REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA. MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACION SUPERIOR. INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA DR. FEDERICO RIVERO PALACIOS DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD PNF INGENIERA ELCTRICA.

CORRECCIN DEL FACTOR DE POTENCIA PARA LA CARGA REACTIVA INDUCIDA POR UN SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO

Facilitador: Jos Muoz.

Ricardo Morillo 18.867.356 Richard Blanco 16.887.809 Gustavo Moreno 17.589.036

Caracas, Septiembre de 2011 INTRODUCCIN

Todos los equipos elctricos que son capaces de generar calor, movimiento, sonido, luz, etc. demandan al sistema una cantidad de energa que conocemos como la potencia aparente, la cual corresponde a la suma algebraica de la potencia activa y la reactiva que no son registradas de forma independiente por el medidor de luz, sin saber eso asumimos que la potencia que nos cobra CORPOELEC es la potencia activa, siendo esta la que en teora demanda cada aparato segn los datos del fabricante mostrados en la palca caracterstica, pero no es as; en el presente informe se muestra como calcular la potencia reactiva y tambin como podemos reducir dicha potencia introduciendo otras cargas reactivas que al sumarse algebraicamente con las existentes en la red disminuyan la total, a esto se le conoce como correccin del factor de potencia. Como sabemos el hecho de tener que transportar una energa mayor a la que realmente se consume, implica que los medios de conduccin y distribucin de dicha energa sean ms robustos, por ende el costo es mayor. Adems que los efectos directos provenientes de tener un factor de potencia bajo, afectan a toda la comunidad, ya que esto provoca altos y bajos en la tensin de la red, suspensin en algunas ocasiones del suministro elctrico y daos en los electrodomsticos. Es por ello que las compaas de distribucin multan y sancionan algunas empresas, con el fin de recuperar econmicamente lo perdido y obligar a cada usuario a corregir su factor de potencia.

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NDICE

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Pg.

Aire Acondicionado.. Sistemas de refrigeracin 4 Clasificacin de los equipamientos.... 5 Funciones que deben cumplir los equipos de climatizacin 6 Anlisis de los fenmenos electromagnticos existentes en

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un sistema de aire acondicionado... 6 Factor de potencia. . 7 Efecto de una carga capacitiva.. 8 Efecto de una carga inductiva . Qu tipo de cargas reactivas son los aires acondicionados de refrigeracin?....................................................................................................... 10 Cmo disminuir el factor de potencia en un circuito inductivo?............... 11 Mejora del factor de potencia.. .. 11 Cmo calcular el factor de potencia utilizando equipos de medicin?..... 13 Importancia del factor de potencia. 13 Consecuencias del bajo factor de potencia..14 Que es un BTU?....................................................................................................15 Como podemos calcular la cantidad de BTU necesarias para refrigerar un rea determinada?.........................................................................17 Calculo del bando de condensadores...18 CONCLUSIN213

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BIBLIOGRAFA.23 Aire acondicionado El nombre de aire acondicionado, en realidad viene de lo que se denomina el acondicionamiento de aire. Este es el proceso que se considera ms completo de tratamiento del aire ambiente de los locales habitados; consiste en regular las condiciones en cuanto a la temperatura (calefaccin o refrigeracin), humedad, limpieza (renovacin, filtrado) y el movimiento del aire adentro de los locales. Existen los sistemas de acondicionamientos autnomos y centralizados. Los autnomos producen el calor o el fro y tratan el aire. Los centralizados tienen unos acondicionadores que solamente tratan el aire y obtienen la energa trmica (calor o fro) de un sistema centralizado. Al referir el termino aire acondicionado no siempre se quiere referir exclusivamente a la refrigeracin, no es correcto, puesto que tambin debe referirse a la calefaccin, siempre que se traten (acondicionen) todos o algunos de los parmetros del aire de la atmsfera.iii

