CN100424457C - 双循环可控热管系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双循环的可控制换热量的高效热管换热系统，有蒸发器和冷凝器两类换热器，每类换热器是1个，或多个并联而成；本系统包括冷凝液供液与分配、气液两相流动与分离、气相输送与分配、液相收集与储存、换热量控制五个子系统；将热管的蒸发器、冷凝器、气液分离器、储液器、溶液循环泵、分液器、相互间连接管道及相关控制部分等有机连接为一个整体，构成双循环可控热管系统，通过溶液泵、分液器、蒸发器及气液分离器的有机组合，形成独立的工作液循环解决了工作液输送力不足、分液不均匀等问题；通过对热管工作液体循环流量的调节实现了热管换热量的控制。

Description

双循环可控热管系统

技术领域：

本发明涉及热管换热器技术领域，尤其是涉及一种双循环可控制换热量的高效热管换热装置，即双循环可控热管系统。

技术背景：

早在1942年，Gauler就提出了热管的原理，但一直未能实施；自1965年Cotter首次提出较完整的热管理论后，各国科学家们对热管进行了多方面的理论研究和推广应用，并将热管作为一种具有很高传热性能的元件，广泛应用于许多领域，取得了非常好的节能效果。1985年，施国梁提出了“第二代热管”的概念，并申请了国家发明专利(专利号：CN 85102929)，该专利提出可采用电动泵来输送工作液，以解决热管内遇到的工作液输送力不够的问题，但由于所设计的电动泵在热管内部，实施存在较大困难，该类热管并没有推广应用。

目前，热管已由单根热管演变为多根复合热管，并由连体式热管演变出分离式热管。分离式热管在工业应用中具有布置灵活、易于实现大型化等优点；然而，目前的分离式热管存在工作液输送力不够、分液不均匀、使用效果远不如连体式热管等问题，严重阻碍了其推广应用，迄今还没有大规模商业化产品。热管作为一种换热设备，常常需要控制其加热量或制冷量，但目前的热管，仅能通过改变加热源或冷却源来实现，热管自身无控制功能，这也影响了热管的进一步推广应用。

发明内容：

本发明的目的在于克服分离式热管存在的工作液输送力不够、分液不均匀、使用效果远不如连体式热管及自身无控制功能等问题，即提出一种新的“热管系统”，将原来的“热管元件”的蒸发段、冷凝段与其它几个必要的部件有机连为一个整体，构成一个独立的系统，以克服分离式热管存在的缺点。

为了实现上述目的，本发明提出了一种将热管的蒸发器、冷凝器、气液分离器(或气液分离母管)、储液器、溶液循环泵、分液器、相互间连接管道及相关控制部分等有机联接为一个整体，构成双循环热管系统。该热管系统通过溶液循环泵、分液器、蒸发器及气液分离器的有机组合，形成了相对独立的工作液循环(双循环中的小循环)，解决了工作液输送力不够、分液不均匀的问题；而通过对该循环流量的控制实现了热管换热量的控制。

本发明的双循环可控热管系统有蒸发器和冷凝器两类换热器，每类换热器为一个或2-10个并联而成；整体系统包括冷凝液供液与分配、气液两相流动与分离、气相输送与分配、液相收集与储存、换热量控制五个子系统，其总体技术方案及运行过程是：溶液循环泵从储液罐中抽取液态工质，经液体输运管输送到分液器，经分液器和等长度的分配管束，均匀地将液态工质分配给蒸发器中的每个蒸发管路，在蒸发管路中，液态工质吸收与其相接触介质的热量，部分液体气化，经两相流管进入气液分离器实现气液分离，随后，液态工质流经调节阀和气液分离器液体输送管回到储液罐，形成了液体工质小循环；而气相工质则经气体管路进入气体分配母管，由均匀分配管将气体输送到冷凝器的每个管路中，在冷凝管路中实现完全冷凝后，由冷凝液回送管将冷凝液送回储液罐，形成热管工质大循环；两个循环有机结合，构成双循环热管系统。小循环的作用是合理控制或增大蒸发器中液体工质的循环量，解决了原有热管工作液输送力不够、分液不均匀、蒸发器换热面使用效率低等问题；大循环则使热量从与蒸发器接触的介质中传送到与冷凝器接触的介质中，完成了热量传递过程。回到储液罐中的工质经溶液循环泵再次送入蒸发器中，又开始了下一次换热过程；如此循环往复，连续不断地实现热量的传递过程。

