CN111981686A - 一种基于自发电技术的空调型热水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自发电技术的空调型热水器，包括斯特灵发电机、蓄电池组、绿色热源系统、空调型热水系统，斯特灵发电机的热端吸收热量，冷端吸收制冷剂蒸发的冷量，惰性气体循环膨胀、压缩，通过曲轴转动，带动发单机发电，直接提供给空调型热水系统使用，多余部分，通过蓄电池组蓄能；电力不够时，蓄电池组蓄能，逆变输出，与斯特灵发电机所产生的电力一块，混合提供，或单独提供，斯特灵发电机热端内置热端换热器，冷端内置冷端换热器，惰性气体在冷、热端换热器外表面流动；多台模块化设置。采用本方案，利用斯特林发动机特性，吸收外界冷热量，发电供空调型热水系统使用，可以实现无污染利用能源，不用消耗市电，达到制热水的目的。

Description

一种基于自发电技术的空调型热水器

技术领域

本发明涉及能源及空调技术领域，尤其涉及到基于斯特林自发电技术的空调型热水器。

背景技术

市面上使用的热泵型热水器，利用卡诺循环原理，制热水，具有能效高等特点，得到广泛使用。

但热泵型热水器，在使用过程中，首先，需要使用市电供电，存在污染环境，浪费资源的缺陷；其次，在制热水过程中，制冷剂蒸发所产生的冷量直接排向大气，导致存在冷量无法回收利用的缺陷。

发明内容

为解决上述缺陷，本发明提供一种基于自发电技术的空调型热水器，包括斯特灵发电机、蓄电池组、绿色热源系统、空调型热水系统，所述斯特灵发电机的热端吸收绿色绿色热源系统的热量，所述斯特灵发电机的冷端吸收空调型热水系统在制热水过程中，制冷剂节流蒸发所释放的冷量，所述斯特灵发电机的热端通过吸热，冷端通过吸冷，经过内置在所述斯特灵发电机活塞内的惰性气体的受热膨胀、受冷压缩，在所连通的冷端和热端的循环流道中流动，推动所述斯特灵发电机的活塞部件往复运动，通过曲轴转动，带动发电机发电，所述斯特灵发电机所产生的电力，直接提供给所述空调型热水系统使用，多余部分，则通过所述蓄电池组蓄能；所述斯特灵发电机所产生的电力不够时，所述蓄电池组的蓄能，经过逆变器，逆变输出，与所述斯特灵发电机所产生的电力一块，混合提供给所述空调型热水系统使用，或所述蓄电池组的蓄能，经过所述逆变器，逆变输出后，单独提供给所述空调型热水系统使用；在所述斯特灵发电机的热端内部，内置热端换热器，所述斯特灵发电机的冷端内部，内置冷端换热器，惰性气体在所述热端换热器、冷端换热器外表面流动，通过吸收所述热端换热器的热量升温膨胀，所述冷端换热器的冷量降温压缩；所述斯特灵发电机多台模块化设置。

进一步地，所述热端换热器为翅片式结构、所述冷端换热器为翅片式结构。

采用翅片式结构，由于采取内部加热方式，避免斯特林发电机采取外燃式加热方式，能达到减少使用危险性，以及提高换热效率的效果。

进一步地，所述热端换热器为板式结构、所述冷端换热器为板式结构。

采取板式结构，能达到减少使用危险性，结构更紧凑，便于清洗的效果。

进一步地，还设置集热器，所述集热器设置在循环流道处，与所述循环流道连通，沿所述循环流道内壁，设置环形集热管，所述环形集热管内流动吸热剂，吸收在所述环形集热管外部流动的惰性气体热量，储存在所述集热器中，低温的惰性气体逆向流动时，则释放热量给惰性气体，提高惰性气体温度。

设置集热器，能达到惰性气体热量回收，以及变冷惰性气体回流预热，提高能量的利用率的效果。

进一步地，所述斯特灵发电机的发电设备，与所述蓄电池组，以及所述逆变器内置在一独立密封仓内，吸收所述斯特灵发电机冷端的惰性气体冷量的制冷剂，进入所述独立密闭仓内，通过同样内置在该所述独立密封仓内的热回收换热器，继续蒸发吸收所述发电设备、蓄电池组，以及所述逆变器的热量。

