BR102017017568B1 - Composição de fluido refrigerante, uso da composição, produto envasado e processo de envasamento - Google Patents
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Abstract
A presente invenção se refere a uma composição de fluido refrigerante, que compreende os seguintes componentes: a) pelo menos um difluormetano; b) pelo menos um pentafluoretano; c) pelo menos um tetrafluoretano; d) pelo menos um tetrafluorpropeno; e e) pelo menos um trifluoretano. A composição preferencialmente compreende adicionalmente nanopartículas selecionadas a partir do grupo que consiste de: grafite, prata, zinco e dióxido de silício, e suas misturas.
Description
[001] A presente invenção se refere a uma composição de fluido refrigerante que compreende uma mistura de componentes específicos, bem como seu uso em aparelhos refrigeradores.
[002] São conhecidas do estado da técnica inúmeras composições de fluidos refrigerantes, que costumam compreender misturas de gases refrigerantes, aplicadas a aparelhos de refrigeração.
[003] A escolha dos componentes específicos dessas misturas de gases refrigerantes pode envolver diversos fatores técnicos, geralmente alinhados de modo a otimizar o gasto energético e o impacto ambiental do aparelho refrigerador em si.
[004] Sistemas de refrigeração são responsáveis por grande parte do gasto de energia elétrica mundial, de modo que toda e qualquer modificação nos fluidos refrigerantes que impacte positivamente o gasto energético do sistema como um todo, é altamente desejável.
[005] É igualmente desejável que os fluidos refrigerantes apresentem baixo potencial de aquecimento global (GWP), um parâmetro muito utilizado para selecionar gases refrigerantes para as misturas comerciais, e que explica a mudança dos tradicionais clorofluorocarbonos (CFCs) e hiroclorofluorcarbonos (HCFCs) para os hidrofluorocarbonos (HFCs) ou hidrofluorolefinas (HFOs), utilizados atualmente.
[006] Neste sentido, o documento US 8038899 descreve composições refrigerantes que compreendem misturas de gases HFCs com agentes solubilizantes de siloxano, buscando melhorar a miscibilidade da mistura fornecida. As misturas reveladas neste documento compreendem até três gases refrigerantes.
[007] Ainda, o documento US 9540554 revela misturas refrigerantes com três ou quatro componentes HFCs e de hidrofluorolefinas (HFOs), com o intuito de substituir misturas do estado da técnica que apresentavam altos valores de GWP, e que podem ser utilizadas em diversos sistemas e aparelhos de refrigeração.
[008] Da mesma forma, o documento US 9359540 revela composições de fluidos refrigerantes contendo até três componentes, igualmente buscando misturas que apresentem menores valores de GWP e melhor performance energética.
[009] Assim, de acordo com as informações acima, nota-se que o estado da técnica atual segue em busca de composições de fluidos refrigerantes cujas misturas de componentes específicos sejam capazes de promover um ganho energético ao aparelho refrigerador, e que possuam baixos valores de GWP.
[010] Em um primeiro aspecto, a presente invenção se refere a composição de fluido refrigerante compreendendo os seguintes componentes: a) pelo menos um difluormetano; b) pelo menos um pentafluoretano; c) pelo menos um tetrafluoretano; d) pelo menos um tetrafluorpropeno; e) pelo menos um trifluoretano.
[011] Em uma concretização preferencial, o tetrafluoretano é 1,1,1,2-tetrafluoretano.
[012] Em outra concretização preferencial, o tetrafluorpropeno é 2,3,3,3-tetrafluorpropeno.
[013] Em outra concretização preferencial, o trifluoretano ser 1,1,1-trifluoretano.
[014] Em outra concretização preferencial os componentes da composição de fluido refrigerante apresentarem as seguintes proporções: f) de 20 a 30%, em peso, de difluormetano, em relação ao peso total da composição; g) de 20 a 30%, em peso, de pentafluoretano, em relação ao peso total da composição; h) de 15 a 25%, em peso, de tetrafluoretano, em relação ao peso total da composição; i) de 15 a 25%, em peso, de tetrafluorpropeno, em relação ao peso total da composição; j) de 5 a 15%, em peso, de trifluoretano, em relação ao peso total da composição.
