CN109954354A - 一种用于湿式冷却塔的除雾收水装置 - Google Patents

一种用于湿式冷却塔的除雾收水装置 Download PDF

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康勇
余纪成
吴思宇
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Abstract

本发明公开一种用于湿式冷却塔的除雾收水装置，能高效回收冷却塔排放湿热气体中以气态水蒸汽形式存在的蒸发损失以及以液态水滴形式存在风吹损失，当冷却水温度以及气体流速达到实验操作条件时，水回收效率高达80％以上；所回收水分水质符合循环水使用标准，可以全部返回循环水使用，达到湿式冷却塔节水的目的；同时，能够有效避免冷却塔排气口湿热气体在周围环境中形成雾霾和结冰，降低军团菌等影响人体健康的微生物的传播扩散。

Description

一种用于湿式冷却塔的除雾收水装置
技术领域
本发明涉及工业循环水节能降耗和环保领域，尤其涉及一种用于湿式冷却塔的除雾收水装置。
背景技术
湿式冷却塔是工业过程中广泛使用的冷却设备，在运行过程会消耗大量水资源，其水损失主要包含以下三个方面：风吹损失、排污损失和蒸发损失。其中蒸发损失为循环冷却水在换热过程中被蒸发，并以水蒸气形式散发到空气中的水分；风吹损失是指循环冷却水中随空气流一起被吹出塔外的小水滴；排污损失是指随着循环冷却水的不断蒸发，水中溶解盐不断被浓缩，为了降低盐含量，必须排放的一部分冷却水，在三者中蒸发损失所占消耗水量最大，其次是风吹损失，排污损失最小。冷却塔排放的湿热气体中损失的水分主要为风吹损失和蒸发损失，这些水分若不进行有效回收直接排放到空气中，将会在周围环境中形成雾霾，冬天甚至在冷却塔周围结冰，不仅造成水资源大量浪费，还给人们生活带来很大影响。与此同时，冷却塔排放气的湿热环境还会促进军团病繁殖传播，给人们身心健康带来极大危害。
目前国内外关于冷却塔水损失节水研究较少，现有冷却塔排放气回收处理技术主要包含以下三方面：
(1)安装收水器或丝网除沫器：虽可回收绝大部分风吹损失，但不能回收蒸发损失，而且还会影响塔内通风进而影响冷却塔换热性能；
(2)塔内安装空气换热器：虽可回收部分风吹损失和蒸发损失，但是其安装复杂成本高而且效率较低；
(3)干式冷却塔代替湿式冷却塔：虽然可以完全避免蒸发损失、风吹损失和排污损失，但冷却塔受环境因素影响较大、成本较高，约为湿式冷却塔4-6倍。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，目的在于提供一种用于湿式冷却塔的除雾收水装置，可同时回收冷却塔排放气中的蒸发损失和风吹损失，实现节能降耗和保护环境，具有效率高、成本低、结构简单和操作简便等优点。
本发明通过下述技术方案予以实现：
一种用于湿式冷却塔的除雾收水装置，包括：
旋风分离单元，包括一侧带有切向进气口的进气管、竖直设置在进气管顶端中心位置的溢流管和连接在进气管底端的底流管以及水平设置在底流管内部顶端的稳液环；
过渡单元，包括呈倒锥形的过渡单元外壳以及支撑在过渡单元外壳内壁上的固定盘；
纤维聚结单元，包括呈圆柱状的纤维聚结单元外壳以及吊装在纤维聚结单元外壳顶部的纤维聚结滤筒；
降温冷凝单元，包括由上述固定盘支撑的上部盘管、支撑在上述过渡单元外壳内壁上的中部盘管、以及竖直设置于上述旋风分离单元中心且其顶部贯穿中部盘管与固定盘连接的中心盘管；
