MXPA06011948A - Procedimiento y dispositivo para realizar un proceso termodinamico ciclico. - Google Patents
Procedimiento y dispositivo para realizar un proceso termodinamico ciclico.Info
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Abstract
De acuerdo con la invencion para reducir la complejidad de un proceso ciclico se eleva la presion de una corriente de medio de trabajo liquida (13) y por medio de la condensacion parcial de un corriente de medio de trabajo expandida (12) se produce una primera corriente de medio de trabajo parcialmente evaporada (15). Por medio de la evaporacion posterior de la corriente del medio de trabajo parcialmente evaporada (15) con calor, que se transfiere de una fuente calorifica externa (20), se produce una segunda corriente de medio de trabajo cuando menos parcialmente evaporada (18). En esta segunda corriente de medio de trabajo cuando menos parcialmente evaporada (19) se separa la fase en forma de vapor (10) de la fase liquida, a continuacion se transforma la energia de la fase de vapor (10) a una forma util y la fase en forma de vapor expandida (11) se conduce conjuntamente con la fase liquida (19) y se forma la corriente expandida de medio de trabajo (12). Por medio de la condensacion completa de la corriente de medio de trabajo expandida parcialmente condensada (12a) se recupera la corriente liquida del medio de trabajo (13).
Description
efectividad. Demás del proceso de Rankine con agentes orgánicos (Organic Rankine Cycle, ORC) se caracteriza sobretodo el llamado proceso de ciclo de Kalina, por una efectividad claramente mejor que el proceso de Rankine clásico. A base del proceso del ciclo de Kalina se han desarrollado diferentes ciclos para diferentes usos. Esos ciclos en vez de agua utilizan como agente de trabajo una mezcla de dos sustancias (por ejemplo amoniaco y agua), utilizándose un proceso de ebullición y condensación no isotérmico de la mezcla, para elevar el grado de efectividad del ciclo en comparación con el ciclo de Rankine . Para temperaturas de la fuente calorífica de 100 a 140° C se prefiere utilizar el ciclo de Kalina KCS 34 (Kalina Cycle System 34), que por ejemplo se utiliza en la planta de energía geotérmica de Husavik/Islandia (ver también EP 1 070 830 Al) . En este ciclo (ver también la figura 3) se bombea un primer medio de trabajo líquido en un primer intercambiador de calor, en donde se calienta por medio de una condensación parcial de una corriente expandida del medio de trabajo. La corriente del medio de trabajo caliente así formada después del enfriamiento de la fase líquida de una corriente del medio de trabajo evaporada en un segundo intercambiador de calor y a continuación se evapora parcialmente (por ejemplo hasta un contenido de liguido de 14-18%) en un tercer intercambiador de calor utilizando el calor que es transferido por una fuente de calor externa (por ejemplo un liquido geotérmico) . Después de la corriente del medio de trabajo parcialmente evaporada en un separador se separa la fase liquida de la fase en forma de vapor. La fase en forma de vapor se expande en una turbina y su energía se utiliza para producir corriente. La fase líquida se conduce a través del segundo intercambiador de calor y se utiliza para el calentamiento adicional de la corriente del medio de trabajo. En un mezclador se conducen la fase líquida y la fase en forma de vapor expandido y forman la corriente del medio de trabajo expandida ya mencionada. La corriente del medio de trabajo expandida a continuación se condensa parcialmente en un primer intercambiador de calor y a continuación se condensa completamente en un condensador de tal forma que se produce la corriente del medio de trabajo líquido antes mencionado y el ciclo se cierra. SUMARIO DE LA INVENCION Partiendo del proceso cíclico conocido, la tarea de la presente invención es un procedimiento y un dispositivo para la realización de un proceso termodinámico cíclico, el cual con la misma fuente de calor externa y la misma temperatura del agua de enfriamiento y costos esencialmente iguales para las instalaciones y hacen posibles rendimientos iguales o hasta mayores de energía mecánica y/o eléctrica, caracterizándose el procedimiento y el dispositivo por medio de una reducida complejidad. La solución de la tarea en lo que respecta al procedimiento se soluciona de acuerdo con la invención