AT14941U1 - A method for defrosting an air-brine heat exchanger of a heat pump with a brine circuit - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Abtauen eines Luft-Sole-Wärmetauschers (3) einer Wärmepumpe mit einem Solekreislauf (4), in dem sich eine Umwälzpumpe (5) befindet, wobei der Solekreislauf (4) mit dem Verdampfer (6) der Wärmepumpe verbunden ist, einer Erfassung der Umgebungslufttemperatur Tu mittels eines ersten Temperatursensors (1) und einer Erfassung der Temperatur der Sole TS,w stromab des Luft-Sole- Wärmetauschers (3) mittels eines zweiten Temperatursensors (2), wobei der Luft-Sole- Wärmetauscher (3) über ein Gebläse (7) zur Förderung von Umgebungsluft durch den Luft-Sole-Wärmetauscher (3) verfügt, wobei beim Betrieb der Umwälzpumpe (5), frühestens jedoch nach einer vorbestimmten Zeit tmin nach dem Start der Umwälzpumpe (5) die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Umgebungslufttemperatur Tu und der Temperatur der Sole TS,w stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers (3) erfasst wird und in den Fall, in dem die Temperaturdifferenz ΔT einen vorbestimmten Betrag ΔTmax übersteigt, ein Abtauvorgang eingeleitet wird.A method for defrosting an air-brine heat exchanger (3) of a heat pump with a brine circuit (4) in which a circulation pump (5) is located, wherein the brine circuit (4) is connected to the evaporator (6) of the heat pump, a detection the ambient air temperature Tu by means of a first temperature sensor (1) and a detection of the temperature of the brine TS, w downstream of the air-brine heat exchanger (3) by means of a second temperature sensor (2), wherein the air-brine heat exchanger (3) via a Blower (7) for conveying ambient air through the air-brine heat exchanger (3), wherein during operation of the circulation pump (5), but at the earliest after a predetermined time tmin after the start of the circulation pump (5), the temperature difference .DELTA.T between the ambient air temperature Tu and the temperature of the brine TS, w downstream of the air-brine heat exchanger (3) is detected and in the case in which the temperature difference .DELTA.T exceeds a predetermined amount .DELTA.Tmax, a Abtauvo initiated.
Description
Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtauen eines Luft-Sole-Wärmetau-schers einer Wärmepumpe mit einem Solekreislauf.Description [0001] The invention relates to a method for defrosting an air-brine heat exchanger of a heat pump with a brine circuit.
[0002] Mittels Luft-Sole-Wärmetauschern kann Wärmepumpen Umweltwärme selbst von sehr niedrigem Temperaturniveau zur Verfügung gestellt werden. Bei Kompressionswärmepumpen wird das Kältemittel im Wärmepumpenkreislauf auf Temperaturen bis kleiner -15°C abgekühlt. Somit kann selbst bei einer Außentemperatur von -15°C der Umwelt Wärme entzogen und im Verdampfer auf den Wärmepumpenkreislauf übertragen werden.By means of air-brine heat exchangers heat pumps can be provided even from very low temperature level environmental heat. With compression heat pumps, the refrigerant in the heat pump cycle is cooled down to temperatures below -15 ° C. Thus, even at an outside temperature of -15 ° C the heat can be removed from the environment and transferred to the heat pump cycle in the evaporator.
[0003] Hierbei kann es jedoch zur Verreifung beziehungsweise Vereisung des Luft-Sole-Wär-metauschers kommen, insbesondere dann, wenn warme, feuchte Luft am kalten Luft-Sole-Wärmetauscher abgekühlt wird. Diese Vereisung verringert den Luftvolumenstrom und verschlechtert den Wärmeübergang im Wärmetauscher, so dass bei übermäßiger Vereisung der Luft-Sole-Wärmetauscher enteist werden muss. Dies sollte vorzugsweise selbsttätig geschehen.However, this may lead to Verreifung or icing of the air-brine heat exchanger, especially when warm, moist air is cooled at the cold air-brine heat exchanger. This icing reduces the air volume flow and deteriorates the heat transfer in the heat exchanger, so that in case of excessive icing of the air-brine heat exchanger must be de-iced. This should preferably be done automatically.
