refrigeracion industrial iii

UNIDAD III

Torres de Enfriamiento

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Índice

Unidad III :” Torres de Enfriamiento”

1. TORRES DE ENFRIAMIENTO...................................................................................... 1

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UNIDAD III

“TORRES DE ENFRIAMIENTO”

1. TORRES DE ENFRIAMIENTO

El condensador enfriado por aire, con tiro natural tiene un uso muy limitado, a causa de queel aire se mueve muy lentamente y no es capaz de retirar el calor rápidamente delcondensador por consiguiente se necesitan superficies relativamente grandes. Uno de sususos más comunes está en los refrigeradores domésticos. Es barato, fácil de construir yrequiere muy poco mantenimiento.La capacidad del condensador puede incrementarse forzando el aire sobre las superficies(Figura 3.1 ). Esta ilustración muestra un condensador de aire inducido. Se ha añadido unventilador para incrementar el flujo.

Algunos de los condensadores antiguos de este tipo fueron construidos de tubo liso. Sinembargo, los condensadores hoy en día son generalmente de tubo aleteado. A diferencia delcondensador de tiro natural, el de tiro forzado es más práctico para mayores cargas deenfriamiento. Los principales factores de limitación son económicos y de espacio disponible.

En los condensadores enfriados por aire, pueden usarse ventiladores de flujo axial o del tipocentrifugo. La selección del ventilador depende de factores de diseño tales como resistenciaal flujo, nivel de ruido, requisitos de espacio, etc.

Las temperaturas y cantidades reales de aire y refrigerante se indican en la ilustración con elpropósito de mostrar el balance de calor, La cantidad de calor cedida por el refrigerante esigual a la ganada por un condensador enfriado por agua. Sin embargo aquí el aire es elmedio condensante. Entran 10 lb de refrigerante con un contenido de calor de 92 Btu/lb ysalen con un contenido de calor de 26,3 Btu/lb. Durante el mismo periodo de tiempo 3 910


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pies cúbicos de aire pasan sobre el condensador con un incremento de temperatura de 10°F ya que el aire entra a una temperatura de 85 °F y sale a 95 °F.

La carta en la Figura 3.2 muestra el balance real de calor. La cantidad de calor cedida por elrefrigerante se determina multiplicando las libras de refrigerante por la pérdida de calor. Elcalor ganado por el aire se calcula multiplicando las libras de aire, por el peso especifico delaire, por la diferencia de temperatura.

Sustituyendo valores encontramos que el refrigerante cede 657 Btu de calor. Es necesarioconvertir pies cúbicos de aire a libras dividiendo el volumen específico de aire; 14,3 pie3 / lb.El peso del aire se multiplica por 0,24 (su calor especifico) y luego por l0 (incremento detemperatura en °F), Como lo muestra el cálculo esto es igual a 657 Btu, indicando de nuevoque el calor perdido por el refrigerante debe ser igual al calor ganado por el mediocondensante.

La Figura 3.3 ilustra el condensador evaporativo típico. Note que tiene ambos aspectos delos condensadores enfriados por aire y por agua. En el condensador evaporativo, el calor seabsorbe desde el serpentín por medio de la evaporación del agua. En el caso de loscondensadores enfriados por aire o agua no tiene lugar el proceso de evaporación.

Calor ganado = Lb aire x Peso específico aire x Dif. Temperatura

Fig. 3.2 Balance de calor en un condensador enfriadopor aire

Fig. 3.3 Esquema de un condensador evaporativo


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En la operación. se bombea agua desde un recipiente en la base de la unidad a una serie detoberas de aspersión y luego fluye sobre el serpentin de condensación. Al mismo tiempo elaire entra por la base, pasa a través del serpentin y rocio de agua y luego por loseliminadores que retiran el agua libre; posteriormente por los ventiladores, para serdescargado al exterior. El agua perdida por la evaporación se reemplaza con agua de lalínea de suministro y el nivel de agua en el recipiente se controla por una válvula deflotador. Como las impurezas se sedimentan cuando el agua se evapora, se usa unapequeña pero continua purga para reducir esta concentración.

