CN114608001B - 一种智能控制孔距变化的蒸汽锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能控制孔距变化的蒸汽锅炉，包括上锅筒、下锅筒和连接在上锅筒和下锅筒之间的上升管和下降管，上锅筒、下锅筒设置供流体通过的多个孔，其中上锅筒的孔沿着距离进口的距离越远，孔的分布密度越大和/或孔的流通面积越大；其中下锅筒的孔沿着距离出口的距离越远，孔的分布密度越小和/或孔的流通面积越小。本发明提供一种新式结构的蒸汽锅炉，设置的流动空间越来越大，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

Description

一种智能控制孔距变化的蒸汽锅炉

技术领域

本发明属于蒸汽发生领域，尤其涉及一种蒸汽锅炉，属于IPC分类号F22领域。

背景技术

从炉中接受热量、并使流体从低位流到高位的回路称之为“上升回路”，而接受热量、并使流体从高位流到低位的回路称之为“下降回路”。一个回路由一根管子或一组管子组成，这组管子从一个公共点，如联箱或蒸汽锅筒引出，终止于同样为联箱或锅筒这样的公共点。

在大多数自然循环锅炉设计中，构成蒸发部分的受热管一般供流体向上流动，但在多锅筒锅炉中，蒸发管束的下降受热管则不然。在这种类型的锅炉中，下降受热管提供炉内和蒸发管束部分的上升管的全部循环流量。

一方面，上升管的流体在向上过程中，一般是汽液两相流，从而使得上升管内的流体是汽液混合物，汽液两相流的存在使得影响了上升管吸热的效率。

上升管因为各个部分受热不均匀，例如靠近炉膛的一侧置温度高，背对炉膛一侧温度低，为上升管内部不同位置的流体的温度不同，因为温度不同会导致上升管内的温度不均匀导致出现过热或者过冷情况，对运行造成影响。

流体针对上述问题，申请人在先申请的专利提供了一种新的蒸汽锅炉，从而解决上升管流体温度不均匀的问题。

本申请是针对在先申请的一个改进，本申请通过改进在先申请结构的优化，使得上升管内部流体的流动阻力变小，均温效果达到最佳。

发明内容

本发明提供了一种新的蒸汽锅炉，从而解决前面出现的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种蒸汽锅炉，包括上锅筒、下锅筒和连接在上锅筒和下锅筒之间的上升管和下降管，所述上升管内设置从上升管内壁向上升管中心延伸的均温板，所述均温板包括从内壁延伸的第一弯曲壁和第二弯曲壁，其中第一弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角小于第二弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角，第一弯曲壁和第二弯曲壁朝向流体流动方向弯曲延伸，弯曲方向也朝向流体流动方向，第一弯曲壁和第二弯曲壁的交点位于第一弯曲壁与内壁连接处的上部，同时位于第二弯曲壁与内壁连接处的上部；

所述第一弯曲壁和第二弯曲壁是弹性结构，同一均温板不同位置的弹性不同，沿着从内壁向中心方向，均温板的弹性逐渐增加。

作为优选，沿着从内壁向中心方向，均温板的弹性逐渐增加的幅度不断增加。

作为优选，第一弯曲壁和第二弯曲壁是圆弧，其中第一弯曲壁的圆弧直径小于第二弯曲壁的圆弧直径。

作为优选，交点位置处第一弯曲壁的切线与上升管的轴线形成30-60°的夹角。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1）本发明提供一种新式结构的蒸汽锅炉，通过设置同一均温板不同位置的弹性不同，沿着从内壁向中心方向，均温板的弹性逐渐增加，可以使得在整个高度上液体与蒸汽充分混合，达到充分换热均热的效果，而且还可以节省成本。

2）本发明提供了一种新的蒸汽锅炉，通过在上升管内设置弯曲均温板，使得流体一部分沿着均温板流动引导至相反的方向，与相反方向进入的流体充分混合，从而实现流体的温度均匀，以实现进一步温度均匀，提高产品使用寿命。