Sistemas de refrigeracin Los mtodos para la refrigeracin que se utilizan generalmente son de compresin mecnica que consiste en la realizacin de un proceso cclico de transferencia de calor interior de un edificio al exterior, mediante la evaporacin de sustancias denominadas refrigerantes como el fren, esta sustancia se encuentra en estado lquido a baja presin y temperatura, evaporndose en un serpentn denominado evaporador mediante la extraccin de aire del interior del local ms caliente. Luego, en estado de vapor se succiona y comprime mediante un compresor aumentando su presin y consecuentemente su temperatura, condensndose en un serpentn denominado condensador mediante la cesin de calor al aire exterior ms fro. De esa manera, el refrigerante en estado lquido a alta presin y temperatura vuelve al evaporador mediante una vlvula de expansin en equipos4

individuales, que origina una brusca reduccin de presin, provocando una cierta vaporizacin del lquido que reduce su temperatura, retornando a las condiciones iniciales del ciclo. El compresor del tipo alternativo o a pistn que se utiliza en la mayora de los casos. Tambin se utilizan compresores rotativos para sistemas pequeos o tipo espiral llamado scroll. En grandes instalaciones se suelen emplear compresores axohelicoidales llamados a tornillo o del tipo centrfugo.

Clasificacin de los equipamientos Los equipamientos de refrigeracin se utilizan para enfriar y deshumidificar el aire que se requiere tratar o para enfriar el agua que se enva a unidades de tratamiento de aire que circula por la instalacin, por ello, se pueden clasificar en dos grandes grupos:

Expansin Directa. Expansin Indirecta (agua fra).

Expansin Directa Se caracterizan por que dentro del serpentn de los equipos, se expande el refrigerante enfriando el aire que circula en contacto directo con l.

Expansin Indirecta Utilizan una unidad enfriadora de agua, la cual es distribuida a equipos de tratamiento de aire donde el serpentn trabaja con agua fra, denominados fan-coil; (ventilador-serpentn), que puede ser del tipo central constituido por un gabinete que

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distribuye el aire ambiente por medio de conductos o individuales verticales que se ubican sobre pared o bajo ventana u horizontales para colgar bajo el cielorraso. Funciones que deben cumplir los equipos de climatizacin Las funciones que deben cumplir los equipos de aires acondicionados consisten en:

En verano: enfriamiento y deshumectacin. En invierno: calentamiento y humectacin. Comunes en invierno y verano: ventilacin, filtrado y circulacin.

Estos procesos deben realizarse:

Automticamente. Sin ruidos molestos. Con el menor consumo energtico.

Anlisis de los fenmenos electromagnticos existentes en un sistema de aire acondicionado

El aire acondicionado en s, no presenta un efecto electromagntico en su principio de funcionamiento, solo consiste en principios termodinmicos como transferencia de temperaturas, a partir de intercambiadores de calor, tales como los serpentines, entre otros, Sin embargo, hay un motor inmerso dentro del proceso de operacin que obviamente funciona a partir de un fenmeno electromagntico conocido como la ley de induccin de Faraday. Como sabemos el motor trifsico se le inyecta un conjunto de corrientes trifsicas, induciendo un campo magntico rotatorio que hace girar el motor hacia un sentido especfico, este a su vez acoplado mecnicamente al compresor ayuda a su funcionalidad para la distribucin de presin requerida.

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Sin embargo el fenmeno electromagntico descubierto por Faraday, ha inspirado a muchos, innovando ms y ms ciertos equipos; tal es el caso de la refrigeracin por campo elctrico. Como todos saben, los refrigeradores y otros dispositivos de enfriamiento algn da podrn perder sus compresores y serpentines para pasar a usar componentes de estado slido, segn unos investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania, quienes investigan los cambios de temperatura elctricamente inducidos en algunos polmeros ferroelctricos. Otros investigadores han trabajado con la refrigeracin por campo magntico, este mtodo fue propuesto por varios cientficos. Uno de ellos Qiming Zhang que propuso el cambio desde la forma desorganizada hasta la organizada que se produce en algunos polmeros cuando son expuestos a un campo magntico. El estado natural de estos materiales es desorganizado, con las molculas posicionadas al azar. Al aplicarle electricidad las molculas se vuelven altamente organizadas y el material expulsa calor y se pone ms fro. Cuando se apaga la electricidad, el material retorna a su estado desordenado y absorbe el calor. Los cientficos han obtenido cambios de la temperaturas del material aprox. 13 Celsius, logrando un gran avance para descartar los equipos de aire acondicionados que utilizan un refrigerante bastante toxico producindole daos perjudiciales a la capa de ozono.