本发明实现热管换热量控制的技术方案是：由温度传感器感应被冷凝器加热介质的温度，将信号传递给温度控制器，该温度控制器按照规定的控制算法再对溶液循环泵进行调节，改变蒸发器中的液体循环流量，从而改变了蒸发器中产生的蒸气量，这样便调节了冷凝器中的冷凝量，实现了热管换热量的调节和加热介质温度的控制；另外，也可将温度传感器安装在被蒸发器冷却的介质中，实现热管换热量的调节和对蒸发器冷却介质温度的控制。当溶液循环泵停止运行时，蒸发器中的工质很快全部蒸发完毕，随后，换热过程完全停止，换热量为零；随着溶液循环泵流量从零逐步增大，蒸发器的产气量渐渐变大，热管换热系统的换热量也逐步增大，直到达到某一最大值。本发明正是利用这一变化过程，实现热管换热量的调节，形成了可控的热管系统。

本发明通过安装在液体输送管上的温度控制阀，直接控制小循环的液体工质循环量，调节热管换热器的换热量。

本发明中蒸发器与冷凝器的相对安装高度不受限制，储液罐低于两个换热器，保证冷凝液能够顺利回流到储液罐便可正常工作。若冷凝器安装在储液罐下部，要在冷凝器回流管上安装一个冷凝器回流溶液泵。

本发明中的气液分离器是一个独立部件，或为与蒸发器连为一体的气液分离母管；气相工质母管是一个独立的部件，或与均匀分气管及冷凝器组合为一体。

本发明中的蒸发器有多个，冷凝器为一个，构成多供一系统；冷凝器有多个蒸发器有一个，构成一供多系统。

本发明的双循环可控热管系统取消系统中的换热量控制子系统时，形成结构更简单、成本更低、换热量基本稳定的双循环热管系统。

溶液循环泵从储液罐中抽取液态工质，经液体输运管输送到分液器，经分液器和等长度的分配管束，均匀的将液态工质分配给蒸发器中的每个蒸发管路，在蒸发管路中，液态工质吸收与其相接触介质的热量，部分液体气化，经两相流管进入气液分离器实现气液分离，随后，液态工质流经调节阀和气液分离器液体输送管回到储液罐，形成了液体工质小循环；气态工质经气体管路进入气体分配母管，由均匀分配管将气体输送到冷凝器的每个管路中，在冷凝管路中实现完全冷凝后，由冷凝液回送管将冷凝液送入储液罐，形成热管工质大循环；两个循环有机结合，构成双循环热管系统。小循环的作用是合理控制或增大蒸发器中液体工质的循环量，解决原有热管工作液输送力不够、分液不均匀、蒸发器换热面使用效率低等问题；大循环使热量从与蒸发器接触的介质中传送到与冷凝器接触的介质中，完成热量传递过程。回到储液罐中的工质经溶液循环泵再次送入蒸发器中，开始进行下一次换热过程；如此循环往复，连续不断的实现热量的传递过程。本发明扩大了热管的应用范围和应用方式，应用于中央空调、太阳能热利用、空气冷能回收、各类锅炉或动力机的余热或其他废热的回收、空气对流干燥的动力源、核能热利用、海水热能利用、海水淡化、地热能开发利用等领域，实现大型化，便于和各类大型工程相匹配。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是蒸发段与冷凝段分别独立形成蒸发器与冷凝器，可根据需要以任意方式(水平、垂直或按某一倾角)、在任意相对位置分别放置，解决了原重力式热管布置形式受限的问题，大幅度扩大了热管的使用范围；二是无需吸液芯结构，简化了热管内部结构，易于实现大型化生产与应用，降低了热管制造成本；三是能够方便地实现热管换热量的连续调节和控制，增强了热管的控制功能；四是增加了溶液循环泵，而且还增设了气液分离器(母管)、储液罐、分液器、等长度均液管、气相工质母管、均匀分气管等部件，形成了完整的热管系统，解决了工作液输送力不够、分液不均匀等问题，提高了分离式热管的换热效率；五是能够方便地实现多供一或一供多的换热模式，扩大了热管的使用范围；六是蒸发器与冷凝器的结构形式可以参照现有空调系统中蒸发器与冷凝器的形式进行设计，既能节省研发的时间和费用，还能获得高效的换热效果；七是溶液循环泵安装在储液罐的下部，既保证了工作过程中始终有足够的溶液供泵使用，顺利实现调节过程，避免了气蚀现象，延长了泵的使用寿命；八是小循环过程的液体工质循环量通常大于或等于大循环的工质循环量，在调节过程中，会短时间出现小循环过程的液体工质循环量小于大循环的工质循环量的情况。正是这种变化的循环量，保证了蒸发器的高效工作，实现了换热量的调节；九是由于是相变传热，具有传热温差小、换热效率高的特点；实现了冷热介质远距离不接触高效传热，故在废热回收及对人体有危害的区域的能量回收应用中，有更大的优势；十是扩大了热管的应用范围和应用方式，可应用于中央空调、太阳能热利用、空气冷能回收、各类锅炉或动力机的余热或其它废热的回收、空气对流干燥的动力源、核能热利用、海水热能利用、海水淡化、地热能开发利用等领域，更容易实现大型化，便于和各类大型工程相匹配。

