Archive for the ‘Electrónica de Potencia’ Category
Dentro de todas las posibilidad existe la situación en que una variable vaya decayendo con el tiempo, sea por ejemplo la presión o un voltaje. Los sensores ubicados van reportando información dándonos datos de sus mediciones, por lo general, cuando llegan a una computadora o tarjeta tienen que ser discretizados si es que quizás ya vienen discretizados. Con ello, y tras numerosos datos uno puede apreciar como va la tendencia de pendiente como se puede observar en la gráfica, en que una variable tras pasar varias medidas se observa claramente una tendencia de pendiente negativa, a pesar de que hay valores por encima de dicho promedio o por debajo también hay muchas, pero un cálculo rápido permite determinar y visualizarla mejor. El programa esta hecho en Matlab y simula una línea recta de pendiente negativa con valor inicial de 14.4 con ruido de valor medio cero y una desviación estándar. Sirve también para otros campos y a quien le interese, podemos hacer cooperación con el fin de tener, al menos, publicaciones ISI.
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Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
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La gráfica muestra un comportamiento durante un día. Al iniciar el día se puede apreciar que la forma de la onda de irradiación y de potencia son semejantes, algo como que todos los paneles solares están abocados a maximizar su producción de energía eléctrica. Cuando se llega a cierto nivel de irradiación, consigo va que la planta solar llega al tope de su capacidad, entonces y por lo tanto, cambio en las conexiones de la planta solar para mantener la producción de electricidad en la cantidad y calidad deseada se hace necesario. Sin embargo, debido a la potencia que se maneja, los cambios repentinos de conexiones consigo llevan a transitorios de funcionamiento que se reflejan en distorsiones de la onda. Hay que recordar que la curva v-i de una celda solar permite una rápida caída de la producción de energía desde su punto de máxima potencia y que si no se controla adecuadamente, variaciones súbitas se pueden reflejar en la red. Numerosas formas de control y automatización se han implementando y se siguen investigando para maximizar la producción de electricidad y además, para pronosticar también, con ello se puede programar el despacho de energía en función a la demanda. Espero os sirva.
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En las residencias o casas de campo se suelen utilizar sistemas aislados de capacidad suficiente para el domicilio. En muchos casos, el sistema consiste de paneles solares, un regulador, un sistema de almacenamiento de energía eléctrica mediante baterías (cualquiera que sea su tipo) y cargas eléctricas, en esta simulación se ha considerado una carga eléctrica constante que emula la iluminación que se enciende hacia el atardecer y se apaga con el alba. Durante el día se a asumido una radiación solar constante, sin embargo, esto se puede cargar data de campo para hacer el estudio más real. Este modelo es bastante simplificado y de base para estudios e investigaciones más avanzadas. Hecho en Matlab/Simulink de MathWorks Inc.
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Para crear este campo eléctrico en la estructura del dispositivo, se introduce en el semiconductor una cierta cantidad controlada de impurezas (llamados dopantes), es decir, átomos de otro elemento distinto al material de partida que presenta un exceso o un defecto de electrones en sus capas más externas respecto al material intrínseco (libre de impurezas).
Una impureza se considera donadora cuando el elemento utilizado tiene un electrón de valencia más que el material intrínseco (caso de dopantes como el P, As o Sb añadidos al Si). Un material semiconductor dopa con una impureza donadora se dice que es del tipo n. Es decir, obsérvese que introducir impurezas aceptoras supone un incremento en la concentración de huecos en el material mientras que impurezas donadoras provocan un aumento en la concentración de electrones. Cuando el material extrínseco ha ganado electrones, se dice que es de tipo negativo o de tipo-n.
La impureza se considera aceptora cuando el dopante tiene un electrón de valencia menos que el semiconductor intrínseco (caso del B, Ga, In, o Al agregados al Si). Un material semiconductor dopa con una impureza donadora se dice que es del tipo p, porque ha aumentado la densidad de huecos.
