CN102292293B - 用于生产淡水的太阳热设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于从废水或盐水生产淡水的便携式太阳热设备(1)。该设备包括闭合流体回路(2)，所述回路(2)由彼此连接并具有污水供应管线(3)和淡水流出口(4)的导管或软管元件制成，其中所述流体回路(2)包括与太阳射线(S)大致垂直地定方位的倾斜加热区段(5)，用于加热和蒸发废水。与之连接并大致垂直地定方位的是冷凝区段(6)，用于冷凝淡水并加热废水，以及存储区段(7)，其形成为用于冷凝的淡水的基部部件。流体回路(2)的加热区段(5)包括太阳能收集器(10)，用于将太阳射线(S)的热能集中于加热区段(5)内部的蒸发区域上。
Description
技术领域
本发明涉及用于从废水或盐水生产淡水的便携式太阳热设备。
背景技术
需要这种设备来清洁污染的水，例如不仅从废水中生产饮用水，而且从盐水中生产淡水。便携式蒸馏设备例如从DE 198 15 541 C1中已知，其中管状压力腔安装于圆顶状上部箔片和与上部箔片形成为单件的接收盐水的区域之间，该压力腔将盐水的供应区域与蒸发区域在空间上分开并且机械地稳定整个设备。超压施加至蒸发和冷凝腔，太阳光通过蒸发和冷凝腔的透明上部箔片进入。在操作蒸馏设备时，存储区域中的水通过从外部施加的热而蒸发。所产生的蒸汽升高并在上部箔片处冷凝，并且冷凝物流下至左右两侧，在此处冷凝物收集于位于上部箔片和管状腔之间的冷凝区域。淡水能通过流出口从这些区域取出。
就这点而言，可浮动蒸馏设备从GB 832 123中已知，其具有透明外盖，所述盖由可膨胀支撑管网折叠地打开。形成的蒸馏物收集于设备的基部区域中的环状腔中并且能由软管移除。
而且，从EP 1 448 481 B1已知一种能用于陆地上和海洋上的便携式水生产设备。该设备包括由透明塑料制成的帽罩状自支承成形部件，该部件具有敞开底板区域，该底板区域在下部区域的一侧面带有冷凝物流出口。为了移走冷凝物，在顶部具有开口，因此设备必须开启其头部以便清空。
发明内容
本发明的任务是改进最初所述类型的用于从污水或盐水生产淡水的便携式太阳热设备，使得其能容易地制造并且在需要时快速地使用。并且还应当能在无需大量空间的情况下存储该设备。
这个任务由具有以下特点的设备解决：
-由彼此连接的导管或软管元件形成的闭合流体回路，并具有污水供应管线和淡水流出口，
-流体回路的特征在于与太阳射线大致垂直地对准的倾斜加热区段，用于加热和蒸发污水，其后跟随着：
-大致垂直地对准的冷凝区段，用于淡水的冷凝和污水的加热，以及
-存储区段，其形成为用于冷凝的淡水的基部部件。
和现有设备的状态对比，由连接的导管或软管元件形成的闭合流体回路具有空间节省的扁平结构(三角形或梯形)，在其倾斜加热区段中优选地安装太阳能收集器，用于将太阳射线热能集中于加热区段内部的蒸发区域上，收集器牢固地或可移动地连接至加热区段。
按照设计的第一有利方案，太阳能收集器由可膨胀箔片结构构成，可膨胀箔片结构的特征在于抛物线形或圆柱形反射箔片和用于太阳射线的透明入口箔片，这两个箔片与两个侧面零件一起跨越一中空空间，该中空空间在反射箔片的聚焦区域中由流体回路的加热区段穿过。
虽然从US 4,051,834中已知一种太阳能收集器系统，其中收集器由用于太阳射线的透明上部区域和反射基部区域制成，但是这些仅用来加热热载体介质。反射基部区域由涂覆有铝的MYLAR箔片构成以将太阳射线聚焦于热载体介质在其中流动的加热导管上。设计方案描述为其中加热导管放置于收集器内部以及其中加热导管用作外部支撑结构的方案，收集器从外部支撑结构与间隔元件一起可移动地悬挂。由于加热导管的水平对准，没有日常的太阳调节，而是仅是手动地季节性调节至不同的太阳位置，这由锚固链实现。然而，所述设备不适合用于从污水或盐水蒸馏淡水。
而且，从EP 0 030 193B1中已知一种放置于可膨胀结构内部的管收集器。可膨胀结构由上部透明箔片和反射性地涂覆在内侧上的基部箔片构成。太阳射线聚焦于热载体介质在其中流动的加热导管上。通过机械调节，加热导管移动至侧面并且调节至随着太阳距离改变的聚焦区域。这也是用于加热热载体介质的设备，而不是用于生产淡水的设备。
