ciclos de potencia a vapor

8/16/2019 Ciclos de Potencia a Vapor

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CICLOS DE POTENCIA A

VAPOR

ENERO 2014

ING. SERGE PAEZ


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INTRODUCCIÓN

Ciclos de Potencia a Vapor: aquellos enlos que el fuido de trabajo se evaporay condensa alternadamente. (CicloRankine).

Cogeneracin: generacin de potenciaacoplada a un ciclo de calentamiento.

Ciclos Combinados: aquellos en loscuales se combinan los ciclos depotencia a gas y los ciclos de potencia

a vapor. (!rayton y Rankine).


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OBJETIVOS

"nali#ar los ciclos de potencia a vapor. "nali#ar la generacin de potencia

acoplada con el proceso de

calentamiento o Cogeneracin. "nali#ar las modi$caciones del ciclo de

Potencia Rankine% para aumentar su

e$ciencia t&rmica. "nali#ar los ciclos de Potencia a vapor

con recalentamiento y regeneracin.

"nali#ar los ciclos combinados o


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REPASAR

so de las tablas termodinmicas (airey vapor).

*stados termodinmicos (l+quido

saturado% l+quido comprimido% vaporsaturado% vapor sobrecalentado yme#cla).

Procesos termodinmicos.


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CICLO DE VAPOR DE CARNOT

*l ciclo de Carnot% es el mas e$cientede los ciclos que operan entre dosl+mites de temperaturas.

,i -uese posible se adoptar+a como elciclo ideal% sin embargo% no es elapropiado para los ciclos de potencia.


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Por qu& no es el apropiado/- 0o es el apropiado% porque el ciclo de Carnot no sepuede alcan#ar en la prctica% debido a una serie deconsideraciones tales como:

1.2 3a trans-erencia de calor 4acia o desde un sistemade dos -ases% lo cual requiere limitar los procesos detrans-erencia de calor (125 y 627) a temperaturas pordebajo del punto cr+tico del agua (6879C). 3o cual a

su ve#% restringe la e$ciencia t&rmica del ciclo.

Para poder aumentar la temperatura mima delciclo% se requerir+a 4acer la trans-erencia de calor al

fuido de trabajo en una sola -ase% lo cual no se puede


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Por qu& no es el apropiado/5.2 *l proceso de epansin isoentrpica (526) puedeaproimarse mediante un buen dise;o de la turbina%sin embargo% la calidad del vapor disminuye durante

este proceso (?@ no sontoleradas en operacin de centrales el&ctricas. *sto

puede solucionarse utili#ando una l+nea muy inclinadallena de va or saturado.


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Por qu& no es el apropiado/6.2 *l Proceso de Compresin Asoentrpica (Proceso 721)implica la compresin de una me#cla l+quido'vapor4asta un l+quido saturado. 3o cual trae dos

inconvenientes:2 0o es -cil controlar el proceso de condensacin para

obtener de manera precisa la calidad del vaporrequerida en el estado 7.

2 0o es prctico dise;ar un condensador que manejedos -ases.


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Por qu& no es el apropiado/7.2 "lgunos de estos problemas pueden eliminarse alejecutar el ciclo de Carnot como en el diagrama =2,%b. ,in embargo este ciclo otros problemas tales

como:- Compresin isoentrpica a presiones

etremadamente altas.

- =rans-erencia isot&rmica de calor a presiones

variables.

Por estas consideraciones el Ciclo de Carnot de Vaporno puede lograrse en ciclos reales y no es un modelo

idealista para los ciclos de vapor.


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CICLO RANKINE IDEAL SIMPLE

*l ciclo Rankine es el ciclo ideal que permite estudiar

las centrales t&rmicas a vapor. 0o est compuestopor ninguna irreversibilidad interna.

*l fuido de trabajo es Vapor de "gua% el cualpodemos encontrar a lo largo del ciclo en los cuatroestados termodinmicos (3+quido ,aturado% 3+quidoComprimido% Vapor ,obrecalentado y Vapor,aturado).

=iene como objetivo convertir calor en trabajo% por loque se considera un ciclo de potencia.


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*l ciclo Rankine est compuesto por cuatro procesos:

125 Compresin isoentrpica: ,e reali#a en la !B!"e implica un consumo de potencia% se comprime elfuido 4asta la presin de operacin de la caldera.

