ES2396280B1 - Sistema hibrido modular de camaras estaticas con rotacion virtual para ahorro energetico de desalacion por osmosis inversa mejorado. - Google Patents

Abstract

Mejoras a la patente principal P200902004 por ?Sistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa? basadas principalmente en que las válvulas (7, 10) que regulan el paso de la salmuera son automáticas y se comandan con una señal eléctrica a unas solenoides (23-23?) las cuales dejan paso a la salmuera (5) que sale de las membranas (13) a alta presión y se encarga de manejar a unos pistones (24-24?) que reciben la presión y que la transforman en la fuerza de empuje para la maniobra. Los asientos de las válvulas están mecanizados en la tapa de la cámara (11). La tapa de las válvulas (7-l0) tiene una serie de pequeños orificios (18) por donde el agua atrapada escapará con cierta lentitud y harán de difusores de presión evitando el gran ruido que se origina en las cámaras causado por ese golpe de presión estática.

Description

MEJORAS A LA PATENTE PRINCIPAL N° P 200902004 POR "SISTEMA HíBRIDO MODULAR DE CÁMARAS ESTÁTICAS CON ROTACiÓN VIRTUAL PARA AHORRO ENERGÉTICO EN DESALACIÓN POR ÓSMOSIS INVERSA"

Sector técnico de la invención La invención se encuadra en el sector técnico de las desaladoras con tecnología de ósmosis inversa. Estado de la técnica Con fecha , se presentó la invención denominada ~Sistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa", bajo el número de solicitud P 200902004 Y del mismo solicitante e inventor que la memoria de adición que aquí se presenta. En dicha realización inventiva, se reivindica un sistema para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa que comprenden una instalación de ósmosis inversa con membrana donde se separa el agua de mar en agua desalada y en salmuera de rechazo a elevada presión, la cual se hace pasar por una o varias cámaras tubulares presurizables. El sistema comprende una serie de elementos unitarios cada uno de los cuales está formado por una cámara tubular convencional con dos válvulas antirretorno en uno de los extremos y una válvula de tres vías servopilotada de pistón

o membrana por el otro extremo; dicha válvula es accionada por la presión de la salmuera de rechazo que procede directamente de las membranas. Los elementos unitarios se encuentran supervisados y controlados por un equipo electrónico que consigue, mediante el manejo de las válvulas, una secuencia que, sin necesidad de rotar físicamente las cámaras, hace que los flujos de agua se comporten exactamente igual que lo harían en un sistema convencional de cámaras rotatorias. Las ventajas de este sistema son innumerables, puesto que se eliminan las grandes válvulas externas y los mecanismos motorizados de apertura y cierre de estas en los sistemas de grandes cámaras estáticas, que existían en el estado de la técnica. Por otra parte, al ser simples elementos independientes, se trata de un diseño totalmente modular que permite adaptar el equipo al espacio del que se disponga. Además, no hay piezas sometidas a fricción ni a rotación y lo más complejo que se le puede atribuir es un simple programa electrónico con un autómata de escasa potencia. Por lo tanto también los materiales más comprometidos son los expuestos a la salinidad del rechazo de salmuera, característica que está más que superada en estos momentos, con los materiales existentes en la actualidad.

En cuanto al objeto de la presente adición consiste en introducir una serie de mejoras, perfeccionamientos técnicos y aclaraciones acerca del modo de funcionamiento del USistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa", propio de la patente principal, más concretamente, detallar el tipo de cámaras tubulares a usar con todos los elementos que comprenden, detallando cómo serian las válvulas, el pistón, el tubo, así como su esquema de funcionamiento. Descripción de la invención En esta patente de adición se muestran las mejoras conseguidas para las cámaras tubulares y los elementos que las componen, tanto en su diseño como en su funcionamiento. En cuanto al diseño, se mejoran las camaras tubulares, también llamadas cámaras isobáricas o de presión, ya que se presentan formadas por un tubo de acero recubierto de plástico interiormente. En cada cámara o cilindro va alojado un pistón suelto o flotante, con un diseño muy especial sin rozamientos, que actúa como tabique de separación entre la salmuera y el agua a desalar, como el descrito en la patente P9701877 del mismo solicitante, donde también se describe un sistema de posicionamiento de dicho pistón con unos imanes que son detectados desde fuera del tubo por sensores del tipo red o efecto Hall. Debemos mencionar que los aceros austeníticos empleados en desalación y también los de estructura dúplex ferroaustenítico y superdúplex, son permeables a los campos magnéticos y pueden captar la señal. Este pistón funciona perfectamente estabilizado con la densidad del agua que

