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Anlisis elctrico de un compresor con motor de induccin para un sistema de refrigeracin industrial
Electrical analysis of an induction motor compressor for an industrial refrigeration system
Anlise eltrica de um compressor de motor de induo para um sistema de refrigerao industrial
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Correspondencia: mbarcia5195@utm.edu.ec
Ciencias Tcnicas y Aplicadas
Artculo de Investigacin
* Recibido: 23 de octubre de 2022 *Aceptado: 12 de noviembre de 2022 * Publicado: 7 de diciembre de 2022
I. Universidad Tcnica de Manab, Portoviejo, Ecuador.
II. Universidad Tcnica de Manab, Portoviejo, Ecuador.
Resumen
En este artculo se presenta diversas opciones de informacin sobre los motores que se aplican al funcionamiento de los compresores reciprocante semi hermticos monofsicos y trifsicos. Nos retroalimenta con bases fundamentales de informacin aseverada de tesis y libros de autores especializados en el tema.
Es un gua donde se encontrarn que es un sistema de refrigeracin y su estructura bsica de la mecnica y elctrica. Se agregaron conexiones que se utilizadas comnmente en pequeos y grandes sistemas de refrigeracin.
La prctica industrial moderna requiere, para mltiples usos, la compresin de gases y vapores. El accionamiento de herramientas neumticas y mecanismos de potencia, el enfriamiento intenso y concentrado, la limpieza, etc. Tambin se estn desarrollado en la actualidad sistema de energa eficiente en base al sistema de refrigeracin y todos los componentes, basndose en el ahorro energtico de los compresores.
Palabras clave: Condensador; Evaporador; Monofsico; Trifsico; Conexiones; Diagramas; Estator; Rotor.
Abstract
This article presents various motor information options that apply to the operation of single-phase and three-phase semi-hermetic reciprocating compressors. It gives us feedback with fundamental bases of information asserted from theses and books by authors specialized in the subject.
It is a guide where they will find that it is a refrigeration system and its basic mechanical and electrical structure. Connections commonly used in small and large refrigeration systems have been added.
Modern industrial practice requires, for multiple uses, the compression of gases and vapors. The drive of pneumatic tools and power mechanisms, intense and concentrated cooling, cleaning, etc. An efficient energy system is also currently being developed based on the refrigeration system and all the components, based on the energy savings of the compressors.
Keywords: Capacitor; Evaporator; Monophase; triphasic; connections; diagrams; stator; Rotor.
Resumo
Este artigo apresenta vrias opes de informaes do motor que se aplicam operao de compressores alternativos semi-hermticos monofsicos e trifsicos. Ele nos retroalimenta com bases fundamentais de informaes asseveradas a partir de teses e livros de autores especializados no assunto.
um guia onde descobriro que se trata de um sistema de refrigerao e sua estrutura mecnica e eltrica bsica. Foram adicionadas conexes comumente usadas em sistemas de refrigerao pequenos e grandes.
A prtica industrial moderna requer, para usos mltiplos, a compresso de gases e vapores. Acionamento de ferramentas pneumticas e mecanismos de fora, resfriamento intenso e concentrado, limpeza, etc. Atualmente, tambm est sendo desenvolvido um sistema eficiente de energia baseado no sistema de refrigerao e todos os componentes, com base na economia de energia dos compressores.
Palavras-chave: Capacitor; Evaporador; Monofsico; trifsico; conexes; diagramas; estator; Rotor.
Introduccin
Un sistema de refrigeracin es una mquina que a travs de un compresor realiza la accin de incrementar la presin de un fluido refrigerante, una diferencia de presiones dentro de un circuito cerrado modifica las propiedades del fluido que son aprovechadas para la extraccin de calor, en objetos alojados en espacios cerrados donde se concentra una temperatura igual o mayor a la de ambiente, el calor se transporta hacia otro punto y es extrado o disipado por conveccin natural o forzada, el resultado del proceso es la disminucin de temperatura por debajo de la ambiente o debajo de cero grados Celsius.(ROJAS MARCOS, 2015, P. 25).
