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Générateur hydro-magnétique.
La.présente invention concerne les appareils servant à convertir l'énergie thermique en énergie électrique et, plus spé- cialement, les appareils de conversion d'énergie thermique hydro Magnétique en énergie électrique.
Le procédé habituellement suivi pour produire de gran- des quantités d'énergie électrique consiste à convertir l'énergie calorifique en énergie mécanique et l'énergie mécanique en énergie électrique. Le processus typique utilise de la vapeur surchauffée sous haute pression pour actionner une machine motrice, par exemple une turbine à vapeur, qui entraîne à son tour le rotor d'une généra-. trice électrique. En principe, le procédé de conversion est basé sur le mouvement de conducteurs métalliques dans un champ magnétique.
Les conducteurs ne doivent toutefois pas nécessairement être en
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métal mais peuvent être des conducteurs fluides. Ceci a été suggéré anciennement par Faraday qui a fait des expériences avec du mercure circulant dans un tube en verre entre les pôles d'un aimant. Faraday a aussi proposé d'utiliser le* marées des océans et les courants du champ magnétique terrestre pour produire de l'énergie. Dans tous les cas, l'utilisation de conducteurs métalliques ou liquides exige le procédé plutôt indirect de conversion d'énergie thermique en éner gie mécanique et d'énergie mécanique en énergie électrique.
Si on désire convertir directement de grandes quantités d'énergie thermique en énergie électrique, il est nécessaire d'utiliser un gaz au lieu de conducteurs Métalliques ou liquides, pour obtenir une grande variation de volume.
Divers générateurs hydro-magnétiques (MHD) utilisant un gaz s'ionisant à haute température ont déjà été suggérés.
Larlovitz et consorts ont décrit, dans le brevet américain N 2.210.918, un générateur MHD utilisant un champ électrique disposé dans le sens axial de l'écoulement du gaz. Du fait du dispositif de champ particulier choisi et de la faible conductivité gazeuse obtenue, ce générateur n'a produit que peu d'énergie. Faraday uti- lisait un dispositif à champ transversal lors de son expérience originale au mercure, et Rudenberg utilise un champ du même genre dans le brevet américain n 1.717.413. Rudenberg utilise un arc électrique pour chauffe** et ioniser le gaz dans le générateur d'énergie. Cependant, des expériences récentes ont montré la possi- bilité d'opérer au moyen d'un système de combustion de gaz.
Pour obtenir un cycle à rendement élevé, le générateur MHD doit fonc- tionner a des températures supérieures à 2.500 K. On des facteurs contribuant à la perte de rendement dans un cycle énergétique MHD est le faible rapport entre chute calorifique du générateur et chaleur totale nécessaire pour le fluide actif. L'encombrement du générateur dépend aussi directement de la conductibilité du fluide actif ionisé. On peut aussi utiliser un rapport de pres- sion élevé, donnant un cycle a haut rendement, dans un générateur
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d'une longueur donnée lorsque la conductibilité est élevée. Par conséquent, il est souhaitable d'avoir un gaz à une température moyenne élevée pour maintenir une hante conductibilité, sans que cette température soit cependant excessive.
La présente invention a pour but de procurer un généra- teur d'énergie MHD nouveau et perfectionné dont le rendement soit notablement meilleur.
L'invention a aussi pour but de procurer un générateur d'énergie MHD nouveau et perfectionné dont le cycle de fonctionne- ment ait un rendement notablement meilleur grâce à un réchauffage entre les étages du générateur.
En termes larges, la présente invention procure un appa- rail de conversion d'énergie thermique en énergie électrique qui utilise plusieurs étages d'un générateur hydro-magnétique pour produire de l'énergie électrique en y faisant passer un fluide ac- tif ionisé, le fluide actif étant activé par un métal alcalin pour qu'il s'ionise plus facilement, tandis que de l'énergie calo- rifique est communiquée au fluide actif entre les étages afin de maintenir le fluide actif dans un état de haute conductibilité.
Ces buts ainsi que d'autres buts et perfectionnement ressortiront clairement de la description donnée ci-après avec ré- férence aux dessins annexés, dans lesquels
La figure 1 est une vue schématique facilitant l'exposé du fonctionnement et de la théorie d'un générateur MHD.
La figure 2 est une vue schématique d'une forme d'exécu- tion possible d'un générateur MHD tel qu'utilisé dans la préser te invention.
La figure 3 est une coupe faite suivant la ligne III-III de la figure 2.
La figure 4 est un schéma du système générateur de la présente invention, et
La figure 5 est un diagramme de Mollier facilitant l'ex- posé du cycle de travail conforme à la présente invention.