queda equilibrado sin peso en el seno del fluido. En esta nueva realización 5e le colocan unos aros suaves a ese pistón de manera que rocen solo eltos, sin apenas presión, puesto que la presión diferencial la creará este propio segmento, dependiendo de lo apretado que esté. De esta forma el pistón se moverá con una precisión y suavidad absoluta, sin ningún esfuerzo, sin pérdida de energia y sin que se mezcle la salmuera con el agua de mar. Además este pistón, como se mueve sin diferencial de presión sino porque es arrastrado por la corriente de agua, lleva una válvula de especial diseño, en el centro, que funciona de forma bidireccional, de manera que si llega al final de 5U recorrido ya sea en uno u otro sentido y actúa la presión por encima de un valor prefijado, la válvula se abre, como medida de seguridad, dejando pasar el agua. En cuanto a las válvulas, es conveniente recordar que en las cámaras isobáricas el

agua circula en los dos sentidos con el pistón intermedio que se describía anteriormente. Las válvulas antirretorno pasivas que se abren y cierran con el flujo de agua que vence a un muelle, corresponden a las de agua que viene del mar y son dos, una para la baja presión y otra para la alta presión, estando ambas en el mismo lado del tubo o cámara isobárica. Las otras dos válvulas, las que corresponden al paso de salmuera, son comandadas y automáticas y están en el mismo lado de la cámara. Una de las dos válvulas, la que se encuentra en el lado de baja presión se abre para expulsar la salmuera fuera de las cámaras; la otra válvula, la que se encuentra en el lado de alta presión, da paso a la salmuera de alta presión que viene de las membranas a las cámaras y que se encarga de empujar al agua de mar mediante el pistón separador, la cual abre la válvula de alta del lado opuesto que va a las membranas. En cuanto a las válvulas que abren y cierran el paso del fluido a las cámaras, otro de los avances que supone esta invención es que estarán colocadas directamente en la

tapa de las cámaras que se presurizan, dispuestas de la misma forma y manera que lo estan en los motores de combustión interna, como los de los automóviles. Por geometría, para el buen paso del fluido, podrán ser de dos o de cuatro válvulas en cabeza. Los asientos de las valvulas están mecanizados en la tapa de la cámara o añadidos a esta culata. Es importante reseñar que el tipo de válvulas a emplear son de plato de asiento cónico

o plano y con vástago de guía. En el estado de la técnica, todas las cámaras isobáricas tienen las válvulas instaladas en el exterior de las cámaras y conectadas a estas por medio de tubos que quedan fuera de las cámaras. Esto referido a las válvulas antirretorno, porque las que son comandadas, siempre son del tipo de correderas con lumbreras, rotatorias o de bola, pero nunca del tipo todo o nada como las que se emplean en motores de combustión interna, como es el caso de la invención reivindicada. Al incluir la invención reivindicada las válvulas en las tapas de las cámaras o culata, sólo quedan en el exterior los tubos consiguiéndose dos objetivos esenciales: el primero es el ahorro en materiales y mano de obra de tubos y sistemas de bridas de conexión, lo que se traduce en una importante disminución de costes y el segundo, mucho mas importante, es que como las cámaras cambian de presión según se estén llenando con agua de mar a presión atmosférica o estén desplazando a esta a las