[0004] DE 10 2006 003 827 A1 zeigt eine Wärmepumpe ohne gesonderten Solekreislauf, bei welcher das Verdampfungsaggregat des Wärmepumpenkreises mittels eines elektrischen Außenlüfters unmittelbar von Umgebungsluft durchströmt wird. Beim Entfrostungsbetrieb bleibt der Kompressor aktiviert und somit der Wärmepumpenprozess findet weiterhin statt.DE 10 2006 003 827 A1 shows a heat pump without separate brine circuit, in which the evaporation unit of the heat pump circuit is directly flowed through by an external electric fan by ambient air. During the defrosting operation, the compressor remains activated and thus the heat pump process continues to take place.
[0005] DE 102 15 586 A1 zeigt ebenfalls eine Wärmepumpe ohne Solekreislauf, bei welcher der Verdampfer von Umgebungsluft durchströmt wird. Ein Heizelement ist im Kältemittelkreislauf stromauf des Verflüssigers angeordnet, so dass zunächst vom Heizelement Wärme auf den Verflüssiger übertragen wird, bevor Restwärme zum Verdampfer gelangt. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum sicheren Abtauen eines Luft-Sole-Wärmetau-schers zu generieren, das die Notwendigkeit des Enteisens erkennt und entsprechende Maßnahmen einleitet.DE 102 15 586 A1 also shows a heat pump without brine circuit, in which the evaporator is flowed through by ambient air. A heating element is arranged in the refrigerant circuit upstream of the condenser, so that heat is first transferred from the heating element to the condenser before residual heat reaches the evaporator. The invention is therefore based on the object to generate a method for the safe defrosting of an air-brine Wärmetau-shear, which recognizes the need for deicing and initiates appropriate action.
[0006] Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Dementsprechend werden bei einer Wärmepumpe mit einem Solekreislauf, in dem sich ein Luft-Sole-Wärmetauscher und eine Umwälzpumpe befinden, die Umgebungstemperatur der Luft und die Temperatur der Sole stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers erfasst. Überschreitet die Temperaturdifferenz dieser beiden Temperaturen im Betrieb eine bestimmte Differenz, so ist dies ein sicheres Indiz für einen vereisten Luft-Sole-Wärmetauscher, so dass ein Abtau- beziehungsweise Enteisungsvorgang eingeleitet wird.This is achieved by a method having the features of the independent claim. Accordingly, in a heat pump having a brine circuit in which an air-brine heat exchanger and a circulation pump are located, the ambient temperature of the air and the temperature of the brine are detected downstream of the air-brine heat exchanger. If the temperature difference of these two temperatures in operation exceeds a certain difference, this is a sure indication for an iced air-brine heat exchanger, so that a defrosting or de-icing process is initiated.
[0007] Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.Advantageous embodiments will become apparent according to the features of the dependent claims.
[0008] Wird während des Abtauvorgangs der Wärmepumpenprozess ausgeschaltet, so wird dem Solekreislauf keine Wärme entzogen, so dass er sich leichter aufheizt.If the heat pump process is switched off during the defrosting process, no heat is removed from the brine circuit so that it heats up more easily.
[0009] Durch das Fördern von Luft mittels Gebläse durch den Luft-Sole-Wärmetauscher wird der Solekreislauf auf Umgebungstemperatur erwärmt. Reicht dies für die Abtauung nicht aus, so kann ein Heizelement im Solekreislauf zugeschaltet werden. Dies kann stufenweise (zuerst nur das Gebläse, dann Gebläse plus Heizelement) geschehen. Das Einschalten des Heizelements kann dabei nach einer vorbestimmten Zeit nach Beginn des Abtauvorgangs oder beim Erreichen einer bestimmten Temperaturdifferenz, die kleiner als erstgenannte Temperaturdifferenz ist, erfolgen.By conveying air by means of a fan through the air-brine heat exchanger, the brine circuit is heated to ambient temperature. If this is insufficient for the defrost, then a heating element in the brine circuit can be switched on. This can be done in stages (first only the fan, then blower plus heating element). The switching on of the heating element can take place after a predetermined time after the beginning of the defrosting process or when a certain temperature difference, which is smaller than the first-mentioned temperature difference, occurs.