Factor de potencia Se define el factor de potencia en un circuito elctrico, como la relacin entre la potencia activa y la potencia aparente, y aplica solo cuando la corriente y la tensin del circuito son completamente senoidales.

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Si la corriente y la tensin son completamente senoidales el factor de potencia F.D.P est definido como el coseno del ngulo que forma los vectores S (potencia aparente) y P (potencia activa), tal como se muestra en la siguiente figura:

Figura 1. Triangulo de potencias

Anlisis de la figura 1. Como observamos el vector S es el resultado de la suma de los vectores P y Q, donde P es la potencia activa del circuito y Q es la potencia reactiva, el vector Q puede ser positivo o negativo, esto depende del tipo de carga reactiva que est conectada en nuestro circuito. Los tipos de cargas reactivas son definidos como aquellos elementos capaces de almacenar energa, en nuestro caso estudiaremos las cargas capacitivas e inductivas.

Efecto de una carga capacitiva. Las cargas capacitivas almacenan tensin en forma de energa permitiendo que la corriente adelante la tensin luego de un tiempo t, dicho desfasaje depende directamente de la capacidad de almacenaje que tenga el elemento, es decir entre mayor sea su capacitancia mayor ser el desfasaje entre la corriente y la tensin del circuito, en ese caso la corriente adelantara la tensin un ngulo de 90 para un circuito totalmente capacitivo.

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Figura 2. Desfasaje entre corriente y tension para una carga capacitiva Anlisis de la figura 2. Como observamos cuando la corriente alcanza un cierto valor en la sinusoide, superior a 0 ampere, entonces en ese momento el voltaje comienza a aumentar su valor partiendo de 0 volt.

Efecto de una carga inductiva Las cargas inductivas almacenan corriente en forma de energa permitiendo que la corriente se atrase respecto a la tensin luego de un tiempo t, dicho desfasaje depende directamente de la capacidad de almacenaje que tenga el elemento, es decir entre mayor sea su inductancia mayor ser el desfasaje entre la corriente y la tensin del circuito, en ese caso la corriente se retrasara respecto la tensin un ngulo de 90 para un circuito totalmente inductivo.

Figura 3. Desfasaje entre corriente y tension para una carga inductiva Anlisis de la figura 3.

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En este caso la. sinusoide "I" de la intensidad de la corriente, se atrasa con. respecto a la sinusoide "V" de la tensin o voltaje. Tal como se puede observar en las coordenadas de la figura, cuando la sinusoide del voltaje alcanza su valor mximo de 90, en ese mismo momento y con 90 de retraso con respecto a ste, comienza a crecer el valor de la sinusoide de la intensidad, partiendo de 0.

Qu tipo de cargas reactivas son los aires acondicionados de refrigeracin? Un aire acondicionado conectado en un circuito elctrico se comporta como una carga inductiva, por lo genera una desfasaje entre la corriente y tensin considerable, aumentando as la potencia reactiva, provocando que el ngulo entre la potencia aparente y la potencia activa aumente entre valores de 0 y 90; como sabemos lo ideal es tener un factor de potencia igual a 1, es decir un cos =1, para ello el ngulo entre la potencia aparente S y la activa P debe ser igual a = 0, para ello la potencia inductiva debe ser cero como en el caso de los circuitos puramente resistivos, ver figura 4.

Figura 4. Potencia reactiva en un circuito R, L o C

Anlisis de la figura 4.10

Como observamos al potencia reactiva Q puede ser positiva o negativa dependiendo del tipo de carga que se conecte al circuito, si en un circuito se conecta un elemento capacitivo y uno inductivo la potencia reactiva resultante ser la suma aritmtica de ambas potencia, teniendo como resultado una potencia nica que representa a ambos.