3）本发明通过对均温板各个参数的变化导致的换热规律进行了广泛的研究，在满足流动阻力情况下，本发明对换热器的均温板结构进行优化，以达到最优的出口流体均温效果。

4）本发明通过合理的布局，使得相邻排的均温板结构错列布置，从而进一步充分混合流体，达到温度均匀。

5）本发明通过设置均温板沿着流体流动方向的尺寸和数量角度等参数的分布变化，进一步促进充分混合。

6）本发明通过对均温板的距离进行了广泛的研究，设计了最小距离的公式，充分满足均温混合需要，避免混合不均匀以及流动阻力增加问题，以达到最优的出口流体均温效果。

附图说明

图1是本发明的蒸汽锅炉换热管优选结构示意图。

图2是本发明的蒸汽锅炉结构示意图。

图3是本发明的蒸汽锅炉结构另一个实施例示意图。

图4是本发明上升管设置均温板的轴向切面图。

图5是本发明上升管设置均温板的尺寸示意图。

图6是每层设置1块均温板的立体示意图。

图7是每层设置3块均温板的立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

如图1所示，一种蒸汽锅炉，包括上锅筒、下锅筒和连接在上锅筒和下锅筒之间的上升管和下降管，上锅筒、下锅筒设置供流体通过的多个孔，其中上锅筒的孔沿着距离入口的距离越远，孔的分布密度越大和/或孔的流通面积越大；其中下锅筒的孔沿着距离出口的距离越远，孔的分布密度越小和/或孔的流通面积越小。

如图2所述的一种蒸汽锅炉，包括上锅筒1和下锅筒2，所述上升管3和下降管5连接上锅筒1和下锅筒2。水从上锅筒1进入下降管5内。水在下降管中向下流动，并被收集在下锅筒2中。锅炉的上升管3由炉膛燃烧室10中燃料的燃烧来加热。由上升管3吸收的热量使管内的液体沸腾，由此生成水和汽的两相混合物。上升管3中的两相混合物到达上锅筒1。从上锅筒1中的供水管（未示出）放出的过冷水和从分离装置中放出的饱和液体混合在一起形成过冷液体，过冷液体流出上锅筒1进入下降管5，按照这样的流程就完成了一个流动循环。

进一步如图3所述的另一种实施例的蒸汽锅炉，包括上锅筒1和下锅筒2，所述上升管3和下降管5连接上锅筒1和下锅筒2。水从上锅筒1进入炉内排烟道12中受热蒸发管束的下降管5内。水在下降管中向下流动，并被收集在下锅筒2中。由于下降管5吸收了热量，所以进到下锅筒2中的水的温度升高。根据所吸收热量的多少，下锅筒2中的水可以是过冷的或者饱和的。离开下锅筒2的流体（一般汽水混合物）一部分向上流入蒸发管束的上升管3中。向上流入上升管3的液体吸热并进入上锅筒1。

离开下锅筒2的流体一部分通过下降管6到达炉膛下锅筒7。进到一个下锅筒7的液体分布到与该下锅筒7相连的各炉管8中。炉管由炉膛燃烧室10中燃料的燃烧来加热。由炉管8吸收的热量使炉管8中的液体沸腾，由此生成水和汽的两相混合物。炉管8中的两相混合物或者通过与上锅筒1直接连接的炉管8到达上锅筒1，此时的炉管8也就是上升管，或者在下锅筒7与上锅筒1之间设置出口联箱11，通过中间上升管9将两相混合物从炉膛回路的出口联箱11传送到上锅筒1。上锅筒1内的内部分离装置将两相混合物分开而成汽和水。从上锅筒1中的供水管（未示出）放出的过冷水和从分离装置中放出的饱和液体混合在一起形成过冷液体，过冷液体流出上锅筒1进入下降管5，按照这样的流程就完成了一个流动循环。

对于蒸汽锅炉的蒸发管束、选定的受到燃烧气流冲刷的炉膛炉壁和对流炉壁来说，要求保证一个临界输入热量，以使流体在管束和对流炉壁回路中所有的管子内充分向上环流而又不致产生流动的不稳定性。

作为一个改进，如图4所示，所述上升管3和/或上升管8和/或上升管9内设置从上升管内壁51向上升管中心延伸的均温板4，所述均温板4包括从内壁延伸的第一弯曲壁41和第二弯曲壁42，其中第一弯曲壁41与内壁51连接处切线与内壁形成的锐角小于第二弯曲壁42与内壁连接处切线与内壁形成的锐角，第一弯曲壁41和第二弯曲壁42朝向流体流动方向弯曲延伸，弯曲方向也朝向流体流动方向，第一弯曲壁41和第二弯曲壁42的交点43位于第一弯曲壁41与内壁51连接处的上部，同时位于第二弯曲壁42与内壁连接处的上部。均温板4的形状是第一弯曲壁41和第二弯曲壁42以及内壁沿着上升管轴线旋转形成的形状。

