República Bolivariana de Venezuela Ministerio Popular para la Defensa Universidad Nacional de la Fuerza Armada Guacara – Estado Carabobo
Bachiller: Julio Arias 18.254.553 Rosa Mundo 19.219.742 Carlos Rondón 14.805.335
Carrera: Ingeniería Mecánica
Semestre: 9vo G-001-N
ABRIL 2012
Introducción Una turbomáquina es una máquina cuyo elemento principal es un rodete (rotor) a través del cual pasa un fluido de forma continua, cambiando éste su cantidad de movimiento por acción de la máquina, dándose así una transferencia de energía entre la máquina y el fluido, la cual puede ser en sentido máquinafluido o fluido-máquina.
Las turbomáquinas se diferencian de otras máquinas térmicas en el hecho de que funcionan de manera continua y no discreta, como es el caso de los compresores de émbolo, las bombas de vapor a pistón o los populares motores de pistón, las cuales son máquinas de desplazamiento volumétrico o positivo. A semejanza de otras máquinas térmicas, son transformadoras de energía, lo cual es una característica fundamental, entregándole energía mecánica al fluido de trabajo convirtiéndola en presión (energía potencial), energía térmica o energía cinética del fluido, pudiendo ser este intercambio en sentido contrario.
Bajo muchas formas las turbomáquinas están presentes en nuestra vida cotidiana, desde los sencillos ventiladores y las bombas centrífugas que son de uso común, hasta las grandes turbinas hidráulicas de las centrales hidroeléctricas y las turbinas de vapor o a gas de las centrales térmicas son turbomáquinas.
Es
importante
destacar
que
las
turbomáquinas
son
fundamentales en la conversión electromecánica de energía, es decir, la generación eléctrica. Es este hecho el cual convierte a las turbomáquinas en un objeto de gran importancia dentro de la ingeniería mecánica, la cual dedica mucho a su estudio y proyección, e igualmente, pero en menor medida, la ingeniería civil.
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Bombas
Función principal
Toda máquina que realiza trabajo con la finalidad de mantener un fluido en movimiento o provocar el desplazamiento o el flujo del mismo se podría ajustar al nombre de bomba o compresor, los que suelen evaluarse por cuatro características:
Cantidad de fluido descargado por unidad de tiempo
Aumento de la presión
Potencia
Rendimiento
El efecto conseguido por la mayoría de los dispositivos de bombeo es el de aumentar la presión del fluido, si bien algunos de ellos comunican al fluido un aumento de su energía cinética o una elevación de su nivel geodésico.
Las bombas en general son utilizadas para líquidos. Estas trabajan simultáneamente con la presión atmosférica de forma que esta impulse el liquido hacia el interior de la bomba por la depresión que tiene lugar en el centro de la misma.
El funcionamiento en si de la bomba será el de un convertidor de energía, o sea, transformara la energía mecánica en energía cinética, generando presión y velocidad en el fluido.
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BOMBAS ROTATORIAS
Características de operación
Las bombas rotatorias, que generalmente son unidades de desplazamiento positivo, consisten de una caja fija que contiene engranajes, aspas, pistones, levas, segmentos, tornillos, etc., que operan con un claro mínimo. En lugar de “arrojar” el liquido, como en una bomba centrífuga, una bomba rotatoria lo
atrapa, lo empuja contra la caja fija. La bomba rotatoria descarga un flujo continuo. Estas bombas no tienen válvulas ni partes reciprocantes; el movimiento del líquido es efectuado por la acción combinada de dos elementos giratorios semejantes a las ruedas dentadas.
Campo de aplicación
Plantas que manejan lubricantes.
Tipo de fluido que maneja
Aunque generalmente se les considera como bombas
para
líquidos
viscosos,
las
bombas
rotatorias no se limitan a este servicio solo, pueden manejar casi cualquier liquido que este libre de sólidos abrasivos.
Bombas de potencia
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Características de operación
Fig. 14
Estas (Fig. 14 a 17) tienen un cigüeñal movido por una fuente externa (generalmente un
motor
eléctrico),
banda
o
cadena.