Lo esencial del proceso de dopaje es que la presencia de estas impurezas en cantidad suficiente modifica notablemente la concentración de portadores en el semiconductor en un rango de temperaturas muy amplio, tal como muestra la figura, debido a que las impurezas introducidas se ionizan muy fácilmente a temperaturas relativamente bajas. El semiconductor así dopado se denomina extrínseco para indicar que su densidad de portadores está alterada respecto a su concentración inicial.
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Presentado en una conferencia internacional en el 2012, desarrollado en Alemania. Se observa que la caraacterística principal es la de tener un gran bus único de transporte de la energía eléctrica a la cual se acoplan todos los elementos (generadores, almacenadores, consumidores) de la microgrid. El bus es del tipo AC (Corriente Alterna) por lo tanto, si es que se tiene generacíón renovable envoltaje continuo, éste debe tener un convertidor DC/AC para acoplarse al bus. Dicho inversor debe tener diseño adecuado para hacer seguimiento de los cambios de frecuencia y voltaje del bus a fin de obtener una buena performance del sistema, cosa que supongo se ha realizado y muestra de ello, en la figura inferior se tiene un demostrativo de la idea en la cual han colocado simulares de algunos elementos que por el mismo hecho de ser un demostrativo en algún evento internacional, no le reta mérito de lo conseguido durante dicha actividad de investigación.
Si los inversores utilizados es de un sólo sentido debido a que está conectado a los paneles fotovoltaicos, de doble sentido de flujo de energía eléctrica deben ser los convertidores conectados a las baterías eléctricas. Hay mucho aún por mejorar en las baterías electroquímicas, hay materiales que almacenan más, pero estas (las baterías) son de bajo costo y fácil implementación, instalación, mantenimiento, etc.
Por lo tanto, se ha previsto lo que es la protección eléctrica, que bajo estos esquemas toma rumbos diferentes a la forma tradicional. Un importante aporte es la simulación de la implementación, la cual luego del diseño de escritorio, se prueba «virtualmente» el diseño y se determina el modus operanti posible de la microgrid. Los datos recolectados en el experimentos, son comparados con los teóricos (simulaciones), lo cual constantamente retroalimentan de información (data) a los investigadores para la mejor comprensión del funcionamiento de la micgrid.
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Reportado en un congreso durante el año 2012, este proyecto ha sido realizado por ABB. Como pueden ver las figuras, cuenta con numerosos elementos tanto de generación, almacenamiento, control, consumidores, volantes de inercia, una conexión a la red regional de electricidad, cargas térmicas, motores o similares (consumidores rotantes)… El hecho es que todos se conectan a la microgrid y cada de uno de ellos está enlazada a un Centro de Control (Control Centre) que hace el monitoreo del sistema; recopila la información desde sensores, la procesa, ordena y almacena.
El lado izquierdo (mirando la pantalla) podría decirse que es un sistema en el cual todos se conectan, por lo tanto, no hay un control adecuado de cada uno de los elementos del sistema, según sea la necesidad, por ejemplo: si hay caída de tensión, escasa producción de energía eléctrica, baja calidad de la energía eléctrica entre otros problemas que se pueden presentar como armónicos, etc. A la derecha, se dispone de un control central, el cual toma las decisiones en virtud de la data recolectada y de una secuencia de decisiones previamente analizada y constantemente actualizada según los casos que se vayan presentando.
Estos experimentos y cosas demostrativas han dado un gran aporte a la compresión del tema, mejorando la performance, conociendo las limitaciones de cada tecnología, brindando mucha información en cuanto a los diferenets parámetros del sistema y de funcionamiento.
En la parte inferior, se menciona que se ha utilizado el DROOP CONTROL para la frecuencia, esta tecnica es muybuena, y el control permite la reducción de las reservas en cuanto al motor diesel. Permite de hecho una ahorro en el combustible dado que con un buen aprovechamiento de los recursos en este caso se ha logrado reducir las horas sin utilización del motor diesel hasta de 14 horas… El diagrama muestra el comportamiento estocástico de la producción y el consumo, a lo cual la microgrid se debe ajustar… por ningún motivo se debe decir al usuario que debe tener cuidado o limitación en el uso de la energía eléctrica… son los ingenieros y demás ramas los que DEBEN CREAR LAS SOLUCIONES para que el cliente o usuario las use y pague por ellas sin empeorar su calidad y estilo de vida, más bien incrementarlo. En Europa una casa promedio tiene una demanda de aprox. 10 kW considerado.
