CN116858000A - 一种热交换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热交换装置,涉及热交换技术领域。该装置,包括:罐体,罐体内具有液相区域和气相区域,罐体的顶部设有与气相区域连通的氮气出口,液相区域内填充有液氮,罐体的底部设置有与液相区域连通的介质进口和介质出口;换热件,安装在罐体内;增压管路,与罐体内的气相区域连通;换热件包括换热箱体、多层冷介质层、多层热介质层、介质进管和介质出管,其中冷介质层内的液氮与热介质层内的热介质流向相反。本发明将整个换热件浸泡在液氮中,使得液氮充满整个换热件的冷介质流道,换热介质通过换热件上的热介质进口进入换热件内,换热介质的流动方向与液氮在热交换过程中产生的氮气流向相反,从而提高换热介质的热交换效率。
Description
技术领域
本发明涉及热交换技术领域,尤其是涉及一种热交换装置。
背景技术
将物质的温度降低到低于环境温度的操作,称为冷冻或制冷。通常,将温度范围在-100℃以上者,称为普通冷冻或普冷;-100℃至-269℃之间者,称为深度冷冻或深冷。
在进行深冷介质的热交换时,传统换热器的换热系数低,单位体积设备提供的传热面积小,换热单元外形大,占用空间大。
发明内容
本发明为解决传统换热器传热系数低,换热件外形受限,低温介质输送过程中管线的振动问题,提供了一种热交换装置,将整个换热件浸泡在罐体液氮中,冷、热介质以逆流的形式,流经换热件内进行热量交换,提高设备的换热效率。
本发明采用的技术方案是:
一种热交换装置,包括:
罐体,所述罐体内具有液相区域和气相区域,所述罐体的顶部设有与气相区域连通的氮气出口,所述液相区域内填充有液氮,所述罐体的底部设置有与液相区域连通的介质进口和介质出口;
换热件,安装在所述罐体内,且位于所述液相区域内;
增压管路,与所述罐体内的气相区域连通;
其中,所述换热件包括:
换热箱体,安装在所述罐体内,所述换热箱体的底部具有液氮进口,顶部具有液氮出口,所述换热箱体的顶部侧壁上设有热介质进口,所述换热箱体的底部侧壁上设有热介质出口,所述热介质进口和所述热介质出口相对设置;
多层冷介质层,竖直设置在所述换热箱体内,所述冷介质层内具有竖直设置的冷介质流道,所述冷介质流道的进口与所述液氮进口连通,所述冷介质流道的出口与所述液氮出口连通;
多层热介质层,设置在相邻两所述冷介质层之间,所述热介质层内设有依次连通的热流道进口、竖直设置的换热通道以及热流道出口,所述热流道进口的另一端与所述热介质进口连通,所述热流道出口的另一端与所述热介质出口连通;
介质进管,一端与所述热介质进口连通,另一端伸出所述罐体外与热介质供给部件连通;
介质出管,一端与所述热介质出口连通,另一端伸出所述罐体外与储存设备连通;
其中,所述冷介质流道内的液氮流向与所述换热通道内的热介质流向相反。
可选地,所述罐体的外侧设置有绝热层。
可选地,所述热交换装置进一步包括:
除沫器,所述氮气出口处设置有所述除沫器。
可选地,所述热交换装置进一步包括:
测满管,一端伸入所述罐体内,另一端延伸出所述罐体,位于所述罐体内的所述测满管的管口设置在所述气相区域和液相区域的相交处。
可选地,所述冷介质层包括:
多个槽形板,多个所述槽形板依次连接,当所述槽形板依次连接后,相邻两槽形板的槽口相背离设置;
隔板,设置在所述槽形板的两侧,所述槽形板的槽口与所述隔板之间形成所述冷介质流道。
可选地,所述热介质层包括:
换热板,所述换热板上设有多个凹槽,相邻两所述凹槽的槽口反向设置;
进料板,设置在所述换热板的顶部一端,所述进料板上设置有与所述凹槽相匹配的进料槽,所述进料槽的另一端与所述热介质进口连通;
出料板,设置在所述换热板的底部一端,所述出料板上设置有与所述凹槽相匹配的出料槽,所述出料槽的另一端与所述热介质出口连通;
其中,当所述热介质层安装在相邻两所述冷介质层之间后,所述进料槽、凹槽以及出料槽与所述冷介质层的侧壁之间形成所述热流道进口、换热通道以及热流道出口。
可选地,所述介质进管包括:
第一管体,一端与所述热流道进口连通;
金属软管,与所述第一管体的另一端连通;
第二管体,一端与所述金属软管的另一端连通,所述第二管体的另一端延伸出所述罐体外;
其中,所述第一管体和所述金属软管位于所述罐体内,且其外侧壁与所述液氮相接触;所述介质出管与所述介质进管的结构相同。
可选地,所述第一管体、所述第二管体、所述换热箱体、冷介质层以及热介质层均采用铝制成,所述金属软管采用不锈钢制成。
可选地,所述热交换装置进一步包括:
引压管,所述引压管的一端与所述气相空间连通;
压力表,设置在所述引压管上;
