ES2335953A1 - Intercambiador de calor para gases, y su correspondiente procedimiento de fabricacion. - Google Patents

Intercambiador de calor para gases, y su correspondiente procedimiento de fabricacion. Download PDF

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Abstract

Intercambiador de calor para gases, y su correspondiente procedimiento de fabricación. Comprende un núcleo metálico (2) que incluye un conjunto de conductos paralelos, fabricado a partir de al menos un perfil extruído (2), destinado a la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido de refrigeración. Se caracteriza por el hecho de que el al menos un perfil extruído (2) incluye medios de unión (10, 11, 12) para su ensamblaje entre sí y/o con otros componentes extruídos del intercambiador, tales como una carcasa (6) que alberga el núcleo (2), al menos un depósito de gas (7) o unos medios de conexión (5) con el circuito de recirculación, llevándose a cabo la unión de los diferentes componentes mediante un proceso de soldadura en horno en atmósfera controlada. Se obtiene un intercambiador de calor fabricado a partir de perfiles de aluminio extruído, reduciéndose así el número de puntos de unión, y capaz de ser unido mediante un proceso de soldadura en horno en atmósfera controlada, reduciéndose así el tiempo y los costes de fabricación.

Description

Intercambiador de calor para gases, y su correspondiente procedimiento de fabricación.
La presente invención se refiere a un intercambiador de calor para gases, y a su correspondiente procedimiento de fabricación.
La invención se aplica especialmente a intercambiadores de recirculación de gases de escape de un motor
(Exhaust Gas Recirculation Coolers o EGRC), intercambiadores de aceite, refrigeradores del aire de sobrealimentación o intercoolers (Charge Air Coolers o CAC), refrigeradores del aire de sobrealimentación de agua, y evaporadores.
Antecedentes de la invención
En algunos intercambiadores de calor para el enfriamiento de gases, por ejemplo los utilizados en sistemas de recirculación de los gases de escape hacia la admisión de un motor de explosión, los dos medios que intercambian calor están separados por una pared.
El intercambiador de calor propiamente dicho puede tener distintas configuraciones: por ejemplo, puede consistir en una carcasa en cuyo interior se disponen una serie de conductos paralelos para el paso de los gases, circulando el refrigerante por la carcasa, exteriormente a los conductos; en otra realización, el intercambiador consta de una serie de placas paralelas que constituyen las superficies de intercambio de calor, de manera que los gases de escape y el refrigerante circulan entre dos placas, en capas alternadas.
En el caso de intercambiadores de calor de haz de conductos, la unión entre los conductos y la carcasa puede ser de diferentes tipos. Generalmente, los conductos están fijados por sus extremos entre dos placas de soporte acopladas en cada extremo de la carcasa, presentando ambas placas de soporte una pluralidad de orificios para la colocación de los respectivos conductos. Dichas placas de soporte están fijadas a su vez a unos medios de conexión con la línea de recirculación.
Dichos medios de conexión pueden consistir en una conexión en V o bien en un reborde periférico de conexión o brida, dependiendo del diseño de la línea de recirculación donde está ensamblado el intercambiador. En algunos casos, la placa de soporte está integrada en una única pieza con los medios de conexión formando una única brida de conexión. Los medios de conexión también pueden consistir en un depósito de gas dispuesto en uno o ambos extremos de la carcasa.
Tanto en el caso de intercambiadores de conductos paralelos como de placas apiladas, todos los componentes son metálicos, de manera que están ensamblados por medios mecánicos y después soldados en horno o soldados con láser o por arco para asegurar un apropiado nivel de estanqueidad requerido para su funcionamiento.
En consecuencia, el proceso de fabricación resulta complejo y muy costoso debido al elevado número de uniones a realizar mediante soldadura en horno o soldadura con láser o por arco.
Generalmente, los componentes del intercambiador de calor son fabricados de aleación de aluminio o acero inoxidable y obtenidos mediante un proceso de estampado, luego son unidos mediante soldadura en horno en atmósfera controlada (Controlled Atmosphere Brazing o CAB). En el caso de ser fabricados de aluminio, estos componentes están compuestos de una capa de elevado grosor y elevado punto de fusión, llamada alma, y de capas por encima y por debajo de escaso grosor y bajo punto de fusión, llamadas placados.
