UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Departamento de Tecnología Industrial Sección Conversión de Energía Laboratorio de Conversión (TI-3389)
PRACTICA BOMBAS CENTRIFUGAS EN SERIE Y PARALELO
13-00136 Luis Martínez 13-00599 Ronny Carreyo 13-08368 Lorman Garrido
Camurí Grande, Marzo de 2018
SUMARIO: En esta práctica se estudió el comportamiento de la bomba centrifuga de manera individual, configuración en serie y configuración en paralelo en equilibrio con RPM constantes, con el objetivo de hallar la curva característica para cada sistema, determinando algunas variables mediantes las ecuaciones suministradas. Las bombas centrifugas son ampliamente utilizadas en la industria de generación de energía. Su funcionamiento y su uso han ganado un espacio en la ingeniera gracias a sus características de diseño, para ello en esta práctica un par de bombas centrifugas centrifu gas ASTRA Group tipo PBC 50 max 3.400 RPM con una configuración utilizando codos, tuberías y válvulas para conectarlas en serie y paralelo, utilizando un fluido de agua a temperatura ambiente, un sistema digital, señores y variadores de velocidades, mesa de trabajo y un tanque t anque de almacenamiento para e fluido. Según las gráficas obtenidas obtenidas luego de la toma y registro de datos, datos, se pudo observar observar que para los montajes realizados el más factible fue el montaje operando solo la bomba 1(1er experimento), ya que su curva característica tiene la forma y sentido adecuada y no tan inestable
como en los casos posteriores, la configuración en serie la presión es
aproximadamente el doble que la obtenida en la configuración en paralelo, mientras que el caudal en la configuración en en paralelo duplicó duplicó al obtenido en la configuración configuración en serie. serie. Es importante saber que durante la operación operación de las bombas se deben deben tomar las lecturas de los instrumentos instru mentos rápidamente rápidament e más aun con caudales muy bajos ya que estos pueden causar sobrecargas en las bombas. se recomienda a la hora de encender la bomba la tubería de descarga debe de estar cerrada para que la diferencia de presión sea cero y luego abrir gradualmente para evitar el golpe de ariete.
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INDICE INTRODUCCION…………………………………………………………………………4 FUNDAMENTOS TEORICOS……………………………………………………………5 DECRIPCION DEL EQUIPO…………………………….………………………………10 METODOLOGIA EXPERIMENTAL……………………...……………………..………11 DATOS EXPERIMENTALES……………………………………………………………14 RESULTADOS EXPERIMENTALES……………………………………………………16 DISCUSIÓN DE RESULTADOS…………………………………………………...……24 CONCLUSIONES…………………………………………………………………………26 RECOMENDACIONES…………………………………………………..………………27 REFERENCIAS…………………………………………………………………………...28 BIBLIOGRAFIAS…………………………………………………………………...……29
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INTRODUCCION: Un sistema de bombeo fue descrito por primera en el siglo III a.C. por Arquímedes llamado tornillo de Arquímedes, aunque fue utilizado anteriormente por Senaquerib, rey de Asiria en el siglo VII a.C. Desde hace milenios el hombre aprendió a abastecerse de agua mediante mecanismos para transferirla de un lugar a otro. Ejemplos de estas máquinas primitivas son la noria movida por accionamiento humano o tracción animal y el malacate, empleados por las antiguas culturas egipcias y babilónicas. El movimiento del agua y otros líquidos y gases se hace creando una diferencia de presión entre dos puntos por succión, compresión, vacío, empuje y otros medios. El estudio de las bombas centrifugas es de gran importancia debido a su amplia variedad de usos, en una bomba centrifuga el líquido es forzado a entrar por presión atmosférica u otra presión, un conjunto de alabes rotatorios conformado por el rodete descarga el líquido a presión superior y velocidades mayores en la salida de esta bomba. La configuración de las bombas puedes hacerse en serie, paralelo o en cualquier otro sistema combinando serie y paralelo, teniendo como objetivo en serie que adicione la presión y en paralelo como el aumento del flujo. La siguiente practica se efectuaran los procedimientos de ensayo de bombas centrífugas bajos distintos esquemas de operación, y se obtendrán los datos requeridos mediante los instrumentos y equipos disponibles para la determinación de las curvas Características de las BC, para esto se observara el comportamiento de los banco de pruebas al operar una configuración de bombas centrifugas en serie y en paralelo, finalmente se obtendrán las curvas de desempeño de un sistema de bombas centrifugas operando tanto en serie como en paralelo.