[015] Em outra concretização preferencial, a composição de fluido refrigerante compreende adicionalmente nanopartículas, que preferencialmente apresentam tamanho de partícula que varia entre 1 e 20 nm.
[016] Em outra concretização preferencial, as nanopartículas são selecionadas a partir do grupo que consiste em: grafite, prata, zinco e dióxido de silício, e suas misturas, preferencialmente dióxido de silício.
[017] Em outra concretização preferencial, a quantidade de nanopartículas é de até 5% em peso, em relação ao peso total da composição.
[018] A presente invenção também se refere ao uso da composição, conforme definida acima, em um aparelho refrigerador.
[019] Outro objeto da presente invenção é um aparelho refrigerador que compreende pelo menos um trocador de calor, pelo menos um compressor, e a composição de fluido refrigerante conforme definida acima.
[020] Um objeto adicional da presente invenção é um produto envasado que compreende um envoltório externo, que armazena a composição de fluido refrigerante, conforme definida acima.
[021] Por fim, outro objeto da presente invenção é um processo de envasamento da composição de fluido refrigerante, conforme definida acima, compreendendo as etapas de: k) transferência dos componentes a) a e) em fase líquida para um sistema estanque; l) pesagem da composição; e m) envaze da composição.
[022] As Figuras 1 a 7 revelam gráficos de potência consumida por aparelhos refrigeradores que utilizam a composição de fluido refrigerante de acordo com a presente invenção, em comparação a outras composições do estado da técnica.
[023] A Figura 8 revela um gráfico de consumo energético e corrente para aparelhos refrigeradores que utilizam a composição de fluido refrigerante de acordo com a presente invenção, em comparação a outras composições do estado da técnica.
[024] A Figura 9 revela um gráfico de variação de temperatura de insuflamento e ar externo para aparelhos refrigeradores que utilizam a composição de fluido refrigerante de acordo com a presente invenção, em comparação a outras composições do estado da técnica.
[025] A presente invenção se refere a uma composição de fluido refrigerante que compreende uma mistura de cinco componentes, descritos a seguir: a) pelo menos um difluormetano; b) pelo menos um pentafluoretano; c) pelo menos um tetrafluoretano; d) pelo menos um tetrafluorpropeno; e e) pelo menos um trifluoretano.
[026] Para o difluormetano, só há uma possibilidade de configuração dos átomos de flúor, detalhada abaixo na Fórmula (I):
[027] Difluormetano é um fluido refrigerante conhecido do estado da técnica, comercializado com referência “R32a”, e número CAS: 75-10-5.
[028] Da mesma forma, para o pentafluoretano, também só há uma possibilidade de configuração dos átomos de flúor, detalhada abaixo na Fórmula (II):
[029] Pentafluoretano é um fluido refrigerante conhecido do estado da técnica, comercializado com referência “R125a”, e número CAS: 354-33-6.
[030] Já para o tetrafluoretano, mais de uma configuração é possível, sendo preferencial o 1,1,1,2-tetrafluoretano, detalhado abaixo na fórmula (III):.
[031] Tetrafluoretano é um fluido refrigerante conhecido do estado da técnica, comercializado com referência “R134a”, e número CAS: 811-97-2.
[032] Tetrafluorpropeno também apresenta mais de uma configuração possível, sendo preferencial o 2,3,3,3-tetrafluorpropeno, cuja estrutura está detalhada abaixo na Fórmula (IV):
[033] Tetrafluorpropeno é um fluido refrigerante conhecido do estado da técnica, comercializado com referência “HFO1234yf”, e número CAS: 754-12-1.
[034] Por fim, o trifluoretano preferencial é 1,1,1-trifluoretano, cuja estrutura se encontra detalhada na Fórmula (V) abaixo:
[035] Trifluoretano é um fluido refrigerante conhecido do estado da técnica, comercializado com referência “R143a”, e número CAS: 420-46-2.
[036] Todos os cinco componentes da mistura devem estar presentes para que a melhor performance energética e os menores valores de GWP sejam obtidos, de acordo com a presente invenção.