35 membranas empujada por la alta presión de la salmuera de rechazo, las tuberías que

salen se ven sometidas también a estas fluctuaciones junto con sus válvulas, bridas de conexión, juntas de estanqueidad y la tornillería correspondiente, lo que aumenta considerablemente el riesgo de averías. En el caso de la invención presentada no existe nada de esto lo que aumenta considerablemente la vida útil y sin averías ni goteos del equipo. Esta presión constante en los cuatro tubos de conexión de las cámaras, hace posible poder usar las uniones comerciales (tipo junta vitaulic) consistentes en una abrazadera hecha en dos piezas que se unen con dos tornillos que comprime las dos mitades contra un anillo de un elastómero y que reúnen las ventajas de la rapidez de la instalación, integridad del diseño, confiabilidad del funcionamiento pero que no puede funcionar con va riaciones bruscas de presión. Hasta ahora, la presión constante en los cuatro tubos de conexión ha sido exclusivo de las cámaras rotatorias, pero no pensable en las estáticas. Las válvulas, dentro de ser del tipo plato con vástago, tienen una particularidad en su diseño que consiste en que, a parte de la función propia de cerrar herméticamente por asiento de presión lo que evita el goteo, además deja una pequeña cámara de agua atrapada entre la tapa y el cuerpo que se utiliza para frenar el impacto del cierre, evitando ruidos y alargando la vida pues se evitan tensiones a los materiales que se golpean.

Además la tapa tiene una serie de pequeños orificios por donde el agua atrapada, escapará con cierta lentitud para que el contacto sea más lento y en consecuencia, menos brusco. Esta misma serie de agujeros tiene una segunda misión que consiste en que, cuando la cámara está con alta presión o al contrario en baja, [a válvula que le corresponde abrir, lo hará primero con los agujeros que harán de difusores de presión, de forma que se equilibren las presiones de forma paulatina y no de golpe, evitando de esta forma el gran ruido que se origina en las cámaras que se presurizan causado por ese golpe de presión estática. En resumen, los puntos que se incluyen en esta adición referentes a las válvulas son los siguientes:

1.

Un diseño racional de válvulas incluidas en la tapa, no quedando en el exterior con bridas de soporte independientes.

2.

Válvulas de plato y vástago, tanto para las dos válvulas antirretorno con muelle de agua de mar, como las de salmuera que funcionan de forma automática, servo pilotadas.

3.

Formas simples sin materiales especiales, al no existir piezas sometidas a

fricciones con velocidad y presiones importantes. En cuanto al agua de alimentación en baja presión, en todos los diseños existentes hay que pararla cuando se llena una camara. Esa parada hace que ese exceso de liquido que se ve frenado cuando llega con cierta velocidad , de lugar a un golpe de ariete, tanto mas importante" cuanto menor es el numero de cámaras a repartir y mayor sea la velocidad de parada, independientemente de la longitud de tubo que hay detrás. Una gran ventaja que ofrece el sistema de la invención, es que las válvulas son comandadas por un sistema electrónico con gran rapidez y precisión de respuesta, de forma que se puede abrir una cámara que está vacía y hacerla coincidir con el cierre de una que se ha llenado, sin tener que parar el agua de alimentación. Tal y como se divulga en la patente principal, otra de las ventajas clave de la rotación virtual, es decir, rotación electrónica y no mecánica, es que no existe el círculo mecánico de las cámaras en el que 1800 se emplea para las cámaras de alta presión y otros 1800 para las de baja presión. En este caso no existe la separación por un tabique físico, es decir, que no han de estar forzosamente la mitad de las cámaras llenándose y la otra mitad vaciándose, sino que puede haber un desfase y desigualdad del numero de cámaras que llenan o vacían y que ni siquiera tiene porque ser un número entero de cámaras, ya que puede ser una fracción. Al no haber una rotación física no hay una velocidad angular constante debido a que no hay un cuerpo sólido que gira. Por lo tanto no tenemos que supeditar a que la rotación virtual le corresponde una velocidad angular igual para todos los tubos, pues podemos adelantar o retrasar

de forma electrónica, en grados, minutos o segundos de grados, las entradas y salidas de cada una como mejor convenga para que la presión de alimentación sea lo mas estable posible. Según esto, podemos tener, una o mas cámaras en espera, tanto para Henar como para vaciar su contenido, incluso dejarlas inoperables para que cuando exista, por cualquier motivo no previsto, un golpe de presión en la alimentación (detectado por un transductor de presión en la línea de alimentación de agua del recuperador), el sistema electrónico mande una señal de apertura a las válvulas para que abran o cierren según la necesidad y poder derivar ese exceso de caudal a una de estas cámaras que espera ser llenada. Descripción de los dibujos Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de dibujos donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado 10 siguiente:

Figura 1: Vista general de dos cámaras isobáricas

Figura 2A: Vista en perspectiva del pistón intermedio

Fig ura 28: Sección del pistón

Fig ura 3: Detalle de funcionamiento del pistón intermedio

S

Figura 4: Detalle de funcionamiento de las válvulas

Figura 5: Vista general de las cámaras en un momento de su funcionamiento

Descripción detallada de la invención

Para lograr una mayor comprensión de la invención, a continuación se va a describir el

objeto de la misma según una realización preferente.

10

El funcionamiento de un módulo es el mismo que el de cualquier cámara isobárica

estética con sus correspondientes cuatro válvulas.

En la figura 1 se muestran dos cámaras isobáricas cilíndricas (1) de acero recubiertas

interiormente de un polímero (2). Dos de los tubos serán de alta presión (A y e), sin

fluctuaciones; el de agua de mar (6) que va a las membranas y el de salmuera (5) que

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llega del rechazo, y los otros dos tubos (8 y D) de baja presión, son los de agua de

mar o alimentación (6') y la salmuera de desecho (5') que se devuelve al mar.

En la figura 1A se representa la cámara 1 funcionando a alta presión. Las membranas

(13) donde se realiza la desalación por ósmosis inversa se están alimentando con

agua de mar que le envía la bomba de alta presión (16) y la bomba búster (15). De la

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desalación se obtiene agua desalada y salmuera de rechazo (5). Esta salmuera se

encuentra a alta presión (5) y, para aprovechar su energía, se utiliza la salmuera (5)

para bombear agua de mar (6) hacia la bomba búster (15) y de ahí a las membranas

(13) .

En la figura 1 B se representa la camara 1 funcionando a baja presión. Cuando la

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cámara se ha llenado de salmuera a alla presión (5) la bomba de alla presión (16) se

encarga de llenar la cámara (1) de agua de mar (6') para expulsar la salmuera, ahora

a baja presión (5'). En este caso, las membranas (13) se alimentan de agua de mar de

la bomba principal (14).

Por supuesto que la membrana (13) no puede dejar de recibir agua, por lo que en el

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momento del paso de alta a baja presión la membrana (13) estaría recibiendo de las

otras múltiples cámaras que estarían montadas en paralelo y siguiendo la secuencia

de la rotación virtual.

En cada ca mara o cilindro (1 ) va alojado un pistón suelto o flotante (3), que separa la

salmuera (5-5') y el agua a desalar (6-6').

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Las válvulas (7, 10) son las que regulan el paso de la salmuera y ambas son

servopilotadas y se encuentran en el mismo lado de la cámara, una (10) para expulsar la salmuera a baja presión (5') y otra (7) para abrir la salmuera de alta presión (5) que viene de las membranas (13). Unas válvulas solenoides o piezoeléctricas (23-23') y que se activan por la señal de un autómata, dejan paso a la salmuera o a agua de alta presión que se introduce en el espacio trasero (22, 22') de unos pistones (24, 24 ') los cuales, al recibir dicha presión empujan a las válvulas (7, 10), abriéndolas. Las válvulas antirretorno pasivas (8, 9) que se abren y cierran con el flujo de agua que vence a un muelle, corresponden a las de agua que viene del mar (5', 6') Y son dos, una para la baja presión (9) y otra para la alta presión (8), estando ambas en el mismo lado del tubo o cámara isobárica (1). En la figura 2 se muestra el pistón (3) en detalle. Se puede ver en la figura 2A y en ~a figura 28 el detalle de una sección y una vista en perspectiva del mismo con la novedad de haberle introducido un par de anillos (4) de polímero antifricción y una válvula (19), para que el pistón se mueva con una precisión y suavidad absoluta, sin ningún rozamiento prácticamente ponderable sin esfuerzo ni perdida de energía o mezcla de fluidos. En la figura 3, se muestra el funcionamiento del pistón con válvula (19) en el caso de

