Diseño de un sistema de transporte de aire caliente a una secadora de granos

8/4/2019 Diseo de un sistema de transporte de aire caliente a una secadora de granos

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Diseo de un Sistema de Secado de Maz para una Capacidad de 100MT por

Da

Desarrollado por:

Andrs Felipe Aldana Rico

Cdigo. 14.399.336

Wadith Baz Benitez

Cdigo. 92.671.337

Presentado A:

Ing. Nestor Durango Padilla MSc.

Universidad Del Norte

Especializacin en Ingeniera de Procesos Industriales

Mdulo de Anlisis de Procesos Industriales

Barranquilla

2011


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1. Descripcin del Problema

Se requiere secar de manera continua 100 toneladas/da de un material (caliza,arcilla, carbn, arroz paddy, maz) desde su humedad original hasta la humedad

de equilibrio usando aire caliente a 80C. El conducto con aire caliente debe

recorrer la distancia desde el generador de calor hasta el sitio de secado que es

120 metros (estn al mismo nivel, con 4 cambios de direccin como mnimo).

Disear el sistema de transporte del aire caliente

Seleccionar el ventilador adecuado

Seleccionar y caracterizar el proceso de secado

1.1 Consideraciones a tener en cuenta

Producto Escogido: Maz Amarillo

Tipo de Secado: En una torre en recirculacin

Temperatura de Secado: 80C

1.2 Caractersticas del Grano

A continuacin se presentan las caractersticas promedio del grano de maz

(Composicin expresada en base seca)

Tabla 1. Composicin en Base Seca del Grano de Maz Amarillo

GranoComponente

Carbohidratos Protenas Grasas Fibra

Maz Amarillo 81,05% 11,55% 4,97% 2,43%

FUENTE: Abrams, J. T. 1982


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Si se tiene en cuenta que la humedad de cosecha de este grano es del 24.0%,

entonces la composicin en base hmeda vendra dada por la siguiente expresin:

Ecuacin 1.De acuerdo a la frmula anterior, la composicin del grano en Base Hmeda sera:

Tabla 2. Composicin en Base Hmeda del Grano de Maz Amarillo

GranoComponente

Carbohidratos Protenas Grasas Ceniza Humedad

Maz Amarillo 61,60% 8,78% 3,78% 1,84% 24,00%

Para poder determinar cual va a ser la humedad objetivo del proceso de secado,

se debe tener en cuenta la humedad de equilibrio del grano bajo las condiciones

ambientales a las cuales va a ser almacenado, por lo tanto si se define que el

lugar de la instalacin de secado es Sahagn, Crdoba, las condiciones normales

de almacenamiento seran las siguientes:

Altura sobre el nivel del mar: 82m

Temperatura ambiente promedio: Entre 25 y 30C

Humedad relativa promedio: Entre 65 y 85%

FUENTE: Sitio oficial de Sahagn, Crdoba. Disponible en Internet:

http://www.sahagun-cordoba.gov.co/nuestromunicipio.shtml?apc=mIxx-1-&m=f

La humedad de equilibrio del grano de maz amarillo para dichas condiciones

ambientales se presenta en la siguiente tabla (Ver siguiente pgina):
http://www.sahagun-cordoba.gov.co/nuestromunicipio.shtml?apc=mIxx-1-&m=fhttp://www.sahagun-cordoba.gov.co/nuestromunicipio.shtml?apc=mIxx-1-&m=fhttp://www.sahagun-cordoba.gov.co/nuestromunicipio.shtml?apc=mIxx-1-&m=f


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Tabla 3. Humedad de equilibrio del grano de maz amarillo a una temperatura

ambiente de 30C a diferentes humedades relativas

Humedad Relativa Humedad de Equilibrio del Grano

65,00% 13,05%70,00% 13,85%75,00% 14,80%80,00% 15,85%85,00% 17,20%

FUENTE: Organizacin de las Naciones Unidas para la Agricultura y Alimentacin(FAO), Disponible en Internet:http://www.fao.org/docrep/X5027S/x5027SA2.GIF

De acuerdo a la informacin de la tabla 3, se puede establecer como humedad

objetivo del proceso de secado el 13.0% ya que es el nivel ms bajo al que debe

llegar para garantizar el equilibrio de humedad bajo las condiciones ambientales

del municipio de instalacin.
http://www.fao.org/docrep/X5027S/x5027SA2.GIFhttp://www.fao.org/docrep/X5027S/x5027SA2.GIFhttp://www.fao.org/docrep/X5027S/x5027SA2.GIFhttp://www.fao.org/docrep/X5027S/x5027SA2.GIF


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2. Definicin del Sistema

El sistema de secado se compone de tres subsistemas a saber:

Intercambiador de Calor: Es el encargado de permitir el calentamiento del

aire, se utiliza con el fin de evitar que los humos de la combustin vayan a

la secadora, previniendo contaminacin del grano por posibles

contaminaciones por condensacin de compuestos nocivos que estn

volatilizados en los gases de combustin, adems que previene el desgasteacelerado de la secadora al no permitir que los gases entren en contacto

con las partes internas del equipo.

