CN110494208B - 热交换器和反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换器(1)，包括限定第一容积(V1)的壳体(2，20)并包括限定第二容积(V2)的至少一个导管(9，19)，其中壳体(2，20)具有入口(5，25)和出口(6，26)以及至少一个第一开口(7)和至少一个第二开口(8)，第二开口(8)相对于壳体(2，20)与第一开口(7)相对地设置，其中至少一个导管(9，19)延伸穿过第一容积(V1)并将壳体(2，20)的至少一个第一开口(7)和壳体(2，20)的至少一个第二开口(8)相连接，导管在两端处以流体密封的方式连接至壳体(2，20)。为了提供一种能够改进对壳体和导管的热膨胀差的补偿的热交换器，根据本发明，至少一个导管(9，19)在第一容积(V1)内部不线性延伸，并且至少一个导管(9，19)在导管的第一开口(7)和/或导管的第二开口(8)的区域中整体地连接至壳体(2，20)。

Description

热交换器和反应器
技术领域
本发明涉及一种热交换器、其作为反应器的用途、以及一种具有热交换器的反应器。
背景技术
热交换器的基本原理是将热能从第一介质流传递到第二介质流。两种介质流不流体连通，因此不发生混合。
在很多示例中设置有壳体，第一介质流过该壳体。一个或多个导管布置在壳体中，第二介质在导管中流动。介质通过导管的壁彼此分离。然而，该壁允许进行热传递。
按照介质流的流动方向，热交换器被分为直流热交换器、逆流热交换器和交叉流热交换器。直流是指介质沿相同方向彼此基本上平行地流动。在逆流中，介质的流动基本上平行但是方向相反。术语交叉流用于介质流交叉流动时的情况、特别是以90度角交叉流动时的情况。
从现有技术还已知包括热交换器的反应器。反应器是指在想要使用时用于发生反应、尤其是发生化学反应或生化反应的容器。
例如，反应器可以用于生产甲醇(CH3OH)。在生产中，向反应器供给一氧化碳(CO)和氢气(H2)，一氧化碳(CO)和氢气(H2)在反应器中彼此反应。在这种情况下，可以使用催化剂来提高反应速率。该反应是放热反应，因此需要去除热能。
由EP 1048343 A2已知一种热交换器/反应器，其能够用于生产甲醇并包括多个直导管，在导管中布置有催化剂。导管布置在壳体中，第一介质流过壳体，因此浸润导管，并且导管在端部侧进入相对于壳体相对地定位的收集空间和分配空间中。包括化学反应的原料和最终产物的第二介质流过导管。在导管中发生反应。由于为放热反应，因此从导管到壳体壁产生温度梯度。因此，导管比壳体壁膨胀得更强烈，从而导管通过相应的波纹管到达壳体壁。热能由第二介质传递到第一介质，并与第一介质一起从壳体输送出。
在加工中，波纹管的使用在技术上是昂贵的并且增加了设备成本。另外，波纹管易于磨损，这也是不利的。
WO 2013/004254 A1提出了在壳体的纵向方向上可移动地布置导管，而没有波纹管。这样，避免了波纹管的使用，但是该布置需要在导管与壳体之间进行复杂的密封。
US 2,751,761公开了一种具有加热器(Kessel)的热泵，单个导管在加热器中呈螺旋形延伸。加热器和导管分别形成供介质流过的容积，容积之间彼此不连通。水流过加热器，水可选地由在导管中流动的介质的温差进行加热或冷却。
由US 4,858,584已知一种用于预热内燃机的燃料的设备。该设备包括杆形壳体和位于其中的螺旋形导管。壳体的一端具有入口，另一端具有出口，入口和出口分别沿切向布置。
US 5,379,832示出了一种热交换器，其也具有壳体，但是在壳体中布置了两个导管。为了制造这两个导管，将直管分别缠绕在芯上，使导管呈现螺旋形。然后，两个导管可以以不同的方式彼此互锁。
发明内容
因此，为了解决上述问题，本发明提供一种能够改进对壳体和导管的热膨胀差的补偿的热交换器。
通过根据权利要求1的一种热交换器解决该问题。
