COMPRESORES Laboratorio de Operaciones Unitarias I.
Analisis de la eficiencia y costos de operación de un compresor.
Carmen Inés de León DB-4180
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COMPRESORES Laboratorio de Operaciones Unitarias I.
Índice. Tabla de contenido Resumen ejecutivo ................................ ................................................ ............................... ............................... ................................ .................... ....1 Introducción ................................ ................................................ .............................. .............................. ................................ .............................. ................2
............................................... .............................. .............................. ................................ .......................... ..........1 Marco Teórico. ............................... Ecuaciones usadas en la práctica ............................... ............................................... .............................. .................... ......2
................................................ ............................... ........................... .............1 Planteamiento del problema . ............................... Hipotesis .............................. .............................................. ............................... ............................... ................................ .............................. .................... ......2 Objetivos .............................. .............................................. ............................... ............................... ................................ .............................. .................... ......1 Marco conceptual. ............................. ............................................. ............................... ............................... ................................ .................... ....2
................................................ ............................... ........................... .............1 Procedimiento de la práctica ...............................
Datos.................................................................................................................................... 2 ................................................. .............................. .............................. ................................ .............................. ................1 Cálculos .................................
Resultados ........................................................................................................................ 2 Gráficas ............................. ............................................. ............................... ............................... ................................ .............................. .................... ......1 ............................................... .............................. .............................. ........................ ........1 Análisis de las gráficas. ...............................
Análisis económico. ........................................................................................................ 2 Conclusiones ......................................................................................................................... 2
............................................... .............................. .............................. ................................ .............................. ................1 Aprendizaje. ............................... Bibliografía. .......................................................................................................................... 2
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Resumen Ejecutivo. Un compresor es una máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapores. En este informe de dan los datos de un análisis realizado a un compresor centrifugo de dos etapas y 3 Hp de potencia. En el mismo se midió el tiempo, voltaje, corriente y presión de descarga. Con estos datos obtuvimos la potencia al freno del compresor, al igual que la potencia fluida, la relación de compresión, la eficiencia del compresor, los moles de aire comprimido, el trabajo requerido en el compresor, la densidad del aire en la descarga y la temperatura de descarga. Siendo estos los valores máximos alcanzados:
PB
2.56 Hp
V
43.81 ft 3
Qo Rc N Wpr Pf TD NA n
3
14.44 ft
min
2.54 0.70 3390.29 1.79 Hp 1658.71 R 0.90 0.12
L eficiencia isotérmica del compresor fue de 70 %, mientas que la eficiencia adiabática calculada fue de un 90%. El costo de operación del compresor durante los 3 minutos que duro encendido fue de RD$ 0.8652.
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Introducción. En la gran mayoría de procesos es de vital importancia el transporte de fluidos de un equipo a otro, esto se realiza a través de sistemas de tuberías. Sin embargo para moverlos es necesario someterlos a una diferencia de presión que produzca su desplazamiento. En el caso de los líquidos las bombas son los equipos encargados de esta misión, sin embargo para el transporte de gases se hace necesario el uso de compresores, los cuales aportan una energía a los fluidos sobre los que operan, para hacerlos fluir aumentando al mismo tiempo su presión. Este informe detallara los resultados del análisis realizado sobre el compresor de aire de dos etapas ubicado en el laboratorio de operaciones unitarias de la Universidad Autónoma de Santo Domingo (UASD).
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Marco Teórico. Máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapor s. La presión del fluido se eleva redu iendo el volumen específico del mismo durante s paso a través del compresor. Comparados con turbo soplantes y ventiladores centrífugos o de circulación axial, en cuanto a l presión de salida, los compresores se clasifican generalmente como maquinas e alta presión, mientras que los ventiladores y so lantes se consideran de baja presión. Los compresores se emplean para aumentar la presión de una gran variedad de ases y vapores para un gran número e aplicaciones. Un caso común es el compresor de aire, que suministra aire a elevada presi ón para transporte, pintura a pistola, inflamiento de neumáticos, limpieza, herramientas neumáticas y perforadoras. Otro es el compr esor de refrigeración, empleado para comprimir el gas del vaporizador. Otras aplicacione s abarcan procesos químicos, conducción e gases, turbinas de gas y construcción. En la industria la misión de los compresores es: Alimentar la red de aire comprimido para instrumentos; Proveer de aire para combustión; sistema; Recircular gas a un proceso Producir condiciones idóneas para que se produzca una reacción química; Producir y mantener niveles de presión adecuados por razones de proceso de t rres; Alimentar aire a presión para mantener algún elemento en circulación.