旋风分离单元上端通过内螺纹接管与过渡单元连接，过渡单元上端通过法兰与纤维聚结单元连接，降温冷凝单元的上部盘管安装于纤维聚结单元内并与其同轴。
在上述技术方案中，所述的上部盘管为金属材质的柱状螺旋盘管，包括同轴的内外两层并通过上部盘管固定筋连接固定，其上下两端分别设置有进水口和出水口；
所述的中部盘管为金属材质的锥状螺旋盘管，其锥度与过渡单元外壳的锥度一致，由轴心向外均匀间隔排布有3-5层盘管并通过中部盘管固定筋连接固定，其顶端内外两侧分别设置有出水口和进水口；
所述的中心盘管为金属材质的柱状螺旋盘管，自下而上逆时针盘绕在中心盘管固定管上，中心盘管固定管为中空结构，出水口和进水口均设置于中心盘管固定管的顶部，中心盘管固定管顶部外壁设置有螺纹。
在上述技术方案中，所述固定盘为顶部开口且带有环形外沿的锥形圆盘结构，上述环形外沿上均匀间隔开设有4-12个通气孔，固定盘外侧锥面上向下倾斜设置有3-6个固定盘支撑筋，底面中心竖直向下设置有排水管，该排水管底部内壁上设置有螺纹。
在上述技术方案中，所述旋风分离单元的进气管分为上下两段，上段为顶端封闭底端开口的圆柱段，下段为两端开口的锥段，两段之间通过螺栓连接。
在上述技术方案中，所述的底流管一侧设置有排水管，该排水管的出水端位置与底流管上沿平齐。
在上述技术方案中，所述稳液环的结构为圆环形，内圆的直径小于等于中心盘管固定管的外径，外圆的直径等于底流管的内径，在稳液环上沿内圆一周均匀设置有6个圆形的稳液环通水孔。
在上述技术方案中，所述的稳液环由硅胶或者橡胶制成。
在上述技术方案中，所述的过渡单元外壳外壁上距底面1/3-1/4处设置有排水口，该排水口沿过渡单元外壳外壁圆周均匀间隔设置2-4个。
在上述技术方案中，所述的纤维聚结单元顶面开设有通孔，该通孔与纤维聚结滤筒相连。
在上述技术方案中，所述的纤维聚结单元上通过螺栓连接有缓冲腔，该缓冲腔底端与纤维聚结单元顶面的通孔相连，缓冲腔顶面中央设置有出气管。
在上述技术方案中，所述的降温冷凝单元内上部盘管、中部盘管和中心盘管内通低温水，各进水口之间与出水口之间互为并联关系。
在上述技术方案中，所述的纤维聚结滤筒由玻璃纤维制成，过滤精度为1～5μm，并通过PDMS-SiO2超疏水改性剂对滤材进行超疏水改性。
在上述技术方案中，所述的湿式冷却塔除雾收水装置内壁设置有疏水涂层，为喷涂含有硅氟官能团的超疏水纳米可控自聚涂料涂层。
另一方面，一种用于湿式冷却塔的除雾收水装置在冷却塔除雾收水中的应用。
向装置中通入夹带液滴的过饱和湿热气体，当湿热气体中含液浓度10.5g/m3、冷却水流量和温度分别为90L/h和10℃时，湿热气体以11m/s进入装置，装置水回收率可达到89.54％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的用于湿式冷却塔的除雾收水装置节约水资源，能高效回收湿热气体中风吹损失和蒸发损失，水回收效率可达89.54％；
(2)本发明的用于湿式冷却塔的除雾收水装置在安装稳液环后可极大缓解气流对液面扰动情况，防止底流管内液体被气流重新卷入到旋流中造成液泛现象；
(3)本发明的用于湿式冷却塔的除雾收水装置安装在旋风分离单元内部的中心盘管自下而上采用逆时针方向与内旋流旋转上升方向相同，内旋流运动过程中会依附在中心盘管上，防止湍流扩散使内旋流运动流场更加稳定；
(4)本发明用于湿式冷却塔的除雾收水装置所回收的水分水质符合循环水使用标准，可以全部返回循环水使用，达到湿式冷却塔节水的目的；