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Muestro en esta entrada diferentes tecnologías de almacenamiento en base a la potencia que pueden despachar y al tiempo de descarga. Hay mucha física involucrada en el sentido que son los procesos físicos y químicos los que determinan la capacidad de respuesta, el tiempo de respuesta a la necesidad de despachar energía, y también el grado de rapidez de transformación de la energía eléctrica desde su forma química a la forma de corriente eléctrica.
Esta gráfica es una muestra general, dentro de cada tecnología numerosos fabricantes y centros de investigación desarrollan y perfeccionan cada vez las diferentes tecnologías. Pueden revisar las web de los diferentes fabricantes, y como es en éste mercado, existen de todos los precios y calidades. Y es que la calidad tiene que ver mucho con el precio, más aún si por ahora las energías renovables están fuertemente subvencionadas por gobiernos o fondos de apoyo al desarrollo de las energías renovables. Sin embargo, cada progreso, nos permite visualizar el marco tecnológico a pronto futuro en que las cosas sean mas comercializables.
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Con la introducción de la electrónica de potencia en los aparatos de casa desde hace años, la carga de potencia constante (CPL) con su impedancia diferencial negativa (NDI) ha sido introducida en la electrónica de potencia basado en cargas. Un equivalente circuito de la electrónica de potencia basada en CPL muestro a continuación.
Este tipo de aparato tiene un DNI y puede causar un voltaje de red oscilatorio. Hoy por hoy, el número de esta forma de carga se ha incrementado rápidamente y puede continuar incrementándose en el futuro., porque ellos son insensibles a las fluctuaciones del voltaje de la red. Otra CPL que se muestra con una enorme número y cantidad de potencia en el futuro cercano es la carga de baterías para vehículos eléctricos. El cambio automático de los taps de los transformadores son usados hoy en varios niveles de voltaje y es bien conocido que el uso de estos pueden afectar la estabilidad. Nuevos desarrollos en este campo son transformadores con electrónica de potencia que logran regulación instantánea del voltaje bajo cambios de carga. Debido a estos desarrollos, se puede trabajar una área de distribución con un CPL en las futuras redes.
Un voltaje de red oscilatorio debido al NDI del CPL es un fenómeno que ya se ha mostrado en los sistemas eléctricos de pequeñas microredes a bordo de buques, donde generadores se tornan inestables debido a su sistema de control que responde a un gran número de CPLs. Ante el rápido número creciente de CPLs, hay estudios para el diseño de los futuros sistemas de electricidad que incluyen una gran posibilidad de sistemas de distribución local aislados en situaciones críticas.
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Muchas gracias a todos los visitantes del presente blog… este mes de febrero marcaron nuevo record de visitas, el más alto hasta el momento. Grato compartir con Uds. los temas del blog, favor difundirlo y también gracias a todos aquellos que me escriben pidiendo orientación, información, revisión de sus trabajos, asesoría. Tienen ahi el email y la dirección postal en caso necesario.
Gracias también a todos aquellos que escriben pidiendo orientación, que revise sus trabajos, asesoría, etc… favor difundan el blog y os espero sirva a estudiantes y profesionales.
Gracias nuevamente por las visitas y queda seguir el compromiso de implementar con más el blog… Best regards
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La progresiva liberación de los mercados eléctricos y la posibilidad de que pequeñas unidades de producción puedan vender su energía al operador de la red, supone un incentivo adicional a la implantación de generación distribuida y su posterior agrupación en microredes. Desde el punto de vista del cliente, la microred a la que pertenece cubre sus necesidades energ+éticas, da una mayor fiabilidad al suministro elèctrico, y permite, en determinadas circunstancias, suministrar energía a costes inferiores a los de mercado. Una microred puede participar en el mercado comprando o vendiendo energìa activa y reactiva ya que, si el consumo interno no alcanza los lìmites tècnicos de los microgeneradores, existe la posibilidad de vender en el mercado la energía excedentaria obteniendo un beneficio adicional. Dentro del sistema de control de la microred, estas tareas se llevan a cabo dentro del nivel de Control Central de la MIcrored.
