DE102010004409B4 - Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung - Google Patents
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Abstract
Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung oder mit von außen zugeführter Wärmeenergie und wenigstens einem Kolben (1), dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsgas (2) einschließende Wände (3) wenigstens teilweise für Wärmestrahlung durchlässig sind und mit einer steuerbaren Schicht (4) umgeben sind, die es ermöglicht, dass die von außen in das in einem Arbeitsraum befindliche Arbeitsgas (2) einwirkende Strahlungsenergie durchgelassen oder an dieser Schicht reflektiert wird.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Bei heutigen Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung gelangt ein großer Teil der eingesetzten Energie ins Abgas und wird nicht in mechanische Energie umgesetzt.
- In der Vergangenheit gab es immer wieder Überlegungen, die im Abgas enthaltene Energie dem Frischgas zuzuführen. Solche Ansätze scheiterten bislang aber immer, weil die klassische Wärmekraftmaschine von der Temperaturdifferenz zwischen dem Frischgas und der maximal im Brenngas auftretenden Temperatur lebt.
- Aus
DE 10 2008 004 075 A1 ist ein Stirlingmotor bekannt, der mit einem rotatorisch reversierendem Verdrängerkolben arbeitet, um alternierend Heiz- und Kühlflächen abzudecken. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad eines Stirlingmotors erheblich steigern. Allerdings ist damit auch ein erheblicher konstruktiver Aufwand verbunden, der die Massenenfertigung einer solchen Maschine fraglich erscheinen lässt. - Aus
DE 10 2008 008 768 B3 ist eine Verbrennungskraftmaschine mit innerer Verbrennung bekannt, bei der die Brennraumwände für Infrarotstrahlung im Wesentlichen durchlässig sind und mit einer Schicht versehen sind, die von infrarotstrahlungsdurchlässig auf infrarotstrahlungsundurchlässig geschaltet werden kann und umgekehrt. Die Brennraumwände sind von einem Wärmespeicher umgeben und es ist möglich, Wärmestrahlung durch die Brennraumwände hindurch zu lassen oder eine Wärmeübertragung durch Strahlung zu unterbinden. Problematisch sind die für eine nennenswerte Wärmeübertragung erforderlichen hohen Temperaturen, diese sind bei Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung nur schwer zu realisieren. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Wärmeverluste von Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung oder von außen zugeführter Wärmeenergie durch verschiedene technische Maßnahmen zu minimieren.
- Diese Aufgabe wird durch eine Wärmekraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Es wird hier eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung oder mit von außen zugeführter Wärmeenergie und wenigstens einem Kolben
1 vorgeschlagen, bei der die das Arbeitsgas2 einschließenden Wände3 wenigstens teilweise für Wärmestrahlung im Wesentlichen durchlässig sind und mit einer steuerbaren Schicht4 umgeben sind, die es ermöglicht, dass die von außen ins im Arbeitsraum befindliche Arbeitsgas2 einwirkende Strahlungsenergie durchgelassen oder an dieser Schicht reflektiert wird.1 zeigt exemplarisch an einem Hubkolbenmotor den möglichen Aufbau einer solchen Maschine, die Erfindung ist aber auch für Rotationskolbenmaschinen, Gegenkolbenmaschinen, Kugelkolbenmotoren oder andere Wärmekraftmaschinen anwendbar. Für die Zeichnung wurde ein 2-Takt-Hubkolbenmotor gewählt, in leicht abgewandelter Form, denn er arbeitet hier mit äußerer Verbrennung. Der 2-Takter hat von Haus aus einen hohen Wirkungsgrad, die oft Probleme bereitenden Spülverluste sind hier nebensächlich, wenn sich das Arbeitsgas2 in einem geschlossenen Kreislauf bewegt. Das Arbeitsgas2 muss aber nicht in einem geschlossenen Kreislauf geführt werden. Die das Arbeitsgas2 einschließenden Wände3 können alle mit dem Arbeitsgas in Kontakt kommenden Flächen sein, auch die des Kolbens. Die steuerbare Schicht4 wird durch eine Regelung auf Durchlass geschaltet, wenn die Entropie-Erhöhung des Arbeitsgases2 gewünscht wird und sie wird auf Reflexion geschaltet, wenn kein Energieeintrag ins Arbeitsgas stattfinden soll. - Bei auf Durchlass geschalteter Schicht