Existen diferentes tipos de compresores, pero los utilizados en industria son: Alternativos (de simple o de doble efecto y de una o dos etapas); Centrífugos (de varias etapa ); Rotativo (de tornillo)
Tipos de compresores
De émbolo oscilante.
Compresor de pistón.
Turboc ompresor..
Compresor de membrana.
Turbocompresor axial.
Turbocompresor radial.
De émbolo rotativo.
Compresor rotativo celular.
Compresor helicoidal bicelular.
Compresor roots.
Compresores alternativos Los compresores alternativos s n máquinas de desplazamiento positivo en las cuales sucesivas cantidades de gas qu dan atrapadas dentro de un espacio cerrado y, m diante un
DB-4180 pistón, se eleva su presión hasta que se llega a un valor de la misma que consigue abrir las válvulas de descarga. El elemento básico de compresión de los compresores alternativos consiste en un solo cilindro en el que una sóla cara del pistón es la que actúa sobre el gas (simple efecto). Existen unidades en las que la compresión se lleva a cabo con las dos caras del pistón (doble acción), actuando de la misma forma que si tuvieramos dos elementos básicos de simple efecto trabajando en paralelo dentro de una misma carcasa.
Compresores dinámicos. Centrífugos y axiales El compresor centrífugo es una máquina en la que el gas es comprimido por la acción dinámica de las paletas giratorias de uno o más rodetes. El rodete logra esta transmisión de energía variando el momento y la presión del gas. El momento (relativo a la energía cinética) se convierte en energía de presión útil al perder velocidad el gas en el difusor del compresor u otro rodete. Un compresor de este tipo está constituido esencialmente por dos partes:
El rodete, el cual impulsa el gas. La carcasa, que primero conduce el gas hasta el rodete y después lo recibe de él a una presión mayor.
Según el flujo interno de gas dentro del compresor clasificaremos los compresores en:
Compresores centrífugos. En ellos el flujo de gas es radial y la transferencia de energía se debe predominantemente a un cambio en las fuerzas centrifugas actuantes sobre el gas. Compresores axiales. En ellos el flujo de gas es paralelo al eje del compresor. En ellos el gas es comprimido en pasos sucesivos. Cada paso está compuesto por una corona móvil solidaria al rotor y otra fija perteneciente a la carcasa. La energía se transfiere al gas en forma de momento cinético por la corona móvil, para pasar a continuación a la fija donde transforma su velocidad en presión.
Compresores de émbolo Compresor de émbolo oscilante. Este es el tipo de compresor más difundido actualmente. Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presión. Su campo de trabajo se extiende desde unos 1 .100 kPa (1 bar) a varios miles de kPa (bar). Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer varias etapas compresoras. El aire aspirado se somete a una compresión previa por el primer émbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido por el siguiente émbolo. El volumen de la segunda cámara de compresión es, en conformidad con la relación, más pequeño. Durante el trabajo de compresión se forma una cantidad de calor, que tiene que ser evacuada por el sistema refrigeración.
Compresor de membrana Este tipo forma parte del grupo de compresores de émbolo. Una membranab separa el émbolo de la cámara de trabajo; el aire no entra en contacto con las piezas móviles. Por tanto, en todo caso, el aire comprimido estará exento de aceite. Estos, compresores se emplean con preferencia en las industrias alimenticias farmacéuticas y químicas.
