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CARACTERIZACION ENERGETICA DE ESTUFAS DE COCCION UTILIZANDO BIOMASA COMO COMBUSTIBLE MEDIANTE PRUEBAS DE EBULLICION DE AGUA: COMPARACION EXPERIMENTAL DE UNA ESTUFA ECO – EFICIENTE CON UNA TRADICIONAL (“3 PIEDRAS”)

ESTUDIANTES: JULIAN BLANDON GASPAR SOTO ANDRES URUEÑA DANIEL VALENCIA

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA MEDELLÍN 2012

CARACTERIZACION ENERGETICA DE ESTUFAS DE COCCION UTILIZANDO BIOMASA COMO COMBUSTIBLE MEDIANTE PRUEBAS DE EBULLICION DE AGUA: COMPARACION EXPERIMENTAL DE UNA ESTUFA ECO – EFICIENTE CON UNA TRADICIONAL (“3 PIEDRAS”)

ESTUDIANTES: JULIAN BLANDON GASPAR SOTO ANDRES URUEÑA DANIEL VALENCIA

INFORME DE PRACTICA EXPERIMENTAL

PROFESOR: INGENIERO JUAN FERNANDO PEREZ BAYER

ASIGNATURA: IMC-364 TERMODINAMICA I

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA MEDELLÍN 2012

Contenido GLOSARIO ................................................................................................................... 4 RESUMEN .................................................................................................................... 5 INTRODUCCION.......................................................................................................... 6 DESCRIPCION DEL PROBLEMA ............................................................................. 7 ANTECEDENTES ........................................................................................................ 8 JUSTIFICACION .......................................................................................................... 9 OBJETIVOS ................................................................................................................ 10 MARCO TEORICO..................................................................................................... 11 DESARROLLO DEL EXPERIMENTO ..................................................................... 13 RESULTADOS ........................................................................................................... 15 ANALISIS .................................................................................................................... 26 CONCLUSIONES ....................................................................................................... 27 RECOMENDACIONES .............................................................................................. 28 BIBLIOGRAFIA Y REFERNCIAS ............................................................................. 29 ANEXOS ...................................................................................................................... 30

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GLOSARIO

Biomasa: Materia orgánica utilizable como fuente de energía. Dicha materia es obtenida a partir de un proceso biológico, este proceso puede ser espontaneo o forzado. Estufa: aparato que usa una fuente energética (combustible o electricidad) para generar calor y producir una cocción de los alimentos. Estufa de 3 piedras: Es una estufa tradicional de tipo artesanal configurada por 3 piedras que ubicadas de forma estratégica sobre el suelo crean un hogar para la biomasa. Estufa eco-eficiente: Es aquella que por sus características de diseño y materiales de fabricación consume menos cantidad de biomasa que las estufas tradicionales con un proceso de combustión de mayor rendimiento y menor impacto ambiental. Leña: Madera extraída de los arboles, utilizada para hacer fuego en estufas, chimeneas o cocinas. Es una de las formas más simples de biomasa. WBT: Prueba en el campo de ebullición de agua.

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RESUMEN

En este informe de práctica experimental se encuentran los procedimientos, datos, cálculos y análisis de resultados obtenidos a partir de pruebas de campo realizadas en las instalaciones de la facultad de ingeniería de la universidad de Antioquia comparando una estufa ecoeficiente con una estufa tradicional de tres piedras por medio de pruebas de ebullición de agua de inicio en frío y de inicio en caliente (WBT).

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INTRODUCCION

Una estufa de leña eco-eficiente es la que por sus características de diseño y materiales de construcción, consumen menor cantidad de leña que los fogones tradicionales, debido a que la leña se quema mucho mejor, en un proceso de combustión eficiente; conservan mejor el calor obtenido de la combustión de la leña y mantienen caliente los alimentos, a la vez que se emplea menos tiempo en la cocción. Las estufas eficientes se usan en muchos países del mundo, las comunidades que las emplean son conscientes de las bondades ambientales. Su uso también es conveniente para la salud humana, pues se previenen enfermedades de las vías respiratorias y de los ojos. A través de algunas encuestas pre y post utilización de las estufas eficientes, se ha percibido una mejoría notable en la salud mental de las personas que las emplean, por lo general las mujeres, esto debido al menos tiempo dedicado a la preparación de alimentos e incluso a la búsqueda de leña para cocinar. Ventajas en el uso de estufas eco-eficientes: 

Consumen menos leña que un fogón convencional, ya que conserva mejor el calor obtenido de la combustión de leña y mantiene caliente los alimentos.