Se requieren grandes cantidades de calor para cambiar un líquido a vapor. El agua no esexcepción. Cuando el rocío de agua se pone en contacto con el serpentín de refrigerantemás caliente, tiene lugar la evaporaci6n. El calor necesario para evaporar esta agua vienedel serpentín. Al mismo tiempo una cantidad igual de calor es cedida por el gas refrigerantecaliente dentro del serpentín y el refrigerante se condensa. Mientras sucede este proceso, elventilador está removiendo el aire cargado de humedad, del serpentín húmedo,remplazándolo con aire que tiene la habilidad de absorber más humedad.

La capacidad de un condensador evaporativo se determina por la cantidad de calor quepuede absorber el aire que entra. Por consiguiente, a mayor contenido de calor en el aireque entra, menor la capacidad; menor calor en el aire que entra mayor la capacidad. Deesto se ve que la capacidad del condensador evaporativo depende del contenido de calor delaire que entra. El contenido de calor del aire se calcula por medio de la temperatura debulbo húmedo. Esta temperatura se determina fácilmente colocando un algodón húmedosobre el bulbo de un termómetro ordinario y sosteniendo el termómetro sobre el flujo deaire que entra. La temperatura de bulbo húmedo es el menor valor que se lee. Después,cuando el algodón se empiece a secar, la temperatura subirá a la de bulbo seco.

Puesto que la temperatura de bulbo húmedo puede usarse para calcular el contenido decalor del aire, se sigue que la diferencia entre la temperatura de bulbo húmedo del aire queentra y la del aíre que sale, junto con la cantidad de aire, determina la capacidad decualquier condensador evaporativo.

La Figura 3.4 representa el balance de calor real a través del condensador evaporativo. Elcalor cedido por el refrigerante se encuentra multiplicando las libras de refrigerante, por lapérdida de calor por libra. Por consiguiente 10 lb de refrigerante por la pérdida de 65,7 Btudá 657 Btu de pérdida en el condensador. EI calor ganado por el aire se calculamultiplicando las libras de aire por el calor ganado por libra. Dividiendo los pies cúbicos deaire por su volumen, 14,3 pies cúbicos por libra, pueden determinarse las libras de aire. Siesta cantidad se multiplica por 15,4 Btu, diferencia entre el calor en el aire que sale y el queentra, se encuentra la ganancia de calor. Los cálculos muestran que 657 Btu son recogidospor el aire, lo cual es igual al calor cedido por el refrigerante.

Fig. 3.4 Balance de calor


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En las primeras aplicaciones de los condensadores enfriados por agua en la refrigeración yel aire acondicionado fue práctica común, conectar los condensadores al acueducto de lasciudades y luego descargar el agua a una conexión de drenaje como se ilustra en la Figura3.5 Una válvula automática se coloca en la línea y el flujo de agua era controlado por lacabeza de presión de. operación del condensador mediante un sensor de presión. Latemperatura del agua naturalmente afecta el comportamiento dcl condensador y la rata deflujo de cualquier carga de calor. Las temperaturas en los acueductos raramente suben de50° a 60 °F aun en verano y frecuentemente caen a temperaturas mucho más bajas eninvierno.

Los condensadores conectados a los acueductos siempre se acomodan para flujo en serie,con varios pasos, para alcanzar máxima disipación de calor al agua, la cual es luegodespreciada. Los condensadores que toman agua del acueducto usan sólo de 1 a 2 galonespor minuto por tonelada de refrigeración. El circuito multietapa crea una caída grande depresión (P1 — P2 ) de 20 lb o más; sin embargo la mayoría de las presiones en acueductosson capaces de suplir el máximo requisito de presión (usualmente 25 psig). A veces el costoy la escasez del agua de acueducto (a menos que se extraiga de lagos o pozos y se retorne)hace prohibitivo y aun fuera de la ley según códigos locales, su uso.

Muchas disposiciones restringen la utilización del agua para la refrigeración y el aireacondicionado a tal punto que se hace necesario equipo enfriado por aire, aparatos queahorran agua, tal como el condensador evaporativo descrito antes o la llamada torre deagua.