La prctica industrial moderna requiere, para mltiples usos, la compresin de gases y vapores. El accionamiento de herramientas neumticas y mecanismos de potencia, el enfriamiento intenso y concentrado, la limpieza, etc. son aplicaciones corrientes que demandan aire comprimido. Otros gases deben ser comprimidos para usos mdicos (O2), extincin de incendios (CO2 y otros), soldadura (O2, argn, acetileno, butano, etc.), domsticos (G.L.P). Por otra parte, los equipos de refrigeracin requieren la compresin de vapores(ROJAS MARCOS, 2015, P. 12).
En compresores frigorficos convencionales, un motor elctrico rotatorio (normalmente un motor de induccin) acciona una bomba a travs de una manivela. La eficiencia general del sistema es relativamente baja, debido a la baja eficiencia inherente de la induccin motores y la friccin mecnica que se asocia con el pistn accionado por manivela(WANG ET AL, 2009).
Un compresor es impulsado por un motor lineal, (motor inductivo monofsico o trifsico) elimina la fuerza lateral sobre el cilindro pared causada por el cigeal y, por lo tanto, no solo reduce significativamente la prdida por friccin, sino que tambin proporciona unos medios para modular la carga del frigorfico segn la demanda y resulta en un ahorro energtico adicional.(WANG ET AL., 2009, P. 2)
Casi todos los motores usados en aplicaciones de refrigeracin son motores de induccin, llamados as a causa de que la corriente en las partes mviles del motor, es inducida, debido a que los componentes mviles no tienen conexin a la fuente de corriente. La parte estacionaria de un motor de induccin se llama el estator y la parte mvil el rotor, los devanados del estator se conecta a la fuente de potencia, mientras que el rotor est montado sobre el eje del motor, siendo la rotacin del rotor lo que provee al motor de su fuente de potencia (PRENTICE-HALL HISPANOAMERICANA,S.A., 1987, pg. 203)
En una mquina de induccin convencional toda la energa elctrica fluye desde el estator. Los flujos producidos por las corrientes del estator generan un campo magntico rotatorio que corta a los conductores del rotor y de esta forma se obtiene sobre ellos fuerza electromotriz inducida que es utilizada para forzar la circulacin de corrientes en el rotor. Al interactuar el campo magntico rotatorio del estator con el campo magntico rotatorio originado por las corrientes que circulan en el rotor, se produce el par elctrico. (CHICA & JAVIER, S. F., P. 13)
Las velocidades del compresor variaban desde 1550 rpm hasta un mximo de 5250 rpm, se debe tener en cuenta de antemano que en sistemas con un compresor de capacidad variable, la velocidad de funcionamiento no debe ser una preocupacin mayor con respecto a la capacidad frigorfica.(JABARDO ET AL., 2002)
En el Ecuador se est determinando la demanda del uso de sistemas de refrigeracin con compresores lineales tenemos la ms utilizada en el uso domstico como son los refrigeradores y acondicionadores de aire y en la industria los motores compresores reciprocantes semi hermticos, hermticos etc., estn realizando estudios sobre la demanda energtica que esta ocasiona.
En el Ecuador se implement desde el ao 2011el plan de Sustitucin de refrigeradores ineficientes, este proyecto tuvo como objetivo sustituir330.000 refrigeradores ineficientes con un alto consumo de energa por equipos nuevos con mayor eficiencia energtica en un plazo de cinco aos. Se establece tambin que las empresas fabricantes que abastecern de refrigeradores son INDUGLOB y ECASA (QUICHIMBO & MANUEL, S. F.).
En trminos de innovacin tecnolgica, estos equipos representan un nuevo concepto de compresores, ya que segn estudios y pruebas realizadas en los laboratorios del POLO de la Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC) en Brasil, el volumen muerto (Ɐᵟ) que se genera en la etapa de compresin del gas refrigerante, tiene influencia directa en el rendimiento de los compresores alternativos biela-manivela y de compresores lineales.(QUICHIMBO & MANUEL, S. F.)
Objetivos
Nuestro objetivos es conocer la funcin de un compresor como un sistema dinmico lineal, donde el trabajo de la maquina es accionada por un motor de induccin sea monofsico o trifsico, la importancia es que es accionada por un rotor y estator y a secuencia de este funcionamiento del motor de induccin se basa en la accin del flujo giratorio generado en el circuito estatrico, sobre las corrientes inducidas por dicho flujo en el circuito del rotor (EG-2009-OJEDA AYALA, JAIME.PDF, S. F., P. 15).
