CN113375488B - 填充床式蓄热/冷器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种填充床式蓄热/冷器,包括壳体,所述壳体的内部设有多个隔热层,各所述隔热层沿所述壳体的轴向依次间隔设置,所述隔热层能够将所述壳体的内部分隔为多个填充腔室,各所述填充腔室中均填充有储能介质,且各所述填充腔室沿轴向的两端分别设有均流隔板,所述均流隔板上设有筛孔。本发明提供的填充床式蓄热/冷器,能够使蓄热/冷器内部的流场和温度场的分布更加均匀,进而提升了蓄热/冷器的储能特性。
Description
技术领域
本发明涉及储能设备技术领域,尤其涉及一种填充床式蓄热/冷器。
背景技术
蓄热/冷器作为储热储冷技术的核心部件,采用填充床结构进行储热或储冷,具有环保、安全稳定以及成本较低的优势,且易于实现大规模应用。而填充床形式的蓄热/冷器的储能效率、传热性能直接依赖于蓄热/冷器内部温度场和流场分布,因此,蓄热/冷器的温度场和流场的优化尤为重要。
现有填充床式蓄热/冷器在储能和释能过程中,换热流体沿轴向进入填充床中,与填充床中储能介质进行换热,以实现能量的存储和释放。而随着换热过程的不断进行以及储/释能循环的持续累积,填充床内温度梯度沿轴向占据的长度(也即,斜温层)持续加长,造成填充床内有效体积减小。同时,对于体积较大、储能规模较大的填充床式蓄热/冷器而言,还会存在流场分布不均的问题,流场分布不均将导致温度场分布不均,从而对蓄热/冷器的储能特性产生不利影响。
发明内容
本发明提供一种填充床式蓄热/冷器,能够使流场和温度场的分布更加均匀,进而提升了储能特性。
本发明提供一种填充床式蓄热/冷器,包括壳体,所述壳体的内部设有多个隔热层,各所述隔热层沿所述壳体的轴向依次间隔设置,所述隔热层能够将所述壳体的内部分隔为多个填充腔室,各所述填充腔室中均填充有储能介质,且各所述填充腔室沿轴向的两端分别设有均流隔板,所述均流隔板上设有筛孔。
根据本发明提供的一种填充床式蓄热/冷器,所述壳体上沿轴向的两端分别设有换热流体进出口,各所述换热流体进出口均与所述壳体的内部连通。
根据本发明提供的一种填充床式蓄热/冷器,所述壳体包括壳体内壁和壳体外壁,所述壳体内壁和所述壳体外壁之间设有绝热层。
根据本发明提供的一种填充床式蓄热/冷器,所述壳体内壁为与所述储能介质的颗粒形状相适配的波浪形结构。
根据本发明提供的一种填充床式蓄热/冷器,所述壳体内壁和所述壳体外壁均采用金属材料制成;所述绝热层为气凝胶毡层、玻璃棉层、岩棉层、膨胀珍珠岩层、发泡水泥层或真空层。
根据本发明提供的一种填充床式蓄热/冷器,所述隔热层为多孔材料隔热层。
根据本发明提供的一种填充床式蓄热/冷器,位于所述壳体中间段的相邻所述隔热层之间的间距大于靠近所述壳体两端的相邻所述隔热层之间的间距。
根据本发明提供的一种填充床式蓄热/冷器,各所述隔热层在所述壳体内的布置方法如下:
获取所述填充床式蓄热/冷器以及换热流体的基本参数;
设定所述隔热层布置的数量为n,相邻所述隔热层之间的间距为d,基于所述填充床式蓄热/冷器的基本参数,建立所述填充床式蓄热/冷器的二维轴对称的初始物理模型;
采用传热模型分别计算在储能、释能和间歇期的所述填充床式蓄热/冷器的内部温度场,获取所述初始物理模型的基本温度场,并绘制不同时刻所述填充床式蓄热/冷器内斜温层的厚度变化曲线图;
在固定理论储能量的前提下,在所述初始物理模型的基础上分别改变n和d的数值,搭建所述填充床式蓄热/冷器的不同物理模型,并重复进行迭代计算,获取不同物理模型下对应的斜温层厚度;
对不同物理模型下对应的斜温层厚度进行比较,确定斜温层厚最小的物理模型下对应的n和d的数值。
根据本发明提供的一种填充床式蓄热/冷器,各所述筛孔从所述均流隔板的中心至外圈依次布置,且各所述筛孔的直径从所述均流隔板的中心至外圈逐渐增大。