Los condensadores evaporativos son por supuesto, eficientes aparatos de conservación deagua, pero tienen la desventaja de que requieren extensas conexiones de tuberías yrecipientes en el montaje: esto tiende a subir los costos dcl trabajo y los riesgos deconfiabilidad están sujetos a la habilidad de los instaladores. También evita el montaje, laspruebas y el embarque dc unidades completas de refrigeración por parte del fabricante loscuales tienen requisitos mínimos de instalación. La tendencia actual ha sido hacia el equipocompacto enfriado por aire para pequeños sistemas y el uso de torres de agua donde debendisiparse grandes cantidades de calor.

El condensador (Figura 3.6) cuando se usa con un flujo recirculado tal como en una torre deagua. se diseña para tubos paralelos con menos pasos de agua para acomodar una cantidadde agua mayor (3 a 4 gal/min/ton) y menor caída de presión (P1 - P2) de 8 a 10 psi. Laaplicación nominal de una torre de enfriamiento involucra un incremento de 10 °F a travésdel condensador, con una temperatura de condensación aproximadamente de 10 °F sobre latemperatura de salida del agua.

Fig. 3.5 Condensador con flujo en serie usando aguade acueducto


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Otra consideración en el uso de condensador enfriado por agua en flujo recirculado abierto,es el factor de suciedad, el cual afecta la transferencia de calor y la caída de presión. Lasuciedad es esencialmente el resultado de los depósitos en el interior de los tubos de agua,algunos de los cuales vienen de químicos sólidos (calcio) pero la mayoría de contaminantesbiológicos (algas, etc.), mugre y polvo de la atmósfera. La incrustación progresiva, crea unefecto aislante que retarda el flujo de calor del refrigerante al agua. Cuando el diámetrointerno de la tubería se reduce, también lo hace el flujo de agua, a menos que se apliquemás presión. Con flujo de agua reducido naturalmente no puede absorber tanto calor y latemperatura de condensación sube, así como los costos de operacion.

En la selección de condensadores los ingenieros usualmente permiten suficiente exceso detubería para anticiparse a los efectos de la suciedad, para mantener un comportamientosatisfactorio en operación normal, con un periodo razonable de servicio entre limpiezas.

Para condiciones de extrema suciedad y pobre mantenimiento, se usan factores de suciedadmayores. Un mantenimiento apropiado, depende del tipo dc condensador, significando quepuedan necesitarse o emplearse limpieza mecánica o química o ambas, para retirar losdepósitos o incrustaciones.

La función de la torre de agua, es recoger el calor cedido por el condensador y descargarlo ala atmósfera, que lo realiza mediante evaporación.

¿Por qué la temperatura del agua en un lago es más baja que la de los alrededores duranteun verano cálido? La evaporación superficial es la razón. La evaporación superficial estambién lo que sucede cuando uno se coloca en frente de un ventilador eléctrico y siente unefecto de frescura por la humedad que se evapora sobre la superficie de la piel.

La evaporación de agua sobre cualquier superficie, retira calor en el vapor de agua que seproduce. Este calor se llama calor latente de vaporización. El aire, cuando absorbe calor delagua en esta forma, es capaz de enfriar el agua bajo la temperatura atmosférica. Cuandouna libra de agua se evapora. toma aproximadamente 1 000 Btu en la forma de calorlatente. Y esta remoción de calor latente por el aire es el efecto de enfriamiento que haceposible enfriar el agua en la torre de enfriamiento a una temperatura por debajo de la delaire ambiente leída en un termómetro ordinario.

Fig. 3.6 Condensador operado con torre


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En el trabajo de aire acondicionado y refrigeración, las temperaturas de bulbo seco y bulbohúmedo son la base para el diseño del sistema. Muy relacionado con las temperaturas debulbo húmedo y bulbo seco está la humedad relativa.

La humedad relativa es la relación de la cantidad de vapor de agua, realmente presente enun pie cúbico de aire respecto a la mayor cantidad de vapor que contendría el aire siestuviera saturado. Cuando la humedad relativa es 100% el aire no puede contener másagua y por consiguiente el agua no se evaporará de un objeto hacia el aire 100% húmedo.Pero cuando la humedad relativa del aire es menos de 100% el agua se evaporará de lasuperficie de un objeto, bien sea un lago, una esponja húmeda o las gotas de agua quecaen en una torre de enfriamiento.

