Unidad IV

MÁQUINAS TÉRMICAS TECSUP

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IV EL GENERADOR DE VAPOR

4.1.- Generalidades

Los generadores de vapor o calderas comprenden todos aquellos recipientes a

presión en los cuales mediante la aplicación del calor producido por la oxidación de

un combustible o por gases residuales de un proceso industrial, se transforma el

agua contenida en él, en vapor de agua. Este último se utilizará después en

cualquier proceso industrial, generación de fuerza, calefacción en edificios,

hospitales, etc.

1. Definición de Caldera:

Esencialmente es un recipiente que contiene agua que por aplicación de calor va a

ser calentada y evaporada continuamente produciendo vapor.

2. Clasificación de las calderas

De acuerdo a como circulan los gases de combustión en la caldera pueden clasificar

en:

2.1 Calderos pirotubulares

En las calderas pirotubulares (tubos de fuego) los gases de combustión

circulan por el interior de los tubos, estando el exterior cubierto de agua. El calor es

transmitido por radiación y convección. En condiciones favorables de combustión la

eficiencia total obtenida es de 70%.

Los tubos pueden ser colocados: horizontal, vertical o inclinados.

TECSUP MÁQUINAS TÉRMICAS

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Entre los de tubos horizontales existen 3 diseños:

- De un solo pase con cámara de combustión externa.

- De tipo de caja de fuego (FIRE BOX) tanto los tubos como la cámara de

combustión están dentro del cuerpo cilíndrico del caldero.

- Tipo “locomovil” que en sus inicios se uso como caldera de locomotora y

posteriormente como caldera estacionaria.

Los modelos “locomovil” llegan a presiones de 350 psig y

capacidades de generación máxima de hasta 60 000 Lb/hr de vapor (1740 BHP).

Figura 4.1

Características

PRESIÓN DE TRABAJO: 15 a 250 psig ( 1 a 17 Kg/cm2) CAPACIDAD DE GENERACIÓN: 7,3 a 800 BHP (250 a 27 500 Lb/hr)

DIÁMETRO DE LOS TUBOS DE FUEGO 2”, 2 1/2”, 3” (diesel, residual, gas) 3”, 3 1/2”, 4” combinación de sólidos (carbón, bagazo, madera)

DIÁMETRO DEL CUERPO CILÍNDRICO: Varía entre 3 y 10 pies.


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El calentamiento pirotubular consiste en

calentar el agua por medio de tubos Sumergidos, en el que circulan los gases de

combustión. La cantidad de tubos debe ser tal que permita una buena área de

transferencia sin comprometer la capacidad del caldero

Figura 4.2

Principio de funcionamiento


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Figura 4.3

La necesidad de tener mas capacidad y presión en una caldera pirotubular implica el

aumento del diámetro y longitud del tambor y el espesor de los tubos, lo cual puede

hacerlo ineficiente, poco controlable y peligroso. Para estas necesidades aparece la

caldera acuotubular.

En las calderas acuotubulares los gases de combustión están en contacto con la

superficie exterior de los tubos, mientras que el agua y el vapor circulan en el interior

de los tubos.

Los combustibles utilizados pueden ser gaseosos, líquidos o sólidos.

Hay 2 diseños básicos:

La circulación de este tipo de caldera se inicia con el ingreso de agua de alimentación por la

parte inferior del domo o cuerpo cilíndrico. Luego desciende por el interior de los colectores

posteriores y sube por los tubos rectos inclinados, en ellos comienza a formarse el vapor. La

2.2 Calderos Acuotubulares

De tubos rectos


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mezcla vapor agua asciende por los colectores frontales induciendo una circulación hacia el

domo en donde se produce la separación entre el vapor y el agua.

Figura 4.4

CARACTERÍSTICAS:

Un Domo long. y dos domos inferiores.

De tubos curvos

CALDERA TIPO “A”

Caldera de domo longitudinal

PRESIÓN DE TRABAJO: 160 - 325 PSIG CAPACIDAD DE GENERACIÓN: 5000 – 8000 LB/HR

Caldera de domo transversal

PRESIÓN DE TRABAJO: 160 - 1450 PSIG CAPACIDAD DE GENERACIÓN: 5000 LB/HR- a más.


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Circulación de gases en dos pases.

Figura 4.5

3 domos transversales.

T° de vapor Saturado a 175 °F

Hogar: refractario, con paredes refrigeradas para carbón o petróleo.

Combustibles: Gas o petróleo, carbón bituminosos, bagazo o madera.