La cocción de los alimentos se realiza en un tiempo más corto.



se disminuye la tala de bosques existentes.



se disminuyen las enfermedades respiratorias en las personas que hacen uso de ellas

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DESCRIPCION DEL PROBLEMA Se desea establecer una caracterización y comparación cualitativa y cuantitativa por medio de la termodinámica del desempeño de dos tipos de estufa usadas para la cocción de alimentos en zonas del departamento de Antioquia en las que se requiere usar la leña como combustible para las estufas.

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ANTECEDENTES

Primer semestre de 2009 Se desarrolló un proyecto de grado titulado: “estufas eco-eficientes de biomasa: modelado, diseño y construcción” este proyecto fue desarrollado por David Alejandro Días Orosco (aspirante al título de ingeniero mecánico de la Universidad de Antioquia para esa época) con asesoría de Cornare y del profesor de la facultad de ingeniería de la Universidad de Antioquia e ingeniero mecánico Juan Fernando Pérez Bayer. Junio de 2010 La secretaría de medio ambiente de la gobernación de Antioquia da vida a un programa llamado: “estufas eficientes y huertos leñeros” que busca ayudar a las familias Antioqueñas y fortalecer el cuidado y conservación de los recursos naturales. Este proyecto permitió la firma de convenios con 26 alcaldes de municipios antioqueños con la instalación de 5296 estufas beneficiando a 23930 personas con una inversión aproximada de 1.200 millones de pesos.

Figura1. Estufa en adobe

Figura 2. Comunidad de influencia

Las estufas fueron construidas con diferentes tipos de ladrillos y cuentan con paredes internas que no permiten el sobrecalentamiento, tienen una puerta de alimentación del combustible por donde se entra la leña en forma manual, en tamaños de aproximadamente 50 cm., la puerta permanece cerrada durante todo el proceso de combustión. Además cuenta con puertas metálicas para sacar la ceniza originada en el quemado de la leña y el hollín producido por el humo en la chimenea. Tiene un orificio aireador a través del cual se proporciona el oxígeno requerido para la combustión y se regula de acuerdo con la abertura que se le dé a la ventanilla metálica. Al utilizar menos leña que un fogón convencional, se generan menos contaminantes atmosféricos y se conserva el recurso bosques y las micro cuencas. Nota: Las figuras 1 y 2 tienen como fuente la pagina web de la Gobernación de Antioquia

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JUSTIFICACION

Es muy importante ver que desde la ingeniería mecánica y a través de estudios, diseños y proyectos de mejoramiento con el enfoque y conocimiento de la termodinámica se puede generar un impacto social en comunidades muy cercanas haciendo más eficientes procesos termodinámicos esenciales para la supervivencia de dichas comunidades.

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OBJETIVOS

Objetivo general 

Caracterizar energéticamente dos estufas de cocción utilizando biomasa como combustible mediante la prueba de ebullición de agua (arranque en frio y en caliente).

Objetivos específicos 





Evaluar el desempeño energético de una estufa de cocción con biomasa eco eficiente siguiendo el protocolo prueba de ebullición de agua WBT bajo arranque en frio y en caliente. Determinar el desempeño energético de una estufa de cocción con biomasa tradicional (tres piedras) siguiendo el protocolo de prueba de ebullición de agua WBT bajo arranque en frio y en caliente. Comparar el desempeño energético de las dos estufas de cocción.

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MARCO TEORICO

La biomasa La leña se considera una fuente de energía primaria, lo que significa que se obtiene directamente de la naturaleza, específicamente de los recursos forestales. Incluye los troncos y ramas de los árboles. La composición aproximada de la madera es: 49% Carbono, 6% Hidrógeno y 45% Oxígeno, con ligeras variaciones. La energía contenida en la madera, con un 20% de humedad, es de 15GJ/ton (Fuente: Boyle 2004). La estufa Una estufa de leña eco-eficiente es un equipo para cocinar alimentos que funciona, como su nombre lo indica, con leña como combustible principal; está conformado de diferentes piezas Organizadas entre sí que permiten encerrar el fuego para administrarlo de acuerdo a Los requerimientos, ubicarlo a diferentes alturas y trasladar los gases de combustión al Exterior de la cocina luego de aprovechar al máximo su calor. Son diversas las técnicas de cocción en las zonas rurales. En general la técnica depende del acceso a los recursos energéticos. Las cocinas tradicionales pueden ser de tres formas: fogón de tres piedras, parrilla, cocina tradicional. Estas estufas poseen diferentes rendimientos. Equipo de combustión Tres piedras Estufa de leña mejorada Estufa implementando carbón de leña y revestimiento cerámico Estufa sofisticada de carbón Estufa de querosene a presión Estufa de gas GLP Máquina de vapor