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On se référera à la figure 1 pour mieux comprendre la théorie et le fonctionnement d'un générateur MHD. Dans tout. la présente description, l'état d'admission du générateur est indi- qué par un indice o agrémentant des débits, tandis que l'état d'é- chappement est indiqué par l'indice 1 et que l'état total est indi- qué par l'indice t. Il est supposé que le gaz, jouant le rôle de fluide actif, entre dans une canalisation de section uniforme à une vitesse uo et une pression po à une température To. Il est supposé aussi que le gaz est activé par une certaine concentration en atomes d'un métal alcalin afin d'augmenter la conductibilité du gaz. On champ magnétique uniforme B est établi dans le sens yper- pendiculaire au sens d'écoulement x du gaz.
Des parois G se trou- vant à une distance b sont des isolateurs et des parois 1 se trouvant à une distance 1 sont des conducteurs servant d'électrodes et sont reliées au circuit de charge extérieur comportant l'impédan- ce de charge R.
La vitesse d'écoulement produit, en combinaison avec le champ magnétique B, le champ électrique E' relativement au gaz en mouvement, de sorte que :
E' = E + u x b (1) où le champ électrique E est dû à la différence de potentiel entre les électrodes ± telle qu'elle est modifiée par toute chute de ten- sion 6 Y à hauteur des surfaces de séparation entre les électrodes et le gaz. Dans ces conditions, la densité de courant 1 peut être exprimée de la façon suivante ; j = O (E + u x B) (2) où O est la conductibilité du gaz.
Du fait, de la réaction entre le champ magnétique B et la densité de courant j, une force F est présente dans le gaz et peut être exprimée par
F = j (3) Le champ électrique dans le sent entre les faces des électrodes e est
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-5- v+1J, 1.. - cr- ou est la tension tt d. la distance entre les électrodes n. La densité de courant dans la direction Z est I . O'(ux 117 + 3z) La force dans la direction x est: 'x ... 3z B7 (6) Comme le signé moles apparaît, la foret est dans le sens des % ne- Catit* o' est-à-dire à contre-courant. Dans l'étude faite ci-aprbay les indices sont négligée.
Les hypothèses suivantes sont faites a) Les propriétés physiques et la vitesse d'écoulement sont uniformes dans toutes les sections. b) Le fluide est un gaz parfait compressible sans frottement. o) On néglige les perturbations du flux magnétique applique par le courant. d) On néglige les courants de fuite. e) La conductibilité électrique est une quantité scalaire avec une valeur déterminée par la température et la pres- sion moyennes dans la canalisation du générateur. f) On néglige les pertes calorifiques, et g) La section transversale de la canalisation est uniforme.
Voici les équations de base concernant l'écoulement dans la canalisation MHD :
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conservation de la masse t Pu m Po uo (7) conservation de la force vive :--d- P u u + p2) JB (fi) conservation de l'énergie : pouQ (h + ) = j8 (9) équations du gaz : s p = 8T n * 1, . o (10) rapport total des températures s T riz y i /it\ <###+ nombre Mach a m -1/ =1+H . 2 nombre Mach pe débit massique t v m i u. bd (13)
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ob. p est la densité du gaz, il est 1.' enthalpIe spécifique du gaz, R- est la constante du gaz, 1 est le rapport entre les chaleurs spd- cifiques du gaz.
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Pour la facilité, on introduit les paramètres sans dla n sions suivante
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En combinant les équations (7), (8), (9) et (10), on trouve la relation suivante entre le rapport des pressions et le rapport des vitesses p G, - CC 3â.., - ,. (3L, (15) m Uô ## ' PO En combinant les équations(8) et (5) et en remplaçant la pres- sion p par sa valeur tirée de l'équation, (15),on trouve la relation suivante entre la vitesse Il et la distance x :
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En particulier, lorsque x .. L" on obtient /U fUl' P ..
PJ. et <p. 91" de sorte que
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Le choix d'un débit d'admission supersonique pour le générateur n'est pas à conseiller à cause des pertes élevées qui en résulte. raient, c'est-à-dire que le débit oeéohappment *rait supersonique ou étranglé, et aussi du fait de la basse température et de la ei.. ble conductibilité qui sont liées à un nombre de Maah élevé.
Le paramètre C2 est un paramètre de charge qui mesure le rapport entre la tension Y et la tension à vide Vx.