El hecho de que una microred tienda a autoabastecerse cuando el precio de la energía es alto, supone una disminución de los costes de operación del que los clientes pueden también beneficiarse. Esto es debido a que en momentos de elevada demanda, cuando el precio de la energía eléctrica es alto, el control central de la microred trata de autoabastecer la demanda de la microred con generación propia, disminuyendo la carga sobre la red de distribuciòn de media tensión.
El hecho de que la mayor parte de cargas conectadas a una microred estén equipadas con un controlador que acepte consignas para disminuir el consumo o incluso su desconexión,. permitiría además que un cliente pudiera tener distintas prioridades a la hora de mantener el suministro, con la consiguiente repercusiòn en el precio pagado por energìa consumida.
La capacidad de predicción de la demanda es también un elemento de vital importancia en una microred, no sólo en la operación en modo isla en el que el balance de energía debe mantenerse, sino también durante el funcionamiento conectado a la red de distribución. En este último caso en base a la predicción realizada se lanzarán al mercado ofertas de compra o de venta de energía según las necesidades. Las predicciones en microredes deben ser principalmente de corto plazo, 1 – 4 horas. A diferencia de lo que ocurre con las herramientas clàsicas de predicción, la demanda de la microred, desdel punto de vista de la red de distribución, estarà correlacionada con el precio de la energía. Los modelos de predicción deberán por tanto incorporar esta información.
Otro parámetro que tambièn deberà ser estimado es el precio de la energìa por cuanto las ofertas de la generación distribuida dependeràn de este valor.
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En una microred no es comùn encontrar generadores sìncronos controlables, elementos que normalmente fijan los valores de tensiòn y frecuencia en una red convencional. Como se ha expresado en apartados anteriores, la mayor parte de los microgeneradores precisan para su conexión a la red de baja tensión que la microred, de un inversor basado en electrònica de potencia. Estos dispositivos deben ser pues los responsables de mantener tanto la tensión como la frecuencia estables durante el funcionamiento en modo aislado.
Los principales factores que tienen influencia en la operación de microredes son:
- Las estrategias de control empleadas en las fuentes de generación.
- Los tipos de cargas conectados a la red.
- La localiación de las faltas que puedan producirse.
- La constante de inercia de los motores.
En relación a las estrategias de control de los generadores, hay tres posibilidades a seguir:
- Control PQ, fijando a un nivel constante de salida de las fuentes conectadas a la red de forma que en base a estos paràmetros quede regulado el punto de funcionamiento, definido como Pdes y Qdes. Ante cambios en los valores de la frecuencia o tensión, el controlador desplazarà las curvas caracterìsticas para mantenerse en el punto de funcionamiento.
- Control de pendiente (Droop-Control), consistente en un control de frecuencia y de tensión basado en la posibilidad de variar la pendiente de la curva f-P y v-Q en el controlador.
- Control frecuencia – tensiòn, cuyo objetivo es mantener estable tanto la frecuencia como la tensión en el sistema desplazando horizontalmente las curvas características f-P y V-Q. Cambios en la carga de la microred, afectan tanto a la frecuencia como a la tesnión del sistema. Como durante el funcionamiento en modo aislado se producen continuas variaciones de carga, para mantener f y V a sus valores nominales, es necesario ajustar la salida de los generadores a las condiciones de funcionamiento.
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Cuando en una estación conversora se encuentra operando como inversor al término del enlace de corriente continua, una válvula se apagará cuando su corriente conmute a cero y el voltaje a través de la válvula se torne negativo. El período en el cual la válvula se encuentra con una polarización negativa corresponde al ángulo de extinción \gamma, y sun un pulso de disparo, la válvula idealmente se encontrará en un estado no conductivo o bloqueado, incluso si experimenta una polarización positiva.