Eficiencia (%) 2 a 10 20 a 25 30 a 35 Hasta 45 56 57 10 a 20

Tabla 1. Comparación de eficiencia entre diferentes equipos. Fuente: (Kristoferson y Bokalders 1991)

Hay muchos tipos de estufas mejoradas. Lo que tienen en común es una base alta con Fuego encerrado en una caja (cámara de combustión) y una chimenea para sacar el Humo. Estufa Lorena La base es de adobe, la caja de fuego es hecha de una mezcla de lodo con arena. Los agujeros son escarbados dándole forma a las hornillas.

Figura 3. Estufa Lorena (fuente: universidad del valle. Guatemala)

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Estufa Chefina La Estufa Chefina, es construida de ladrillos en su totalidad, la base y sus túmulos donde Van las hornillas para sentar las ollas o el comal de metal. La chimenea es construida de Cemento, lámina o ladrillos y en su base tiene una compuerta para sacar el hollín.

Figura 4. Estufa chefina (fuente: Universidad del valle Guatemala)

Estufa ahorradora de leña con plancha de más de 3 hornillas Es una estufa muy robusta y de fácil manejo; sus componentes son: una plancha armada de tres hornillas, un juego de tubos de tres unidades de lámina galvanizada, un sombrero de lámina, un regulador de calor, una compuerta de lámina, una cámara de combustión y la base que puede construirse de adobe o bloque vacío.

Figura 5. Estufa ahorradora (Fuente: Universidad del valle Guatemala)

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DESARROLLO DEL EXPERIMENTO

1. Preparación

Figura 6. Trozos de madera.

En primer lugar se debió leer el documento “principios de diseño para estufas de cocción con leña, prueba en el campo de ebullición de agua” (1) suministrado por el profesor del curso. El procedimiento aplicado durante todo el experimento se encuentra en dicho documento (1) prueba WBT. En segundo lugar se buscó madera seca en el departamento de carpintería de la universidad de Antioquia. En tercer lugar se partió la madera en pequeños trozos de unos 20 cm de longitud como se observan en la figura 6.

2. Medición

Figura 7.Termo cupla omega Figura 8. Balanza digital

Figura 9. Cronometro digital

Para la etapa de medición se debió proceder al préstamo de una termo cupla, balanzas digitales en laboratorios de la facultad de ingeniería de la universidad de Antioquia. Esta etapa se desarrollo antes, durante y después de las pruebas de ebullición de agua. 3. Ejecución de pruebas de ebullición Figura 10. Estufa eco-eficiente Figura 11. Olla de aluminio con agua

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Figura 12. Estufa de 3 piedras

Figura 13. Esquema de montaje estufa eco-eficiente

Para la ejecución de las pruebas de ebullición en frío y en caliente descritas en el documento (1) antes mencionado se hizo uso de:    

Estufa eco-eficiente desarrollada por los estudiantes del curso de maquinas térmicas del semestre anterior Olla en aluminio de 2 Litros de capacidad. Paquete de madera seca de 2kg. Estufa de tres piedras.

Se ejecutaron 2 de las tres pruebas descritas en el documento (1) prueba de ebullición con inicio en frío y otra con inicio en caliente. A partir de los datos arrojados por estas pruebas se llevará a cabo el análisis de resultados.

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RESULTADOS

Datos Olla de aluminio Masa: 644.5 g Capacidad: 2L Masa (agua): 2000 g Masa total: 2644.5 g Tabla 2. Datos de la olla

Prueba #1Inicio en frio Estufa eco-eficiente (Experimento 1) Datos iniciales Datos finales Consumo Temperatura ambiental: Temperatura ebullición: 24.1°C 94.6°C Tiempo inicial: 0 Tiempo final:17´22” Peso inicial olla+ agua: Peso final olla+ agua: 2644.5 g 2521 g Peso inicial agua: 2000 g Peso final agua: 1875.5 g 123.5 g Peso inicial madera: 2000g Peso final madera:1586.2g 413.8 g Peso inicial lata Peso final lata carbón: 4.2g carbón:1847.2 g 1851.4 g Tabla 3. Experimento 1. 4.2 409.6

1586.2

Grafica 1 consumo de madera. Experimento1

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Prueba #1 Inicio en frio Estufa eco-eficiente (Experimento 2) Datos iniciales Datos finales Consumo Temperatura ambiental: Temperatura ebullición: 27.5°C 94.5°C Tiempo inicial: 0 Tiempo final:18´44” Peso inicial olla+ agua: Peso final olla+ agua: 2644.5 g 2548.3 g Peso inicial agua: 2000 g Peso final agua: 1903.8 g 96.2g Peso inicial madera: 2000g Peso final madera:1565.9g 434.1 g Peso inicial lata Peso final lata 11.2 g carbón:1847.2 g carbón:1858.4g Tabla 4. Experimento 2.