附图说明：

图1为本发明第1种实施例的原理结构及工作流程示意图；

图2为本发明第2种实施例的原理结构及工作流程示意图；

图3为本发明第3种实施例的原理结构及工作流程示意图；

图4为本发明第4种实施例的原理结构及工作流程示意图；

图5为本发明第5种实施例的原理结构及工作流程示意图；

图6为本发明第6种实施例的原理结构及工作流程示意图；

图7为本发明第7种实施例的原理结构及工作流程示意图；

图8为本发明第8种实施例的原理结构及工作流程示意图。

具体实施方式：

本发明实施中涉及的蒸发器、冷凝器、溶液循环泵、分液器、气液分离器(或气液分离母管)、储液罐等部件及控制环节为本发明的必备部分，系统的主要部件包括温度传感器(或感温包)1，冷凝器2，均匀分气管3，气相工质母管4，气相工质输送管5，两相流输送管束6，蒸发器7，等长度均液管8，温度信号传输线(管)9，冷凝器凝结液输送管10，储液罐11，气液分离器液体输送管12，压力调节阀13，气液分离器14，循环溶液输送管15，分液器16，温度控制器17，溶液循环泵18，温度控制阀19，冷凝器凝结液输送泵20，气液分离母管21，循环溶液调节阀22，第n个蒸发器23，第k个冷凝器24，感温包25，温度信号传输管26，温度控制阀27。

本发明共有蒸发器7、23和冷凝器2、24两类换热器，每类换热器是1个或多个；该系统包括冷凝液供液与分配、气液两相流动与分离、气相输送与分配、液相收集与储存、换热量控制五个子系统，各换热器与子系统的工作原理及功效为：

蒸发器7、23：通过分液器16及等长度均液管8，蒸发器的各管路中均匀获得液态工质，这些工质吸收与蒸发器接触的介质的热量而发生气化，产生蒸发过程，形成的两相流由两相流输送管束6送入气液分离器14或气液分离母管21；其功效是：吸收所处环境的热能，并将该能量转变为循环工质的相变潜能。

冷凝器2、24：通过气相工质母管4、均匀分气管3，冷凝器2、24的各管路均匀获得气相工质，这些工质在冷凝器中将热量传递给与冷凝器接触的介质而发生相变，凝结为液体后，由冷凝器凝结液输送管10，回流到储液罐11中；其功效是：将蒸发器中获得的相变潜能传递到需要热量的介质中，完成高效的热量传递过程。

冷凝液供液与分配子系统：溶液循环泵18从储液罐11中抽取液态工质，经液体输运管15输送到分液器16中，经分液器16和等长度的分配管束8，均匀地将液态工质分配给蒸发器7、23中的每个蒸发管路；其功效是：将气液分离器14分离出的液态工质再次均匀地送到蒸发器7、23中进行蒸发，形成小循环，以保证蒸发器的高效运行；同时，将冷凝器2冷凝的液体工质也送到蒸发器7、23中，形成大循环，完成热管所必需的液态工质从冷凝器到蒸发器的输送工作。