Todos los componentes en contacto son introducidos dentro del horno donde se incrementa la temperatura para fundir las capas de placados y soldar así el intercambiador.
Si el proceso para obtener los componentes es otro diferente al estampado, no es posible obtener la composición interna del alma y de los placados. En este caso, al no tener placados que fundir no resulta posible soldar al horno los diferentes componentes.
Actualmente, los intercambiadores de calor de aluminio son soldados al horno usando al menos un componente de placados.
No obstante, hay casos donde es posible soldar componentes del intercambiador realizados con procedimientos diferentes al de estampado. Para incrementar la eficiencia de transferencia de calor se utilizan formas complejas, introduciendo componentes extruídos en los intercambiadores, como por ejemplo los conductos paralelos y/o la carcasa.
Otro caso particular, son los condensadores en los cuales los componentes de placados son minimizados. Sin embargo, el proceso de extrusión no puede introducir materiales de placados, por lo que es necesario uno o más componentes de placados en contacto con la parte extruída. En el caso de condensadores, las aletas deben ser revestidas para su posterior soldadura en horno.
Descripción de la invención
El objetivo del intercambiador de calor para gases, de la presente invención es solventar los inconvenientes que presentan los intercambiadores conocidos en la técnica, proporcionando un intercambiador de calor fabricado mediante componentes de aluminio extruídos y soldado en horno en atmósfera controlada.
El intercambiador de calor para gases, objeto de la presente invención, es del tipo que comprende un núcleo metálico que incluye un conjunto de conductos paralelos, fabricado a partir de al menos un perfil extruído, destinado a la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido de refrigeración, y se caracteriza por el hecho de que el al menos un perfil extruído incluye medios de unión para su ensamblaje entre sí y/o con otros componentes extruídos del intercambiador, tales como una carcasa que alberga el núcleo, al menos un depósito de gas o unos medios de conexión con el circuito de recirculación, llevándose a cabo la unión de los diferentes componentes mediante un proceso de soldadura en horno en atmósfera controlada.
De este modo, es posible obtener un intercambiador de calor fabricado a partir de perfiles de aluminio extruído, reduciéndose así el número de puntos de unión, y capaz de ser unido mediante un proceso de soldadura en horno en atmósfera controlada, reduciéndose así el tiempo y los costes de fabricación.
Según una realización de la invención, el núcleo comprende un único perfil extruído cerrado.
Según otra realización de la invención, el núcleo comprende dos perfiles extruídos unidos entre sí mediante los medios de unión.
Ventajosamente, los medios de unión comprenden una primera zona provista de un elemento de encaje y una segunda zona provista de un espacio destinado a recibir un material de relleno para llevar a cabo la soldadura en horno en atmósfera controlada.
Preferentemente, el elemento de encaje es de tipo clip.
Ventajosamente, el espacio destinado a recibir el material de relleno presenta una dimensión comprendida entre 0.10 y 0.15 mm. Estos espacios son producidos durante el proceso de ensamblaje de los diferentes componentes extruídos y además son necesarios para ensamblar todos estos componentes.
Preferiblemente, el material de relleno es una aleación de aluminio de bajo punto de fusión.
Según otra realización de la invención, el núcleo es susceptible de ser alojado dentro de una carcasa fabricada a partir de al menos un perfil extruído, y conectada con el circuito del fluido de refrigeración.
Ventajosamente, el núcleo y la carcasa están vinculados a través de al menos dos nervios centrales de extrusión de escasa longitud, destinados a mantener una cierta distancia entre el núcleo y la carcasa.
Preferentemente, el núcleo, la carcasa y los nervios centrales de extrusión están integrados en una misma pieza extruída.
Opcionalmente, el núcleo y la carcasa son dos piezas extruídas independientes unidas entre sí a través de los nervios centrales de extrusión provistos de medios de unión. Dichos nervios centrales sirven para la unión por soldadura si fuera necesario, y para el guiado entre la carcasa y el núcleo.