Frecuentemente se usan engranajes entre el motor y el cigüeñal para reducir la velocidad de salida del elemento motor.
El extremo liquido que puede ser del tipo Fig. 15
de pistón o émbolo desarrollara una presión elevada cuando se cierra la válvula de descarga. Por esta razón es común el proporcionar una válvula de alivio para descarga, con objeto de proteger la bomba y su tubería. Las
bombas de acción directa se detienen cuando la fuerza total en el pistón del agua iguala a la del pistón de vapor; las bombas de potencia desarrollan una presión muy elevada antes de detenerse. Esta es varias veces la presión de descarga normal de las bombas de potencia.
Campo de aplicación
Las bombas de potencia se encuentran particularmente bien adaptadas para servicios de alta presión y tienen algunos usos en la alimentación de calderas, bombeo en líneas de tuberías, procesos de obtención de petróleos y aplicaciones similares.
Las bombas de potencia en los primeros diseños eran generalmente movidas por vapor. En el presente, sin embargo, es mas común el movimiento por motor eléctrico o de combustión interna debido a que este arreglo da una instalación
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mas económica compacta y requiere menos mantenimiento. Las bombas de potencias del tipo émbolo de alta presión pueden ser horizontales o verticales (Fig. 15 y 17).
Tipo de fluídos que manejan
lodos, bombeo de aceite y agua, y la característica principal es que se manejan a alta presión.
Fig. 16
Fig. 17
Bomba de ariete
Características de operación
El ariete hidráulico es una máquina que aprovecha únicamente la energía de un pequeño salto de agua para elevar parte de su caudal a una altura superior. Fue inventado en 1796 por Joseph Mantgolfier (1749-1810) y su ingenio se difundió ampliamente por todo el mundo, adaptándose por ejemplo en las famosas fuentes del Taj Mahal, en la India o en el Ameer de Afganistán.
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Funcionamiento
El agua se acelera con su caída a lo largo del tubo de alimentación hasta alcanzar una velocidad suficiente como para que se cierre la válvula A, entonces se crea una fuerte presión producida al detenerse bruscamente el agua. Este golpe de presión abre la válvula B pasando un pequeño chorro de agua al depósito hasta que se equilibran las presiones. Es en este momento cuando la gravedad abre la válvula A y se cierra la B, repitiéndose de nuevo el ciclo. A cada golpe de ariete el agua pasa al depósito donde se presuriza el aire. Este volumen de aire hace fluir el agua con continuidad por la manguera de elevación. El ritmo suele ser de uno o dos golpes por segundo. El ariete hidráulico es una máquina que provoca continuos cierres bruscos de un circuito de agua con aceleración y que aprovecha las sobrepresiones para mandar parte del caudal a una gran altura.
Campo de aplicación Generalmente usada para suministrar agua para usos domésticos, sistemas de riego de plantaciones.
Tipo de fluido que maneja Agua, por lo general a temperatura ambiente.
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Bomba centrífuga Características de operación Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio en energía cinética y potencial requeridas. Las bombas centrífugas, también denominadas rotativas, tienen un motor de paletas giratorio sumergido en el líquido. El líquido entra en la bomba cerca del eje del motor, y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión. Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en la periferia del impulsor como de la densidad del líquido, la energía que se aplica por unidad de masa del líquido es independiente de la densidad del líquido. Por tanto, en una bomba dada que funcione a cierta velocidad y que maneje un volumen definido de líquido, la energía que se aplica y transfiere al líquido, (en pie-lb/lb de líquido) es la misma para cualquier líquido sin que importe su densidad. Por tanto, la carga o energía de la bomba en pie-lb/lb se debe expresar en pies.