[037] De maneira preferencial, os componentes da composição de fluido refrigerante estão presentes nas seguintes proporções: a) de 20 a 30%, em peso, de difluormetano, em relação ao peso total da composição; b) de 20 a 30%, em peso, de pentafluoretano, em relação ao peso total da composição; c) de 15 a 25%, em peso, de tetrafluoretano, em relação ao peso total da composição; d) de 15 a 25%, em peso, de tetrafluorpropeno, em relação ao peso total da composição; e) de 5 a 15%, em peso, de trifluoretano, em relação ao peso total da composição.
[038] Importante destacar que a proporção entre os componentes da presente invenção não é facilmente derivada do estado da técnica. Em particular, a concentração de 15 a 25% de tetrafluoretano foge do comumente utilizado, uma vez que este componente costuma ser utilizado em proporção de base, ou seja, em concentrações maiores.
[039] A escolha de cada um dos cinco componentes da composição da presente invenção também envolveu extenso planejamento. A presença de trifluoretano, por exemplo, implica em uma otimização do valor de “glide”, que se refere à variação entre as temperaturas de super-aquecimento e super-resfriamento.
[040] As composições de fluidos refrigerantes da presente invenção apresentam potencial de destruição da camada de ozônio (ODP) igual a zero, e baixos valores de GWP em relação às composições conhecidas do estado da técnica.
[041] As composições de fluidos refrigerantes da presente invenção apresentam pressão nominal de trabalho mais baixa, que geram um ganho térmico expressivo e energético, criando um alívio ao sistema de refrigeração como um todo.
[042] Ainda, as composições de fluidos refrigerantes da presente invenção podem ser utilizadas com qualquer tipo de óleo lubrificante, aumentando sua versatilidade e permitindo sua aplicação em diferentes aparelhos de refrigeração.
[043] Em particular, as composições da presente invenção podem ser aplicadas na área de refrigeração, climatização, e aquecimento com trocadores de calor. Mais especificamente, é possível a implementação em equipamentos de ar-condicionado de todos os modelos, ar-condicionado automotivo, geladeiras, câmaras frigoríficas, balcões frigoríficos, equipamentos refrigerados e frigorificados de todo tipo, aquecedores de piscina, aquecedores em geral com fluidos trocadores de calor.
[044] A composição de fluido refrigerante da presente invenção proporciona um ganho de eficiência energética aos aparelhos refrigeradores.
[045] Em uma concretização preferencial, a composição de fluido refrigerante compreende adicionalmente nanopartículas, que preferencialmente apresentam tamanho de partícula que varia entre 1 e 20 nm.
[046] As nanopartículas são preferencialmente dispersas na mistura do fluido base refrigerante, atuando na diminuição do atrito da superfície da tubulação do aparelho refrigerador e do compressor. Desta forma, é possível diminuir a temperatura do óleo e, principalmente, a temperatura do cárter do compressor, proporcionando ganho de eficiência e ganho com a redução no consumo de energia do aparelho refrigerador, consequência do aumento de performance termodinâmica como um todo.
[047] Ainda, fluidos refrigerantes comuns não possuem propriedades lubrificantes, trazendo maior desgaste para os aparelhos refrigeradores e compressores, com excessivo desgaste dos equipamentos como um todo, o que diminui sua a vida útil.
[048] Dessa forma, a presença das nanopartículas na composição de fluido refrigerante da presente invenção proporciona expressivo ganho de economia no consumo total de energia elétrica e potência consumida pelo aparelho refrigerador, com aumento de desempenho e rendimento térmico do equipamento implementado. Ainda, aumenta a vida útil do óleo lubrificante e, consequentemente, do compressor do aparelho refrigerador.
[049] Como destacado acima, as nanopartículas proporcionam uma diminuição considerável no atrito causado pelas ranhuras da tubulação do aparelho refrigerador. As nanopartículas preenchem as ditas ranhuras, diminuindo praticamente em 100% o coeficiente de atrito entre o fluido refrigerante e a superfície das tubulações do aparelho refrigerador, bem como na própria superfície de contato com o cabeçote do compressor, formando uma película protetora com consequente aumento da lubrificação. Isso diminui a temperatura de trabalho do aparelho refrigerador e melhora a eficiência energética do equipamento como um todo.
