CIDEAD. 2º BACHILLERATO. TECNOLOGÍA...

CIDEAD. 2º BACHILLERATO. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL IITema 11.- El circuito frigorífico y la bomba de calor.

Desarrollo del tema

1. Introducción al tema.

2. Los fluidos frigoríficos: sus características.

3. Máquina frigorífica de Carnot.

4. Máquinas frigoríficas de compresión mecánica.

5. La bomba de calor.

6. Las instalaciones frigoríficas de absorción.

7. La licuación de los gases.

8. Las aplicaciones.

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NH3)V


1. Introducción al tema.

Los circuitos frigoríficos tienen como misión transportar calor de una forma cíclica desde un cuerpo que se enfría (T2 ), hasta un cuerpo que se calienta (T1) . Para que se realice este procedimiento, es necesario aportar energía, pues no es espontaneo, es lo que ocurre con las máquinas frigoríficas de compresión mecánica o bien transportando calor (utilizándose como energía) desde una temperatura T3 > T1; son las instalaciones frigoríficas de absorción..

En ambos casos, el calor se cede gracias al proceso de vaporización de un líquido Q>0, por utilización de fluidos con bajo punto de ebullición (fluidos frigoríficos) , que se vaporiza al circular dicho fluido por el evaporizador . Estos vapores se condensan por compresión o absorción pudiéndose ser reutilizados de nuevo.

CompresiónAbsorción

2. Los fluidos frigoríficos: sus características.

Un fluido refrigerante o frigorígeno es aquel que intercambia calor con el ambiente, enfriándolo.

Las características que deben de tener los fluidos refrigerantes, son las siguientes:1. Tiene elevado calor latente de vaporización, por lo tanto se utilizará pequeña cantidad de refrigerante.2. La presión de vapor superior a la atmósfera, para evi6tar la entrada del aire en el circuito.3. Tener baja presión de condensación , para evitar trabajar con presiones altas en el compresor, ahorrando el coste del proceso.4. Tener elevada conductividad térmica, no es necesaria una elevada superficie de contacto.5. Tener baja viscosidad.6. Tener inercia química , que no sera reactivo.7. Estabilidad química , que no se descomponga.8. Ha de ser inmiscible o totalmente miscible en el aceite del compresor.9. Ha de ser soluble en agua.

fluidos frigoríferos se utilizan para impedir, en caso de fugas, que el refrigerante contamine el recinto que se desea enfriar., actúan como agentes de inercia frigorífica frente a posibles averías y como entrar en contacto con la sustancia a enfriar y su conductividad térmica es mayor que la del aire.

Entre los fluidos frigoríferos más empleados se encuentran:a. El agua , para temperaturas superiors a 0º C.

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W

T2

T1

Q2

Q1

M

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b. Salmuera de cloruro de sodio (Na Cl) para temperaturas de hasta -20º C .c. Salmuera de cloruro de calcio (Ca Cl2) en un 30 % para temperaturas de -50º .d. Soluciones hidroalcohólicas anticongelantes para temperaturas inferiores de -50º C.

Desde el punto de vista medioambiental, la utilización de los freones, supone una disminución de la capa de ozono (O3) en la atmósfera.

3. Máquina frigorífica de Carnot.Es el ciclo estudiado como máquina térmica, pero describiendo el ciclo a la inversa:

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Los refrigerantes se identifican con una letra R, seguida de una serie de dígitos.

a. Diagrama de Clapeyront

b. Diagrama entrópico

RefrigeraciónSR

NH3)V


El esquema de funcionamiento de la máquina frigorífica es el siguiente:

Los elementos básicos son :a. Condensador ( foco caliente, a la temperatura T1)b. Evaporador (foco frío, a la temperatura T2).c. El compresor que eleva la presión y la temperatura del fluido evaporado.d. El expansor o la turbina, donde se disminuye la presión y la temperatura.