Cuando la humedad relativa es 100 % las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco soniguales a causa de que cuando el termómetro de bulbo húmedo cuyo bulbo está cubiertocon una tela húmeda, se gira, el agua no puede evaporarse de la tela. Pero cuando lahumedad es menos de 100% la temperatura de bulbo húmedo será menor que la de bulboseco, ya que e1 agua se evaporará de la tela y retirará calor latente del bulbo, enfriándolobajo la temperatura de bulbo seco. A más seco el aire, mayor será la diferencia entre lastemperaturas de bulbo seco y húmeda y más fácil será que se evapore el agua.

Se sigue entonces, que la operación de la torre de enfriamiento, no depende de latemperatura de bulbo seco. La habilidad de la torre de enfriamiento para enfriar agua esuna medida de que tan cerca puede traer la temperatura del agua a la temperatura debulbo húmedo del aire ambiente. A menor temperatura de bulbo húmedo (lo cual indica airefresco, humedad baja o una combinación de las dos) más bajo puede la torre enfriar elagua. Es importante recordar que ninguna torre de enfriamiento puede enfriar el agua pordebajo de la temperatura de bulbo del aire que entra. En la práctica real, la temperaturafinal del agua estará unos pocos grados por encima de la temperatura de bulbo húmedo,dependiendo de las condiciones de diseño. La temperatura de bulbo húmedo seleccionada aldiseñar una torre de enfriamiento para el servicio de aire acondicionado o refrigeración esusualmente cercana a la temperatura de bulbo húmedo máxima promedio, para los mesesde verano en una localización dada.

A manera de resumen, la razón por la cual las torres de enfriamiento enfrían es porque, elaire al pasar sobre una superficie de agua expuesta, retira pequeñas cantidades de vapor deagua, la pequeña cantidad de agua que se evapora (cerca al 1% por cada 10 °F deenfriamiento) retira una gran cantidad de calor del agua que se queda atrás.

¿Cómo enfrían las torres de enfriamiento? Hay dos tipos de torres de enfriamiento: de tiromecánico y de tiro natural (Figura 3.7 ). Una torre de tiro mecánico utiliza un ventilador paramover el aire a través de la torre siendo el ventilador parte integral de la torre. Una torre detiro natural es aquella en la cual el movimiento del aire a través de la torre depende de lascondiciones atmosféricas (viento).


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Fig. 1-7 a) Torre de enfriamiento de tiroforzado

b) Torre de enfriamiento decirculación natural

Cuando el agua al ser enfriada llega a las torres de enfriamiento de tiro mecánico, contienecalor que ha sido recogido en el condensador de la unidad de refrigeración o aireacondicionado, Este calor usualmente es cerca de 250 Btu por minuto por cada tonelada derefrigeración. El agua entra a la torre al cabezal superior de distribución. Luego fluye através de agujeros en el recipiente de distribución y dentro de la torre, llena de barrasalternadas, las cuales retardan la caída del agua y la rompe en pequeñas gotas como semuestra en la Figura 3.8.

Mientras tanto, este aire pasa sobre cada gota y la evaporación resultante transfiere calordel agua tibia al aire. Finalmente el agua que cae, se enfría y se recolecta en el recipientedel fondo de la torre, Luego es bombeada al condensador enfriado por agua a recoger máscalor.


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Cuando el agua de enfriamiento llega a la torre de enfriamiento de tiro natural, se conecta ala parte superior en donde entra a las toberas de aspersión. Estas toberas rompen el aguaen finas gotas. La brisa natural que se mueve a través de los lados de la torre, con rejillasprovee la acción de ventilación cuando caen las gotas. Enfriado el agua, es recogida en unrecipiente en el fondo de la torre y bombeada para que realice de nuevo su trabajo deenfriamiento.

La torre de tiro natural depende de las toberas que rompen el agua. Esta torre no tienerelleno ni ventilador y su tamaño, peso y requisitos de localización (comparados con las to-rres de tiro mecánico) han reducido su uso considerablemente. Sin embargo, en el trabajonormal de servicio en refrigeración puede haber ocasiones en donde el técnico sea llamadopara servicio o mantenimiento de tales unidades y así es importante familiarizarse con laoperación de las torres de flujo natural.