Campo de aplicación Las bombas centrífugas tienen un uso muy extenso en la industria ya que son adecuadas casi para cualquier servicio. Son comunes las que tienen capacidades entre 5000 y 6000 galones por minuto. Las cargas pueden ser hasta de 500 a 600 pies con motores eléctricos de velocidad estándar. Estas bombas se suelen montar horizontales, pero también pueden estar verticales. Constituyen no menos del 80 % de la producción mundial de bombas, porque es la más adecuada para manejar más cantidad de líquido que la bomba de desplazamiento positivo. No hay válvulas en las bombas de tipo centrífugo; el flujo es uniforme y libre de pulsaciones de baja frecuencia.
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Los impulsores convencionales de bombas centrífugas se limitan a velocidades en el orden de 60 m/s (200 pie/s).
Tipo de fluido que manejan La gran holgura ofrecida en este tipo de bombas al paso de los fluidos, hace que estas resulten adecuadas para la manipulación de fluidos que lleven en suspensión partículas sólidas. La bomba centrífuga resulta especialmente mas apta para la manipulación de líquidos viscosos que la bomba alternativa, aunque es menos adecuada que la bomba rotatoria, para líquidos no viscosos los rendimientos son comparables a los de otros tipos para mayores capacidades.
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Bomba de vacío
Características de operación Las aplicaciones del vacío tanto en la
industria
como
en
los
laboratorios de investigación son numerosas y variadas. Las bombas de vacío trabajan solamente en un rango de presiones limitado; por ello la evacuación de los sistemas de vacío se realiza en varias etapas, usándose para cada una de ellas una clase de bomba diferente. El funcionamiento de una bomba de vacío está caracterizado por su velocidad de bombeo, y la cantidad de gas evacuado por unidad de tiempo. Toda bomba de vacío tiene una presión mínima de entrada, que es la presión más baja que puede obtenerse, y también, un límite superior a la salida o presión previa. Si la presión previa aumenta por encima de este valor, el bombeo cesa. Las bombas de vacío se caracterizan por lo siguiente:
El vacío límite
La velocidad de bombeo.
Campo de aplicación
La bomba de vacío se emplea en refrigeración para lograr la eliminación de incondensables y de la humedad.
Tipo de fluido que maneja
Generalmente aire
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Ecuación de la bomba Una bomba determinada incrementa la energía (H m) a un caudal (Qb) de manera que la misma máquina le incorpora más energía al flujo en la medida que el caudal es menor. Esa relación puede tener formas muy variadas, pero usualmente es cuadrática o potencial, con concavidad negativa, así: Hm = AQb2 + BQb + C Hm = D + EQbF Los coeficientes A y E son negativos. Hm
Los coeficientes A, B, C, D y E tiene unidades, se determinan a partir de información fabricante
suministrada de
la
por
máquina,
el que
usualmente suministra una gráfica y no la
ecuación
completamente
misma,
y
son
independientes
del
sistema que más tarde atienda la Qb
bomba. La representación gráfica de la ecuación es de la forma:
Eficiencia de una bomba Cada máquina se desempeña con una eficiencia característica para cada caudal de bombeo.
Esa
gráfica la suministra el fabricante de Qb
la máquina.
Relaciones adimensionales de la bomba Cada bomba tiene un impulsor de
Hm
diámetro determinado que rota a la Bomba 2
velocidad que le imprime el motor que la
propulsa.
Eventualmente
se
2
>
1
Bomba 1
10 Qb
pueden reemplazar el motor o el impulsor. Si se cambia el motor o se modifica su velocidad angular, condición 2, según las siguientes relaciones:
Q2 Q1
H H
2
2
2
2
1
1
1
Punto de operación de un sistema Cuando en un sistema se instala
Hm
Punto de Operación del sistema de bombeo
una determinada máquina los comportamientos de la bomba y del flujo se acoplan de manera hs + hd
que la altura manométrica y el caudal de operación se obtienen
hT
en el punto de intersección de las curvas
de
la
bomba
y
del
sistema, que corresponde a lo
Q
solución simultánea de las ecuaciones de la bomba y del sistema.