4 ist es wichtig, dass durch die das Arbeitsgas2 einschließenden Wände3 möglichst ungehindert Strahlungsenergie in das Arbeitsgas2 gelangt. Entscheidend dafür ist die Auswahl des Materials, aus dem die Wände3 hergestellt werden. Es kommen verschiedene Materialien in Frage, zum Beispiel: Glas, Keramik, Glaskeramik, Transparent-Keramik, CVD-Zinksulfid, Multispectral grade Zinksulfid, Chalkogenid Glas, Sub-μm-Sinterkorund, Nanokeramik, AMTIR, CaF2, BaF2, MgF2, Kbr, ZnSe, ZnS, Ge, SiO2, CsJ, CsCl, CsBr, KJ, KCl, KBr, AgCl, AgBr, As2S3, MgF2, MnF2, CdF2, CaF2, PbF2, CdS, CdTe, SrF2, TiO2, MgO, NaF, NaBr, NaCl, NaJ, TlCl, TlBr, GaAs, Se, Si, LiF, LaF3, BaF2, KRS-5, KRS-6, ZnTe, Y2O3 oder eine Kombination aus den eben genannten Materialien. Die Materialauswahl sollte auf das eingesetzte Arbeitsgas abgestimmt werden, insbesondere sollte der Transmissionsbereich des Materials möglichst gut mit dem Absorbtionsspektrum des Arbeitsgases übereinstimmen. - Auch wenn hier, im Gegensatz zu Diesel- oder Ottomotoren, nur sehr niedrige Spitzendrücke auftreten, kann es erforderlich sein, die oft relativ weichen für Wärmestrahlung durchlässigen Materialien durch eingebettete Fasern, Drähte oder Nanotubes zu verstärken.
- Um die chemische Beständigkeit und die Abriebfestigkeit der Oberflächen zu verbessern, können die Wände
3 im CVD-Verfahren beschichtet werden. So kann man auf sehr günstige der oben aufgeführten Materialien für die Wände3 zurückgreifen und diese mit teureren Infrarotmaterialien aus der obigen Liste dünn beschichten. - Als Arbeitsgas
2 kommen grundsätzlich viele Fluide in Betracht, sinnvoll sind Kohlenstoffdioxid, Stickoxide, gereinigte Luft, Abgas, Wasserdampf oder eine Mischung dieser Fluide. Die Auswahl des Fluids ist im Wesentlichen abhängig von der Wahl des Werkstoffs für die transparenten Wände3 . Manche Infrarotmaterialien sind wasserlöslich, damit wäre Wasserdampf eher ungeeignet, manche oxidieren unter Sauerstoffeinwirkung. Sollte die Wärmekraftmaschine über eine Verflüssigungseinrichtung für CO2 verfügen, was in Zukunft sicher häufig der Fall sein dürfte, so bietet sich CO2 als Arbeitsgas an. Da jedes der Fluide aber nur Absorbtionsbänder aufweist, sollten mehrere Fluide gemischt werden, um eine möglichst hohe Bandbreite der eingestrahlten elektromagnetischen Energie aufzunehmen. - Die transparenten Wände
3 sind nach außen von einem Vakuum, einem Edelgas oder einem Elementargas5 umgeben. In dem Raum mit dem Vakuum oder Edel- oder Elementargas ist der Hochtemperaturteil eines Wärmetauschers6 angeordnet. Durch den Hochtemperaturteil des Wärmetauschers strömt ein heißes Brenngas. Ein Teil der im Brenngas befindlichen Energie wird zunächst an den Wärmetauscher übertragen, dann als elektromagnetische Strahlung ins im Arbeitsraum befindliche Arbeitsgas2 eingestrahlt und vom Arbeitsgas absorbiert, sofern die steuerbare Schicht4 auf Durchgang geschaltet ist. Die Strahlung passiert dabei ungehindert das Vakuum oder Edel- oder Elementgas, da Edelgase oder zweiatomige Elementgase keine Strahlung absorbieren können. - Der Niedertemperaturteil des Wärmetauschers
7 arbeitet als Gegenstromwärmetauscher und wird dem Hochtemperaturteil des Wärmetauschers6 vorgeschaltet. Das Gas strömt vom Hochtemperaturteil des Wärmetauschers6 in den Niedertemperaturteil des Wärmetauschers7 und übergibt den größten Teil der noch vorhandenen Wärmeenergie im Gegenstrom an das auf den Hochtemperaturteil des Wärmetauschers zuströmende Frischgas8 . Somit wird die Energie, welche nicht ans Arbeitsgas2 übertragen werden konnte, nun im Wesentlichen dem Frischgas8 zugeführt. - Ebenso wird mit dem Arbeitsgas
2 verfahren, welches auch nach der Entspannung im Arbeitsraum noch viel Energie enthält und diese im Niedertemperaturteil des Wärmetauschers7 an das im Niedertemperaturteil in Richtung Hochtemperaturteil strömende Frischgas8 abgibt, in dem es im Gegenstrom an ihm vorbei geführt wird. Ein Gebläse drückt das Frischgas8 durch den Wärmetauscher. - Der Hochtemperaturteil des Wärmetauschers