por medio de un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1. Modalidades ventajosas del procedimiento son el objetivo de las reivindicaciones 2 a 7. La solución de la tarea en lo que respecta al dispositivo se soluciona de acuerdo con la invención con un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 8. Modalidades ventajosas del procedimiento son el objetivo de las reivindicaciones 9 a 14. De acuerdo con la invención por medio de la condensación parcial de la corriente del medio de trabajo expandida de la corriente de trabajo líquida comprimida no solo se calienta sino que hasta se evapora parcialmente. Esto es posible porque en comparación con el ciclo KCS 34 antes mencionado, en el segundo intercambiador de calor y con esto para transferir calor de la fase líquida a la corriente del medio de trabajo parcialmente evaporada, se omite el posterior calentamiento o a la evaporación parcial de la corriente de trabajo caliente. Con esto se extrae menos calor de la fase líquida, que se utiliza subsecuentemente para el mejor calentamiento y la evaporación parcial de la corriente del medio de trabajo liquido comprimido por medio de la condensación parcial de ía corriente del medio de trabajo expandido. Por medio del correspondiente ajusta de las superficies térmicas del intercambiador de calor formado y otros parámetros del ciclo es posible no solo mantener sino hasta elevar el rendimiento de la energía mecánica y/o eléctrica en comparación con el ciclo conocido. Los costos de un eventual requerimiento de mayores superficies calientes del los intercambiadores de calor resultantes pueden aquí compensarse continuamente por medio de la omisión del segundo intercambiador de calor y la conducción simplificada de la tubería, de tal forma que los costos de instalación permaneces esencialmente iguales . Al omitir el segundo intercambiador de calor antes mencionado o al omitir la transferencia de calor de la fase líquida a la primera corriente del medio de trabajo parcialmente evaporado el dispositivo de acuerdo con la invención o el procedimiento de acuerdo con la invención se caracterizan por medio de una complejidad menor en comparación con el estado de la técnica. La evaporación parcial del la corriente del medio de trabajo líquido comprimido, por medio de la condensación parcial del medio de corriente del medio de trabajo expandido puede mejorarse cuando la presión de la fase en forma de vapor es menor a 24 bar y con esto es claramente menor a los ciclos hasta ahora conocidos que normalmente asciende a 33 bar. Con esto puede reducirse el nivel de presión total del ciclo, con lo cual puede reducirse otra vez la temperatura de ebullición. Cuando la presión de la fase en forma de vapor antes de entrar a las turbinas es tres veces la presión de la fase expandida en forma de vapor, es posible utilizar turbinas de expansión convencionales de una sola etapa. Ese tipo de turbinas de expansión representan un grado de efectividad de 88% y con esto un grado de efectividad claramente mayor que el del 75% que se obtiene con las turbinas de expansión de varias etapas adecuadas para 33 bar utilizadas en ese tipo de ciclos. Una pérdida de efectividad en el ciclo que probablemente se presente con la reducción en el nivel de presión o con la menor proporción de presión a través de la turbina del expansor, es más que compensada por el -mejor grado de efectividad de la turbina y el mejor aprovechamiento posible del medio de trabajo que permite extraer comparativamente más energía del agua térmica. Al utilizar una turbina expansora convencional de una sola etapa se omiten además los costos de una segunda etapa de la turbina o los costos adicionales para la adaptación especial de las turbinas a mayores diferencias de presión. De acuerdo con una modalidad de la invención como medio de trabajo se utiliza una mezcla de varias sustancias . La mezcla de varias sustancias es preferentemente una mezcla de dos materiales, en especial una mezcla de agua amoniaco. Debido a la evaporación no isotérmica y la condensación de una mezcla de ese tipo puede obtenerse una mejor efectividad del ciclo. Una obtención de energía especialmente protectora del ambiente es posible por el uso de un líquido geotérmico, en especial de agua térmica de una fuente geotérmica como fuente calorífica. Como fuente calorífica pueden también utilizarse