自动泄压阀门,设置在所述氮气出口的出口处,所述压力表的信号输出端与所述自动泄压阀门的信号输入端连接。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、整个换热件浸泡在罐体液氮中,冷、热介质以逆流的形式,在冷介质层的冷介质流道以及热介质层的换热通道进行热量交换,提高设备的换热效率。
2、热介质在流道内的流动方向与液氮在热交换过程中产生的氮气的流动方向相反,具有提高换热效率的优点。
3、热介质的进出口由上进上出优化为下进下出,从罐体底端侧面引出,出罐体的管线均浸于冷介质液氮中,该结构的改进便于换热件内液体的排出;解决进出口处管线的振动问题。
4、本换热件的冷介质层和热介质层具有高导热性,提高了换热件整体的传热效率;在传热过程中冷介质层和热介质层具有扩展的二次表面,提高了单位体积设备的传热面积,并提高了设备整体结构的紧凑性。
5、在罐体外设置绝热层是为了提高罐体的保温性能。
6、换热件主体采用铝制成,使其结构紧凑,轻巧牢固,与系统工艺外接不锈钢管线连接时,采用异种金属钢铝接头进行异种金属材料的过渡连接,采用金属软管解决了管线温差应力的问题。
7、热介质进出管线在罐体内采用全浸式的结构及冷介质出罐体处设置丝网除沫器的结构,解决了低温介质输送过程中管线的振动问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例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简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,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为热交换装置的第一方向全剖结构示意图。
图2为热交换装置的第二方向全剖结构示意图。
图3为热交换装置的换热件的立体结构示意图。
图4为热交换装置的换热件的内部结构示意图。
图5为热交换装置的热介质层的结构示意图。
附图说明:图中实心箭头表示热介质流向,空心箭头表示液氮的流向。
附图标记:
1、罐体;11、气相区域;12、液相区域;13、氮气出口;14、液氮;15、介质进口;16、介质出口;17、绝热层;
2、换热件;21、换热箱体;22、液氮进口;23、液氮出口;24、热介质进口;25、热介质出口;26、冷介质层;261、冷介质流道;262、槽形板;263、隔板;27、热介质层;271、热流道进口;272、换热通道;273、热流道出口;274、换热板;275、凹槽;276、进料板;277、进料槽;278、出料板;279、出料槽;28、介质进管;281、第一管体;282、金属软管;283、第二管体;29、介质出管;
3、增压管路;
4、除沫器;
5、测满管;
6、引压管;61、压力表;62、自动泄压阀门;
7、液位计。
具体实施方式
在下文中,仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样,在不脱离本发明的精神或范围的情况下,可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此,附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“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,或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,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的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接,还可以是通信;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,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”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然,它们仅仅为示例,并且目的不在于限制本发明。此外,本发明可以在不同例子中重复参考数字,这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外,本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子,但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图1、图2、图3和图4所示,本发明实施例提供了一种热交换装置,包括:罐体1、换热件2和增压管路3;罐体1内具有液相区域12和气相区域11,所述罐体1的顶部设有与气相区域11连通的氮气出口13,所述液相区域12内填充有液氮14,所述罐体1的底部设置有与液相区域12连通的介质进口15和介质出口16。换热件2安装在所述罐体1内,且位于所述液相区域12内。增压管路3与所述罐体1内的气相区域11连通。