¿Cuáles términos y definiciones se aplican a las torres de enfriamiento ?

• Rango de enfriamiento es el número de grados Fahrenheit que se enfría el agua en latorre. Es la diferencia entre la temperatura del agua caliente que entra en la torre y latemperatura del agua fría que sale de la torre.

• Aproximación es la diferencia en grados Fahrenheit entre la temperatura del agua fríaque sale de la torre y la temperatura del bulbo húmedo del ambiente.

• Carga de calor es la cantidad de calor “retirado” por la torre de enfriamiento en Btupor hora (o por minuto). Es igual a las libras de agua circulada, multiplicadas por elrango de enfriamiento.

Por ejemplo una torre que circula 18 galones por minuto con un rango de enfriamiento de10° tendrá una capacidad de:

Q = m x ∆T x Ce

Q = (18 gal/mim x 8,35 lb/gal) x 60 min/hr x (10 °F) x (1 btu/lb°F)Q = 90,180 Btu/h = 7,5 ton

Nota: El calor específico del agua es 1 btu/lb°F o 1 Kcal/Kg°C

AGUA CALIENTE A LATORRE

AGUA FRIA DE LA TORRE

TEMPERATURA DE BULBOHUMEDO

Rango deenfriamiento

Aproximación

95 °F

85 °F

78 °F


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La Figura 1-9 representa un arreglo típico de tubería en una torre de tiro mecánico, al con-densador de una unidad de tipo paquete de refrigeración o aire acondicionado.

• Cabeza de bombeo de la torre de enfriamiento es la presión requerida para elevarel agua caliente que retorna, desde el nivel de la base de la torre, hasta la parte superiordc la misma y forzarla a través del sistema de distribución. Este dato se encuentra en lasespecificaciones del fabricante y generalmente se expresa en pies de cabeza (1 lb depresión = 2,31 pies de cabeza).

• Arrastre es la pequeña cantidad de agua perdida en la forma de finas gotas retenidaspor el aire que circula. Es independiente de, y en adición a, las pérdidas porevaporación.

• Purga es la pérdida continua o intermitente de una pequeña fracción del agua quecircula para evitar en el agua la formaci6n y concentración de químicos promotores deincrustaciones.

• Reposición es el agua requerida para remplazar el agua que sc pierde por evaporación,arrastre y purga.

Consideraremos ahora el diseño de la tubería del sistema. El primer paso es determinar elflujo de agua que será circulado, basado en la carga de calor dada. Normalmente las torresoperan entre 3,5 a 4,0 gal/min/ton. Las líneas de suministro de agua deberán ser tan cortascomo las condiciones lo permitan. La tubería de acero estándar (galvanizada), la tubería decobre tipo “L” y la tubería plástica CPVC están entre los materiales satisfactorios, sujetos alas condiciones del trabajo y a los códigos locales.

La tubería debe ser dimensionada de tal modo que la velocidad del agua no exceda a 5 piespor segundo. La Tabla 7A lista pérdidas de fricción aproximadas en tubería de aceroestándar y tubería de cobre tipo "L". La tubería de plástico tendrá la misma fricción de latubería de cobre. Los datos están basados en agua limpia, una corrosión e incrustaci6nrazonable y velocidad del flujo bajo el rango de 5 pies/seg.

EJEMPLO:100 pies de tubería de acero estándar de 1 ¼” tendrían una pérdida de presión de 4,31 piesa 12 gal/min, 50 pies tendrían una pérdida de presión de 4,31 x 50/lOO = 2,15 pies y 200pies tendrían una pérdida de presión de 4,31 x 200/100 = 8.62 pies.

Al usar la tabla, seleccione el tamaño de tubería que suministre un flujo y velocidadapropiados, para mantener los costos de instalación en un mínimo. Las pérdidas de fricciónse expresan en pies de cabeza por 100 pies de longitud de tubería recta (vea el ejemploanterior).