11.2 422.9

1 2 1565.9

Grafica 2. Consumo de madera. Experimento 2

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3

Prueba #2 Inicio en caliente Estufa eco-eficiente (experimento 3) Datos iniciales Datos finales Consumo Temperatura ambiental: Temperatura ebullición: 27.6°C 95°C Tiempo inicial: 0 Tiempo final:13´00” Peso inicial olla+ agua: Peso final olla+ agua: 2644.5 g 2575.5 g Peso inicial agua: 2000 g Peso final agua: 1930 g 70.0g Peso inicial madera: 2000 g Peso final madera: 1690.5 g 309.5 g Peso inicial lata Peso final lata carbón: 16.2 g carbón:1847.2 g 1863.4g Tabla 5. Experimento 3

16.2 293.3

1 2 1690.5

3

Grafica 3. Consumo de madera. Experimento 3

Prueba #2 Inicio en caliente Estufa eco-eficiente (experimento 4) Datos iniciales Datos finales Consumo Temperatura ambiental: Temperatura ebullición: 28.6 °C 95.1°C Tiempo inicial: 0 Tiempo final:17´32” Peso inicial olla+ agua: Peso final olla+ agua: 2644.5 g 2472.25 g Peso inicial agua: 2000 g Peso final agua: 1828 g 172 g Peso inicial madera: 2000 g Peso final madera:1492.1 g 507.9 g Peso inicial lata Peso final lata carbón: 5.1 g carbón:1847.2 g 1852.3g Tabla 6. Experimento 4.

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5.1 502.8

1 2 1492.1

3

Grafica 4. Consumo de madera. Experimento 4

Prueba #1Inicio en frío estufa de 3 piedras (experimento 5) Datos iniciales Datos finales Consumo Temperatura ambiental: Temperatura ebullición: 25.6°C 94.1°C Tiempo inicial: 0 Peso inicial olla+ agua: 2644.5 g Peso inicial agua: 2000 g Peso inicial madera: 2000 g Peso inicial lata carbón:1847.2 g

Tiempo final: 19´52” Peso final olla+ agua: 2309.7g Peso final agua: 1665.2g Peso final madera: 1225.8g Peso final lata carbón: 1882.5

Tabla 7. Experimento 5.

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334.8 774.2g 35.3g

35.3

738.9 1 1225.8

2 3

Grafica 4. Consumo de madera. Experimento 5

Prueba #1Inicio en caliente estufa de 3 piedras (experimento 6) Datos iniciales Datos finales Consumo Temperatura ambiental: Temperatura ebullición: 25.6° 94.9°C Tiempo inicial: 0 Tiempo final: 14´46” Peso inicial olla+ agua: Peso final olla+ agua: 2644.5 g 2334.4g peso inicial agua: 2000 g Peso final agua: 1689.9 g 310.1g Peso inicial madera: 2000 g Peso final madera: 1307.9g 692.1g Peso inicial lata Peso final lata carbón: 26.9g carbón:1847.2 g 1874.1g Tabla 8. Experimento 6.

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26.9 665.2 1 1689.9

Grafica 5. Consumo de madera. Experimento 6 CALCULOS Fórmulas:

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2 3

Figura 14. Composición y poder calorífico de tipos comunes de madera (fuente: Profesor Juan Fernando Pérez Bayer).

m es calculada según la fórmula: Dónde: H:= 7.04% =12 C=54.45% =1

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Variables a medir durante la prueba:

:

Variables que se calculan:

NOTA: los valores introducidos en las formulas de cálculo son los valores arrojados al calcular el promedio aritmético entre las variables de cada prueba; es decir cada variable tiene un promedio de pruebas en caliente y otro promedio para pruebas en frío para la estufa eco-eficiente. Cada valor tiene un cálculo respectivo de error (ver anexos).

