Maquina de Vapor Proyecto

 

 

UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA MECANICA-ELECTROMECANICA MECANICA-ELECTROMECANICA LABORATORIO DE MAQUINAS TÉRMICAS TERMODINAMICA TECNICA I LABORATORIO Nº4

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PRIMERA MAQUINA DE VAPOR

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“PRIMERA MAQUINA DE VAPOR”  

RESUMEN En esta actividad experimental “Primera Máquina de Vapor” se pudo cumplir con los  principales objetivos d dee la actividad, ya que se consolido aún más los conocimientos que se tenía sobre los estados de cambio de fase además de los conceptos que están muy ligados con la primera ley de la termo termodinámica dinámica y la var variación iación de energía. energía. Los resultados más importantes se muestran a continuación, sabiendo que en la parte de cálculos se encuentran explicados con mayor detalle. d etalle. Hallando el calor total generado por el GLP durante el proceso: QGLP=6,93630 [MJ] El tiempo necesario para que la masa de agua se evapore por completo es: t = 4347,80(Seg) =72,46 (Min)

 

 

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PRIMERA MAQUINA DE VAPOR

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INDICE 1.  INTRO INTRODUC DUCCION CION.. ................ ................................ ................................. ................................. ................................. .................................. ......................... ........ 3  1.1.   ANTECEDENTES.  ANTECEDENTES.......... .................. ................... ................... ................... ................... .................. ................... ................... ................... ............... ..... 3  1.2.  OBJET OBJETIVOS. IVOS. ................ ................................ ................................. ................................. ................................. .................................. ......................... ........ 4  1.3.  FUNDAMENTO TEORICO. ..................................................................................... 4  1.3.1.  MAQUINA DE VAPOR DE HERON .................................................................. 4  1.3.2.  MAQUINA DE VAPOR DE THOMAS SAVERY ................................................ 5   1.3.3.  MAQUINA DE THOMAS NEWCOMEN. ........................................................... 6   1.3.4.  MAQUINA DE VAPOR DE EDUARDO EDUARDO SOMERSET .......... ................... .................. .................. ............ ... 7   1.3.5.  MAQUINA DE JAMES WATT ........................................................................... 8   1.3.6.  MAQUINAS DE VAPOR EN LA ACTUALIDAD......... ................... ................... .................. .................. ............ ... 8   1.3.7.  PRIMERA LEY DE TERMODINAMICA TERMODINAMICA......... .................. .................. .................. ................... ................... ............... ...... 9  1.3.7.1.  BALANCE Y CAMBIO DE LA ENERGIA DE UN SISTEMA ......... ................... .............. .... 9  1.3.7.2.  ENERGIA INTERNA, ENTALPIA Y CALORES ESPECIFICOS DE SOLIDOS Y LIQUIDOS ............................................................................................. 10   2. 

1.3.6.3. PODER CALORÍFICO DE LOS COMBUSTIBL COMBUSTIBLES ES (HU) ......... .................. ................... ............. ... 10   METODOLOGIA. ................. ................................. ................................. ................................. ................................. .................................. ....................... ...... 12  

2.1.  EQUIPO, MATERIAL E INSTRUMENTO ............................................................... 12   2.2.  MONT MONTAJE. AJE. ................ ................................ ................................. .................................. ................................. ................................. .......................... ......... 14  2.3.  DESCRIPCON DEL EXPERIMENTO. ................................................................... 15   3.  REGISTRO DE DATOS. ............................................................................................... 15   4.  CALC CALCULOS. ULOS. ............... ............................... ................................. .................................. .................................. .................................. ............................... .............. 16   5.  CONCLUSIONES Y RESULTADOS. ............................................................................ 18   6.  BIBLIO BIBLIOGRAFIA GRAFIA.. ................ ................................ ................................. .................................. ................................. ................................. .......................... ......... 19  7.   ANEXO. ......... .................. ................... ................... .................. ................... ................... .................. ................... ................... .................. ................... .................. ........ 19 

