practica: flujo de fluidos en tuberias

7/23/2019 Practica: Flujo de Fluidos en Tuberias

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PRCTICA 2: FLUJO DE FLUIDOS EN TUBERAS

OBJETIVOS

Determinacin experimental de los coeficientes medios de descarga de losmedidores de flujo.

Determinacin experimental y terica de las diferentes constantes de las

vlvulas.

Determinacin de los coeficientes de resistencia de los diferentes tipos de

accesorios.

Determinacin experimental y terica de las longitudes de los diferentes

conductores as como las desviaciones que sufren la longitud prctica sobrela terica como relacin.

Comprobacin experimental del teorema de Bernoulli, para determinar los

rendimientos de las maquinas que hacen posible el movimiento de fluidos atravs del sistema.

Determinacin experimental de las curvas de operacin de la bomba.


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INTRODUCCIN

!n la actualidad la medicin del flujo es la variable ms importante en laoperacin de una planta, sin esta medida el balance de materia, el control de

calidad y la operacin misma de un proceso continuo seran casi imposibles dereali"ar.

!xisten muchos mtodos confiables para la medicin de flujo, uno de losms comunes es el que se basa en la medicin de las cadas de presin causadaspor la insercin, en la lnea de flujo, de alg#n mecanismo que reduce la seccin$ alpasar el fluido a travs de la reduccin aumenta su velocidad y su energacintica$ las placas de orificio y el %enturi estudiados en esta prctica pertenecen aesta clase.

Flujo lamina:las partculas se mueven en direcciones paralelas formando capaso lminas, el fluido es uniforme y regular.

Flujo !u"ul#n!o:las partculas se mueven de forma desordenada en todas lasdirecciones$ es imposible conocer la trayectoria individual de cada partcula.

!l estudio del flujo en sistemas de tuberas es una de las aplicaciones ms

comunes de la mecnica de fluidos, esto ya que en la mayora de las actividadeshumanas se ha hecho com#n el uso de sistemas de tuberas. &or ejemplo ladistribucin de agua y de gas en las viviendas, el flujo de refrigerante en neveras ysistemas de refrigeracin, el flujo de aire por ductos de refrigeracin, flujo degasolina, aceite, y refrigerante en automviles, flujo de aceite en los sistemashidrulicos de maquinarias, el flujo de gas y petrleo en la industria petrolera, flujode aire comprimido y otros fluidos que la mayora de las industrias requieren parasu funcionamiento, ya sean lquidos o gases.!l transporte de estos fluidos requiere entonces de la elaboracin de redes dedistribucin que pueden ser de varios tipos'

( )uberas en serie.

( )uberas en paralelo.

( *edes de tuberas.


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!n el presente trabajo se estudiara a detalle cada uno de estos fenmenos paraaplicar un anlisis detallado de los mismos.

Vi$%o$i&a&' +a viscosidad expresa la facilidad que tiene un fluido para fluir

cuando se le aplica una fuer"a externa. !l coeficiente de viscosidad absoluta, osimplemente la viscosidad absoluta de un fluido, es una medida de su resistenciaal desli"amiento o a sufrir deformaciones internas.

P'&i&a (#$i)n "i&a a *+l*ula$ , a%%#$oio$

Cuando un fluido se despla"a uniformemente por una tubera recta, larga y dedimetro constante, la configuracin del flujo indicada por la distribucin de lavelocidad sobre el dimetro de la tubera adopta una forma caracterstica.

Cualquier obstculo en la tubera cambia la direccin de la corriente en forma total parcial, altera la configuracin caracterstica de flujo y ocasiona turbulencia,causando una prdida de energa mayor de la que normalmente se produce en unflujo por una tubera recta. -a que las vlvulas y accesorios en una lnea detuberas alteran la configuracin de flujo, producen una prdida de presinadicional.


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FUNDA-ENTOS TERICOS

-#&i&o#$ oi.i%io

on dispositivos que consisten en una reduccin en la seccin de flujo de unatubera, de modo que se produ"ca una cada de presin, a consecuencia delaumento de velocidad.

