INDICE Introduccion. Sistemas De Bombeo
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3.1. Potencia De Una Bomba Centrifuga. Succion Positiva Y Negativa.
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Bomba centrifuga
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Succion positiva
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Succion negativa
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3.2. Potencia Potencia De Una Bomba Centrifuga Entre 2 Depositos Depositos A Diferente Elevacion. Elevacion. 4 3.3. Potencia De Una Bomba Centrifuga Entre Una Cisterna Y Deposito Elevado.
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3.4. Potencia De Una Bomba Centrifuga Instalada En Un Hidroneumatico.
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Componentes Del Sistema Hidroneumatico
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Ciclos De Bombeo
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Presiones De Operacion Del Sistema Hidroneumatico
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Presion Diferencial Y Maxima
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Dimensionamiento De Las Bombas Y Motores
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3.5. Normas Y Seleccion De Tuberias Y Accesorios En Un Sistema Hidraulico.
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Introducción Sistemas De Bombeo. El sistema de bombeo tiene como objeto elevar la presión del fluido térmico para vencer la resistencia que opondrá el circuito a su circulación. Las presiones de trabajo deben ser tales que se garantice en todo momento que el fluido permanece en estado líquido y que no hay vaporización. Por ello, suele utilizarse una presión mínima, a la entrada a las bombas, de al menos 11 bar, ya que la presión de vapor del fluido térmico a 393ºC, 393ºC, máxima temperatura de utilización, es 10,6 bar. Teniendo en cuenta que a la entrada a la bomba rara vez el fluido se encontrará a esa temperatura, en algunas plantas se prefieren presiones más bajas, en torno a 6 bares, lo que ahorra consumo de energía eléctrica auxiliar. La selección de las bombas a emplear, el número de bombas, e incluso el sistema de refrigeración del sello mecánico son aspectos muy delicados que hay que estudiar meticulosamente durante el diseño de la planta.
3.1. Potencia de un bomba centrifuga. Succión Positiva y Negativa. Bomba Centrifuga. También denominada bomba rotodinámica, es actualmente la maquina mas utilizada para bombear liquidos en general. Su propósito es convertir energía de un primer elemento( un motor elétrico o turbina) primero en velocidad o energía cinética y luego en energía de presíon de un fluido que está bombeándose. Una bomba centrífuga tiene dos partes principales: 1) Un elemento giratorio, incluyendo un impulsor y una flecha. 2) Un elemento estacionario, compuesto por una cubierta, estoperas y chumaceras. Sus principales caracteristicas son:
Producen flujo contunio, sin pulsaciones.
Su capacidad de flujo es generalmente de bajo rango 2
Su rango de presion de descarga es medio, del orden de 20kg/cm 2 máximo. Potencia de una bomba centrífuga.
Succió Positiva. Cabeza de succión neta positiva( Net Positive Suction Head). NHPSH es un cálculo de diseño para evitar la vaporización de liquidos. El NPSH es siempre positivo, y se expresa en términos de altura absoluta de la columna de li quido. El termino ¨neta¨ se refiere a la cabeza de presión real en la tubería de succión de la bomba y no a la altura de aspiración estática. Se define como la lectura de presión, medida en pies o metros de columna de líquido, tomda de la boquilla de succión, referida a la línea de centro de la bomba, menos la presión de vapor del líquido correspondiente a la tempertura del líquido, más la carga de velocidad en el mismo punto. Es la carga estática que recibe la bomb en la succión menos las pérdidas en la propia tubería de succión. Se genera por las siguientes características: 1. El nivel del líquido en el deposito que se va a bombear, está por arriba de la linea de centro de la succión de la bomba. 2. Por lo tanto la cabeza estática de succión deberá de tener un valor positivo, ¨es succion positiva¨ cuando el nivel del liquido a bombear está arriba del centro de la succión de la bomba, por lo tanto la cabeza estática de succión será mayor de cero y con valor positivo.