(5)本发明用于湿式冷却塔的除雾收水装置可有效避免湿热气体在周围环境中造成的雾霾和结冰等环境问题，同时极大降低军团病菌在环境空气中的传播繁殖。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的旋风分离单元的结构示意图；
图3为本发明的上部盘管的结构示意图；
图4为本发明的中部盘管的结构示意图；
图5为本发明的中心盘管的结构示意图；
图6为本发明的固定盘的结构示意图；
图7为本发明的稳液环的俯视图。
其中：1、旋风分离单元；2、过渡单元；3、降温冷凝单元；3-1、上部盘管；3-2、中部盘管；3-3、中心盘管；4、纤维聚结单元；5、出气管；6、缓冲腔；7、纤维聚结滤筒；8、纤维聚结单元外壳；9、固定盘；10、过渡单元外壳；11、排水口；12、内螺纹接管；13、上部盘管固定筋；14、中部盘管固定筋；15、中心盘管固定管；16、中心盘管固定管外螺纹；17、固定盘排水管；18、固定盘支撑筋；19、固定盘通气孔；20、排水管；21、锥段；22、切向进气口；23、溢流管；24、圆柱段；25、稳液环；25-1、稳液环通水孔；26、底流管。
具体实施方式
下面结合附图1至7与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述。需要说明的是：下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
一种用于湿式冷却塔的除雾收水装置，包括由排水管20、锥段21、溢流管23、圆柱段24、稳液环25和底流管26组成的旋风分离单元1，由固定盘9、固定盘排水管17、过渡单元外壳10和排水口11组成的过渡单元2，由出气管5、缓冲腔6、纤维聚结滤筒7和纤维聚结单元外壳8组成的纤维聚结单元4，以及由上部盘管3-1、中部盘管3-2、中心盘管固定管15和中心盘管3-3组成的降温冷凝单元3。连接关系是：旋风分离单元1上端通过内螺纹接管12与过渡单元2连接，过渡单元2上端通过法兰与纤维聚结单元4连接，降温冷凝单元3的上部盘管3-1安装于纤维聚结单元4内并与其同轴，由固定盘9支撑，中部盘管3-2安装于过渡单元2内壁上，中心盘管3-3安装于旋风分离单元1中心。
所述的旋风分离单元1上端为带有切向进气口22的圆柱形进气管，进气管的圆柱段24中心位置设置有溢流管23，进气管的圆柱段24下方通过法兰连接有锥段21，锥段21下端设置有圆柱形的底流管26，底流管26左侧设置有排水管20，该排水管20的出水端位置与底流管26的上沿平齐，在底流管26内部的顶端设置有稳液环25，稳液环25由硅胶制成，结构为圆环形，内圆的直径小于等于中心盘管固定管15的外径，外圆的直径等于底流管26的内径，在稳液环25上沿内圆一周均匀设置有6个圆形的稳液环通水孔25-1，安装稳液环25后可防止底流管26内液体被气流重新卷入到旋流中造成液泛现象。
所述的过渡单元2，包括呈倒锥形的过渡单元外壳10以及支撑在过渡单元外壳10内壁上的固定盘9，固定盘9为顶部开口且带有环形外沿的锥形圆盘结构，上述环形外沿上均匀间隔开设有12个通气孔，固定盘9外侧锥面上向下倾斜设置有6个固定盘支撑筋18，底面中心竖直向下设置有固定盘排水管17，该固定盘排水管17底部内壁上设置有螺纹，过渡单元外壳10外壁上距底面1/3处设置有排水口11，该排水口11沿过渡单元外壳10外壁圆周均匀间隔设置4个。固定盘9主体采用锥形圆盘的结构，便于收集液体流入固定盘排水管17中。