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Cálculos de prueba en frio estufa eco-eficiente

Cálculos de prueba en caliente Prueba #2 Inicio en caliente Estufa eco-eficiente (experimento 3)

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Cálculos de la prueba de 3 piedras en frio

Cálculos de la prueba de 3 piedras en caliente Prueba #1Inicio en caliente estufa de 3 piedras (experimento 6)

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Resultado Eficiencia. (prueba inicio en frio)

Estufa eco-eficiente

Eficiencia.( prueba inicio en caliente) Consumo de biomasa especifica (inicio en frio) Consumo de biomasa especifica (inicio en caliente) Potencia de fuego (inicio en frio) Potencia de fuego (inicio en caliente) Agua vaporizada( inicio en frio) Agua vaporizada( inicio en caliente) Tabla 9. Resumen de resultados.

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Estufa de tres piedras

ANALISIS EFICIENCIA O RENDIMIENTO Las eficiencias obtenidas para la estufa eco-eficiente tanto para la prueba de inicio en frio como la de inicio en caliente resultaron inferiores al rango de eficiencia esperado en la tabla 1 del marco teórico: Estufa de leña mejorada: 20 a 25 % de eficiencia Estufa con revestimiento cerámico: 30 a 35 % de eficiencia Estufa sofisticada: hasta 45% de eficiencia Esta situación se le atribuye posiblemente a errores cometidos durante el experimento como la intervención de condiciones ambientales tales como el viento que pudo intervenir en la medición de la cantidad de ceniza. De otro lado la eficiencia obtenida para las pruebas realizadas con la estufa de 3 piedras resulto por encima del rango esperado en la tabla 1 del marco teórico: Estufa de 3 piedras: 2 a 10 % de eficiencia CONSUMO ESPECÍFICO DE BIOMASA (COMBUSTIBLE) Como se esperaba observando la tabla 9 se tiene que el consumo especifico de biomasa en la estufa eco-eficiente, tanto para la prueba de inicio en frio como para la de inicio en caliente es menor que en la estufa tradicional de 3 piedras lo que permite reducir el impacto ambiental sobre el ecosistema. POTENCIA DE FUEGO (KW) Como era de esperarse la potencia de fuego es mucho más alta en la estufa eco-eficiente reduciendo así el tiempo de cocción de los alimentos. CANTIDAD DE AGUA VAPORIZADA (g) Según lo observado en la tabla 9 en el proceso de ebullición la estufa tradicional de 3 piedras presentó una mayor cantidad de agua desperdiciada en fase de vapor. Esto debido a que dicha estufa demanda mucho más tiempo en un proceso de ebullición lento comparado con el proceso de estufa eco-eficiente.

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CONCLUSIONES



El uso y la calibración de los elementos de medición definen en gran medida los resultados obtenidos; en nuestro caso al momento de la medición de ciertas variables en la prueba, un grupo homólogamente desarrollaba su propio experimento, cuyas medidas diferían en variables relativamente fáciles de medir como lo fue la temperatura ambiente, la cual incide en los resultados obtenidos.



Una considerable cantidad de carbón producida durante el proceso indica una pobre combustión en el mismo, en nuestro caso esta generación de carbón en la prueba de 3 piedras en frio es alrededor de 7 veces mayor comparada con la estufa ecoeficiente.



De acuerdo a los datos obtenidos en las pruebas tanto con la estufa ecoeficiente como con la estufa tradicional de tres piedras pudimos observar que para el mismo fin la cantidad de madera o combustible consumido, varía considerablemente con estos dos procesos, es decir que si se masifica el uso de estufas ecoeficientes se podría bajar el índice de deforestación en estas zonas.



Las cenizas que quedan posterior al uso de la estufa de tres piedras pueden llegar a generar incendios forestales ya que en ocasiones estas brazas no son apagadas correctamente, por eso es indispensable tener un recipiente que almacene estas cenizas.

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RECOMENDACIONES



La balanza se debe ubicar lo más cerca posible del lugar donde se está desarrollando la combustión, sin poner en riesgo la balanza por la irradiación de calor de la estufa, para evitar que en el traslado de la ceniza hacia la balanza haya perdidas de masa por acción del viento.



La madera a utilizar debe estar lo más seca posible para facilitar la combustión.

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BIBLIOGRAFIA Y REFERNCIAS

   

http://www.altiplano.uvg.edu.gt/cdr/practicas/2010/Estufas/estufas_tecnicos.pdf http://www.gira.org.mx/index2.php?option=com_content&do_pdf=1&id=75 http://www.biotropico.org/publicaciones/cartilla.pdf http://www.jotul.com/es/wwwjotulcomes/Main-Menu/Informacion/EficienciaPotencia-calorifica-/

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ANEXOS

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CALCULO DE ERRORES PARA LAS DIFERENTES PRUEBAS

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