Fig. 3.9


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El circuito completo de tubería debe analizarse para establecer cualquier necesidad deválvulas apropiadas para la operación y mantenimiento del mismo. Una forma de ajustar elflujo de agua es deseable; las válvulas de corte deben colocarse de tal modo que cada piezade equipo puede aislarse para mantenimiento.

Las válvulas y accesorios (codos. tees. etc.) crean una adición de pérdidas de fricción ycabeza de bombeo. La Tabla7B lista las pérdidas de fricción aproximadas, expresadas enpies de tubería equivalente.A continuación aparece un ejemplo de cálculos para el dimensionamiento de tubería:

EJEMPLO:Determine la cabeza de bombeo total requerida para una instalación de 5 ton que tiene 75pies de tubería de acero, 10 codos estándar, cuatro válvulas de compuerta y una altura netaestática en la torre de 60 pulgadas. La circulación de agua deberá ser 15 gal/min y la caídade presión a través del condensador es de 13 psi (datos obtenidos del fabricante).

SOLUCIONAsuma una tubería de 1 pulg, ya que la velocidad de 15 gal/min es menos de 5 pies/seg.

Longitud equivalente en tubería de 1 1/4 plg75 pies, 1 1/4 pld de tubería de aceroestándar

75,0 pies

10 codos estándar 1 1/4 plg x 3,5 35,0 pies4 válvulas de compuerta de 1 1/4 x0,74

2,96 pies

TOTAL 112,96 pies

Nota:La presión o la pérdida de presión también puede expresarse en metros de agua (mH2O) opies de agua (piesH2O) según la equivalencia:

De la tabla 18ª, encontramos que 100 pies de tubería de 1 1/4 plg, la pérdida es de 6,35pies; para

Pérdida en 112,96 pies de longitus equivalente

Pérdida de presión debida a la tubería y accesorios = 7,17 pies de agua

Pérdida de presión debida al condensador = 13 x 33,88/14,7 = 30 pies de agua

Pérdida de presión debida a la altura estática en la torrede enfriamiento = 5,00 pies de agua

TOTAL : 42,17 pies de agua

El tamaño de la tubería es adecuado, ya que la velocidad es menor de 5 pies/seg.

17,735,6x100

96,112==

1bar = 14,7 PSI = 10,33 mH2O = 33,88 piesH2O

Pies de agua


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¿Cómo se selecciona la bomba? La selección se basa en los galones de agua por minuto (porejemplo, 15 gal/min) y la cabeza total (42,17) o 43 pies de cabeza. El catálogo del productorde la bomba, dará la capacidad de la bomba en gal/min contra pies de cabeza y la potencianecesaria para hacer el trabajo. Hay muchos tipos de bombas en el mercado perogeneralmente la unidad de menor velocidad (1 750 rpm) es la recomendada para unaoperación silenciosa. Lasunidades que operan a 3 450 rpm generalmente cuestan menos pero son más ruidosas.La bomba generalmente debe instalarse como sigue:

• La bomba se localiza entre la torre y la unidad de refrigeración o aire acondicionado, detal manera que el agua es “traída” desde la torre y “empujada" a través delcondensador. Vea en la Figura 1.10 un diagrama típico de tubería. Es buena prácticacolocar una válvula de control de flujo (una válvula de compuerta es satisfactoria) en lalínea de descarga.

• La bomba debe instalarse de tal modo que la succión esté por debajo del nivel del aguaen el recipiente de agua fría en la torre. Esto asegura que la bomba permanezca cebada.

• Si no hay problema con el ruido, la bomba debe localizarse en el interior para eliminar elalambrado externo y permitir el uso de un motor abierto o a pruebo de goteo.

• Si las circunstancias requieren de un motor exterior abierto o a prueba de goteo, lasunidades deben cubrirse.

• La bomba debe ser accesible para el mantenimiento y debe instalarse de tal modo quepermita un drenaje completo para paradas de invierno.


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Tabla 1B Pérdidas de fricción aproximadas en accesorios y válvulas en pies de tubería equivalente

FIN DE LA UNIDAD

Tabla 1A. Pérdidas de fricción aproximadas en tubería estándar de acero decobre. (Los datos se muestran como pérdida de cabeza en pies, por 100 pies detubería.

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