所述的纤维聚结单元4包括呈圆柱状的纤维聚结单元外壳8以及吊装在纤维聚结单元外壳8顶部的纤维聚结滤筒7，纤维聚结滤筒7由玻璃纤维制成，过滤精度为1μm，并通过PDMS-SiO2超疏水改性剂对滤材进行超疏水改性，在纤维聚结滤筒7表面制备一层超疏水涂层，纤维聚结单元4顶面开设有通孔，该通孔与纤维聚结滤筒7相连，纤维聚结单元4上通过螺栓连接有缓冲腔6，该缓冲腔6底端与纤维聚结单元4顶面的通孔相连，在缓冲腔6顶面中央设置有出气管5。
PDMS：聚二甲基硅氧烷，为有机硅材料，可用于低表面能涂层且具有良好的强度和韧性，产品型号：道康宁184，A、B双组份，生产厂家：美国道康宁公司。SiO2名称：疏水纳米二氧化硅，为无定形白色粉末，生产厂家：阿法埃莎(天津)化学有限公司。PDMS-SiO2超疏水改性方法：将20g SiO2、16g道康宁184A和3.2g道康宁184B加入到4L正己烷液体中充分稀释并混合均匀得到混合液，再将纤维聚结单元4完全浸泡在上述混合液中24小时，取出后置于室外自然风干固化12小时，即可使纤维聚结滤筒7表面覆有超疏水涂层。
所述的降温冷凝单元3的上部盘管3-1为金属材质的柱状螺旋盘管，由上述固定盘9支撑，包括同轴的内外两层并通过上部盘管固定筋13连接固定，其上下两端分别设置有进水口和出水口(如图3所示)；中部盘管3-2为金属材质的锥状螺旋盘管，其锥度与过渡单元外壳10的锥度一致，由轴心向外均匀间隔排布有5层盘管并通过中部盘管固定筋14连接固定在上述过渡单元外壳10内壁上，其顶端内外两侧分别设置有出水口和进水口(如图4所示)；中心盘管固定管15为中空结构，竖直设置于上述旋风分离单元1中心且其顶部贯穿中部盘管3-2中心，并与固定盘9底部设置的固定盘排水管17通过中心盘管固定管15顶部设置的中心盘管固定管外螺纹16连接，中心盘管3-3为金属材质的柱状螺旋盘管，自下而上逆时针盘绕在中心盘管固定管15上，出水口和进水口均设置于中心盘管固定管15的顶部(如图5所示)。
上述的上部盘管3-1、中部盘管3-2和中心盘管3-3内通低温水，且各自的进水口之间与出水口之间互为并联关系。
用于湿式冷却塔的除雾收水装置内壁设置有疏水涂层，用以降低空气与器壁摩擦，减少液滴挂壁滞留现象。该疏水涂层为喷涂含有硅氟官能团的超疏水纳米可控自聚涂料涂层，产品型号为AS-9590，具有风干固化较快，超疏水效果较好的特点生产厂家为东莞市奥森环保科技有限公司，涂层厚度为30微米。
本发明的一种用于湿式冷却塔的除雾收水装置在使用时：夹带液态水滴和气态水蒸汽的过饱和湿热气体通过切向进气口22进入装置后，做高速切向旋流运动，在离心力和重力共同作用下，质量密度较大的液滴被甩向旋风分离单元1的内壁面汇集成液流流向底流管26，并通过排水管20排出。安装于旋风分离单元1内部的中心盘管3-3内部通有冷却水，可将湿热气体进行初步降温冷凝，部分气态水蒸汽经降温液化后形成液态水滴(液滴)，冷凝形成的液滴与湿热气体中原夹带液滴相互混合，在旋风分离单元1内大部分液滴得到分离。湿热气体进入旋风分离单元1后做方向向下的外旋流运动和方向向上的内旋流运动，在锥段21与底流管26附近下降的外旋流与上升的内旋流频繁交汇，气流湍流扰动极强，旋流尾涡易出现旋转摆动现象，极易将液滴重新卷入内旋流中，造成液滴返混夹带，导致分离效率降低。安装在旋风分离单元1内部的中心盘管3-3自下而上采用逆时针方向与内旋流旋转上升方向相同，内旋流运动过程中会依附在中心盘管3-3上，防止湍流扩散使内旋流运动流场更加稳定。此外，安装在中心盘管固定管15底部的稳液环25与底流管26液面平齐，可极大缓解气流对液面扰动情况，防止液滴被卷入旋流中。