los gases de desecho (humos) de instalaciones de turbina de gas y/o de vapor o del calor producido en procesos de producción industriales (por ejemplo en la producción de acero) . Un mayor grado de efectividad del ciclo puede lograse aquí porque la fuente calorífica presenta una temperatura de 100° C a 200° C, en especial de 100° C a 140° C. BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La invención así como otras modalidades ventajosas de la invención de acuerdo con las características se describen detalladamente a continuación con la ayuda de los ejemplos de realización en las figuras. En las cuales: La figura 1 muestra un ciclo de un dispositivo de acuerdo con la invención para realizar un procedimiento termodinámico cíclico en representación esquemática simplificada; La figura 2 muestra el cálculo del ciclo para un dispositivo de acuerdo con la figura 1; La figura 3 muestra un ciclo de un dispositivo conocido por el estado de la técnica para realizar un procedimiento termodinámico cíclico en una representación esquemática simplificada; La figura 4 muestra el cálculo del ciclo para un dispositivo de acuerdo con la figura 3. DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION El dispositivo 1 mostrado en la figura 1 para la realización de un proceso termodinámico cíclico presenta un intercambiador de calor (recuperador) HE 4, que por el lado principal es atravesado por un flujo de agua termal caliente 20 de una fuente geotérmica no representada detalladamente y por el lado secundario está unido con un intercambiador de calor HE2 y por otro lado con un separador 4. El separador 4 sirve para separar un medio de trabajo parcialmente evaporado en una fase de vapor y en una fase liquida. Una salida del lado de vapor del separador 4 está conectada con una turbina 2. La salida de la turbina 2 está conectada con un mezclador 4, el cual está conectado todavía con la salida para líquido del separador 4. La salida del mezclador 4 está unido con el lado secundario de un intercambiador de calor (recuperador) HE2, que a su vez está conectado con el lado primario de un condensador HE1 el cual por el lado secundario es atravesado por un flujo de agua fría. El condensador HE1 en su salida primaria por medio de una bomba, está conectado con el lado primario del intercambiador de calor eventualmente a través de un tanque para el condensado. El lado primario del intercambiador de calor HE2 está a su vez conectado con el lado secundario del intercambiador de calor HE4 ya mencionado. Como medio de trabajo en el dispositivo 1 se utiliza una mezcla de dos sustancias en este caso agua y amoniaco, que presenta evaporación y condensación no isotérmica. El medio de trabajo después del condensador HE1 se encuentra en un estado líquido en forma de una corriente de forma de trabajo líquido 13. Con la ayuda de la bomba 3 la corriente de trabajo liquida total 13 se bombea a una presión elevada y se produce una corriente de medio de trabajo liquido 14 comprimida. La corriente de trabajo liquida comprimida
14 se conduce al lado primario del intercambiador de calor HE2 y se calienta y evapora parcialmente, por medio de la condensación parcial de una corriente de trabajo expandida 12 introducida del lado secundario a través del intercambiador de calor HE2, de tal forma que del lado primario después del intercambiador de calor HE2 se encuentra una primera corriente del medio de trabajo parcialmente evaporada
y del lado secundario se encuentra una corriente de medio de trabajo expandida prácticamente condensada 12a. La fracción de vapor en la corriente del medio de trabajo parcialmente evaporada 15, asciende por ejemplo al 15%. La primera corriente del medio de trabajo parcialmente evaporada 14 se conduce al lado secundario del intercambiador de calor HE4 sin posterior calentamiento. Agua termal caliente 20 fluye a través del lado primario del intercambiador de calor HE4. En el intercambiador de calor .HE4 la primera corriente del medio de trabajo parcialmente evaporada 15 se evapora adicionalmente por medio del enfriamiento del agua termal 20, y se produce una segunda corriente de medio de trabajo parcialmente evaporada 18. La segunda corriente del medio de trabajo parcialmente evaporada 19 se conduce al separador 4, en la cual se separa la fase en forma de vapor 10 de la fase liquida 19 del la segunda corriente del