所述热交换器包括壳体和至少一个导管。所述壳体限定第一容积，并且所述至少一个导管限定第二容积。所述壳体具有入口和出口以及至少一个第一开口和至少一个第二开口，所述第二开口相对于所述壳体与所述第一开口相对地定位。所述至少一个导管穿过所述第一容积并将所述壳体的所述至少一个第一开口与所述壳体的所述至少一个第二开口相连接，并且所述导管在该导管的两端处以流体密封的方式连接至所述壳体。因此，第一容积不与第二容积流体连通，从而防止第一介质和第二介质混合。
热交换器的特征在于所述至少一个导管在第一容积内不以线性的方式延伸，并且所述至少一个导管在所述导管的第一开口和/或所述导管的第二开口的区域中整体地连接至所述壳体。
根据本发明的热交换器的壳体能够接收第一介质的从入口向出口的流动。热交换器的至少一个导管能够接收第二介质的从第一开口向第二开口的流动或沿相反方向的流动。当想要使用时，热能从第一介质传递到第二介质，反之亦然。由于至少一个导管的非线性轮廓，因此至少一个导管可能发生变形，但不会形成危及导管的材料、壳体或导管与壳体的连接的应力。当想要使用时，如果导管和/或壳体发生热致膨胀，则通过导管的变形来补偿该膨胀。因此，导管同时形成了膨胀或补偿元件，从而不需要额外的补偿元件，例如波纹管。
整体连接由于不需要单独的密封元件和/或材料，因此在第一容积和第二容积之间的密封方面是有利的。
优选地，每个导管恰好与一个第一开口和一个第二开口匹配，并且每个第一开口和每个第二开口恰好与一个导管匹配。然后，第二介质从壳体外部的区域通过第一开口或第二开口流入相关联的导管中，流过该导管并通过另一开口离开第二容积而进入第一容积外部的区域中。
优选地，入口也相对于壳体与出口相对地定位。壳体特别是包括同时限定了第一容积以及入口和出口的所有壁或壁部分。
在有利的改进方案中提出，一方面在至少一个第一开口和至少一个第二开口之间的假想连接线和另一方面在入口和出口之间的假想连接线基本上平行。基本上平行也应理解为是指这样的布置，其中连接线形成小于50度的角、特别是小于20度的角。连接线的基本上平行的布置是指第一介质和第二介质沿相同方向流动或沿彼此相反的方向流动，这确保了热能的均匀传递。
导管的“主流动方向”表示沿着与导管相关联的第一开口和第二开口之间的连接线的方向。尤其优选地，导管延伸使得导管中的流动在任何点上都不具有与主流动方向相反的分量。因此，相对于一方面在导管中流动的第二介质和另一方面围绕导管的第一介质的平行流和逆流都不发生变化。通过避免第一介质中的横向于主流动方向的温度梯度，这使得热能以均匀且受控制的方式从一种介质传递到另一种介质。
在一个有利的改进方案中提出，壳体具有纵向轴线L并且由垂直于纵向轴线L的假想面A划分为第一壳体部分和第二壳体部分。这些壳体部分不需要为单独的部件。入口和至少一个第一开口位于第一壳体部分中，出口和至少一个第二开口位于第二壳体部分中。这样，至少一个第一开口和至少一个第二开口相对于壳体彼此相对地定位。同样，入口和出口也相对于壳体彼此相对地定位。
优选地，至少一个第一开口和至少一个第二开口相对于壳体和/或容积中点彼此相对地定位。特别优选地，在与导管相关联的第一开口和与同一导管相关联的至少一个第二开口之间的假想连接线穿过壳体和/或容积中点。
进一步优选地，入口和出口相对于壳体和/或容积中点彼此相对地定位。尤其优选地，在入口和出口之间的假想连接线穿过壳体和/或容积中点。
在有利的改进方案中，壳体具有中间部和两个相对的端部件。中间部优选为柱形的。该形状使得壳体中的多个导管旋转对称地布置并且使得第一介质均匀流动。端部件优选为旋转对称的。为便于制造，端部件优选为相同的。
特别优选地，入口和至少一个第一开口位于一个端部件上，出口和至少一个第二开口位于另一个端部件上。这一方面导致至少一个第一开口和至少一个第二开口相对于壳体相对地布置，另一方面导致入口和出口相对于壳体相对地布置。
优选地，设置有多个导管，由此在第一容积中发生更均匀且更有效的热传递。通过多个导管，其表面得以增加，并且因此整体上能够在介质之间传递更多的热能。换句话说，这种方式提高了热交换器的热传递性能。
