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1、CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室第九章 板翅式換熱器第一節(jié) 板翅式換熱器概述一、板翅式換熱器的開(kāi)展 板翅式換熱器首先運(yùn)用于汽車與航空工業(yè)中,最早消費(fèi)的是銅墻質(zhì)浸焊的板翅式換熱器。 本世紀(jì)四十年代中期出現(xiàn)了更輕巧的鋁質(zhì)浸焊板翅式換熱器。 五十年代開(kāi)場(chǎng)在空氣分別設(shè)備中運(yùn)用板翅式換熱器。 目前,板翅式換熱器正在低溫技術(shù)、化工、制冷等一些工業(yè)部門(mén)推行運(yùn)用。 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v二十世紀(jì)四十年代,美國(guó)諾利斯以及美國(guó)海軍研討署、船舶局、航空局等在板翅式換熱器的傳熱機(jī)理及設(shè)計(jì)根據(jù)方面做了大量的研討任務(wù),后來(lái)凱斯和倫敦二人編著了,較系統(tǒng)地總

2、結(jié)了研討成果,在目前這已成為設(shè)計(jì)板翅式換熱器的根本參考文獻(xiàn)。v板翅式換熱器開(kāi)展中的另一方面問(wèn)題是制造工藝。主要是部分脫焊即在釬焊過(guò)程中部分沒(méi)有燭牢而構(gòu)成薄弱的環(huán)節(jié),這導(dǎo)致板翅式換熱器承壓才干下降,或在接受交變負(fù)載的切換式換熱器中產(chǎn)生疲勞破壞。這個(gè)問(wèn)題閱歷了一個(gè)漫長(zhǎng)而曲折的過(guò)程才得到處理。 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v我國(guó)板翅式換變器的研制開(kāi)場(chǎng)于六十年代的中期。v1972年9月,機(jī)械工業(yè)部在開(kāi)封召開(kāi)的“板翅式換熱器制造技術(shù)攻關(guān)閱歷交流會(huì)系統(tǒng)地總結(jié)了前一階段的研制與攻關(guān)閱歷,制定了有關(guān)的技術(shù)文件,為我國(guó)的板翅式換變器的設(shè)計(jì)及制造打下了一個(gè)良好的根底。 CRYOGE

3、NICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室 二、板翅式換熱器在低溫技術(shù)中的運(yùn)用。 v1板翅式換熱器在氣體分別中的運(yùn)用v目前,板翅式換熱器已被廣泛運(yùn)用在空氣分別設(shè)備中??諝夥謩e設(shè)備運(yùn)用板翅式換熱器所帶來(lái)的益處是:v 1鋁制板翅換熱器可以在低溫下任務(wù),取代了昂貴的銅制換熱器;v 2由于高效率、緊湊和輕巧等特點(diǎn),使得空氣分別設(shè)備采用板翅式換熱器之后外形尺寸減少,跑冷損失減少,膨脹空氣量減少、經(jīng)濟(jì)目的提高;同時(shí)由于整個(gè)設(shè)備熱容量的減少,啟動(dòng)時(shí)間縮短; CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室 3采用切換式板翅式換熱器替代蓄冷器之后,由于尺寸減少、切換周期延伸,可以減少切換時(shí)的

4、空氣放空損失,降低電耗,使空氣分別設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)工況更加穩(wěn)定。 但是板翅式換熱器并不能完全取代蓄冷器。因板翅式換熱器受焊接容量的限制,單元尺寸不能很大;而運(yùn)用多單元的板翅式換熱器的組合時(shí),單元之間與流道之間氣流難以均勻分配,外部管網(wǎng)銜接又較復(fù)雜。因此在特大容量的空氣分別設(shè)備中,板翅式熱器還得讓位于蓄冷器。 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v除了空氣分別以外,板翅式換熱器還廣泛地運(yùn)用于天然氣及合成氨尾氣的分別設(shè)備中。CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室2板翅式換熱器在深低溫領(lǐng)域中的運(yùn)用v板翅式換熱器可以在200到絕對(duì)零度的溫度區(qū)間任務(wù)。v對(duì)于液氫和