Ducto de transporte: Se compone de 5 secciones rectas de tubera recta

que en conjunto suman 120m de longitud (Ver Figura 2 para ms detalle) y

cuatro cambios de direccin, no presenta desniveles entre la carga y la

descarga de fluido y consta de un solo punto de entrada y un solo punto de

salida.

Sistema de Secado: Se compone de la secadora de granos la cual tiene

un ventilador centrifugo encargado de tiro inducido, encargado de

proporcionar la energa necesaria para lograr el movimiento de aire desde

el intercambiador de calor hasta la salida del sistema de secado, adems

de las prdidas en la tubera, debe compensar las prdidas generadas en la

secadora (Por experiencia sabemos que son de 2.5PSIg) y en el

intercambiador de calor.

A continuacin se presenta una ilustracin bsica del sistema de secado

propuesto (Ver siguiente pgina):


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Figura 1. Ilustracin visual en 3D del sistema de secado propuesto

Las dimensiones recorridas y disposicin de la tubera se pueden apreciar a continuacin:


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Figura 2. Layout de tubera de conduccin de aire del sistema


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3. Diseo del Proceso

3.1 Determinacin de flujos msicos del sistema

Para poder hacer un balance de masa en el sistema, vamos a representar la

operacin como una simple caja con entradas y salidas a la cual le vamos a

aplicar un volumen de control (Ver Figura 3).

Figura 3. Forma simplificada del sistema de secado

En la figuran anterior, las variables mostradas son:

F: Flujo msico de grano hmedo que entra al sistema de secado

As: Flujo msico de aire seco que entra al sistema de secado

E:Flujo msico de grano con humedad de almacenamiento seco que sale

del sistema de secado


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Am: Es el flujo msico de aire seco ms el agua removida que salen del

sistema de secado.

Los datos conocidos de cada una de las variables planteadas en la Figura 3 se

pueden apreciar a continuacin:

Tabla 4. Datos conocidos de las variables de entrada y salida de la secadora

Caracterstica F E As Am

Gasto Msico (MT/Da) 100 Desconocido Desconocido DesconocidoContenido de

Humedad 24% 13% Desconocido DesconocidoTemperatura 30C Desconocido 80C Desconocido

Analizando la informacin anterior, se decide hacer un balance de slidos secos

en el volumen de control de acuerdo a la siguiente expresin:

De la expresin anterior se puede inferir que:

Entonces


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Habiendo calculado ya el gasto msico de producto a la salida de la secadora, se

puede obtener el gasto msico del agua removida de acuerdo a la siguiente

expresin:

Ahora para poder hallar el flujo de aire seco requerido, se van a establecer como

condiciones ambientales, las correspondientes a la humedad de equilibrio

seleccionada (13,0%), si se revisa la Tabla 3, se puede establecer que dichas

condiciones son:

Temperatura Ambiental: 30C

Humedad Relativa: 65%

Presin Atmosfrica: 1 atmosfera

Para hacer un anlisis psicrometrico del proceso de secado propuesto, se van a

establecer las siguientes caractersticas como fijas de acuerdo a la informacin

previa:

Temperatura de Secado: 80C

Humedad Relativa Lmite a la Salida de la Secadora: 90%

Con lo anterior se puede establecer el siguiente comportamiento psicrometrico del

aire en el proceso de secado:


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Figura 4. Comportamiento psicrometrico del aire en el proceso de secado


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En la figura 4 se pueden apreciar los siguientes comportamientos psicrometricos

del aire:

Fase 1 Calentamiento del Aire (AB): El aire ambiente se calienta al

entrar en el intercambiador de calor, al hacerlo no gana ni pierde humedad,

por lo tanto eleva su temperatura de bulbo seco, pero manteniendo su

humedad especifica constante, pero disminuyendo su humedad relativa, lo

cual incrementa su capacidad de remocin de humedad del grano ya que

se aleja del punto de roco.