Es decir que el compresor es acoplado un motor donde su importante accin es realizar las fases internas del compresor para el ciclo del sistema de refrigeracin impulsada ya sea por gases o por vapor.
Metodologa
La presente investigacin, muestra la informacin bsica sobre equipos de compresin reciprocantes; as como tambin, los tipos, partes que lo conforman, caractersticas, funcionamiento elctrico y mecnico, basndonos en informacin investigativa, tipos de modelacin que se pueden simular en diferente software y observar las caractersticas y variables en un circuito del sistema de refrigeracin.
Engineering Equation Solver la funcin bsica proporcionada por EES es la solucin numrica de ecuaciones diferenciales y algebraicas lineales y no lineales. Es importante reconocer que EES es un solucionador de ecuaciones. EES utiliza ecuaciones en lugar de las asignaciones que se utilizan en un lenguaje de programacin formal, proporciona la capacidad de hacer estudios paramtricos, EES incorpora una gran cantidad de funciones matemticas y termo fsicas(MASTERING-EES-CHAPTER1.PDF, S. F.)
Las aplicaciones de MATLAB se desarrollan en un lenguaje de programacin propio. Este lenguaje es interpretado, y puede ejecutarse tanto en el entorno interactivo, como a travs de un archivo de script (archivos *.m). Este lenguaje permite operaciones de vectores y matrices, funciones, y programacin orientada a objetos.
La diferencia bsica entre la refrigeracin de velocidad variable y los sistemas de refrigeracin convencionales est en el control de la capacidad del sistema en condiciones de carga parcial. El control de velocidad variable se puede realizar de varias formas, que se pueden dividir en dos grupos. En primer lugar, aquellos en los que la carga est acoplada indirectamente al motor (un motor de velocidad constante y un dispositivo de control de velocidad entre el motor y la carga) y, en segundo lugar, aquellos en los que la carga est directamente acoplada al motor (una variable motor de velocidad).(QURESHI & TASSOU, 1996)
El primer grupo se subdivide en sistemas mecnicos, hidrulicos y elctricos y el segundo grupo en CC, accionamientos, accionamientos de reluctancia conmutados, motores de varias velocidades, conjuntos Ward Leonard y accionamientos elctricos de velocidad variable, el control de velocidad por pasos se puede lograr utilizando motores elctricos multipolares. La capacidad requerida del compresor se obtiene conmutando un nmero finito de polos para lograr la velocidad deseada.(QURESHI & TASSOU, 1996)
Para determinar la capacidad del compresor a las ms severas condiciones normales de
configuracin que utilizan sus componentes de proteccin y control diseadas.(REPORTEFINAL_RODRIGOSIERRA.PDF, S. F.)
Los bobinados de un compresor trifsico son diferentes de los monofsicos. En el trifsico se leer la misma cantidad de resistencia en los tres bobinados, esto no ocurre en los compresores monofsicos. La razn es porque el bobinado de arranque tiene ms vueltas en el alambrado para desarrollar ms torque en la puesta en marcha.(DILSON & TORRES, 1995).
Como ejemplo tenemos: el campo giratorio se forma como suma de los campos alternos de las tres fases de una corriente alterna trifsica. El valor y el sentido instantneos de estas corrientes en los lados de las bobinas, modifican la posicin de la polaridad del campo giratorio, como el campo rotatorio de dos polos del estator da durante un periodo, 1 vuelta al estator.(MEZQUIDA, 2007)
Tenemos el ejemplo en grfica de la tensin y la intensidad en la RESISTENCIA: la tensin y la intensidad de una corriente alterna pueden ser representados por curvas sinusoidales, las dos curvas alcanzan pues sus valores mximos y sus valores nulos en el mismo instante esta prueba, cuando el valor de U disminuye, el valor de I disminuye tambin , si la tensin U pasa de +U max a O, la intensidad I pasa de +I max a O como se observa en la figura 6 (MEZQUIDA, 2007, P. 26).