在特别有利的改进方案中提出，壳体具有纵向轴线L并且多个导管相对于壳体的纵向轴线L旋转对称地布置。这使得壳体中的导管均匀地分布，同样提高了介质之间的热传递。
根据本发明的至少一个导管基本上可以具有任何形式的非线性轮廓。特别地，只要至少一个导管包括方向的改变，该导管也可以具有线性部分。导管的中心线特别地可以具有二维或三维的轮廓。
尤其优选地，至少一个导管至少部分地以弧形和/或波浪形和/或螺旋形和/或之字形延伸。特别地，波浪形或螺旋形具有高柔韧性，由此还能够在没有显著材料应力的情况下补偿导管或壳体的较大的热膨胀。
如果设置有多个导管，则这些导管可以具有相同或不同的形状。优选地，所有导管都相同，从而确保所有导管中的均匀流动。
在本发明的一个有利的改进方案中提出，至少一个导管的横截面轮廓沿其路线变化。第二介质流过的内部横截面可变，或者该至少一个导管的外部形状可变。这样，可以在导管的不同部分中实现第一介质和/或第二介质的不同流速和/或不同尺寸的接触面。这可以影响在导管的不同部分上的热传递的大小。
有利地，热交换器中设置有多个导管，并且该热交换器具有至少一个收集器和/或至少一个分配器。若干个导管穿过其各自相关联的第一开口与收集器流体连通和/或穿过其各自相关联的第二开口与分配器流体连通。分配器具有用于第二介质的供给部和/或收集器具有用于第二介质的排出部。由于只需要一个相应的连接(供给部和排出部)，由此，分配器为导管提供第二介质，而收集器便于从导管中去除第二介质。
尤其优选地提出，壳体具有纵向轴线L，并且收集器和/或分配器分别包括供给部和排出部，供给部和排出部与围绕壳体的纵向轴线L的假想圆相切地定位。这种布置的优点在于，尤其在围绕纵向轴线L的其他(ansonsten)旋转对称的构造的情况下，第二介质在所有导管中均匀地分布。即便如此，壳体没有安装中心端部，使得用于第一介质的入口和出口可以同时沿纵向轴线布置在第一容积中。特别优选地，供给部和/或排出部与收集器和/或分配器的外壁相切地布置。
热交换器具有至少一个导管和壳体。壳体可以包括中间部和两个端部件。另外，壳体可以包括收集器和分配器。根据本发明，导管和壳体至少在第一和/或第二开口的区域中彼此整体地连接。例如，如果入口和至少一个第一开口布置在一个端部件上，并且出口和至少一个第二开口布置在另一个端部件上，则至少一个导管和端部件整体地形成。而且，至少一个导管、端部件和中间部或至少一个导管、端部件和中间部、收集器和分配器也能够整体地形成。由于这种方式避免了额外的材料，因此这种整体的设计对于热交换器尤其有利，由此能够使热传递更加均匀。
整体上相互连接的元件由单块材料组成。如果若干个元件整体连接并且还具有其他部件，则热交换器的这些其他部件优选地一体接合到整体形成的元件。特别是，中间部和/或收集器和/或分配器可以一体接合到整体形成的元件。
优选地，整体形成的元件通过增材制造(additiver Fertigung)生产。
热交换器可以为单件设计、特别是整体或复合设计。例如通过两个部件的一体接合实现的单件生产通常更昂贵，但是其在紧密性和稳定性方面具有优势。当部件完全由整块材料制造时，该部件为整体部件。由于这种方式避免了额外的材料，因此这种整体设计对于热交换器特别有利。复合制造允许使用易于制造的部件，诸如具有圆形横截面的管子，这可以减少制造成本。
如果热交换器为复合设计，则至少各个零件或子组件优选为整体的。特别是，导管、或导管与相邻壳体部分一起、或导管连同壳体一起、或导管连同中间部和端部件一起设计为整体单元。这样可以减少组装成本。在这种情况下，收集器和分配器不能与导管整体生产。
尤其优选地，热交换器或热交换器的零件或子组件通过增材制造制成、特别是通过选择性激光烧结或选择性激光制成。在增材制造方法中，待制造的主体可以逐层地生产。这种生产特别适合复杂部件。因此，通过增材制造将热交换器制成单件、即整体件是特别有利的。