Las cuatro etapas del ciclo son los siguientes:1. El compresor.- Se mueve por medio de un motor, aumenta de una forma adiabática la presión del fluido refrigerante desde p2 a p1 y la temperatura de T2 a T1 . En la compresión adiabática de A a B el trabajo (W) es absorbido por el fluido.2. El condensador.- Al llegar el fluido al condensador, que se refrigera por agua fría circulando a contracorriente. El fluido se licua , cediendo calor Q1 al agua de refrigeración , calentándose. La temperatura del fluido permanece constante T1 en el proceso de B a C ( compresión isotérmica).3. El expansor.- En este punto el líquido enfriado se expansiona adiabáticamente de C a D, disminuyendo de presión y de temperatura, con lo que se vaporiza parcialmente.4. El evaporador.- Al llegar el fluido al evaporador, se vaporiza en su totalidad el fluido a presión constante (p2) absorbiendo una cantidad de calor Q2 del recinto que se desea enfriar o de la disolución de salmuera que circula a contracorriente con el vapor a una temperatura mayor de T2 . Esta cuarta etapa es una expansión isotérmica D a A del fluido a T2.

Primer principio,- Q1 = W + Q2

Segundo principio .- (proceso reversible) Q1

T 1=

Q 2

T 2

W = Q2 . T 1−T 2

T 2 ;; ε =

Q 2

W=

T 2

T 1−T 2

Por lo general este rendimiento es mayor que la unidad, denominándose eficiencia frigorífica Su

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NH3)V


valor viene dada por el cociente entre el área ADRS y el área ABCD del diagrama entrópico.Una máquina refrigeradora reversible tendrá la máxima eficiencia siendo su valor el mismo

para todas aquellas que funcionen reversiblemente entre las mismas temperaturas. Un sistema irreversible tendrá una eficiencia menor.

Problema 1.- En un refrigerador doméstico, T1 es la temperatura ambiente(27ºC) y T2

suele ser algo inferior al punto de fusión del hielo (-3ºC) . Determinar su eficiencia.Resolución.-

T1 = 273 + 27 = 300 ºK ;; T2 = 273 + (-3) = 270 º K

ε = T 2

T 1−T 2=

270300−270 = 9

4. Máquinas frigoríficas de compresión mecánica.

Los ciclos de refrigeración reales difieren del ciclo ideal de Carnot en los siguientes aspectos a. La compresión se realiza en el sobrecalentamiento (C´B´) y no finaliza la vaporización en el punto A del ciclo de Carnot. El liquido en el compresor puede corroerlo.b. El líquido condensado se somete a subenfriamiento A A´antes de sufrir la expansión.

Se va a utilizar un expansor en lugar de una turbina ya que el trabajo necesario es menor. Este sistema es una válvula de estrangulamiento o de laminación, ya que en un estrechamiento se produce una disminución de presión.

El esquema es el siguiente:

Válvula de estrangulamiento

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NH3)V


ε = T 2

T 1−T 2 , eficiencia reversible

ε´=Q2

Q 1−Q2ya que la máquina es irreversible.

ε´< ε La eficiencia reversible es mayor que la irreversible

Problema 2.- Un fluido frigorífico a baja temperatura circula a través de los conductores insertados en las paredes del compartimento de un congelador . La temperatura del congelador es de -5 º C y la del aire que rodea es de 22º C . El flujo de calor desde el congelador al refrigerante es de 4400 kJ/h , con una potencia de 1600 kJ/h , Determinar la eficiencia frigorífica y compararla con una reversible.

Resolución.-

εirre.=Q2

Q 1−Q2=

Q 2

W= 4400

1600 = 2,75

T1 = 22 + 273 = 295º KT2 = 273 – 5 = 268 º K

εrev = T 2

T 1−T 2= 268

295−268 = 9,9

5. La bomba de calor.

Las máquinas frigoríficas tienen como misión extraer calor de un sistema para dejarlo a una temperatura T2 < T1 . Sin embargo se puede aprovechar este sistema para ceder ese calor obtenido Q1 a un sistema que actúe como foco caliente . Este sistema se denomina bomba de calor.