5、以液氫精餾消費(fèi)重水的安裝,板翅式換熱器在氫純化工藝中獲得稱心的運(yùn)用效果。v六十年代以后,在大型氦液化器與氦制冷安裝中,板翅式換熱器也得到廣泛的運(yùn)用。板翅式換熱器構(gòu)造的特點(diǎn),比較適宜于在低、中壓范圍內(nèi)任務(wù),故對(duì)于深低溫領(lǐng)域用的板翅式換熱器需求進(jìn)一步研討,以提高其承壓才干。CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室三、板翅式換熱器的特點(diǎn)三、板翅式換熱器的特點(diǎn)v1傳熱效率高 由于翅片對(duì)流體的擾動(dòng),使邊境層不斷破裂,因此具有較大的換熱系數(shù);同時(shí)由于制造板翅式換熱器金屬的高導(dǎo)熱性,所以使得板翅式換熱器可以到達(dá)很高的效率。v2緊湊 由于板翅式換熱器具有擴(kuò)展的二次外表,使得它的比外表積可達(dá)

6、10002500m2/m3。v3輕巧 由于緊湊且多由鋁合金制造,所以顯得輕巧。 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v4順應(yīng)性大 板翅式換熱器可以適用氣一氣、氣一液、液一液間各種不同流體的換熱,以及發(fā)生集態(tài)變化間的相變換熱。經(jīng)過(guò)流道的布置和組合可以順應(yīng)逆流、錯(cuò)流、多股流、多程流等不同的換熱工況。經(jīng)過(guò)單元間串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)的組俁可以滿足不同的換熱需求。工業(yè)上可以定型成批消費(fèi),以降低本錢,擴(kuò)展互換性。v5板翅式換熱器制造工藝復(fù)雜,要求嚴(yán)厲。v6容易堵塞,不耐腐蝕,清洗檢修較困難。CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室第二節(jié) 板翅式換熱器的構(gòu)造v一、翅

7、片的構(gòu)造參數(shù)v翅片的幾何尺寸常用圖91所示的符號(hào)表示。CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v根據(jù)幾何尺寸、翅片構(gòu)造參數(shù)的計(jì)算公式如下:v水力半徑v 91v當(dāng)量直徑v 92v每層通道自在截面積 v 93 yxxyUArh2yxxyUArdhe244fisxywA CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v每層通道傳熱外表積v 94v板束n層通道自在截面積v 95 v板束n層通道傳熱外表積v 96 fiswLyxF)(2fsxywnA fswLnyxF)(2CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v一次外表面積v 97v二次外表面積v

8、 98 FyxxFbFyxyFfCRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室表91 國(guó)產(chǎn)規(guī)范翅片的構(gòu)造參數(shù) 翅片型式 翅 高(mm) 翅 厚(mm) 翅 距 (mm) 通道截面積 (m2) 傳熱面積 (m2)當(dāng)量直徑(m2) 二次表面所點(diǎn)的面積比例 平直形 9.56.54.7 0.20.30.3 1.72.12.0 0.008210.005310.00374 12.77.616.1 2.582.792.45 0.8610.7750.722 鋸齒形 9.56.54.73.2 0.20.30.30.3 1.72.12.03.5 0.008210.005310.003740.0026

9、5 12.77.616.13.49 2.582.792.453.04 0.8610.7750.7220.476 打孔形 6.54.73.2 0.30.30.3 2.12.03.5 0.005310.003740.00265 7.615.63.3 2.792.453.04 0.7750.6960.445 fhffsiAiFedFFf/CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室 v通道截面積是指有效寬度W=1m時(shí)每層通道的Ai值。v傳熱面積是指有效寬度W=1m、有效長(zhǎng)度L=1m時(shí)每層通道的Fi值。CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室 二、板翅式換熱器的根本

10、元件二、板翅式換熱器的根本元件v板翅式換熱器板束的根本構(gòu)造及根本元件,見(jiàn)圖92,它是由隔板、翅片、封條、導(dǎo)流板等組成。v在相鄰兩隔板之間放置翅片及封條,組成一夾層,稱為通道。將這樣的夾層根據(jù)流體的不同流動(dòng)方式疊置起來(lái),釬焊成一整體,便組織板束。板束是板翅式換熱器的中心部分,配以必要的封頭、接納、支承就組成了板翅式換熱器。 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v一翅片v翅片是板翅式換熱器的根本元件,板翅式換熱器中的傳熱過(guò)程主要是經(jīng)過(guò)翅片的熱傳導(dǎo)以及翅片與流體之間的對(duì)流換熱來(lái)完成的。v翅片的作用是:v1擴(kuò)展傳熱面