medio de trabajo parcialmente evaporada 18. La fase en forma de vapor 10 a continuación se expande en la turbina 2 y su energía se transforma a una forma útil, por ejemplo a corriente eléctrica en un generador no representado y se produce una fase expandida en forma de vapor 11. En el mezclador 5 se vuelven a juntar la fase en forma de vapor expandida 11 y la fase líquida 19 separada en el separador 4, y se forma una corriente del medio de trabajo expandida 12. Aquí no se provee una transferencia térmica especial de la fase líquida 19 a la primera corriente del medio de trabajo parcialmente evaporada 15, por medio de un intercambiador de calor provisto especialmente para esto. Con esto la corriente del medio de trabajo parcialmente evaporada 15 antes de la posterior evaporación en el intercambiador de calor HE4, presenta esencialmente la misma temperatura que tenia después de su producción por medio de la condensación parcial de la corriente del medio de trabajo expandida 12. Bajo el término "esencialmente la misma temperatura" se entienden aqui que la diferencia de temperatura solo asciende a algunos grados Kelvin, y se produce por ejemplo por medio de un ligero enfriamiento de la primera corriente del medio de trabajo parcialmente evaporada que sale del intercambiador de calor HE2, debido a las pérdidas de calor en los tubos de conexión hacia el intercambiador de calor HE4. La corriente del medio de trabajo expandido 12 se condensa parcialmente en el intercambiador de calor HE2, y se produce una corriente del medio de trabajo parcialmente condensada expandida 12a. La corriente del medio de trabajo parcialmente condensada y expandida 12 primero se condensa en el condensador HE1 con la ayuda de la corriente de agua fria (entrante) 25 y se produce la corriente del medio de trabajo liquido 13. El calor transferido a la corriente de agua fria 25 por medio de la condensación de la corriente del medio de trabajo expandida 12a, se elimina por medio de la corriente de agua fria saliente 26. La figura 2 muestra un esquema del ciclo para un dispositivo para realizar el proceso termodinámico cíclico, que en lo esencial corresponde al dispositivo 1 representado en la figura 1 y adicionalmente presenta todavía algunas válvulas 27. Como condiciones de partida para los cálculos se supusieron una concentración de amoniaco en agua 95% (en el caso de un medio de trabajo liquido completamente condensado) y una corriente de agua térmica 20 con una temperatura de 120° C asi como una corriente de masa de 141.8 Kg/s. La temperatura de la corriente de agua fria 25 asciende a 9.4° C. Como se muestra en las figuras 1 y 2, no se proveen modificaciones a la concentración de amoniaco para elevar la efectividad, exceptuando por las diferentes concentraciones de amoniaco producida por la separación de la fase de vapor de la fase liquida después de la transferencia de valor de la fuente calorífica externa a ambas fases . La tabla 1 muestra para algunas corrientes seleccionadas del ciclo, los resultados del cálculo del ciclo, seleccionándose las potencias del intercambiador de calor de acuerdo con la tabla 2.
Tabla 1 :
Tabla 2 :
La temperatura de la primera corriente de trabajo parcialmente evaporada 15 antes de la entrada al intercambiador de calor HE4 asciende a 53.52° C y con esto tiene la misma temperatura como después de salir el intercambiador de calor HE2. La potencia eléctrica producible bajo estas condiciones con la ayuda de la turbina 2 asciende a 4033 kW. La presión de la fase de vapor 10 antes de la entada a la turbina 2 asciende a 22.3 bar y la presión de la fase en forma de vapor expandida 11, después de la salida de la turbina 2 asciende a 7158 bar. Por medio de la presión inicial seleccionada de 22.3 bar y la proporción de presión de aproximadamente 3.1 entre la presión de la fase de la forma de vapor y después de la turbina 2 puede como turbina 2 utilizarse una turbina convencional de una sola etapa con un alto grado de efectividad, lo cual está asociado con ventajas correspondientes a los costos y a la efectividad. La figura 3 muestra el circuito de un dispositivo 30 conocido en el estado de la técnica como KCS 34 (sistema para el ciclo de Kalina 34) para realizar un proceso termodinámico cíclico. Para mejorar la comparación del dispositivo conocido 30 con el dispositivo de acuerdo con la invención representado