526 "dicin de calor a Presin constante: ,e reali#a enla caldera% se a;ade calor al fuido 4asta latemperatura de saturacin% se da un cambio de -asede l+quido a vapor% 4asta llegar a vapor saturado.

627 *pansin Asoentrpica: se da a lugar en laturbina% donde se aprovec4a el vapor saturadoproveniente de la caldera% para generar la potenciadel ciclo. *l fuido se epande desde la presin de lacaldera 4asta la del condensador.


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627 Rec4a#o de calor a Presin Constante: se lleva a

cabo en el condensador de -orma ideal. *l fuido detrabajo alcan#a el estado de l+quido saturado.


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*l agua entre a la bomba en el estado 1% como l+quido

saturado y se condensa isoentrpicamente 4asta lapresin de operacin de la caldera. *l leve aumentode temperatura en el proceso 125% se debe a unapeque;a disminucin del volumen espec+$co del

fuido. *l agua entra a la caldera en el estado 5 como l+quido

comprimido y sale como vapor sobrecalentado en elestado 6% luego entra a la turbina donde se epande

isoentrpicamente y produce trabajo que esaprovec4ado por el generador conectado al eje.


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ANALISIS DE ENERGÍA DEL CICLO

3a Caldera y el Condensador% no generan ni recibentrabajo% la !omba y la =urbina% son isoentrpicas por loque la ecuacin para la conservacin de la energ+a paraestos dispositivos viene dada por:


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ANALISIS DE ENERGÍA DEL CICLO

3a e$ciencia t&rmica es la relacin entre el trabajo neto

y el calor de entrada al sistema:


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DESVIACIÓN DE LOS CICLOS IDEALES YREALES *l ciclo Rankine ideal di$ere del ciclo real% debido a

las irreversibilidades presentes en el mismo% siendo la-riccin del fuido y la p&rdida de calor las dosprincipales causas.

3a -riccin se origina en la bomba% la caldera y

tuber+as que interconectan los elementos% la mismadisminuye la presin de entrada y salida de lacaldera% y por lo tanto el trabajo de la turbina."umentando el trabajo de la bomba% y por ende la

presin% se pueden disminuir estas p&rdidas. 3as p&rdidas de calor se originan mientras el fuido

transita por los di-erentes componentes% se requiereaumentar la entrada de calor a la caldera pero

disminuye la e$ciencia del ciclo.


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DESVIACIÓN DE LOS CICLOS IDEALES YREALES

Comparacin del ciclo ideal con el ciclo real.

3a relacin entre ambos ciclos viene dada por:

*l sub+ndice a denota al estado real% mientras que elsub+ndice s denota al estado ideal.


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EJEMPLO

Considere una central el&ctrica a vapor queopera en el ciclo Rankine Adeal ,imple. *l vaporde agua entra a la turbina a 6Pa y 6E?9C y escondensado a una presin de 8EkPa.


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EJEMPLO

na central el&ctrica a vapor que opera en elciclo que se muestra en la $gura% tiene comoe$ciencias isoentrpicas de la turbina y la bombaF8@ y FE@ respectivamente.


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¿COMO INCREMENTAR LA EFICIENCIADEL CICLO 3as centrales el&ctricas a vapor son las responsables

de generar la mayor parte de la energ+a el&ctrica delmundo% peque;os incrementos en la e$ciencia% sepueden traducir en grandes a4orros de consumo decombustible.

3a idea bsica es: "incrementar la temperatura promedio a la que el calor se transfere al uido de

trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura

promedio a la que el calor se rechaza del uido del

trabajo en el condensador".

3a temperatura promedio debe ser lo mas altaposible en la adicin de calor y lo ms baja posible enel rec4a#o de calor.


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¿COMO INCREMENTAR LA EFICIENCIADEL CICLO Reduccin de la presin del condensador (reduccin

de =baja% prom) 3a reduccin de la presin deoperacin del condensador reduceautomticamente la temperaturadel vapor% y por lo tanto la

temperatura a la cual el calor esrec4a#ado.

*l rea sombreada representa elaumento de la salida neta de trabajodebido a la disminucin de lapresin del condensador desde P74asta P7G.