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Par conséquent, on tire des équations (4) et (5) la tension à vide qui est
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V* %w UO Bd (1 - 6 ). (19) D'une façon générale, la tension V est donnée par l'équation (14)p > ce qui donne V * U0 Bd (.. C2 ... <5) (20) Le rapport entre la tension et la tension à vide est donc :
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Dans le cas où. 6 m Op le paramètre de charge C2 est simple- ment V/Vxa Dans le cas du court-circuit, C2 est égal à - 0 s'il y a des chutes de tension et d'électrodes, ou égal à 0 si 06 a 0. A vide, C2 " " 1.
Pour un écoulement subsonique) dans le générateur MHB
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à section constante, la vitesse augmente et le rapport Ul/U. est supérieur à l'unité. One limite est donnée à ce rapport par dtr a- glement. L'étranglement a le plus de chance de se produire en court- circuit et peut être évité si., pour = 0, on utilise la relation
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Pour le calcul du générateur MHD, on peut choisir le rapport u1 uo et on peut tirer de l'équation (18). Pour l'analyse d'ur générateur déterminée L est fixe et il faut trouver un rapport
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uliuo satisfaisant l'équation (18) avec les valeurs C, C2' Cet C4 imposées.
Le rapport de températures pour le séparateur eat donné par :
T1 - u1 P1
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'a "o Po
Pour une composition de gaz donnée, la conductibilité est une fonction de la température moyenne T et de la pression moyenne p, de sorte qu'on obtient approximativement :
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Il est à remarquer qu'on peut obtenir la solution de la dynamique des gaz pour le générateur en utilisant les équations (15), (18), (23) et(24). Pour des canalisations longues, où des variations notables de pression ou de température peuvent se produire, la canalisation peut être subdivisée en plusieurs sections pour faci- liter l'analyse précitée à l'aide des équations ci-dessus.
En ce qui concerne les caractéristiques électriques du générateur MHD, on a déjà mentionna la tension à vide et la tension de régime. Le courant du générateur peut être obtenu en intégrant jb en utilisant l'équation (8) pour la conservation de la force vive, ce qui donne :
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La puissance, qui est la tension V multipliée par le courent 1, est donnée par :
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Le rapport entre résistance interne et résistance externe est t
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En court-circuit, les équations précédentes sont d'application avec @1 calculé pour C2 = - 6. Dans le cas où 6 = 0, on obtint :
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La nature de la relation entre le courant 1 et le para- mètre de charge C2 ressort clairement si on examine le cas d'un rapport u1 uo voisin de l'unité.
Dans ce cas, les valeurs approxi- matives du courant 1a et de la puissance pa sont
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On peut donc constater que la onction de Pa exprimée en fonc- tion du paramètre C2 ou du courant la est parabolique.
La figure 2 représente les trois constituante majeure d'un ensemble MHD à générateur et canalisation. Ces constituants sont ;la chambre de combustion 20, la chambre de mélange 22 et la chambre génératrice 24. Les parois métalliques 26 et 28 du mélangeur 22 et de la génératrice 24 sont garnies d'une couche de céramique réfractaire 30 et 32, respectivement, et sont, de pré- férence, refroidies à l'eau de l'extérieur.
Le mélangeur 22 sert à donner l'espace et le temps nécessaires pour une combustion com- plète et joue le rôle d'une chambre soufflante d'où les gaz chauds peuvent être déchargés dans la canalisation 100 de la génératrice* L'aimant 34 qui peut être un noyau en forme de fer à cheval avec des pôles 36 de part et d'autre de la génératrice, est monté de fa- gon a établir un champ magnétique perpendiculaire à l'écoulement du gaz dans la canalisation 7 de la génératrice, c'est-à-aire per- pendiculairement au plan du papier sur la figure 2. La génératrice
24 peut être pourvue de plusieurs paires d'électrodes 40, 42 et 44 disposées le long de la canalisation 100 de la génératrice 24.
Des connexions électriques extérieures sont prévues par l'inter- médiaire des isolateurs de passage 46 et 48, 50 et 52, 54 et 56 allant aux paires d'électrodes internes respectives 40, 42 et 44.
La chambre de combustion 20 comporte deux orifices à combustible 58 et 60 par lesquels on peut introduire du combus- tible, comme du propane, du mazout léger ou du mazout lourd activé au potassium. De l'oxygène peut être introduit par l'orifice 62 dans le collecteur 64 de la chambre de combustion 20, s'il le faut, pour faciliter le processus de combustion. Les gaz actifs chauds nécessaires à la génératrice MHD sont obtenus en brûlant le combusti- ble dans la chambre de combustion tout en introduisant de surcroît
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une matière.d'activation pour augmenter l'ionisation des gaz.