estar sometido a una presión mayor o menor de 0.5 bar (presión elegida en esta realización) en una u otra cara. Este pistón (3) funciona perfectamente estabilizado con la densidad del agua que queda equilibrado sin peso en el seno del fluido. En esta nueva realización se trata de poner unos aros suaves (4) a ese pistón (3) de manera que roce solo él sin casi presión porque la presión diferencial la creará este propio segmento, dependiendo de lo apretado que esté. De esta forma el pistón (3) se mOl/erá con una precisión y suavidad absoluta, sin ningún esfuerzo ni perdida de energía ni mezcla de salmuera (5) con el agua de mar (6). Además este pistón (3), como se mueve sin diferencial de presión, sino que es arrastrado por la corriente de agua, lleva una válvula (19) de especial diseño, en el centro, que funciona de forma bidireccional, de manera que si llega al final de su recorrido ya sea en uno u otro sentido (figuras 3A y 3C) y actua la presión, por encima de un valor prefijado (0.5 bar), la válvula (19) se abre, como medida de seguridad, dejando pasar el agua. En la figura 4 se detalla el funcionamiento de las válvulas (7-10) que abren y cierran el paso del fluido a las cámaras (1), uno de los avances que supone esta invención es que los asientos de las válvulas están mecanizados en la tapa (11) de la cámara (1). El tipo de válvulas a emplear (7-10) son de plato de asiento cónico o plano y con vástago de guia, tanto para las del lado antirretorno o agua de mar (6), actuadas por la

presión del agua (8, 9) como por el lado opuesto de la cámara (1) las de la salmuera (7, 10), las cuales tienen la misma forma pero son automáticas, actuadas aplicándoles una fuerza a través del vástago. Las válvulas, dentro de ser del tipo plato con vástago, tiene una particularidad en su diseño, que consiste en que a parte de la función propia de cerrar herméticamente por asiento de presión, deja una pequeña cámara de agua atrapada (12) entre la tapa (11) y el cuerpo de la válvula (7-10) que consigue amortiguar el golpe del cierre, evitando ruidos y dándole vida o evitando tensiones a los materiales que se golpean. Estudiando el funcionamiento de una de las válvulas (7-10), según la figura 4A se observa que en primer lugar, la válvula se encuentra abierta y el fluido pasa sin problemas a través de ella. En la figura 4B, cuando empieza a cerrar, el primer contacto es el del disco con perforaciones (18) Que se introduce en el alojamiento cilíndrico de la tapa o culata (11), dejando escapar una cantidad de liquido lo suficientemente importante como para que no cierre de golpe. En la figura 4C la base cilíndrica (20) de la válvula se introduce en la lumbrera de paso del agua y queda prácticamente cerrada, solo queda una operación, figura 40, correspondiente al cierre completo por contacto entre las dos superficies cónicas del cuerpo de la válvula y tapa (11). Como se observa en la figura 4C, queda una pequeña sección en forma de rombo (12) llena de agua que permite que los asientos no golpeen hasta que, por la

holgura calculada, el poco de agua atrapada se desaloje con una desaceleración relativa. Bastante mas importante es la operación contraria o de apertura, cuando hay presión y la válvula se abre, ya que empieza por despegarse los conos de cierre y cuando salga la base cilíndrica (20) de la tapa (11), queda esta base (20) en la zona cilíndrica, dejando fugar en forma de aspersor o difusor el agua por los agujeros (18) de la periferia del plato hasta que se equilibren las presiones y no se origine un golpe de presión hidrostática. Existe la posibilidad, con el control de apertura de la válvula, de ralentizar la apertura hasta que se equilibren las presiones a uno y otro lado de la valvula, para que abra del todo y de paso al agua. La figura 5 ilustra el hecho de que, al no haber una rotación física de las cámaras (1), no hay una velocidad angular constante debido a que no hay un cuerpo sólido que gira, por lo tanto no tenemos que supeditar a que la rotación virtual le corresponde una velocidad angular igual para todos los tubos (1), pues podemos adelantar o retrasar de forma electrónica, en grados, minutos o segundos de grados, las entradas y salidas de cada cámara (1) como mejor convenga para que la presión de alimentación a las membranas (13) sea lo más estable posible.