CALDERA STIRLING TIPO “H”

PRESIONES: 150 - 1000 PSIG. CAPACIDAD. 7000 – 250 000 LB/HR

PRESIONES: 160 - 450 PSIG CAPACIDAD: 10000 - 50000 LB/HR


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Figura 4.6

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Circulación Natural

Esta circulación se produce por la diferencia de peso entre la columna de agua fría y

la columna líquido / vapor. Esta fuerza debe vencer la resistencia de los tubos.

Las calderas de circulación natural solo son posibles para calderos con presiones

menores que la presión critica.

Circulación Forzada

Necesita elemento externo para producir la circulación del vapor por los tubos.

Trabaja en la vecindad del punto crítico.

Ventajas: Menor diámetro

Geometría flexible

Peso total de la caldera disminuye

Altura del caldero disminuye

Se controla la temperatura recirculando el gas.

Problemas: Depósitos de sólidos en los tubos

Depósitos en turbinas.

Disolución de óxidos

En temperaturas mas altas los sólidos son mas solubles en el agua

Aumentan perdidas de presión


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Tienen que tener agua de circulación en buenas condiciones

Figura 4.7

Figura 4.8


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5.0.- COMPONENTES BÁSICOS DE UNA CALDERA

1.0.- Quemador: Donde se produce la mezcla AIRE / COMBUSTIBLE e inicia la

combustión.

2.0.- Hogar o cámara de combustión: Lugar donde se produce la combustión. Aquí

la transferencia de calor se produce esencialmente por radiación.

3.0.- Sección de convección: Zona donde los gases de la combustión transfieren el

calor al agua a través de las paredes de los tubos

4.0.- Chimenea: Por donde se eliminan los gases de la combustión después de

haber cedido su calor al agua.

5.0.- Ventilador de aire: Proporciona el aire necesario para la combustión del

combustible.

6.0.- Accesorios de control y operación: Constituidos por el tablero de control, el

controlador de nivel de agua, el controlador de presión, el manómetro y las válvulas

de salida, purga, visores de llama, etc.

� Panel de control: Aquì se encuentran los dispositivos de mando y control del

quemador y bomba de combustible.

� Controlador de nivel de agua: Indica el nivel de agua y gobierna el

funcionamiento de la bomba de agua para mantener dicho nivel entre límites

adecuados.

� Controlador de presión (PRESÓSTATO): Controla la presión del vapor en la

caldera a través del quemador al que ordena se encienda si la presión es

baja ó apague cuando la presión alcanza el valor máximo (gobierna al

quemador).


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� Válvulas de salida de vapor, seguridad, de purga: La válvula de

seguridad,regulada a una presión ligeramente mayor a la presión de trabajo,

permite la evacuación del vapor en el supuesto que los elementos de control

fallen.Durante la operación de la caldera,las válvulas de purga permiten

eliminar los lodos acumulados en el fondo (mediante la purga de fondo),los

sólidos en suspensión y espuma que flota en el agua (mediante la purga de

nivel).

� Manómetro principal: Indica la presión del vapor.

7.0.- Bomba de alimentación: Suministra el agua a la caldera.

8.0.- Equipos auxiliares: Las calderas medianas y grandes están equipadas con

equipos auxiliares destinados a mejorar el aprovechamiento del calor y por

consiguiente la eficiencia de la caldera.

� Precalentador de aire: Aprovecha el calor de los humos que abandonan la

caldera para calentar el aire empleado en la combustión.

� Precalentador de agua: ECONOMIZADOR. Aprovecha el calor de los humos

que abandonan la caldera para calentar el agua de alimentación.

� Recalentador de vapor: Equipo empleado para producir vapor recalentado a

partir del vapor saturado previamente separado de la cámara de agua / vapor.

4. Componentes


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Los calderos en general deben presentar necesariamente los siguientes

Figura 4.9

componentes para que puedan operar como tales:

1. Casco de plancha rolada (pirotubular) o uno o mas tambores cilíndricos o

domos (acuotubular)

2. Conjunto cámara de combustión.

3. Sistema de combustión: Liquido, gaseoso o sólido mixto.

4. Ventiladores o sopladores para el aire de combustión, tuberías y ductos.

5. Sistema de agua de alimentación: tanque de agua condensada o tratada; una o

dos bombas de alimentación; sistema de regulación de agua.

Además de ello, de acuerdo al grado de complejidad del caldero, éste puede

contar con los siguientes elementos para mejorar su eficiencia de generación:

Separadores de vapor


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Disminuyen o minimiza el arrastre es decir el paso de agua o impurezas con la salida

de vapor.

Sistema de baffles y tubo secador.

- Los baffles propician el cambio brusco de dirección del flujo de vapor para la

separación del agua.