El funcionamiento de una bomba de calor es análogo al funcionamiento de una máquina frigorífica . El agua fría que circula en la conducción se enfría en el evaporador, cediendo Q2 al fluido frigorífico, evaporándose. El vapor, pasando por el compresor, llega al condensador donde al licuarse cede un calor Q1 al agua que circula por los radiadores.

Según el primer principio:Q1 = Q2 + W (W es el trabajo del compresor)

El coeficiente de funcionamiento o de ampliación calorífica de la bomba será:

ε´ = 1 =

Q 1

W=

Q1

Q 1−Q2> 1

ε´ = ε + 1 ;; siendo ε´el rendimiento de la bomba de calor y ε el rendimiento de la máquina frigorífica.

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En una vivienda puede utilizarse la bomba de calor y la máquina frigorífica, teniendo en cuenta el siguiente cuadro:

Problema 3.- Una vivienda precisa 4 105 kJ por día para mantener la temperatura de 20 º C cuando la exterior ambiental es de 10º C . Calcular el trabajo mínimo teórico por día que es necesario suministrar si se utiliza una bomba de calor.

Resolución.-

ε´ = Q 1

W=

T 1

T 1−T 2=

293293−283 = 29,3 ;;

W = 4105

29,3= 1,365 104 kJ/día

Bomba de calor reversible.-

Un sistema de bomba de calor puede ser utilizado también como refrigerador (aire acondicionado) . Para ello se dota al equipo de una válvula reversible que permita intercambiar para que realice las funciones de evaporador y de condensador. Si se interesa que actúe como bomba de calor, el sistema debe de funcionar como condensador. Si se desea que actúe como refrigerador, deberá actuar como evaporador. Es una forma sencilla de refrigerar el ambiente de un espacio dotándolo del confort necesario y manteniéndolo a una temperatura agradable tanto en invierno como en verano.

Para que el recinto se encuentre a 20º C en verano como en invierno, el serpentín de condensación y el serpentín de evaporación han de estar programados a dicha temperatura., aumentándola algo en el invierno y disminuyéndola en el verano.

Supongamos que una habitación se necesita que este a la temperatura de 20º C tanto en

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invierno como en verano. En invierno la temperatura externa será de 5º C y en el verano será de 35º. En el invierno la bomba de calor tendrá una eficiencia de :

ε´ =T 1

T 1−T 2=

293293−278 = 19,53

En el verano la eficiencia frigorífica será:

ε = T 2

T 1−T 2=

293308−293 = 19,53

Estos dos coeficientes significan que por cada kWh consumido por el compresor absorbe o desprende :

19,53 kWh . 860 (kcal/kWh) = 16800 kcal. Representa un mayor aprovechamiento energético frente al sistema de calefacción clásica por resistencia eléctrica.

6. Las instalaciones frigoríficas de absorción.

En las máquinas frigoríficas de compresión, el gradiente de presión para la circulación del fluido frigorífico, era suministrado por un compresor, accionado por un motor eléctrico. Este sistema mecánico supone la aparición de ruidos, desgaste de piezas y la pérdida de energía por calentamiento.

Para evitar esto, se utilizan las instalaciones frigorífica por absorción. Este sistema se basa en las propiedades que tienen ciertas sustancias(fluidos secundarios) para absorber los vapores de los fluidos primarios (refrigerantes) . En este proceso se desprende calor y el condensador se queda a baja presión y temperatura . Si se suministra calor a la sustancia absorbente, se desprende la absorbida en forma de vapor. Los sistemas más utilizados son el sistema amoniaco-agua y agua- bromuro de litio acuoso.

Estas instalaciones constan de un condensador, un evaporador y una válvula de laminación( expansora) . En lugar del compresor, se utiliza el absorbedor y el hervidor.

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Esquema de una instalación de acondicionamiento de aire.

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Si se considera el sistema amoniaco-agua , los vapores de amoniaco , que es fluido refrigerante, que proceden del evaporador , son recogidos en el absorbedor; éste se encuentra a la misma presión que el evaporador.