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NPSH – NPSH – {(Ps {(Ps – Pvp) * 2.31/densidad relativa} + hs – hfs – Pvp) – hfs Donde: Ps = Presión de succión en pies. Pvp = Presión de vapor del fluido en psi. hs = Carga estática en pies. hfs = Pérdidas por fricción a la succión en pies.
Succión Negativa. Se genera por las siguientes caracerísticas: 1. El nivel del liquido en el depósito que se va a bombear, está por debajo de la línea de centro de la succión de la bomba. 2. Es ¨succión negativa¨cuando el nivel del líquido a bombear está por debajo del centro de la succión de la bomba, por lo tanto. NPSHD =
ƴ
−
ƴ
− ℎ −
V2 2
− ℎ₁₋ ℎ₁₋₂₂
3.2. Potencia De Una Bomba Centrifuga Entre 2 Depositos A Diferente Elevacion. Si el caudal de una sola bomba no fuese suficiente, puede aumentarse el caudal conectando varias bombas en paralelo. Sin embargo, no basta multiplicar el caudal de una bomba por el numero de ellas, sino que hay que proceder del modo siguiente. Si trabaja solamente la bomba 1, se tienen el punto si trabaja la bomba 2 solamente, el punto de funcionamiento es el B2.
de
funcionamiento
B1
Formula: Dos bombas en cascada: Realizando las mismas operaciones que se hicieron para determinar el valor mas desfavorable de T. cuando estudiamos el caso de una sola bomba, se deduce que éste se produce cuando el consumo es ligeramente superior a Q1=Qb/2, y arranca la segunda bomba. T = t1 + t2 = 4a / Qb
La altura total de elevación de una bomba, en cualquiera de los puntos de su curva Q-H, está formada por la altura de aspiración H(a) y la altura de impulsión H(i). 4
3.3 Potencia De Una Bomba Centrifuga Entre Una Cisterna Y Deposito Elevado. Para entregar un volumen dado de liquido en el sistema la bomba debe aplicar, al liquido, una energía formada por los siguientes componentes: -
Carga estática Carga de fricción Perdida en la entrada y salida Diferencia en presiones en las superficies de los liquidos
Carga estática: La carga estática total de un sistema es la diferencia entre los niveles del liquido en los puntos de descarga y de succión de la bomba. Carga fricción: La carga de fricción es la necesaria para contrarrestar las perdidas por fricción ocasionadas por el flujo de liquido en tubería, válvulas, accesorios y otros componentes. Estas aumentan conforme la tubería se deteriora con el tiempo. Perdidas en la entrada y la salida: La magnitud de estas depende del diseño de entrada al tubo, una boca acampanada bien diseñada produce la mínima perdida. Diferencia en la superficies de los líquido: Si el nivel del liquido de succión o de descarga esta sometido a una presión que no sea la atmosférica, esta se puede considerar como parte de; la carga estática. Para la eleccion de una bomba hay que considerar: -
Determinar el caudal del bombeo. Calcular la altura manométrica total. Estudiar las condiciones del liquido. 5
-
Elegir la clase y tipo de bomba.
La potencia de la bomba dependerá de la altura entre ambos tanques y la formula para la potencia requerida por la bomba es:
( ) ∗ ()
=
76 ∗ ()
Donde: HP = Potencia de la bomba en caballos de fuerza Q = Caudal en litros por segundo. H = Carga total de la bomba, (en este caso la altura geométrica y las pérdidas por fricción). n = Eficiencia de la bomba, que a los efectos del cálculo teórico se estima en un 60%. 60%.
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3.4. Potencia De Una Bomba Centrifuga Instalada En Un Sistema Hidroneumatico. Los sistemas hidroneumáticos se basan en el principio de compresibilidad o elasticidad del aire cuando es sometido a presión.