3os requerimientos de entrada tambien aumentan (curva5G25) pero este incremento es muy peque;o. Reducir lapresin en el condensador% aumenta la e$ciencia t&rmicadel ciclo.


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¿COMO INCREMENTAR LA EFICIENCIADEL CICLO Reduccin de la presin del condensador (reduccin

de =baja% prom)Para aprovec4ar el aumento de e$ciencia a bajaspresiones% los condensadores% suelen operar a presionespor debajo de al Patm% sin embargo esta presin no puedeser menor a la Psat del medio de en-riamiento del

condensador.

*ntre los e-ectos que tiene la reduccin de la presin delcondensador:Crea la posibilidad de $ltraciones de aire dentro delcondensador. Ancrementa el contenido de 4umedad del vapor% lo cuales indeseable en las turbinas ya que incrementa laerosin de los alab&s y disminuye la e$ciencia.


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¿COMO INCREMENTAR LA EFICIENCIADEL CICLO ,obrecalentamiento de vapor a altas temperaturas

(Ancremento de =alta% prom)3a temperatura promedio a la que elcalor es trans-erido 4acia el vaporpuede ser incrementada sinaumentar la presin de la caldera%

sobrecalentando el vapor a altastemperaturas.

*l rea sombreada representa elaumento de trabajo neto% mientras

que el rea bajo la curva 6G26%representa el aumento de la entradade calor.*l trabajo neto y la entrada de calor aumentan como

consecuencia del sobrecalentamiento del vapor a unatemperatura mas alta% lo cual trae como consecuencia el

incremento de la e$ciencia t&rmica y disminuye el


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¿COMO INCREMENTAR LA EFICIENCIADEL CICLO Ancremento de la presin de la caldera (Ancremento

de Palta% prom) "umentar la presin de operacinde la caldera% elevaautomticamente la temperatura deebullicin y a su ve# la temperatura

promedio a la cal se trans$ere caloral vapor y de ese modo la e$cienciat&rmica del ciclo.

Para una temperatura de entrada

$ja en la turbina el% el ciclo se correa la i#quierda y aumenta elcontenido de 4umedad del vapor

a la salida de la turbina% lo cual es un e-ecto indeseable%que se puede corregir recalentando el vapor% con el clicloRankine con recalentamiento.


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E!"#$%&' E(")*& +" %, $-"/ %, *"#$"-,*3-, +"%, ),%+"-, &-" %, "5)/")/,.

Considere una planta el&ctrica de vapor que opera conel ciclo Rankine Adeal. *l vapor entra a la turbina a 6Pay 6E?9C y se condensa en el condensador a una presinde 1?kPa.


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E!"#$%&' E(")*& +" %, $-"/ %, *"#$"-,*3-, +"%, ),%+"-, &-" %, "5)/")/,.


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CICLO RANKINE IDEAL CONRECALENTAMIENTO*l aumento de la presin en la caldera incrementa lae$ciencia t&rmica del ciclo Rankine pero% incrementa el

contenido de 4umedad a valores no deseables% esteproblema lo podriamos resolver mediante:

1.2 ,obrecalentaminto del vapor temperaturas muyaltas antes de que entre a la turbina% lo cual ser+a lo

ideal ya que aumentar+a tambien la e$ciencia t&rmica del ciclo% sin embargo ser+a necesario incrementar latemperatura a niveles metalurgicamente inseguros.

5.2 *pandir el vapor en la turbina en dos etapas y

recalentarlo entre ellas% a;adiendo un recalentamiento al ciclo Rankine ideal% lo cual es una solucin prctica alproblema de 4umedad en la turbina y es lo comunmenteutili#ado en las centrales de vapor moderas.


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CICLO RANKINE IDEAL CONRECALENTAMIENTO*l proceso de epansin sucede en dos etapas% en laprimera (turbina de alta presin) el vapor se epande

isentrpicamente 4asta una presin intermedia y esrecalentado en la caldera a presion constante paraentrar a la segunda etapa (turbina de baja presin)donde se epande isentrpicamente 4asta la presin de

trabajo del condensador.


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CICLO RANKINE IDEAL CONRECALENTAMIENTO3a entrada de calor total y la salida total de trabajo de laturbina en un ciclo de recalentamiento es:

*l recalentamiento simple mejora la e$ciencia del cicloen un 7 o E @% debido al incremento de temperaturapromedio de trans-erencia de calor.