6 besteht aus keramischen Werkstoffen oder einem Kohlenstoffwerkstoff, da dort extrem hohe Temperaturen herrschen. Die Energieübertragung ist von der Temperatur des Brenngases abhängig. Die Temperatur geht in der vierten Potenz in die Gleichung der per Strahlung übertragbaren Leistung ein, für brauchbare Leistungsdichten sind hohe Temperaturen erforderlich. Es sind Temperaturen von etwa 2.000°C anzustreben, je höher desto besser. Aufgrund der sehr schnellen Energieübertragung per Strahlung können, im Gegensatz zum Stirlingmotor, hohe Drehzahlen gefahren werden. - Zur optimalen Wärmeabstrahlung wird der Hochtemperaturteil des Wärmetauschers
6 arbeitsgasseitig mit Kohlenstoffnanoröhren beschichtet. Es sind aber auch andere Oberflächen möglich, die möglichst schwarz und temperaturbeständig sein sollten. - Der Hochtemperaturteil des Wärmetauschers
6 wird brenngasseitig mit Kühlrippen versehen, welche die Oberfläche im Inneren des Wärmetauschers vergrößern und so für einen besseren Wärmeaustausch zwischen Brenngas und Wärmetauscherwand sorgen. Alternativ zu den Kühlrippen kann in den Wärmetauschers6 auch die Wabenstruktur eines Katalysators eingebracht werden. - Der Hochtemperaturteil des Wärmetauschers
6 kann alternativ im Wesentlichen aus wärmestrahlungsdurchlässigen Materialien bestehen, wie sie oben bereits für die das Arbeitsgas2 einschließenden Wände3 aufgeführt wurden. Die Energieübertragung vom heißen Brenngas auf das Arbeitsgas2 erfolgt dann direkt per Strahlung ins Arbeitsgas2 und nicht mehr über den Umweg der Wärmeleitung vom Brenngas auf die Wände des Wärmetauschers6 und dann per Strahlung ins Arbeitsgas2 . - Wird der Wärmekraftmaschine Kraftstoff zugeführt, so geschieht das sinnvoller Weise im oder nahe dem Hochtemperaturteil des Wärmetauschers
6 . Der Kraftstoff wird hier an ein oder mehreren Stellen, zum Beispiel über eine Düse, in das im Wärmetauscher strömende heiße Gas eingebracht und entzündet sich dort. Für die erstmalige Zündung beim Anlassen der Maschine wird in der Nähe der Kraftstoffzufuhr eine Zündelektrode und eine Flammüberwachung angeordnet. Die Konstruktion der Brennreinheit kann sich an Konstruktionen von öl- und gasbefeuerten Brennern von Gebäudeheizungen anlehnen. - Um hohe Temperaturen des Brenngases zu erreichen, kann das Frischgas
8 , nachdem es im Niedertemperaturteil des Wärmetauschers7 vorgewärmt wurde, verdichtet werden. In das Frischgas8 wird Kraftstoff eingesprüht9 . In die Flamme kann zusätzlich Sauerstoff10 eingeblasen werden und somit die Brenngastemperatur im Wärmetauscher erhöht werden. - Der Hochtemperaturteil des Wärmetauschers
6 ist in Form einer Schraubenfeder um die das Arbeitsgas2 einschließende Wand3 geschlungen, er berührt diese jedoch nicht, um Wärmeleitung zu unterbinden. Der Hochtemperaturteil des Wärmetauschers kann aber auch als Flächenstrahler ausgebildet sein, oder als katalytischer Strahler. In jedem Fall ist eine möglichst große und möglichst heiße Oberfläche anzustreben. - Der Hochtemperaturteil des Wärmetauschers
6 und der Niedertemperaturteil des Wärmetauschers7 können auch zu einem Bauteil verschmelzen, also keine räumliche Trennung aufweisen, sondern direkt ineinander übergehen. Oder es wird ein Katalysator oder Partikelfilter zwischen Hochtemperaturteil-Ausgang und Niedertemperaturteil angeordnet. - Der Hochtemperaturteil des Wärmetauschers
6 muss wärmegedämmt befestigt werden. Hierzu werden poröse hoch wärmebeständige Materialien, vorzugsweise Keramikschäume, eingesetzt. Wenn sich diese im Vakuum5 befinden, erreichen sie sehr gute Wärmedämmwerte. Mit diesem System lässt sich auch der Niedertemperaturteil des Wärmetauschers7 nach außen isolieren. - Die meisten der oben aufgeführten wärmestrahlungsdurchlässigen Materialien absorbieren nur sehr wenig Energie, aber sie reflektieren an ihrer Oberfläche in der Regel mehrere Prozent der einfallenden Strahlung. Sie werden daher entspiegelt.
