DE102011102216A1 - Ice storage for use as seasonal storage for heat pump in e.g. room of apartment during winter season, has container formed as film bag, where vaporizer of pump is provided with surface preventing formation of ice crystals and ice adhesion - Google Patents

Ice storage for use as seasonal storage for heat pump in e.g. room of apartment during winter season, has container formed as film bag, where vaporizer of pump is provided with surface preventing formation of ice crystals and ice adhesion Download PDF

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Abstract

The storage has a water storage container formed as a film bag that is attached at an upper end of a lifting body i.e. air-filled torus, or mold part made of closed cell plastic foam. A vaporizer (1) of a heat pump (WP) is provided with a suitable, micro and/or nano-structured surface (2) that prevents formation of ice crystals (4) and adhesion of ice by repellence of water. The surface is glued on the vaporizer in form of a film or set with surrounding storage water with static pressure.

Description

Die Erfindung, betrifft einen wassergefüllten Speicherbehälter, dessen Inhalt mit einer Wärmepumpe Energie entzogen wird, bis er ganz, oder teilweise zu Eis gefroren ist.The invention relates to a water-filled storage tank whose contents are deprived of energy by a heat pump until it is completely or partially frozen in ice.

Mit der entnommenen Wärme können in der kalten Jahreszeit Wohn- oder Gewerberäume beheizt werden; umgekehrt ist es möglich, diese im Sommer zu kühlen, wobei dem Eisdepot über einen Kaltwassersatz eine entsprechende Wärmemenge zugeführt wird, um es wieder zu flüssigem Wasser zu schmelzen, worauf dessen Wärmepotential erneut im Winter zu Heizzwecken zur Verfügung steht.With the extracted heat residential or commercial spaces can be heated in the cold season; Conversely, it is possible to cool them in the summer, wherein the ice storage on a chiller, a corresponding amount of heat is supplied to melt it back to liquid water, whereupon its heat potential is available again in the winter for heating purposes.

Damit ist es möglich, die elektrische Energie, die zum Betrieb der Wärmepumpe eingesetzt wurde, sozusagen ein zweites Mal zu Kühlzwecken zu nutzen, oder, anders herum betrachtet, die Abwärme einer Gefriertruhe für Lebensmittel oder einer Raumklimatisierung zur Warmwasserbereitung für ein Hotel oder eine Restaurantküche. Des weiteren kann mit dem Eiswasser eine Kühltheke für Lebensmittel direkt betrieben werden, und bedarf somit nicht eines eigenen Kühlaggregats.Thus, it is possible to use the electrical energy that was used to operate the heat pump, so to speak a second time for cooling purposes, or vice versa, the waste heat of a freezer for food or air conditioning for hot water for a hotel or a restaurant kitchen. Furthermore, a refrigerated counter for food can be operated directly with the ice water, and thus does not require its own refrigeration unit.

Wenn die sommerliche Kühllast nicht ausreicht, den gesamten Eisvorrat zu schmelzen, kann mit einem Solarkollektor zusätzliche Wärme in den Eisspeicher eingetragen werden, der Wirkungsgrad dieses Kollektors wird durch die niedrigen Rücklauftemperaturen erhöht. Bei einer entsprechenden Dimensionierung des Eisspeichers wird dieser somit zu einem Saisonspeicher für thermische Solaranlagen.If the summer cooling load is not sufficient to melt the entire ice stock, additional heat can be added to the ice storage tank with a solar collector, the efficiency of this collector is increased by the low return temperatures. With a corresponding dimensioning of the ice storage this is thus a seasonal storage for solar thermal systems.

Die Investition für den Eisspeicher macht sich sehr schnell bezahlt, da ja andere Kosten, z. B. Für das Schlagen eines Grundwasserbrunnens, oder für die Verlegung von Rohrschlangen im Erdreich, zur Erschliessung einer Wärmequelle entfallen. Im Gegensatz zur saisonalen Speicherung von Solarwärme in einem Heisswasserspeicher muss ein Eisspeicher nicht isoliert werden, es ist sogar günstig, wenn er als Erdspeicher angelegt wird und dem umgebenden Erdreich im Winter zusätzliche Wärme entzieht, und mit dieser unterkühlten Umgebung im Sommer den Eisvorrat kalt hält.The investment for the ice storage is paid very quickly, since other costs, such. B. For hitting a groundwater well, or for the laying of pipe coils in the ground, account for the development of a heat source. In contrast to the seasonal storage of solar heat in a hot water storage, an ice storage does not need to be insulated, it is even beneficial if it is designed as a ground storage and the surrounding soil in the winter extracts additional heat, and keeps the ice stock cold with this supercooled environment in the summer.