"l aumentar el nImero de etapas de epansin yrecalentamiento% se incrementa la temperaturapromedio del proceso de recalentamiento y el mismo se

vuelve un proceso isot&rmico a la temperatura mima.


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CICLO RANKINE IDEAL CONRECALENTAMIENTO0o es recomendable un proceso de recalentamiento demas de dos etapas% la e$ciencia mejora la mitad con

respecto al primer recalentamiento y si la presin a laentrada de la turbina no es lo su$cientemente alta%provoca un escape de vapor sobrecalentado% lo cualaumentar+a la temperatura promedio de rec4a#o de

calor y disminuye la e$ciencia t&rmica del ciclo.

*l doble recalentamiento se utili#a en centraleselectricas a presiones supercr+ticas (PJ55.?H Pa).

3as temperaturas de recalentamiento son muy cercanaso iguales a la temperatura de entrada a la turbina y laspresiones ptimas se acercan al cuarto de la presin

mima del ciclo. *l Inico propsito del recalentamiento


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CICLO RANKINE IDEAL CONRECALENTAMIENTOE!"#$%&'

Considere una central el&ctrica que opera en un cicloRankine Adeal con recalentamiento. *l vapor entra a laturbina de alta presin a 1EPa y H??9C y se condensa auna presin de 1?kPa. ,i el contenido de 4umedad delvapor a la salida de la turbina de baja presin no ecede1?%7@ determine:

a.2 Presin a la que debe recalentarse el vapor.

b.2 *$ciencia t&rmica del ciclo.

N&*,' ,uponga que el vapor se recalienta 4asta latemperatura de entrada de la turbina de alta presin.


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CICLO RANKINE IDEAL CONRECALENTAMIENTOE!"#$%&'


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CICLO RANKINE IDEAL CONREGENERACIÓN*n este ciclo se usa un regenerador o un calentador deagua de alimentacin (C"")% el cual es un dispositivo

donde el agua de alimentacin se calienta medianteregeneracin.

*ste calentamiento se 4ace a trav&s de trans-erencia decalor del vapor de salida al agua% mediante la me#cla deambos fujos de fuidos (calentadores de agua dealimentacin abiertos) o sin me#clarlos (calentadores deagua de almentacin cerrados).

3a regeneracin mejora la e$ciencia del ciclo y desaireael agua de alimentacin (al eliminar el aire que se $ltra

al condensador) para evitar la corrosin en la caldera%a uda a controlar el ran fu o volum&trico del va or en


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CICLO RANKINE IDEAL CONREGENERACIÓN Calentadores abiertos de agua de alimentacin (C""

abierto) =ambi&n conocidos como calentadores de contacto directoes una cmara de me#clado en la que el vapor etraido dela turbina se me#cla con el agua de alimentacin que salede la bomba% idealmente% la me#cla sale del calentadorcomo l+quido saturado a la presin del condensador.


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CICLO RANKINE IDEAL CONREGENERACIÓN


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CICLO RANKINE IDEAL CONREGENERACIÓN3a e$ciciencia t&rmica del ciclo aumenta como resultadode la regeneracin% debido a que la misma eleva la

temperatura promedio a la que el calor se trans$ere alvapor en la caldera% aumentando la temperatura delagua antes de que entre a la caldera.

3a e$ciencia incrementa aIn mas cuando se aumenta elnImero de calentadores de agua de alimentacin% elnImero ptimo se determina con base enconsideraciones econmicas% es decir% si a4orra ms enrelacin con los costos de combustibles que se lo quegast en su propio costo.

3os calentadores abiertos son simples y econmicos ytienen buenas caracter+sticas para la trans-erencia de

calor y llevan el agua de alimentacin al estado de


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CICLO RANKINE IDEAL CONREGENERACIÓN Calentadores cerrados de agua de alimentacin (C""

Cerrado)*l calentador se trans$ere del vapor etraido 4acia el aguade alimentacin sin que suceda ninguna me#cla% por lo queambos fujos pueden estar a di-erentes presiones. *n uncalentador cerrado ideal el agua se calienta 4asta latemperatura de salida del vapor etraido% que sale como

l+quido saturado a la presin de etraccin.