 

 

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PRIMERA MAQUINA DE VAPOR 1.  INTRODUCCION. 1.1.   ANTECEDENTES. La máquina de vapor es un motor de combustión externa que convierte la energía térmica, producto de la combustión de carbón, leña, etc. En energía mecánica; el factor de mediación en esta conversión es el vapor de agua. Difícil es de averiguar, si en la edad antigua, se reco reconocía nocía que el vapo vaporr  pudiera emplearse como agente mecánico, y aun cuando desde los tiempos tiempos más remotos se observase que el vapor producido por el agua hirviendo sale con cierta fuerza por una abertura pequeña que tenga el vaso en que se forma, no hay razón bastante para creer que el Eolipilo, fundada en la citada observación, puede ofrecerse como prueba de que hasta fines del siglo XVII se hubiese hecho tentativas para util utilizar izar el vapor de agua, en aquel concepto, y hasta Jacques Rohault y otros. La primera máquina de vapor fue la Eolipila creada en el siglo I por Herón He rón de  Alejandría. En la primera máquina de vapor se basa la primera revolución industrial que, desde los fines del siglo XVII en Inglaterra y hasta casi mediados del siglo XIX acelero portentosamente el desarrollo económico de muchos de los  principales países de la Europa Occidental y de los Estados Unido Unidos, s, solo en la interface que medio entre 1890 y 1930. La máquina de vapor impulsada por “hulla” dejo a otros motores de combustión interna: aquellos impulsados por hidrocarburos derivados del petróleo. La determinación de la invención de la primera máquina de vapor atribuyéndola a tal o cual inventor, ya que la historia de su desarrollo estaba  plagada de nombres propios. Desde la recopilación de Herón hasta la sofistica máquina de James Watt son multitud las mejoras que en Inglaterra y especialmente en el contexto de una incipiente revolución industrial en lo loss siglos XVII y XVIII condujeron sin soluci solución ón de continuidad continuidad desde los rudimentarios primeros aparatos sin aplicación práctica a la invención del motor universal que llego a implantarse en todas las industrias y a utilizarse en el transporte, desplazando los tradicionales

motores, como con el animal tiro, el molino o la pro propia pia fuerza del hombre.

 

 

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 Jerónimo de Ayanz y Beaumont, militar, pintor cosmógrafo y músico, pero sobre todo inventor español registro la primera patente de la máquina de vapor.

1.2.  OBJETIVOS.

       

  



Investigar la invención de la primera máquina de vapor.  Diseñar y construir la primera máquina de vapor.  Conocer el funcionamiento de la máquina de vapor.    Aplicar los conocimientos aprendidos aprendidos en termodinámica. 

1.3.  FUNDAMENTO TEORICO. La máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de cantidad de agua en energía mecánica. Este ciclo de trabajo se realizará en dos etapas: 1.  Se genera vapor de calentamiento en una caldera cerrada herméticamente lo cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujado a un pistón. Mediante un mecanismo de biela manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación. 2.  El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los  flujos del vapor hacia y desde el cilindro. cilindro.

1.3.1.  MAQUINA DE VAPOR DE HERON La primera máquina de vapor fue la Eolipila creada en el siglo I por Herón de Alejandría. Etimológicamente, Eolipila viene de Eolo, dios de los vientos y puertas y  puertas y se trata de un vaso metálico, metálico, cóncavo y con so solo lo orificio, que se halla comúnmente en la extremidad de una especie de cuello o de parte  prolongada en cuando se le introduce agua y se coloca sobre carbones ardientes, el agua no tarda en vaporizarse y el orificio deja un estrecho

 

 

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 paso a un surtidor de vapor hasta que de este modo se halla desaloja toda el agua por el calor.