独立设置密封仓，能达到充分回收热量，体积紧凑的效果。

进一步地，所述斯特灵发电机为2～6台。

多台设置，能达到提高斯特林发电机使用可靠性，满足适应更大范围发电功率的效果。

进一步地，还设置智能控制电源，所述智能控制电源，根据用户制热水需求指令，控制所述蓄电池组电力输出，通过逆变，给所述空调型热水系统供电。

设置智能控制电源控制电力输出，能达到根据用户需要，个性化智能控制，提高运行效率的效果。

进一步地，用二氧化碳替代所述斯特灵发电机所用惰性气体。

使用二氧化碳，能达到降低斯特灵发电机用气体使用成本的效果。

进一步地，所述热端处受热膨胀的二氧化碳为超临界状态。

使用超临界二氧化碳作为工作，能达到在相同功率下，斯特林发动机体积可以更加小巧，紧凑的效果。

进一步地，所述绿色热源系统为太阳能热源系统。

使用太阳能热源系统，由于是成熟可靠的技术，能达到可提高运行可靠性，充分利用绿色能源，减少污染的效果。

采用本技术方案，利用斯特林发电机内部的惰性气体，需要吸收外界热量膨胀，吸收外界冷量压缩，从而推动斯特林发电机的活塞往复运动的特性，通过吸收外界绿色热源系统的热量，以及空调型热水系统制热水时，所产生的冷量，推动斯特林发电机运行、发电，发电供空调型热水系统使用，第1，能达到利用外界热源的热量加热惰性气体，充分回收空调型热水系统制热水时，所产生的冷量压缩惰性气体的效果，使得斯特林发电机运行，第2，由于斯特林发电机发电，提供空调型热水系统使用，多余部分通过蓄电池组蓄能，蓄电池组储存电力，可直接、或者和斯特林发电机发电一块，混合提供，能达到充分无污染的利用能源，持续可靠、不用消耗市电的制热水效果。

附图说明

图1为本发明工作原理图。

图中，1-太阳能热源系统、11-太阳能吸热器、12-太阳、13-载热剂管路、2-斯特灵发电机、21-热端、211-热端换热器、212-热端内腔、213-热端活塞、214-热端活塞连杆、22-惰性气体补充罐、221-截止阀、23-集热器、231-环形集热管、24-冷端、241-冷端换热器、242-冷端内腔、243-冷端活塞、244-冷端活塞连杆、25-曲轴、26-密封仓、261-发电设备、262-热回收换热器、263-蓄电池组、264-逆变器、3-空调型热水系统、31-节流装置、32-制热水换热器、33-压缩机、34-冷水进管、35-热水出管、4-智能控制电源、41-逆变输入电源、42-斯特灵发电机输入电源、43-输出电源、5-用户。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本申请的技术方案进行详细的介绍说明。

如图1所示，一种基于自发电技术的空调型热水器，包括斯特灵发电机2、蓄电池组263、绿色热源系统、空调型热水系统3，斯特灵发电机2的热端21吸收绿色绿色热源系统的热量，斯特灵发电机2的冷端24吸收空调型热水系统3在制热水过程中，制冷剂通过节流装置31的节流，蒸发所释放的冷量，斯特灵发电机2的热端21通过吸热，冷端24通过吸冷，经过内置在斯特灵发电机2的热端21的热端内腔212内，热端活塞213顶部的惰性气体的受热膨胀，内置在斯特灵发电机2的冷端24的冷端内腔242内，冷端活塞243顶部的惰性气体的受冷压缩，惰性气体在所连通的冷端24和热端21的循环流道中往复流动，推动斯特灵发电机2的热端活塞213、冷端活塞243部件往复运动，通过所连接热端活塞213底部的热端活塞连杆214、冷端活塞243底部的冷端活塞连杆244传动，带动与热端活塞连杆214、冷端活塞连杆244所连接的曲轴25转动，从而带动斯特灵发电机2发电，斯特灵发电机2所产生的电力，直接提供给空调型热水系统3使用，多余部分，则通过蓄电池组263蓄能。