Preferentemente, la posición de al menos uno de los nervios centrales coincide sensiblemente con el centro de un tubo de entrada o salida del fluido de refrigeración dispuesto en la carcasa.
Opcionalmente, la posición de al menos uno de los nervios centrales está desplazada con respecto al centro de un tubo de entrada o salida del fluido de refrigeración dispuesto en la carcasa.
Ventajosamente, el perfil extruído del núcleo comprende una pluralidad de aletas que emergen desde una pared lateral del perfil y se extienden hacia la pared lateral opuesta del perfil.
Opcionalmente, las paredes de las aletas pueden ser lisas, o bien las aletas pueden incluir a lo largo de su perímetro una serie de protuberancias de pequeña longitud.
También opcionalmente, las protuberancias pueden extenderse perpendicularmente al perímetro de las aletas, o bien pueden extenderse en una dirección inclinada al perímetro de las aletas.
Según otra realización de la invención, en el caso de un intercambiador de calor del tipo en forma de "U" en el cual la entrada y salida del fluido a refrigerar están dispuestas adyacentes en un mismo extremo abierto del conjunto de conductos paralelos, estando el extremo opuesto cerrado, y definiendo un paso de ida y un paso de retorno, al menos una aleta alcanza la pared opuesta del perfil creando dos circuitos separados correspondientes respectivamente al paso de ida y de retorno.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, el procedimiento de fabricación aplicado al intercambiador de calor de la invención, se caracteriza por el hecho de que consiste en realizar las siguientes etapas:
a)
obtener un núcleo metálico que incluye un conjunto de conductos paralelos, fabricado a partir de al menos un perfil extruído;
b)
obtener mediante extrusión otros componentes del intercambiador tales como una carcasa que alberga el núcleo, al menos un depósito de gas o unos medios de conexión con el circuito de recirculación;
c)
ensamblar los componentes extruídos;
d)
aplicar el material de relleno en los espacios previstos; y
e)
llevar a cabo la soldadura en horno en atmósfera controlada.
Una ventaja importante de obtener un núcleo fabricado con un perfil de aluminio extruído, comparado con otros intercambiadores de calor de aluminio conocidos, es que el grosor de las aletas y las paredes puede ser modificado fácilmente para cada aplicación garantizando el cumplimiento de los requisitos de corrosión en cada caso.
Otras ventajas del procedimiento de extrusión en intercambiadores EGR o CAC son:
-
Simplificación del diseño conformando formas complejas en los componentes.
-
Reducción del número de piezas.
-
Simplificación del proceso de ensamblaje.
-
Reducción del coste global.
Asimismo, los procesos soldadura en horno en atmósfera controlada (CAB) tienen las siguientes ventajas:
-
Un mayor número de uniones al mismo tiempo.
-
Bajo coste para inversiones medias.
-
Mayor capacidad y flexibilidad.
En consecuencia, los procesos de soldadura CAB son adecuados para la manufacturación de intercambiadores de calor fabricados mediante extrusión.
Breve descripción de los dibujos
Con el fin de facilitar la descripción de cuanto se ha expuesto anteriormente se adjuntan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa al menos un caso práctico de realización del intercambiador de calor para gases de la invención, en los cuales:
la figura 1 es una vista en perspectiva y en explosión de un intercambiador de calor fabricado con componentes extruídos, según la invención;
la figura 2 es una sección transversal de un núcleo fabricado con dos perfiles acoplados entre sí, mostrando los medios de unión antes de aplicar el material de relleno;
la figura 3 es una vista ampliada de los medios de unión de uno de los perfiles, según la figura 2, mostrando el espacio destinado a recibir el material de relleno;
la figura 4 es una vista ampliada de los medios de unión de uno de los perfiles, según la figura 3, mostrando el material de relleno;
la figura 5 es una vista ampliada de los medios de unión con ambos perfiles acoplados, según la figura 2, y con el material de relleno aplicado, preparado para ser soldado en horno en atmósfera controlada;
la figura 6 es una vista en perspectiva del intercambiador de calor mostrando el núcleo provisto de los nervios centrales de extrusión antes de ser introducido en la carcasa;
la figura 7 es un vista en perspectiva y en explosión del intercambiador de calor de la figura 1, que muestra esquemáticamente los cordones de material de relleno que deben ser aplicados sobre los diferentes componentes extruídos antes de ser soldados en horno en atmósfera controlada;
la figura 8 es una sección transversal de un núcleo fabricado con un único perfil extruído e integrado con una carcasa formando una única pieza extruída, según una realización de la invención;
la figura 9 es una sección transversal de un núcleo fabricado con dos perfiles acoplados entre sí, cuyas aletas incluyen protuberancias rectas, según una realización de la invención;
la figura 10 es un detalle ampliado de una aleta provista de protuberancias rectas, según la figura 9;
la figura 11 es una sección transversal de un núcleo fabricado con dos perfiles acoplados entre sí, cuyas aletas incluyen protuberancias inclinadas, según otra realización de la invención;
la figura 12 es un detalle ampliado de una aleta provista de protuberancias inclinadas, según la figura 11; y
la figura 13 es una vista ampliada de las aletas que alcanzan la pared opuesta según las figuras 2, 9 y 11, así como una vista ampliada de la zona de unión de una aleta con dicha pared opuesta.