[050] A presença das nanopartículas também causa aumento da condutividade térmica do fluido refrigerante, potencializando o ganho de temperatura ao atingir o set-point de maneira mais rápida e eficiente, podendo gerar ganhos e reduzir o consumo dos aparelhos refrigeradores, em média, com 30% de economia.
[051] Uma vez que a composição de fluido refrigerante da presente invenção compreende uma mistura de gases refrigerantes (“blend”), as nanopartículas têm outro papel importante na estabilidade da composição, evitando que as misturas se separem em diversas fases.
[052] De maneira preferencial, as nanopartículas são selecionadas a partir do grupo que consiste em: grafite, prata, zinco e dióxido de silício, e suas misturas, sendo mais preferencialmente de dióxido de silício.
[053] Em uma concretização preferencial, as nanopartículas estão presentes em pequenas quantidades, particularmente de até 5% em peso, em relação ao peso total da composição. Em uma realização preferencial, a quantidade de nanopartículas varia de 0,1 a 5% em peso.
[054] A presente invenção também se refere ao uso da composição, conforme definida acima, em um aparelho refrigerador, bem como a um aparelho refrigerador em si, que compreende pelo menos um trocador de calor, pelo menos um compressor, e a composição de fluido refrigerante conforme definida acima.
[055] Como destacado acima, por aparelho refrigerador entende- se equipamentos de ar-condicionado de todos os modelos, ar-condicionado automotivo, geladeiras, câmaras frigoríficas, balcões frigoríficos, equipamentos refrigerados e frigorificados de todo tipo, aquecedores de piscina, aquecedores em geral com fluidos trocadores de calor
[056] Ainda, outro objeto da presente invenção é um produto envasado que compreende um envoltório externo, que armazena a composição de fluido refrigerante, conforme definida acima.
[057] A composição de fluido refrigerante pode ser envasada via transferência de líquidos em sistema estanque, via bomba de vácuo e compressores de sucção, pesagem e envase da composição. Em uma concretização particularmente preferencial, a composição de fluido refrigerante é envazada em conjunto com as nanopartículas, permitindo sua fácil aplicação a diferentes aparelhos refrigeradores.
[058] Foi realizada análise termodinâmica da performance da composição de fluido refrigerante da presente invenção, particularmente com aditivo de nanopartículas de dióxido de silício, em sistemas de refrigeração e climatização que se utilizam de compressores e fluidos refrigerantes.
[059] Foi verificada a influência da nova formulação do fluido refrigerante eficiente com a composição relacionada dos componentes, juntamente as nanopartículas de dióxido de silício com estabilidade cinética coloidal, sobre a performance de sistemas de refrigeração e climatização.
[060] Foram realizados ensaios de abaixamento de temperatura e ciclagem conforme normas NBR12866 e NBR12869, respectivamente, para obter os resultados de aumento de performance em sistemas de refrigeração e climatização como um todo, observando-se um expressivo ganho nos seguintes parâmetros operacionais: - Números de ciclos /delta-t/ por hora; - Pressões de sucção e descarga; - Porcentagem de tempo de funcionamento do equipamento - quantidade de acionamento; - Temperatura do cárter do compressor; - Temperatura de evaporação / insulflamento; - Temperatura de condensação; - Condutividade térmica /k/ nos trocadores de calor; - Consumo de energia até set-point da temperatura; - Consumo total de energia e potência consumida; - Lubrificação, miscibilidade e viscosidade do óleo lubrificante com o fluido refrigerante.
[061] Constatou-se ainda aumento da condutividade térmica com a diminuição do atrito causado entre parede da tubulação de cobre e o fluido refrigerante, e diminuição do atrito na parede do cabeçote do compressor, com melhoria das características de lubrificação e da viscosidade do óleo devido ao aumento da fração em massa de nanopartículas no fluido refrigerante base.
[062] A composição de fluido refrigerante se mostrou miscível com todos os tipos de óleos lubrificantes existentes no mercado, dentre eles o óleo mineral, óleo sintético poliéster /POE/ e óleo alquibenzeno.