No se considera necesario hacer más extensa esta descripción para que cualquier

experto en la materia comprenda el alcance de la presente adición, asi como los

efectos técnicos y los beneficios nuevos que de la misma se puedan derivar.

Los términos en los que se ha redactado la presente memoria técnica deberán ser

tomados siempre en el sentido más amplio y menos limitativo que resulte compatible

con la esencialidad de la adición que en ella se describe y reivindica.

Claims (5)

1. REIVINDICACIONES

   1.

   Mejoras a la patente principal P2009020Q4 "Sistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa" que cuenta con dos valvulas (8,9) que regulan la entrada y salida de agua de mar a la cámara (1) y otras dos válvulas (7, 10) que regulan la entrada y salida de la salmuera a la cámara (1), una (10) para expulsar la salmuera a baja presión (5') y otra (7) para dejar pasar la salmuera de alta presión (5) que viene de las membranas (13) a la cámara (1), caracterizada porque las válvulas (7, 10) que regulan el paso de la salmuera son servopilotadas y están en el mismo lado de la cámara (1) y unas válvulas solenoides o piezoeléctricas (23-23') que se activan por la señal de un autómata. dejan paso a la salmuera o a agua a alta presión, la cual se introduce en el espacio trasero (22, 22') de unos pistones (24, 24') los cuales. al recibir dicha presión, empujan a las válvulas (7, 10), abriéndolas.

2. 2.

   Mejoras a la patente principal P200902004 "Sistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa" según reivindicación 1 caracterizado porque, los asientos de las válvulas están mecanizados en la tapa (11) de la cámara siendo el tipo de válvulas a emplear de plato de asiento cónico o plano y con vástago de guia (21) Y hay 2 Ó 4 valvulas en cada tapa (11).

3. 3.

   Mejoras a la patente principal P200902004 "Sistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa" según reivindicación 2 caracterizado porque las válvulas (7-10) tienen una particularidad en su diseño pues dejan una pequeña cámara de agua atrapada (12) entre la tapa (11 ) Y el cuerpo de la válvula que consigue amortiguar el golpe del cierre.

4. 4.

   Mejoras a la patente principal P200902004 "Sistema híbrido modular de cámaras estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis inversa" según reivindicación 3 caracterizado porque la tapa (11) de las valvulas tiene una serie de pequeños orificios (18) por donde el agua atrapada escapara con cierta lentitud para que el cierre sea menos brusco y que durante la apertura funcionarán como difusores para que se equilibren las presiones de forma paulatina,

   35 5. Mejoras a la patente principal P200902004 "Sistema híbrido modular de cámaras

   ES 2 396 280 Al

   estaticas con rotación virtual para ahorro energético en desalación por ósmosis

   inversa" según reivindicación

   1 caracterizado porque lleva cada camara o

   cilindro (1) alojado

   un pistón separador (3) suelto o flotante, que actúa como

   tabique de separación entre la salmuera (5, 5') Y el agua a desalar (6, 6') Y a ese

   5

   pistón (3) se le introduce al menos un anillo (4) de polímero antifricción y una

   válvula (19) la cual, por encima de un valor de presión de seguridad prefijado, se

   abre.

5. 6.

   Mejoras a la patente principal P200902004 USistema híbrido modular de cámaras

   estáticas con rotación virtual para ahorro energético en desaJación por ósmosis

   10

   inversa» según reivindicación 1 caracterizado porque al no existir una rotación

   física de las cámaras (1) se puede adelantar o retrasar de forma electrónica, en

   grados, minutos o segundos de grados, las entradas y salidas de cada cámara

   (1) para proporcionar agua a la membrana (13) y que la presión de alimentación

   sea Jo mas estable posible.

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