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FUNDAMENTOS TEORICOS:
Bomba Centrifugas
Esquema de una bomba centrifuga
También denominada bomba rotodinámica, es la maquina más utilizada para bombear líquidos, son siempre rotativas y son de tipo bomba hidráulica que transforman la energía mecánica en energía cinética o de presión de un flujo incomprensible. Están construidas de tal manera que el fluido de trabajo entre por el impulsor o rodete, dirigidos por los alabes conduciendo el fluido, a través del efecto de la fuerza centrífuga es impulsada hacia el cuerpo o carcasa de la bomba, conduciendo el fluido por las tuberías de salida o a la siguiente etapa. Estas máquinas se basan en la ecuación de Euler. Se clasifican por la dirección del flujo radial, axial y mixto, por la posición del eje de rotación, por el diseño de la coraza (volutas o turbinas) y por la forma de succión en sencilla o doble.
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La ecuación de energía específica para una bomba está dada por: E=g*H (1) Donde también la energía específica está definida por: P E= (2) m ́ m2 E:Energia Específica [ 2 ] s H: Carga o Altura [ m ] P: Poténcia Hidráulica [W=J/s] g: Gravedad [g=9,81 m/s 2 ] : ́ Flujo másico [ que a su vez:m ́ =ρ*Q ] (3) :Densidad del fluido [ dada por :m/V ] (4)
m: Masa del cuerpo [ kg ] V: Volumen que ocupa [ m³ ] Q: Flujo o caudal [ definida por Q= A*v ] (5) A: Área [ m2 ] v: velocidad del fluido [ m/s ] También tenemos que: dP= [ *H ] (6) dP: Diferencial de presión
Arranque de una bomba centrifuga
Normalmente, para poder encender una bomba hay que cumplir con algunos parámetros para que su funcionamiento sea eficiente y duradero ya que la mala utilización de una bomba puede generar el deterioro de está. Hay que tomar en cuenta que sentido del motor sea el correcto, verificar que no contenga aire en la zona de succión para evitar el daño de los alabes y otras partes internas de la bomba, una de las formas para eliminar que entre aire a la bomba es purgándola o cebándola.
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El correcto arranque de las bombas centrifugas se hace con la válvula de descarga cerrada, de este modo aunque su presión es la máxima, el trabajo que genera es casi nulo por no envía el fluido por lo tanto exige menos esfuerzo al motor, cuando son pequeñas bombas el consumo para arrancar es menor y no se ve muy influenciado este medio, pero al trabajar con bombas centrifugas de mayor potencia se tiene que hacer con la válvula de descarga cerrada, así se evita el alto consumo de corriente y que a su vez perjudican al motor o la instalación. Luego de arrancar la bomba se abre la descarga en forma lenta para evitar el golpe de ariete ejercido por el fluido.
Válvula de bola
Referencia de una válvula de bola
Una válvula de bola, es un mecanismo de llave de paso que sirve para regular el flujo de un fluido y se caracteriza porque el mecanismo regulador situado en el interior tiene forma de esfera perforada. Su objetivo principal es abrir y cerrar el paso del fluido, debido a que no es un mecanismo de precisión por su tamaño y construcción para regular, su ventaja es que permite menor perdida.