Fase 2 Remocin de Humedad (BC): El aire pasa a travs de la capade grano y va removiendo humedad a medida que va avanzando por la

capa de grano en movimiento, normalmente se considera este proceso

como adiabtico (No hay intercambio de energa entre el sistema y el medio

ambiente) e ISOENTLPICO del lado del aire ya que a pesar de que el

grano se calienta y por ende pierde el aire pierde temperatura, dicho aire

tambin se va cargando de humedad, modificando la composicin del aire y

manteniendo su entalpia.

Ahora para leer la carta minimizando el efecto de subjetividad de la medicin, se

va a usar un calculador digital de propiedades psicrometricas del aire

(Proporcionado por http://www.learninghelper.com/psyc/psyccal.cgi y por

http://www.psychrometric-calculator.com/HumidAirWeb.aspx) para establecer las

propiedades del aire en cada punto del proceso; esto arroj los siguientes

resultados:
http://www.learninghelper.com/psyc/psyccal.cgihttp://www.learninghelper.com/psyc/psyccal.cgihttp://www.psychrometric-calculator.com/HumidAirWeb.aspxhttp://www.psychrometric-calculator.com/HumidAirWeb.aspxhttp://www.psychrometric-calculator.com/HumidAirWeb.aspxhttp://www.learninghelper.com/psyc/psyccal.cgi


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Tabla 5. Propiedades Psicromtricas del Aire en A, B y C para el proceso de

secado propuesto

PropiedadTipo de Aire

Ambiente (A) Caliente (B) Hmedo (C)

Temperatura de Bulbo Seco(C) 30 80 36,4

Temperatura de Bulbo Hmedo(C) 24,65 34,95 34,8

Temperatura de Punto deRoco (C) 22,7 22,7 34,4

Humedad Relativa 65% 5,81% 90%

Humedad Especfica (KgHumedad/Kg Aire Seco) 0,01773 0,01773 0,03545

Volumen Especfico Seco (m3de Aire/Kg de Aire Seco) 0,895 1,043 0,927

Entalpa (KJ/Kg) 75,50 127,57 127,57

Gracias a la informacin consignada en la tabla 5, se puede afirmar que la

temperatura de salida del aire es de 36,4C, lo cual implica que como este proceso

es a contraflujo, el agua libre presente en el grano va a empezar a evaporarse adicha temperatura, normalmente en el secado se busca eliminar el agua libre ya

que es la encargada de servir como medio de desarrollo de microorganismos, por

lo tanto se va a asumir que la remocin buscada del 24 al 13% se da en trminos

de remocin del agua libre.

Adems si analizamos el comportamiento de la humedad especifica del aire, se

puede apreciar que se incrementa de la siguiente forma:


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Lo anterior implica que cada kilogramo de masa de aire que entra al sistema

arrastra o gana 0,01772 Kg de agua en el proceso de secado, por lo tanto:

Convirtiendo lo anterior a MT

Por lo tanto haciendo un balance de masa total en el volumen de control (Figura 3)

se obtiene:

Por lo tanto el flujo msico del aire hmedo a la salida del sistema (Am) sera:


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3.2 Determinacin de la temperatura de salida del grano y el calor requerido

para realizar el proceso

Como se dijo previamente el agua libre se evapora a la temperatura de salida del

grano, pero la materia seca y el agua ligada y de composicin no solo alcanzan

dicha temperatura sino que pueden llegar a elevarse por encima de ella esto se da

debido a que en este tipo de secadores el contacto entre grano y aire caliente se

da en contraflujo, y por lo tanto la temperatura de ambos medios se comporta de

la siguiente manera:

Figura 5. Perfil trmico del proceso de secado en contraflujo

Se puede apreciar en la grfica que normalmente el aire pierde temperatura de

una manera ms marcada con respecto a cmo gana temperatura el grano, esto

se da debido a que parte del calor sensible entregado por el aire es empleado en


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evaporar el agua libre del producto. Por lo tanto si planteamos un balance de

energa en el volumen de control (Figura 3) obtendramos:

De la ecuacin anterior surgen las siguientes incgnitas:

Cpgrano: Capacidad Calorfica del Grano a Presin Constante

Hfg: Entalpa de vaporizacin o cambio de estado del agua bajo ciertas

condiciones de presin y temperatura

Para determinar la segunda se pueden usar las tablas de vapor de agua en

saturacin entrando con una temperatura de 36,4C (Ya que el agua libre se

empieza a evaporar a esta temperatura y se mantiene constante hasta que

termina el proceso de evaporacin). Pero para determinar la primera se va a usar

el siguiente modelo matemtico tomado del texto TECNOLOGA DE LOS

ALIMENTOS 4 INGENIERO QUIMICO de la Universidad Nacional de Colombia

Sede Medelln:

En la expresin anterior, la X representa las fracciones msicas de cada nutriente

(Carbohidratos, Proteinas, Grasas, Cenizas y Agua) y el Cp arrojado esta en

trminos de KJ/KgC.