在有利的改进方案中，热交换器具有辅助结构，辅助结构特别是呈偏转元件、表面结构和连接元件的形式。表面结构例如可以是凹槽、肋、凹陷或凸起。连接元件可以将若干个导管彼此连接或将一个或多个导管连接至壳体。这样，例如能够增大表面，能够提高稳定性，或者能够制备用于施加催化剂的表面。辅助结构优选地与热交换器的零件或子组件、尤其是与导管和/或壳体整体形成。由于整体生产、特别是通过增材制造，能够针对性提供精确地适用于热交换器的特定使用目的的辅助结构。因此，能够避免多余的辅助结构，这节省了材料并实现了增强的热传递。辅助结构可以设置在第一容积中(即，设置在壳体内)和/或设置在第二容积中(即，设置在导管内)。
根据本发明的反应器包括根据上述的热交换器。可选地，在至少一个导管中(即在第二容积中)或在至少一个导管外部的壳体中(即在其余的第一容积中)，布置催化剂材料，催化剂材料加速或启动在导管中或在导管外部的壳体中流动的反应介质的反应。另一介质作为热传输介质流过其他相应的容积以散发热量或将热量供应至反应介质。在此意义上，上述的热交换器优选地作为反应器使用。
由于处理(Handhabung)的缘故，因此如果壳体的入口和出口的横截面大于导管的开口，则尤其优选的是，催化剂材料布置在至少一个导管外部的壳体中。然后，更容易使用壳体的入口和/或出口来引入和去除催化剂材料。然而，不仅处理，而且反应的吸热或放热的性质决定了催化剂材料相对于热传递的需求以及由此第一介质和第二介质间的容积分布的选择。因此，也可能需要相反的情况，其中催化剂材料应当引入导管中。催化剂材料能够作为松散填料或表面涂层被引入反应器或导管中。涂层能够例如通过如下出版物中描述的洗涂(wash coating)来生产：R.Zapf,C.Becker-Willinger,K.Berresheim,H.Bolz,H.Gnaser,V.Hessel,G.Kolb,P.
Figure BDA0002179067520000061
A-K.Pannwitt,A.Ziogas,Trans IChemE A,81(2003)721。
这种反应器的示例性应用为甲醇的生产。在流入可选的第一容积或第二容积之前，反应介质包括一氧化碳和氢气的混合物，但是在反应之后，即在从第一容积和第二容积流出时，其包括甲醇，在这两种情况下都不考虑不可避免的杂质。然后，另一介质为热传输介质，即：例如，水、空气或热油。可选地，一氧化碳和氢气也能够单独地供应并且仅在第一或第二容积中混合。这样则需要有组合的反应器和混合器。然而，这要求更复杂的且因此通常也是更昂贵的导管构造和/或壳体结构。
附图说明
下面借助两个附图解释和呈现本发明。附图示出了：
图1为根据第一实施例的热交换器的侧向剖视图；
图2为根据第二实施例的热交换器的部分侧向剖视图。
具体实施方式
图1所示的热交换器1包括壳体2，壳体2具有中间部3和两个相对的端部件4。壳体2包括入口5和出口6，其分别布置在端部件4上。入口5和出口6相对于壳体2布置在相对两侧。壳体2的纵向轴线L在入口5和出口6之间延伸，该纵向轴线L还形成了壳体2的中心轴线以及入口5和出口6之间的连接线。因此，中间部3和端部件4分别相对于纵向轴线L旋转对称，即：中间部3特别地形成为柱形壳体。
壳体2限定第一容积V1。
壳体2具有六个第一开口7和六个第二开口8。第一开口7相对于壳体2与第二开口8相对地布置。第一开口7中的两个开口和第二开口8中的两个开口在剖视图中分别可见。热交换器1具有六个导管9，在剖视图可以看到其中的四个导管(两个导管被剖切到，两个导管未被剖切到)。每个导管9均从其关联的第一开口7延伸至其关联的第二开口8，并将第一开口和第二开口相互连接。导管9相对于纵向轴线L旋转对称地设置。在开口7、8的区域中，导管9整体地连接至壳体2。导管9限定共同的第二容积V2。
连接线G在分别与相同的导管9相关联的第一开口7和第二开口8之间延伸。不同的导管9的连接线G均与纵向轴线L平行。