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Válvula de compuerta
Referencia a una válvula de compuerta Es una válvula que abre mediante el levantamiento de una compuerta o cuchilla (la cuál puede ser redonda o rectangular) permitiendo así el paso del fluido. Su principal ventaja es que posee una alta capacidad, un cierre hermético, su diseño y funcionamiento es sencillo. Entre las desventajas se tiene control deficiente de circulación, requerimiento de mucha fuerza para accionarla y produce cavitación con baja ciada de presión.
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Válvula antiretorno
Referencia funcionamiento de válvula antiretorno También conocidas como válvulas de retención válvula check o Se utilizan para evitar el flujo inverso por las tuberías o para que no se vacíe la tubería de aspiración de las bombas cuando están paradas (descebado). En este último caso se conocen como válvulas de pie y están integradas con una rejilla filtrante. Cavitación
La cavitación es un fenómeno producido en el interior de la bomba centrífuga por el cual se produce la formación de burbujas de vapor al descender la presión por debajo de la tensión de vapor del líquido. Cuando el fluido se acelera a través de los álabes se forman regiones de bajas presiones, cuando más rápido es la velocidad de los alabes menor es la presión alrededor de los mismos, cuando se colapsan las burbujas de vapor causan ondas de presión audibles y desgastan los alabes. La cavitación se produce tanto como en la entrada de succión como en la salida de descarga.
Golpe de ariete El choque hidráulico es el incremento momentáneo en presión, el cual ocurre en un sistema de agua cuando hay un cambio repentino de dirección o velocidad del agua. Es el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.
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DESCRIPCION DEL EQUIPO:
El equipo utilizado para la realización de la práctica consta de: 2 Bomba centrifuga marca Astra Group tipo PBC 50 maximo RPM 3400 de potencia P=0.5HP, con un caudal máximo Q=30 l/min y altura máxima H=40m. 3 Huba Control Switzerland CH-5436 Würenlos, Edition 11/2010 2 Sensores de medición de presión de salida (outlet pressure measurement sensor). Sensor de medición de caudal (flow measurement sensor). Apreciación 0,1 L/min Sensor de medición de la presión de entrada (inlet pressure measurement sensor). 2 Controles de velocidad y poder (speed/power control). 2 Sensores de medición de velocidad (speed measurement sensor). 7 codos 90° pvc Tanque Gunt Hamburg HM 284 4 Válvulas de bola pvc 4 tubos T pvc Valvula sheck Kobold DRG ¾´´ Tubos ¾ pvc 1 Mesa de trabajo para todo el equipo y las conexiones 1 Computadora
Esquema de la mesa de trabajo con los componentes
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METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
A continuación se procede con la descripción de la metodología experimental utilizada durante la práctica. Se verifica todo el sistema, que este todo bien acoplado y las válvulas colocadas dependiendo de la configuración del sistema serie o paralelo como sea el caso correspondiente. Teniendo en cuenta que al momento de arrancar la bomba se debe hacer con la válvula de descarga cerrada. 1. Obtención de la curva característica de una bomba
Se hace la configuración del sistema para arrancar una bomba con las diferentes válvulas, se procede a abrir la válvula de descarga. Mediante la válvula de compuerta cerrada a un 100%, gradualmente abriéndola para ir tomando nota del caudal, la potencia hidráulica, la eficiencia, la diferencial de presión entre la succión y la descarga, con la velocidad de la bomba fija a 2.500 RPM 100 RPM, luego de esto se sigue disminuyendo el caudal con la válvula de compuerta y se repite el procedimiento de medición con el objetivo de tomar 7 puntos con diferentes caudales a velocidad constante utilizando el control de velocidades. Finalmente con los datos obtenidos calcular las variables que faltan para obtener por mediante una gráfica, la curva característica de la bomba, Altura H vs. Caudal Q.
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2. Obtención de las curvas características de las bombas con la configuración en serie
Esquema de configuración de bombas en serie.