Todas las válvulas DC requieren que se les remueva la carta interna almacenada en su interior producida cuando la válvula se encuentra conduciendo (período \alpha y \mu en el inversor) antes de que la válvula pueda, exitosamente, establecer su habilidad de bloqueo cuando se encuentra en polarización negativa. EL inversor, por lo tanto, requiere un período mínimo de polarización negativa o un valor mínimo de \gamma para que su capacidad de bloqueo sea conseguida. Si este bloqueo falla y la conducción de la válvula es iniciada sin un pulso de disparo, una falla de conmutación va a ocurrir. Esto también va a resultar en una falla para mantenr la corriente en la siguiente válvula. Fallas en la conmutación las estaciones conversoras operando como inversor son causadas principalmente por alguna de las siguientes razones:
- Cuando la corriente AC entrando al inversor experimenta un aumento en magnitud, causará que el ángulo de conmutación \mu se incremente, el ángulo de extinción \gamma por lo tanto se verá reducido, pudiendo alcanzar un punto donde la válvula pierda la capacidad de mantener su capacidad de bloqueo. Al aumentar la inductancia de las estaciones conversoras, principalmente a través de la bobina de aislamiento, se va a conseguir que la tasa de cambio de la corriente DC decrezca lo que va a ayudar a disminuir las fallas de conmutación.
- Cuando la magnitud de la tensión AC al lado del inversor se reduce en una o más fases, o si es distorsionado, va a causar que el ángulo de extinción sea inadecuado y por lo tanto puede que ocurra una falla en la conmutación.
- Un cambio en las fases del voltaje de conmutación AC puede causar una falla de conmutación. Sin embargo, una reducción en la magnitud del voltaje AC y no un cambio de fase es el factor principal que determina que se produzca una falla de conmutación.
- Un valor del ángulo de extinción antes de la contingencia también afecta la sensibilidad del inversor a una falla de conmutación. Un valor de \gamma = 18° es usual para la mayoría de las estaciones inversoras. Al aumentar el valor de \gamma a valores de 25°, 30° o mayoers va a reducir la posibilidad de una falla de conmutación (a expensas de incrementar el consumo de potencia reactiva de la estación inversora).
- El valor de la corriente en la válvula antes de la falla de conmutación también afecta las condiciones en las cuales una falla de conmutación puede ocurrir. Una falla de conmutación puede ocurrir con mayor probabilidad si la corriente por la válvula que existía antes de la contingencia es relativamente grande en comparación con la corriente nominal.
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
Group of Mathematical Modeling and Numerical Simulation (GMMNS).
Universidad Nacional de Ingeniería. Lima, Perú.
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En la figura se muestra varios ángulos eléctricos, utilizados comúnmente para definir el modo de operación de las estaciones conversoras. Estos ángulos son medidos utilizando el voltaje trifásico en las válvulas y están basados en condiciones ideales, con el sistema actuando libre de armónicos y el voltaje de conmutación trifásico balanceado. Se aplican tanto al inversor como al rectificador.
Ángulo de retraso \alpha: El tiempo expresado en grados eléctricos medido desde que el voltaje de conmutación sinusoidal idealizado cruza por cero hasta el instante en que la corriente por una válvula comienza a circular. Este ángulo es controlado por el pulso de disparo en la puerta de control del tiristor. Si este ángulo es menor que 90°, actúa como inversor. Este ángulo es a menudo referido como ángulo de disparo.
Ángulo de adelanto \beta: Corresponde al tiempo expresado en grados eléctricos medido desde el instante en que la corriente empieza a conducir por una válvula hasta el próximo cruce por cero del voltaje de conmutación (idealizado). El ángulo de avance o adelanto \beta está relacionado en grados con el ángulo de disprado \alpha por:
\beta = 180 – \alpha
Ángulo de traslado \mu: El tiempo de duración de la conmutación entre dos válvulas expresadas en grados eléctricos.