en la figura 1 los componentes y las corrientes correspondientes presentan los mismos números de referencia. El dispositivo 30 se diferencia del dispositivo de acuerdo con la invención mostrado en la figura 1 por un intercambiador de calor HE3 adicional conectado del lado primario entre el intercambiador de calor HE2 y el intercambiador de calor HE4 y del lado secundario entre el separador 4 y el mezclador 5. Con la ayuda del intercambiador de calor HE2 por medio de la condensación parcial de la corriente del medio de trabajo expandida 12 se calienta la corriente liquida del medio de trabajo comprimida 14 y se produce la corriente del medio de trabajo (liquido) caliente 15. La corriente del medio de trabajo caliente 15 a continuación se sigue calentado por medio del intercambiador de calor HE3 a través del enfriamiento de la fase liquida 19 y con esto se produce una corriente del medio de trabajo más caliente 15a. La figura 4 muestra el cálculo del ciclo para un dispositivo conocido por el estado de la técnica, que en lo esencial corresponden al dispositivo 30 representado en la figura 3 y adicionalmente se complementa con algunas válvulas 27. Como condiciones de partida para el cálculo se consideraron una concentración de amoniaco y agua de 89.2% y como en el caso del cálculo del circuito de la figura 2 - una corriente de agua termal 20 con una temperatura de 120° C asi como una corriente de masa de 141. 8 Kg/s . La temperatura de la corriente de agua fría 25 asciende a 9.4° C. La tabla 3 muestra para algunas corrientes seleccionadas del ciclo, el resultado del cálculo del ciclo en el cual se seleccionan las potencias del intercambiador de calor de acuerdo con la tabla 4. Tabla 3 :
Tabla :
Intercambiador de calor Potencia (kW) HE 1 (condensador) 24, 1 HE2 2,7 HE 3 1,2 HE 4 28,1 Total 55,1 La potencia eléctrica producida asciende solo a 3818 kW . La potencia . eléctrica que puede obtenerse es por lo tanto en el caso del ciclo de acuerdo con la invención según las figuras 1 y 2 es aproximadamente 5.6% mayor que en el caso del proceso cíclico conocido por el estado de la técnica. La corriente del medio de trabajo caliente 15, que sale del intercambiador de calor HE2 con una temperatura de 39° C, se calienta adicionalmente a 48.87° C en el intercambiador de calor HE3 por medio del enfriamiento de la fase líquida 19 y se conduce al intercambiador de calor HE4 como corriente de medio de trabajo 15a. Mientras que en el caso conocido la temperatura del agua termal 22 utilizada aun asciende a 70.46° C, en el caso del proceso cíclico de acuerdo con la invención de acuerdo con la figura 2, el agua termal utilizada 22 presenta todavía una temperatura de 57.45° C. En el caso del proceso cíclico de acuerdo con la invención puede extraerse al agua térmica comparativamente más energía. Debido a la presión de la fase en forma de vapor 10 a la entrada de la turbina 2 de 32.41 bar y la proporción de presión de 4.8 entre la presión de la fase en forma de vapor a la entrada de la turbina 2 y la presión de la fase en forma de vapor expandida 11 a la salida de la turbina, en el caso del ciclo de la figura 4 no puede utilizarse una turbina convencional de una sola etapa. Más bien deben utilizarse dos turbinas convencionales de una sola etapa conectadas secuencialmente, o debe utilizarse una turbina adecuada especial para altas presiones y proporciones de presión mayor a la 4, lo que en ambos casos está asociada a mayores costos y mayores pérdidas de efectividad en comparación con la tuina única convencional . La necesidad de superficie caliente del 28.5% también elevada debido a la elevada potencia del intercambiador de calor tiene como consecuencia que se requieran elevadas inversiones. Estos costos elevados pueden compensarse en gran medida por la simplificación en las tuberías y por la omisión del intercambiador de calor HE3, de tal forma que los costos de instalación totales en lo esencial permanecen iguales . La invención fue descrita con la ayuda de ejemplos de realización preferidos, pero sin embargo no debe considerarse limitada a esos ejemplos de realización. Existe la posibilidad de realizar una multiplicidad de variaciones y modificaciones a la invención o sus ejemplos de realización. Por ejemplo, como se observa en el ejemplo mostrado en las figuras 2, pueden conectarse en el circuito válvulas adicionales .