Se hace la configuración del sistema para arrancar las bombas en serie abriendo y cerrando las válvulas correspondientes para garantizar que el fluido circule de una forma apropiada, teniendo como objetivo que la descarga de la primera bomba debe ser la succión de la segunda bomba. Se procede a arrancar ambas bombas y fijarlas a una revolución de 3.000 RPM 100 RPM, abriendo la válvula de compuerta al 100%. Se cierra gradualmente la válvula de compuerta para regular el flujo e ir tomando nota de la medición con el objetivo de tomar 7 puntos diferentes en el caudal, la potencia hidráulica, la potencia eléctrica, la eficiencia, la diferencial de presión entre la succión y la descarga en cada una de las bombas, con la velocidad de las bombas fija a 3.000 RPM 100 RPM.
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3. Obtención de las curvas características de las bombas con la configuración en paralelo
Esquema de configuración de bombas en paralelo.
Se hace la configuración del sistema para arrancar las bombas en paralelo abriendo y cerrando las válvulas correspondientes para garantizar que el fluido circule de una forma apropiada, teniendo como objetivo que la succión de ambas bombas estén conectadas al suministro del fluido y la descarga sea de manera similar conectadas a la misma tubería de salida. Se procede a arrancar ambas bombas y fijarlas a una revolución de 2.800 RPM 100 RPM, abriendo la válvula de compuerta al 100%.
Se cierra gradualmente la válvula de compuerta para regular el flujo e ir tomando nota de la medición con el objetivo de tomar 7 puntos diferentes en el caudal, la potencia hidráulica, la eficiencia, la diferencial de presión entre la succión y la descarga en cada una de las bomba, con la velocidades fija a 2.800 RPM 100 RPM.
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DATOS EXPERIMENTALES
A continuación se presentan las mediciones que se obtuvieron en el sistema de trabajo en cada uno de los diferentes sistemas de bombas centrifugas especificados con las diferentes configuraciones en la mesa de trabajo, que se muestran a continuación:
Tabla 1. Operación de 1 bomba a 2.500 RPM 100 RPM. Caudal
Diferencial de
Velocidad Angular
Potencia
(Q±0,1)
Presión
RPM
Hidráulica
L/min
(∆P±0,1) bar
(PH ±0,1)
H Altura m
Eficiencia η
%
W
0,10
2,0
2.326,00
0,30
18,34
0
4,00
1,80
2.570,00
12,30
18,82
1,6
6,50
1,40
2.630,00
15,10
14,21
2,4
12,50
3,30
2.672,00
17,90
8,75
3,4
21,2
0,6
2.914,00
20,60
5,94
4,5
23,2
0,2
2.559,00
8,7
2,29
2,1
25,3
0,1
2.676,00
5,00
1,20
1,3
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Tabla 2. Operación de 2 bombas en serie con velocidades constante a 3.000 RPM 100 RPM variando la válvula de salida del fluid. Caudal (Q±0,1) L/min Total
Diferencial de
Velocidad
Presión
Angular
(P±0,1) bar
RPM
Q n1
n2
Potencia Hidráulica (PH ±0,1) W
Potencia Eléctrica
Eficiencia % η
(P±1) W
Ph
Ph
η
B1
total
P B1
P B2
η B1
Total
ΔP21
ΔP31
28,30
0,00
0,20
2.989 3.087 0,10
7,30
357
350
0,0
1,0
22,60
0,20
0,60
2.748 2.838 7,20
21,30
398
397
1,80
2,70
19,20
0,30
0,70
2.606 2.706 9,20
24,00
416
419
2,20
2,90
12,00
0,50
1,00
2.259 2.337 9,30
20,90
448
460
2,10
2,30
7,70
0,50
1,10
1.997 2.070 6,60
14,30
466
479
1,40
1,50
4,40
0,50
1,10
1.687 1.747 3,60
7,80
476
490
0,80
0,80
0,10
0,40
0,90
1.137 1.188 0,10
0,10
491
505
0,00
0,00
Tabla 3. Operación de 2 bombas en paralelo con velocidades constante a 2.800 RPM 100 RPM variando la válvula de salida del fluido. Caudal
Diferencial de
Velocidad
(Q±0,1) L/min
Presión
Angular
Total
(P±0,1) bar
RPM
Q n1
n2
Potencia Hidráulica (PH ±0,1) W
Potencia Eléctrica
Eficiencia % η
(P±1) W
Ph
Ph
B1
total
P B1
P B2
η B1
η Total
ΔP21
ΔP31
46,90
0,40
0,40
2.818 2.861 29,10 29,40
402
321
7,20
4,10
35,20
0,70
0,70
2.151 2.897 38,50 38,90
485
366
7,90
4,60
29,40
0,60
0,60
1.637 2.904 29,50 30,00