垂直于纵向轴线L设置的假想面A将热交换器1分为第一壳体部分16和第二壳体部分17。入口5和第一开口7布置在第一壳体部分16中，出口6和第二开口8布置在第二壳体部分17中。
当想要使用时，第一介质从壳体2外部的区域通过入口5流到第一容积V1中，然后通过出口6流到壳体2外部的区域。由于旋转对称的布置以及壳体2沿着连接线和中心线L在流动方向上的连续变宽和变窄，因此，第一介质在进入第一容积V1之后首先在流速均匀地变慢且没有湍流的情况下在第一容积V1中膨胀，并且在反应和/或热传递之后，第一介质在被再次加速的情况下通过出口6从壳体2流出。
与此同时，第二介质在运行期间流过导管9。在第一运行模式下，第二介质从第一开口7沿第二开口8的方向流动。在该运行模式下，由于两种介质的主流动方向平行且相同，因此，热交换器1为直流热交换器。在第二运行模式下，第二介质从第二开口8沿第一开口7的方向流动。在该运行模式下，由于两种介质的主流动方向平行且相反，因此，热交换器1为逆流热交换器。
第一介质和第二介质在进入壳体2或导管9之前的温度不同。因此，在壳体2中，热量从较热的介质传递到较冷的介质。
导管9以波浪形或之字形形式延伸，并且具有交替的笔直和弯曲的部分。因此，在一些部分中，导管9也横向于壳体2的纵向方向延伸，并因此横向于沿着连接线G的主流动方向延伸。然而，在导管9中的任何点处，流动方向都不会以这样的方式改变，即，使得流动方向具有与主流动方向相反的分量。换句话说，在直流热交换器的情况下，在导管中的每个位置处的流动都是从上到下的，在逆流热交换器的情况下则相反。与上下流动(诸如，在U形管束热交换器中的流动)相反，直流热交换器确保更佳的横向温度均匀性，并因此确保第一介质中更均匀的温度适应性。
如果导管9或壳体2发生热膨胀，则导管9由于其构造偏离直线因此能够变形，也就是说，导管9尤其是相对于壳体2在纵向轴线L的方向上膨胀或收缩，由此补偿材料的膨胀。
热交换器1能够填充有催化剂材料并作为反应器使用。例如，催化剂材料可以例如以松散填料或颗粒的形式通过入口5和/或出口6进入壳体2中而引入壳体2的第一容积V1中，也可以通过第一开口7和/或第二开口8引入导管9的第二容积V2中。如上所述，这一方面取决于处理，另一方面取决于吸热或放热反应。
催化剂材料也能够以薄层的形式引入至热交换器的内表面上，这在待涂覆的表面较大时(如在壳体内壁和/或许多导管外表面的情况下)特别可行。有利的是，各个表面可以被额外地构造以增加表面积。
与第一实施例相比，根据图2的热交换器1的第二实施例具有多个螺旋导管19。导管19布置在壳体20中，壳体20以局部剖视图示出。壳体20在其端部侧具有分配器10和收集器11。分配器10和收集器11相对于壳体20布置在相对两侧。导管19通过第一开口(未示出)流体连接至分配器10，并通过第二开口(未示出)流体连接至收集器11。
分配器10为柱形的且具有用于第二介质的供给部12。除了与分配器10的外壳表面13相切地设置的供给部12之外，该分配器10相对于壳体20的纵向轴线L旋转对称。
收集器11为柱形的且具有用于第二介质的排出部14。排出部14也与收集器11的外壳表面15相切地设置，其也相对于壳体20的纵向轴线L旋转对称。
另外，壳体20再次相对于纵向轴线或中心轴线L旋转对称地构造，纵向轴线或中心轴线L同时再次在入口25和出口26之间形成连接线。
因此，在这种大部分相对于纵向轴线L旋转对称的构造中，由于第二介质被沿切向引入，因此，第二介质在所有导管19中均匀地分布。并且，由于第一介质在中间处通过中心端部供给至第一容积V1，因此，第一介质均匀地流动并分布在第一容积V1中。
关于这些结果的研究由欧盟资助。
附图标记列表
1 热交换器
2 壳体
3 中间部
4 端部件
5 入口
6 出口
7 第一开口
8 第二开口
9 导管
10 分配器
11 收集器
12 供给部
13 第一外壳表面
14 排出部
15 第二外壳表面
16 第一壳体部分
17 第二壳体部分
19 导管
20 壳体
25 入口