- No es muy efectivo para pequeñas calderas, tampoco para unidades de gran

capacidad de generación de vapor.

- No recomendable cuando se desea alta pureza a la salida del vapor.

Separador de ciclones.

- Es la fuerza centrifuga la que separa el agua y las impurezas del vapor en

una etapa primaria donde un arreglo de placas corrugadas es colocado encima de

cada ciclón.

- Antes de la salida del vapor, un sistema de placas separadoras vuelve a

retirar el agua, haciendo el vapor más puro.

- La combinación del separador de ciclones y scrubbers (placas separadoras)

provee el recurso de obtener vapor puro con menos de 1 ppm. de sólidos dentro de

un vasto rango de operación. Pureza generalmente adecuada en la practica

comercial.

- Un vapor calentado sobre la temperatura de Sobrecalentadores


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saturación se denomina "sobrecalentado" y contiene más energía que el vapor

saturado a la misma presión. Esto se logra con el uso de sobrecalentadores.

- La transferencia de calor en un sobrecalentador es por convección, radiación

o la combinación de ambas.

- El sobrecalentador por convección se ubica donde los gases de combustión

fluyen en cambio una sobrecalentador por radiación es localizado cerca del horno

donde recibe la mayor parte del calor por radiación.

- Un sobrecalentador convencional utiliza dos headers (colectores, cámaras

de circulación o cabezas de agua) a los cuales se sueldan o rolan tubos sin costura.

- La dificultad en mantener una temperatura uniforme a la salida del vapor

hace que comúnmente se instale una combinación de ambos, donde un bypass

regula el paso de los gases por la sección de convección para regular la temperatura

de salida.

- Los tubos sobrecalentadores varían entre 1" y 3" de diámetro y trabajan

hasta una temperatura de 1050 ºF o 565 ºC.

- El vapor sobrecalentado ofrece muchas ventajas:

a) Puede ser transmitido a grandes distancias con poca perdida de

calor.

b) La condensación es reducida o eliminada.

c) El vapor sobrecalentado contiene gran energía por lo que menos

vapor es requerido.

d) La erosión en las paletas de la turbina es reducida por ausencia de

humedad.


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Figura: 4.10

Equipo de recuperación de calor

- En el balance de un caldero, la pérdida más grande resulta del calor perdido

en la salida de los gases de combustión. Si queremos obtener mas eficiencia,

debemos reducir estas perdidas de calor al mínimo.

Sobrecalentador combinado


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- Esto se puede lograr instalando economizadores y precalentadores, donde

la inversión de la instalación debe estar en relación a los beneficios y costos de

mantenimiento.

- Es un intercambiador de calor localizado en el paso de los gases entre

el caldero y la chimenea.

- Diseñada para recuperar algo del calor de los productos de combustión

consiste en una serie de tubos a través de los cuales fluye el agua en su camino al

caldero.

- Puede ser de flujo paralelo, contraflujo o combinación de ambos, siendo el

sistema a contraflujo es más eficiente.

- El rango de los tubos es de 1" a 2" de diámetro.

- La relación entre el área de transferencia del caldero y el economizador es

de 2:1.

- El tamaño del economizador a ser instalado depende de muchos factores

tales como: costo, espacio disponible, tipo de combustible y si va o no a ser

instalado un precalentador de aire.

- Cuando ambos: precalentador y economizador son instalados, debe

preveerse que los gases no se enfríen por debajo de su punto de rocío.

El economizador


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Figura 4.11

El calor en los gases que dejan el

caldero o el economizador es recuperado por el aire ingresante, reduciendo la

temperatura de los gases y aumentando la eficiencia del proceso

Consiste en placas o tubos conteniendo gases calientes de un lado y aire del otro.

- Existen 2 tipos de precalentadores el tubular y el regenerativo.

- El tubular consiste en una serie de tubos por los cuales pasan los gases de

combustión y alrededor de los cuales circula aire.

- El precalentador de aire regenerativo transfiere calor de los gases de

combustión al aire a través de una superficie en un rotor que gira continuamente a

través del gas y el aire a baja velocidad (1 a 3 rpm.).

. El precalentador de aire


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Figura 4.12

- El aire precalentado puede lograrse hasta 350 ºF o 175 ºC.

- El punto de rocío a evitarse de los gases de combustión es

aproximadamente 120 ºF o 49 ºC


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- El uso de precalentador de aire aumenta la eficiencia en 2 a 10%.

- Facilita la combustión de combustibles de baja calidad.

- Acelera la combustión, por la rápida ignición del combustible.

- El aire precalentado permite disminuir el exceso de aire.