*l agua sale del calentador a una temperatura menor que lasalida del vapor etra+do porque se requiere una di-erenciade temperatura de unos cuantos grados centigrados para

conseguir una trans-erencia de calor e-ectiva.

*l vapor condensado se bombea a la l+nea de agua dealimentacin% se puede enviar a otro calentador o alcondensador mediante otro dispositivo llamad trampa devapor el cual estrangula el l+quido 4asta una presin menor


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3os calentadores cerrados son mas complejos debido a

la red de tuber+as internas% por lo que tambi&n son mascostosos% la trans-erncia de calor es menos e-ectiva alno estar los dos fuidos en contacto. 0o requieren debombas de alimentacin debido a que ambos fuidospueden estar a presiones di-erentes.


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3a mayor parte de las centrales el&ctricas de vaporutili#an una combinacin de calentadores abiertos ycerrados.


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CICLO RANKINE IDEAL CONREGENERACIÓN*jemplo:

na planta termoel&ctrica de vapor de agua opera en unciclo ideal Rankine regenerativo con un calentadorabierto de agua de alimentacin. *l vapor entra a la

turbina a 1E Pa y H?? KC y se condensa en elcondensador a una presin de 1? kPa. na parte delvapor sale de la turbina a una presin de 1%5 pa yentra al calentador abierto de agua de alimentacin.


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CICLO RANKINE IDEAL CONREGENERACIÓN*jemplo:

COG C O


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COGENERACION

*n los ciclos anali#ados 4asta a4ora% el Inico propositoera convertir C"3BR en =R"!"LB% solo una parte de estecalor es la aprovec4ada en las centrales de generacin avapor% el resto es desec4ado a r+os% lagos% mares% etc.*ste calor desperdiciado% es un precio que se tiene quepagar para poder obtener la energ+a y por ende el

trabajo de los equipos.

May empresas que requieren para sus procesos% energ+aen -orma de calor (calor de proceso) entre ellastenemos: industrias qu+micas% papeleras% produccin yre$nacin de petrleo% entre otras). *stas industriasobtienen el calor de proceso% mediante la combustin decombustibles primarios y secundarios% de los cuales

obtienen el vapor.

COGENERACION


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COGENERACION

*ste tipo de industrias requieren de una gran cantidadde calor y a su ve# consumen grandes cantidades deenerg+a el&ctrica% por lo que% para a4orrar en los costosde operacin% se instalan plantas de CBN*0*R"CAO0%que son aquellas que producen electricidad y seaprovec4a el calor para los procesos que as+ lo

requieren.

3a cogeneracin en la produccin de ms de una -ormaItil de energ+a para a partir de una misma -uente deenerg+a. n ciclo de potencia a gas (!rayton% Btto%


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COGENERACION


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COGENERACION

*l uso de la Cogeneracin data del siglo donde secomen# a aprovec4ar el calor generado en lascentrales el&ctricas% para calentar casas% edi$cios%centros comerciales% agua% etc.

*conmicamente este tipo de plantas son rentables% yaque producen energ+a el&ctrica y se aprovec4a el calorpara otros procesos. " su ve#% la e$ciencia de estascentrales energ&ticas aumenta de 5E'7?@ a F?'>5@porque estamos aprovec4ando ms el calor de salida.

TRIGENERACION Y TETRAGENERACION


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TRIGENERACION Y TETRAGENERACION

3a trigeneracin consiste en la produccin deelectricidad% calor y -r+o (por el m&todo de absorcin) aparir de una misma -uente de energ+a.

3a produccin de -r+o% que se reali#a a partir de los ciclos

de re-rigeracin por absorcin% y se aprovec4a laspropiedades de algunas sustancias (bromuro de etilo) deabsorber calor% al cambiar de estado. *se calor loabsorbe de otra sustancia (aire o agua) con lo que seconvierte esta sustancia en aire -r+o o agua -r+a.,i bien lare-rigeracin por absorcin tiene menor rendimiento quela re-rigeracin por compresin% en el caso de suaplicacin en la trigeneracin% es Itil ya que seaprovec4a el calor residual.


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CICLO COMBINADO DE GAS Y VAPOR


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CICLO COMBINADO DE GAS Y VAPOR


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