经中心盘管3-3初步降温和旋风分离单元1离心分离后，湿热气体依次通过溢流管23、内螺纹接管12进入过渡单元2和纤维聚结单元4。未分离小粒径液滴及剩余气态水蒸气遇到中部盘管3-2和上部盘管3-1换热降温，气态水蒸汽再次降温冷凝形成液滴，随气流运动这些液滴互相碰撞聚集，粒径和质量逐渐变大，在重力作用下落至过渡单元2底部形成环状运动液流，最后通过排水口11排出。剩余液滴随气流流向超疏水改性纤维聚结滤筒7，在纤维聚结滤筒7的拦截下，液滴在滤筒玻璃纤维上碰撞聚结成大液滴并滴入固定盘9的固定盘排水管17中，由中心盘管固定管15输送至底流管26后由排水管20排出。
实施例1：
装置内部安装中心盘管3-3，对纤维聚结器进行PDMS-SiO2超疏水改性，向图1所示装置中通入夹带液滴的过饱和湿热气体，湿热气体以11m/s的速度进入装置，湿热气体中液态水滴含量从3.5g/m3变化至12.5g/m3，待半小时装置收水稳定后，从底流管26的排水管20和过渡单元2的排水口11收集10min内装置回收的水分并称量其质量，为减小实验误差，实验中采用多次称量求平均值方法，装置水回收效率在相同条件下较未安装中心盘管3-3提高约5％-6％。
实施例2：
装置内部安装中心盘管3-3，对纤维聚结器进行PDMS-SiO2超疏水改性，向图1所示装置中通入夹带液滴的过饱和湿热气体，当湿热气体的含液浓度从3.5g/m3变化至12.5g/m3时，湿热气体以11m/s进入装置，装置水回收效率较未采用PDMS-SiO2提高约6％-6.5％。
实施例3：
装置内部安装中心盘管3-3，对纤维聚结器进行PDMS-SiO2超疏水改性，向图1所示装置中通入夹带液滴的过饱和湿热气体，当湿热气体中含液浓度10.5g/m3、冷却水流量和温度分别为65L/h和10℃时，湿热气体以11m/s进入装置，装置水回收率可达到87.41％。
实施例4：
装置内部安装中心盘管3-3，对纤维聚结器进行PDMS-SiO2超疏水改性，向图1所示装置中通入夹带液滴的过饱和湿热气体，当湿热气体中含液浓度10.5g/m3、冷却水流量和温度分别为90L/h和10℃时，湿热气体以11m/s进入装置，装置水回收率可达到89.54％。
实施例5：
装置内部安装中心盘管3-3，对纤维聚结器进行PDMS-SiO2超疏水改性，向图1所示装置中通入夹带液滴的过饱和湿热气体，当湿热气体中含液浓度10.5g/m3、冷却水流量和温度分别为65L/h和15℃时，湿热气体以11m/s进入装置，装置水回收率可达到82.54％。
实施例6：
装置内部安装中心盘管3-3，对纤维聚结器进行PDMS-SiO2超疏水改性，向图1所示装置中通入夹带液滴的过饱和湿热气体，当湿热气体中含液浓度10.5g/m3、冷却水流量和温度分别为65L/h和15℃时，湿热气体以9m/s进入装置，装置水回收率可达到68.76％。
实施例7：
装置内部安装中心盘管3-3，对纤维聚结器进行PDMS-SiO2超疏水改性，向图1所示装置中通入夹带液滴的过饱和湿热气体，当湿热气体中含液浓度10.5g/m3、冷却水流量和温度分别为65L/h和15℃时，湿热气体以14m/s进入装置，装置水回收率可达到63.37％。
实施例8：
装置内部安装中心盘管3-3，对纤维聚结器进行PDMS-SiO2超疏水改性，向图1所示装置中通入夹带液滴的过饱和湿热气体，当湿热气体中含液浓度10.5g/m3、未通冷却水换热时，湿热气体以11m/s进入装置，装置水回收率可达到35.78％.