在使用时,液氮14通过介质进口15进入罐体1内部,并将液相区域12填充满。使得换热件2完全被液氮14淹没,热介质进入换热件2内,通过换热件2与液氮14的接触完成热交换。热交换过程中液氮14产生的氮气通过设置在罐体1顶部的氮气出口13排出,避免罐体1内的压力升高,影响罐体1的使用安全。当需要对罐体1内部进行检修和维护时,通过设置在罐体1底部的介质出口16将液氮14排出。
为了提高换热件2的换热效率,该换热件2包括:换热箱体21、多层冷介质层26、多层热介质层27、介质进管28和介质出管29;换热箱体21安装在所述罐体1内,所述换热箱体21的底部具有液氮进口22,顶部具有液氮出口23,所述换热箱体21的顶部侧壁上设有热介质进口24,所述换热箱体21的底部侧壁上设有热介质出口25,所述热介质进口24和所述热介质出口25相对设置。多层冷介质层26竖直设置在所述换热箱体21内,所述冷介质层26内具有竖直设置的冷介质流道261,所述冷介质流道261的进口与所述液氮进口22连通,所述冷介质流道261的出口与所述液氮出口23连通。多层热介质层27设置在相邻两所述冷介质层26之间,所述热介质层27内设有依次连通的热流道进口271、竖直设置的换热通道272以及热流道出口273,所述热流道进口271的另一端与所述热介质进口24连通,所述热流道出口273的另一端与所述热介质出口25连通。介质进管28的一端与所述热介质进口24连通,另一端伸出所述罐体1外与热介质供给部件连通。介质出管29的一端与所述热介质出口25连通,另一端伸出所述罐体1外与储存设备连通。其中,所述冷介质流道261内的液氮14流向与所述换热通道272内的热介质流向相反。
在使用时,液氮14首先将冷介质层26的冷介质流道261填满,热介质通过介质进管28从换热箱体21的顶部侧壁进入热介质层27内,热介质通过介质进管28从换热件2的侧壁进入换热件2内部,热介质在换热箱体21内与液氮14进行热交换,在热交换过程中产生的氮气则向上排,并通过设置在罐体1顶部的氮气出口13排出。热介质进入热介质层27内后,首先通过热流道进口271进入换热通道272内,在换热通道272的热介质与位于冷介质层26的冷介质流道261的液氮14流向相反,热介质通过换热通道272换热后进入热流道出口273进行热交换,最后通过与热流道出口273连通的热介质出口25外排。
本实施例中记载了整个换热件2浸泡在罐体1液氮14中,冷、热介质以逆流的形式,在冷介质层16的冷介质流道以及热介质层27的换热通道272内进行热量交换,提高设备的换热效率。
热介质在换热通道272内的流动方向与液氮14在热交换过程中产生的氮气的流动方向相反,具有提高换热效率的优点。
热介质的进出口由上进上出优化为下进下出,从罐体1底端侧面引出,出罐体的管线均浸于液氮14中,该结构的改进便于换热件2内液体的排出;解决进出口处管线的振动问题。
本换热件2的冷介质层26和热介质层27具有高导热性,提高了换热件2整体的传热效率;在传热过程中冷介质层26和热介质层27具有扩展的二次表面,提高了单位体积设备的传热面积,并提高了设备整体结构的紧凑性。
需要进行说明的是,本实施例中的冷介质层26和热介质层27可以将其理解为槽型翅片。本实施例中的热介质为液氧。
在另外一个实施例中,如图1所示,为了提高罐体1的保温性能在罐体1的外侧设置有绝热层17。
在另外一个实施例中,所述罐体1的顶部设有检修口,对应所述检修口的绝热层17与其余地方的绝热层17之间采用可拆卸连接。可以采用发泡技术保温,外层通过设置不锈钢蒙皮进行保护。在罐体1的顶部设置检修口,该检修口用于检查换热件2在频繁冷冲击工况下的状态,检修口处采用可拆卸的保温方式,既不影响罐内设备维护,又避免了设备局部跑冷。
在另外一个实施例中,如图1所示,所述热交换装置进一步包括:除沫器4,所述氮气出口13处设置有所述除沫器4。该除沫器4为丝网除沫器,该除沫器4,可以有效的解决氮气排放过程中气相介质中带液以及振动问题。
在另外一个实施例中,如图2所示,所述热交换装置进一步包括:测满管5,一端伸入所述罐体1内,另一端延伸出所述罐体1,位于所述罐1体内的所述测满管5的管口设置在所述气相区域11和液相区域12的相交处。