La composicin nutricional del maz en grano que es sometido al proceso de

secado esta en la tabla 2. Con la informacin anterior, se puede afirmar entonces

que el Cp del maz hmedo sera:


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Ahora si se va a las tablas de vapor para una temperatura de 36,4C; la entalpa

de vaporizacin (O de cambio de estado) sera de 2414,54KJ/Kg, si estos datos

son llevados al balance de energa, se obtiene:

Ahora si se asume que la temperatura del grano a la entrada sera prcticamente

igual a la del aire ambiente, entonces la temperatura de salida del grano es:

Por lo tanto el calor requerido por el proceso sera:


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Convirtiendo los KJ/Da a KJ/s (Igual a KW) obtenemos:

Por lo tanto la energa trmica necesaria para realizar el proceso de secado es de

429,91KW.

3.3 Determinacin del caudal de aire a mover por el sistema:

De acuerdo a la tabla 5, el volumen especfico del aire caliente antes de entrar a la

secadora (Punto donde est el ventilador centrfugo) es de 1,043m3/Kg. Por lo

tanto el caudal de aire de secado sera:

Convirtiendo a m3/s


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Por conocimiento del proceso de secado de maz, normalmente el caudal de aire

utilizado es un 30% ms del requerido tericamente, por lo tanto el caudal a

utilizar en este proceso sera de:

3.4 Aproximacin del dimetro optimo de la tubera

Segn Peters & Timmerhouse en la quinta edicin de PLANT DESIGN AND

ECONOMICS FOR CHEMICAL ENGINEERS (McGraw-Hill 2003) una

aproximacin adecuada para el dimetro ptimo de tubera en flujos turbulentos se

puede hacer de acuerdo a la siguiente expresin:

()La anterior es una expresin emprica y debe usarse con caudales en m3/s y

densidades en Kg/m3. La densidad del aire se puede obtener como el inverso del

volumen especifico en del aire cuando est caliente (Ver tabla 3) de la siguiente

manera:

Ahora reemplazando en la ecuacin de Peters y Timmerhouse se obtiene:


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El dimetro ptimo para esta tubera es un valor cercano a los 0,8675m

(Equivalentes a 867,5mm), para este ejercicio vamos a asumir tubera redonda ya

que normalmente las instalaciones de secado son instaladas en exteriores as que

no habra necesidad de hacer acomodacin arquitectnica de la tubera, adems

la tubera redonda es capaz de proporcionar un rea de flujo mayor con menor

permetro, lo cual se ve reflejado en un ahorro de material en el momento de la

fabricacin del ducto y vamos a aproximar el dimetro del tubo a 860mm.

3.5 Calculo del rea transversal y velocidad de flujo en la tubera

Si ya se conoce el dimetro y la tubera es redonda, entonces el rea transversal

vendra dada por esta expresin:

Ahora usando la ecuacin de clculo del caudal podemos decir que:


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3.6 Calculo del nmero de Reynolds y determinacin del rgimen de flujo

Para poder calcular el nmero de Reynolds vamos a determinar la viscosidad del

aire caliente usando la siguiente figura

Figura 6. Viscosidad relativa del aire en funcin de la temperatura y presin

De acuerdo a la figura anterior la viscosidad relativa del aire caliente a 80C es de

1,8 x 10-5m2/s. Entonces el nmero de Reynolds sera:


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Con el valor del nmero de Reynolds se puede afirmar que el flujo es turbulento.

3.7 Determinacin del factor de friccin en la tubera

Se asume que el material de construccin del tubo es acero galvanizado por lo

tanto la rugosidad absoluta del material en mm seria de 0,15 (Ver figura 7)

Figura 7. Rugosidad absoluta y relativa de diversos materiales


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Por lo tanto la rugosidad relativa del sistema sera:

Ahora como el flujo es turbulento el factor de friccin viene dado por la ecuacin

de Colebrook

* +Reemplazando

* +

Despejando f

3.8 Determinacin de la prdidas primarias (Por friccin) y secundarias (Por

accesorios) en la tubera

Las perdidas por friccin en la tubera se van a determinar teniendo en cuenta que

la longitud recta del tubo es de 120m (Ver Figura 2), usando la ecuacin de Darcy-

Weisbach se obtiene


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Para determinar las perdidas en los accesorios (4 Cambios de direccin a 90

segn Figura 2) se debe establecer el valor de k pero normalmente para tuberasde dimetros grandes (Mayores a 16) se usa la relacin de longitudes

equivalentes, de acuerdo a la siguiente tabla.