Es ist bekannt, ihn aus vorgefertigten Betonringen in Form einer Zisterne mit geringem wirtschaftlichen Aufwand zu erstellt Noch wirschaftlicher ist seine Erstellung mit einem Foliensack, welcher im Erdreich eingegraben wird.It is known to create him from prefabricated concrete rings in the form of a cistern with little economic effort to even more economical is its creation with a foil bag, which is buried in the ground.

Diese Bauform wird in der hier vorliegenden Patentanmeldung näher beschrieben.This design is described in more detail in the present patent application.

Die Wärmeentnahme mit Hilfe einer Wärmepumpe, unterhalb der Phasenumwandlungs-temperatur hat den Vorteil, daß zusätzlich zur sensiblen Wärme des Wasservorrats auch dessen Latentwärme entnommen werden kann, sie entspricht in etwa der sensiblen Wärme für einen Temperaturhub von 80°K. Die Speicherkapazität verdoppelt sich also gegenüber einem sensiblen Warmwasserspeicher, die Nutzung zu Kühlzwecken wird überhaupt nur so möglich.The heat removal by means of a heat pump, below the phase transition temperature has the advantage that in addition to the sensitive heat of the water supply and its latent heat can be removed, it corresponds approximately to the sensible heat for a temperature of 80 ° K. The storage capacity is thus doubled compared to a sensitive hot water storage tank, the use for cooling purposes is only possible in this way.

Allerdings erfordert die Eisbildung eine besondere Konstruktion des Wärmetauschers, bzw. des Verdampfers der Wärmepumpe, da andernfalls die an seiner Oberfläche sich bildende Eisschicht den Wärmestrom behindert.However, the formation of ice requires a special construction of the heat exchanger or the evaporator of the heat pump, since otherwise the ice layer forming on its surface hinders the heat flow.

Eine Lösung dieses Problems wird in der DE-OS 27 15 075 beschrieben. Wenn die Grösse der Wärmetauscherfläche so gewählt wird, dass sie selbst bei vollkommen gefrorenem Wasservorrat einen ausreichend grossen Wärmestrom ermöglicht, kann auf eine zyklische Ablösung der Eisschicht von der Wärmetauscheroberfläche verzichtet werden. Allerdings ist es kaum möglich, einen derart grossen Wärmetauscher wirtschaftlich sinnvoll darzustellen, vor allem auch in Hinblick auf mechanische Probleme, die sich durch die Volumenänderung des Eises ergeben.A solution to this problem will be in the DE-OS 27 15 075 described. If the size of the heat exchanger surface is chosen so that it allows a sufficiently large heat flow even with completely frozen water supply, can be dispensed with a cyclical detachment of the ice layer of the heat exchanger surface. However, it is hardly possible to represent such a large heat exchanger economically useful, especially with regard to mechanical problems that result from the change in volume of the ice.

Auch die DE-OS 30 11840 , sowie die EP 1807672 B1 lösen diese Probleme nicht befriedigend.Also the DE-OS 30 11840 , as well as the EP 1807672 B1 do not solve these problems satisfactorily.

Der in der US-PS 5 207 075 vorgeschlagene Lösungsweg, das Wasser in einem unter den Gefrierpunkt abgekühlten, mit Wasser nicht mischbaren Fluid zu Eiskügelchen zu gefrieren, umgeht zwar die oben genannten Probleme, dafür ist aber der Aufwand für dieses Fluid, also für ein geeignetes, auch bei tiefen Temperaturen fliessfähiges Öl, unverhältnismässig hoch. Zudem ergeben sich damit auch für den Erdspeicher Probleme, was seine Umweltsicherheit anbetrifft.The Indian U.S. Patent 5,207,075 proposed solution to freeze the water in a cooled below freezing point, water-immiscible fluid to ice spheres, circumvents the above problems, but this is the cost of this fluid, so for a suitable, even at low temperatures flowable oil, disproportionately high. In addition, there are also problems for the Erdspeicher, which concerns its environmental safety.

