/SistGD.html
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8082139Sistemas de Generación Distribuida
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.
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(T)
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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.
P i t d S ñ l Di it l C t lDr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, [email protected]
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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$650/kW.
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EficienciaEficiencia de la Microturbina
C fi ió Efi i iConfiguración EficienciaNo recuperada 15%
Recuperada 20-30%Con recuperación de calor Hasta 85%
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DtechDtech TurbinesTurbines
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Eficiencia
Velocidad Potencia Eficiencia Fabricante Velocidad
rpmPotencia
kWe%
(base LHV)Recuperada
Capstone 30 000 96 28 SiCapstone 30.000 96 28 SiElliot 116.000 45 17 No
Honeywell 75.000 75 30 SiHoneywell 75.000 75 30 Si
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Eficiencia-CostosCaracterísticas de Rendimiento y Costos de sistemas de Micro
turbinasCaracterísticas de rendimiento y
costos Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Sistema 4
Capacidad de Electricidad Nominal (kW) 30 kW 70 kW 100 kW 350 kWCosto del empaque (2000 US$/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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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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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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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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Eficiencia Mapa de Eficiencia
(para recuperador con efectividad del 91%)
33%@1600° F y 3:1
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Eficiencia Mapa de Eficiencia
(para recuperador con efectividad del 85%)
33%%@1800° F y 4:1
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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/
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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
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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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