当斯特灵发电机2所产生的电力不够空调型热水系统3使用时，蓄电池组263的蓄能，经过逆变器264的逆变输出，与斯特灵发电机2所产生的电力一块，混合提供给空调型热水系统3使用,或者，蓄电池组3的蓄能，经过逆变器264的逆变输出，单独提供给空调型热水系统3使用。

为提高换热效率，在斯特灵发电机2的热端21内部，内置热端换热器211，在斯特灵发电机2的冷端24内部，内置冷端换热器241，惰性气体可在热端换热器11、冷端换热器241的外表面流动，通过吸收热端换热器211的热量升温膨胀，通过吸收冷端换热器241的冷量降温压缩。

为提高发电机运行可靠性，斯特灵发电机2可以多台模块化设置，通过模块化使用，以适应不同需求的发电功率。

为提高换热效率，优选地，热端换热器211为翅片式结构、冷端换热器241为翅片式结构，惰性气体可以在翅片外表面流动，通过所增大的换热面积，以提高换热效率。

为使得结构更紧凑，便于清洗，优选地，热端换热器211为板式结构、冷端换热器241为板式结构，采用板式结构的换热器，可方便清洗，且结构更紧凑，不易破损。

内置的热端换热器211，可以和斯特灵发电机2的热端21，除分体设置外，还可以一体成型设置，一体结构中留有惰性气体流动的流道，保证载热剂在热端换热器211的换热管内流动，而惰性气体在热端换热器211外表面流动，完成换热，同理，内置的冷端换热器241，也可以和斯特灵发电机2的冷端24，除分体设置外，还可以一体成型设置，原理同热端设置，一体结构中留有惰性气体流动的流道，保证制冷剂在热端换热器241的换热管内流动，蒸发吸热，而惰性气体在热端换热器211外表面流动，完成换热。

一体成型设置结构可采取多种方式，如整体式缸套结构等。

为减少热损失，斯特灵发电机2的热端21、冷端24外部均覆盖隔热层。

翅片式结构的换热器，除使用铝翅片外，也可以设置为钢翅片，或者采取热端换热器211、冷端换热器241外表面显蜂窝状等易于换热的结构，蜂窝材料可采用蜂窝铝，或者石墨烯等换热系数高的材料；采用蜂窝状结构，热端换热器211、冷端换热器241的换热管外部被蜂窝铝、石墨烯等材料缠绕、包裹、固定，除可以增大换热面积提高换热效率外，由于蜂窝结构具有一定的弹性特性，因此也可以起到减缓载热剂在热端换热器211的换热管、制冷剂在冷端换热器241的换热器的换热管内流动所产生的震动作用，避免长时间震动所导致的应力集中而可能造成的破损，有利于提高换热器的整体使用寿命，惰性气体可以在蜂窝状结构的空隙内流动换热。

而板式结构的换热器，可以在热端换热器211、冷端换热器241外表面，除平板设置外，还可以均匀设置凹凸槽，或者突点，以提高换热效率。

为解决加热后的惰性气体，从热端21流入冷端24的热量回收，以及压缩后的气体，从冷端24流向热端21时预热问题，优选地，还设置集热器23，集热器23设置在热端21和冷端24之间所连通的循环流道处，集热器23与循环流道连通，沿循环流道的内壁，还设置设置环形集热管231，环形集热管231内流动吸热剂，吸收在循环流道内部，且在环形集热管231外部流动的惰性气体的热量，通过集热器23储存，低温的惰性气体逆向流动时，则通过环形集热管231释放热量给惰性气体，提高惰性气体温度。

吸热剂可以选择盐水等蓄热量较高的工质。

为解决充分回收热量，体积紧凑问题，优选地，斯特灵发电机2的发电设备261，与所述蓄电池组263，以及所述逆变器264，内置在一独立密封仓26内，吸收斯特灵发电机2的冷端24的惰性气体冷量的制冷剂，进入独立密封仓26内，流入内置在独立密封仓26内的热回收换热器262的换热管，继续蒸发吸收发电设备261、蓄电池组263，以及逆变器264的热量。

蓄电池组263输出正极和逆变器264输入正极连接，蓄电池组263输出负极和逆变器264输入负极连接，可通过逆变器264的输出端，逆变输出空调型热水系统3所需要的电力。