Cmo disminuir el factor de potencia en un circuito inductivo? Normalmente se utiliza los conocidos bancos de condensadores, los cuales consisten en introducir al sistema elctrico un conjunto de condensadores que introduzcan al circuito una carga reactiva que reste el efecto de las cargas inductivas, para tratar de llevar el factor de potencia a 1.

Mejora del factor de potencia A menudo es posible ajustar el factor de potencia de un sistema a un valor muy prximo a 1, esta prctica se realiza mediante la conexin a travs de conmutadores, en general automticos, de bancos de condensadores o de inductancias, segn sea el caso el tipo de cargas que tenga la instalacin. Por ejemplo, el efecto inductivo de las cargas de motores puede ser corregido localmente mediante la conexin de condensadores. En determinadas ocasiones pueden instalarse motores sncronos con los que se puede inyectar potencia capacitiva o reactiva con tan solo variar la corriente de excitacin del motor. Las prdidas de energa en las lneas de transporte de energa elctrica aumentan con el incremento de la intensidad. Como se ha comprobado, cuanto ms bajo sea el f.d.p. de una carga, se requiere ms corriente para conseguir la misma cantidad de energa til. Por tanto, las compaas suministradoras de electricidad, para conseguir una mayor eficiencia de su red, requieren que los usuarios, especialmente aquellos que utilizan grandes potencias, mantengan los factores de potencia de sus respectivas cargas dentro de lmites especificados, estando sujetos, de lo contrario, a pagos adicionales por energa reactiva.11

La mejora del factor de potencia debe ser realizada de una forma cuidadosa con objeto de mantenerlo lo ms alto posible. Es por ello que en los casos de grandes variaciones en la composicin de la carga es preferible que la correccin se realice por medios automticos. Supongamos una instalacin de tipo inductivo cuyas potencias P, Q y S forma el tringulo de la figura 1. Si se desea mejora el cos a otro mejor, sin variar la potencia activa P, se debern conectar un banco de condensadores en paralelo a la entrada de la instalacin para generar una potencia reactiva Qc de signo contrario al de Q, para as obtener una potencia reactiva final Qf. Analticamente:

Por un lado

Haciendo la analoga

Por otro lado

Donde es la pulsacin y C la capacidad de la batera de condensadores que permitir la mejora del f.d.p. al valor deseado. Sustituyendo en la primera igualdad,

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de donde

Cmo calcular el factor de potencia utilizando equipos de medicin? Algunas instalaciones cuentan a la entrada con dos contadores, uno de energa reactiva (KVArh) y otro de energa activa (KWh). Con la lectura de ambos contadores podemos obtener el factor de potencia medio de la instalacin, aplicando la siguiente frmula:

Importancia del factor de potencia Para comprender la ineficacia del factor de potencia se van a considerar dos receptores con la misma potencia, 1000W, conectados a la misma tensin de 230V, pero el primero con un f.d.p. alto

y el segundo con uno bajo

.

Primer receptor

Segundo receptor

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Cotejando ambos resultados, se obtienen las siguientes conclusiones:

Un f.d.p. bajo comparado con otro alto, origina, para una misma potencia, una mayor demanda de corriente, lo que implica la necesidad de utilizar cables de mayor seccin.

La potencia aparente es tanto mayor cuanto ms bajo sea el f.d.p., lo que origina una mayor dimensin de los generadores.

Ambas conclusiones nos llevan a un mayor coste de la instalacin alimentadora. Esto no resulta prctico para las compaas elctricas, puesto que el gasto es mayor para un f.d.p. bajo. Es por ello que las compaas suministradoras penalizan la existencia de un f.d.p. bajo, obligando a su mejora o imponiendo costes adicionales.