Figura 1. Máquina de vapor de Herón la Eolipila. 1.3.2.  MAQUINA DE VAPOR DE THOMAS SAVERY Thomas Savery (Shilstone, C 1650 - Londres 1715) fue un mecánico e inventor ingles que desarrollo una máquina de vapor vapor que en su época constituyo un gran avance en la industria minera. A fines del siglo XVII las aguas subterráneas suponían un gran problema para la minería. La máquina de Savery consistía en un dispositivo conectado a una caldera y conectados por dos tuberías una de las cuales lo conectaba al agua agua de las mina que p pretendía retendía extraer hacia el exterior; exterior; la maquina  funcionaba de la siguiente manera: en primer lugar se abría la válvula que conectaba la caldera con el dispositivo y este se llenaba de vapor de agua saliendo al exterior a través de una válvula anti retorno,  posteriormente se enfriaba el dispositivo haciendo cho chorear rear desde afuera del mismo, agua fría y al enfriarse el vapo vaporr se condensaba haciendo el vacío en el depósito. Mediante una tubería con válvula anti retorno, el dispositivo estaba conectada al agua del interior de la mina; por el vacío producido, el agua del interior de la mina subía, llenándolo a través de una válvula anti retorno.

 

 

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Para vaciar el dispositivo se volvía abrir la válvula que lo conectaba con la caldera, y el vapor a presión hacia salir el agua por la misma válvula anti retorno por la que había salido el aire al principio.

Figura 2 Máquina de vapor de Thomas Savery. 1.3.3.  MAQUINA DE THOMAS NEWCOMEN. La máquina de Thomas Newcomen o máquina de vapor atmosférica fue inventada en 1712 asesorado por Robert Hooke que era físico y por el mecánico John Calley esta máquina de Thomas Savery. El funcionamiento de ambas maquinas era similar. Ambas creaban el vacío en un dispositivo a base de enfriarse el vapor de agua. La diferencia estaba en que en mientras en la máquina de Savery era el propio vacío del depósito el que absorbía el agua de la la mina en la máquina de Newcomen el vacío se creaba en un cilindro tireada de una viga hacia abajo. esta viga estaba situada en forma de balancín, de modo que al llenarse el vacío del cilindro con vapor la viga volvía a subir este movimiento de vaivén accionada una bomba alternativa que extraía el agua de las minas. Como toda máquina presenta un problema en su  funcionamiento: se basaba en calentar y volver a enfriar sucesivamente un deposito. Esto provocaba roturas del mismo; aparte de suponer una  pérdida de energía que hacía que el rendimiento de la maquina fuera baja.

 

 

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Figura 3 Máquina de vapor de Thomas Newcomen. 1.3.4.  MAQUINA DE VAPOR DE EDUARDO SOMERSET La máquina de Eduardo Somerset puede ser considerado como el invento de una de las maravillas que revoluciono el mundo moderno y con la le dio inicio a la primera revolución industrial, aunque se cree que fue James Watt el inventor de la máquina de vapor solo fue el que perfecciono este mecanismo. La máquina fue construida en 1763 y muy similar conceptualmente a la  fuente Caus, sin embargo, SSomerset omerset no pud pudo o vender sus máquinas máquinas por no tener capitales necesarios y murió en la pobreza. Este es posible que se haya atribuido a Thomas Savery la máquina de Somerset con un patente a Savery.

Figura 4 Máquina de vapor de Eduardo Somerset.

 

 

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1.3.5.  MAQUINA DE JAMES WATT Ingeniero e inventor mecánico nació en Escocia el 19 de enero de 1736. En 1764 recibió en el taller una máquina de Newconem, al repararla se  percató de la merma de su rendimiento por la cantidad de vapor que desperdiciaba y busco la m manera anera de evitar el continuo calentamiento y enfriamiento del cilindro de pistones; la solución fue un condensador separado de esta forma evitaba la constante pérdida de energía y se reducía a un tercio su consumo de carbón.  James Watt adopto la máquina de vapor para impulsar los mecanismos industriales. En 1782 fabrican máquinas de vapor para telares, fábricas de papeles, molino de harina, obras hidráulicas y talleres.