11、積,提高換熱器的緊湊性,翅片可看做是隔板的延伸和擴(kuò)展,同時(shí)由于翅片具有比隔板大得多的外表積,因此使緊湊性明顯增大。 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v2提高傳熱效率,由于翅片的特殊構(gòu)造,流體在通道中構(gòu)成劇烈的擾動(dòng),使邊境層不斷地破裂或更新,從而有效地降低了熱阻,提高了傳熱效率。v3提高換熱器的強(qiáng)度和承壓才干,由于翅片的支撐加固,使板束構(gòu)成結(jié)實(shí)的整體,所以雖然隔板起翅片都很薄,但卻能承愛(ài)一定的壓力。v根據(jù)不同的工質(zhì)和不同的傳熱情況,可以采用不同構(gòu)外型式的翅片。常用的幾種翅片構(gòu)外型式見(jiàn)圖92。CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v鋸齒形翅片 鋸齒

12、形翅片可看做平直翅片切成許多短小的片段并相互錯(cuò)開(kāi)一定間隔而構(gòu)成的延續(xù)式翅片。這種翅片對(duì)促進(jìn)流體的湍動(dòng),破壞熱阻邊境層非常有效,屬于高效率翅片。但流體經(jīng)過(guò)鋸齒形翹片時(shí)其流動(dòng)阻力相應(yīng)增大。鋸齒形翅片普遍用在需求強(qiáng)化傳熱尤其是氣側(cè)的場(chǎng)所。 v多孔翅片 多孔翅片系先在薄金金屬片上沖孔,然后再?zèng)_壓或滾軋成形。翅片上密布的小孔使熱阻邊境層不斷地破裂,從而提高了傳熱性能。也有利于流體均布,但在沖孔的同時(shí),也使翅片傳熱面積減少,翅片強(qiáng)度降低。多孔翅片主要用作層流板以及流體中夾雜著顆?;蛳嘧儞Q熱的場(chǎng)所。 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v波紋翅片 波紋翅片是將薄金屬板沖壓或滾軋成一定

13、的波形,構(gòu)成彎曲流道,不斷改動(dòng)流體的流動(dòng)方向,以促進(jìn)流體的湍動(dòng),分別和破壞熱阻邊境層,其效果相當(dāng)于翅片的折斷。波紋愈密、波幅愈大,越能強(qiáng)化傳熱。 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室小結(jié)v經(jīng)過(guò)多種多孔翅片外表的傳熱、壓降的實(shí)驗(yàn)研討,Shah總結(jié)出以下幾點(diǎn):假設(shè)由于打孔使隔板的裸露面積添加20,那么在層流區(qū),小孔多孔翅片孔徑小于等于0.8mm能強(qiáng)化傳熱,而大孔多孔翅片大于1mm那么不能強(qiáng)化;多孔翅片能使流動(dòng)提早發(fā)生流型轉(zhuǎn)變,而在過(guò)渡區(qū)j=f(RE), f=f(Re)的關(guān)系非常復(fù)雜,不易預(yù)測(cè),且往往是f的添加比j的添加來(lái)得快;在紊流區(qū),j和f都比平直翅片高得多;方形多孔翅片

14、的性能略優(yōu)于圓形多孔翅片;由于打孔損失了一定數(shù)量的換熱面積,因此多孔翅片的外表特性并不象估計(jì)的那么好,所以普通在氣氣換熱中并不采用。對(duì)波紋翅片還沒(méi)有特定的關(guān)系式來(lái)擬合j和f因子。 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v二隔板v隔板的作用在于分隔并構(gòu)成流道,同時(shí)接受壓力。隔板尚盧一次傳熱外表的作用,故其厚度應(yīng)有滿足承壓的條件下盡能夠減薄。隔板通常運(yùn)用兩面涂覆鋁硅合金薄層的復(fù)合板。隔板與翅片、隔板與封條之間的釬焊邊接就是依托這一薄層的鋁硅作為焊料釬焊成結(jié)實(shí)整體的。CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室 三封條封條出叫側(cè)條,它位于通道的周圍,起到分隔、封