根据本发明提供的一种填充床式蓄热/冷器,各所述筛孔的直径设置方法如下:
获取所述填充床式蓄热/冷器以及换热流体的基本参数;
通过计算修正雷诺数确定填充床式蓄热/冷器内部的换热流体的流动状态;
设定所述均流隔板上各所述筛孔的直径Φ,基于所述填充床式蓄热/冷器的基本参数,采用层流模型或湍流模型,建立所述填充床式蓄热/冷器的二维轴对称的初始物理模型;
在所述初始物理模型的基础上分别改变Φ的数值,搭建所述填充床式蓄热/冷器的不同物理模型,获取不同物理模型下对应的换热流体流动速度场,进而获取不同物理模型下对应的流速均匀度;
分别计算不同物理模型下所述均流隔板造成的流动阻力;
对不同物理模型下对应的流动阻力以及流速均匀度分别进行比对分析,确定流动阻力最小且流速均匀度最高的物理模型下对应的Φ的数值。
本发明中的上述一个或多个技术方案,至少具有如下技术效果之一:
本发明提供的填充床式蓄热/冷器,包括壳体,在壳体的内部设有多个隔热层,各隔热层分别沿壳体的轴向依次间隔设置,隔热层能够将壳体的内部空间分隔为多个填充腔室,在各填充腔室中分别填充有储能介质,并且在各填充腔室沿轴向的两端分别设有均流隔板,在均流隔板上设有筛孔;也即,通过多个隔热层的设置,能够将壳体内部的储能介质分隔为多段,从而能够削弱换热过程以及在储能与释能的间歇期轴向导热产生的累积作用,减缓内部斜温层厚度的不断扩张;通过在每段储能介质沿轴向的进口处设置均流隔板,能够避免因进口条件和气流条件影响造成的流场分布不均的问题。由此,本发明提供的填充床式蓄热/冷器,通过多个隔热层以及多个均流隔板的设置,能够使蓄热/冷器内部的流场和温度场的分布更加均匀,进而提升了蓄热/冷器的储能特性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的填充床式蓄热/冷器的结构示意图;
图2是本发明中均流隔板的结构示意图。
附图标记:
1:壳体; 101:壳体内壁; 102:壳体外壁;
103:绝热层; 2:储能介质; 3:隔热层;
4:均流隔板; 401:筛孔; 5:第一换热流体进出口;
6:第二换热流体进出口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1和图2描述本发明的填充床式蓄热/冷器的具体实施例。
本发明实施例的填充床式蓄热/冷器,包括壳体1,壳体1的内部填充有储能介质2。其中,在壳体1的内部设有多个隔热层3,各隔热层3分别沿壳体1的轴向依次间隔设置,通过隔热层3能够将壳体的内部空间分隔为多个填充腔室,各个填充腔室中均填充有储能介质2。也即,通过多个隔热层3的设置,能够将壳体1内部填充的储能介质2分隔为多段,从而能够削弱换热过程以及在储能与释能的间歇期轴向导热产生的累积作用,减缓内部斜温层厚度的不断扩张。其中,各填充腔室沿轴向的两端分别设有均流隔板4,各均流隔板4上均设有筛孔401。也即,在每段储能介质2沿轴向的进口和出口处均设置有均流隔板4,隔热层3夹设于两个均流隔板4之间,从而能够使每段储能介质2沿轴向的进口处均具有一个均流隔板4。通过均流隔板4的设置,不仅能够为各个隔热层3以及各段储能介质2提供结构支撑,而且能够避免因进口条件和气流条件影响造成的流场分布不均的问题,进一步优化了流场的均匀性。
由此,本发明实施例的填充床式蓄热/冷器,通过多个隔热层3以及多个均流隔板4的设置,能够使蓄热/冷器内部的流场和温度场的分布更加均匀,进而提升了蓄热/冷器的储能特性。
具体来说,壳体1内部填充的储能介质2为固相储能介质,该储能介质2的颗粒直径应大于均流隔板4上开设的筛孔401的直径。
具体来说,壳体1内部隔热层3的设置数量可以根据实际使用需求而定。在本实施例中,壳体1的内部设置有五个隔热层3,通过这五个隔热层3能够将壳体1的内部空间分隔为六部分,也即,能够将壳体1内部填充的储能介质2分隔为从下至上的六段,在每段储能介质2的上下两端均设有均流隔板4。