Figura 5 Maquina de James Watt 1.3.6.  MAQUINAS DE VAPOR EN LA ACTUALIDAD La máquina de vapor fue evolucionando sucesivamente a medida que fue  pasando los años, el mismo humano moderniza estés maquinas por otras que puedan satisfacer las necesidades requeridas. En la actualidad la máquina de vapor alternativa es muy poco utilizado salvo para servicios auxiliares ya que se ha visto desplazado por el motor eléctrico en la máquina máquina de indu industria stria y por el mo motor tor de combustión interna en el transporte.

 

 

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1.3.7.  PRIMERA LEY DE TERMODINAMICA

La primera ley de la termodinámica conocida también como el principio de la conservación de energía, esta ley establece que: “la energía no se  puede crear ni destruir durante un  proceso; solo se transforma “ por la tanto cada cantidad de energía por pequeña que sea debe justiciarse durante un proceso.

1.3.7.1. 

BALANCE Y CAMBIO DE LA ENERGIA DE UN SISTEMA SI STEMA

De acuerdo a la conservación de la energía se expresa: “ el el cambio neto (incremento o disminución) en la energía total del sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energía total que entra y a la energía total que sale del sistema durante un  proceso”  es  es decir:

∑   ∑  = ∆

(1)

Este proceso se lo conoce como el balance de energía y aplicable a cualquier tipo de proceso. El cambio de energía tiene por evaluar la energía del sistema al  principio y al final del proceso proceso y encontrar su diferencia, es decir:  

(2)

 de ∆ Por lo tanto=elcambio energía de un sistema es cero si el estado no se modifica durante el proceso; también, es posible que exista energías en diversas formas: internas, cinética, potencial, eléctrica, y magnética y se expresa de siguiente manera:

∆=∆+∆+∆  ∆=    ∆= 1⁄2     ∆=   

(3) (4) (5) (6)

 

 

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ENERGIA INTERNA, ENTALPIA Y CALORES ESPECIFICOS DE 1.3.7.2.  SOLIDOS Y LIQUIDOS Una sustancia cuyo volumen especifico (o densidad) es contante se llama incompresibilidad. Los volúmenes específicos de sólidos y líquidos en esencia permanecen constantes durante un proceso. Se  puede mostrar matemáticamente que los calores específicos a volumen y presión constantes son idénticos para sustancias incompresibles. Entonces para líquidos y sólidos, los subíndices en Cp y Cv se eliminen y ambos calores específicos.

 =  =  

(7)

Los cambios de entalpia que es h=u+Pv lo cual v= ctte para sólidos, el termino v diferencia de presiones es e s insuficiente por lo tanto Δh=  Δu =cΔT. Para líquidos comúnmente se encuentra dos casos especiales. 1.Procesos a presión constantes (ΔP= 0) 

2.Procesos a temperatura constantes (ΔT= 0).  1.3.6.3. PODER CALORÍFICO DE LOS COMBUSTIBLES (HU)

El poder calorífico es la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación. El poder calorífico expresa la energía máxima que  puede liberar la reacción química total entre un combustible y el comburente y es igual a la energía que mantenía unidos los átomos en las moléculas de combustible, menos la energía utilizada en la  formación de nuevas moléculas en las materias (generalmente gases) formadas en la combustión. La magnitud del poder calorífico puede variar según como se mida. Según la forma de medir se utiliza la expresión Poder calorífico superior (abreviadamente, PCS) y Poder calorífico inferior (abreviadamente, PCI).