为解决斯特林发电机2使用可靠性问题，优选地，一般情况下，斯特灵发电机2设置为2台，如果需要制热水量较多，使用场合比较复杂，比如同时向酒店等使用场合比较复杂的地方供热水，也可以设置为6台，或者其它数量，此时，绿色热源系统所提供的热源，可以分散提供，也可以集中提供，优选集中提供，即所有所有斯特灵发电机2仅设置一套绿色热源系统供热，集中提供的好处是能简化系统，运行费用降低，当然，也可以分散设置，即1台斯特灵发电机2设置1套绿色热源系统供热，或者部分集中，部分分散设置，比如6台斯特林发电机2，可以采取2套绿色热源系统供热分散单独设置，另外4台采取1套绿色热源系统集中设置，或者其它合适的数字组合。

而制热水的空调型热水系统3，优选分布设置，即1台斯特灵发电机2设置1套空调型热水系统3，这样可提高设备制热水的可靠性，当然，也可以集中设置，及所有斯特灵发电机2仅设置1套空调型热水系统3，或者部分集中、部分分散设置，比如6台斯特灵发电机2，可以采取2套空调型热水系统3分散单独设置，另外4台采取1套空调型热水系统3集中设置，或者其它合适的数字组合。

为解决用户根据需要智能控制制热水量，提高运行效率问题，优选地，还设置智能控制电源4，智能控制电源4，根据用户5制热水需求指令，控制蓄电池组263的电力输出，通过逆变器264的逆变，给空调型热水系统3供电，标准控制模式为：

当用户5提供所需要的热水量、热水温度等信息给智能控制电源4后，智能控制电源4，控制斯特灵发电机2、蓄电池组263、绿色热源系统、空调型热水系统3运行，当斯特灵发电机2所发的电力够空调型热水系统3使用时，此时与曲轴25所连接的发电设备261，所发的电力，通过斯特灵发电机输入电源42，进入智能控制电源4，并通过输出电源43输出，提供给空调型热水系统3使用，而斯特灵发电机2所发的电力，多余部分，则通过蓄电池组263储存，此时逆变输入电源41关闭;

当斯特灵发电机2所发的电力，不够空调型热水系统3使用时，逆变输入电源41、斯特灵发电机输入电源42打开，同时打开逆变器264，将存储在蓄电池组263的电能逆变，通过逆变输入电源41，进入智能控制电源4，并和斯特灵发电机2所发的电力混合后，通过输出电源43输出电源，提供给空调型热水系统3使用；

当斯特灵发电机2所发的电力接近零时，此时斯特灵发电机输入电源42关闭，打开逆变器264，将存储在蓄电池组263的电能逆变，通过所打开的逆变输入电源41，进入智能控制电源4，通过输出电源43输出电源，提供给空调型热水系统3使用。

上述标准控制模式，能灵活满足不同使用条件下的制热水的需求，作为智能控制电源4默认控制程序使用。

在实际使用中，除上述标准控制模式外，用户5也可以根据个人爱好，改变标准控制模式，以实现特殊控制，如可通过智能控制电源4，控制斯特灵发电机2所发的电力，只提供给蓄电池组263蓄能，然后蓄电池组263的蓄能，再通过逆变器264，逆变输出，单独提供给空调型热水系统3使用，斯特灵发电机2所发的电，只作为蓄电池组263蓄能的充电电源使用，不再单独提供给空调型热水系统3使用，这种控制模式可大大简化控制，提高设备运行可靠性，通过蓄能方式供电，可克服单台斯特灵发电机2发电功率不高的缺陷，当然，用户5也可以设置其它的特殊控制模式，且和标准控制模式之间可以实现自由切换。

为降低斯特灵发电机用气体使用成本，优选地，可用二氧化碳替代斯特灵发电机2所用惰性气体，所使用的惰性气体可有多种可选择，如氦气等。

为进一步提高斯特林发动机2的功率，优选地，热端21处受热膨胀的二氧化碳为超临界状态，在超临界状态下，二氧化碳密度较大，且兼具气体特性，因此相同功率下，斯特林发动机2体积可以做的更加小巧，紧凑。