本发明通过在上升管内设置均温板，使得流体一部分沿着均温板流动引导至相反的方向，与相反方向进入的流体充分混合，从而实现流体的温度均匀，以实现进一步换热需要，提高产品使用寿命。

本发明均温板分别设置第一弯曲壁和第二弯曲壁，通过设置两个弯曲壁，使得流体的扰动效果更好，而且使得均温板接触内壁的面积增加，增加了稳定性。而且通过设置第二弯曲壁，使得从对面方向导流过来的流体也能沿着第二弯曲壁方向弯曲方向运动，增加缓冲，减少流动阻力。

后面所提及的上升管，都是上升管3、上升管8和上升管9中的至少一个。

所述均温板是弹性结构。通过设置弹性结构，能够使得均温板弹性变形，减少流体向上的流动阻力，而且设置弹性结构，能够使得蒸汽向上流动时候，弹性震动使得液体下落，和蒸汽充分混合，减少上升管内的液体。

沿着从下向上的方向，上升管内壁设置多个均温板，所述均温板的弹性力先逐渐增加，然后到了一定高度后弹性逐渐减小。因为从最下端开始，蒸汽携带液体上升，使得上升管内液体沿着高度逐渐增加，液体汇聚在弯曲壁上逐渐增加，设置弹性逐渐增加，可以使得震动逐渐增加，从而使得液体下落沿着高度增加，使得整体上的液体高度上分布均匀，不同高度上与蒸汽充分混合。但是随着一定高度，因为蒸汽不断上升，而为随着外部热量的不断输入，使得上升管内的液体逐渐减少，从而到了一定高度就使得弹性逐渐降低。通过如此设置，可以使得在整个高度上液体与蒸汽充分混合，达到充分换热均热的效果，而且还可以节省成本。

作为优选，沿着从下向上的方向， 弹性力不断增加的幅度不断增加。作为优选，沿着从下向上的方向， 弹性力逐渐减小的幅度不断增加。上述的幅度变化也是通过大量数值模拟和实验得出来的结论，通过上述设置，能够进一步提高体与蒸汽充分混合，达到充分换热均热的效果。

作为优选，一定高度就是上升管的四分之一到三分之一的高度。

所述均温板是弹性结构，同一均温板不同位置的弹性不同，沿着从内壁向中心方向，均温板的弹性逐渐增加。主要是通过上述设置，保证液体尽可能的流到内壁，通过内壁加热或者沿着内壁流到下部。因为随着蒸汽携带液体上升，更多的液体会积累在中心部，从内壁到中心部，液体积累逐渐增加。通过设置沿着从内壁向中心方向，均温板的弹性逐渐增加，使得中心部弹性最大，从而使得液体在此位置震动力度最大，从而使得液体震动向下流动，一方面与蒸汽充分接触混合，另一方面保证液体沿着弯曲壁面流到内壁，通过内壁吸热更快。通过如此设置，可以使得在整个高度上液体与蒸汽充分混合，达到充分换热均热的效果，而且还可以节省成本。

作为优选，沿着从内壁向中心方向，均温板的弹性逐渐增加的幅度不断增加。上述的幅度变化也是通过大量数值模拟和实验得出来的结论，通过上述设置，能够进一步提高体与蒸汽充分混合，达到充分换热均热的效果。

作为优选，第一弯曲壁41和第二弯曲壁42是圆弧，其中第一弯曲壁41的圆弧直径小于第二弯曲壁42的圆弧直径。

本发明通过第一壁和第二壁是圆弧状，使得流体流动阻力更小，容易流向对方进行混合。

作为优选，交点43位置处第一弯曲壁41的切线与上升管的轴线形成30-60°的夹角，优选夹角是45°。通过设置这一夹角，使得流体能够快速引导到对面的上部位置，而且还能进一步减少流动阻力。

作为优选，如图4所示，沿着高度方向，上升管内壁设置多层均温板4，相邻层的均温板错列分布。通过相邻排的均温板的错列分布，使得流体能够在上升管内充分的互相运动到相反位置，保证充分混合均匀。图4展示的每层均温板设置一块。当然每层均温板可以设置多块，例如设置3块。

作为优选，交点与上升管内壁的距离为上升管直径的0.3-0.5倍，优选0.4倍。通过这一设置使得空气在充分混合基础上较少流动阻力。

作为优选，第一弯曲壁的长度大于第二弯曲壁的长度。

作为优选，同一层的均温板与内壁连接的圆弧的总弧度是150－180°。通过这一参数设置保证在满足阻力要求的充分混合。例如图4、6展示的每层均温板设置一块，这一块的总弧度是150-180°。当然每层均温板可以设置多块，例如图6的每层设置三块的总弧度是150－180°。

