torre de enfriamientootro

TORRE DE ENFRIAMIENTOLaboratorio de Transferencia de Calor

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RESUMEN

Para tener una mejor capacidad de transferencia de calor, y por ende, una mayor efectividad de los equipos térmicos, se utilizan sistemas de tratado del agua de enfriamiento, que permiten que el agua de circulación luego de pasar por una máquina térmica y ganar un calor determinado permita volver a su temperatura de regular de manejo. En nuestro caso, estaríamos presentando la torre de enfriamiento que es el equipo que asume esta tarea.

En este informe, tomaremos las temperaturas del agua de enfriamiento que viene de los equipos (caliente), y luego de pasar por la torre de enfriamiento, tomaremos la temperatura del agua de enfriamiento ya tratada (fría), sin hacer caso omiso de tomar el caudal de agua que entra y sale respectivamente. Al mismo tiempo, es necesario obtener las características del aire atmosférico, por lo que se necesitara tomar la humedad relativa del aire que entra a la torre (por medio de la acción de un ventilador) y que se encarga del enfriamiento del agua y el aire que sale de la torre de enfriamiento, que absorbe humedad del agua de enfriamiento

INTRODUCCIÓN

La mayor parte de las aguas empleadas con fines industriales, se usan para enfriar un material o un equipo. La gran capacidad calorífica del agua y la gran disponibilidad del agua en la mayoría de las áreas industriales, han hecho del agua el medio de transferencia de calor favorito en las aplicaciones industriales y de servicios.

Los sistemas de agua de enfriamiento son necesarios debido a que los procesos industriales y servicios no trabajan eficientemente o efectivamente a menos que las temperaturas y presiones específicas del proceso sean mantenidas dentro de ciertos parámetros. Los sistemas de agua de enfriamiento mantienen las temperaturas y presiones correctas por transferencia de calor o enfriamiento.

Por lo tanto, la torre de enfriamiento no es más que otro sistema de transferencia de calor que aprovecha el aire atmosférico para permitir que el agua de enfriamiento vuelva a sus rangos de temperatura admisibles, y por consiguiente permita mejorar la transferencia de calor en los equipos industriales allí expuestos.


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OBJETIVOS

Conocer y relacionar de manera practica el mecanismo de la transferencia de calor y masa interfacial entre agua caliente y agua fría.

Analizar el comportamiento de la capacidad de enfriamiento de la torre de tiro forzado entre las variaciones de algunos parámetros de diseño.

MARCO TEÓRICO

1. Principios.Los procesos de enfriamiento del agua se cuentan entre los más antiguos que se conocen. Algunos de estos procesos son lentos, como el enfriamiento del agua en la superficie de un estanque.

El proceso de transferencia de calor comprende: La transferencia de calor latente debido a la evaporación de una porción pequeña de agua. La transferencia de calor sensible debido a la diferencia de temperatura entre el agua y el

aire.

La posible eliminación teórica de calor por libra de aire circulado en una torre de enfriamiento depende de la temperatura y el contenido de humedad del aire. La temperatura de bulbo húmedo es un indicador del contenido de humedad del aire. Por tanto, esta es la temperatura teórica más baja a la que puede enfriarse el agua.

2. Teoría de la torre de enfriamiento.

La teoría del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento, es la que desarrolló Merkel. Este análisis se basa en la diferencia del potencial de entalpía como fuerza impulsora. Se supone que cada partícula de agua está rodeada por una película de aire y que la diferencia de entalpía entre la misma y el aire circundante proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento.

En la figura siguiente se ilustran las relaciones del agua y el aire y el potencial impulsor que existe en una torre de contraflujo, en donde el aire fluye en sentido paralelo, pero siguiendo una dirección opuesta al flujo del agua.

La línea de operación del agua está representada por la línea AB y se especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y salida. La línea de operación del aire principia en C, verticalmente por debajo de B, y en un punto que tiene una entalpía correspondiente a la temperatura de entrada de bulbo húmedo. La línea BC, representa la fuerza impulsora inicial (h’-


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h). El aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y la gama de enfriamiento es la longitud proyectada de la línea CD sobre la escala de temperaturas.