[0010] Der Abtauvorgang wird beendet, sobald die Temperatur der Sole stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers einen vorgegebenen Wert oder eine errechnete Temperatur, die um eine bestimmte Differenz über der Temperatur zu Beginn des Abtauvorgangs liegt, übersteigt. Alternativ wird der Abtauvorgang beendet, sobald der Temperaturgradient signifikant ansteigt.The defrosting process is terminated as soon as the temperature of the brine downstream of the air-brine heat exchanger exceeds a predetermined value or a calculated temperature which is a certain difference above the temperature at the beginning of the defrosting process. Alternatively, the defrosting operation is terminated as soon as the temperature gradient increases significantly.
[0011] Die Erfindung wird nun anhand der Figuren erläutert. Hierbei zeigen [0012] Figur 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und [0013] Figur 2 den Temperaturverlauf beim erfindungsgemäßen Verfahren.The invention will now be explained with reference to the figures. FIG. 1 shows a device for carrying out the method according to the invention, and [0013] FIG. 2 shows the temperature profile in the method according to the invention.
[0014] Figur 1 zeigt einen Solekreislauf 4 einer Wärmepumpe 12 mit einem Luft-Sole- Wärmetauscher 3, der über ein Gebläse 7 zur Förderung von Umgebungsluft durch den Luft-Sole-Wärmetauscher 3 verfügt. In dem Solekreislauf 4 befindet sich ferner eine Umwälzpumpe 5. Der Solekreislauf 4 ist über einen Verdampfer 6 mit der Wärmepumpe 12 verbunden. Ein erster Temperatursensors 1 zur Erfassung der Umgebungslufttemperatur Tu ist auf der Lufteintrittsseite des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 angeordnet. Ein zweiter Temperatursensors 2 ist im Solekreislauf 4 zur Erfassung der Temperatur der Sole Ts,w stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 positioniert. Ein Heizelement 8 ist unmittelbar stromauf des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 im Solekreislauf 4 angeordnet.Figure 1 shows a brine circuit 4 of a heat pump 12 with an air-brine heat exchanger 3, which has a fan 7 for conveying ambient air through the air-brine heat exchanger 3. In the brine circuit 4 is also a circulating pump 5. The brine circuit 4 is connected via an evaporator 6 to the heat pump 12. A first temperature sensor 1 for detecting the ambient air temperature Tu is arranged on the air inlet side of the air-brine heat exchanger 3. A second temperature sensor 2 is positioned in the brine circuit 4 for detecting the temperature of the brine Ts, w downstream of the air-brine heat exchanger 3. A heating element 8 is arranged immediately upstream of the air-brine heat exchanger 3 in the brine circuit 4.
[0015] Die Wärmepumpe 12 ist in einem Haus aufgestellt. Durch die Hauswand 11 hindurch führt der Solekreislauf 4 zum Luft-Sole-Wärmetauscher 3. Im Solekreislauf 4 sind ferner stromab und stromauf des Verdampfers 6 jeweils ein dritter und ein vierter Temperatursensor 9, 10 angeordnet.The heat pump 12 is placed in a house. Through the house wall 11 through the brine circuit 4 leads to the air-brine heat exchanger 3. In the brine circuit 4 downstream and upstream of the evaporator 6 are each a third and a fourth temperature sensor 9, 10 are arranged.