El sistema, el cual se representa en el Dibujo anterior, funciona como se explica a continuación: El agua que es suministrada desde el acueducto público u otra fuente (acometida), es retenida en un tanque de almacenamiento; de donde, a través de un sistema de bombas, será impulsada a un recipiente a presión (de dimensiones y características calculadas en función de la red), y que contiene volúmenes variables de agua y aire. Cuando el agua entra al recipiente aumenta el nivel de agua, al comprimirse el aire aumenta la presión, cuando se llega a un nivel de agua y presión determinados, se produce la señal de parada de la bomba y el tanque queda en la capacidad de abastecer la red, cuando los niveles de presión bajan, a los mínimos preestablecidos, se acciona el mando de encendido de la bomba nuevamente. COMPONENTES DEL SISTEMA HIDRONEUMATICO El Sistema Hidroneumático deberá estar construido y dotado de los componentes que se indican a continuación: 1. Un tanque de presión, el cual consta entre otros de un orificio de entrada y otro de salida para el agua (en este se debe mantener un sello de agua para evitar la entrada de aire en la red de distribución) y uno para la inyección de aire en caso de faltar el mismo. 2. Un número de bombas acorde con las exigencias de la red (una o dos para viviendas unifamiliares y dos o más para edificaciones mayores).
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3. Interruptor eléctrico para detener el funcionamiento del sistema, en caso de faltar el agua en el estanque bajo (Protección contra marcha en seco). 4. Llaves de purga en las tuberías de drenaje. 5. Válvula de retención en cada una de las tuberías de descarga de las bombas al tanque Hidroneumático. 6. Conexiones flexibles para absorber las vibraciones. 7. Llaves de paso entre la bomba y el equipo hidroneumático; entre éste y el sistema de distribución. 8. Manómetro. 8. Válvula de seguridad. 9. Dispositivo para control automático de la relación aire/agua. 10. Interruptores de presión para arranque a presión mínima y parada a presión máxima, arranque aditivo de la bomba en turno y control del compresor. 11. Indicador exterior de los niveles en el tanque de presión, para la indicación visual de la relación aire-agua. 12. Tablero de potencia y control de los motores. 13. Dispositivo de drenaje del tanque hidroneumático, con su correspondiente llave de paso. 14. Compresor u otro mecanismo que reponga el aire perdido en el tanque hidroneumático. 15. Filtro para aire, en el compresor o equipo de inyección. Nota: Para los equipos instalados en viviendas unifamiliares y bifamiliares, los requerimientos señalados en los apartes 9, 10, 12, 16 podrán suprimirse. CICLOS DE BOMBEO Se denomina ciclos de bombeo al número de arranques de una bomba en una hora. Cuando se dimensiona un tanque se debe considerar la frecuencia del número de arranques del motor en la bomba. Si el tanque es demasiado pequeño, la demanda de distribución normal extraerá el agua útil del tanque rápidamente y los arranques de las bombas serán demasiado frecuentes. Un ciclo muy frecuente causa un desgaste innecesario de la bomba y un consumo excesivo de potencia. Por convención se usa una frecuencia de 4 a 6 ciclos por hora, el ciclo cicl o de cuatro (4) arranques/hora se usa para el confort del usuario y se considera que con mas de seis (6) arranques/hora puede ocurrir un sobrecalentamiento del motor, desgaste innecesario de las unidades de bombeo, molestias al usuario y un excesivo consumo de energía eléctrica. El punto en que ocurre el número máximo de arranques, es cuando el caudal de demanda de la red alcanza el 50% de la capacidad de la bomba. En este punto el tiempo que funcionan las bombas iguala al tiempo en que están detenidas. Si la demanda es mayor que el 50%, el tiempo de funcionamiento será mas largo; cuando la bomba se detenga, la demanda aumentada extraerá el agua útil del tanque mas rápidamente, pero la suma de los dos periodos, será mas larga. Una vez calculado el Caudal Máximo Probable de agua correspondiente a una red de distribución, así como, los diámetros y presión mínimas requeridos por la red, y tomada la decisión de instalar un sistema hidroneumático, se deben tomar en cuenta un grupo de factores los cuales se explicarán en la secciones siguientes. PRESIONES DE OPERACION DEL SISTEMA HIDRONEUMATICO PRESION MINIMA (Pmin)