具体来说,均流隔板4采用硬度较大的金属或非金属材料制成,进而确保均流隔板4的结构强度。
具体来说,壳体1上沿轴向的两端分别设有换热流体进出口,各换热流体进出口均与壳体1的内部连通。也即,换热流体能够通过其中一个换热流体进出口进入壳体1的内部并与储能介质2进行换热,然后换热后的换热流体再通过另一个换热流体进出口从壳体1排出。
在本实施例中,位于壳体1底部的换热流体进出口为第一换热流体进出口5,位于壳体1顶部的换热流体进出口为第二换热流体进出口6。
具体来说,隔热层3采用导热率较小的多孔材料制成。根据实际使用需求,隔热层3可以采用多孔碳化硅等陶瓷类的多孔材料制成,也可以采用活性炭等非金属类的多孔材料制成,还可以采用具有孔洞结构的保温材料制成。
在本发明的一些实施例中,壳体1为圆筒状结构,壳体1包括壳体内壁101和壳体外壁102,在壳体内壁101和壳体外壁102之间设有绝热层103。也即,壳体1的结构从内至外分别为壳体内壁101、绝热层103和壳体外壁102。其中,绝热层103的设置,能够有效防止在蓄热/冷器的换热储能过程中的能量通过壳体1损失。
具体来说,壳体内壁101设置为与储能介质2的颗粒形状相适配的波浪形结构。壳体内壁101作为与储能介质2相接触的避免,壳体内壁101采用波浪形结构,能够有效克服储能介质2与壳体内壁101之间的间隙较大问题,从而抑制壁面效应对蓄热/冷器内流场的不利影响。
具体来说,壳体内壁101和壳体外壁102均采用强度高、性质稳定且导热系数低的金属材料制成,例如钛、铝、钢等金属材料。
具体来说,在壳体内壁101和壳体外壁102之间可以填充一层或多层绝热层103。根据实际使用需求,绝热层103可以为气凝胶毡层、玻璃棉层、岩棉层、膨胀珍珠岩层、发泡水泥层或真空层,从而有效减小能量损失。
本发明实施例的填充床式蓄热/冷器,当作为蓄冷器使用时,可以进行储冷和释冷工作;当作为蓄热器使用时,可以进行储热和释热工作。下面以储冷和释冷过程为例进行具体说明。
在储冷过程中,低温换热流体经第一换热流体进出口5进入蓄热/冷器内,通过位于最下层的均流隔板4,换热流体更为均匀与位于最下层的填充腔室中的储能介质2进行热量交换。由于低温换热流体直接与储能介质2接触,将自身携带冷量释放给储能介质2,换热后的换热流体从最下层的填充腔室流出,并经过位于最下层的隔热层3以及对应的均流隔板4后进入下一个填充腔室,与下一个填充腔室中的储能介质2继续进行换热,以此类推,直至换热流体与最上层的填充腔室中的储能介质2换热后,最终经第二换热流体进出口6流出蓄热/冷器。其中,由于储能介质2被多层隔热层3分隔为多段,换热流体需要从下至上分别经过各个均流隔板4并与各段的储能介质2依次进行换热,进一步促进了填充床内流场的均匀化。而储能介质2吸收了来自低温换热流体的冷量并存储,完成储冷过程。
在释冷过程中,常温换热流体经第二换热流体进出口6进入蓄热/冷器内,通过位于最上层的均流隔板4,换热流体更为均匀与位于最上层的填充腔室中的储能介质2进行热量交换。常温换热流体直接与储能介质2直接接触,吸收储能介质2中存储的冷量,换热后的换热流体从最上层的填充腔室流出,并经过位于最上层的隔热层3以及对应的均流隔板4后进入下一个填充腔室,与下一个填充腔室中的储能介质2继续进行换热,以此类推,直至换热流体与最下层的填充腔室中的储能介质2换热后,最终经第一换热流体进出口5流出蓄热/冷器。其中,由于储能介质2被多层隔热层3分隔为多段,换热流体需要从上至下分别经过各个均流隔板4并与各段的储能介质2依次进行换热,进一步促进了填充床内流场的均匀化。而储能介质2将存储的冷量释放给常温换热流体,完成释冷过程。
储热、释热过程与储冷、释冷的区别在于,换热流体流向相反,即在储热过程中,高温换热流体由顶部的第二换热流体进出口6进入蓄热/冷器内部,从底部的第一换热流体进出口5流出蓄热/冷器;在释热过程中,常温换热流体由底部的第一换热流体进出口5进入蓄热/冷器内部,从顶部的第二换热流体进出口6流出蓄热/冷器。