为提高运行可靠性，对绿色热源应尽量采取可靠成熟的技术，优选地，绿色热源系统为太阳能热源系统1，太阳能热源系统1包括太阳能吸热器11、太阳12、载热剂管路13、热端换热器211，载热剂在太阳能吸热器11中，吸收太阳12的热量，温度提高后，通过载热剂管路13流动，进入热端换热器211的换热管中，释放热量给斯特林发电机2热端21中惰性气体，使得惰性气体受热膨胀。

载热剂可选择导热油等，较理想的温度可控制在700～800℃，为保证此温度，对太阳12阳光可采取透镜聚光的方式加热，或者和其它加热方式混合使用，比如热声加热技术混合使用，当然，实际使用中，载热剂温度也不一定控制在700～800℃，其它能保证斯特林发电机2运行的合适温度都可以采取，同时，载热剂除导热油外，还可以采取其它工质，比如水等，采取导热油，能达到可以在物理形态不变情况下，加温到较高温度，且由于本身具有润滑，防腐蚀特性，也能减缓太阳能热源系统1设备的腐蚀性。

在实际使用中，绿色热源系统，除太阳能热源系统1外，也可采取其它绿色热源，或者多种绿色热源混合使用，如地热能，岩浆热源等。

实际使用中，空调型热水系统3起到制热水作用，空调型热水系统3包括节流装置31、制热水换热器32、压缩机33、冷端换热器241，制冷剂经过压缩机33压缩后，变为高温高压的气体，通过管路进入制热水换热器32的换热管中，与通过冷水进管34，与流入制热水换热器32的冷水，互相进行换热，制冷剂循环冷凝成高压力液态制冷剂，释放热量加热冷水，变为热水后，通过热水出管35循环流出，最终提供给用户5使用。

冷凝后的液体制冷剂，经过节流装置31节流，进入冷端换热器241的换热管中，蒸发，大量吸收斯特灵发电机2的冷端24内的惰性气体的热量，降低惰性气体温度，使之受冷压缩，通过斯特灵发电机2的活塞往复运动，通过曲轴25带动发电设备261发电。

在实际使用中，制冷剂根据斯特灵发电机2的冷端24内的惰性气体所需要降低温度的不同，可选择不同种类制冷剂，比如二氧化碳等。

由于与冷端换热器241换热的是惰性气体，且惰性气体在斯特灵发动机2的热端21、冷端24之间往复流动，不存在空调型热水系统3需要制冷剂通过四通换向阀的逆行除霜问题，因此空调型热水系统3系统管路及控制可大大简化，使用可靠性大大提高，且可根据实际使用需要，采取更换低温压缩机等方式，使得空调型热水系统3的蒸发温度能降低到-100～-25℃，可大大增加冷热端的温差，从而提高斯特林发电机2的工作效率，以满足空调型热水系统3更大温度的适用范围的需要，同时，较低的蒸发温度，压缩机33的吸气压力就低，排气温度就变高，可以制造出更高温度的热水，以满足用户5的使用需求。

考虑到斯特林发电机2在使用过程中，惰性气体使用补充问题，还设置惰性气体补充罐22，惰性气体补充罐22通过截止阀221，与集热器23设置在热端21和冷端24之间所连通的循环流道处连通，当需要补充气体时，打开截止阀221补充，而在实际使用中，当惰性气体压力过高，斯特林发电机2内部惰性气体过多时，可反向流过截止阀221，通过惰性气体补充罐22缓存，截止阀221可以采取电磁阀控制，或者压差方式等控制，即当压力过低时，正向供气，压力过高时，反向作为缓冲器使用,实际使用中，截止阀221可采取双通道结构，一条通道只提供惰性气体，单向流向循环流道处，补充惰性气体；而另外一条通道则相反，惰性气体只能从循环流道方向流出，从而起到缓冲作用，当然，也可以采取其它合适的结构。