15、鎖流道的作用。板翅式換熱器的封條有多種方式,常用的有如圖93所示的燕尾槽型、矩形截面型等。封條上、下兩面向兩側(cè)具有斜度為3%的斜率,這是為了在與隔板組合成板束時(shí)構(gòu)成縫隙,便于釬接焊料滲入而構(gòu)成豐滿的釬接焊縫隙。 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v封條與封條之間采用圖94所示的銜接方式。CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v 四導(dǎo)流板與封頭v導(dǎo)流板位于流道的兩端,其作用是為了引導(dǎo)由進(jìn)口管經(jīng)封頭流入板束的流體,使之均勻地分布于流道之中;或是聚集從流道流出的流體,使之經(jīng)過(guò)封頭由出口管排出。此外,導(dǎo)流板尚有維護(hù)翅片與防止通道堵塞的作用。v導(dǎo)流板構(gòu)造設(shè)

16、計(jì)的原那么可以概括為:1保證流道中流體的均勻分析,流體由進(jìn)、出口管到流道之間的順利過(guò)渡;v2在導(dǎo)流板中流體阻力與傳熱應(yīng)堅(jiān)持在最小的恒定值在板翅式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算中,有效長(zhǎng)度通常均采用板束全長(zhǎng)扣除導(dǎo)流板長(zhǎng)度以后的數(shù)值;v3導(dǎo)流板的耐壓強(qiáng)度應(yīng)該與整個(gè)板束的承壓才干匹配;v4便于制造。 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v導(dǎo)流板的布置方式與封頭及換熱器的構(gòu)造親密相關(guān),如圖95所示。CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v封頭的構(gòu)造設(shè)計(jì)主要取決于任務(wù)壓力、氣流數(shù)、換熱器的流道布置以及能否切換等等。v對(duì)于任務(wù)壓力較高的板翅式換熱器以及頻繁切換的切換熱器,其

17、封頭的構(gòu)造設(shè)計(jì)尤應(yīng)留意銜接斷面的強(qiáng)度,普通應(yīng)采用小封頭的構(gòu)造或其它加強(qiáng)措施,以保證強(qiáng)度。CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v 三、流道布置三、流道布置v板翅式換熱器可以經(jīng)過(guò)流道的不同組合,布置成板翅式換熱器可以經(jīng)過(guò)流道的不同組合,布置成逆流、錯(cuò)流、順流、多股流、多程流,其構(gòu)造表逆流、錯(cuò)流、順流、多股流、多程流,其構(gòu)造表示圖見(jiàn)圖示圖見(jiàn)圖96。v逆流是用得最普遍,也是最其本的流道布置方式。逆流是用得最普遍,也是最其本的流道布置方式。錯(cuò)流用在其有效溫差并不明顯地低于逆流顯差的錯(cuò)流用在其有效溫差并不明顯地低于逆流顯差的場(chǎng)所,或一側(cè)流體的溫度變化不大于冷、熱流體場(chǎng)所,或一側(cè)流體

18、的溫度變化不大于冷、熱流體最大濁差之半的情況。例如空氣分別設(shè)備中的液最大濁差之半的情況。例如空氣分別設(shè)備中的液化器,采用錯(cuò)流布置可以向低壓氣流提供較大自化器,采用錯(cuò)流布置可以向低壓氣流提供較大自在流通截面的通道和較短的流道長(zhǎng)度,而有效溫在流通截面的通道和較短的流道長(zhǎng)度,而有效溫差并不明顯降低。差并不明顯降低。v多股流用于多種流體同時(shí)進(jìn)展換熱,如空氣分別多股流用于多種流體同時(shí)進(jìn)展換熱,如空氣分別設(shè)備中的切換式換熱器。多程式流用于壓力相差設(shè)備中的切換式換熱器。多程式流用于壓力相差很大的兩種流體之間的熱交換,高壓側(cè)布置成多很大的兩種流體之間的熱交換,高壓側(cè)布置成多回路、小截面以堅(jiān)持較高的流速?;芈?、