根据本发明的第二有利设计方案，太阳能收集器具有至少一个与闭合流体回路的加热区段的蒸发区域热接触的吸收翼片。优选地，具有两个吸收翼片，其能平行于加热区段的轴线旋转或折叠并且能够从使用位置折叠进入由流体回路所跨越空间中的空间节省存储位置。
根据本发明的流体回路的不同区段的特征在于创新性的安装。由柔性箔片材料制成的蒸发垫放置于倾斜的升高加热区段内部，并且传输设备(例如由太阳能驱动的泵)将污水传输到蒸发垫上。
根据本发明，接着加热区段的冷凝区段的内部装备有由优选地形成圆筒覆层的柔性箔片材料制成的热交换器垫，热交换器垫的上缘连接至污水供应管线，下缘连接至软管线路，该软管线路引导通过流体回路的存储区段，其经由传输设备(优选地由太阳能操作的泵)将污水传输到加热区段。用于污水供应的热交换器垫的对准通过更冷的污水支持淡水的冷凝，而污水同时被加热以增加系统效率。
根据特别有利的设计方案，根据本发明的设备的特征在于用于调节至太阳位置的调节设备，其优选地在冷凝区段影响流体回路以引起整个设备的倾斜运动。这个非常简单但是有效的调节设备仅具有很少的部件并且特征在于连接至泵的可膨胀或形成元件(form element)，该元件的填充水平确定整个设备的倾斜。这个创新性调节设备的细节和功能在下面在图8至图10中更详细地解释。
根据本发明的另一个替代设计方案，太阳能收集器的特征在于用于调节至太阳位置的调节设备，其引起收集器围绕加热区段的轴线的旋转运动。与上述调节设备相比，收集器在这里可移动地悬挂于加热区段轴线上。这个方案还使用市场上有售或制造便宜的简单装置。因而，调节设备主要由第一和第二软管区段构成，它们的端部沿相反方向围绕流体回路的管状区段缠绕，它们的自由端附接至太阳能收集器。软管包含液体(比如水)，液体仅从一个软管区段泵送至另一个软管区段以改变缠绕端的张力强度，从而引起太阳能收集器的旋转运动。如同起初提及的具有能折叠地打开的形成元件的调节设备，泵也能用于具有这个调节设备的较大数量的太阳能收集器上，以使得太阳能调节的费用最小化。
对于本发明的具有吸收翼片的太阳能收集器的设计方案，调节设备不是计划中的。根据本发明，吸收翼片能附接至基部，该基部具有调节至加热区段的接受器区域。
根据本发明，吸收翼片可具有用于传输热载体介质的管道，所述管道终止于连接管线，所述连接管线被引导通过太阳能收集器的基部部件。吸收翼片可由具有数层的箔片合成物构成，从而形成具有空气管道的可膨胀支撑垫和具有用于热载体介质的管道的吸收垫。
附图说明
以下使用附图更详细地解释本发明，这些附图是：
图1是根据本发明的从污水或盐水生产淡水的太阳热设备的三维视图；
图2是根据本发明的设备的设计方案的三维视图；
图3是根据本发明的设备的功能原理的示意性截面；
图4是按照图3的线IV-IV的截面；
图5是按照图3的线V-V的截面；
图6和图7是根据本发明的设备的流体回路中的安装的细节；
图8是根据本发明的设备的另一个设计方案的三维视图；
图9和图10是与太阳能调节相关的按照图8的设备的细节；
图11是根据本发明的另一个设计方案的三维视图；
图12是按照图2的设计方案的太阳能收集器的详细视图；
图13是按照图12的太阳能收集器的细节；
图14是设计方案的功能原理的示意性截面；并且
图15是按照图14的方案的细节。
具体实施方式
图1以及图3至图7示出了用于从污水或盐水生产淡水的便携式太阳热设备1的第一设计方案，包括功能原理。设备1由大致闭合的(污水供应管线3和淡水流出口4除外)流体回路2构成，流体回路2由连接的导管元件(优选地PVC硬塑料管)或由织物增强箔片材料制成的软管元件形成，所述元件膨胀用于系统的操作。流体回路2的特征在于基本上与太阳射线S垂直地对准的倾斜的上升加热区段5，加热区段5用来加热和蒸发所供应的污水或盐水。