Die DE 44 05 991 beschreibt einen Absorber, der ausserhalb des Wasservorrats angeordnet ist und mit diesem besprüht, bzw. übergossen wird.The DE 44 05 991 describes an absorber, which is located outside the water supply and sprayed with this, or is poured over.

Die so entstehende Eisschicht wird bei Erreichen einer bestimmten Dicke vom Absorber abgelöst, indem dieser kurzzeitig auf den Verflüssiger der Wärmepumpe umgeschaltet und somit erwärmt wird.The resulting ice layer is replaced when it reaches a certain thickness of the absorber by this is briefly switched to the condenser of the heat pump and thus heated.

Diese zyklische Erwärmung des Wärmetauschers führt aber zu Energieverlusten, und damit zu einem schlechten Wirkungsgrad des Gesamtsystems.However, this cyclic heating of the heat exchanger leads to energy losses, and thus to a poor efficiency of the overall system.

Es wird deshalb hier vorgeschlagen, die Oberfläche des Verdampfers der Wärmepumpe mit einer Beschichtung zu versehen, welche die Bildung, und damit auch das Anhaften von Eis unterbindet.It is therefore proposed here, the surface of the evaporator of the heat pump with a coating which prevents the formation, and thus the adhesion of ice.

Dem Speichermedium Wasser wird dann nicht direkt an der Oberfläche des Verdampfers der Wärmepumpe seine Kristallisationsenthalpie entzogen, sondern indirekt, und erst nachdem das unter den Gefrierpunkt abgekühlte Wasser diese Oberfläche verlassen hat, und daraufhin im umgebenden Speicherwasser zu Eiskristallen gefriert.The storage medium water is then not deprived of its crystallization enthalpy directly at the surface of the evaporator of the heat pump, but indirectly, and only after the cooled below freezing point water has left this surface, and then freezes in the surrounding storage water to ice crystals.

Erreicht wird dieses Ziel durch eine geeignete, mikro- bzw. nanostrukturierte Oberfläche des Verdampfers, von welcher das Wasser abgestossen wird, so dass sich auf ihr auch bei Minusgraden kein Eis bildet. Diese Oberfläche kann sowohl direkt auf dem Material des Verdampfers erzeugt werden, als sie auch in Form einer Folie mit entsprechend behandelter Oberfläche auf ihm angebracht werden kannThis goal is achieved by a suitable, micro- or nanostructured surface of the evaporator, from which the water is rejected, so that no ice forms on it even at freezing temperatures. This surface can be produced both directly on the material of the evaporator, as it can be mounted in the form of a film with a correspondingly treated surface on it

Der Vorgang der indirekten Eisbildung wird untenstehend anhand der Zeichnungen näher erläutertThe process of indirect ice formation is explained below with reference to the drawings

Da zum Zeitpunkt dieser Anmeldung nur mikro- bzw. nanostrukturierte Oberflächen bekannt sind, welche die Eisbildung zu 90% verhindern, wird in d. Unteransprüchen 2. u. 3. vorgeschlagen, diese Oberfläche auf einer Folie aus geeignetem Material anzubringen, welche zyklisch 1 periodisch mithilfe eines Trennfluids von der Oberfläche des Verdampfers abgehoben werden kann. Dadurch wird die Ablösung von Eiskristallen, welche der Oberfläche evtl trotzdem anhaften, erreicht.Since at the time of this application only micro- or nanostructured surfaces are known, which prevent the formation of ice to 90%, in d. Subclaims 2. u. 3. proposed to apply this surface on a sheet of suitable material, which cyclically 1 can be lifted by means of a separating fluid from the surface of the evaporator periodically. As a result, the detachment of ice crystals, which may still adhere to the surface, achieved.