/aciendo un balance de energa entre el orificio 0punto 12 y la seccin posterior alorificio 0punto 32, despreciando las prdidas por friccin tenemos'

03.412

&ara un fluido incomprensible y de la ecuacin de continuidad'

ustituyendo 3 en 1'

Despejando v1y sabiendo que D15 D orificio


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!n caso de que se consideren las prdidas de friccin, es necesario agregar elcoeficiente de orificio Co, teniendo lo siguiente'

iendo v1' velocidad en el orificio.

i se requiere conocer el Caudal'

Co' Coeficiente de orificio o coeficiente de descarga para el caudal. !stecoeficiente vara entre .6 y .63 para orificios concntricos de bordes afilados y siel 7#mero de *eynolds es mayor de 3 y si la toma posterior est en la venacontracta.

D' Dimetro de orificio.

D3' Dimetro de la tubera.


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8ig. 3936 Coeficientes de descarga para :rificios y *otmetros.

;sualmente el dimetro del orificio est entre del dimetro de latubera. +a toma corriente arriba debe quedar a una distancia correspondiente aun dimetro de la tubera de la cara del orificio y la de corriente abajo a una

distancia de .< del mismo dimetro, D3.

!n los medidores instalados la manera ms simple de obtener la cada de presinconsiste en el empleo de un manmetro diferencial en ?;@.

+a prdida de carga o prdidas permanentes por friccin se obtienen por'

&ara gases la ecuacin debe modificarse mediante un factor emprico que, para elcaso de comportamiento ideal es'

iendo A la relacin de las capacidades calorficas a presin y volumenconstantes.

&or lo tanto'

+as ecuaciones anteriores se aplican cuando las tomas de presin estn situadasen las bridas, 1 dimetro de la tubera antes de la placa y .< dimetro despus, sila toma posterior est situada despus de la vena contracta se utili"a un factor Aque es funcin de la relacin B para *eynolds mayores de 3 .


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8ig. 393= rfica de la distanciadimetro de la tubera.

Donde'

Tu"o V#n!ui

!ste medidor fue inventado por Clemens /erschel en 1EE1 y lleva el nombre de%enturi por el cientfico italiano que fue el primero en experimentar en tubosdivergentes.

!ste medidor es el ms exacto teniendo una mnima prdida de presinpermanente y permitiendo el paso de 1.6 veces ms el flujo que la placa deorificio.

!l aparato est formado por tres secciones principales, una convergente conngulo menor a =F, una seccin intermedia que constituye la garganta oestrechamiento y una divergente.


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8ig. 393E Gedidor %enturi.

+a ecuacin para obtener la velocidad se deduce de manera similar a la de unmedidor de orificio.

v1' velocidad en la garganta.D1' Dimetro de la garganta.D3' Dimetro de la tubera.Cv' Coeficiente de descarga$ su valor medio es de .HE.+as prdidas de presin no recuperables son del 1> de la cada de presinmarcada en el manmetro diferencial.

03.I42

8ig. 393H Coeficiente de descarga para las %enturmetros.

!xisten otros medidores de flujo como'


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Ro!+m#!o

Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en untubo vertical ligeramente cnico con el extremo de menor dimetro en la parte

inferior.

!l fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuer"a ascendente sobre labase del flotador$ al subir el flotador permite que pase una determinada cantidadde flujo por el rea anular, rea formada entre el flotador y la pared del tubo y sertal que la cada de presin en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuer"ade gravedad y el peso del flotador, en ese momento el flotador permaneceestacionario en alg#n punto del tubo.

+a prdida de presin se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo.

!ntonces para cada flujo. !l flotador alcan"a una altura determinada. !l tubocnico lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentajedel flujo mximo. +os rotmetros no necesitan tramos rectos de tubera antes ydespus del punto donde se instalan.

8ig. 3.4 *otmetro.

+a ecuacin correspondiente al flujo caudal 0Ca2 viene dada por'

Cada magnitud tiene el significado indicado en la figura anterior y A es elcoeficiente del rotmetro.


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eneralmente el rotmetro se calibra con el fluido para el cual se emplear comomedidor del caudal. in embargo, si se calibra con un fluido J de densidad KJ ydespus se emplea para medir el caudal de otro fluido L de K L, la relacin decaudales viene dada por'

-#&i&o anula .lujo

!ste medidor es una variable simple del medidor de placa de orificio, que tienecomo particularidad permitir que el fluido pase a travs de una seccin anular, porlo tanto se encuentra entre ambos respecto a su cada de presin permanente.