在本发明的一些实施例中,布置在壳体1中的各隔热层3之间的间距不同。位于壳体1中间段的相邻隔热层3之间的间距大于靠近壳体1上下两端的相邻隔热层3之间的间距。也即,位于中间段的相邻隔热层3之间的间距较大,靠近上下两端的相邻隔热层3之间的间距较小,由此实现各隔热层3在壳体1内部的非均匀布置。因为在稳定运行时,近底部端口段与近顶部端口段分别对应储热(释冷)和释热(储冷)过程中温度场的温度梯度段,采用更为密集的隔热层3,能够更加有效地削弱轴向导热累计作用,进一步提高了蓄热/冷器的储能效率。
具体来说,各隔热层3在壳体1内的布置方法如下:
获取填充床式蓄热/冷器以及换热流体的基本参数。设定位于最上层的均流隔板与位于最下层均流隔板之间围成的空间内填充储能介质形成填充床。其中,填充床式蓄热/冷器的基本参数包括填充床的直径D、填充床的高度H、储能介质的孔隙率ε、储能介质的温度Ts、储能介质的密度ρs、储能介质的比热容cp,s以及储能介质的热导率ks。其中,换热流体的基本参数包括换热流体的密度ρf、换热流体的比热容cp,f、换热流体的热导率kf、换热流体的进口流速uf以及换热流体的进口温度Tf。
将多个隔热层按照非均匀方式布置在填充床中,设定隔热层布置的数量为n,相邻隔热层之间的间距为d,基于填充床式蓄热/冷器的基本参数,建立填充床式蓄热/冷器的二维轴对称的初始物理模型。
采用传热模型分别计算在储能、释能和间歇期的填充床式蓄热/冷器的内部温度场,获取初始物理模型的基本温度场,并绘制不同时刻填充床式蓄热/冷器内斜温层的厚度变化曲线图。
其中,传热模型可以采用一维两相局部非平衡传热模型,具体计算公式为:
其中,ε为储能介质的孔隙率;Ts为储能介质的温度;Tf为换热流体的进口温度;Ta为环境温度;ρs为储能介质的密度;ρf为换热流体的密度;cp,s为储能介质的比热容;cp,f为换热流体的比热容;ks为储能介质的热导率;kf为换热流体的热导率;hv为体积传热系数;uf为换热流体的进口流速;Uw为填充床与环境间的总传热系数;D为填充床的直径;t为传热时间;x为填充床沿轴向的长度变量,H>x>0;
在固定理论储能量的前提下,在初始物理模型的基础上分别改变n和d的数值,搭建填充床式蓄热/冷器的不同物理模型,并重复进行迭代计算,获取不同物理模型下对应的斜温层厚度。
对不同物理模型下对应的斜温层厚度进行比较,确定斜温层厚最小的物理模型下对应的n和d的数值。则确定的n和d的数值,即为布置在壳体1内的隔热层的最优数量以及相邻隔热层之间的最佳间距。
如图2所示,在本发明的一些实施例中,均流隔板4上的各筛孔401从均流隔板4的中心至外圈依次布置,且各筛孔401的直径从均流隔板4的中心至外圈逐渐增大。
具体来说,均流隔板4上各筛孔401的直径设置方法如下:
获取填充床式蓄热/冷器以及换热流体的基本参数。设定位于最上层的均流隔板与位于最下层均流隔板之间围成的空间内填充储能介质形成填充床。其中,填充床式蓄热/冷器的基本参数包括填充床的直径、填充床的高度、储能介质的颗粒直径以及储能介质的孔隙率。换热流体的基本参数包括换热流体的流速、换热流体的粘度以及换热流体的密度。
设定均流隔板上各筛孔的直径为Φ,基于填充床式蓄热/冷器的基本参数,建立填充床式蓄热/冷器的二维轴对称的初始物理模型。
通过计算修正雷诺数Red确定填充床式蓄热/冷器内部的换热流体的流动状态。当Red>300时,为湍流状态;当Red<300时,为层流状态。
基于换热流体的流动状态,采用层流模型或湍流模型,在初始物理模型的基础上分别改变Φ的数值,搭建填充床式蓄热/冷器的不同物理模型,获取不同物理模型下对应的换热流体流动速度场,进而获取不同物理模型下对应的填充床径向流动分布以及流速均匀度。
分别计算不同物理模型下均流隔板造成的流动阻力。其中流动阻力通过Ergun模型计算不同物理模型下的压降获得,具体计算公式为:
其中,Δp为填充床的压降;ψ为阻力系数;ρ为换热流体的密度;uf为换热流体的流速;ε为储能介质的孔隙率;L为填充床的高度;dp为储能介质的颗粒直径;Red为修正雷诺数。
对不同物理模型下对应的流动阻力以及流速均匀度分别进行比对分析,综合流动阻力以及流速均匀度,最终确定均流隔板上的各筛孔布置,其中以流动阻力最小且流速均匀度最高的物理模型下对应的Φ的数值作为最优筛孔布置。其中,流动阻力以压降大小进行表征,流速均匀度以通过同一平面径向温度的标准差进行表征。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种填充床式蓄热/冷器,其特征在于,包括壳体,所述壳体的内部设有多个隔热层,各所述隔热层沿所述壳体的轴向依次间隔设置,所述隔热层能够将所述壳体的内部分隔为多个填充腔室,各所述填充腔室中均填充有储能介质,且各所述填充腔室沿轴向的两端分别设有均流隔板,所述均流隔板上设有筛孔;
位于所述壳体中间段的相邻所述隔热层之间的间距大于靠近所述壳体两端的相邻所述隔热层之间的间距;
各所述隔热层在所述壳体内的布置方法如下:
获取所述填充床式蓄热/冷器以及换热流体的基本参数;
设定所述隔热层布置的数量为n,相邻所述隔热层之间的间距为d,基于所述填充床式蓄热/冷器的基本参数,建立所述填充床式蓄热/冷器的二维轴对称的初始物理模型;
采用传热模型分别计算在储能、释能和间歇期的所述填充床式蓄热/冷器的内部温度场,获取所述初始物理模型的基本温度场,并绘制不同时刻所述填充床式蓄热/冷器内斜温层的厚度变化曲线图;
在固定理论储能量的前提下,在所述初始物理模型的基础上分别改变n和d的数值,搭建所述填充床式蓄热/冷器的不同物理模型,并重复进行迭代计算,获取不同物理模型下对应的斜温层厚度;
对不同物理模型下对应的斜温层厚度进行比较,确定斜温层厚最小的物理模型下对应的n和d的数值。
2.根据权利要求1所述的填充床式蓄热/冷器,其特征在于,所述壳体上沿轴向的两端分别设有换热流体进出口,各所述换热流体进出口均与所述壳体的内部连通。
3.根据权利要求1所述的填充床式蓄热/冷器,其特征在于,所述壳体包括壳体内壁和壳体外壁,所述壳体内壁和所述壳体外壁之间设有绝热层。
4.根据权利要求3所述的填充床式蓄热/冷器,其特征在于,所述壳体内壁为与所述储能介质的颗粒形状相适配的波浪形结构。
5.根据权利要求3所述的填充床式蓄热/冷器,其特征在于,所述壳体内壁和所述壳体外壁均采用金属材料制成;所述绝热层为气凝胶毡层、玻璃棉层、岩棉层、膨胀珍珠岩层、发泡水泥层或真空层。
6.根据权利要求1所述的填充床式蓄热/冷器,其特征在于,所述隔热层为多孔材料隔热层。
7.根据权利要求1至6任一项所述的填充床式蓄热/冷器,其特征在于,各所述筛孔从所述均流隔板的中心至外圈依次布置,且各所述筛孔的直径从所述均流隔板的中心至外圈逐渐增大。
8.根据权利要求7所述的填充床式蓄热/冷器,其特征在于,各所述筛孔的直径设置方法如下:
获取所述填充床式蓄热/冷器以及换热流体的基本参数;
通过计算修正雷诺数确定填充床式蓄热/冷器内部的换热流体的流动状态;
设定所述均流隔板上各所述筛孔的直径Φ,基于所述填充床式蓄热/冷器的基本参数,采用层流模型或湍流模型,建立所述填充床式蓄热/冷器的二维轴对称的初始物理模型;
在所述初始物理模型的基础上分别改变Φ的数值,搭建所述填充床式蓄热/冷器的不同物理模型,获取不同物理模型下对应的换热流体流动速度场,进而获取不同物理模型下对应的流速均匀度;
分别计算不同物理模型下所述均流隔板造成的流动阻力;
对不同物理模型下对应的流动阻力以及流速均匀度分别进行比对分析,确定流动阻力最小且流速均匀度最高的物理模型下对应的Φ的数值。
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