Les électrodes 40, 42 et 44 peuvent tire en carbure de silicium, graphite moulé, tungstène ou oxyde de ziroonium. Cette dernière matière est la meilleure du point de vue de la résistance & l'oxy- dation.
Les isolateurs des parois l&térales 66 et 68 représentes à la figure 3 sont en des matières comme le zircone stabilisa et l'oxyde de magnésium servant à établir l'isolement électrique nécessaire entre les électrodes*
Le métal alcalin utilisé comme activateur dans le combustible actif peut consister en tout métal approprié facile- ment ionisable comme le potassium ou le césium; il peut être intro- duit séparément dans le fluide actif par un des orifices de la cham- bre de combustion 20. L'écoulement du gaz ionisé dans la canalisa- tion crée une tension entre les électrodes supérieure et inférieure à l'intérieur de la canalisation.
La figure 4 représente un système générateur MHD utili- sant trois étages MHD I, II, III, tous semblables au générateur de la figure 2 ;il est évident qu'un plus grand nombre d'étages peut être utilisé dans le système si on le délire. Les étages MHD II et III comportent des injecteurs de combustible ainsi que des zones de mélange et de combustion. De l'oxygène en excès doit être pro- duit dans l'étage I, sinon de l'oxygène supplémentaire doit être injecté aux étages II et III. Par conséquent, chacun des étages MHD comprend une chambre de combustion, une chambre de mélange et une chambre génératrice. Les étages MHD sont disposés en cascade et peuvent être traversés par une canalisation commune dans laquelle le fluide actif circule.
Le fluide actif est constitué par les pro- duits de la combustion de l'oxygène et du combustible, ou de l'air et du combustible.
La figure 5 est un graphique donnant l'enthalpie -h du gaz en fonction de l'entropie -s du gaz pour le cycle du système de la figure 4; les chiffres 1 à 11 de la figure 5 correspondent à l'état du fluide actif en des points @orrespondants portant la même numérotation sur la figure 4*
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De l'air est introduit dans le compresseur 102/ au point
1 sous une pression po. L'air est comprimé à haute pression, par exemple six fols Po au point 2, par un phénomène de compression et de refroidissement bien connu, à l'intérieur du compresseur 102.
L'air sous haute pression au point 2 est alors introduit dans la chambre de pré-chauffage ou échangeur de chaleur 104 où l'air est chauffé suivant une courbe à pression constante de 6po à une température indiquée au point 3 du graphique de la figure 5. L'air à haute pression et à haute température est ensuite introduit dans la chambre de combustion du premier étage MHD I. Du combustible est fourni a la chambre de combustion par la source de combustible 106.
Par la chaleur de la combustion, le gaz actif est porté à une tem- pérature de l'ordre de 2.500*K au point 4 qui correspond à la sortie du mélangeur du premier étage MHD 1. Le gaz chaud ionisé traverse ensuite la chambre génératrice de l'étage 1 et produit de l'énergie . électrique qui est disponible sur les électrodes de cette chambre génératrice.
Pendant que le gaz ionisé traverse la chambre généra. trioe, sa température et sa pression tombent au point $ de la fi- gure 5. Lorsque le gaz passe de l'étage MHD I à l'étage MHD Il$ du combustible est ajouté dans la chambre de combustion de l'étage
II en provenance de la source de combustible de réchauffage 108. La combustion du combustible provenant de la source de combustible de réchauffage 108 ajoute de la chaleur de combustion au gaz qui traverse la canalisation 100, maintenant ainsi le gaz ionisé d ns un état de haute conductibilité tout en augmentant sa température au point 6 approximativement au niveau de 2.500 K du point 4. Le gaz traverse ensuite le mélangeur et la chambre génératrice de l'étage II.
Lorsque le gaz traverse la chambre gén ratrice du deuxième étage II, sa température et sa pression tombent au point
7, à la sortie de la chambre génératrice.
Lorsque le gaz pénètre dans le troisième étage MHD
III, du combustible est à nouveau ajouté dans la chambre de com- bustion de l'étage III, en provenance de la source de combustible
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de réchauffage 110. De l'énergie calorifique est à nouveau ajou- tée au gaz ionisé en circulation afin de maintenir celui-ci dans un état de haute conductibilité. Le gaz traverse ensuite le mé. langeur de l'étage III et quitte celui-ci & la température du point 8 qui est approximativement celle des points 4 et 6 de la figure 5.
L'énergie électrique peut alors être prélevée de la chambre généra- trice de l'étage III pendant le passage du gaz ionisé. Pendant que le gaz traverse la chambre génératrice de l'étage III, sa tem- pérature et sa pression tombent au point 9.