- En plantas modernas las típicas eficiencias se obtienen como siguen:

Eficiencia del caldero: 74%.

Eficiencia del caldero y economizador: 88%.

Eficiencia del caldero economizador y precalentador: 88%.

- Debido a que las paredes refractarias no respondían a las severas

condiciones de servicio, se introdujeron las “paredes de agua” aun para pequeñas

unidades, esto redujo el excesivo mantenimiento e incluso aumentaron la capacidad

de generación para un tamaño de horno dado.

- Las paredes de agua incrementan el área de calentamiento y con la

eliminación del mantenimiento del refractario se aumentó la disponibilidad del

caldero.

- La cantidad de agua de enfriamiento esta determinada en parte por las

condiciones de combustión ya que un excesivo enfriamiento reduce la estabilidad de

la ignición y disminuye la eficiencia de la combustión. Es por esta razón que algunos

hornos son parcialmente enfriados por agua o algunas paredes de agua

parcialmente aisladas.

Diseño del horno


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- Varios tipos de arreglos de las paredes de agua son utilizados. La elección

esta determinada por la capacidad individual, la conductividad del calor y

Figura 4.12

Figura 4.13


78

por las variadas condiciones a que ellas están expuestas en diferentes partes del

horno.

Los bloques pueden estar alisados o rugosos, de metal puro o tarrajeado con

refractario. Dependiendo de los coeficientes de transferencia de calor conocidos, los

bloque son aplicados a limitar la salida de calor en los tubos en razón de prevenir

sobrecalentamientos y otros problemas.

- El mantenimiento del correcto nivel del agua en el caldero es

responsabilidad del operador. Los tubos de vidrio pueden ser instalados para indicar

el nivel de agua en el caldero.

- Debe ser colocado en un lugar de fácil acceso y observación para su

inspección y reparación.

- El mantenimiento del agua al nivel requerido evita el sobrecalentamiento en

las áreas del caldero.

- La llave de prueba (try cock) es utilizada para chequear el nivel del agua

cuando el tubo de vidrio esta roto o fuera de servicio; por eso aparte del tubo de

vidrio un caldero debe tener de tres a mas try cocks localizados a lo largo de la zona

Visible del agua en el tubo de vidrio.

4.2. Accesorios del caldero

1 Columnas de agua

2 Fusible Plug


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- Los fusible plug son utilizados para dar protección contra el bajo nivel de agua y

el consecuente peligro en el caldero.

- Esta hecho de latón o bronce con un agujero cónico dentro de el y llenado con

estaño (u otro metal de bajo punto de fusión) aprox 450 ºF.

Figura 4.14

Figura 4.15

- Esta localizado mas bajo que el punto mínimo permisible del nivel de agua.


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- Un lado del fusible esta expuesto a los gases calientes y solo el enfriamiento del

agua del otro lado permite que el plug se mantenga sin fundirse. La presión liberada

podría hacer sonar una alarma que prevenga al operador del bajo nivel de agua.

- El plug puede ser solamente reemplazable cuando el caldero esta fuera de

servicio, enfriado y desaguado.

Las válvulas son utilizadas para el control del flujo de agua al caldero

y flujo del vapor del caldero a la línea principal de vapor (header). El cuerpo de la

válvula puede ser roscado, embridado e inclusive soldado (calderos de alta presión).

Los principales tipos de válvula utilizados son:

Válvula de seguridad

- Permite mantener al caldero a una máxima presión de operación para evitar

peligro de explosión.

- Ningún tipo de válvula debe estar colocado entre la válvula de seguridad y el

caldero ni tampoco entre la válvula de seguridad y la atmósfera.

- Algunas normas para el diseño, instalación y seguridad se describen a

continuación:

Cada caldero debe tener al menos una válvula de seguridad. Si la superficie de

calentamiento sobrepasa los 500 pies2, se deben instalar dos o mas válvulas de

seguridad.

La válvula de seguridad debe tener la suficiente capacidad para desalojar todo el

vapor necesario para que el caldero no sobrepase la presión máxima permitida de

trabajo.

3 Válvulas


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Las normas ASME indican el numero de válvulas a usar así como su medida y

ajuste.

Cuando dos válvulas de seguridad de diferentes medidas son instaladas, la

capacidad de descarga de la mas pequeña no debe ser menor que el 50% de la mas

grande.

- La diferencia entre la presión de apertura y cierre es conocido como “blowback” o

“blowdown” y varia de 2 psi a 8 psi pero no mayor del 4% de la presión de

activamiento.

- La tolerancia mas comúnmente utilizada no debe sobrepasar lo sgte.:

-2 psi para presiones de 70 psi.