Descripción de realizaciones preferidas
Haciendo referencia a las figuras 1 a 7, el intercambiador de calor 1 para gases comprende un núcleo metálico 2 que incluye un conjunto de conductos paralelos, fabricado a partir de al menos un perfil extruído, destinado a la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido de refrigeración.
En la realización ilustrada el intercambiador 1 es del tipo en forma de "U", es decir la entrada y salida de los gases a refrigerar están dispuestas adyacentes en un mismo extremo abierto 3 del conjunto de conductos paralelos, estando el extremo opuesto 4 cerrado, y definiendo un paso de ida y un paso de retorno.
El extremo abierto 3 está fijado a un elemento de conexión 5 con el circuito de recirculación, el cual presenta un reborde periférico destinado a ser acoplado a una carcasa 6; mientras que el extremo cerrado 4 está unido a un depósito de gas 7.
La carcasa 6 puede estar fabricada a partir de al menos un perfil extruído, y además está conectada con el circuito del fluido de refrigeración mediante unos tubos de entrada 8 y salida 9 del fluido de refrigeración. Asimismo, el elemento de conexión 5 también puede estar fabricado mediante extrusión.
El al menos un perfil extruído 2 incluye medios de unión 10, 11, 12 para su ensamblaje entre sí y con otros componentes del intercambiador, tales como la carcasa 6, el depósito de gas 7 y el elemento de conexión 5 con el circuito de recirculación. La unión de estos componentes se lleva a cabo mediante un proceso de soldadura en horno en atmósfera controlada, tal como se explicará en adelante.
El núcleo 2 puede estar fabricado mediante un único perfil extruído cerrado, tal como se puede observar en la figura 8, o bien puede comprender dos perfiles extruídos unidos entre sí mediante los medios de unión 10 tal como se puede observar en las figuras 2, 9 y 11. Estos dos perfiles encajan perfectamente y pueden ser iguales o no.
El núcleo 2 y la carcasa 6 están vinculados a través de dos nervios centrales de extrusión 11 de escasa longitud, destinados a mantener una cierta distancia entre ambos componentes, por donde fluirá el fluido de refrigeración.
El núcleo 2 y la carcasa 6 pueden estar integrados en una misma pieza extruída junto con los nervios centrales de extrusión, tal como puede apreciarse en la figura 8, reduciéndose así el número de componentes.
Alternativamente, el núcleo 2 y la carcasa 6 pueden ser dos piezas extruídas independientes unidas entre sí a través de los nervios centrales de extrusión 11, tal como puede apreciarse en las figuras 2, 9 y 11. Asimismo en la figura 6 se puede apreciar el núcleo 2 provisto de dichos nervios centrales 11 antes de ser introducido en la carcasa 6. En este caso, los nervios centrales 11 están provistos de un encaje de tipo clip (no representado) para facilitar el ensamblaje y posición final con la carcasa 6.