En el evaporador, entran en contacto los vapores con una disolución acuosa diluida de amoniaco m convirtiéndola en concentrada. El calor producido en este proceso, se elimina por un circuito de refrigeración por lo que la temperatura se mantiene cercana a la de ambiente y, en estas condiciones, la solubilidad resulta elevada ya que es más soluble el amoniaco en frío que en caliente.

La disolución concentrada de amoniaco se envía, mediante una bomba al hervidor que se encuentra a igual presión que el condensador y allí se calienta, desprendiendo vapores de amoniaco que pasan al condensador y desde aquí, mediante la válvula de laminación , llegan al evaporador, cerrándose el ciclo . La disolución diluida de amoniaco regresa al absorbedor, para repetir el otro ciclo, regulándose este paso por medio de la correspondiente válvula que permite la regulación de las presiones del hervidor(presión alta) y del absorbedor(presión baja).

Problema 4.- Determinar de una máquina frigorífica de Carnot que extrae calor de un foco frío que se encuentra a la temperatura de -10º C y cede calor a un foco de 30º C. ¿Cuantos kW.h de energía habrá que suministrar a la máquina para extraer del foco frío una cantidad de calor necesaria para fundir 200 Kg de hielo de calor latente de fusión LF = 80 cal/g?.¿Cuál será el coste de la energía a 0,10 €/kWh?

Resolución.-

ε = T 2

T 1−T 2=

263303−263 = 6,57 =

Q2

W

Q2 = 80 . 200 = 16000 kcal = 18,51 kWh ;; W = 18,516,57 = 2,81 kWh

P = 0,10 . 2,81 = 0,28 €

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NH3)V

NH3)L

Disolución diluida Disolución diluida

Disolución concentradaDisolución concentrada

NH3)VNH3)V


Problema 5.- Un fluido refrigerante a baja temperatura circula a través de los conductos insertados en las paredes de un congelador , absorbiendo de él un flujo de calor de 3500 kJ/h. La potencia necesaria para accionar el ciclo calorífico es de 1500kJ/h . La temperatura del congelador es de -10º C y la del aire que rodea la instalación es de 27º C . Determinar la eficiencia del frigorífico . ¿ Cuál sería la eficiencia de la máquina si funcionase reversiblemente, según el ciclo de Carnot?.

Resolución.- ε irrev = Q2

W=

35001500 = 2,33

εrever = 263

300−263 = 7,10

Problema 6.- Una bomba de calor de manera reversible entre dos focos a temperaturas de 7ºC y 27ºC y al ciclo se aportan 2 kWh. Calcular:

a. Cantidad de calor suministrado al foco caliente.b. Cantidad de calor absorbida en el foco frío.c. Rendimiento de la bomba , segíun funcione como máquina frigorífica o calorífica.

Resolución.- ε = T 2

T 1−T 2= 280

300−280 = 14 = Q2

W;; Q2 = 24.192 Kcal

Q1 = W + Q2 = 1728 + 24192 = 25920 kcal.

ε´ =T 1

T 1−T 2=

300300−280 = 15

Problema 7.- Un automóvil circula a la velocidad de 80 km/h y se desea que en el interior se mantenga a la temperatura de 20º C siendo la temperatura externa de 32 ºC . La instalación del aire acondicionado debe absorber 15000 KJ/h . Que potencia adicional deberá desarrollar el motor para mantener acondicionado el aire?. Se supone que el proceso es reversible.


T 1−T 2= 293

305−293 = 24,41 = Q2

W

W = 1500024,41 = 170 W

Problema 8.- Una máquina frigorífica absorbe 1000 J del foco frío que se encuentra a 200º K ¿ Qué cantidad de calor cede al foco caliente que está a 300ºK , sabiendo que su eficiencia es la mitad de la que corresponde al ciclo de Carnot?

