Capitulo 2.3: Microturbina - Sistemas de Generacion Distribuida

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Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 2 3TEMA 2.3
MicroTurbinasMicroTurbinas
Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt
fglongatt@ieee.org
Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt, fglongatt@ieee.org
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TEMA 2: Tecnologías Empleadas en la Generación Distribuida
http://www.giaelec.org/fglongatt/SistGD.html

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Micro Turbinas
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Rango de Uso de las GT
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Características de las GT
Característica 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

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 generador
eléctrico y de este modo producir electricidad.
ura(T)Temperatu
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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 los
turbocargadores de automóviles y camiones, unidades
de potencia auxiliar de aviones, y motores de
pequeños aeroplanos, todo a comienzos de la década
de 1950.
• Las micro turbinas entraron en pruebas de campo
alrededor de 1997 y comenzó su servicio comercial
en 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 turbinas
convencionales a gas están entre los 500 kW y 250
MW.
• 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 Turbinas
Eje 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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Arreglo de Micro turbina
Combustible entra en la cámara de
combustión. La turbina puede
funcionar con gas natural, gasolina,
Combustible
kerosene –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.
Turbina
El aire pasa a través de un
Generador
Eléctrico
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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• 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
diseñadasdiseñadas
anterior Elliot Energy System
Fabricante Velocidad
Potencia
kWe
Recuperada
Capstone 30 000 96 SiCapstone 30.000 96 Si
Elliot 116.000 45 No
Honeywell 75 000 75 Si
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Honeywell 75.000 75 Si

• 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 y
rodamientos 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 d
Compresor
Generador
Turbina
Recuperador
Cámara deGenerador
Compresor
Cámara de
Combustión
Turbina
Recuperador
Cámara de Combustión
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Anular Recirculante

Configuración
Generador Turbina
Cámara de
C200C200 (200 kW)(200 kW)
Cámara de
Combustión
Compresor
C60C60/65 (60 and 65 kW)/65 (60 and 65 kW)
Recuperador
Anular Recirculante
C30C30 (30 kW)(30 kW)
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Anular Recirculante

Configuración
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CompresorCompresor TurbinaTurbina

Configuración: Compresor-Turbina
ImpelesImpeles..
hh bibi iiDerechaDerecha:: TurbinaTurbina CeramicaCeramica
IzquierdaIzquierda:: compresorcompresor..
Ambos de 20 mm deAmbos 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 bi
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Varios Diseños de Caminos de Flujo de Micro turbinas

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 de
temperatura 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 dede RecuperadorRecuperador
EmpleadoEmpleado parapara aumentaraumentar lala
eficienciaeficiencia de lade la transferenciatransferencia
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dede calorcalor

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 de
compresor radial.
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Compresor AxialCompresor AxialCompresor RadialCompresor Radial

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 se
incrementa el espaciamiento axial entre la turbina y
compresor.
• 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 imanes
permanentes (PMG) mas eficientes.
• La excitación es hecha por imanes que soportan hastap q p
260° C.
• Estos generadores imponen retos: dinámica de altas
velocidades, 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
ciakWePotenc
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 g
del compresor de la MT.
• La presión de salida del compresor es típicamente 3 a
3 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 de
gas.
Diagrama Esquemático del ciclo de
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Diagrama Esquemático del ciclo de
Brayton invertido

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 ABAB
100kW100kW AplicacionAplicacion de Capstone en GMde Capstone en GM

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

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

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 l
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Procesamiento de Señal Digital y Control

Costos
Costos Asociados a las Microturbinas
C d Mi biCostos de Microturbinas
Costo de Capital 700-1100 US$/kW
Costo de O y M $.005-0.016 US$/kW
Intervalos de Mtto 5000-8000 hrs
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Costos
Distribución de costos en una micro turbina
Elemento % del CostoElemento % del Costo
Cabeza 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 g
instalación.
• Se espera que el costo en el futuro disminuya por
debajo de US$650/kW.
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Eficiencia
Eficiencia de la Microturbina
C fi ió Efi i iConfiguración Eficiencia
No recuperada 15%
Recuperada 20-30%
Con recuperación de calor Hasta 85%
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DtechDtech TurbinesTurbines