Figura 1: Representacin grfica de la tensin y la intensidad en la resistencia
Tenemos la grfica de la tensin y la intensidad de BOBINA en corriente alterna se dice que la intensidad est desfasada en retraso respecto a la tensin en un cuarto de ciclo o 90 grados (fig.2 a), la tensin y la intensidad pueden ser representadas por vectores que formen entre si un ngulo recto en centrndose la intensidad retrasada con respecto a la tensin lo demuestra en la (fig. 2 b) (MEZQUIDA, 2007)
Ilustracin 1. A Ilustracin 2.b
Figuras 2: Representacin grfica de la tensin y la intensidad de la bobina.
Se ilustra un diagrama en bloques de la proteccin, en la cual se muestran todos los circuitos electrnicos digitales que la componen, as como la fuente de alimentacin y el diagrama de flujo de energa que existe entre ellos, lo que permite comprender con mayor claridad su funcionamiento, el cual explicamos detalladamente a continuacin. En este esquema no se incluyen los circuitos electrnicos des conectivos, pero s el sensor de corriente.(VEIGA & DIGN, 2004)
Figura 3: Diagrama de Bloques de proteccin
Anlisis y discusin de resultados
Marco terico
Compresor
Un compresor es una mquina de fluido que est construida para aumentar la presin y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. (CONESA, 2011)
El intercambio de energa entre la mquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por l convirtindose en energa de flujo, aumentando su presin y energa cintica impulsndola a fluir, stos son mquinas trmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, tambin de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presin, densidad o temperatura de manera considerable. (CONESA, 2011)
Funcin de un motor compresor
El Motor de un compresor su funcin es convertir energa elctrica en mecnica, estos se dividen en dos categoras generales dependiendo del tipo de corriente involucrada, directa o alterna. Debido a que la mayora de las aplicaciones en refrigeracin son de corriente alterna, se trataran principalmente estos motores; Los motores de corriente alterna se clasifican dependiendo del tipo de potencia usada, en monofsica y polifsicos (trifsicos).(Dilson & TORRES, 1995)
Partes fsicas externa e interna de un compresor reciprocante semi hermtico
En la fig. 4 se puede observar las partes fsicas externa de un motor compresor reciprocante, tenemos las tapas de vlvulas, vlvulas de succin, donde se encuentra la bomba de aceite y la parte donde se encuentra el motor elctrico con el cual va a impulsar el funcionamiento interno.
Figura 4: Partes fsicas de un motor compresor
Compresor reciprocante es una mquina que comprime el gas mediante el desplazamiento de un pistn dentro de un cilindro. A continuacin, describiremos en la fig.5 las partes internas de un compresor reciprocante.
Figura 5: Partes internas de un motor compresor reciprocante
Sistema de refrigeracin
El equipo de refrigeracin o sistema de refrigeracin comprende un compresor de gas movido por un motor elctrico, un intercambiador de calor con un cao en forma de zigzag llamado condensador, otro con cao en forma de serpentn llamado evaporador y una vlvula de expansin, todos interconectados por caos de cobre formando un circuito cerrado, en la fig. 6 se muestran los principales elementos que lo componen: compresor, evaporador, condensador, lnea capilar. (REFRIGERACION.PDF, S. F.-A)
Figura 6: Ciclo real de un sistema de refrigeracin (Autora propia).