516
370
5,70
3,40
20,30
0,50
0,50
951
2.905 17,30 17,90
533
336
3,20
2,00
18,00
0,60
0,60
942
2.919 16,70 17,10
516
372
3,20
1,90
9,30
0,70
0,70
954
2.919 10,30 10,60
525
384
2,00
1,20
0,10
1,10
1,20
510
429
0,00
0,00
1.258 2.905 0,20
0,20
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RESULTADOS EXPERIMENTALES
1.
Curva característica de la bomba 1. La curva característica de la bomba se obtiene mediante los valores obtenidos de
caudal “Q”, la altura “H”, la potencia hidráulica total “W” y con la eficiencia total “η” para diferentes caudales, para ello, con los datos experimentales obtenidos en la mesa de trabajo. Teniendo en cuenta que las RPM de la bomba deben estar constaste, sin variar su velocidad para ello se ajusta a 2.500 RPM 100 RPM. Comportamiento de la bomba individual datos:
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Grafica 1. Bomba indivudal altura vs caudal
Grafica 2. Bomba indivudal potencia vs caudal
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Grafica 3. Bomba indivudal altura vs caudal
2.
Curva característica de 2 bombas en serie con velocidades constante
La curva característica de la bomba en serie se obtiene mediante los valores obtenidos de caudal “Q”, la altura “H”, la potencia hidráulica total “W” y con la eficiencia total “η” para diferentes caudales, para ello, con los datos experimentales obtenidos en la mesa de trabajo. Tomando en cuenta que las RPM de ambas bombas deben de estar a magnitudes parecidas o iguales, RPM de las bombas 3.000 RPM 100 RPM.
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Comportamiento de las bombas en serie datos:
Grafica 4. Bombas en serie altura vs caudal
19
Grafica 5. Bombas en serie potencia vs caudal
Grafica 6. Bombas en serie eficiencia vs caudal
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3.
Curva característica de 2 bombas en paralelo con velocidades constante
La curva característica de la bomba en paralelo se obtiene mediante los valores obtenidos de caudal “Q”, la altura “H”, la potencia hidráulica total “W” y con la eficiencia total “η” para diferentes caudales, para ello, con los datos experimentales obtenidos en la mesa de trabajo. Tomando en cuenta que las RPM de ambas bombas deben de estar a magnitudes parecidas o iguales RPM de las bombas 2.800 RPM 100 RPM. Comportamiento de las bombas en paralelo datos:
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Grafica 7. Bombas en paralelo altura vs caudal
Grafica 8. Bombas en paralelo potencia vs caudal
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Grafica 9. Bombas en paralelo eficiencia vs caudal
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DISCUSION DE RESULTADOS
En la primera parte del experimento se realiza a revoluciones fijas variando la salida del caudal del agua, con las diferentes conexiones entre el sistema ya sea operando en una bomba en ciclo individual, serie o paralelo teniendo un equilibrio en el sistema. Se puede observar la curva característica en la bomba individual teniendo la velocidad fija a 2.500 RPM 100 RPM variando la salida del caudal para generar esta curva característica comparando su desempeño y se demostró que al disminuir el caudal la altura incrementa como se demuestra teóricamente en un ciclo ideal. En las gráficas siguientes (Gráficas 4,5 y 6) de igual manera utilizadas bombas centrifugas esta vez conectada en serie e igualmente con unas velocidades fijas a 3.000 RPM 100 RPM variando gradualmente la salida del caudal de agua se obtiene una diferencia entre este experimento y el ciclo ideal del manual suministrado para hacer la comparación esto puede ser debido a la medición de errores al momento de hacer la anotación, el procedimiento a utilizar para obtener los resultados de altura o algún otra variación con las