Claims (14)
- NOVEDAD DE LA INVENCION Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes : REIVINDICACIONES 1. Un procedimiento para la realización de un proceso termodinámico cíclico caracterizado porque presenta las siguientes etapas: - bombear una corriente de medio de trabajo líquida a una presión elevada y formar una corriente líquida del medio de trabajo comprimida; - calentar y evaporar parcialmente la corriente líquida del medio de trabajo comprimida por medio de la condensación parcial de una corriente de medio de trabajo expandida y producir una primera corriente de medio de trabajo parcialmente evaporada y una corriente de medio de trabajo expandida parcialmente condensada; - evaporación posterior de la corriente del medio de trabajo parcialmente evaporada con calor, que es transferido por una fuente de calor externa, y producir una segunda corriente de trabajo cuando menos parcialmente evaporada; - separar una fase liquida de una fase de vapor de la segunda corriente del medio de trabajo cuando menos parcialmente evaporada; - expandir la fase en forma de vapor, transformar su energía en forma útil y producir una fase en forma de vapor expandida; - mezclar la fase líquida con la fase de vapor expandida y formar la corriente del medio de trabajo expandido; - condensación completa de la corriente del medio de trabajo expandida parcialmente condensada y producir la corriente líquida del medio de trabajo.
- 2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la fase en forma de vapor asciende a menos de 24 bar.
- 3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque la presión de la fase en forma de vapor es de dos a tres veces la presión de la fase en forma de vapor expandida.
- 4. El procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque como medio de trabajo se utiliza una mezcla de varias sustancias .
- 5. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque como mezcla de varias sustancias se utiliza una mezcla de dos sustancias, en especial una mezcla de amoniaco y agua .
- 6. El procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque como fuente calorífica externa se utiliza un liquido geotérmico, en especial agua termal.
- 7. El procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la fuente calorífica presenta una temperatura de 100° C a 140° C.
- 8. Un dispositivo para realizar un proceso termodinámico cíclico, en especial para realizar el procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anterior, caracterizado porque cuando menos presenta - una bomba para bombear una corriente de medio de trabajo líquida a una presión elevada y formar una corriente líquida del medio de trabajo comprimida; - un primer intercambiador de calor para producir una primera corriente de medio de trabajo parcialmente evaporada por medio del calentamiento y evaporación parcialmente de la corriente líquida del medio de trabajo comprimida por medio de la condensación parcial de una corriente de medio de trabajo expandida; - un segundo intercambiador de calor para producir una segunda corriente del medio de trabajo cuando menos parcialmente evaporada por medio de la evaporación posterior de la primera corriente del medio de medio de trabajo parcialmente evaporada con calor, que es transferido por una fuente de calor externa; - un separador para separar una fase liquida de una fase de vapor de la segunda corriente del medio de trabajo cuando menos parcialmente evaporada; - un dispositivo, en especial una turbina para expandir la fase en forma de vapor, transformar su energía en forma útil y producir una fase en forma de vapor expandida; - un mezclador para mezclar la fase líquida con la fase de vapor expandida y formar la corriente del medio de trabajo expandido; - un tercer intercambiador de calor para la condensación completa de . la corriente del medio de trabajo expandida parcialmente condensada y producir la corriente líquida del medio de trabajo.
- 9,. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque la presión de la fase en forma de vapor asciende a menos de 24 bar.
- 10. El dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 o 9, caracterizado porque la presión de la fase en forma de vapor es de tres a cuatro veces la presión de la fase en forma de vapor expandida .
- 11. El dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque como medio de trabajo se utiliza una mezcla de varias sustancias .
- 12. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque como mezcla de varias sustancias se utiliza una mezcla de dos sustancias, en especial una mezcla de amoniaco y agua .
- 13. El dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizado porque como fuente calorífica externa se utiliza un líquido geotérmico, en especial agua termal.
- 14. El dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 a 13, caracterizado porque la fuente calorífica presenta una temperatura de 100° C a 140° C.
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