19、小截面以堅(jiān)持較高的流速。 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室 v CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v板翅式換熱器由于工藝條件的限制,單元尺寸不能做得很大目前最大的板束單元尺寸約為120012007000mm。大型板翅式換熱器需求經(jīng)過(guò)許多單元板束的串聯(lián)、并聯(lián)進(jìn)展組合。在單元組合時(shí),很重要的一個(gè)問(wèn)題就是如何使流體在這些單元板束中均勻分配。 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室 v單元組合根本上有如圖97所示的三種方式。從流體均勻角度應(yīng)盡量采用對(duì)稱形,防止并流形。同時(shí)由于各單元?dú)怏w阻力能夠不相等,組俁時(shí)應(yīng)留意匹配得當(dāng)。工藝

20、管道布置也要留意這一點(diǎn)。CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室 v CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v五、空氣分別設(shè)備中的板翅式換熱器五、空氣分別設(shè)備中的板翅式換熱器v板翅式換熱器的根本構(gòu)造已如前述,作為運(yùn)用例板翅式換熱器的根本構(gòu)造已如前述,作為運(yùn)用例子僅舉出在空氣分別設(shè)備中普遍運(yùn)用的中種換熱子僅舉出在空氣分別設(shè)備中普遍運(yùn)用的中種換熱器。器。v1切換式換熱器切換式換熱器 空氣分別設(shè)備中的切換式換熱空氣分別設(shè)備中的切換式換熱器是用來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣與污氮及氮、氧等產(chǎn)品氣體之器是用來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣與污

21、氮及氮、氧等產(chǎn)品氣體之間的熱交換,并使空氣中的水分、二氧化碳凍結(jié)間的熱交換,并使空氣中的水分、二氧化碳凍結(jié)去除。老的去除。老的6000m3/h空氣分別設(shè)備的切換式換熱空氣分別設(shè)備的切換式換熱器的熱段見(jiàn)圖器的熱段見(jiàn)圖911,它共有兩大組,每大組有,它共有兩大組,每大組有5小組并聯(lián),每小組有兩個(gè)單元板束串聯(lián)組成。小組并聯(lián),每小組有兩個(gè)單元板束串聯(lián)組成。CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室 v CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v新的6000m3/h空分設(shè)備的切換式換熱器分為兩組,每組4個(gè)單元;冷段、熱段各為一個(gè)單元,即冷段、熱段串聯(lián)成為一列,兩列并

22、聯(lián)為一組,兩組組成整個(gè)切換式換熱器。單元尺寸為330010001140mm,每個(gè)單元有101個(gè)通道。v新老構(gòu)造對(duì)比,新構(gòu)造的主要改良在于:通道陳列方式有了改良;冷段適當(dāng)加長(zhǎng),提高了環(huán)流出口溫度,并使CO2凍結(jié)去除的條件得到改善;單元尺寸加大,單元數(shù)減少,有利于氣流均布并使管網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化。而且新構(gòu)造的切換式換熱器的翅片成型、釬接質(zhì)量、焊接構(gòu)造、壽命等都有明顯提高,因此被列為國(guó)家優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。 CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室v切換式換熱器的特點(diǎn)是:v1氣一氣換熱 由于換熱系數(shù)較小,所以采用相對(duì)高而薄的9.50.21.7mm或9.50.21.4mm鋸齒形翅片;v2為凍結(jié)去除空氣中的H2O、CO2,空氣與污氮通道數(shù)相等,氣流定期切換;v3多股流換熱 熱段4股、冷段5股冷段添加一股環(huán)流,以保證不凍結(jié)性。CRYOGENICSCRYOGENICS低溫實(shí)驗(yàn)室低溫實(shí)驗(yàn)室 v v2冷凝蒸發(fā)器 v冷凝蒸發(fā)器的作用是使下塔頂部氮?dú)饽Y(jié),上塔底部液氧蒸發(fā),以提供下塔的回流液和上塔的上長(zhǎng)江蒸氣。老的6000m3/h空氣分別設(shè)備冷凝蒸發(fā)器的構(gòu)造

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