[063] Ainda, constatou-se o expressivo ganho de performance termodinâmica na temperatura de condensação, com ganho na ordem de 25,9% de eficiência térmica perante outros fluidos convencionais de mercado.
[064] Devido as características de baixa pressão de sucção e descarga, a composição de fluido refrigerante foi considerada segura para o uso como substituto direto/”drop-in”/ de qualquer fluido refrigerante comum de mercado existente, uma vez que a condição de fabricação dos equipamentos de refrigeração e climatização estão preparados para condições nominais de trabalho com pressões mais altas. Normalmente, é garantido pelos fabricantes de equipamentos que utilizam os gases comuns, tais como R22/ R134a / R407 / R404, uma pressão máxima de até 400psi e, para o R410, uma pressão máxima de até 700psi. Em todos os casos, são pressões bem mais elevadas que as pressões utilizadas pela nova composição de fluido refrigerante da presente invenção, que não ultrapassa as condições de 60psi de baixa e 240psi de alta.
[065] O alívio do sistema de refrigeração como um todo, devido ao ganho dos parâmetros e variáveis térmicas com a diminuição do atrito, o aumento significativo da condutividade térmica /K/, a diminuição das pressões de sucção e descarga, geram um significativo aumento da vida útil do equipamento onde foi implementada a nova formulação de fluido refrigerante de alto desempenho, especialmente com aditivo de nanopartículas, sendo considerado mais seguro a sua utilização em sistemas de refrigeração e climatização, em comparação com os fluidos refrigerantes comuns de mercado.
[066] A composição de fluido refrigerante da presente invenção (difluormetano, pentafluoretano, tetrafluoretano, tetrafluorpropeno e trifluoretano) foi testada comparativamente a uma composição conhecida do estado da técnica de clorodifluorometano - CHCIF2 (fluido R 22), em um equipamento de refrigeração LG 12.000 Btu/h.
[067] Os dados obtidos estão compilados nas tabelas abaixo:
[068] O gráfico da Figura 1 demonstra a diminuição de potência obtida com a composição de fluido refrigerante de acordo com a presente invenção.
[069] A composição de fluido refrigerante da presente invenção foi testada comparativamente a uma composição conhecida do estado da técnica (fluido R 22), em um equipamento de refrigeração Springer 9.000 Btu/h.
[070] Os dados obtidos estão compilados nas tabelas abaixo:
[071] O gráfico da Figura 2 demonstra a diminuição de potência obtida com a composição de fluido refrigerante de acordo com a presente invenção.
[072] A composição de fluido refrigerante da presente invenção foi testada comparativamente a uma composição conhecida do estado da técnica (fluido R 22), em um equipamento de refrigeração Midea 30.000 Btu.
[073] Os dados obtidos estão compilados nas tabelas abaixo:
[074] O gráfico da Figura 3 demonstra a diminuição de potência obtida com a composição de fluido refrigerante de acordo com a presente invenção.
[075] A composição de fluido refrigerante da presente invenção foi testada comparativamente a uma composição conhecida do estado da técnica (fluido R 22), em um equipamento de refrigeração Split Carrier 9.000 Btu.
[076] Os dados obtidos estão compilados nas tabelas abaixo:
[077] O gráfico da Figura 4 demonstra a diminuição de potência obtida com a composição de fluido refrigerante de acordo com a presente invenção.
[078] A composição de fluido refrigerante da presente invenção foi testada comparativamente a uma composição conhecida do estado da técnica (fluido R 22), em um equipamento de refrigeração Springer Carrier 90.000 Btu.
[079] Os dados obtidos estão compilados nas tabelas abaixo:
[080] O gráfico da Figura 5 demonstra a diminuição de potência obtida com a composição de fluido refrigerante de acordo com a presente invenção.
[081] A composição de fluido refrigerante da presente invenção foi testada comparativamente a uma composição conhecida do estado da técnica (fluido R 22), em um equipamento de refrigeração Springer Carrier 30 TR.
[082] Os dados obtidos estão compilados nas tabelas abaixo:
[083] O gráfico da Figura 6 demonstra a diminuição de potência obtida com a composição de fluido refrigerante de acordo com a presente invenção.