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Compresor de émbolo rotativo Consiste en un émbolo que está animado de un movimiento rotatorio. El aire es comprimido por la continua reducción del volumen en un recinto hermético.
Turbocompresores Trabajan según el principio de la dinámica de los fluidos, y son muy apropiados para grandes caudales. Se fabrican de tipo axial y radial. El aire se pone en circulación por medio de una o varias ruedas de turbina. Esta energía cinética se convierte en una energía elástica de compresión.
Compresión adiabática. Se denomina compresión adiabática a un proceso termodinámico en el cual un gas pasa de una presión dada a otra mayor sin que ceda o tome calor del medio (transferencia de calor = 0), mediante el trabajo de su entorno. Este fenómeno termodinámico se presenta en tuberías que se presurizan súbitamente, en el caso de que el gas sea oxigeno puede generarse la cantidad de calor suficiente como para provocar un incendio, debido a la fricción del gas a alta velocidad esto se genera en codos u otros accesorios de las tubería
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Ecuaciones usadas en la práctica. 1. Potencia al Freno (PB)
7. Relación de Compresión Adiabática (TD / Ts )
PB
=
3 xE1 xI1 xcos φ xE 746
1 1− Rc
2. Moles de Aire Comprimido (n) PV
=
T D PD = Ts Ps
nRT
8. Eficiencia Compresor Adiabático (N A ) 3. Flujo Volumétrico (Qo)
Q0
=
P D Ps N A = ρ log D ρ s log
V t
4. Relación de Compresión Isotérmica (Rc)
9. Potencia Fluida (Pf )) 1
Rc
=
P f
P D 2 P x
=
NPB
5. Eficiencia Compresor Isotérmico (N) 10. Densidad del aire ( ρ 0 ) 1
2 ( 0.148TsQ0 ) Pd 2 log 520 Ps Ps
N =
6. Trabajo Requerido (W P r ) 1
W pr =
P 2 RT s log D N Ps
ρ 0
=
P DxP .M . RxT s
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Planteamiento del problema.
¿Qué potencia me entrega el compresor? ¿Es constante? ¿Qué factores le afectan? ¿Cómo varia la eficiencia del compresor a medida que aumenta la presión? ¿Cómo obtengo una mayor eficiencia, de forma adiabática o isotérmica? ¿Es el flujo volumétrico de aire constante? ¿Qué costos me genera operar el compresor? ¿Es factible?
Hipótesis. El flujo volumétrico varia al aumentar la compresión, la compresión adiabática ofrece una mayor eficiencia, la potencia del compresor disminuye a través del tiempo.
Objetivos
Generales. •
Determinar la Eficiencia del Compresor.
•
Construir de las Curvas Características.
Específicos. •
Medir tiempo, voltaje, corriente y presión de descarga.
•
Determinar la potencia al freno.
•
•
Determinar la potencia fluida, el flujo volumétrico, la relación de compresión, la eficiencia del compresor, los moles de aire comprimido, el trabajo requerido en el compresor, la densidad del aire en la descarga, la temperatura de descarga. Calcular el costo unitario y el costo real del compresor
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Diagrama de flujo. Verficar el estado d el break de energía, si está o no encendido. Verficar el esta o del compresor, si está o no energi ado Verificamos que las vávulas esten cerradas. Energizamos el compresor. Reali amos la práctica y anotamos los d tos correspondientes.
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Marco conceptual.
Procedimiento de la práctica. •
Verficar el estado del break de energía, si está o no encendido.
•
Verficar el estado del compresor, si está o no energizado
•
Verificamos que las vávulas esten cerradas.
•
•
•
Energizamos el compresor. Tomamos el tiempo transcurrido para que la presión en el manómetro aumente 5 bar hasta llegar a 40 bar que es la presión máxima para el sistema de seguridad. Hacemos dos repeticiones más de datos.
Datos.