气液两相流动与分离子系统：从蒸发器出来的两相流，在溶液循环泵提供的压力作用下，由两相流输送管束6送入气液分离器14或气液分离母管21，气液分离后，液体送到储液罐中，气体进入冷凝器中；其功效是：及时收集从蒸发器中流出的气液两相流，使蒸发器换热面的液态工质厚度保持在一定范围内，达到高效换热的效果，同时，完成气液分离的任务，形成气、液两个通路，构成本发明的双循环系统。

气相输送与分配子系统：在溶液循环泵18的动力作用下，气液分离器14或气液分离母管21分离出来的气体有一定的余压，使气相工质经输送管5、气相工质母管4、均匀分气管3均匀地进入冷凝器中的每一根换热管；该子系统的功效是：使蒸发器中产生的气相工质均匀地分配到冷凝器的每根换热管中，实现高效的冷凝换热过程。

液相收集与储存子系统：液相收集分两部分：一部分是气液分离器14中冷凝的液态工质经压力调节阀13和气液分离器液体输送管12流入储液罐，另一部分是在冷凝器中冷凝下来的工质经冷凝器凝结液输送管10回到储液罐中；该子系统的功效是：收集与储存液态工质，通过压力调节阀13，使两条收集回路达到压力平衡，保证系统正常运行。

换热量控制子系统：通过温度传感器(或感温包)1从要控制温度的对象所处位置获得温度信号(图中假设与冷凝器接触的介质为控制对象)，由温度信号传输线(管)9将该信号传递给温度控制器17或温度控制阀19，温度控制器17.发出控制信号改变溶液循环泵18的转速，实现循环溶液量的调节，温度控制阀19则直接改变阀门开度调节循环溶液量，该循环溶液量的变化，改变了蒸发器的产气量，即改变了进入冷凝器的蒸气量，实现了热管换热量的调节；该子系统的功效是：使本发明的热管系统具有换热量调节功能。

本发明若要控制蒸发器侧介质的温度，应把温度传感器(或感温包)1安装在蒸发器7或23所处的介质中；另外，对于蒸发器侧是高温介质的场合，如锅炉炉膛内部介质或核反应堆介质，必须保证蒸发器内始终有一定的循环工质，以避免高温烧毁换热器，这时，溶液循环泵18或温度控制阀19必须有最小流量控制功能。

实施例1：为本发明的第1种实施例结构及工作流程，其主要部件包括蒸发器7和冷凝器2；还包括由溶液循环泵18、液体输运管15、分液器16、等长度的分配管束8等构成的冷凝液供液与分配子系统；由两相流输送管束6、气液分离器14构成的气液两相流动与分离子系统；由气相工质经输送管5、气相工质母管4、均匀分气管3构成的气相输送与分配子系统；由压力调节阀13、气液分离器液体输送管12、冷凝器凝结液输送管10和储液罐11构成的液相收集与储存子系统；由温度传感器(或感温包)1、温度信号传输线9、温度控制器17构成的换热量控制子系统。上述蒸发器7和冷凝器2与五个子系统有机联系起来，连续不断地将热量从与蒸发器接触的介质中传递到与冷凝器接触的介质中，而其换热量的多少还可以实现自动控制。