Resolución.-

ε = T 2

T 1−T 2 = 200

300−200 = 2 ;;εirrev = 1 = Q2

W;;

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Q2 = W = 1000 J ;; Q1 = Q2 + W = 1000 + 1000 = 2000 J

7. La licuación de los gases.

La gran utilidad que poseen los gases licuados, ha impulsado el desarrollo de varios procedimientos para conseguirlos; entre estos caben destacar:

La expansión de Joule- Kelvin.- Es el método Linde , usado para licuar el aire. El aire seco y libre de polvo y de CO2 , se somete a una presión de 200 at. Usando un compresor de cuatro etapas , después de cada etapa, el aire se enfría , haciéndolo circular por serpentines introducidos en agua fría expansionándose al final mediante una válvula de estrangulamiento V, disminuyendo la presión y la temperatura . El aire que procede de esta válvula refluye a través de un intercambiador de calor A , enfriando el aire que llega a la válvula . La expansión tienen lugar cada vez a temperaturas más bajas , licuándose el aire , recogiéndose en los vasos Dewar a la temperatura de -191ºC . Se usa este método para licuar CO2, H2 y el He.

Expansión adiabática.- Cuando un gas se expansiona adiabáticamente, se enfría. Este procedimiento se denomina método Claude, usado para la licuación del aire.El aire, a presión y temperatura ambiente, se comprime isotérmicamente hasta 40 at. En un compresor C refrigerado con agua fría . El aire se envía , gracias al compresor, a un

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refrigerante R1 el que se enfría a presión constante hasta los 200º K gracias al aire más frío que circula a contracorriente . Una parte del aire penetra a la cámara D en donde sufre una expansión adiabática y se enfría , utilizándose el frío resultante , para refrigerar el aire que proviene del compresor . El resto del aire, no expansionado, pasa a un segundo intercambiador de calor R2deonde se enfría nuevamente hasta los 120º K , expansionándose a continuación gracias a una válvula de estrangulamiento Joule-Kelvin (V) De esta forma, un 60 % del aire se enfría y se recoge en el fondo de la última cámara de expansión E , mientras que el aire restante vuelve al segundo intercambiador de calor y se utiliza para enfriar el aire en su recorrido de ida , juntándose con el que procede de la cámara D , completándose el ciclo.

Refrigeradores termoeléctricos.- Si una DC atraviesa una soldadura de dos metales diferentes , además del desprendimiento de calor que se produce por el efecto Joule , se produce también un intercambio de calor, proporcionalmente a la carga que atraviesa la soldadura. Si el sentido de la corriente cambia, también lo hace el sentido del calor. Este fenómeno es el llamado efecto Peltier.

Si se sueldan por ambos extremos A y B dos conductores diferentes y en uno de ellos se intercala un generador , al circular la corriente, en una de las soldaduras se desprende calor (soldadura caliente)y en la otra se absorbe (soldadura fría) . Este fenómeno adquiere una gran relevancia cuando ocurre en los semiconductores n o p

Si un semiconductor de tipo n (exceso de electrones) se le dota de dos conexiones metálicas, a diferente tensión , los electrones fluyen a través del semiconductor desde la

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conexión negativa hacia la positiva , haciendo que la primera se enfríe y la segunda se caliente.

◦ Si el semiconductor es p ( poseen huecos ) el resultado es al contrario , se calienta la conexión unida al polo negativo y se enfría la del polo positivo

◦ Cuando se utilizan un semiconductor n y otro p, unidos por un conductor metálico, se obtiene una unión caliente y otra fría en la que se suman los efectos térmicos correspondientes a ambos semiconductores . Se emplea este procedimiento como medio de refrigeración.

Desmagnetización adiabática.- Cuando se hierve He a presión reducida se alcanzan temperaturas de 1º K . Si se desean temperaturas menores es necesario recurrir al efecto termomagnético , descendiendo la temperatura que se produce en la desmagnetización adiabática de ciertas sales paramagnéticas previamente enfriadas a la temperatura de He líquido.Este procedimiento ieado por Debye y Giau , tiene tres etapas:1ª.- La sal paramagnética se enfriá a temperaturas próximas a 1ºK gracias al He líquido.2ª.- La sal se somete despues a la acción de un campo magnético muy intenso, imantñandose a T constante , se desprende calor disipándose en un baño de He.3ª.- La sal adiabática se aisla , haciendo vacío a su alrededor y se suprime el campo magnético. Al desmagnetizarse , se produce una absorción de energía , procedente de la energía térmica de la sustancia, enfriándose , consiguiéndose temperaturas del orden de la

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milésima de grado kelvin.