PD
(Psi)
T (seg) Il (Amp) El (Volt)
5.00
0.00
4.17
220.00
10.00
7.00
4.33
220.00
15.00
17.70
4.42
220.00
20.00
33.00
4.55
220.00
25.00
45.00
4.79
220.00
30.00
59.00
4.97
220.00
35.00
73.00
5.11
220.00
40.00
88.70
5.18
220.00
45.00
93.00
5.29
220.00
50.00
102.00
5.38
220.00
55.00
107.00
5.46
220.00
60.00
125.00
5.54
220.00
65.00
139.00
5.67
220.00
70.00
151.00
6.00
220.00
75.00
168.00
6.12
220.00
DB-4180 80.00
6.21
220.00
Longitud del tanque: 3.609ft. Diámetro del tanque: 1.575 ft.
• •
cos φ = 0.85
•
Factor de Resonancia Eléctrica E = 0.95. Ts = Ta =25º C = 536.4º R. R = 10.73 Psi ft3 / Lb – mol. 1 mol – Lb = 378.7 ft3 / Lb – mol Ps = 14.7 Psi. PMaire = 28.9 Lb-mol. Potencia del motor del compresor: 3 Hp. ℓs = 0.06 lb/ft3.
• • • • • • • •
ρ s
•
182.00
=
0.06lb / ft 3
Cálculos. 1) Potencia al Freno (PB)
PB
=
3 xE cos φ xE 1 xI 1 x
=
746
3(220 Volt )(4.33 Amp )(0.85)(0.95) 746
=
2) Numero de moles (n). Volumendel tan que =
n=
PV RT
=
π
2
D π (1.575 ) 2 ft l= (3.609 ft ) = 7.031 ft 3 4 4
(10 psi + 14.7 psi )(7.031 ft 3 ) (10.73
psi. ft 3 lb − mol.R
=
0.03
=
11.43 ft 3
)(536.4 R )
3) Volumen de gas V
=
nx378.7
ft 3 lb − mol
=
0.03(378.7) ft 3
1.79
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4) Flujo volumétrico. Q0
=
V t
9.11 ft 3 7 min 60
=
ft 3
97.94
=
min
5) Relación de compresión isotérmica 1
1
P 2 Rc = D P x
(10 + 14.7) psi 2 = 14.7 psi
=
1.30
6) Eficiencia de compresor isotérmico. 1
2 ( 0.148TsQ0 ) Pd 2 N = log 520 Ps Ps ft 3 1 R 2 0.148(536.4 )(97.94 ) min (10 + 14.7) psi 2 log = 1.89 =psi 520(14.7 ) psi 14.7 7) Trabajo requerido. W pr
=
P RT s log D N Ps
1
(10.73
2
psift 3 lb − molR 1.89
=
)(536.4 R )
1
8) Potencia fluida. P f
=
NPB
=
(1.89)(1.79) = 3.37
9) Relación de compresión adiabática. 1 1− Rc
T D PD = Ts Ps
1−
=
(10 + 14.7 ) 14.7
1 1.3
=
1.13
10) Temperatura finel. T D
=
T D = ( 536.4 R )(1.13) = 603.96 R T s
Ts
11) Densidad. ρ 0
=
P D xP.M . RxT s
=
(10
psi psi + 14.7 )( 28.9 lb− mol )
psift 3 10.73 (536.4 R) − molR lb
=
(10 + 14.7) 2 14.7
log
0.10
=
343.34
DB-4180 12) Eficiencia del compresor adiabático.
P D 10 + 14.7 log Ps 14.7 N A = = = 0.79 ρ D 0.10 log log 0.06 ρ s log
Resultados.
PB
n
V
Qo
Rc
N
1.72
0.02
9.11
#¡DIV/0!
1.16
#¡DIV/0!