加热区段后面主要是垂直的冷凝区段6，在加热区段5中蒸发的水在冷凝区段6中冷凝，并且冷凝热传输至所供应的污水。而且，流体回路2的特征在于构造为基部区段的冷凝淡水存储区段7，其通过连接区段8连接至加热区段5。设备1的基部区域的特征在于这里未示出的支撑元件，其在设置位置处支撑太阳热设备，或可以有流体回路2的下部插入其中的接受器。
可以用标准PVC管将流体回路2简单地插塞在一起，并且在角部处插有具有所需角度的相应弯头件。与此偏离地，比如具有椭圆形横截面的导管或数个平行导管的替代结构也是可以的。
太阳能收集器10可旋转地附接于流体回路2的加热区段5处；其用来将太阳射线S的热能集中于加热区段5内部的蒸发区域9(例如参见图3和图4)上。
在按照图1的设计方案中，太阳能收集器10主要由可膨胀箔片结构构成，其特征在于抛物线反射箔片11和相对侧面上的用于太阳射线S的透明入口箔片12。中空空间因而形成于两个侧面元件13之间，该中空空间在反射箔片11的聚焦区域中由流体回路2的加热区段5穿透。
侧面元件13的特征在于由织物增强箔片材料制成的可膨胀框架部件26，其在膨胀时跨越镜面区域11的抛物线形状。通过使反射箔片11在其内侧附接于优选多层的可膨胀支撑箔片28上，也能支持抛物线形式，支撑箔片被切割以使得在其膨胀时产生抛物线形式。进一步的支撑元件是由织物增强箔片材料制成的可膨胀连接元件27，其连接侧面元件13的可膨胀框架部件26。框架部件26和连接元件27以及可膨胀支撑箔片28的内部中空空间彼此连接以使得整个结构能使用入口阀膨胀。
太阳能收集器10的侧面元件13具有例如由硬塑料制成的集成支承盘29；在支承盘29上，整个太阳能收集器10可旋转地附接至管状流体回路2的加热区段5。整个设备几乎专门由塑料生产，仅支承零件由织物增强的塑料箔片或PVC塑料管制成。因此，小包装单元是可能的，这使得设备很好地适用于快速移动式使用。
在图3至图5中详细地示出了设备的功能原理。污水通过污水供应管线3移动至流体回路2的冷凝区段6，在此处污水流过热交换器垫30，热交换器垫30卷曲以形成由柔性箔片材料制成的管状圆柱形覆层，垫的上缘31连接至污水供应管线3。在这个区域中，污水通过冷凝淡水而被加热。热交换器垫30的下缘32连接至被导向通过流体回路2的存储区段7的软管线路33，其将污水放入放置于流体回路2的收集区段8中的污水袋18。使用太阳能泵15，污水从污水袋18传送至加热区段5。
在加热区段5内部放置(悬挂或胶粘)蒸发垫14，其由柔性箔片材料构成，其表面与胶粘的或焊接上的加热袋16一起形成蒸发区域9(参见图4)。加热袋16由胶粘或焊接上的箔片条带形成，并且用于从污水袋18泵送的污水的传输管道17位于蒸发垫14和加热袋16之间。
污水袋18也可由柔性箔片材料构成，并且从加热区段5流回的未蒸发污水收集于其中并且由泵返回至加热区段5。用于污水的太阳能泵15与水位计19一起放置于污水袋18中并且可与之形成可替换单元。在水位计19检测到污水袋18中的水位下降时，软管线路33中的控制阀55打开，使得污水能自动地流入直至由水位计19限定的水位。
这样，根据本发明的设备包括具有水回路和空气回路的闭合流体回路2，其由向上倾斜的加热区段5(升高热空气)驱动以及由垂直地下降的冷凝区段6(降下冷空气)驱动并且主动地将在加热时产生的蒸汽移动到冷凝区段中。
冷凝的淡水或饮用水收集于存储区段7中并且能通过淡水流出口4从系统移走。穿过加热区域中的连续水回路，污水或盐水聚集并且必须经常通过水流出口25从污水袋18移走，例如，每天一次。优选地污水袋18能通过折叠和/或胶粘由蒸发垫14的一个区段形成，以使得蒸发垫14、加热袋16和污水袋18的整个单元能被替换。
根据本发明的流体回路2的安装在图6和图7中示出为概观图，污水袋18的盖24在图6中被移除以便更好地观察，以使得能看到污水袋18以及传输装置15、至传输管道17的连接线路56以及水位计19的装置。水位计19和控制阀55以及太阳能泵15之间的电线没有示出。太阳能泵15具有大约15W至25W的输出并且连接至这里未示出的太阳能面板。
在蒸发垫14的两个侧缘上，具有稳定凸起58(也参见图4)，其稳定蒸发垫14并且将冷凝于加热区段5的内壁上的水引导到污水袋18周围以及引导至存储区段7。