Curva del sistema con D 1
Otros puntos de operación Sobre la curva de la bomba
Curva del sistema con D 2
Hm
se pueden obtener distintos
Punto de Operación para D2
puntos de operación si se cambia el diámetro de la tubería de impulsión, ya que
se
modificarían
se
desplaza
D2>D1
hs2 + hd2
las
pérdidas para cada caudal y
Punto de Operación para D1
hT
la
intersección de las curvas:
Qb
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Sobre la curva del sistema se pueden
obtener
distintos
Punto de Operación para B2
Hm
puntos de operación si se
Punto de Operación para B1
cambia la bomba, ya que se modificaría la curva de la bomba
y
se
desplaza
la
intersección de las curvas:
Curva de la bomba B2
hsB1 + hdB1 hT
Curva de la bomba B1
Q
El ingeniero debe seleccionar la bomba y diseñar las tuberías de manera que en el punto de operación:
se satisfaga o supere el caudal demandado.
se opere a una eficiencia muy próxima a la máxima para esa máquina.
se cumplan los criterios de costos mínimos para un sistema de bombeo.
Ventiladores
Los ventiladores son máquinas destinadas a producir un incremento de presión total Dptotal pequeño; convencionalmente se fija el límite de Dptotal para ventiladores en 1 m.c.a., o una relación de compresión, ec = 1,1.
Si el incremento de presión no excede el valor indicado, la variación del volumen específico del gas a través de la máquina se puede despreciar en el cálculo de la misma, por lo que el ventilador se comporta como una turbomáquina hidráulica. En la actualidad, en el diseño se tiene en cuenta la compresibilidad para incrementos de presión muchos menores, hasta 0,3
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m.c.a., por lo que los ventiladores, hasta dicho incremento de presión, se pueden diseñar y considerar como una turbomáquina hidráulica.
Los soplantes o turbosoplantes son máquinas destinadas a comprimir gases en donde la relación de compresión está comprendida en el intervalo, 1,1< ec < 3; no
tienen
refrigeración
incorporada
y
en
general
son
de
un
sólo
escalonamiento.
En los recuperadores de los altos hornos, por ejemplo, la soplante tiene que impulsar aire a una presión equivalente a la resistencia de la conducción, más la resistencia de las toberas de inyección al interior del horno, con una relación de compresión del orden de ec = 3, utilizándose en estas circunstancias soplantes de varios escalonamientos, en los que el aire no se refrigera, ya que posteriormente hay que precalentarle.
Una clasificación orientativa de las turbosoplantes es, soplantes de BP......., ec = 1,1 a 1,5 soplantes de MP......, ec = 1,5 a 2,5 soplantes de AP.......,e c = 2,5 a 4.
El número de revoluciones de las turbosoplantes varía de 3.000 a 21.000 rpm. El ventilador es una bomba rotodinámica de gas que sirve para transportar gases, absorbiendo energía mecánica en el eje y devolviéndola al gas; se distingue del turbocompresor en que las variaciones de presión en el interior del ventilador son tan pequeñas, que el gas se puede considerar prácticamente incompresible.
De todo ésto se deduce que las fórmulas relativas al diseño y funcionamiento de las bombas centrífugas son de aplicación a los ventiladores, excepto aquellas que por su naturaleza sean propias de las bombas.
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CLASIFICACION
Los ventiladores que se emplean comúnmente se pueden dividir en tres tipos generales, de hélice, axiales y centrífugos. Los ventiladores se pueden disponer con variedad de posiciones de descarga y con rotación del impulsor, ya sea en el sentido de las agujas del reloj o viceversa. Salvo raras excepciones, se pueden proporcionar para acoplamiento directo o para bandas V.
VENTILADOR DE HELICE.- Este
ventilador consiste en una hélice dentro de
un anillo o marco de montaje. La dirección de la corriente de aire es paralela a la flecha del ventilador. Se emplea para trasladar aire de un lugar a otro, o hacia el ambiente exterior, o para introducir aire fresco.