Consiste en un cuerpo agudo locali"ado en el centro de un tubo de flujo y quepermite al fluido pasar a travs de un ngulo provocndose una contraccin delrea de flujo en la tubera. !sta contraccin da como resultado una cada depresin, la cual puede ser medida en un manmetro diferencial. +os coeficientesobtenidos en funcin del n#mero de *eynolds se grafican en la 8igura 3.41.

8ig. 3941 Coeficiente de descarga, media anular.

+a ecuacin fundamental es similar a la de los medidores tradicionales, es decir,basados en un balance de energa entre dos puntos situados de la figura 3.43, unoen la vena contracta 032 y otro corriente arriba 012.

8ig. 3943

+a ecuacin obtenida a partir del balance entre estos puntos es la ecuacingeneral de los medidores'


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Donde'v1' velocidad en la tubera.CJ' Coeficiente de descarga del medidor anular.D&' Diferencia de presiones entre los puntos 012 y 032.r ' densidad del fluido.1 y 3' uperficie transversal del tubo y del ngulo, respectivamente.gc' factor de conversin.

8ig. 3944 Corte esquemtico de un tubo de &randtl

+a idea de &randtlfue la de combinar en un solo instrumento un tubo de &itoty untubo pie"omtrico'!l tubo de &itot mide la presin total$ el tubo pie"omtrico midela presin esttica, y el tubo de &randtl mide la diferencia de las dos, que es lapresin dinmica. !n el croquis se aprecia esquemticamente, un tubo de &randtlinmerso en un fluido de densidad/, conectado a un manmetro diferencialcuyolquido manomtrico tiene densidad /m. !l tubo de &randtl, al igual que el tubo de

&itot, al ser introducido en el fluido en movimiento, produce una perturbacin quese traduce en la formacin en el de un punto de estancamiento, de manera que'
http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Prandtl&action=edithttp://es.wikipedia.org/wiki/Tubo_de_Pitothttp://es.wikipedia.org/wiki/Tubo_piezom%C3%A9tricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Man%C3%B3metro_diferencialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Tubo_de_Pitothttp://es.wikipedia.org/wiki/Tubo_piezom%C3%A9tricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Man%C3%B3metro_diferencialhttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Prandtl&action=edit


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!n el punto la corriente no perturbada tiene la presin y la velocidad quees la que se quiere medir.

!l punto 1 es la entrada del tubo de &itot, y el punto 3, donde se indica en lafigura. !n el punto 3 lo que se tiene es un tubo pie"omtrico, con varias entradas

laterales interconectadas que no perturban la corriente y que por lo tanto miden lapresin esttica.

Despreciando las diferencias de altura de velocidad y geodsica entre los puntos y 3 que suele ser muy pequeMa por ser el tubo muy fino, y estar la corriente en 3prcticamente normali"ada despus de la perturbacin en 1, se tiene,despreciando tambin las prdidas'

Donde' 5 velocidad terica en la seccin .

+a ecuacin de Lernoulli entre y 1 0 , 9 punto de estancamiento2

y expresado de otra forma'

&or otra parte yendo de 1 a 3 por el interior del manmetro, estando tanto el fluidoprincipal como el fluido manomtrico en reposo, se puede aplicar la ecuacinfundamental de la hidrosttica entre 1 y 3 0 N 2 de la siguiente forma'

De las ecuaciones anteriores se deduce'

(presin dinmica terica, tubo de Prandtl)

Despejando se tiene'
http://es.wikipedia.org/wiki/Man%C3%B3metrohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_fundamental_de_la_hidrost%C3%A1ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_fundamental_de_la_hidrost%C3%A1ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Man%C3%B3metrohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_fundamental_de_la_hidrost%C3%A1ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_fundamental_de_la_hidrost%C3%A1tica


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!n el caso particular de que la medicin de velocidad se efect#e en un flujo de

agua'

(velocidad terica de la corriente, tubo de Prandtl)

Donde' O 9 densidad relativadel lquido manomtrico.

-+0uina$ .lui&o&in+mi%a$

e entiende por aquel tipo de mquina en donde se lleva a cabo laconversin o transformacin energtica entre las diferentes energas queacompaMan un fluido y energas de diferente naturale"a. Dichas mquinas seclasifican en generadores fluidodinmicos y motores fluidodinmicos.

eneradores fluidodinmicos' son aquellas mquinas que transforman cualquier

tipo de energa para elevar el nivel energtico del fluido$ y motor es la mquinaque aprovecha la energa desarrollada por un fluido al cambiar ste su nivelenergtico de un nivel superior a un inferior.