热交换器垫30可以由PVC软箔片便宜地制成。它由焊接在一起的两个箔片条带构成以使得管道34在纵向上呈现。垫然后卷曲并且在端部处胶粘以形成导管(参见图5)，导管通过间隔元件保持于冷凝区段6的中心。由于热交换器垫30比其环境更冷，所以开始蒸汽的冷凝。较冷的空气现在下降到导管中以使得回路被向前驱动。在冷凝时释放的热能由热交换器垫30中的污水吸收。已经证明这使得能实现高达80％的能量回收。由于污水供应管线3位于系统的最高点处，所以污水供应管线不需要泵。
图8所示的根据本发明的设备的设计方案与按照图1的方案的不同之处在于特别简单的太阳能收集器10，其具有牢固地胶粘或焊接至管形流体回路2的加热区段5的圆形侧面元件13。在这个设计方案中，调节设备35被实施以平衡太阳位置，其能触发整个设备1的倾斜运动。为此，调节设备直接地影响流体回路2，例如，在冷凝区段6处；其设计为构造非常简单并且主要由两个能够展开并且通过泵39连接的可膨胀形成元件36a、36b构成。使用泵39，例如水从一个形成元件36a泵送至另一个形成元件36b，形成元件36a、36b的相应填充水平确定设备1的倾斜角α。形成元件36a、36b能例如由数个分开的楔块构成。图10例如示出冷凝区段6的极端位置之一(例如，在早晨较低太阳位置的情况下)，其中形成元件36a几乎完全清空并且形成元件36b填充至最大化。
这两个形成元件36a和36b之间的泵39通过控制设备控制，该控制设备的特征在于附接至加热区段5的光传感器37和放置于透明入口箔片12上的投影仪38。如按照图9的顺序所示，投影仪38的投影40首先没有落在传感器37上，因此泵开启并且设备自己对准至太阳位置。投影40移动并且最终落在光传感器37上，因此泵39关闭。在太阳继续前进时，重复这个过程直到夜晚昏暗，仅有来自形成元件36a的水必须泵送至形成元件36b以将系统带回到初始位置用于日出。
图11示出用于调节至太阳位置的另一个有利调节设备41，其引起收集器10围绕加热区段5的轴线的旋转运动。为此，调节设备41具有第一软管区段42和第二软管区段43，它们的端部一次向右、一次向左地缠绕在流体回路2的管状区段44周围。两个软管区段42、43的外部自由端45均附接至太阳能收集器10的外部轮廓。根据按照图8的调节系统，泵(未示出)现在控制两个软管区段42、43之一中的压力，这触发收集器的旋转运动。这里，软管区段42、43也由织物增强箔片材料制成并且按照图11的数个设备能连接至部件。
在按照图2的根据本发明的设计方案中，太阳能收集器20具有两个吸收翼片21，它们热连接至加热区段5的蒸发区域9。两个吸收翼片21可以平行于加热区段5的轴线旋转或折叠并且通过将它们折叠入由流体回路2跨越的空间22而从图2所示的使用位置折叠到空间节省存储位置。太阳能收集器20能例如用紧固元件51(例如，紧固带)附接至流体回路的加热区段5。
图12示出了太阳能收集器20的几个有利的细节。吸收翼片21附接至基部46，基部46的特征在于调节至加热区段5的接受器表面47。为了提高热传输，特别是这个设计方案在加热区段5的外侧处具有导热箔片23，优选地铜箔。能另外地通过在接受器表面47与铜箔23之间应用导热膏来提高热传输。
优选地，吸收翼片21装备有用于传输热载体介质(例如，油或水)的管道48，并且这些管道48导向至连接管线49，连接管线49通过太阳能收集器20的基部46引导。在工作位置中，这两个吸收翼片21(如图2中所示)是倾斜的，使得加热的热载体介质沿基部46的方向升高。热传输可以另外地由传输工具50(例如放置于两个连接管线49的至少一个中的太阳能泵)支撑。
如按照图13的细节图中所示，吸收翼片21可由多层箔片合成物构成，具有空气管道53的可膨胀支撑垫52将承载具有用于热载体介质的管道48的吸收垫54。为了最小化热损失，吸收垫54的外表面也可安装有绝缘箔片57。