En el ciclo ideal de la compresin como nos muestra la fig. 7.la descarga del gas comprimido es 100%. El vector A-B representa el movimiento del stroke o carrera de succin en el cual el gas empieza a ingresar al cilindro a travs de la vlvula de succin hasta el volumen V1 que es el volumen total del cilindro de compresin, durante este movimiento la presin P1 permanece constante y es igual a la presin en la succin o tubera de carga al compresor.(REFRIGERACION.PDF, S. F.-B)
Figura 7: Curva de presin y volumen del ciclo ideal del equipo de refrigeracin
En el punto B, la fuerza d compresor acta positivamente y comprime el gas hasta el punto C en el cual se alcanza la presin deseada de descarga P2 y es ste el momento en el cual la vlvula de salida se abre permitiendo la transferencia total del gas del cilindro de compresional sistema en el punto D.(REFRIGERACION.PDF, S. F.-B)
Se
debe comprobar los siguientes puntos importantes para el estudio de presin
volumen: a) El vapor aspirado no debe entrar en el cilindro durante toda la
carrera (
solamente
despus de que la presin en el espacio libre ha bajado hasta ser igual. b)
Cuando ms pequeo sea el volumen del espacio libre, menos vapor se expansionar
en el punto A y mayor ser la cantidad de vapor utilizada. a) Si las vlvulas
no estn ajustadas, la cantidad de vapor utilizada en cada ciclo decrecer
considerablemente.(NELSON, 1957, pg. 123)
El papel del compresor. - es un desplazamiento de un compresor de pintn es el volumen desplazado por el pistn y usualmente se indica en pie cubico por minuto, El desplazamiento puede calcularse por medio de la siguiente ecuacin:
Es el sistema decimal esta ecuacin seria:
Condensador y evaporador
En un sistema de refrigeracin, el condensador y el evaporador son las ventanas a travs de las cuales el calor sale y entra de una habitacin. Estos componentes, que operan como intercambiadores de calor, funcionan bajo la tendencia natural de hacer fluir la energa (temperatura) desde un espacio caliente hacia otro fro gracias a las propiedades termodinmicas del refrigerante que llevan dentro (CONDENSADOR Y EVAPORADOR, 2017)
Funciones del evaporador. - El evaporador es el encargado de absorber la energa del cuarto fro y transferirla al refrigerante. La absorcin de energa promueve que el refrigerante se evapore dentro del sistema. Este proceso provoca que la temperatura del cuarto o habitacin disminuya gradualmente mientras el refrigerante se est evaporando(CONDENSADOR Y EVAPORADOR, 2017)
Funciones del condensador. - En el condensador, la operacin es justamente contraa a la del evaporador. El vapor de refrigerante entra al condensador despus de ser comprimido por el compresor a una alta presin y elevada temperatura, permitiendo el intercambio de calor con el aire, agua de proceso o con cualquier fluido. Esto logra el calor que absorbi del evaporador sea cedido al medio ambiente (o cualquier otro fluido).(CONDENSADOR Y EVAPORADOR, 2017)
Motores acoplados a los compresores
Los motores que se elijan para trabajos de refrigeracin, para que funcionen satisfactoriamente y econmicamente, deben tener un alto par de arranque, de funcionamiento suave, estar libre en lo posible de vibraciones y ser capaz de una sobrecarga durante corto tiempo. Aunque el funcionamiento del compresor es intermitente, debe elegirse el motor con la condicin general de que haya de trabajar continuamente(NELSON, 1957)
Motores de corriente alterna
se hacen de varios tipos y para variar aplicaciones. Cierto nmero de estos es utilizable en trabajos de refrigeracin, y por lo extendido de su uso es importante tener un conocimiento de sus caractersticas y funcionamiento. Segn la corriente con la que funciona el motor, se clasifican en monofsica y polifsicos, la mayor parte de las corrientes polifsicas son de tres fases o trifsicas. Casi todos los motores usados para refrigeracin, ms que en grandes aplicaciones industriales son los motores de induccin(NELSON, 1957, pg. 189).
Un motor monofsico de induccin: en su forma ms simple no arranca por s mismo, hay que disponer de algunos medios para poner el motor en su velocidad propia, despus de lo cual sigue funcionando como un simple motor de induccin. Hay varios tipos de mtodos de arranque, siendo llamado el motor por el tipo de arranque que lleve.(NELSON, 1957)
Tenemos de ejemplo un diagrama de una conexin de un motor de corriente alterna con cambio de fase, se trata uno de los motores de induccin monofsico, se puede observar en la fig. 8 la direccin de rotacin y se puede invertir intercambiando las conexiones del circuito de marcha en el bloque terminal. Estos dos devanados van en paralelo y elctricamente a 90. Entonces cuando la velocidad llega al 75% aproximadamente de la correspondiente al motor, un conmutador centrifugo, accionado por peso y varillas abre el circuito de arranque y el motor marcha como un simple motor a induccin (NELSON, 1957)
Estos motores de induccin monofsico con cambio de fase son los ms utilizados para los compresores pequeos de refrigeracin donde hay dispositivo para aliviar el equilibrar las presiones automticamente como los compresores rotatorios.