[0016] Beim Betrieb der Wärmepumpe 12 ist unter anderem die Umwälzpumpe 5 in Betrieb. Es wird zumindest temporär die Umgebungslufttemperatur Tu und die Temperatur der Sole Ts,w stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 erfasst. Ist der Luft-Sole-Wärmetauscher 3 nicht vereist, so kann die Sole Wärme aus der Umgebung aufnehmen. Im Idealfall würde die Sole die Umgebungstemperatur annehmen; bedingt durch die endliche Wärmetauscherfläche bleibt die Sole jedoch stets etwas kälter. Kommt es zu einer Vereisung des Luft-Sole- Wärmetauschers 3, so nimmt die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen der Umgebungslufttemperatur Tu und die Temperatur der Sole Ts,w stromab des Luft-Sole- Wärmetauschers 3 zu. Je vereister der Luft-Sole-Wärmetauscher 3 ist, desto größer wird die Temperaturdifferenz ΔΤ.During operation of the heat pump 12, inter alia, the circulating pump 5 is in operation. At least temporarily, the ambient air temperature Tu and the temperature of the brine Ts, w downstream of the air-brine heat exchanger 3 are detected. If the air-brine heat exchanger 3 is not frozen, the brine can absorb heat from the environment. Ideally, the brine would take on the ambient temperature; However, due to the finite heat exchanger surface, the brine always remains slightly colder. If an icing of the air-brine heat exchanger 3 occurs, the temperature difference ΔΤ between the ambient air temperature Tu and the temperature of the brine Ts, w increases downstream of the air-brine heat exchanger 3. The more icy the air-brine heat exchanger 3, the greater the temperature difference .DELTA.Τ.
[0017] Beim Stillstand der Umwälzpumpe 5 kann es zu großen Temperaturdifferenzen ΔΤ kommen. Daher muss die Umwälzpumpe 5 für das erfindungsgemäße Verfahren für eine vorbestimmte Zeit tmin, die einen stattgefundenen Temperaturausgleich zwischen der Umgebungsluft und der Sole am zweiten Temperatursensors 2 gewährleistet, eingeschaltet sein. Die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen der Umgebungslufttemperatur Tu und die Temperatur der Sole Ts,w stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 wird dann erfasst. Übersteigt die Temperaturdifferenz ΔΤ einen vorbestimmten Betrag ATmax von beispielsweise 7 K, so muss davon ausgegangen werden, dass der Luft-Sole-Wärmetauscher 3 nicht nur geringfügig vereist ist und ein Abtauvorgang notwendig ist.At standstill of the circulation pump 5, it can lead to large temperature differences .DELTA.Τ. Therefore, the circulating pump 5 for the inventive method for a predetermined time tmin, which ensures a temperature equalization between the ambient air and the brine on the second temperature sensor 2 must be turned on. The temperature difference ΔΤ between the ambient air temperature Tu and the temperature of the brine Ts, w downstream of the air-brine heat exchanger 3 is then detected. If the temperature difference ΔΤ exceeds a predetermined amount ATmax of, for example, 7 K, it must be assumed that the air-brine heat exchanger 3 is not only slightly frosted and a defrosting operation is necessary.
[0018] Beim Abtauvorgang wird der Wärmepumpenprozess entweder ausgeschaltet oder auf niedriger Modulation betrieben, so dass über den Verdampfer 6 dem Solekreislauf 4 keine beziehungsweise kaum Wärme entzogen wird. Die Umwälzpumpe 5 bleibt eingeschaltet. Das Gebläse 7 fördert Umgebungsluft durch den Luft-Sole-Wärmetauscher 3, so dass Wärme aus der Umgebung auf den Luft-Sole-Wärmetauscher 3 übertragen wird.When defrosting the heat pump process is either switched off or operated on low modulation, so that no or little heat is withdrawn via the evaporator 6 the brine circuit 4. The circulation pump 5 remains switched on. The fan 7 conveys ambient air through the air-brine heat exchanger 3, so that heat from the environment is transferred to the air-brine heat exchanger 3.
[0019] Ein Abtauen beziehungsweise Enteisen kann durch zwei Effekte erreicht werden: Die Zufuhr von Schmelzwärme und die Abgabe von Feuchte des Eises an die Umgebungsluft. Für letztgenannten Effekt ist es notwendig, dass die Umgebungsluft nicht gesättigt ist. Da das Sättigungsvermögen von Luft temperaturabhängig ist, wird letztendlich eine bestimmte Mindesttemperatur der Umgebungsluft benötigt.A defrost or deicing can be achieved by two effects: the supply of heat of fusion and the release of moisture of the ice to the ambient air. For the latter effect, it is necessary that the ambient air is not saturated. Since the saturation of air is temperature dependent, ultimately a certain minimum ambient air temperature is needed.