图14和图15示出了本发明设计方案的另一个替代，在没有开始描述的方案的控制阀55和泵15的情况下，将盐水或污水带至加热区段5。污水在此情况下仅通过流体静压力来传输，该流体静压力是由于放置于污水供应管线3上方的供应容器59与污水在加热区段5上端处的出口点之间的高度差造成的。
在另一个方案中，能通过在加热袋16的传输管道17上方紧密地一个在另一个上方地放置或焊接两个半管60来扩大蒸发区域9，所述两个半管60不同地弯曲或装备有不同径向弯头(例如由金属制成)。上部半管的区域以规则的间隔切开为半圆并且向下弯曲，并且下部半管的区域以规则的间隔切开为半圆并且向上弯曲，两个半管互锁(参见图15)，使得加热的水不会直接地流过加热区段5，而是沿着曲折的路线，未蒸发的剩余水最后流入污水袋18并且从这里能直接通过污水流出口25移除。
而且，为了更好地热传输，半管60可直接地连接至加热区段5的导热箔片23。还可以在金属半管60和由金属形成的导热箔片23之间制造加热区段的整个下部。
污水流速可由流量计在污水流出口25和污水(盐水)流入口3处测量，因而蒸发水的流速和百分比可以通过调节供应容器59的高度并且因而通过调节流体静压力来控制。
作为另一个方案，可通过改变反射箔片11的弯曲度来控制加热区段5的加热区域中的温度；在此情况下，箔片优选地由反射性抛光薄金属板(例如，铝)构成。
只要可膨胀连接元件27可以是硬管并且框架部件26设计为环形软管，就可改变按照图1的太阳能收集器10。这些零件还可由来自供应罐的水填充，环形软管26或者填充水成为整圆(例如，如图8中所示)或者反射表面通过抽吸水并降低环形软管26的张力而从半圆形成为越来越扁平的形状。反射镜控制还可通过加热区域中的恒温器(未示出)来控制。其在温度降低至确定的较低值以下时或在超出确定的最高温度值时致动泵或排水阀，以调节内部压力并且因而调节反射表面的弯曲度。
Claims (20)
1.一种用于从污水或盐水生产淡水的便携式太阳热设备(1)，该太阳热设备包括：闭合流体回路(2)，其由具有污水供应管线(3)和淡水流出口(4)的彼此连接的导管或软管元件制成，
－其中闭合流体回路(2)具有与太阳射线(S)大致垂直地对准的倾斜加热区段(5)，用于加热和蒸发污水，其后跟随着：
－大致垂直地对准的冷凝区段(6)，用于淡水的冷凝和污水的加热，以及
－存储区段(7)，其形成为用于冷凝的淡水的基部区域，
－所述闭合流体回路(2)具有空间节省的扁平结构；
－所述导管元件能够被插塞在一起，并且所述软管元件能够被膨胀；并且
－所述闭合流体回路(2)的加热区段包括太阳能收集器(10，20)，用于将太阳射线(S)的热能聚集于加热区段(5)内部的蒸发区域(9)上；
－所述太阳能收集器(10，20)可移动地紧固至加热区段(5)；
其特征在于，所述太阳能收集器(10)由可膨胀箔片结构组成，所述可膨胀箔片结构具有抛物线形或圆柱形反射箔片(11)和用于太阳射线(S)的透明入口箔片(12)，这两个箔片连同两个侧面元件(13)跨越一中空空间，所述中空空间在反射箔片(11)的聚焦区域中由闭合流体回路(2)的加热区段(5)穿透。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述太阳能收集器(20)包括至少一个与加热区段(5)的蒸发区域(9)热接触的吸收翼片(21)。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，在冷凝区段(6)内部布置由柔性箔片材料制成的热交换器垫(30)，该热交换器垫的上缘(31)连接至污水供应管线(3)并且该热交换器垫的下缘(32)连接至引导通过闭合流体回路(2)的存储区段(7)的软管线路(33)，该软管线路(33)通过传输装置(15)将污水传输到加热区段(5)中。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，为了改进热传输，在加热区段(5)外部处布置导热箔片(23)。