La posición de los nervios centrales 11 puede coincidir sensiblemente con el centro de los tubos de entrada 8 y salida 9 del fluido de refrigeración dispuestos en la carcasa 6, para obtener así una distribución homogénea del fluido de refrigeración en ambas mitades de la carcasa 6; o bien dichos nervios centrales 11 pueden estar desplazados con respecto a dichos tubos 8 y 9 para obtener una distribución diferente.
Haciendo referencia a las figuras 2 a 5, los medios de unión 10 del perfil extruído 2 comprenden una primera zona provista de un elemento de encaje 10a, que en este ejemplo es de tipo clip, y una segunda zona provista de un espacio 10b destinado a recibir un material de relleno 12 para llevar a cabo la soldadura en horno en atmósfera controlada (CAB).
El espacio destinado a recibir el material de relleno presenta una dimensión comprendida entre 0.10 y 0.15 mm. El material de relleno es una aleación de aluminio de bajo punto de fusión.
La figura 3 muestra los medios de unión correspondientes a un extremo de uno de los dos perfiles 2, que incluyen el espacio 10b antes de recibir el material de relleno; la figura 4 muestra el material de relleno una vez se ha aplicado; y la figura 5 muestra el material de relleno aplicado y la unión de ambos perfiles mediante el encaje de tipo clip 10a, estando en este momento el núcleo 2 preparado para ser soldado en horno en atmósfera controlada.
En la figura 7 puede apreciarse la aplicación de los cordones de material de relleno 12 sobre diferentes zonas del intercambiador, tales como la zona de unión de los nervios centrales de extrusión 11 con la carcasa 6, la zona de unión de los extremos del núcleo 2 con el elemento de conexión 5 y con el depósito de gas 7.
Por otra parte, el perfil extruído del núcleo 2 comprende una pluralidad de aletas 13, que preferentemente emergen desde una pared lateral del perfil 2 y se extienden hacia la pared lateral opuesta del perfil 2, tal como puede observarse en las figuras 2 y 9 a 13.
Las paredes de las aletas 13 pueden ser lisas, o bien las aletas 13 pueden incluir a lo largo de su perímetro una serie de protuberancias 14 de pequeña longitud que permiten aumentar significativamente el intercambio de calor. En este último caso, las aletas 13 extremas del perfil 2 no incluyen protuberancias ya que constituyen las paredes del propio perfil 2, donde están dispuestos los medios de unión 10 de ambas semipartes del perfil 2.
Dichas protuberancias 14 pueden extenderse perpendicularmente al perímetro de las aletas 13, en forma de dientes, según puede apreciarse en las figuras 9 y 10. Según otra realización, las protuberancias 14 pueden extenderse en una dirección inclinada al perímetro de las aletas 13, incrementando la superficie de contacto con el gas, según puede apreciarse en las figuras 11 y 12. Dicha disposición inclinada de las protuberancias permite crear una pequeña turbulencia en el flujo del gas que junto con el incremento de la superficie de contacto, permite mejorar sensiblemente el rendimiento térmico.
En el caso de un intercambiador de calor del tipo en forma de "U", al menos una aleta 13 alcanza la pared opuesta del perfil 2 creando dos circuitos separados correspondientes respectivamente al paso de ida y de retorno, tal como puede apreciarse en las figuras 2, 9, 11 y 13.

Claims (20)

1. Intercambiador de calor (1) para gases, que comprende un núcleo metálico (2) que incluye un conjunto de conductos paralelos, fabricado a partir de al menos un perfil extruído (2), destinado a la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido de refrigeración, caracterizado por el hecho de que el al menos un perfil extruído (2) incluye medios de unión (10, 11, 12) para su ensamblaje entre sí y/o con otros componentes extruídos del intercambiador, tales como una carcasa (6) que alberga el núcleo (2), al menos un depósito de gas (7) o unos medios de conexión (5) con el circuito de recirculación, llevándose a cabo la unión de los diferentes componentes mediante un proceso de soldadura en horno en atmósfera controlada.
2. Intercambiador (1), según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el núcleo (2) comprende un único perfil extruído cerrado.
3. Intercambiador (1), según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el núcleo (2) comprende dos perfiles extruídos unidos entre sí mediante los medios de unión (10, 12).