1.79
0.03
11.43
97.94
1.30
1.89
1.82
0.04
13.74
46.58
1.42
1.19
1.88
0.04
16.05
29.19
1.54
0.89
1.98
0.05
18.37
24.49
1.64
0.82
2.05
0.05
20.68
21.03
1.74
0.76
2.11
0.06
22.99
18.90
1.84
0.72
2.14
0.07
25.31
17.12
1.93
0.70
2.18
0.07
27.62
17.82
2.02
0.76
2.22
0.08
29.93
17.61
2.10
0.78
2.25
0.09
32.24
18.08
2.18
0.83
2.29
0.09
34.56
16.59
2.25
0.78
2.34
0.10
36.87
15.92
2.33
0.76
2.47
0.10
39.18
15.57
2.40
0.73
2.52
0.11
41.50
14.82
2.47
0.70
2.56
0.12
43.81
14.44
2.54
0.70
TD
ρB
Wpr
f
P Rc
TD / Ts
N A
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#¡DIV/0!
#¡DIV/0!
1.16
1.04
558.22
0.10
0.59
343.34
3.37
1.30
1.13
603.95
0.12
0.71
737.02
2.17
1.42
1.23
660.76
0.15
0.77
1210.69
1.66
1.54
1.35
723.97
0.17
0.81
1519.13
1.61
1.64
1.48
791.42
0.20
0.83
1835.43
1.55
1.74
1.61
861.99
0.22
0.84
2100.03
1.53
1.84
1.74
934.99
0.25
0.85
2350.19
1.49
1.93
1.88
1010.00
0.27
0.86
2305.70
1.66
2.02
2.03
1086.73
0.30
0.87
2373.10
1.73
2.10
2.17
1164.94
0.32
0.88
2345.21
1.87
2.18
2.32
1244.50
0.35
0.88
2593.80
1.79
2.25
2.47
1325.27
0.38
0.89
2766.80
1.79
2.33
2.62
1407.15
0.40
0.89
2992.83
1.81
2.40
2.78
1490.06
0.43
0.89
3207.05
1.78
2.47
2.93
1573.94
0.45
0.90
3339.26
1.79
2.54
3.09
1658.71
0.48
0.90
Gráficas.
Pb vs. Qo 3.00 2.50 2.00 1.50 Pb vs. Qo
1.00 0.50 0.00 0 4 8 9 9 3 0 2 2 1 8 9 2 7 2 4 0 9 5 1 4 0 9 1 8 6 0 5 9 5 8 4 . . . . . . . . . . . . . . . . 0 7 6 9 4 1 8 7 7 7 8 6 5 5 4 4 9 4 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
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Rc vs. Wpr 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00
Rc vs. Wpr
0.50 0.00 0 4 2 9 3 3 3 9 0 0 1 0 0 3 5 6 0 3 0 6 1 4 0 1 7 1 2 8 8 8 0 2 . . . . . . . . . . . . . . . . 0 3 7 0 9 5 0 0 5 3 5 3 6 2 7 9 4 3 1 1 3 0 5 0 7 4 9 6 9 0 3 3 7 2 5 8 1 3 3 3 3 5 7 9 2 3 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3
Pb vs. N 3.00 2.50 2.00 1.50 Pb vs. N
1.00 0.50 0.00 0 9 9 9 2 6 2 0 6 8 3 8 6 3 0 0 0 8 1 8 8 7 7 7 7 7 8 7 7 7 7 7 . . . . . . . . . . . . . . . . 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Pb vs. Wpr 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00
Pb vs. Wpr
0.50 0.00 0 4 2 9 3 3 3 9 0 0 1 0 0 3 5 6 0 3 0 6 1 4 0 1 7 1 2 8 8 8 0 2 . . . . . . . . . . . . . . . . 0 3 7 0 9 5 0 0 5 3 5 3 6 2 7 9 4 3 1 1 3 0 5 0 7 4 9 6 9 0 3 3 7 2 5 8 1 3 3 3 3 5 7 9 2 3 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3
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Pf vs. Wpr 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50
Pf vs. Wpr
1.00 0.50 0.00 0 4 2 9 3 3 3 9 0 0 1 0 0 3 5 6 0 3 0 6 1 4 0 1 7 1 2 8 8 8 0 2 . . . . . . . . . . . . . . . . 0 3 7 0 9 5 0 0 5 3 5 3 6 2 7 9 4 3 1 1 3 0 5 0 7 4 9 6 9 0 3 3 7 2 5 8 1 3 3 3 3 5 7 9 2 3 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3
Pb vs. Pf 3.00 2.50 2.00 1.50 Pb vs. Pf
1.00 0.50 0.00 0 7 7 6 1 5 3 9 6 3 7 9 9 1 8 9 0 3 1 6 6 5 5 4 6 7 8 7 7 8 7 7 . . . . . . . . . . . . . . . . 0 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Análisis de las gráficas. Presión de freno vs. Flujo volumétrico.