26 出口
A 表面
G 连接线
L 纵向轴线、中心轴线
V1 第一容积
V2 第二容积。

Claims (13)

1.一种热交换器(1)，所述热交换器包括壳体(2，20)，所述壳体限定第一容积(V1)，并且所述热交换器包括至少一个导管(9，19)，所述导管限定第二容积(V2)，其中，所述壳体(2，20)具有入口(5，25)和出口(6，26)以及至少一个第一开口(7)和至少一个第二开口(8)，所述第二开口(8)相对于所述壳体(2，20)与所述第一开口(7)相对地定位，其中，所述至少一个导管(9，19)延伸穿过所述第一容积(V1)并将所述壳体(2，20)的所述至少一个第一开口(7)与所述壳体(2，20)的所述至少一个第二开口(8)相连接，并且所述导管在该导管的两端处以流体密封的方式连接至所述壳体(2，20)，其特征在于，所述至少一个导管(9，19)在所述第一容积(V1)内不以线性的方式延伸，并且所述至少一个导管(9，19)在所述导管的所述第一开口(7)和/或所述导管的所述第二开口(8)的区域中整体地连接至所述壳体(2，20)，其中整体形成的元件通过增材制造生产，其中所述壳体(2，20)具有中间部(3)以及两个相对定位的端部件(4)，其中，所述入口(5，25)和所述至少一个第一开口(7)位于一个端部件(4)处，所述出口(6，26)和所述至少一个第二开口(8)位于另一个端部件(4)处。
2.根据权利要求1所述的热交换器(1)，其特征在于，设置有多个导管(9，19)，所述多个导管与所述壳体(2，20)一起整体地形成。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器(1)，其特征在于，所述中间部(3)为柱形罩壳的形状。
4.根据权利要求1或2所述的热交换器(1)，其特征在于，设置有多个导管(9，19)，所述导管与所述中间部(3)和所述端部件(4)一起整体地形成为单元。
5.根据权利要求1或2所述的热交换器(1)，其特征在于，所述壳体(2，20)具有纵向轴线(L)，并且多个导管(9，19)围绕所述壳体(2，20)的所述纵向轴线(L)旋转对称地布置。
6.根据权利要求1或2所述的热交换器(1)，其特征在于，所述至少一个导管(9，19)至少部分地以弧形和/或波浪形和/或螺旋形和/或之字形延伸。
7.根据权利要求1或2所述的热交换器(1)，其特征在于，所述至少一个导管(9，19)的截面轮廓沿其路线变化。
8.根据权利要求1或2所述的热交换器(1)，其特征在于，设置有多个导管(9，19)，并且所述热交换器(1)具有至少一个收集器(11)和/或至少一个分配器(10)，其中，所述导管(9，19)穿过所述至少一个第一开口(7)与所述收集器(11)流体连通和/或穿过所述至少一个第二开口(8)与所述分配器(10)流体连通。
9.根据权利要求8所述的热交换器(1)，其特征在于，所述壳体(2，20)具有纵向轴线(L)，并且所述收集器(11)和/或所述分配器(10)包括供给部(12)或排出部(14)，其中，所述供给部(12)和/或所述排出部(14)与围绕所述壳体(2，20)的所述纵向轴线(L)的假想圆相切地定位。
10.根据权利要求1或2所述的热交换器(1)，其特征在于，在所述第一容积(V1)和/或所述第二容积(V2)中布置有辅助结构。
11.根据权利要求10所述的热交换器(1)，其特征在于，所述辅助结构呈偏转元件、表面结构和连接元件的形式。
12.一种具有根据前述权利要求中任一项所述的热交换器(1)的反应器，其中，在所述至少一个导管(9，19)中或在所述至少一个导管(9，19)外部的所述壳体(2，20)中，布置有催化剂材料。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的热交换器(1)作为反应器的用途。
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