J su ve" se clasifican en hidrulicas, de vapor y neumticas.

+as hidrulicas 0incompresibles2, son aquel tipo de mquinas en donde el fluido ensu transito a travs de ellas no cambia sensiblemente su volumen especfico. !nlas de vapor y neumticas, el fluido al pasar a travs de ellas sufre un cambiosevero en su volumen especfico, generalmente acompaMadas de cambiostermodinmicos.

De acuerdo al )eorema de Lernoulli las bombas se pueden clasificar'
http://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_(f%C3%ADsica)http://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_(f%C3%ADsica)


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L#,#$ S#m#jan1a

Gediante su utili"acin permiten predecir el comportamiento de una bombabajo otras condiciones de velocidad de funcionamiento. &ara ello esimprescindible poseer datos conocidos de parmetros de funcionamiento bajo

otras condiciones de operacin. +as siguientes son las +eyes fundamentales'

La (im#a l#,' Los caudales son directamente proporcionales a los nmeros derevoluciones:

2

1

2

1

Q

Q

n

n=

La $#un&a l#,' Las alturas manomtricas son directamente proporcionales a loscuadrados de los nmeros de revoluciones:

2

1

2

2

1

m

m

H

H

n

n=

T#%#a l#,: Las potencias son directamente proporcionales a los cubos de losnmeros de revoluciones:

2

1

3

2

1

e

e

N

N

n

n

=

Cua!a l#,' Los caudales son directamente proporcionales al cubo de la relacinde dimetros:

Mquinas Generadores Hidrulicas - Geodsicas (arie

hidrulico)

Fluidodinmicas - Volumtricas

Vapor de


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2

1

3

2

1

Q

Q

D

D=

3uin!a l#,: Las alturas manomtricas son directamente proporcionales al

cuadrado de la relacin de dimetros:

2

1

2

2

1

H

H

D

D=

S#4!a l#,:Las potencias son directamente proporcionales a la uinta potencia dela relacin de los dimetros:

2

1

5

2

1

N

N

D

D

=

;na clasificacin ms general'

8ig. 394I Clasificacin general de las bombas.


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Bom"a$ #o&'$i%a$:

!ste tipo de bombas utili"a el trmino PQ del teorema de Lernoulli y entre las mscomunes nos encontramos al ariete hidrulico'

8ig. 394< !squema de montaje del ariete hidrulico.


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8ig. 3946 Ganguera de montaje para el ariete hidrulico.

8ig. 394= Conexin de un ariete hidrulico.

Bom"a$ *olum'!i%a$ o $(la1ami#n!o (o$i!i*o:

;n ejemplo de ellas son las bombas lobulares'


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8ig. 394E Lomba lobular.

+as bombas de pistones'

8ig. 394H !squema de funcionamiento para una bomba de pistones.


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Lombas de engranes'

Enan#$ #4!#no$:

8ig. 39I Lomba de engranes externos.

Enan#$ in!#no$:

8ig. 39I1 Lombas de engranes internos.

Bom"a$ Ro!o&in+mi%a$:


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J este grupo pertenecen todas las bombas que son turbomquinas. !stasson siempre rotativas. u funcionamiento se basa en la ecuacin de !uler$ y surgano transmisor de potencia se llama rodete.

e llaman rotodinmicas porque su movimiento es rotativo y el rodetecomunica energa al fluido en forma de energa cintica.

Bom"a$ %#n!5.ua$

8ig. 39I3 bomba centrfuga.

8ig. 39I4 Lomba centrfuga, disposicin, esquema y perspectiva.


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8ig. 39II Lombas con Carca"a )ipo %oluta.

TURBINA)urbina es el nombre genrico que se da a la mayora de las turbomquinasmotoras. Rstas son mquinas de fluido, a travs de las cuales pasa un fluido enforma continua y ste le entrega su energa a travs de un rodete con paletas o

alabes. +as turbinas constan de una o dos ruedas con paletas, denominadas rotory estator, siendo la primera la que, impulsada por el fluido, arrastra el eje en el quese obtiene el movimiento de rotacin.

!l trmino turbina suele aplicarse tambin, por ser el componente principal, alconjunto de turbina conectada a un generador para la obtencin de energaelctrica.