[0020] Das Enteisen mittels Zufuhr von Schmelzwärme setzt voraus, dass das wärmenden Medium eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur von Eis (0°C) besitzt.The deicing by means of supply of heat of fusion requires that the heating medium has a temperature above the melting temperature of ice (0 ° C).
[0021] Hieraus folgt, dass in dem Fall, in dem die Umgebungstemperatur Tu oberhalb eines vorgegebenen Wertes Tu,min, beispielsweise 5°C, liegt, das Enteisen nur mittels Betrieb des Gebläses 7 und der Umwälzpumpe 5 erfolgen kann.It follows that in the case in which the ambient temperature Tu above a predetermined value Tu, min, for example, 5 ° C, the defrosting can only be done by means of operation of the fan 7 and the circulating pump 5.
[0022] Unterschreitet die mittels des ersten Temperatursensors 1 erfasste Umgebungslufttem- peratur Tu diesen vorgegebenen Wert Tu,min, so wird das Heizelement 8, das stromauf des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 im Solekreislauf 4 angeordnet ist, zeitversetzt oder unmittelbar eingeschaltet.If the ambient air temperature Tu detected by means of the first temperature sensor 1 drops below this predetermined value Tu, min, then the heating element 8, which is arranged upstream of the air-brine heat exchanger 3 in the brine circuit 4, is switched on or off immediately.
[0023] Wird das Heizelement 8 mit konstanter Leistung betrieben, so kann die Temperatur stromab des Heizelements 8 durch die Variation des Volumenstroms mittels einer drehzahlgeregelten Umwälzpumpe 5 eingestellt werden.If the heating element 8 is operated at a constant power, then the temperature can be adjusted downstream of the heating element 8 by the variation of the volume flow by means of a variable-speed circulating pump 5.
[0024] Solang sich Eis am Luft-Sole-Wärmetauscher 3 befindet, steigt die Temperatur der Sole Ts.w am zweiten Temperatursensor 2 im Solekreislauf 4 stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 nicht signifikant an.As long as ice is on the air-brine heat exchanger 3, the temperature of the brine Ts.w at the second temperature sensor 2 in the brine circuit 4 downstream of the air-brine heat exchanger 3 does not increase significantly.
[0025] Der Abtauvorgang wird beendet, sobald die Temperatur der Sole Ts,w stromab des Luft-Sole- Wärmetauschers 3 einen vorgegebenen Wert Ts,w,max oder eine Temperatur, die um eine bestimmte Differenz ATS über der Temperatur zu Beginn des Abtauvorgangs liegt, übersteigt oder der Temperaturgradient dTs/dt signifikant ansteigt. Letzteres ist beispielsweise dann der Fall, wenn während des Enteisens der Temperaturanstieg unter 0,1 K/min liegt und plötzlich der Temperaturanstieg auf einen Betrag größer 1 K/min ansteigt.The defrosting operation is terminated as soon as the temperature of the brine Ts, w downstream of the air-brine heat exchanger 3 is a predetermined value Ts, w, max or a temperature which is a certain difference ATS above the temperature at the beginning of the defrosting process , exceeds or the temperature gradient dTs / dt increases significantly. The latter is the case, for example, when the temperature increase during defrosting is less than 0.1 K / min and suddenly the temperature rise increases to an amount greater than 1 K / min.