Puede manejar grandes volúmenes de aire a una presión estática baja, raramente a presiones estáticas mayores de 25 mm de c.a. Se fabrica en muchos estilos y tipos para trabajos específicos. Los ventiladores de extracción (extractores) de uso normal, pueden tener desde 2 hasta 16 aspas, dependiendo ello del funcionamiento particular del ventilador.
Generalmente las unidades de poco número de aspas se usan en ventiladores de baja presión y los que cuentan con un número mayor de aspas se emplean en aquellas aplicaciones que requieren presión.
El ancho de las aspas, su ángulo, su velocidad axial y número de etapas, son factores todos que intervienen en el diseño y la capacidad.
VENTILADOR AXIAL.-
El ventilador axial es de diseño aerodinámico; los
coeficientes de presión y oscilan entre, 0,05 ¸ 0,6, pudiendo llegar en algunos diseños hasta 1. Este tipo de ventilador consiste esencialmente en una hélice encerrada en una envolvente cilíndrica.
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La adición de álabes-guía, detrás del rotor, convierte al ventilador tubo-axial en un ventilador axial con aletas guía.
Puede funcionar en un amplio rango de volúmenes de aire, a presiones estáticas que van de bajas a medias y es capaz de desarrollar mayores presiones estáticas que el ventilador tubo-axial y ser más eficiente; los álabesguía, en la succión o en la descarga, o en ambas partes, se han añadido para enderezar el flujo del aire fuera de la unidad.
Aprovechando la conversión del componente rotativo de la corriente de aire, este ventilador puede alcanzar una presión estática más alta que el de tipo de hélice de aspas rectas, a la misma velocidad axial, y hacerlo más eficientemente.
La facilidad de montaje y el flujo del aire en línea recta los hace ideales para muchas aplicaciones; por encima de 75 a 100 mm. de presión estática, los ventiladores axiales se usan pocas veces para servicios de ventilación.
VENTILADOR CENTRIFUGO .- El
ventilador centrífugo consiste en un rotor
encerrado en una envolvente de forma espiral; el aire, que entra a través del ojo del rotor paralelo a la flecha del ventilador, es succionado por el rotor y arrojado contra la envolvente se descarga por la salida en ángulo recto a la flecha; puede ser de entrada sencilla o de entrada doble.
En un ventilador de entrada doble, el aire entra por ambos lados de la envolvente succionado por un rotor doble o por dos rotores sencillos montados lado a lado. Los rotores se fabrican en una gran variedad de diseños, pudiéndose clasificar, en general, en aquellos cuyas aspas son radiales, o inclinadas hacia adelante, o inclinadas hacia atrás del sentido de la rotación. Los rotores pueden tener los tres tipos de álabes que se representan en la Fig VI.1, y cuyas particularidades son las siguientes,
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a) Alabes curvados h acia adelante, β 2 > 90º.- Este tipo es poco frecuente en las bombas centrífugas; en los ventiladores se emplea a causa del bajo nivel de ruido que presentan.
Otras características son,
- Gran número de álabes de 48 60 - Para una velocidad determinada caudal superior y dimensiones menores que las de cualquier otro tipo de ventilador - Rendimiento bajo, máximo del orden de 65 75% por lo que en la actualidad este tipo de ventilador centrífugo tiende a ser reemplazado por los modernos ventiladores axiales.
b) Alabes de salida radial, β 2 = 90º.- Tienen menor número de álabes que los anteriores; se emplean para impulsar aire o gases sucios a elevada temperatura, gracias a la facilidad con que son eliminados los depósitos sólidos por la fuerza centrífuga.
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c) Alabes curvados hacia atrás, β 2 < 90º.- Es el tipo normal de ángulo de salida en las bombas centrífugas. Tienen mejor rendimiento que los anteriores, ya que si los antiguos álabes de chapa se reemplazan por los más modernos de perfil aerodinámico, se llega a alcanzar un rendimiento del orden del 90%. Su presión y gasto másico son inferiores para una misma velocidad de rotación y número de álabes que en el primer tipo.
La Fig VI.2 muestra las formas más corrientes de la admisión de los ventiladores.