Eficiencia
Velocidad Potencia
Eficiencia
Fabricante
Velocidad
rpm
Potencia
kWe
%
(base LHV)
Recuperada
Capstone 30 000 96 28 SiCapstone 30.000 96 28 Si
Elliot 116.000 45 17 No
Honeywell 75.000 75 30 SiHoneywell 75.000 75 30 Si
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Eficiencia-Costos
Características de Rendimiento y Costos de sistemas de Micro
turbinas
Características de rendimiento y
costos
Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Sistema 4
Capacidad de Electricidad Nominal (kW) 30 kW 70 kW 100 kW 350 kW
Costo 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$1,339
Heat Rate Eléctrico (Btu/kWh) 14,581 13,540 12,637 11,766
Eficiencia Eléctrica (%) 23 4% 25 2% 27 0% 29 0%Eficiencia Eléctrica (%) 23.4% 25.2% 27.0% 29.0%
Entrada de Combustible (MMBtu/hr) 0.437 0.948 1.264 4.118
Presión de Gas Combustible Requerida
(psig)
55 55 75 135
1: Capstone modelo 330-30kW, 2: IR Energy System 70LM-70kW (dos ejes), 3: Turbec T100-100kW,
4: DTE modelo actualmente en desarrollo -350kW
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Eficiencia-Costos
Características de Rendimiento y Costos de sistemas de Micro
turbinas
Características de rendimiento y costos Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Sistema 4
Capacidad de Electricidad Nominal (kW) 30 kW 70 kW 100 kW 350 kW
Costo del empaque (2000 US$/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 CHP
Flujo 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%

Fortalezas-Amenazas
Fortalezas Amenazas
B j fi i i b ibl
Pequeño 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 ligero
Buena eficiencia en cogeneracióng
Bajas emisiones
Puede usar combustibles de
desechos
Largos intervalos de
mantenimiento
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mantenimiento

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Micro TurbinasMicro Turbinas
Eje 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 de
Eje partidoj p
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• Las micro turbinas de dos ejes, o de eje partido, como
también son denominadas, emplean una turbina quetambién son denominadas, emplean una turbina que
gira a 3600 rpm y un generador convencional
(usualmente un generador de inducción) unido a una
caja de engranajes reductora.
Ej tidEje partido
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• 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 dos
turbinas
• 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 de
ciclo de vapor.
– Típicamente empleado en armonía en sistemas de ciclos deTípicamente empleado en armonía en sistemas de ciclos de
refrigeración.
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• Diseño mecánico del eje:
– Son impediente los aspectos de diseño relacionados a laSon impediente los aspectos de diseño relacionados a la
potencia de la turbina y los componentes de carga
(compresor, impele, generador, etc).
– La complejidad de diseño de cada eje simple es mucho
menor que la requerida en el diseño del eje de las turbinas
de 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 componentes
giratorios.
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• Aspectos de seguridad mecánica:
– La menor velocidad de giro de la turbina de potenciaLa menor velocidad de giro de la turbina de potencia
reduce el peligro de una falla catastrófica en el sistema
giratorio.
• 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 flexibilidad
inherente 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° F
usuario
Combustor
Turbina
de
potencia
naturalRecuperador
de calor de
escape
Gases de Evaporador
V l l d
Turbina
Gasificador
Compresor
Gasificador
Compresor
RefrigeranteEntrada de
Aire
escape Valvula de
expansion
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GasificadorGasificador
Eje 1 Eje 2
Condensador

Eficiencia
Efecto de la Temp. Entrada a la Turbina y la
Relación de CompresiónRelación de Compresión
Mejoras 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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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/

Vista de Microturbinas
IT250 Microturbine:
250 kw Infinity Turbine
Turbine Size: 250 kw
Flow Rate: 500+ gpm
Temp Diff:125+ deg F
Type: ORC - Organic Rankine CycleType: ORC Organic Rankine Cycle
Skid Mounted: Modular
Delivery: 11 weeks
Turbine Price: 300.000 US$
Capstone C30: $24,000 - $39,000
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Capstone C60: $48,000 -$78,000

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