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La presión mínima de operación (Pmin) del cilindro en el sistema hidroneumático deberá ser tal que garantice en todo momento, la presión requerida (presión residual) en la toma mas desfavorable y podrá ser determinada por la fórmula siguiente: Pmin = h + ∑ hf + hr
donde: h = Altura geométrica (o diferencia de cotas) entre el nivel del tanque subterráneo y el nivel de la pieza más desfavorable. ∑ hf = La sumatoria de todas las pérdidas (tanto en tubería recta como accesorios) que sufre el
fluido desde la descarga del tanque hasta la toma más desfavorable. hr = Presión residual. Un estimado bastante preciso (para edificios de más de cuatro pisos) es el siguiente: • • •
•
Se establece una altura entre placas de 2,75 Mts (si no hay otro dato) Como pérdidas (∑ hf ) se estima un 10% de la altura de la edificación más unos 7 Mts de pérdidas en piso. Como presión residual se estiman 7 Mts, cuando los W.C. son con tanque y 12 Mts cuando son con Fluxómetro. Como ejemplo tomemos un edificio de 8 pisos + P.B. + P.H. con piezas de tanque: h = 10 x 2,75 = 27,5 Mts ∑ hf = 2,75 + 7 = 9,75 Mts hr = 7,00 Mts PRESION MINIMA (Pmin) = 44,3 Mts ≈ 65 PSI
PRESION DIFERENCIAL Y MÁXIMA El artículo número 205 de la Gaceta Oficial 4.044 Extraordinario, recomienda que la presión diferencial, no sea inferior a 14 metros de columna de agua (20 PSI). Sin embargo, no fija un limite máximo que se pueda utilizar, por lo que hay que tener en cuenta que al aumentar el diferencial de presión, aumenta la relación de eficiencia del cilindro considerablemente y por lo tanto reduce en tamaño final del mismo; pero aumentar demasiado el diferencial puede ocasionar inconvenientes, pequeños, tales como un mayor espesor de la lámina del tanque, elevando así su costo y obligando a la utilización de bombas de mayor potencia para vencer la presión máxima, o graves, tales como fugas en las piezas sanitarias y acortamiento de su vida útil. La elección de la Presión Máxima se prefiere dejar al criterio del proyectista. DIMENSIONAMIENTO DE LAS BOMBAS Y MOTORES La primera consideración al seleccionar el tamaño de las bombas, es el hecho de que deben ser capaces por si solas de abastecer la demanda máxima dentro de los rangos de presiones y caudales, existiendo siempre una bomba adicional para alternancia con la (s) otra (s) y para cubrir entre todas, por lo menos el 140 % de la demanda máxima probable. Como ya fue mencionado, solo es permitido el uso de una bomba en el caso de viviendas unifamiliares; en cualquier otro tipo de edificaciones deben seleccionarse dos o más unidades de bombeo
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NOTA: Según la Gaceta Oficial 4.044 Extraordinario un hidroneumático deberá tener solo dos bombas, los sistemas con tres o más bombas están considerados como de “Presión Constante”, más
esto es más un asunto de semántica que técnico. Ya que se debe dejar una unidad de bombeo de reserva para la alternancia y para confrontar caudales de demanda super-pico, se deberá usar el siguiente si guiente criterio: La suma total de los caudales de las unidades de bombeo utilizados no será nunca menor del 140 % del caudal máximo probable calculado en la red. La tabla siguiente presenta el criterio anteriormente expuesto.
La potencia de la bomba para un sistema hidroneumático podrá calcularse por la misma fórmula indicada en la página 3 de los presentes apuntes: CV = Q (lps)* H (metro s) / 75 * (n%/100)
Las bombas deben seleccionarse para trabajar contra una carga por lo menos igual a la presión máxima en el tanque hidroneumático. Esto está indicado en Gaceta para garantizar que las unidades de bombeo seleccionadas alcancen la presión máxima requerida por el sistema hidroneumático; pero de tenerse a mano curvas características de las unidades de bombeo, la selección podrá hacerse por medio de ellas. La potencia del motor eléctrico que accione la bomba será calculada según las mismas consideraciones utilizadas en el cálculo de los sistemas de tanque a tanque.