Ti(o$ Tu"ina$+as turbinas, por ser turbomquinas, siguen su misma clasificacin. &ero sus

gneros ms importantes son'

Tu"ina$ 6i&+uli%a$

on aquellas cuyo fluido de trabajo no sufre un cambio de densidad considerablea travs de su paso por el rodete, estas son generalmente las turbinas de aguaque son las ms comunes. Dentro de este gnero se encuentran'

!urbinas de accin

!urbinas de reaccin

Tu"ina$ T'mi%a$ on aquellas cuyo fluido de trabajo sufre un cambio dedensidad considerable a travs de su paso por el rodete. !stas se puedenclasificar en'

!urbinas a "apor' su fluido de trabajo puede sufrir un cambio de fasedurante su paso por el rodete, este es el caso de las turbinas a mercurio,
http://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Generador_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Generador_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica


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que fuero populares en alg#n momento, y el de las turbinas da vapor deagua, que son las ms comunes.

!urbinas a #as' !n este tipo de turbinas no se espera un cambio de fase delfluido durante su paso por el rodete.

!urbinas elicas$ ;na turbina elica es un dispositivo mecnico queconvierte la energa del viento en energa elctrica. +as turbinas elicas sediseMan para convertir la energa del movimiento del viento 0energacintica2 en la energa mecnica, movimiento de un eje. +uego en losgeneradores de la turbina, sta energa mecnica se convierte en energaelctrica. +a energa elctrica generada se puede almacenar en bateras, outili"ar directamente. /ay tres leyes fsicas bsicas que gobiernan lacantidad de energa aprovechable del viento'

+a primera ley indica que la energa generada por la turbina es proporcional

a la velocidad del viento al cuadrado.

+a segunda ley indica que la energa disponible es directamenteproporcional al rea barrida de las paletas. +a energa es proporcional alcuadrado de la longitud de las paletas.

+a tercera ley indica que existe una eficacia terica mxima de losgeneradores elicos del . !n la prctica, la mayora de las turbinas deviento son mucho menos eficientes que esto, y se diseMan diversos tipospara obtener la mxima eficacia posible a diversas velocidades del viento.+os mejores generadores elicos tienen eficacias del 4 al I>.

8ig. 39I< *otor de una turbina 8rancis.


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;na !u"ina 7i&+uli%aes una turbomquinamotora, que aprovecha la energade un fluido que pasa a travs de ella para producir un movimiento de rotacinque, transferido mediante un eje, mueve directamente una mquina o bien un

generadorque transforma la energa mecnicaen elctrica.

!n cuanto a su modo de funcionamiento, se pueden clasificar en dos grupos'

1. )urbinas de accin

3. )urbinas de reaccin

+as turbinas de accin aprovechan #nicamente la velocidad del flujo de agua,mientras que las de reaccin aprovechan adems la prdida de presin que seproduce en su interior.

)ipos de turbinas hidrulicas!l tipo de turbina de accin ms conocido es la turbina &elton, que se empleageneralmente para saltos de agua de gran altura 0ms de


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8ig. 39I= )urbina Aaplan.

8ig. 39IE )urbina )urgo

+a potencia de un salto de agua viene dada por la siguiente frmula'

03.


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salto y gran caudal 0centrales de llanura2 o con valores medios de ambasmagnitudes 0centrales de pie de presa, generalmente2.


26/27

Con%lu$i)n

J medida que se aumente la longitud del tramo en donde se reali"an lasmediciones pertinentes a la cada de presin, estas van a ser mayores, por lo quese verifica la proporcionalidad que hay entre la perdidas de energa y la longitud

como lo muestra la expresin' h+ 5

fL

D

2

2 g

;n aumento en el caudal produce una elevacin en las cadas de presin, debidoa que, en una seccin de tubera de rea constante, la velocidad va a ser mayor,

por lo tanto las prdidas de energa se incrementaran en un factor cuadrtico,

pues' h+5U 2

!n un flujo turbulento la rugosidad del material incide en las perdidas por carga,mientras que en un flujo laminar la rugosidad del material no lo hace.


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R#.##n%ia$

-unus Vengel y Wohn Cimbala ?Gecnica de 8luidos' 8undamentos y

Jplicaciones@ Crane. 8lujo de fluidos en vlvulas, accesorios y tuberas. Gc raX /ill.

J"evedo 7eto y Jcosta 01H=62. Ganual de /idrulica. Gc raX /ill. http'artemisa.unicauca.edu.coYhdulica33.Conducciones>3for"adastutorialZI.htm

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