3. Generalidades de torres de enfriamiento de agua.

Las torres de enfriamiento son equipos que se usan para enfriar agua en grandes volúmenes porque, son el medio más económico para hacerlo, si se compara con otros equipos de enfriamiento como los cambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a través de una pared. En el interior de las torres se monta un empaque con el propósito de aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfría.

En las torres se colocan deflectores o eliminadores de niebla que atrapan las gotas de agua que fluyen con la corriente de aire hacia la salida de la torre, con el objeto de disminuir la posible pérdida de agua. El agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos o por boquillas para distribuir el agua en la mayor superficie posible.

El enfriamiento ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado, con una temperatura de bulbo húmedo inferior a la temperatura del agua caliente, en estas condiciones, el agua se enfría por transferencia de masa (evaporación ) y por transferencia de calor sensible y latente del agua al


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aire, lo anterior origina que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la temperatura del agua descienda; la temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura de bulbo húmedo del aire a la entrada de la torre.

Se recomienda el tratamiento del agua a enfriar, agregando álcalis, algicidas, bactericidas y floculantes; y, realizar un análisis periódico tanto de dureza como de iones cloro ya que éstos iones son causantes de las incrustaciones y de la corrosión en los elementos de la torre.

La evaporación como causa de enfriamiento.El enfriamiento de agua en una torre tiene su fundamento en el fenómeno de evaporación. La evaporación es el paso de un líquido al estado de vapor y solo se realiza en la superficie libre de un líquido, un ejemplo es la evaporación del agua de los mares. Cuando el agua se evapora sin recibir calor del exterior es necesario que tome de sí misma el calor que necesita, esto origina que el agua se enfríe y por lo tanto que su temperatura disminuya.

Mecanismo de la evaporación.En la superficie del agua que está en contacto con aire no saturado sucede lo siguiente:

Inicialmente el agua toma calor de sí misma para evaporarse y así se crea un gradiente de temperatura entre el seno del agua y la superficie de contacto.

El aire recibe humedad (vapor) y por lo tanto energía en forma de calor latente de vaporización.

Después el aire le proporciona energía al agua, la que se evapora cada vez más a expensas de la energía del aire que de sí misma, hasta establecerse un estado de equilibrio a la temperatura de bulbo húmedo del aire.

Variables que influyen en la evaporación.En la superficie de contacto agua - aire el calor total que gana el aire (Q) está dado por la relación:

Q = A h DT

Con la que se deduce que la evaporación depende de:

1. LAS PROPIEDADES DEL SISTEMA Presión total: La evaporación es más rápida a bajas presiones o en el vacío y más lenta a

presiones altas. Área de contacto (A). La masa de agua evaporada es proporcional a la superficie en la cual

se efectúa la evaporación. Coeficiente de transferencia de calor (h) el cual depende entre otras variables, de la

velocidad del aire. La evaporación se acelera a mayor velocidad de las corrientes de aire, el viento desplaza las capas de aire sobre la superficie de evaporación y arrastra consigo la humedad.


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Diferencia de temperatura (DT) entre el agua y el aire.

2. EFECTO DIFUSIONAL DE MASA Humedad del aire: La evaporación es más rápida, cuanto más seco esté el aire o menos

saturado de vapor.

3. PROPIEDADES DEL AGUA. Presión de vapor. Conductividad térmica del agua (k).La alta conductividad térmica favorece la evaporación.