Tabla 6. Longitudes equivalentes de algunos accesorios

Accesorio Longitud Equivalente

Codo Estndar a 90 30DCodo Radio Largo a 90 20D

Codo Radio Corto a 90 50DFUENTE: Crane Valves, Signal Hill, CA disponible enhttp://udel.edu/~inamdar/EGTE215/Minor_loss.pdf

De acuerdo a la figura 2 los cambios de direccin son sbitos por ende se va a

tomar como referencia el patrn de el codo de radio corto a 90

Por lo tanto la longitud equivalente de los accesorios sera

Por lo tanto las prdidas por accesorios seran:
http://udel.edu/~inamdar/EGTE215/Minor_loss.pdfhttp://udel.edu/~inamdar/EGTE215/Minor_loss.pdfhttp://udel.edu/~inamdar/EGTE215/Minor_loss.pdfhttp://udel.edu/~inamdar/EGTE215/Minor_loss.pdf


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Por lo tanto la prdida total en la tubera sera

Por conocimiento del proceso se sabe que la cada de presin en la secadora de

torre es de 2,5WC mientras que la del intercambiador de calor de este tipo de

sistemas es de 1,5WC (Datos empricos).

Ahora se van a llevar todas las cadas de presin de la secadora y del

intercambiador a m de Columna de Aire.


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Llevando esta potencia a KW se obtiene

3.11 Seleccin del ventilador

Como referencia se van a usar las tablas de seleccin de la compaaNORTHERN BLOWER CORPORATION, pero para poder determinar el tipo de

ventilador comercial a utilizar se debe realizar el siguiente procedimiento:

Correccin de la cada de presin por temperatura del aire y altura de

instalacin (msnm)

Bsqueda del modelo adecuado en las tablas de operacin con la cada de

presin corregida y el caudal de trabajo

Haga la correccin del BHP para determinar la potencia instalada

Haga verificacin de velocidad de rotacin mxima permitida para poder

generar el caudal

Paso 1. Correccin de la cada de presin

Lo primero es convertir la cada de presin a columna de agua para poder leer la

tabla del fabricante.


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Para hallar el factor de correccin se debe usar la siguiente figura

Figura 8 Factor de correccin de la cada de presin por temperatura para

ventiladores NORTHERN BLOWER

La temperatura de trabajo es 80C lo cual equivale a 176F y la altura sobre el

nivel del mar es de 82m lo cual equivale a 270ft, lo mas aproximado a esto es el

factor de correccin correspondiente a 180F y 500ft, lo cual proporciona un factor

de correccin de 1,23; Por lo tanto el Hv corregido es:


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Paso 2. Busqueda de los modelos adecuados

Para leer las tablas es necesario convertir el caudal a CFM

Al buscar en las tablas de operacin se encuentran los siguientes modelos:

Figura 9. Parametros Operativos del Ventilador 4570BCI Tamao 3000SISW

Modelo 40


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Figura 10. Parametros Operativos del Ventilador 4570BCI Tamao 3300SISW

Modelo 30

Paso 3. Correccin del BHP (Potencia recibida en el eje)

Para corregir el BHP se necesita usar la siguiente expresin:

Para el ventilador 3000

Para el ventilador 3300


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Convirtiendo la potencia recibida en el eje por el ventilador desde HP a KW para

poder comparar con la potencia requerida.

Para el 2700

Para el 3000

Paso 4. Verificacin de velocidad de rotacin

Para verificar la velocidad de rotacin se usan las siguientes figuras:


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Figura 11. Velocidades mximas de rotacin para ventiladores NORTHERN

BLOWER a 70F

Figura 12. Factores de correccin de velocidad de seguridad

Por lo tanto la velocidad mxima de rotacin para cada ventilador es:

Para el 3000


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Para el 3300

Con la informacin anterior se selecciona al ventilador 3000 Modelo 40 ya que su

velocidad de rotacin no supera a la de seguridad, mientras que en el 3300 esto si

sucede.

3.11 Clculo de la eficiencia del ventilador

Se podra definir como eficiencia del ventilador a la relacin entre la potencia

transmitida o entregada por el ventilador al sistema y la Potencia real recibida en

el eje del mismo, lo que produce el siguiente clculo:

Se puede apreciar que la eficiencia del proceso es del 71.27%.

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