Consecuencias del bajo factor de potencia. Las instalaciones elctricas que operan con un factor de potencia menor a 1.0, afectan a la red elctrica tanto en alta tensin como en baja tensin, adems, tiene las siguientes consecuencias en la medida que el factor de potencia disminuye: 1.- Incremento de las prdidas por efecto joule La potencia que se pierde por calentamiento est dada por la expresin I2R donde I es la corriente total y R es la resistencia elctrica de los equipos (bobinados de generadores y transformadores, conductores de los circuitos de distribucin, etc.). Las prdidas por efecto Joule se manifestarn en: Calentamiento de cables Calentamiento de embobinados de los transformadores de distribucin, y Disparo sin causa aparente de los dispositivos de proteccin14

Uno de los mayores problemas que causa el sobrecalentamiento es el deterioro irreversible del aislamiento de los conductores que, adems de reducir la vida til de los equipos, puede provocar cortos circuitos. 2.- Sobrecarga de los generadores, transformadores y lneas de distribucin. El exceso de corriente debido a un bajo factor de potencia, ocasiona que los generadores, transformadores y lneas de distribucin, trabajen con cierta sobrecarga y reduzcan su vida til, debido a que estos equipos, se disean para un cierto valor de corriente y para no daarlos, se deben operar sin que ste se rebase. 3.- Aumento de la cada de tensin La circulacin de corriente a travs de los conductores ocasiona una prdida de potencia transportada por el cable, y una cada de tensin o diferencia entre las tensiones de origen y la que lo canaliza, resultando en un insuficiente suministro de potencia a las cargas (motores, lmparas, etc.); estas cargas sufren una reduccin en su potencia de salida. Esta cada de voltaje afecta a: Los embobinados de los transformadores de distribucin Los cables de alimentacin, y a los Sistemas de proteccin y control 4.- Incremento en la facturacin elctrica Debido a que un bajo factor de potencia implica prdidas de energa en la red elctrica, el productor y distribuidor de energa elctrica se ve en la necesidad de penalizar al usuario haciendo que pague ms por su electricidad.

Que es un BTU?15

El BTU de un aire acondicionado se relaciona ntimamente con la cantidad de frigoras de una consola (unidad de energa inglesa), la definicin correcta para este trmino sera la cantidad de energa que se necesita para aumentar la temperatura de una libra de agua a un grado Fahrenheit. Cuando compramos un equipo de aire acondicionado en lo que tenemos que fijarnos siempre es en su BUT, su capacidad de refrigeracin. Una BTU equivale aproximadamente a:

252 caloras 1 055,056 julios 12.000 BTU/h = 1 Tonelada de refrigeracin = 3.000 frigoras/h.

Los Aire acondicionados se escogen esencialmente por 3 factores claves: 1.- los metros cuadrados (tabla #1) 2.- nmero de personas que circundan el rea frecuentemente (tabla #2) 3.- Equipos electrnicos (tabla #3)

Cada factor presenta una tabla que se mostrara a continuacin:

rea (largo por ancho) Metros Cuadrados 14 19 28 32 42 51 65 74

Enfriamiento BTU/H 5200 6000 7500 8000 10000 12000 14000 15000

Tabla #1

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Personas 1 2 3 4 5 10

Enfriamiento BTU/H 600 1200 1800 2400 3000 6000

Tabla #2Equipo Electrnico Watts 1000 2000 3000 4000 5000 Enfriamiento BTU/H 3414 6828 10242 13656 17070

Tabla #3

Una vez obtenida la cantidad total de BTU/H, se puede dividir entre 12000 para obtener la cantidad de Toneladas de Refrigeracin (TR).

Como podemos calcular la cantidad de BTU necesarias para refrigerar un rea determinada? 1. Se debe tomar las medidas del rea donde se va a instalar el aire acondicionado, tales como: altura, ancho y largo del lugar. 2. Aplicar la siguiente ecuacin: Q BTU= Altura * Largo * Ancho * K Donde K=200 ( para el caso de climas muy calurosos K=700 )

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Ejemplo: calcular la cantidad de BTU para una habitacin que tiene las siguientes dimensiones Ancho: 4,6 m Largo: 5 m Altura: 2.5 m Q BTU=2.5m * 5 m* 4.6 m * 200 Q BTU= 11500btu Por lo que se aproxima a 12000 BTU o 1 tonelada de refrigeracin necesaria para acondicionar el aire del lugar.