Teoría del termómetro de bulbo húmedo.Con el objeto de cuantificar el fenómeno de evaporación se hace el siguiente experimento: A un termómetro cuyo bulbo de mercurio se cubre con un lienzo saturado de agua y se introduce en una corriente continua de aire que fluye a gran velocidad, le ocurre lo siguiente:

Como el aire no está saturado el agua se evapora y se transfiere al aire, inicialmente el agua utiliza su calor latente para su evaporación lo que provoca su enfriamiento, este proceso continua, pero cada vez menos intenso, ya que al enfriarse el agua se genera un gradiente de temperatura, que da la posibilidad de transferir calor del aire al agua y ser empleado para suministrar la energía para la evaporación, entonces el agua se enfría cada vez menos hasta llegar a un punto en que toda la energía proviene del aire y ya no del líquido, en este instante el agua alcanza una temperatura estacionaria y se le llama temperatura de bulbo húmedo. El fenómeno que ocurre en el termómetro de bulbo húmedo se aprovecha para comprender el proceso del enfriamiento de agua.

Fenómeno interfasial del enfriamiento.En un acercamiento a una escala de micras en la interfase aire - agua dentro de una torre de enfriamiento ocurren fenómenos fisicoquímicos que permiten entender los principios básicos del enfriamiento de agua en presencia de aire no saturado relativamente seco y frío, aunque puede estar más caliente que el agua, condición que no se estudia en ésta ocasión.

Dentro de una torre de enfriamiento se presenta, básicamente, contacto entre una corriente de aire y gotas o película de agua lo que establece las siguientes condiciones en la interfase agua - aire.

Agua caliente. Aire frío. Aire relativamente seco, (no saturado). Inicialmente la interfase está a la temperatura del agua. Humedad interfasial determinada por el equilibrio o sea saturada. El agua toma energía de sí misma y se evapora.


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Se crea entonces un gradiente de temperatura interno y se produce un flujo de calor sensible del seno del agua a la interfase que se representa por:

q = r Cp DT

Como el aire está relativamente seco su humedad es menor que la de interfase, existe entonces un gradiente de humedad por lo tanto, hay flujo de agua en forma de vapor NA. A medida que la temperatura del agua baja, el aire gana energía y el gradiente de temperatura entre el aire y la interfase baja también. Entonces el calor total absorbido por el aire es igual a la energía asociada a la evaporación del agua

-q= NAl

Finalmente se llega a un estado estacionario en que el flujo de energía total es igual al calor referido a la masa evaporada más el calor del aire.

Q =q + q aire = NA l+ q aire

Así se forma una delgada porción de aire saturado llamada película interfasial con un espesor de dimensiones moleculares; es la región donde se contactan las dos fases y es en donde siempre están en equilibrio y se dice que son líquido saturado y vapor saturado a las condiciones de la interfase, la relación entre estas fases la describe la termodinámica.

4. Torres De Tiro Mecánico.

En la actualidad se emplean dos tipos de torres de tipo mecánico; el de tiro forzado y el de tiro inducido. En la torre de tiro Forzado, un ventilador se monta en la base y se hace entrar el aire y se descarga a baja velocidad por la parte superior, la ventaja de ubicar el ventilador y el motor propulsor fuera de la torre, por lo que no se somete a corrosión, pero debido a la escasa velocidad del aire de salida, la torre se somete a una recirculación. El aire descargado por las torres sale caliente y húmedo. Normalmente es lanzado hacia arriba a alta velocidad, diluyéndose en la atmósfera. Sin embargo, la cercanía de muros o estructuras, y la acción del viento, pueden dirigirlo hacia la entrada de aire de la torre, produciendo lo que se llama recirculación. Ésta puede afectar el rendimiento drásticamente y debe evitarse a toda costa.

La torre de tiro inducido se divide en torres de contraflujo y de flujo transversales. Desde el punto de vista termodinámico, la configuración a contraflujo es más eficaz, ya que el agua más fría entra en contacto con el aire más frío, obteniendo así el potencial máximo de entalpía.

El fabricante de las torres de flujo transversal puede reducir con eficacia la característica de torre a acercamientos muy bajos incrementando la cantidad de aire para proporcionar una razón L/G más baja. El aumento en el flujo de aire no se logra necesariamente incrementando la velocidad del


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mismo, sino sobre todo alargando la torre para aumentar el área de corte transversal para el flujo de aire.