En esta gráfica podemos observar que a medida que pasa el tiempo aumenta la potencia al freno, sin embargo disminuye el flujo volumétrico, lo que indica que estas dos variables son inversamente proporcionales.
Relación de compresión vs. Trabajo requerido.
DB-4180 Aquí observamos que a medida que pasa el tiempo tanto el trabajo requerido como la relación de como presión aumentan casi de forma lineal, lo que indica que son directamente proporcionales.
Potencia al freno vs. Eficiencia de compresor isotérmico. En esta gráfica podemos observar que a medida que la eficiencia del compresor disminuye la potencia al freno aumenta de valor, indicando que ambas variables son inversamente proporcionales con una variación aproximadamente lineal.
Potencia al freno vs. Trabajo requerido. Aquí podemos ver una variación lineal entre la potencia al freno y el trabajo requerido, pues ambas aumentan simultáneamente, indicando que son directamente proporcionales.
Potencia fluida vs, trabajo requerido. En este caso vemos que al iniciar la operación se produce un notable aumento de la potencia fluida respecto al trabajo requerido, para luego descender y alcanzar un valor que se mantiene casi constante a lo largo de la operación del compresor.
Potencia al freno vs. Potencia fluida. Aquí podemos ver una variación lineal entre la potencia al freno y la potencia fluida, pues ambas aumentan simultáneamente, indicando que son directamente proporcionales
Análisis económico. Tiempo de operación del compresor: 180 seg.= 3 min. Potencia del motor del compresor: 3 Hp Máxima potencia utilizada: 2.56Hp = 1.91 KW/h
2.56 Hpx
0.7457 Kw 1 Hp
h
=
1.91 KW
h
Costo del KW/H = $9.06 Costo de operación del compresor = 1.91 KW RD$ 0.8652
h
x 3min x
1h 60min
x $9.06 pesos/KW=
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Conclusiones.
Al terminar el análisis realizado al compresor podemos concluir que el mismo tiene una alta eficiencia, la cual disminuye a medida que aumenta el tiempo de operación. También verificamos que la eficiencia de una compresión adiabática es mayor que la de una compresión isotérmica.
De igual manera pudimos observar que la potencia máxima entregada fue de 5.56hp, de una potencia máxima de 3 hp que entrega el compresor, y que a medida que transcurre el tiempo la potencia al freno aumenta mientras que el flujo volumétrico no se mantiene constante sino que disminuye.
Aprendizaje.
El aprendizaje obtenido en esta práctica, además de operar un compresor fue realizar el análisis pertinente para verificar su correcto funcionamiento y poner en práctica lo aprendido en teoría en la materia de operaciones unitarias I.
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Bibliografía.
Escalona, Iván Ing., Neumática - Generación, Tratamiento y Distribución del Aire (Parte 1), http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_mecanica/compresores/
http://es.wikipedia.org/wiki/Compresor_(m%C3%A1quina)#Compresi.C3.B3n_Isot.C3.A9 rmica_Reversible_para_gases_ideales
http://www.directindustry.es/prod/elliott-company/compresor-centrifugo-de-multietapapara-gas-34817-379303.html
http://www.trabajo.com.mx/resumen_ejecutivo.htm
McCabe, Warren. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McGraw Hill/ Interamericana. 1ta Edición. (Págs. 223-228)
Perry, Robert. Manual del Ingeniero Químico, Volumen II. Séptima edición. McGrawHill. (Pags. 10-60 hasta 10-66)