本发明能高效回收冷却塔排放湿热气体中以气态水蒸汽形式存在的蒸发损失以及以液态水滴形式存在风吹损失，当冷却水温度以及气体流速达到实验操作条件时，水回收效率高达80％以上；所回收水分水质符合循环水使用标准，可以全部返回循环水使用，达到湿式冷却塔节水的目的；同时，能够有效避免冷却塔排气口湿热气体在周围环境中形成雾霾和结冰，降低军团菌等影响人体健康的微生物的传播扩散。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于湿式冷却塔的除雾收水装置，其特征在于：包括：
旋风分离单元，包括一侧带有切向进气口的进气管、竖直设置在进气管顶端中心位置的溢流管和连接在进气管底端的底流管以及水平设置在底流管内部顶端的稳液环；
过渡单元，包括呈倒锥形的过渡单元外壳以及支撑在过渡单元外壳内壁上的固定盘；
纤维聚结单元，包括呈圆柱状的纤维聚结单元外壳以及吊装在纤维聚结单元外壳顶部的纤维聚结滤筒；
降温冷凝单元，包括由上述固定盘支撑的上部盘管、支撑在上述过渡单元外壳内壁上的中部盘管、以及竖直设置于上述旋风分离单元中心且其顶部贯穿中部盘管与固定盘连接的中心盘管；
旋风分离单元上端通过内螺纹接管与过渡单元连接，过渡单元上端通过法兰与纤维聚结单元连接，降温冷凝单元的上部盘管安装于纤维聚结单元内并与其同轴。
2.根据权利要求1所述的用于湿式冷却塔的除雾收水装置，其特征在于：所述的上部盘管为金属材质的柱状螺旋盘管，包括同轴的内外两层并通过上部盘管固定筋连接固定，其上下两端分别设置有进水口和出水口；
所述的中部盘管为金属材质的锥状螺旋盘管，其锥度与过渡单元外壳的锥度一致，由轴心向外均匀间隔排布有3-5层盘管并通过中部盘管固定筋连接固定，其顶端内外两侧分别设置有出水口和进水口；
所述的中心盘管为金属材质的柱状螺旋盘管，自下而上逆时针盘绕在中心盘管固定管上，中心盘管固定管为中空结构，出水口和进水口均设置于中心盘管固定管的顶部，中心盘管固定管顶部外壁设置有螺纹。
3.根据权利要求1所述的用于湿式冷却塔的除雾收水装置，其特征在于：所述固定盘为顶部开口且带有环形外沿的锥形圆盘结构，上述环形外沿上均匀间隔开设有4-12个通气孔，固定盘外侧锥面上向下倾斜设置有3-6个固定盘支撑筋，底面中心竖直向下设置有固定盘排水管，该固定盘排水管底部内壁上设置有螺纹。
4.根据权利要求1所述的用于湿式冷却塔的除雾收水装置，其特征在于：所述旋风分离单元的进气管分为上下两段，上段为顶端封闭底端开口的圆柱段，下段为两端开口的锥段，两段之间通过螺栓连接；底流管一侧设置有排水管，该排水管的出水端位置与底流管上沿平齐。
5.根据权利要求1所述的用于湿式冷却塔的除雾收水装置，其特征在于：所述稳液环的结构为圆环形，内圆的直径小于等于中心盘管固定管的外径，外圆的直径等于底流管的内径，在稳液环上沿内圆一周均匀设置有6个圆形的稳液环通水孔。
6.根据权利要求1所述的用于湿式冷却塔的除雾收水装置，其特征在于：所述的过渡单元外壳外壁上距底面1/3-1/4处设置有排水口，该排水口沿过渡单元外壳外壁圆周均匀间隔设置2-4个。
7.根据权利要求1所述的用于湿式冷却塔的除雾收水装置，其特征在于：所述的纤维聚结单元顶面开设有通孔，该通孔与纤维聚结滤筒相连；所述的纤维聚结单元上通过螺栓连接有缓冲腔，该缓冲腔底端与纤维聚结单元顶面的通孔相连，缓冲腔顶面中央设置有出气管。
8.根据权利要求2所述的用于湿式冷却塔的除雾收水装置，其特征在于：所述的降温冷凝单元内上部盘管、中部盘管和中心盘管内通低温水，各进水口之间与出水口之间互为并联关系。
9.根据权利要求1所述的用于湿式冷却塔的除雾收水装置，其特征在于：所述的纤维聚结滤筒由玻璃纤维制成，过滤精度为1～5μm，并通过PDMS-SiO2超疏水改性剂对滤材进行超疏水改性。
10.如权利要求1所述的用于湿式冷却塔的除雾收水装置在冷却塔除雾收水中的应用；向装置中通入夹带液滴的过饱和湿热气体，当湿热气体中含液浓度10.5g/m3、冷却水流量和温度分别为90L/h和10℃时，湿热气体以11m/s进入装置，装置水回收率可达到89.54％。
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