Calculo del bando de condensadores Se quiere calcular el valor del banco de condensadores para corregir a 0.95 el factor de potencia del circuito donde est conectado dicho aire acondicionado. Se tomaron los datos de placa de un aire acondicionado de 12000BTU, tipo Split que consta de lo siguiente: V= 220volt F= 60hz I= 7.7 amp P= 1.5 kw Paso 1: se calcula las potencias, aparente y reactiva, a partir de los valores de palca del aire acondicionado.

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Si despejamos cos tenemos que:

Sustituyendo los valores tenemos que:

Por lo tanto ) Por lo general se busca corregir un factor de potencia cercano a 1, para efectos de clculo y demostracin de la utilidad de las ecuaciones, se quiere calcular el valor del condensador para conseguir un factor de potencia 0.95. Entonces: ) Para calcular la potencia reactiva que debe tener el condensador, se utiliza la siguiente expresin:

) )19

Sabemos que:

Donde V= tensin de trabajo en voltios w=2f C= condensador Entonces:

C= 17.34f

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CONCLUSIN

Segn lo estudiado a lo largo del desarrollo del informe, el corregir el factor de potencia en necesario y debe ser una exigencia para todas las empresas que tengan conectadas en la red altas cargas inductivas, el no tener un factor de potencia cercano a 1 implica una mayor demanda para los distribuidores en las sub estaciones y adems un alto costo en el servicio elctrico para la industria o empresa que se beneficia del suministro elctrico, ya que la potencia a pagar ( potencia aparente) ser mayor a la potencia realmente utilizada (potencia activa). Un banco de condensadores no solo traer los beneficios antes mencionados, sino adems amplia la vida til de los equipos y los conductores por medio del cual estn interconectados, ya que disminuye la potencia reactiva y por ende el consumo de corriente. El clculo de los condensadores no resulta complicado, el montaje y la

programacin del sistema automtico que permite que dichos condensadores entren a la red en el momento adecuado, tienen un alto costo en el mercado, que sin embargo comparado con los daos que causa un factor de potencia bajo o las multas que puede imponer CORPOELEC es despreciable.

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Con la utilizacin de equipos de medicin de potencia activa, reactiva y aparente podemos calcular el factor de potencia de la red, sin necesidad de hacer el clculo partiendo de los valores de placa de cada equipo. Se puede decir que el aire acondicionado se ha vuelto un electrodomstico til en la vida de cualquier ciudadano, ms aun cuando se experimentan cambios climticos tan repentinos. Mayormente es utilizado para refrescar o calentar. El punto esencialmente se basa en el alto consumo que este equipo puede llegar hacer, ya sean por las cargas reactivas, o por no poseer los btu adecuados para los metros cuadrados de su hogar u oficina, o por falta de mantenimiento. Mas sin embargo se estudio que agregando cargas capacitivas como un banco de condensadores, pueden contrarrestarse el efecto reactivo de los aire acondicionados alargando su vida til y consumiendo lo necesario. Para los btu se pudo observar, que antes de adquirir un equipo, se deben calcular los metros cuadrados de la vivienda, tomando en cuenta la cantidad de personas que habitan all y los equipos que puedan generar altas temperaturas, debido a la potencia generada en forma de calor por los disipadores de calor que poseen. Finalmente se puede concluir que hay mil maneras de reducir el consumo elctrico de estos equipo, pero su adecuada utilizacin siempre depende del usuario.

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BIBLIOGRAFA

Calculo de BTU, ariatec tecnologa en aires condicionados, 2009 Link: http://ariatec.com.uy/news0812/01.html

Refrigeracion por Campo Elctrico, Peatom articula elemental, 2007 Link: http://www.peatom.info/universidad/111440/refrigeracion-mediante-campoelectrico/

Aire acondicionado, wikipedia la enciclopedia libre. Link: http://es.wikipedia.org/wiki/Acondicionamiento_de_aire

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Calculo de condensadores, tochtli.2008 Link: http://www.tochtli.fisica.uson.mx/castillo/HTM/CAPACITO.HTM

Factor de potencia, asifunciona.2004-2011 Link: http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_factor_potencia/ke_factor_potencia_3 .htm

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