El tiempo de contacto entre el agua y el aire se dictamina en mayor grado por el tiempo necesario para que el agua se descargue por las boquillas y caiga a través de la torre hasta el depósito. Si el tiempo de contacto es insuficiente, ningún incremento en la relación aire agua generará el enfriamiento deseado.

5. Operación De una torre de enfriamiento Acondicionamiento del agua.- Los requisitos de acondicionamiento para una torre de

enfriamiento consisten en la suma de las pérdidas de evaporación, pérdidas por arrastre y pérdidas a causa del viento.

Potencia del ventilador.- Cuando se lleva a cabo un análisis del costo de una torre de enfriamiento y los costos de operación de la misma, uno de los factores más significativos debe ser el establecimiento de la potencia del ventilador.

La potencia del ventilador de la torre de enfriamiento puede sufrir una reducción sustancial a causa de un decrecimiento en la temperatura de bulbo húmedo del ambiente, cuando se emplean motores de doble velocidad en los ventiladores.

Potencia de bombeo.- Otro factor importante en el análisis de la torre de enfriamiento, en especial para torres de tamaño mediano y grande, es la parte de la potencia de la bomba atribuida directamente a la torre de enfriamiento. Cuando se trata de torres de enfriamiento con boquillas de aspersión, la carga estática de bombeo será igual a la ascensión estática más la pérdida de presión de las boquillas.

Abatimiento de neblina y bruma.- Un fenómeno que ocurre con frecuencia en la operación de una torre de enfriamiento es la formación de neblina, que produce una bruma muy visible y con posibilidades muy altas de formación de hielo. La formación de neblina es ocasionada como resultado de la mezcla de aire caliente que abandona la torre, con aire ambiente de enfriamiento.

6. Torres De Tiro Natural

Las torres de tiro natural comenzaron a utilizarse en Europa en 1916. Estas son esencialmente apropiadas para cantidades muy grandes de enfriamiento y las estructuras de concreto reforzado que se acostumbra utilizar llegan a tener diámetros del orden de 80.7 m y alturas de 103.6.

Tanques De RocíoLos tanques de rocío constituyen un medio para reducir la temperatura del agua mediante el enfriamiento por evaporación y, al hacerlo, reducen enormemente la superficie de enfriamiento necesaria en comparación con un estanque de enfriamiento. El tanque de rocío emplea varias boquillas para rociar el agua y establecer contacto entre esta y el aire del ambiente. Una boquilla


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de rocío bien diseñada debe suministrar gotas finas de agua, pero sin producir un rocío que el viento arrastre con facilidad, ya que esto equivale a una pérdida excesiva de flujo.

7. Selección

La capacidad de enfriamiento Q de una torre se determina a partir de:GPM o m3/hora = caudal de agua.

T1 = temperatura del agua caliente = HWT*T2 = temperatura del agua enfriada = CWT*TH = temperatura húmeda del aire = WBT** - Nomenclatura en inglés del Cooling Tower Tecnology (CTI).

T1 - T2 = Rango, o delta de temperatura del agua en enfriamiento.Q = 500.7 x GPM x Rango (ºF ), expresado en BTU/horaT2 - TH = ACERCAMIENTO ("APPROACH").

EQUIPO E INSTRUMENTACION


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Torre de enfriamiento Termómetro Cronómetro Termo higrómetro Cubeta calibrada Malla Fluido: agua de enfriamiento

Consiste en una torre de enfriamiento por convección forzada construida en madera (Ceiba roja curada) y rellena con plataforma tipo contacto con barras de madera d la misma. El ventilador es de flujo axial colocado en la base de la torre. El sistema de distribución de agua se obtiene de un depósito de agua caliente proveniente de los intercambiadores de calor en servicio, mediante una motobomba que descarga en la parte superior mediante un distribuidor para la pulverización del agua. Un eliminador de arrastre a la salida del aire en el tope de la torre. El agua fría que desciende se recoge en un depósito, la cual es enviada nuevamente a los intercambiadores, recirculándola de esta manera.