4. Intercambiador (1), según la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que los medios de unión (10) comprenden una primera zona provista de un elemento de encaje (10a) y una segunda zona provista de un espacio (10b) destinado a recibir un material de relleno (12) para llevar a cabo la soldadura en horno en atmósfera controlada.
5. Intercambiador (1), según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que el elemento de encaje (10a) es de tipo clip.
6. Intercambiador (1), según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que el espacio (10b) destinado a recibir el material de relleno (12) presenta una dimensión comprendida entre 0.10 y 0.15 mm.
7. Intercambiador (1), según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que el material de relleno (12) es una aleación de aluminio de bajo punto de fusión.
8. Intercambiador (1), según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el núcleo (2) es susceptible de ser alojado dentro de una carcasa (6) fabricada a partir de al menos un perfil extruído, y conectada con el circuito del fluido de refrigeración.
9. Intercambiador (1), según la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que el núcleo (2) y la carcasa (6) están vinculados a través de al menos dos nervios centrales de extrusión (11) de escasa longitud, destinados a mantener una cierta distancia entre el núcleo (2) y la carcasa (6).
10. Intercambiador (1), según la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que el núcleo (2), la carcasa (6) y los nervios centrales de extrusión (11) están integrados en una misma pieza extruída.
11. Intercambiador (1), según la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que el núcleo (2) y la carcasa (6) son dos piezas extruídas independientes unidas entre sí a través de los nervios centrales de extrusión (11) provistos de medios de unión.
12. Intercambiador (1), según la reivindicación 10 o 11, caracterizado por el hecho de que la posición de al menos uno de los nervios centrales (11) coincide sensiblemente con el centro de un tubo de entrada (8) o salida (9) del fluido de refrigeración dispuesto en la carcasa (6).
13. Intercambiador (1), según la reivindicación 10 o 11, caracterizado por el hecho de que la posición de al menos uno de los nervios centrales (11) está desplazada con respecto al centro de un tubo de entrada (8) o salida (9) del fluido de refrigeración dispuesto en la carcasa (6).
14. Intercambiador (1), según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el perfil extruído del núcleo (2) comprende una pluralidad de aletas (13) que emergen desde una pared lateral del perfil (2) y se extienden hacia la pared lateral opuesta del perfil (2).
15. Intercambiador (1), según la reivindicación 14, caracterizado por el hecho de que las paredes de las aletas (13) son lisas.
16. Intercambiador (1), según la reivindicación 14, caracterizado por el hecho de que las aletas (13) incluyen a lo largo de su perímetro una serie de protuberancias (14) de pequeña longitud.
17. Intercambiador (1), según la reivindicación 16, caracterizado por el hecho de que las protuberancias (14) se extienden perpendicularmente al perímetro de las aletas (13).
18. Intercambiador (1), según la reivindicación 16, caracterizado por el hecho de que las protuberancias (14) se extienden en una dirección inclinada al perímetro de las aletas (13).
19. Intercambiador (1), según una de las reivindicaciones 14 a 18, del tipo en forma de "U" en el cual la entrada y salida del fluido a refrigerar están dispuestas adyacentes en un mismo extremo abierto (3) del conjunto de conductos paralelos, estando el extremo opuesto (4) cerrado, y definiendo un paso de ida y un paso de retorno, caracterizado por el hecho de que al menos una aleta (13) alcanza la pared opuesta del perfil (2) creando dos circuitos separados correspondientes respectivamente al paso de ida y de retorno.
20. Procedimiento de fabricación aplicado al intercambiador de calor (1) de la invención, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que consiste en realizar las siguientes etapas:
a)
obtener un núcleo metálico (2) que incluye un conjunto de conductos paralelos, fabricado a partir de al menos un perfil extruído (2);
b)
obtener mediante extrusión otros componentes del intercambiador tales como una carcasa (6) que alberga el núcleo (2), al menos un depósito de gas (7) o unos medios de conexión (5) con el circuito de recirculación;
c)
ensamblar los componentes extruídos;
d)
aplicar el material de relleno (12) en los espacios previstos; y
e)
llevar a cabo la soldadura en horno en atmósfera controlada.
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