Le gaz chaud quittant la chambre génératrice de l'étage III traverse ensuite l'échangeur de chaleur 104 à l'effet de pré- chauffer l'air passant du compresseur 102 dans le premier étage MHD I. Lorsque de l'énergie calorifique est extraite du gaz, sa tem- pérature tombe en suivant une courbe à pression constante Po Jusqu'au point 10 de la figure 5 qui correspond à une température légèrement inférieure à la température du point 3. L'air quittant la chambre de préchauffage 104 traverse une chaudière 112 où l'éner- gie calorifique contenue dans l'air est utilisée pour produire de la vapeur.
La vapeur produite dans la chauuière 112 est utilisée pour actionner la turbine à vapeur 114. L'arbre de commande de la turbine à vapeur 114 est relié au compresseur 102 et produit ainsi l'énergie mécanique nécessaire à faire tourner le compresseur 102 à l'effet de comprimer l'air entrant, tandis qu'une génératrice conventionnelle 101 peut aussi être attquée par la turbine 114.
La vapeur sortant de la turbine a vapeur 114 passe dans un conden- seur 115 où la vareur est transformée en eau. L'eau est amenée, par une pompe 118, du fond du co censeur 116 dans la chaudière 112 pour être à. nouveau transformée en vapeur lorsque les gaz chauds passent dans la chaudière 112.
Le gaz sortant de la chaudière passer par une canalisa- tion 120, dans un appareil de récupération 122 et de là vers la cheminée 124. On peut admettre que la température au point 11 est d'environ 500 K dans la forme d'exécution considérée.
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Afin que le si%% tJ8,...-t 14 .,..d8t 0-#Iontoe ipl" lacileu4ntp on y ajout* un métal aUa1 olc,l 1- 1* p&Jtud88m .. :a. oisiume Dan# l'.xupl...1'J8., on ajoute ...¯1- va *et de of métal au sas deM la obsubr* 4.....ttM Jr-1ftJ' étffl MHD le Une ",.naU.at1OA 126 Joue 1* 1 4:f..tU 40adjaie- tien de ubtière 4'activation afin de <MwMUM'i' tout. P t* m ma, tière alcalins lors du passais 1...,. et é#* Â* ebectude 124. Le# ItoU' de A\étal alcalin préstats da4.t cas ont tweaf effet que oeiNi-oi <ioi <t plus i*AQMWit et ...t4t OM< <!a<t0aw- tib11it' plus élevée; les *toms 4'tiltat <t<uM la o...8attd8 100 avec le débit 1.8UX, f p?flr U 4e ,."ouphat1- 122 Oort à récupérer la mat1r. alcalin. avaat 4ue le gaz AO&ttatou 1* eftw¯ mines 124.
Ltappartil de récupération 122 ptut 1.t.' tu va appareil de prâcipitation électrostatique ou m an 4purat.ar à wepwrwiea ci' .aU de type bien oonnu pour séparer 1*4 sels 41*614 ou le$ hydroxyde de l'air ou 4. la fu 4 . Caos le eau du PJ'H1p1- tatour fleotro.tlt1qu., les particules contenant 1....1ua 808t séparées du ces par dos forçât 81.otro.tat1qu.., !<<<m'<: e11l1.. dans ua puisard et dissoutes dans un courant 4'.au piaétraat par loontrée 3.30 000 partie la sont ?<mvoy< v<!*< la bzz ooaduotion en solution concentrée du fait que l'eau est v poria4# dans la chambre de conduction de l'étaga 1.
Dans la cas de l"para- tour à toporsion dpeaup les molécule$ portant le cé.1 nt dissout*$ par contact intitte <v o les gouttelettes d'eau 4'aa,.r- .1on, et la solution ainsi obtenue ont remise dans la cycle vers la chrmbre de combustion de l'étage 1 où l'eau est vaporisée.
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L'accroissement du rendement général du système causé par l'utilisation de points de réchauffage suivant la présente
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invention rassortira clairement des calculs suiv nts basés sur des valeurs de température déterinînées. Il est supposé que 'El '" 300.', TZ a 1.000.&. Il est aussi supposé que T5 - 17 m T9e et que T4 a T6 * T8. Sans les points de réchauffage, le retroi-
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ct'ls''''4m21L\ as P"!1'"ltrt W1'ftat le CrDUt''! t! gC1lioxt Pst et ou ,\1,.
B<Mt afr- iM n1aoa quo l,..n.tnûp1t' #='4 1'1fQ'{lQ\M;tU..$ ¯1 le f'tQ4...Q\ tu 0101t sans 1'4- MMtMtt; ,,-
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