conexiones del sistema. La configuración de las bombas en paralelo, obtenida la curva característica con revoluciones fija a 3.000 RPM 100 RPM de igual manera graduando la salida del caudal del sistema, se puede apreciar que mediante la gráfica en función de altura vs caudal se puede evidenciar con referencia al manual suministrado para hacer la comparación se obtiene datos similares. A medida que el caudal disminuye aumenta la altura, pero se observa que las diferencias de las RPM en las bombas son muy diferentes variando hasta mayor que un 70%. El caudal aumento en comparación de la configuración en serie, lo cual es coherente para este tipo de configuración en paralelo, cumpliendo con el objetivo de la práctica, la eficiencia está relacionada directamente con la potencia hidráulica, lo que produce picos que estén en valores intermedios de este parámetro.
En la segunda parte del experimento, en la mesa de trabajo para la configuración en serie y paralelo se hace las configuraciones correspondientes para que el sistema no trabaje en equilibrio de esta manera se varían las RPM de ambas bombas trabajando en
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velocidades muy diferentes se obtendrá que en dichos casos cuando la bomba genera un vacío en la tubería que se conecta genera una diferencia de presión negativa, de igual manera una de las bombas estará trabajando forzado, lo cual es malo, genera su deterioro en un tiempo más cercano que de su vida útil normalmente.
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CONCLUSIONES
Se pudo determinar el punto de mayor eficiencia relacionado con la potencia hidráulica manteniendo RPM constantes mediante los resultados obtenidos para las configuraciones del sistema tanto como la bomba individual, serie y paralelo. Se obtuvo la curva característica en todos los sistemas proporcionando una similitud comparado con el manual suministrado. Podemos comparar cada sistema dependiendo de la utilización que tengamos ya sea un mayor caudal o una mayor presión dependiendo de especificación y funcionamiento de la bomba. También se observa la diferencia de caída de presión mediante de la válvula de estrangulación, a medida que se disminuye el caudal la potencia hidráulica aumenta proporcionalmente, en el momento que la válvula de descarga está completamente cerrada la potencia cae a cero, por ello es recomendable encender una bomba centrifuga con esta válvula de descarga cerrada al principio, y luego de encendida unos segundos después abrirla gradualmente para evitar aumento repentino de presión y evitar daños en la tubería por la alta presión generando choques.
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RECOMENDACIONES
Con las diferentes configuraciones de las bombas se tiene que trabajar con RPM constantes colocadas a una misma velocidad para facilitar la compresión de resultados.
Encender la bomba con la válvula de descarga cerrada y luego abrir gradualmente.
Al momento de hacer las anotaciones de los resultados esperar que el sistema se estabilice para obtener valores apropiados.
La configuración del sistema es recomendable minimizar las pedidas de las tuberías con sus accesorios buscando una configuración eficaz.
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REFERENCIAS
Agüera Jose, S. 1996. MECANICA DE FLUIUDOS INCOMPRESIBLES Y TURBOMAQUINAS HIDRÁULICAS. Gómez Unac, M. 2016. BOMBA CENTRÍFUGA DEFINICIÓN: Las Bombas centrífugas también llamadas Rotodinámicas.
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BIBLIOGRAFIAS
Bombas centrifugas disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_centr%C3%ADfuga
Ecuación de Euler disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_de_Euler_(turbom%C3%A1 quinas)
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