-3% para presiones de 71 a 300 psi.

-10 psi para presiones de 301 a 1000 psi

-1% para presiones sobre 1000 psi.

Figura 4.16


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Válvula de globo

- Utilizada cuando el flujo es interrumpido o restringido.

- Se utiliza en la tubería de alimentación de agua donde la entrada debe ser

por debajo del disco.

- No interrumpen rápidamente el flujo.

- Partes y piezas fácilmente reemplazables.

a) Incrementa la resistencia del flujo.

b) Se requiere mas fuerza para cerrar la válvula debido a la mayor presión

debajo del disco.

c) existe la posibilidad que elementos extraños (externos) puedan obstruir la

válvula.

Válvula de Compuerta

- Como su nombre lo indica consiste en una compuerta que sube y baja

interrumpiendo el paso del flujo.

- La compuerta forma ángulo recto con el flujo y se desplaza sobre una guía

que le permite mantener una correcta posición vertical.

- La compuerta tiene forma de cuña que le permite ajustarse a las guías

cuando está completamente cerrada.

- Se le utiliza principalmente donde la válvula va a ser operada totalmente

abierta o cerrada.

- Totalmente abierta la válvula ofrece muy poca resistencia al flujo y

consecuentemente la caída de presión a través de la válvula es minimizada.

Desventajas:


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- La presión actúa a un lado de la compuerta y requiere considerable fuerza

de operación, al menos para las válvulas más grandes.

- Es de difícil reparación una vez que los asientos han sido dañados.

Válvula Check

- Es una modificación de la válvula de globo pero sin retorno.

- Diseñado usualmente para cierre por gravedad, el flujo es dirigido por debajo

de la válvula levantándola de su asiento, si el flujo regresa, la gravedad mas la

presión sobre la válvula la cierran.

- Se utiliza cuando se quiere que el flujo tenga solamente una dirección. Uno

de sus principales usos de esta válvula es en la línea de alimentación de agua al

caldero.

Las válvulas utilizadas para la salida de los gases deben ser válvulas de

parada y si la tubería s mas de 2” de diametro., la válvula debe ser del tipo yugo con

tornillo externo.

Además cuando dos o mas calderas están conectadas a un header común,

debe haber una válvula check en el caldero y una válvula de yugo en el header.


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Figura 4.17

Normalmente equipado con dos válvulas; una de check y otra de parada, la ultima

localizada lo mas cerca del caldero.

La alimentación debe hacerse en la parte mas fría | tubería interna debe

descargar directamente en alguna parte de la superficie de calentamiento.

Figura 4.18

Tubería de alimentación de agua


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Tubería de drenaje y descarga

El agua de alimentación del caldero contiene impurezas que pueden

disolverse o suspenderse; estos quedan dentro del caldero cuando el vapor deja el

caldero.

La tubería de drenaje debe estar localizada en la parte mas baja del caldero

para que toda el agua pueda ser desalojada.

También puede instalarse de manera que la entrada a la tubería de descarga

pueda mantenerse a la altura del nivel de agua mediante un sistema de flotador,

para poder desalojar las impurezas de la superficie (aceite y otros) con un diámetro

máximo debe ser de 2 1/2”.

El agua en la descarga puede ser controlada por una válvula de control de

flujo tipo orificio equipado con un indicador. Cuando la descarga se hace lenta y en

un largo periodo de tiempo, se reduce la concentración de impurezas.

La descarga continua requiere de un tanque donde la alta presión de agua puede

producir vapor a baja presión que puede aprovecharse en procesos de

calentamiento del agua de alimentación. Además si es requerido, una pequeña

porción de agua puede ser utilizada en la línea de alimentación de agua para elevar

su PH y eliminar la corrosión del economizador.


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Figura 4.20

- Permite mantener el agua de alimentación constante.

- Un regulador automático provee seguridad y economía a la operación y

minimiza el peligro de bajo o alto nivel de agua.

- Los reguladores mas sofisticados controlan la entrada del flujo de agua con

sensores de presión y temperatura de acuerdo al ajuste necesario en función de los

parámetros del caldero.

Regulador del agua de alimentación.-

Regulador del agua de alimentación por simple control de nivel.

a. Reguladores tipo flotador.


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- Todos los calderos deben tener al menos un medidor de presión el cual debe

tener una graduación de al menos 1 ½ veces la máxima presión permitida de

operación.

Debe estar conectado en el espacio donde se aloja el vapor, sobre el nivel del agua

de tal manera que pueda ser observado con facilidad por el operador.

Figura 4.21

Control de la presión del vapor.-

Unidad IV

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