作为优选，A层均温板设置多块，A均温板之间设置间隔，A均温板等间隔设置，B层是A层的相邻层，从流动方向观察，B层均温板设置在A层的间隔位置处。通过相邻层的均温板位置互补，能够使得流体能够在上升管内充分的互相运动到相反位置，保证充分混合均匀。需要说明的，此处A层B层不是具体明确指定那一层，A、B仅仅是作为一个区别，将其作为相邻层进行区别。

作为优选，沿着高度方向，上升管内壁设置多个均温板，沿着高度方向，均温板的分布密度越来越小。因为随着流体的不断运动，流体的混合程度越来越好，因此需要设置分布密度越来越小，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着高度方向，均温板的分布密度越来越小的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合流体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着高度方向，上升管内壁设置多个均温板，沿着高度方向，均温板的尺寸越来越小。因为随着流体的不断运动，流体的混合程度越来越好，因此需要设置尺寸越来越小，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着高度方向，上升管内壁设置多个均温板，沿着高度方向，均温板的尺寸越来越小的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合流体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

通过大量的数值模拟和实验研究发现，均温板的角度以及尺寸对于换热以及混合均匀具有很大的影响，均温板与内壁夹角偏小，会导致混合效果变差，而且导致均温板尺寸过大，影响流动阻力，夹角偏大，导致搅动流体效果不好，阻力变大，混合效果变差，均温板的间距过大，会导致扰流效果不好，间距过小会导致增加运动阻力，因此本申请通过大量的数据模拟和实验得到了最近的均温板结构尺寸优化关系。

作为优选，第一弯曲壁与内壁的连接点与交点43之间第一线的长度L2，第二弯曲壁与内壁的连接点与交点43之间的第二线的长度L1，第一线与内壁的锐角是A2，第二线与内壁的锐角是A1，沿着流体的流动方向上相邻均温板结构的间距S（例如图3左侧的相邻的两个均温板的距离为S），即相邻均温板在内壁的中心点之间的距离，中心点就是第一弯曲壁、第二弯曲壁与内壁的连接点连线的中点，满足如下要求：

N=a-b*Ln(M)，其中N=(L1+L2)/S，M=sin(A2)/sin(A1)；Ln是对数函数，

0.2697<a<0.2699，0.0830<b<0.0832；

作为优选，0.25<M<0.75,0.29<N<0.36,45<A1<75°，15<A2<45°,400<S<550mm，70<L2<130mm，30<L1<90mm。

由上述各式可以进行均温板结构的最优的设计要求。上述的结构优化公式是本发明的一个主要改进点，是通过大量的数值模拟和实验研究的出来的最有的优化公式，并不是本领域的公知常识。

进一步优选，a=0.2698，b=0.0831。

作为优选，在上升管与水平面形成的夹角为A情况下，可以增加修正系数c对数据进行修正，即

c* N=a-b*Ln(M)；c=1/sin(A)^m，其中0.09<m<0.11，优选m=0.10。

20°<A<80°，优选为40－60°。

在数据模拟以及实验中发现，均温板之间的间距必须大于一定距离，否则会导致流体通过上一个均温板引导到对面方向，但是如果均温板之间的间距过小，会导致流体在对面流动，还没充分充满整个管道，此时设置均温板，起不到混合效果，均温板仅仅起到是一个折流板作用，没有引导混合的作用，只能增加流动阻力。因此本申请通过大量的研究，提出了一个均温板最小间距的设计方案，对于此种均温板的设计具有一定的指导意义。

交点43在内壁上的垂点，交点与垂点形成的线是第三线，第一弯曲壁与内壁的连接点与垂点的距离为H，第一线和第三线形成的锐角为A3，交点位置处的第一弯曲壁的切线与上升管的轴线形成的锐角为A4，上升管的内管径为R，距离S采用如下方式设计：