Ángulo de extinción \gamma: El tiempo expresado en grados eléctricos medido desde el término en la conducción de corriente de una válvula hasta el próximo cruce por cero del voltaje de conmutación idealizado. \gamma depende del ángulo de avance \beta y del ángulo de traslapo \mu según la siguiente ecuación
\gamma = \beta – \mu
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
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En el futuro desarrollo de la generación distribuida, influirá de forma decisiva la eficiencia con que se consiga transmitir a la red eléctrica, de media o baja tensión, la energía producida en microgeneradores. En este sentido, el uso de sistemas de electrónica de potencia para acoplar a la red generadores y sistema de almacenamiento de energia, permitirá a éstos dar servicios tales como regulación de tensión (VAR). Se podrà además aprovechar la rápida respuesta en el tiempo de estos dispositivos (inferiores a un ciclo de corriente alterna) para reducir la contribución de microgeneradores a las fallas producidas en la red.
La versatilidad, fiabilidad y cada vez más bajo coste de los dispositivos electrónicos, hace que su uso esté cada vez más extendido, asumiendo funciones tradicionalmente desempeñadas por sistemas electromagnéticos y electromecánicos. Son capaces de adaptar a valores adecuados para su conexión a la red eléctrica convencional, casi cualquier tipo de características de tensión e intensidad a la entrada.
En la ilustración 1 tenemos un diagrama típico de una interface de electrónica de potencia. Para adaptar la energía procedente de microgeneradores, se procude en primer lugar una rectificación a DC, de la tensión de entrada para luego, mediante un inversor, generar una onda de tensión de las mismas características tensión – frecuencia que el sistema eléctrico de potencia al que se pretende conectar. En el caso de dispositivos de almacenamiento de energía, como proporcionan corriente continua, sólo el inversor es necesario.
Aprovechando el potencial que proporciona la electrónica, es posible incluir además funciones de protección y control del generador además de funciones de medida.
Beneficios imporatnte que se derivan del uso de la electrónica de potencia son:
- Mejora de la calidad de la energía entregada a la red, suprimiendo la generación de armónicos mediante el uso de filtros.
- Regulación de tensiones y generación de energía reactiva. A partir de la tensión rectificada, el inversor puede producir una onda de tensión alterna con tensión y fase arbitraria. Esto permite variar el factor de potencia en un rango más amplio que en los generadores síncronos.
- Reducción de la contribución de la generación distribuida a las corrientes de fallas. La existencia de generación distribuida en un sistema puede afectar negativamente a la coordinación de las protecciones a la hora de despejar una falla. Esto es debido a que disminuye la corriente de falla aguas arriba del generador. La electrónica debe en este caso detectar la presencia de una falla en la red de desconectar el generador.
- Integración de distintas fuentes de generación distribuida. Con un diseño específico, es posible implementar un bus DC donde aporten energía varios generadores o acumuladores, teniendo cada uno de ellos distintas tecnologías. En esta situación sería necesario un único inversor para conectarlos todos a la red eléctrica.
- Conmutación rápida entre modo integrado y modo isla.
El uso intensivo de la electrónica de potencia en la conexión de equipos de generación a microredes permitirá su modularización, asì como el descenso de los costes de producción.
Dr. Jorge Luis Mírez Tarrillo
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Good day. My full name is Jorge Luis MIREZ TARRILLO.
I am Peruvian and live in Lima, capital of Perú in South America.I am Mechanical Electrical Engineering, MSc Physics and Dr. Physics (title doctoral thesis: Control, Optimization, and Management of Microgrid Current Direct)
Too, actually job as Principal Professor in Faculty of Oil, Gas and Petrochemical Engineering of Universidad Nacional de Ingeniería (National University of Engineering) in Lima – PERU (Courses: Modern Physics, Differential Equations and Research's Methodology)
My subjects of my interest are control, signal processing, optimization, simulation, biomedical research, smart grid, microgrid, water.
I have experience in Matlab/Simulink programming, biomedical equipment, electrical systems, renewable energies, microgrids, saturated steam systems 100 psi and organizing academic events.
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