PROCEDIMIENTOSe llenan los depósitos de agua caliente y agua fría a temperatura ambiente. Se ceban las bombas del equipo. Se abren las válvulas para darles paso al agua de enfriamiento a los equipos de transferencia. Se encienden las bombas de descarga a la torre y la bomba de recirculación en la torre. Se enciende el ventilador de la torre. Se espera aproximadamente media hora para que los equipos de transferencia de calor hagan efecto sobre el agua de enfriamiento. Una vez estabilizado el proceso y niveles en los depósitos se procede a la medición y registro de los siguientes datos:

1) Tomar la temperatura de bulbo seco y de bulbo húmedo del área de la entrada en un punto distante del ventilador.

2) Tomar la temperatura del agua caliente en el depósito respectivo3) Flujo de agua en el sistema, midiendo el volumen de agua caliente que retorna al depósito

de agua caliente y el tiempo e tomar dicho volumen.4) Temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo de área de la salida, la cual es tomada del

tope de la torre.5) Temperatura del agua fría en el depósito respectivo.

RESULTADOS EXPERIMENTALES


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Corrida

Aire entrada Aire salida Agua

T bulbo húmedo

(ºC)

T bulbo seco(ºC)

T bulbo húmedo

(ºC)

T bulbo seco(ºC)

Temperatura entrada

(ºC)

TemperaturaSalida(ºC)

CaudalGPM

1 28 31 29 31 42 34 13

2 27 32 29 30 43 34 12

3 26 30 29 31 44 34 11

4 25 27 29 30.5 45 35 10

5 24 25 29 31 46 35 9

Tabla 1. Datos obtenidos de manera experimental

CÁLCULOS Y RESULTADOS

A partir de los datos obtenidos, comenzaremos el análisis de la torre de enfriamiento con la medición tomada.

Gráfico 2. Esquema de la torre de enfriamiento.

Es necesario calcular el flujo másico del agua de entrada (agua caliente) a la torre de enfriamiento. Tomando la densidad a la temperatura de 35º C tenemos que ρ = 994.1 Kg/m3 luego tenemos para los cálculos con malla:

m1=ρ∗Qw cal Ec.1


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CORRIDA

Qcal (m3/s) m1 (Kg/s)

1 8,2E-04 8,15E-01

2 7,57E-04 7,53E-01

3 6,94E-04 6,90E-01

4 6,31E-04 6,27E-01

5 5,64E-04 5,61E-01

Tabla 2. Resultados calculo flujo másico del agua.

El balance de materia para el agua de acuerdo con el diagrama de flujo es:ma∗w3+m1=m2+ma∗w4 Ec. 2

Despejando m4 tenemos que:m2=m1−ma∗(w4−w3 ) Ec.2.1

El balance de energía es:ma∗h3+m1∗h1=mah4+m2h2 Ec. 3

Reemplazando la ecuación 5.1 en la ecuación anterior y despejando ma tenemos Para calcular el flujo de aire seco en la torre de enfriamiento se utilizara la ecuación:

ma=m1 (h1−h2 )

h4−h3−(w4−w3 )h2Ec.4

Donde: m1 es el flujo másico del agua h1 y h2 son las entalpías de liquido saturado a la temperatura de entrada y salida

respectivamente (hf @ Tw). h3 y h4 son las entalpías de la mezcla aire y vapor de agua que se calculan a partir de la

siguiente correlación empírica:

hm=1.005T+w (2501.7+1.82T )Kj / Kg a. s T en ºC Ec.5

w3 y w4 son humedades específicas a la entrada y salida del aire y se calculan a partir de la siguiente ecuación

w=0.622φP sat

(P−φP sat ) Ec.6

P= presión atmosférica de 101.3 KPa Psat= presión de saturación a la temperatura de bulbo seco del aire

Utilizando la carta psicométrica podemos obtener algunos datos para conseguir el valor de las anteriores variables y la tabla psicométrica para obtener la humedad relativa del aire.