3.5. Normas Y Selección De Tuberías Y Accesorios En Un Sistema Hidráulico. El diseño de un sistema de tuberias consiste en el diseño de sus tuberias, bridas, pernos, empacaduras, valvulas y diversos accesorios; adicionalmente incluye el diseño o seleccion de los elementos de soporte, consideraciones sobre el arreglo de las tuberias y posibles coneciones de ramales. Con el fin de identificar las caracteristicas de los sistemas de tuberias, es necesario conocer la clasificacion de tuberias en la industria petrolera, como se presenta a continuacion: Tuberias de recoleccion: Es el arreglo de cabezales y tuberias para recolectar aceite y/o gas de
los pozos productores para su envio a una bateria o estacion de separacion. Tuberias de descarga: tuberias que transportan fluidos desde el cabezal del pozo hasta el cabezal
de recolecion de la bateria de separadores o la planta de tratamiento. Tuberias de almacenamiento: Tuberia que se utiliza para almacenar hidrocarburos liquidos
(condensados) en operaciones de corridas de limpieza en gasoductos.
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Tuberias de procesos: Tuberias cortas para el manejo de fluidos (liquidos y gases) en plantas de
proceso en tierra o plataformas costa afuera. Los materiales utilizados utili zados para estas tuberias ya sean de acero al carbon o plastico depende de las condiciones de operacion que son las que influyen en la seleccion de estas. Tuberias De Transporte: Tuberia que conduce hidrocarburos en una fase o multifases, entre
estaciones y/o plantas para su proceso, bombeo, compresion, almacenamiento y distribucion. En lo que se refiere a las tuberias que transportan gas natural estas lo llevan hasta la central de procesamiento o puntos de venta. Los Lo s diametros de tuberia mas usados son: so n: 12 a 48 pulgadas, con presiones que van desde los 70 a 1200 psia, pero tambien podrian tenerse presiones de hasta 2500 psia, para este caso, la tuberia debera ser de acero al carbon y en las tuberias con diametros peque;os se tendran bajos costos por material, pero la desventaja son los costos de compresion debido a que se generan grandes caidas de presion. En cuanto a las tuberias que transportan hidrocarburosv(oleoductos) desde los cabezales de recoleccion asta una plataforma de procesamiento o planta de proceso en tierra, estas tuberias tienen ti enen diametros grandes y son de gran longitud, generalmente son de acero al carbon recubiertas de cemento (lastre de concreto) para protegerlas de las fuerzas hidrodinamicas y la fuerza de flotacion a las que estan expuestas. Las Normas mas utilizadas en el analisis de sistemas de tuberias son las normas conjuntas del “American National Standard Institute” y la “ American Society of Mechanical Engineers”
(ANSI/ASME B31), cuyo proposito es presentar los requerimientos de ingenieria considerados como necesarios para un diseño y una construccion segura. Algo que se conoce como la filosofia del codigo esta centrada centrada en el concepto “diseño por reglas”, es decir si se siguen las reglas se tendra un sistema de tuberias que operara con seguridad. Mas este codigo no pretende ser manual, ni sustituir la educacion, experiencia o buen juicio. Cada una de estas normas recoge la experiencia de numerosas empresas especializadas, investigadores, ingenieros de proyectos y de campo, en areas de aplicacion especificas, a saber:
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En lo relativo al diseño todas estas normas son muy parecidas solo con algunas discrepancias en relacion a las condiciones de diseño, calculo de los esfuerzos y a los factores de seguridad que se establecen para definir la tabla de esfuerzos basicos admisibles. El B31.3 es uno de los mas amplios en su campo de aplicacion y que ademas posee normativas mas rigurosas en cuanto a seguridad debido a que se refiere a sistemas si stemas de tuberias ubicados en plantas de pocesos. Asi como los B31.4 y B31.8 para el estudio de oleoductos y gasoductos respetivamente. Estableciendo en esencia el aspecto del diseño de sistemas de tuberias, estas normas establecen basicamente criterios en relacion a lo siguiente: Tipos de cargas a considerar, Calculos de los esfuerzos generdos por los distintos tipos de cargas y evaluacion de los esfuerzos admisibles. Un sistema de tuberias constituye una estructura especial irregular y ciertos esfuerzos pueden ser introducidos inicialmente durante la fase de construccion y montaje. Tambien ocurren esfuerzos debido a circunstancias operacionales. A continuacion se resumen las posibles argas que deben considerarse en el diseño de tuberias: • • • • • • • •
Cargas por la presion y temperatura de diseño. Cargas por peso. Cargas dinamicas. Cargas sismicas. Cargas por impacto u ondas de presion. Vibraciones excesivas inducids por pulsaciones de presion. Cargas debido a la expansion y/o contraccion termica. Cargas por movimientos de los soportes, anclases y equipos.