- Die steuerbare Schicht
4 wird aus Mikrospiegeln hergestellt, die schwenkbar sind und somit die Strahlung im Wesentlichen reflektieren oder sie im Wesentlichen passieren lassen. Diese Spiegel werden zum Beispiel in Beamern oder demnächst in Gebäudefenstern eingesetzt. Sie sind extrem klein, schwenken in wenigen Millisekunden um fast 90 Grad auf, schließen ebenso schnell wieder und ertragen Temperaturen von über 400°C. Sie sind hauchdünn und strahlen daher im geschlossenen Zustand nur wenig Wärme ab. Sie lassen sich nur schwer auf gebogenen Flächen aufbringen, daher kann die Schicht4 auch aus mehreren aneinander gesetzten planen Segmenten bestehen. Die Steuerung der Spiegel kann sektionsweise erfolgen, das heißt, je nach Stellung des Kolbens und je nach Verlauf des Zyklus in vielen Sektionen unabhängig von einander, je nachdem welche Sektion der Wand3 gerade auf Durchlass geschaltet werden soll. - Wenn die Mikrospiegel auf der dem Arbeitsraum abgewandten Seite der das Arbeitsgas
2 einschließenden Wände3 angeordnet sind heizen sie sich nicht auf, sondern geben die absorbierte Energie über Wärmeleitung an die Wände ab. - Sollten Sie zwischen dem Hochtemperaturteil des Wärmetauschers
6 und den die das Arbeitsgas2 einschließenden Wänden3 angeordnet sein, so ist eine Wärmeableitungsmöglichkeit vorzusehen, um ein Überhitzen der Mikrospiegel auszuschließen. - Das beim Abkühlen des Arbeitsgases
2 anfallende Kondensat wird dem Arbeitsgas wieder zugeführt, indem es in den Arbeitsraum eingespritzt, eingedüst oder eingenebelt wird.
Claims (22)
- Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung oder mit von außen zugeführter Wärmeenergie und wenigstens einem Kolben (
1 ), dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsgas (2 ) einschließende Wände (3 ) wenigstens teilweise für Wärmestrahlung durchlässig sind und mit einer steuerbaren Schicht (4 ) umgeben sind, die es ermöglicht, dass die von außen in das in einem Arbeitsraum befindliche Arbeitsgas (2 ) einwirkende Strahlungsenergie durchgelassen oder an dieser Schicht reflektiert wird. - Wärmekraftmaschine nach vorgenanntem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (
3 ) aus Glas, Keramik, Glaskeramik, Transparent-Keramik, CVD-Zinksulfid, Multispectral grade Zinksulfid, Chalkogenid Glas, Sub-μm-Sinterkorund, Nanokeramik, AMTIR, CaF2, BaF2, MgF2, Kbr, ZnSe, ZnS, Ge, SiO2, CsJ, CsCl, CsBr, KJ, KCl, KBr, AgCl, AgBr, As2S3, MgF2, MnF2, CdF2, CaF2, PbF2, CdS, CdTe, SrF2, TiO2, MgO, NaF, NaBr, NaCl, NaJ, TlCl, TlBr, GaAs, Se, Si, LiF, LaF3, BaF2, KRS-5, KRS-6, ZnTe oder aus Y2O3 bestehen oder aus einer Kombination aus den eben genannten Materialien oder dass sie aus einem anderen für Wärmestrahlung im Wesentlichen durchlässigen Material bestehen. - Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Wärmestrahlung durchlässige Material durch eingebettete Fasern, Drähte oder Nanotubes verstärkt ist.
- Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Wärmestrahlung durchlässigen Wände (
3 ) mittels CVD-Verfahren beschichtet werden. - Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Arbeitsgas (
2 ) um Kohlenstoffdioxid, um Stickoxide, um gereinigte Luft, um Abgas, um Wasserdampf oder eine Mischung dieser Fluide handelt. - Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die transparenten Wände (
3 ) nach außen von einem Vakuum, einem Edelgas oder einem Elementargas (5 ) umgeben sind und sich in diesem Raum mit dem Vakuum oder dem Gas ein Hochtemperaturteil eines Wärmetauschers (6 ) befindet, wobei durch den Hochtemperaturteil des Wärmetauschers ein heißes Brenngas strömt und der Wärmetauscher einen Teil der im Brenngas enthaltenen Energie als Strahlung ins im Arbeitsraum befindliche Arbeitsgas (2 ) strahlt, sofern die steuerbare Schicht (4 ) auf Durchgang geschaltet ist. - Wärmekraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Niedertemperaturteil eines Wärmetauschers (
7 ), welcher dem Hochtemperaturteil (6 ) vorgeschaltet wird, als Gegenstromwärmetauscher arbeitet und das Brenngas vom Hochtemperaturteil des Wärmetauschers (6 ) in den Niedertemperaturteil des Wärmetauschers strömt und im Gegenstrom an einem auf den Hochtemperaturteil des Wärmetauschers zuströmenden Frischgas (8 ) vorbei geführt wird, wobei die Energie, welche nicht ans Arbeitsgas (2 ) übertragen werden konnte nun im Wesentlichen dem Frischgas (8 ) zugeführt wird. - Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass auch das heiße Arbeitsgas (
2 ) nach Verrichtung von Expansionsarbeit in den Niedertemperaturteil des Wärmetauschers (7 ) strömt und im Gegenstrom an dem in den Niedertemperaturteil strömenden Frischgas (8 ) vorbei geführt wird und die noch vorhandene Restenergie zum großen Teil an das Frischgas abgibt. - Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturteil des Wärmetauschers (
6 ) aus keramischen Werkstoffen oder einem Kohlenstoffwerkstoff besteht. - Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturteil des Wärmetauschers (
6 ) mit Kohlenstoffnanoröhren beschichtet ist. - Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturteil des Wärmetauschers (
6 ) brenngasseitig mit Rippen versehen wird, die die Oberfläche im Inneren des Wärmetauschers vergrößern. - Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturteil des Wärmetauschers (
6 ) im Wesentlichen aus wärmestrahlungsdurchlässigen Materialien besteht und somit die Energieübertragung vom heißen Brenngas auf das Arbeitsgas (2 ) direkt per Strahlung erfolgt. - Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in den Wärmetauscher an ein oder mehreren Stellen Kraftstoff eingedüst oder eingespritzt wird (
9 ). - Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in den Wärmetauscher verdichtetes Frischgas eingeleitet wird, in das Kraftstoff eingespritzt wird.
- Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff in eine Flamme eingeleitet wird (
10 ), um die Temperaturen im Brenngas zu erhöhen. - Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturteil des Wärmetauschers (
6 ) schraubenförmig um die das Arbeitsgas (2 ) einschließende Wand (3 ) geschlungen ist, jedoch ohne diese zu berühren. - Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturteil des Wärmetauschers (
6 ) und der Niedertemperaturteil des Wärmetauschers (7 ) zu einem Bauteil verschmelzen. - Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht aus porösem Material als Befestigung und Auflagefläche für den Wärmetauscher dient.
- Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der das Arbeitsgas (
2 ) einschließenden Wände (3 ) wenigstens teilweise entspiegelt werden. - Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Schicht (
4 ) aus Mikrospiegeln besteht, die schwenkbar sind und somit die Strahlung im Wesentlichen reflektieren oder sie im Wesentlichen passieren lassen. - Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche 6 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Schicht (
4 ) aus Mikrospiegeln auf der dem Arbeitsraum abgewandten Seite der das Arbeitsgas (2 ) einschließenden Wände (3 ) angeordnet ist oder zwischen dem Hochtemperaturteil des Wärmetauschers (6 ) und den die das Arbeitsgas (2 ) einschließenden Wanden (3 ) angeordnet ist. - Wärmekraftmaschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abkühlen des Arbeitsgases (
2 ) anfallendes Kondensat wieder dem Arbeitsgas zugeführt wird, indem es in den Arbeitsraum eingespritzt, eingedüst oder eingenebelt wird.
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