该系统装置的启动与运行过程如下：先将双循环可控热管系统安装完毕，抽空后充入热管循环工质，启动液态工质循环泵，让蒸发器7内有一定量的液态工质循环，再打开蒸发器的加热源系统和冷凝器的冷却源系统，热管便进入正常工作阶段。在正常工作过程中，溶液循环泵18从储液罐11中抽取液态工质，经液体输运管15输送到分液器16，经分液器16和等长度分配管束8，均匀地将液态工质分配给蒸发器7中的每个蒸发管路，在蒸发管路中，液态工质吸收与其相接触介质的热量，部分液体气化，经两相流管6进入气液分离器14实现气液分离，随后，液态工质流经调节阀13和气液分离器液体输送管12回到储液罐11，形成了液体工质小循环；而气相工质则经气体管路5进入气体分配母管4，由均匀分配管3将气体均匀输送到冷凝器2的每个管路中，在冷凝管路中实现完全冷凝后，由冷凝液回送管10将冷凝液送入储液罐11，形成热管工质大循环；两个循环有机结合，构成双循环热管系统。小循环的作用是合理控制或增大蒸发器7中液体工质的循环量，解决原有热管工作液输送力不够、分液不均匀、蒸发器换热面使用效率低等问题；大循环则使热量从与蒸发器7接触的介质中传送到与冷凝器2接触的介质中，完成热量传递过程。回到储液罐11中的工质经溶液循环泵18再次送入蒸发器中，又开始了下一次换热过程，如此循环往复，连续不断地实现热量的传递过程。本实施例实现热管换热量控制的技术方案是：由温度传感器1感应被冷凝器2加热介质的温度，由信号传递线9将信号传递给温度控制器17，该温度控制器17按照规定的控制算法对溶液循环泵18进行调节，改变蒸发器7中的液体循环流量，从而改变了蒸发器7中产生的蒸气量，这样便改变了冷凝器2中的冷凝量，实现了热管换热量的调节。当溶液泵停止运行时，蒸发器7中的工质很快全部蒸发完毕，随后，换热过程完全停止，换热量为零；随着溶液泵流量从零逐步增大，蒸发器7的产气量渐渐增大，热管换热系统的换热量也逐步增大，直到达到某一最大值。本发明正是利用这一变化过程，实现热管换热量的调节，形成了可控的热管系统。

实施例2：为本发明的第2种实施例结构及工作流程，其蒸发器7和冷凝器2及冷凝液供液与分配、气液两相流动与分离、气相输送与分配、液相收集与储存四个子系统与实施例1完全相同，但换热量控制子系统有所不同。实施例1采用温度控制器17来控制溶液循环泵的转速以实现液体工质流量的调节，本实施例是在循环溶液输送管15上安装温度调节阀19，通过该阀门的感温包1、温度信号传输管9直接进行流量的调节。

本实施例的启动与运行过程与实施例1相同。

实施例3：为本发明的第3种实施例结构及工作流程，其蒸发器7和冷凝器2及冷凝液供液与分配、气液两相流动与分离、气相输送与分配及换热量控制四个子系统与实施例1完全相同，但液相收集与储存有所不同。实施例1中冷凝器2的凝结液靠重力作用直接流入储液罐11中，故要求储液器的安装高度必须低于冷凝器的最低点，而本实施例则通过在冷凝液回送管10上加装一个溶液泵20，便允许冷凝器2的安装高度比储液器11低，使冷凝器的安装与布置更为灵活。

本实施例的启动与运行过程与实施例1相同，在冷凝器中形成凝结液后要启动溶液泵20，使冷凝器2保持高效工作状态。

实施例4：为本发明的第4种实施例结构及工作流程，其蒸发器7和冷凝器2及冷凝液供液与分配、气液两相流动与分离、气相输送与分配及换热量控制四个子系统与实施例2完全相同，但液相收集与储存有所不同。实施例2中冷凝器2的凝结液靠重力作用直接流入储液罐11中，故要求储液器的安装高度必须低于冷凝器的最低点，而本实施例则通过在冷凝液回送管10上加装一个溶液泵20，便允许冷凝器2的安装高度比储液器11低，使冷凝器的安装与布置更为灵活。

本实施例的启动与运行过程与实施例2相同，在冷凝器中形成凝结液后要启动溶液泵20，使冷凝器2保持高效工作状态。

实施例5：为本发明的第5种实施例结构及工作流程，其蒸发器7和冷凝器2及冷凝液供液与分配、气相输送与分配、液相收集与储存及换热量控制四个子系统与实施例1完全相同，但气液两相流动与分离子系统有所不同。实施例1采用两相流输送管束6、气液分离器14构成的气液两相流动与分离子系统，本实施例则采用两相流输送管束6、气液分离母管21构成的气液两相流动与分离子系统，该实施例的特点是两相流输送管束6的管路较短，气液分离母管21与蒸发器7相距较近，有时两相流输送管束6、气液分离母管2与蒸发器7直接连为一体，结构更为紧凑。

本实施例的启动与运行过程与实施例1相同。

实施例6：为本发明的第6种实施例结构及工作流程，其蒸发器7和冷凝器2及冷凝液供液与分配、气相输送与分配、液相收集与储存三个子系统与实施例1完全相同，但换热量控制子系统、气液两相流动与分离有所不同。本实施例的换热量控制子系统与实施例2相同，而气液两相流动与分离子系统与实施例5相同。