Indem die Folie verformt, und/oder durch das Trennfluid über den Gefrierpunkt v. Wasser erwärmt wird, lösen sich evtl. auf ihr befindliche Eiskristalle von ihr ab.By deforming the film, and / or by the separating fluid above the freezing point v. Water is heated, possibly dissolve on her ice crystals from it.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Blatt 1, Fig. 1

1
Verdampfer/Wärmetauscher einer Wärmepumpe
2
mikro-nanostrukturierte Oberfläche.
3
Unterkühltes Wasser, symbolisch durch Tropfen dargestellt
4
Eiskristalle in Wasserströmung
5
Luftdüse/Perlator
6
Luftblasen
7
Dämmschicht
8
Vorlauf v. Wärmepumpe zum Verdampfer
9
Rücklauf vom Verdampfer zur Wärmepumpe
WP
Wärmepumpe
Blatt 1, Fig. 2
10
Behälter Eisspeicher
11
Verdampfer
12
Wasser-Eisgemisch mit einer Temperatur v. 0°C
13
Wasser mit einer Temperatur > 0°C–4°C
14
Eiskristalle
15
Luftdüsen
16
Steigrohr
17
Luftblasen
18
Strömungspfeile
19
Vorlauf Eiswasser
20
Rücklauf Eiswasser
21
Gegenstrom-Wärmetauscher
22
Pumpe
KS
Kaltwassersatz
Blatt 2 Fig. 3
23
Baugrube im Erdreich
24
Foliensack leer, mit Torus leer
Blatt 2 Fig. 4
25
Hinterfüllmaterial
26
Zulauf Speicherwasser
27
Bewegungspfeil Auftriebskörper
28
Auftriebskörper
Blatt 2 Fig. 5
29
Foliensack gefüllt
30
Deckel Eisspeicher.
Sheet 1, Fig. 1
1
Evaporator / heat exchanger of a heat pump
2
micro-nanostructured surface.
3
Undercooled water, symbolically represented by drops
4
Ice crystals in water flow
5
Air nozzle / aerator
6
bubbles
7
damp course
8th
Advance v. Heat pump to the evaporator
9
Return from the evaporator to the heat pump
WP
heat pump
Sheet 1, Fig. 2
10
Container ice storage
11
Evaporator
12
Water-ice mixture with a temperature of v. 0 ° C
13
Water with a temperature> 0 ° C-4 ° C
14
Ice crystals
15
air nozzles
16
riser
17
bubbles
18
flow arrows
19
Fore ice water
20
Return ice water
21
Counterflow heat exchanger
22
pump
KS
Chiller
Sheet 2 Fig. 3
23
Excavation pit in the ground
24
Foil bag empty, with torus empty
Sheet 2 Fig. 4
25
backfill
26
Inlet storage water
27
Moving arrow buoyant body
28
buoyancy
Sheet 2 Fig. 5
29
Filled foil bag
30
Cover ice storage.

Erläuterung der ZeichnungenExplanation of the drawings

Blatt 1 1 zeigt den Verdampfer/Wärmetauscher 1 einer Wärmepumpe WP, welcher eine mikro-nanostrukturierte Oberfläche 2 aufweist.page 1 1 shows the evaporator / heat exchanger 1 a heat pump WP, which has a micro-nanostructured surface 2 having.

Auf dieser bildet sich eine Schicht unterkühltes Wasser, symbolisch durch Tropfen 3 dargestellt.On this a layer of subcooled water forms, symbolically by drops 3 shown.

Dem Verdampfer, dessen Temperatur < 0°C ist, wird dabei Wärme zugeführt. Wenn sich diese Schicht durch eine Wasserströmung vom Verdampfer ablöst, werden im Speicherwasser Eiskristalle 4 gebildet, welche somit ihre Kristallisationswärme, die dem Wasser zuvor durch den Verdampfer entzogen wurde, wieder an das Wasser abgeben.The evaporator, whose temperature is <0 ° C, while heat is supplied. If this layer separates from the evaporator by a flow of water, ice crystals are formed in the storage water 4 formed, which thus return their heat of crystallization, which was previously removed from the water by the evaporator, back to the water.