(S/H)>a+b*Ln (T)，(S/R)²>c+d*Ln (T)；

其中T =sin(A3)/sin(A4)，2.66<a<2.68,17.1<b<17.2，1.976<c<1.978，3.425<d<3.426，

30<A3<70°，20<A4<60°；优选1.07<T<1.30；

作为优选，a=2.67,b=17.15,c=1.977,d=3.4255；

本发明通过大量的实验以及数值模拟，得到了均温板最小的设计距离，通过上述设计距离使得阻力降低，同时能够此充分混合。

作为优选，在上升管与水平面形成的夹角为A情况下，可以增加修正系数d，f对数据进行修正，即

( (S/H)/d)>a+b*Ln (T)； ((S/R)²/f)>c+d*Ln (T)；

d=sin(A)ⁿ，其中0.085<n<0.098，优选n=0.092。f=sin(A)^k，其中0.076<k<0.078，优选k=0.077

20°<A<80°，优选为40－60°。

作为优选，沿着流体流动的方向，上升管3的管径不断的增加。主要原因如下：1）通过增加上升管的管径，可以减少流动的阻力，使得上升管内蒸发的汽体不断的向着管径增加的方向运动，从而进一步促进环路热管的循环流动。2）因为随着流体的不断的流动，液体在上升管内不断的蒸发，从而使得汽体体积越来越大，压力也越来越大，因此通过增加管径来满足不断增加的汽体体积和压力的变化，从而使得整体上压力分布均匀。3）通过上升管的管径的增加，可以减少汽体出口的体积的增加导致的冲击现象。

作为优选，沿着流体流动的方向，上升管3的管径不断的增加的幅度越来越大。上述管径的幅度变化是本申请人通过大量的实验和数值模拟得到的结果，通过上述的设置，能够进一步的促进环路热管的循环流动，达到压力整体均匀，减少冲击现象。

作为优选，所述上升管的管径大于下降管的管径。主要是增加下降管的阻力，降低上升管的阻力，使得蒸汽从蒸发部流动更容易，环路热管更好的形成循环。

作为优选，沿着流体流动的方向，下降管的管径不断的减小。主要原因如下：1）因为随着流体的不断的流动，蒸汽在下降管内不断的冷凝，从而使得流体体积越来越小，压力也越来越小，因此通过减少管径来满足不断增加的流体体积和压力的变化，从而使得整体上压力分布均匀，换热均匀。2）通过吸热管的管径的减小，可以节约材料，降低成本。

作为优选，沿着流体流动的方向，下降管的管径不断的减小的幅度越来越大。上述管径的幅度变化是本申请人通过大量的实验和数值模拟得到的结果，通过上述的设置，能够进一步的促进环路热管的循环流动，达到压力整体均匀。

作为优选，沿着从下向上的方向，上升管内壁设置多个均温板，沿着从下向上的方向，A2的夹角越来越小。因为随着流体的不断运动，流体的混合程度越来越好，因此需要设置夹角越来越小，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着从下向上的方向， A2的夹角越来越小的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合流体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着从下向上的方向，上升管内壁设置多个均温板，沿着从下向上的方向，A4的夹角越来越小。因为随着流体的不断运动，流体的混合程度越来越好，因此需要设置夹角越来越小，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着从下向上的方向， A4的夹角越来越小的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合流体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着从下向上的方向，上升管内壁设置多层均温板，沿着从下向上的方向，同一层的均温板与内壁连接的圆弧的总弧度越来越小。因为随着流体的不断运动，流体的混合程度越来越好，因此需要设置的流动空间越来越大，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着从下向上的方向，同一层的均温板与内壁连接的圆弧的总弧度越来越小的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合流体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着从下向上的方向，上升管内壁设置多个均温板，沿着从下向上的方向，A1的夹角越来越大。因为随着流体的不断运动，流体的混合程度越来越好，因此需要设置夹角越来越大以减少尺寸，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

作为优选，沿着从下向上的方向，沿着从下向上的方向，A1的夹角越来越大的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合流体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (3)

1.一种蒸汽锅炉，包括上锅筒、下锅筒和连接在上锅筒和下锅筒之间的上升管和下降管，所述上升管内设置从上升管内壁向上升管中心延伸的均温板，所述均温板包括从内壁延伸的第一弯曲壁和第二弯曲壁，其中第一弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角小于第二弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角，第一弯曲壁和第二弯曲壁朝向流体流动方向弯曲延伸，弯曲方向也朝向流体流动方向，第一弯曲壁和第二弯曲壁的交点位于第一弯曲壁与内壁连接处的上部，同时位于第二弯曲壁与内壁连接处的上部；其特征在于，所述均温板是弹性结构，同一均温板不同位置的弹性不同，沿着从内壁向中心方向，均温板的弹性逐渐增加。

2.如权利要求1所述的蒸汽锅炉，其特征在于，沿着从内壁向中心方向，均温板的弹性逐渐增加的幅度不断增加。

3.如权利要求1所述的蒸汽锅炉，其特征在于，交点位置处第一弯曲壁的切线与上升管的轴线形成30-60°的夹角。

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