当罐体1内的液位超过侧满管5的高度时,液氮14通过测满管5进行溢流,避免罐体1内的过量充装影响罐体1的安全。
在另外一个实施例中,如图3和图4所示,所述冷介质层26包括:多个槽形板262和隔板263;多个所述槽形板262依次连接,当所述槽形板262依次连接后,相邻两槽形板262的槽口相背离设置。隔板263设置在所述槽形板262的两侧,所述槽形板262的槽口与所述隔板263连接后形成所述冷介质流道261。
在使用时,液氮14充满冷介质流道261,由于冷介质层26和热介质层27依次设置,使得热介质层27内的热介质可与冷介质层26内的液氮14快速完成热交换。
在另一种实施方式中,多个槽形板为一体成型结构。
在另外一个实施例中,如图3、图4和图5所示,为了使得热介质与冷介质具有相反的流向,因此热介质在进入热介质层27内后需要进行换向,为了实现热介质的换向,该热介质层27包括:换热板274、进料板276和出料板278;所述换热板274上设有多个凹槽275,相邻两所述凹槽275的槽口反向设置。进料板276设置在所述换热板274的顶部一端,所述进料板276上设置有与所述凹槽275相匹配的进料槽277,所述进料槽277的另一端与所述热介质进口24连通。出料板278设置在所述换热板274的底部一端,所述出料板278上设置有与所述凹槽275相匹配的出料槽279,所述出料槽279的另一端与所述热介质出口25连通。其中,当所述热介质层27安装在相邻两所述冷介质层26之间后,所述进料槽277、凹槽275以及出料槽279与所述冷介质层26的侧壁之间形成所述热流道进口271、换热通道272以及热流道出口273。
在使用时,热介质通过介质进管28进入热流道进口271内,然后通过热流道进口271进入换热通道272内,热介质在换热通道272内的流向与液氮14在冷介质流道261内的流向相反,热介质在换热通道272内换热后通过热流道出口273排入介质出管29内。
在另外一个实施例中,如图2所示,所述介质进管28包括:第一管体281、金属软管282和第二管体283;第一管体281的一端与所述热流道进口271连通。金属软管282与所述第一管体281的另一端连通。第二管体283的一端与所述金属软管282的另一端连通,所述第二管体283的另一端延伸出所述罐体1外。其中,所述第一管体281和所述金属软管282位于所述罐体1内,且其外侧壁与所述液氮14相接触;所述介质出管29与所述介质进管28的结构相同。
第一管体281和金属软管282位于所述罐体1内,且第二管体283的部分结构位于罐体1内。在使用时,由于罐体1内的液氮14和换热件2内的热介质具有一定的温度差,使得介质进管28和介质出管29会产生局部温差应力,因此在介质进管28的中段设置金属软管282进行过渡。金属软管282在使用过程中利用其具有柔性的特点对第一管体281和第二管体283连接处进行应力补偿。
在另外一个实施例中,所述第一管体281、所述第二管体283、所述换热箱体21、冷介质层26以及热介质层27均采用铝制成;金属软管282采用不锈钢制成。由于铝和不锈钢在低温下的线性膨胀系数不同,因此为缓解介质进管28和介质出管29上的局部应力,设置了金属软管282,利用金属软管282具有柔性的特点进行应力补偿。
在另外一个实施例中,如图1所示,所述热交换装置进一步包括:引压管6、压力表61和自动泄压阀门62;所述引压管6的一端与所述气相空间连通。压力表61设置在所述引压管6上。自动泄压阀门62设置在所述氮气出口13的管道上,所述压力表61的信号输出端与所述自动泄压阀门62的信号输入端连接。
在使用时,压力表61实时显示罐体1内的压力,且同时压力表61预设有一最高阈值,当罐体1的内压力达到该阈值时,压力表61将信号反馈给带控制器的自动泄压阀门62,自动泄压阀门62打开,通过氮气出口13将罐体1内的部分压力排出,避免罐体1因压力过高导致损坏。
在另外一个实施例中,如图1所示,为了避免罐体1内充入过多的液氮14,影响该热交换装置的使用安全性,所述热交换装置进一步包括:液位计7,该液位计7安装在所述罐体1上,所述液位计7的信号输出端与进液阀门的控制端连接。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,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。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种热交换装置,其特征在于,包括:
罐体,所述罐体内具有液相区域和气相区域,所述罐体的顶部设有与气相区域连通的氮气出口,所述液相区域内填充有液氮,所述罐体的底部设置有与液相区域连通的介质进口和介质出口;
换热件,安装在所述罐体内,且位于所述液相区域内;
增压管路,与所述罐体内的气相区域连通;
其中,所述换热件包括:
换热箱体,安装在所述罐体内,所述换热箱体的底部具有液氮进口,顶部具有液氮出口,所述换热箱体的顶部侧壁上设有热介质进口,所述换热箱体的底部侧壁上设有热介质出口,所述热介质进口和所述热介质出口相对设置;
多层冷介质层,竖直设置在所述换热箱体内,所述冷介质层内具有竖直设置的冷介质流道,所述冷介质流道的进口与所述液氮进口连通,所述冷介质流道的出口与所述液氮出口连通;
多层热介质层,设置在相邻两所述冷介质层之间,所述热介质层内设有依次连通的热流道进口、竖直设置的换热通道以及热流道出口,所述热流道进口的另一端与所述热介质进口连通,所述热流道出口的另一端与所述热介质出口连通;
介质进管,一端与所述热介质进口连通,另一端伸出所述罐体外与热介质供给部件连通;
介质出管,一端与所述热介质出口连通,另一端伸出所述罐体外与储存设备连通;
其中,所述冷介质流道内的液氮流向与所述换热通道内的热介质流向相反。
2.根据权利要求1所述的热交换装置,其特征在于,所述罐体的外侧设置有绝热层。
3.根据权利要求1所述的热交换装置,其特征在于,所述氮气出口处设置有除沫器。
4.根据权利要求1所述的热交换装置,其特征在于,所述热交换装置进一步包括:
测满管,一端伸入所述罐体内,另一端延伸出所述罐体,位于所述罐体内的所述测满管的管口设置在所述气相区域和液相区域的相交处。
5.根据权利要求1所述的热交换装置,其特征在于,所述冷介质层包括:
多个槽形板,多个所述槽形板依次连接,当所述槽形板依次连接后,相邻两槽形板的槽口相背离设置;
隔板,设置在所述槽形板的两侧,所述槽形板的槽口与所述隔板连接后形成所述冷介质流道。
6.根据权利要求1所述的热交换装置,其特征在于,所述热介质层包括:
换热板,所述换热板上设有多个凹槽,相邻两所述凹槽的槽口反向设置;
进料板,设置在所述换热板的顶部一端,所述进料板上设置有与所述凹槽相匹配的进料槽,所述进料槽的另一端与所述热介质进口连通;
出料板,设置在所述换热板的底部一端,所述出料板上设置有与所述凹槽相匹配的出料槽,所述出料槽的另一端与所述热介质出口连通;
其中,当所述热介质层安装在相邻两所述冷介质层之间后,所述进料槽、凹槽以及出料槽与所述冷介质层的侧壁之间形成所述热流道进口、换热通道以及热流道出口。
7.根据权利要求1所述的热交换装置,其特征在于,所述介质进管包括:
第一管体,一端与所述热流道进口连通;
金属软管,与所述第一管体的另一端连通;
第二管体,一端与所述金属软管的另一端连通,所述第二管体的另一端延伸出所述罐体外;
其中,所述第一管体和所述金属软管位于所述罐体内,且其外侧壁与所述液氮相接触;所述介质出管与所述介质进管的结构相同。
8.根据权利要求7所述的热交换装置,其特征在于,所述第一管体、所述第二管体、所述换热箱体、冷介质层以及热介质层均采用铝制成,所述金属软管采用不锈钢制成。
9.根据权利要求1所述的热交换装置,其特征在于,所述热交换装置进一步包括:
引压管,所述引压管与所述气相空间连通;
压力表,设置在所述引压管上;
自动泄压阀门,设置在所述氮气出口上,所述压力表的信号输出端与所述自动泄压阀门的信号输入端连接。
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CN202310892642.6A CN116858000A (zh) | 2023-07-20 | 2023-07-20 | 一种热交换装置 |
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CN (1) | CN116858000A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117804261A (zh) * | 2024-02-27 | 2024-04-02 | 西安聚能超导磁体科技有限公司 | 一种传导冷却磁体液氮预冷换热器 |
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2023
- 2023-07-20 CN CN202310892642.6A patent/CN116858000A/zh active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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