[0026] Figur 2 zeigt den Verlauf des Abtauens. Bis zum Zeitpunkt L verlaufen die Umgebungslufttemperatur Tu sowie die Temperatur der Sole Ts,w am zweiter Temperatursensors 2 parallel. Ab dem Zeitpunkt L sinkt die Temperatur der Sole Ts,w da der Luft-Sole-Wärmetauscher 3 vereist. Zum Zeitpunkt t2 ist die Temperaturdifferenz ATmax zwischen der Umgebungslufttemperatur Tu sowie die Temperatur der Sole Ts,w erreicht. Der Wärmepumpenkreislauf wird abgeschaltet, während die Umweltpumpe 5 und das Gebläse 7 weiterlaufen. Die Temperatur der Sole Ts,w steigt durch die Aufnahme von Umgebungswärme und gleicht sich der Umgebungslufttemperatur Tu an. Eine vorbestimmt Zeit At nach Erreichen der Temperaturdifferenz ATmax wird das Heizelements 8 zum Zeitpunkt t3 eingeschaltet. Alternativ kann das Heizelement 8 eingeschaltet werden, wenn die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen der Umgebungslufttemperatur Tu sowie die Temperatur der Sole Ts,w eine vorgegebene Temperaturdifferenz ATmin, die kleiner als ATmax ist, erreicht. So kann beispielsweise das Heizelement 8 eingeschaltet werden, sobald die Sole nur noch 1 bis 2 K kälter als die Umgebung ist. Nun wird die Sole auf eine Temperatur größer der Umgebungstemperatur Tu erhitzt. Da die Wärme als Schmelzwärme an den Luft- Sole-Wärmetauscher 3 abgegeben wird, verharrt die Temperatur der Sole Ts,w nach einem kurzen Temperaturanstieg bei einer Temperatur knapp oberhalb der Schmelztemperatur. Diese Temperatur ergibt sich im Gleichgewicht dadurch, dass sich in einem Wärmetauscher stets ein Temperaturgefälle einstellt und der Luft-Sole-Wärmetauscher 3 durch den Schmelzprozess selbst bei 0°C verbleibt. Erst wenn das Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur der Sole Ts,w signifikant an. Anhand des gemessenen Anstiegs (Gradienten) der Temperatur der Sole Ts,w oder anhand des Überschreitens einer Absoluttemperatur, beispielsweise 4°C, wird die Eisfreiheit festgestellt, so dass der Abtauvorgang zum Zeitpunkt t4 beendet wird.FIG. 2 shows the course of defrosting. Until the time L, the ambient air temperature Tu and the temperature of the brine Ts, w run parallel to the second temperature sensor 2. From the time L, the temperature of the brine Ts, w decreases because the air-brine heat exchanger 3 iced. At time t2, the temperature difference ATmax between the ambient air temperature Tu and the temperature of the brine Ts, w is reached. The heat pump cycle is switched off while the environmental pump 5 and the blower 7 continue to run. The temperature of the brine Ts, w increases by the absorption of ambient heat and equalizes the ambient air temperature Tu. After reaching the temperature difference ΔTmax, the heating element 8 is turned on at time t3 for a predetermined time Δt. Alternatively, the heating element 8 can be turned on when the temperature difference .DELTA.Τ between the ambient air temperature Tu and the temperature of the brine Ts, w reaches a predetermined temperature difference ATmin, which is smaller than ATmax. For example, the heating element 8 can be switched on as soon as the brine is only 1 to 2 K colder than the environment. Now the brine is heated to a temperature higher than the ambient temperature Tu. Since the heat is released as heat of fusion to the air-brine heat exchanger 3, the temperature of the brine Ts, w remains after a brief rise in temperature at a temperature just above the melting temperature. This temperature is obtained in equilibrium that always sets a temperature gradient in a heat exchanger and the air-brine heat exchanger 3 remains even at 0 ° C by the melting process. Only when the ice has melted does the temperature of the sols Ts, w increase significantly. Based on the measured rise (gradient) of the temperature of the brine Ts, w or on the basis of exceeding an absolute temperature, for example 4 ° C, the freedom from ice is determined, so that the defrosting process is terminated at time t4.
[0027] Die Erfindung ist nicht nur auf Kompressionswärmepumpen beschränkt. So kann erfindungsgemäß beispielsweise auch ein Luft-Sole-Wärmetauscher einer Sorptionswärmepumpe enteist werden.The invention is not limited only to compression heat pumps. For example, according to the invention, an air-brine heat exchanger of a sorption heat pump can also be de-iced.
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Effective date: 20200331 |