Figura 8: Diagrama de conexin de un motor de corriente alterna con cambio de fase utilizados para pequeos compresores de refrigeracin. (Autora propia)
Tenemos otro ejemplo de motor de induccin monofsico como es el motor de condensador en la Fig. 9. es semejante en construccin al del motor de cambio de fase la diferencia es que el de fase trabaja con una resistencia y el del condensador obtiene el mismo resultado con un condensador acoplado en serie con el devanado de arranque, este motor cuando alcanza tambin el 75% de velocidad del rgimen cuando acciona el interruptor centrifugo. Por la gran eficacia del condensador este motor tiene un gran alto par de arranque y es utilizado especialmente para los trabajos de refrigeracin (NELSON, 1957)
Figura 9: Diagrama de conexin de un motor de corriente alterna con arranque til de capacidad para pequeos compresores de refrigeracin. (Autora propia)
El motor polifsico o trifsicos de induccin
Es un motor de corriente alterna construido para funcionar con corriente mas de una fase, la energa es ms fcil utilizable polifsica es la de tres fases. Los motores polifsicos se usan casi exclusivamente con potencia de mas de 1 CV con tal de que se pueda disponer de dicha corriente. Los motores trifsicos rara vez se usan en fracciones de CV.
El estator de motor de induccin trifsico tiene tres devanados conectados con la lnea de alimentacin. El rotor es de tipo jaula de ardilla o de devanado. La corriente trifsica pasa por el enrollamiento del estator produciendo un campo magntico rotatorio que se mueve a la llamada velocidad sincrnica esta velocidad viene dada por la ecuacin:
Donde 
frecuencia
en ciclos por segundos
nmeros
de polos.
La figura 10 representa un diagrama de conexiones para un motor trifsico con arranque magntico y un circuito separado de control, se observa tres cables en el circuito principal del motor y el circuito de control es alimentado a una fase. La bobina de sobrecarga esta en el arranque y cuando se abre, en caso de sobrecarga se para el motor.
Figura 10: red con interruptor y arranque trifsico, (autora propia).
El diagrama de la figura 11 es de conexiones para un motor trifsico de compresor a 440 voltios, con un control a 110 voltios. El termostato acciona la vlvula de solenoide en la tubera de lquido, el ventilador va conectado de modo que el compresor parara si el ventilador cesa de funcionar. Esto es apetecible especialmente en las mayores instalaciones, para impedir el funcionamiento del compresor a reducida presin de aspiracin, lo que tendr a producir engrasado lento y congelacin en el serpentn, en caso de ser escaso el ajuste del corta circuito de baja presin (NELSON, 1957, pg. 221)
Figura 11: Diagrama de conexiones de un motor trifsico con circuito de control monofsico (Autora propia)
Los sistemas trifsicos son sistemas de produccin, distribucin y consumo de energa elctrica formado por un generador trifsico de corriente alterna (CA) o tres fuentes independientes de voltaje monofsicos. Este generador consta bsicamente de un imn giratorio (rotor) rodeado por un devanado estacionario (estator), tres devanados o bobinas independientes con terminales a-a ́, b-b ́, y c-c ́ que se disponen fsicamente alrededor del estator a 120 de distancia entre s(BARROS ARAGN & TIPN QUINATOA, 2017).
Conclusin
El mtodo de produccin de fro en las mquinas de fluidos condensables est basado en los cambios de estado (lquido-gas y gas-lquido) de una sustancia (fluido refrigerante) en un circuito cerrado. Para ello se aprovecha la cualidad que presentan los fluidos, (proceso Termodinmico). La temperatura necesaria para producir el cambio de estado del fluido Refrigerante, depender de la presin a la que los fluidos se encuentren dentro de las condiciones de operacin; es decir a baja presin la temperatura es baja, y si se eleva la presin, la temperatura aumenta, esto en conexin a los distintos motores que son integrados y acoplados para su funcionamiento como son los motores compresores.
Referencias
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2022 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)
(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).
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