本实施例的启动与运行过程与实施例1相同。

实施例7：为本发明的第7种实施例结构及工作流程，其冷凝器2及气液两相流动与分离、气相输送与分配、液相收集与储存、换热量控制四个子系统与实施例1完全相同，但蒸发器7和冷凝液供液与分配子系统有所不同。实施例1中只有一个蒸发器，本实施例有多个蒸发器(图中仅画出2个)，故冷凝液供液与分配子系统也有多条通道。应用本实施例能够从多个热源取热，输送给一个用户，实现了多供一的供热方式，对复合式或组合式供热非常适用。

本实施例的启动与运行过程与实施例1相同，需合理调节阀门22的开度，使各蒸发器的供液量与其热源可供热量形成较好的平衡，保证各蒸发器都高效地工作。

实施例8：为本发明的第8种实施例结构及工作流程，其蒸发器7及冷凝液供液与分配、气液两相流动与分离两个子系统与实施例1基本相同，但冷凝器、液相收集与储存、气相输送与分配、换热量控制子系统有所不同。实施例1中只有一个冷凝器，本实施例有多个冷凝器(尽管图2中仅画出2个)，故冷凝液收集与储存、气相输送与分配子系统也有多条通道，换热量控制子系统除了有与实施例1相同的冷凝器2的温度控制系统外，还有由感温包25、温度信号传输管26及温度调节阀27构成的换热器24的温度控制系统。应用本实施例能够从一个热源取热，输送给多个用户，实现一供多的供热方式。本实施例的启动与运行过程与实施例1相同，运行中多个冷凝器同时向不同用户供热。

Claims (4)

1. 一种双循环可控热管系统，包括冷凝液供液与分配、气液两相流动与分离、气相输送与分配、液相收集与储存、换热量控制五个子系统，其特征在于将热管的蒸发器、冷凝器、气液分离器或气液分离母管、储液器、溶液循环泵、分液器、相互间连接管道及相关控制部分有机联接为一个整体，通过对循环流量的控制实现热管换热量的控制；有蒸发器和冷凝器两类换热器，每类换热器为一个或2-10个并联而成；由温度传感器感应被冷凝器加热介质的温度，将信号传递给温度控制器，按照控制算法再对溶液循环泵进行调节，改变蒸发器中的液体循环流量，从而改变了蒸发器中产生的蒸气量，调节冷凝器中的冷凝量，实现热管换热量的调节和加热介质温度的控制；或将温度传感器安装在被蒸发器冷却的介质中，实现热管换热量的调节和对蒸发器冷却介质温度的控制；溶液循环泵从储液罐中抽取液态工质，经液体输运管输送到分液器，经分液器和等长度的分配管束，将液态工质分配给蒸发器中的每个蒸发管路，在蒸发管路中，液态工质吸收与其相接触介质的热量，部分液体气化，经两相流管进入气液分离器实现气液分离，随后，液态工质流经压力调节阀和气液分离器液体输送管回到储液罐，形成了液体工质小循环；气态工质经气体管路进入气体分配母管，由均匀分配管将气体输送到冷凝器的每个管路中，在冷凝管路中实现完全冷凝后，由冷凝液回送管将冷凝液送入储液罐，形成热管工质大循环；两个循环有机结合，构成双循环热管系统；小循环控制或增大蒸发器中液体工质的循环量；大循环使热量从与蒸发器接触的介质中传送到与冷凝器接触的介质中；回到储液罐中的工质经溶液循环泵再次送入蒸发器中，进行下一次换热过程。

2. 根据权利要求1所述的双循环可控热管系统，其特征在于气液分离器是独立部件，或为与蒸发器连为一体的气液分离母管；气相工质母管是独立的部件，或与均匀分气管及冷凝器组合为一体。

3. 根据权利要求1所述的双循环可控热管系统，其特征在于蒸发器有多个，冷凝器为一个，构成多供一系统；冷凝器有多个蒸发器有一个，构成一供多系统。

4. 根据权利要求1所述的双循环可控热管系统，其特征在于应用于中央空调、太阳能热利用、空气冷能回收、各类锅炉或动力机的余热或其他废热的回收、空气对流干燥的动力源、核能热利用、海水热能利用、海水淡化、地热能开发利用领域。

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