Las etapas que usualmente se siguen y los pasos que deben completarse en el diseño mecanico de cualquier sistema de tuberias son los siguientes: 12
1) Estableimiento de las condiciones de diseño. 2) Determinacion del diametro de la tuberia. 3) Seleccion de los materiales de la tuberia con base en corrosion, resistencia, etc. 4) Seleccion de las clases de bridas y valvulas. 5) Calculo del espesor minimo de pared para las temperaturas y presiones de diseño 6) Dependiendo de la ubicacion fidica de los diversos equipos que conforman el sistema. 7) Analisis de esfuerzos por flexibilidad La correcta seleccion del material a utilizas en un sistema de tuberias representa un elemento fundamental del diseño debido al alto costo que significa para el sistema y para garantizar la integridad mecanica del mismo. Todas las recomendaciones a continuacion se hacen partiendo de analisis sobre trabajos que se realizan en camppo, facilidades de adquisicion y mejoramiento de la eficiencia de los procesos: • • •
Tuberias con diametros mayores o iguales a 2 pulg, seran con extremos biselados. Tuberias con diametros menores a 2 pulg, seran con extremos planos. Se recomienda utilizar tuberias sin costura para lineas con diametros menores o igual a 24 pulg.
•
Para los accesorios: • • • • • •
Se recomienda especificar los codos de 90 grados como radio largo, a menos que lo impida el espacio para la instalacion Los accesorios de tuberias para diametros mayores o iguales a 2 pulg seran del tipo Butt Weld (BW) y para menores de 2 pulg seran del tipo Socket Weld (SW). Los accesorios soldables seran del tipo sin costura. Las dimensiones de los acesorios bridados deben ser de acuerdo al ASME B.16.5(Pipe flanges and flanged fittings NPS ½ trhough NPS24) hasta 24 pulg. Todos los niples roscados tendran una longitud minima de 4 pulgadas. Para reducciones a diametros de 2 pulg en adelante se debera utilizar reduccion soldada a tope. Para diametros menores se utilizaran niples reductores roscados o enchufes para soldar (swage niples).
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Bibliografia: http://aducarte.weebly.com/uploads/5/1/2/7/5127290/sistema_hidroneumatico.pdf https://es.scribd.com/search?content_type=documents&page=2&query=potencia%20de%20una %20bomba%20centrifuga%20instalada%20en%20un%20hidroneumatico http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S2007-24222014000400011 https://prezi.com/extz18btytim/31-potencia-de-una-bomba-centrifuga-succion/ https://prezi.com/gdddnki4camy/32-potencia-de-una-bomba-centrifuga-entre-dos-depositos-a/
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http://www.mitecnologico.com/mecanica/Main/PotenciaDeUnaBombaCentrifugaEntreUnaCisterna YDepositoElevado http://www.sistemahtf.com/index.php/el-sistema-de-bombeo
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