[084] A composição de fluido refrigerante da presente invenção foi testada comparativamente a uma composição conhecida do estado da técnica (fluido R 22), em um equipamento de refrigeração Hitachi 50.000 Btu.
[085] Os dados obtidos estão compilados nas tabelas abaixo:
[086] O gráfico da Figura 7 demonstra a diminuição de potência obtida com a composição de fluido refrigerante de acordo com a presente invenção.
[087] A empresa de tecnologia IMG Energia e Sustentabilidade também realizou testes comparativos entre a composição de fluido refrigerante da presente invenção, e uma composição conhecida do estado da técnica de tetrafluoretano - C2H2F4 (fluido R134).
[088] Os resultados de consumo reduzido (60.8% de redução) e menor corrente (48.2% de redução) para a composição da presente invenção se encontram resumidos no gráfico da Figura 8.
[089] A composição de fluido refrigerante da presente invenção foi testada comparativamente a uma composição conhecida do estado da técnica de uma mistura entre difluormetano - CH2F2 - e pentafluoretano - CHF2CF3 - (fluido R 410A), em duas máquinas de 10 TR cada de fabricação da Hitachi.
[090] Em uma máquina foi colocado o fluido refrigerante da presente invenção no lugar do R410A e também instalado o Global driver no compressor para comparação do consumo de energia elétrica das duas máquinas.
[091] Os resultados de menor temperatura de insuflamento (redução de 0,7 °C) se encontram resumidos no gráfico da Figura 9.
[092] Ainda, houve redução de 42% no consumo com a troca do fluido (488 kWh com o fluido R 410 A e 285 kWh com o fluido da presente invenção).
[093] Existe um ganho através da menor temperatura de insuflamento, com o emprego das composições de fluido refrigerante da presente invenção, ao invés das composições conhecidas do estado da técnica, além do alívio de pressão em quase todos os casos (principalmente a pressões baixas e de sucção).
[094] Como bem compreendem os técnicos no assunto, são possíveis numerosas modificações e variações da presente invenção à luz dos ensinamentos acima, sem se afastar do seu escopo de proteção, conforme delimitado pelas reivindicações anexas.
Claims (12)
1. COMPOSIÇÃO DE FLUIDO REFRIGERANTE, caracterizada por compreender os seguintes componentes: a) de 20 a 30%, em peso, de pelo menos um difluormetano, em relação ao peso total da composição; b) de 20 a 30%, em peso, de pelo menos um pentafluoretano, em relação ao peso total da composição; c) de 15 a 25%, em peso, de pelo menos um tetrafluoretano, em relação ao peso total da composição; d) de 15 a 25%, em peso, de pelo menos um tetrafluorpropeno, em relação ao peso total da composição; e e) de 5 a 15%, em peso, de pelo menos um trifluoretano, em relação ao peso total da composição.
2. COMPOSIÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo tetrafluoretano ser 1,1,1,2-tetrafluoretano.
3. COMPOSIÇÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pelo tetrafluorpropeno ser 2,3,3,3- tetrafluorpropeno.
4. COMPOSIÇÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo trifluoretano ser 1,1,1-trifluoretano.
5. COMPOSIÇÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada por compreender adicionalmente nanopartículas.
6. COMPOSIÇÃO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelas nanopartículas apresentarem tamanho de partícula que varia entre 1 e 20 nm.
7. COMPOSIÇÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 6, caracterizada pelas nanopartículas serem selecionadas a partir do grupo que consiste em: grafite, prata, zinco e dióxido de silício, e suas misturas.
8. COMPOSIÇÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizada pelas nanopartículas serem de dióxido de silício.
9. COMPOSIÇÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 8, caracterizada pela quantidade de nanopartículas ser de até 5% em peso, em relação ao peso total da composição.
10. USO DA COMPOSIÇÃO, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por ser em um aparelho refrigerador.
11. PRODUTO ENVASADO, caracterizado por compreender um envoltório externo, que armazena a composição de fluido refrigerante, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 9.
12. PROCESSO DE ENVASAMENTO da composição de fluido refrigerante, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por compreender as etapas de: a) transferência dos componentes a) a e) em fase líquida para um sistema estanque; b) pesagem da composição; e c) envaze da composição.
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