Problema 9.- Una bomba de calor de uso doméstico, accionada eléctricamente, suministra 1,5 106 kJ diarios a una vivienda para mantener una temperatura a 20º C . Si la temperatura exterior es de -5º C y el precio de la energía eléctrica es de 0,10 €/kWh , determinar el coste mínimo diario de calefacción . Calcular el coste con la utilización de resistencias eléctrica

Resolución.- ε´ =T 1

T 1−T 2=

293293−268 = 11,72 =

Q 1

W;; W = 1,5106

11,72=

= 35,5 kWh ;;; Precio = 35,5 . 0,10 = 3,55 €/dia

Q1 = 1.5 106 = 416,6 kJ /día ;; Precio = 416,6 . 0,10 = 41,6 €/día.

Problema 10,. Calcular el rendimiento de una máquina usada para licuar el aire, cuya fuente fría está a -195ºC y el medio ambiente se encuentra a 25 º C . Expresar el resultado en frigorías por kWh.


T 1−T 2= 78

298−78 = 0,3545

860 f , corresponden a 1 kWh ;; η = 0,3545 . 860 = 304,9 f/kWh.

8. Las aplicaciones.

Las aplicaciones industriales utilizadas con el frío, son muy importantes, entre ellas caben destacar:

1. La conservación de productos alimentarios y agrícolas. Existen tres procedimientos:a. La refrigeración.- Manteniendo el producto a temperaturas próximas a 0ºC. El

producto se conserva inalterable unos días.b. La congelación.- El punto de congelación de una disolución, es menor que la del

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disolvente puro. Consiste en congelar un producto a una temperatura inferior a la de su punto de fusión (crioscópico) , para congelar todo el agua que pueda contener. Se realñiza a alta velocidad para que los cristales de hielo no alteren la estructura de los alimentos. Permite la conservación durante varios meses.

c. L liofilización o criodesecación.- Es la desecación en vacío de una sustancia congelada . El agua se elimina por sublimación, por lo que el alimento queda como un producto poroso y se cierra a vacío después de su desecación para que no se vuelva a contaminar. El alimento conserva sus propiedades biológicas durante mucho tiempo y debido a la ausencia de agua, evita cualquier proceso orgánico de descomposición. Para consumirlo, se debe de adicionar al producto, el disolvente que se ha eliminado, en este caso el agua, recuperando el producto sus características. Con la liofilización se consigue una conservación prácticamente indefinida.

2. La conservación de productos farmacéuticos y biológicos.-Se conservan a recipientes a muy baja temperatura ( en nitrógeno líquido) para impedir la acción de los microorganismos . También se recurre a la liofilización.

3. La regulación de las fermentaciones.- La acción de las bacterias causantes de las fermentaciones:

Azúcar + fermento bacteriano Et OH + C O2

Esta reacción es regulada por la temperatura, pudiéndose obtener mejores productos o reducir su tiempo.

4. Climatización de edificios e instalaciones.- En estas instalaciones se consigue aire refrigerado controlando la temperatura y la humedad, obteniendo una temperatura ambiente agradable.

5. Obtención de los gases.- Para la obtención de determinados gases (O2 ) , u otros a partir de la licuación y posterior destilación fraccionada del aire a baja temperatura.

6. Industria metalúrgica y química.- Para el montaje en frío de determinados elementos mecánicos, ya que es mejor ajustable, al contraerse su volumen.

7.- En criocirujía.- Se pueden cauterizar tejidos orgánicos , gracias a las bajas temperaturas conseguidas por evaporación del monóxido de carbono (CO).

La bomba de calor reversible se puede utilizar como sistema de calefacción en el invierno y refrigeración en el verano A su vez puede proporcionar hielo a una pista de patinaje y calefacción en una piscina climatizada.

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