5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，太阳能收集器(10)在侧面元件(13)上具有由织物增强箔片材料制成的可膨胀框架部件(26)，其在膨胀状态下展开反射箔片(11)的抛物线或圆形形状。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，侧面元件(13)的可膨胀框架部件(26)由织物增强箔片材料制成的可膨胀连接元件(27)连接。
7.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，反射箔片(11)附接至多层的可膨胀支撑箔片(28)。
8.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，太阳能收集器(10)的侧面元件(13)包括支承盘(29)，由此太阳能收集器(10)旋转地安装在管状的闭合流体回路(2)的加热区段(5)上。
9.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，太阳能收集器(10)的侧面元件(13)通过胶粘或焊接牢固地紧固至管状的闭合流体回路(2)的加热区段(5)。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，太阳能收集器(10)具有用于调节至太阳位置的跟踪设备(35)，其接触闭合流体回路(2)，并且触发整个设备(1)的倾斜运动，所述跟踪设备(35)包括经由泵(39)连接的可展开的形成元件(36a，36b)，其相应的填充水平确定设备(1)的倾斜角度。
11.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，太阳能收集器(10)包括用于调节至太阳位置的跟踪设备(41)，其触发收集器(10)绕着加热区段(5)轴线的旋转运动，所述跟踪设备(41)包括第一和第二软管区段(42，43)，它们的端部沿相反方向绕着闭合流体回路(2)的管状区段(44)缠绕并且它们的自由端(45)固定至太阳能收集器(10)。
12.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，设置了连接至污水供应管线(3)的供应容器(59)，并且污水的传输大致仅通过流体静压力来执行，所述流体静压力是由于在供应容器(59)与污水在加热区段(5)上端处的出口位置之间的高度差而造成的。
13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，加热区段(5)中的蒸发区域(9)由具有不同径向弯曲的两个半管(60)扩大，所述半管放置为在蒸发区域(9)的加热袋(16)上方紧密地一个在另一个上方。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，半管(60)直接地连接至加热区段(5)的导热箔片(23)。
15.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述热交换器垫(30)形成圆筒覆层。
16.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述传输装置(15)为太阳能泵。
17.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述导热箔片(23)为铜箔。
18.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述跟踪设备(35)接触冷凝区段(6)。
19.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述形成元件(36a，36b)是多个分开的楔块。
20.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述两个半管(60)由金属制成。
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