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Corridaφ (ent)

(%)φ (sal)

(%)Psat a Tbse ent

(kpa)Psat a Tbse

sal (kpa)Went Wsal

1 79 86 4.4960 4.4960 0,02260139 0,02468352

2 68 92 4.7590 4.2460 0,02052608 0,02494752

3 73 86 4.2460 4.4960 0,01963269 0,02468352

4 85 89 3.5670 4.371 0,01919111 0,0248404

5 92 86 3.1690 4.4960 0,01843205 0,02468352

Tabla 3. Datos obtenidos de manera analítica.

Los valores de las entalpías están tabulados a continuación junto con los valores de ma para cada corrida:

Corrida

h1

(Kj/Kg)

h2 (Kj/Kg)h3

(Kj/Kg)h4

(Kj/Kg)ma

(Kg/s)

1175,5

6142,12

88,9720729

94,2984076 5,4177555

2179,7

4142,12

84,7055226

93,92335223,2979816

3

3183,9

2142,12

80,3370547

94,29840762,1778182

5

4188,4

4146,64

76,0884496

94,17460711,5186571

6

5192,2

8146,64

72,0751221

94,29840761,2016969

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Tabla 4. Valores de las entalpias.

Ahora que conocemos el flujo másico del aire podemos determinar la cantidad de agua que se evapora producto del intercambio de calor:

mwevaporada=ma (w4−w3 ) Ec. 7

Los resultados obtenidos son los siguientes:

Corrida

m1

(Kg/s)

m agua evaporada

(Kg/s)% Agua Eva.

1 8,15E-01 0,01128046 1,38410596

2 7,53E-01 0,01458185 1,93650071

3 6,90E-01 0,01099978 1,59417146

4 6,27E-01 0,00857933 1,36831393

5 5,61E-01 0,00751237 1,33910356

Tabla 5. Resultado cálculo flujo másico de agua evaporada.

El calor removido es igual al calor que pierde el agua o que gana el aire entonces:


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QW=Qa=ma (h4−h3 )=mw (h1−h2) Ec. 8

Como siempre existen perdidas introducimos una columna con la relación de los calores obtenidos.

Corrida

Qw (Kw)Qa

(Kw)Qw /Qa

1 27,2536 28,856779480,9444435

8

2 28,32786 30,400232570,9318303

7

3 28,842 30,405289170,9485849

6

4 26,2086 27,466672710,9541963

9

5 25,60404 26,705654080,9587497

8

Tabla 6. Resultado cálculo del calor removido.

Como podemos observar la mayoría del calor que gana el aire equivale al perdido por el agua lo cual indica que las perdidas hacia los alrededores son mínimas.

El gráfico de calor removido contra el rango de temperaturas es el siguiente:

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25

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27

28

29

30

31

CALOR REMOVIDO VS RANGO

42 3443 3444 3445 3546 35

RANGOS (ºC)

CALO

R RE

MO

VIDO

(Kw

)


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Gráfico 3. Calor removido Vs rango de temperatura.

CONCLUSIONES

El balance de energía muestra que las perdidas hacia los alrededores son mínimas lo cual demuestra que el equipo posee una alta eficiencia y que este se encuentra bien aislado.

El calor removido es función del cambio de temperaturas, para un flujo másico constante a través de la torre de enfriamiento a mayor diferencia de temperaturas mayor será el calor removido.

A pesar de que el gasto volumétrico en una torre de enfriamiento puede ser grande la cantidad de agua evaporada no supera el 1% del agua suministrada, esto se debe a que la velocidad del flujo es pequeña debido a la gran sección transversal de este dispositivo.

BIBLIOGRAFÍA

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YUNUS CENGEL, Transferencia de Calor y Masa. México, McGraw-Hill. 2006. Tercera Edición.

Karlekar, B.V. y Desmond, R.M., Transferencia de Calor, 2ª. Edicion, McGraw Hill, México, 1994.

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