如使用二氧化碳工质，为保证二氧化碳处于超临状态下受热膨胀，可通过截止阀221加压，保证二氧化碳的相对压力控制在7.5～10MPa,热端21流动的二氧化碳温度，则通过热端换热器211的载热剂直接加热，保证温度≥31℃，以满足二氧化碳超临界状态所需要温度和压力，而在冷端24处，二氧化碳温度，可保持31～35℃，压力与热端21处相平衡，通过提高热端21的温度，提高冷热温差方式，使得二氧化碳在超临界状态下，实现斯特林发电机2运转；或者，也可小于31℃，通过降低冷端24的温度，提高冷热温差方式，使得二氧化碳受冷压缩，以及推动斯特林发电机2正常运转所需要的合适的相对压力值，来实现斯特林发电机2运转发电。

在实际使用中，惰性气体如果同时采取既提高热端21温度，又降低冷端24温度，大幅度提高冷热温差方式，此时惰性气体热胀冷缩所产生的推力会更大。斯特林发电机2，也可实现更高效率的运转发电。

以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于自发电技术的空调型热水器，包括斯特灵发电机、蓄电池组、绿色

绿色热源系统、空调型热水系统，所述斯特灵发电机的热端吸收绿色绿色热源系统的热量，所述斯特灵发电机的冷端吸收空调型热水系统在制热水过程中，制冷剂节流蒸发所释放的冷量，所述斯特灵发电机的热端通过吸热，冷端通过吸冷，经过内置在所述斯特灵发电机活塞内的惰性气体的受热膨胀、受冷压缩，在所连通的冷端和热端的循环流道中流动，推动所述斯特灵发电机的活塞部件往复运动，通过曲轴转动，带动发电机发电，其特征在于，所述斯特灵发电机所产生的电力，直接提供给所述空调型热水系统使用，多余部分，则通过所述蓄电池组蓄能；所述斯特灵发电机所产生的电力不够时，所述蓄电池组的蓄能，经过逆变器，逆变输出，与所述斯特灵发电机所产生的电力一块，混合提供给所述空调型热水系统使用，或所述蓄电池组的蓄能，经过所述逆变器，逆变输出后，单独提供给所述空调型热水系统使用；在所述斯特灵发电机的热端内部，内置热端换热器，所述斯特灵发电机的冷端内部，内置冷端换热器，惰性气体在所述热端换热器、冷端换热器外表面流动，通过吸收所述热端换热器的热量升温膨胀，所述冷端换热器的冷量降温压缩；所述斯特灵发电机多台模块化设置。

2.根据权利要求1所述的基于自发电技术的空调型热水器，其特征在于，所述热端换热器为翅片式结构、所述冷端换热器为翅片式结构。

3.根据权利要求1所述的基于自发电技术的空调型热水器，其特征在于，所述热端换热器为板式结构、所述冷端换热器为板式结构。

4.根据权利要求1所述的基于自发电技术的空调型热水器，其特征在于，还设置集热器，所述集热器设置在循环流道处，与所述循环流道连通，沿所述循环流道内壁，设置环形集热管，所述环形集热管内流动吸热剂，吸收在所述环形集热管外部流动的惰性气体热量，储存在所述集热器中，低温的惰性气体逆向流动时，则释放热量给惰性气体，提高惰性气体温度。

5.根据权利要求1所述的基于自发电技术的空调型热水器，其特征在于，所述斯特灵发电机的发电设备，与所述蓄电池组，以及所述逆变器，内置在一独立密封仓内，吸收所述斯特灵发电机冷端的惰性气体冷量的制冷剂，进入所述独立密封仓内，通过同样内置在该所述独立密封仓内的热回收换热器，继续蒸发吸收所述发电设备、蓄电池组，以及所述逆变器的热量。

6.根据权利要求1所述的基于自发电技术的空调型热水器，其特征在于，所述斯特灵发电机为2～6台。

7.根据权利要求6所述的基于自发电技术的空调型热水器，其特征在于，还设设置智能控制电源，所述智能控制电源，根据用户制热水需求指令，控制所述蓄电池组电力输出，通过逆变，给所述空调型热水系统供电。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的基于自发电技术的空调型热水器，其特征在于，用二氧化碳替代所述斯特灵发电机所用惰性气体。

9.根据权利要求8所述的基于自发电技术的空调型热水器，其特征在于，所述热端处受热膨胀的二氧化碳为超临界状态。

10.根据权利要求1～7任意一项所述的基于自发电技术的空调型热水器，其特征在于，所述绿色热源系统为太阳能热源系统。

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