 

 

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La mayoría de los combustibles usuales son hidrocarburos, compuestos de carbono e hidrógeno, que al arder se combinan c ombinan con el oxígeno formando dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) respectivamente. Cuando se investigó científicamente el proceso de la combustión, se consideró que para el buen funcionamiento de las calderas donde se producía, era necesario que los gases quemados salieran por el conducto de humos a una cierta temperatura mínima para producir el escape sin problemas. Esta temperatura está por encima de los 100 ºC, por lo que el agua  producida no se condensa, condensa, y se pierde el calor calor d dee cambio cambio de estado, que en el agua se estima en 2261 kilojulios (540 kilocalorías) por kilogramo de agua, por lo que hubo necesidad de definir el poder calorífico inferior, para que las calderas tuvieran, aparentemente, unos rendimientos más alentadores. Por ello se usó la denominación Poder Calorífico Inferior para el calor producido sin aprovechar la energía de la condensación del agua, y Poder Calorífico Superior a la energía una vez aprovechado el calor de la condensación.

Combustible

HU s(MJ/Kg)

HU i i(MJ/Kg) (  MJ/Kg)

Gasolina Kerosene

47.5 46

44 42.5

Diesel

46.7

42.5

Fuel-Oil

45

41.7

 Alcohol Etíl.

28

25.32

 Alcohol Metil. 21.42

18.92

Gas Natural

50.4

50.4

GLP

49.5

49.5

Tabla 1 Poder calorífico de algunos combustibles  

 

 

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Usando estos valores, se puede calcular el calor producido por la quema de una cierta masa de combustible a partir de la ecuación: Qc

  

mc HU [ J ]  

(8)

Dónde: Qc es la cantidad de calor que genera el combustible al quemarse mc es la masa del combustible [Kg] HU es el poder calorífico del combustible [J/Kg] , [MJ/Kg]

2.  METODOLOGIA. El presente proyecto “Primera Máquina de Vapor”  se   se realizó por un grupo de estudiantes de la Facultad Nacional de Ingeniería de la carrera de Ingeniería Mecánica. 2.1.  EQUIPO, MATERIAL E INSTRUMENTO

       



  



           

    

Caldera de presión  Depósito de almacenamiento de vapor 2 Recipientes Manguera plástica   Jarra de medición  Poxilina  Poxipol   Válvulas Soporte  Hornilla GLP 

 

 

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FICHAS TECNICAS NOMBRE: Flexómetro TIPO:  Analógico    Analógico MARCA: Uyustools COLOR:  Amarilla UNIDADES: Metro (m)

INDUSTRIA:

 ALCANCE: Max. 5 m Min. 0.001m  0.001m  SENSIBILIDAD: 0,001m

INCERTIDUMBRE: ±0,005 m

NOMBRE: Jarra de medición TIPO:  Analógico    Analógico MARCA: INDUSTRIA: Europlast COLOR: Transparente UNIDADES: Mililitros (ml) Litro (L)  ALCANCE: SENSIBILIDAD:

INCERTIDUMBRE:

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2.2.  MONTAJE. 7

6

2

5

4

1

3

  2.  3.  4.  5.  6. 

1.

Caldera de presión Manguera de transportador de vapor Depósito de vapor   Manguera de succión Manguera de descarga del fluido (agua)   Soporte del equipo 

  Recipientes

7.

 

 

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2.3.  DESCRIPCON DEL EXPERIMENTO.

El presente proyecto “ Primera Primera Máquina de Vapor “se realizó de la siguiente

manera:

  Inicialmente

se procedió al preparado de los materiales necesarios que se necesitará para la construcción.   Seguidamente se realizó la preparación del material y máquinas de herramientas a utilizar.   Se procedió a la construcción del depósito de vapor lo cual se utilizó latas de spray   Se realizó la unión o sellado con poxipol de las mangueras plásticas y la válvula de entrada, de manguera de succión con su válvula y de la manguera de descarga del fluido con su respectiva válvula.   Finalmente se realizó la prueba de la máquina de su funcionamiento y solucionar algunos desperfectos.