- La construcción (a) es la más sencilla pero la de peor rendimiento. - La construcción (c) con una forma abocinada más aerodinámica permite conseguir una entrada de la corriente en el rodete más uniforme, reduciéndose el choque a un mínimo. A veces se añade a la entrada, antes de la boca del ventilador, una caja como se muestra en la Fig VI.3 o conducto de diferentes tipos, según lo requiera la instalación.
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La forma del anillo de fijación de los álabes puede influir en el rendimiento, como muestra la Fig VI.4. Sólo la forma (c) evita el desprendimiento de la
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corriente a la entrada, aunque las otras dos formas son de construcción más sencilla y económica. La lengua de la caja espiral puede ser larga, corta o no existir, como se indica en el esquema de la Fig VI.5. Una lengua excesivamente corta es causa del aumento del ruido en los ventiladores, mientras que una lengua excesivamente larga provoca una disminución del rendimiento. Los ventiladores de alta presión son en esto más sensibles a la variación del rendimiento.
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Conclusión
Entre los ventiladores y compresores existen diferencias. El objeto fundamental de los primeros es mover un flujo de gas, a menudo en grandes cantidades, pero a bajas presiones; mientras que los segundos están diseñados principalmente para producir grandes presiones y flujos de gas relativamente pequeños. En el caso de los ventiladores, el aumento de presión es generalmente tan insignificante comparado con la presión absoluta del gas, que la densidad de éste puede considerarse inalterada durante el proceso de la operación; de este modo, el gas se considera incompresible como si fuera un líquido. Por consiguiente en principio no hay diferencia entre la forma de operación de un ventilador y de una bomba de construcción similar, lo que significa que matemáticamente se pueden tratar en forma análoga. También de forma secundaria, se utiliza el ventilador para asistir un intercambiadores de calor como un disipador o un radiador con la finalidad de aumentar la transferencia de calor entre un sólido y el aire o entre los fluidos que interactúan. Una clara aplicación de esto se ve reflejada en evaporadores y condensadores en sistemas de refrigeración en que el ventilador ayuda a transferir el calor latente entre el refrigerante y el aire, y viceversa. Asimismo, equipos de acondicionamiento de aire como la Unidad manejadora de aire (UMA), ocupan un ventilador centrífugo de baja presión estática para circular el aire por una red de ductos al interior de una edificación o instalación industrial. Suele haber circulación de aire o ventilación a través de los huecos en las paredes de un edificio, en especial a través de puertas y ventanas. Pero esta ventilación natural, quizá aceptable en viviendas, no es suficiente en edificios públicos, como oficinas, teatros o fábricas. Los dispositivos de ventilación más sencillos utilizados en lugares donde se necesita mucha ventilación son ventiladores instalados para extraer el aire viciado del edificio y favorecer la entrada de aire fresco. Los sistemas de ventilación pueden combinarse con calentadores, filtros, controladores de humedad y dispositivos de refrigeración.
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Bibliografía
http://recursos.cnice.mec.es/bancoimagenes2/buscador/imagen.php?idi magen=21271&zona=mat&nivel1=94&start=580
http:/ /personal1.iddeo.es/.../ motores/centri.htm
http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/ejercicioh/artículo_md.html
http://www.arqhys.com/tuberias-valvulas.html
http://www.monografias.com/trabajos11/valvus/valvus.shtml
http://www.monografias.com/trabajos31/medidores-flujo/medidoresflujo.shtml
http://olmo.pntic.mec.es/jmarti50/neumatica/valvulas.html
http://www.monografias.com/trabajos14/bombas/bombas.shtml
http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/Torre.htm
http://www.inicia.es/de/vuelo/INS/INS25.html
http://www.laosa.org/revista/9/bioconstruccion9.htm
DOEBELING, Ernest o, Measurement systems: application and desing. New York, Ma Graw Hill,
1976.772p.
HOLMAN, J.P Experimental methods for engineers. New york, Me Graw Hill, 1966 412p.
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MEDKA. S.A. Micromedidores de choro único. Descripción de los micromedidores.
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