3.  REGISTRO DE DATOS. Dimensión del depósito de vapor: DEPOSITO DE VAPOR 21±0,1 [cm] 30±0,1 [cm]

OBSERVACION Perímetro Longitud

Volumen de agua para el proceso: 1 litro Masa de la garrafa mi =20,92 =20,92 [Kg] m f =20,78 =20,78 [Kg] La altura máxima de bombeo:

− =140 ±0,01   Altura de succión:

 = 110 ± 0,01  

 

 

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4.  CALCULOS. CALCULO DEL CALOR TOTAL GENERADO POR EL COMBUSTIBLE GLP Hallando la masa del combustible: m GLP =20,92 –  20,78  20,78 [Kg] m GLP =0,14 [Kg] De tablas se obtienen los siguientes datos: HUGLP = 49,545 [MJ/Kg] Hallando el calor total generado por el GLP durante el proceso: QGLP = mGLP * HUGLP = 0,14 * 49,545 QGLP=6,93630 [MJ]

CALCULO DEL CALOR DE EBULLICIÓN DEL AGUA La masa de agua es: m agua =1,00 [Kg] El calor de ebullición del agua será: QEBULL. = magua * c*∆T = 1,00* 4,18 * 61,7 QEBULL. = 257,907 [KJ] CALCULO DEL CALOR DE EVAPORACIÓN DEL AGUA De tablas se obtienen los siguientes datos:  λEVAP. = 2260 [KJ/Kg]

El calor de evaporación del agua será: QEVAP. = magua * λEVAP. = 1,00 * 2260 QEVAP. = 2260 [KJ]

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CALCULO DEL TIEMPO NECESARIO PARA LA EVAPORACION DE FORMA COMPLETA PRIMERAMENTE, HALLAMOS LA MASA DEL AGUA De tablas a una temperatura de 86 °C se tiene:  ρ = 967,73 Kg/m3

La masa de agua será: m=ρV  

m f  =  = 967,73 Kg/m3 *1,00x10-3 m3 m f  = 0,977 (Kg) Extrapolando los puntos obtenidos se tiene: MASA DE AGUA (Kg) 1,00 0,977 0,00

TIEMPO (SEG) 0 100 t

El tiempo necesario para que la masa de agua se evapore por completo es: t = 4347,80(Seg) =72,46 (Min) PARA EL CALCULO DE PRESION DE BOMBEO Para el cálculo de presión primeramente calculamos la presión de atmosférica de la Oruro.

 =  +   9  ) ( ∗  =  (  ∗ )   10       =    11

 

 

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PRIMERA MAQUINA MAQUINA DE VAPOR

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 = 10 101,1,3325 25         =293.15         = 37 3706 06 . ...... .              ]         =287[[ =287  = 9,806 / /        ,   ,∗ )    =101,325 =101,325((293,150,00135∗3706 293,15  = 65 65,5,537 37    5.  CONCLUSIONES Y RESULTADOS. Este trabajo experimental fue ejecutado y concluido de manera satisfactoria logrando que los objetivos planteados sean cumplidos, ya que se consolido los conocimientos requeridos para un mejor desempeño en el área térmica.  Al interpretar datos de temperatura presión también se aprendió sobre los estados de agregación de la materia que se realizó en los anteriores laboratorios y además de profundizar el entendimiento el uso de la ciencia de d e termodinámica. Hallando el calor total generado por el GLP durante el proceso: QGLP=6,93630 [MJ] El tiempo necesario para que la masa de agua se evapore por completo es: t = 4347,80(Seg) =72,46 (Min)

 

 

UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA MECANICA-ELECTROMECANICA MECANICA-ELECTROMECANICA LABORATORIO DE MAQUINAS TÉRMICAS TERMODINAMICA TECNICA I LABORATORIO Nº4

MEC 2244 “ A  A” 

PRIMERA MAQUINA MAQUINA DE VAPOR

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6.  BIBLIOGRAFIA.

  httpps:/es.m.wikipedia.org   www.frm.utn.edu.ar   www.tecnologias.us   Yunus Cengel & Michael Boles, Termodinámica, McGraw

7.   ANEXO.

Hill, México.