Diese Wasserströmung kann durch Konvektion im Speicherwasser entstehen, es sind aber Vorrichtungen zu ihrer Erzeugung durch Luft 6 welche aus Luftdüsen, oder einem Perlator 5 ausgeblasen wird, vorgesehen. Ebenso kann diese Strömung durch eine Pumpe erzeugt werden. Weitere Oberflächen des Verdampfers, sowie der Rohrleitungen 8/9 für das Kältemittel, auf welchen sich kein Eis bilden soll, werden durch die Dämmschichten 7 isoliert.This water flow can occur by convection in the storage water, but there are devices for their production by air 6 which from air jets, or a pervator 5 blown out, provided. Likewise, this flow can be generated by a pump. Other surfaces of the evaporator, as well as the piping 8th / 9 for the refrigerant on which no ice is to form, are through the insulating layers 7 isolated.

Blatt 1 2 zeigt den Speicherbehälter 10 in dessen oberen Bereich sich ein Wasser-Eisgemisch 12 mit einer Temperatur v. 0°C befindet, und in dessen unteren Bereich sich Wasser 13 mit einer Temperatur > 0°C befindet. Da Wasser bei 4°C die grösste Dichte hat, entsteht eine Temperaturschichtung im Speicherbehälter. in diesem unteren Bereich schwimmen die Eiskristalle 14 vom Verdampfer 11 durch das Steigrohr 16 nach oben, und lösen sich unter Aufnahme von Wärme aus dem Speicherwasser 13 ganz oder teilweise auf. Dadurch kühlt sich das Speicherwasser ab, die Grenze zwischen dem oberen Bereich mit einer Temperatur v. 0°C und dem unteren Bereich mit einer Temperatur v. > 0°C verschiebt sich nach unten. Dieser Vorgang kommt erst dann zum Erliegen, wenn der gesamte Eisspeicher mit Eiskristallen gefüllt ist, und sich auch in seinem unteren Bereich kein flüssiges Wasser mehr befindet.page 1 2 shows the storage tank 10 in the upper area there is a water-ice mixture 12 with a temperature of v. 0 ° C is located, and in its lower part is water 13 with a temperature> 0 ° C is located. Since water has the highest density at 4 ° C, a temperature stratification occurs in the storage tank. in this lower area the ice crystals are swimming 14 from the evaporator 11 through the riser 16 to the top, and dissolve by absorbing heat from the storage water 13 in whole or in part. As a result, the storage water cools down, the boundary between the upper region with a temperature v. 0 ° C and the lower region with a temperature v. > 0 ° C shifts down. This process comes to a standstill only when the entire ice storage is filled with ice crystals, and even in its lower area no liquid water is more.

Durch die Luftdüsen 15 wird Luft in das Speicherwasser geblasen, welche das unterkühlte Wasser vom Verdampfer 11 ablöst und durch das Steigrohr 16 nach oben steigt. Des weiteren ist eine Pumpe 22 vorgesehen, welche diesen Vorgang unterstützt.Through the air nozzles 15 Air is blown into the storage water, which is the supercooled water from the evaporator 11 detached and through the riser 16 goes up. Furthermore, there is a pump 22 provided, which supports this process.

Die Luftblasen 17 verhindern auch, dass im Speicher das Eis zu einer kompakten Masse gefriert, wodurch die Entnahme von Eiswasser, und damit der Betrieb eines Kaltwassersatzes KS mit ausreichend grosser Leistung behindert würde. Das Eiswasser wird dem Speicher unten durch den Vorlauf 19 entnommen, im Wärmetauscher 21 wird Wärme aus dem Kaltwassersatz eingekoppelt und durch den Rücklauf 20 oben dem Eisvorrat wieder zugeführt.The bubbles 17 also prevent the ice in the store from freezing to a compact mass, which would hinder the removal of ice water and thus the operation of a chiller KS with sufficiently high power. The ice water is sent to the store down through the forerunner 19 removed, in the heat exchanger 21 Heat is injected from the chiller and through the return 20 fed back up the ice stock.

Blatt 2 3 zeigt eine im Erdreich ausgehobene Baugrube 23, in welcher sich der zusammengefaltete Foliensack mit dem luftleeren Torus 24 befindet. Als Material für den Foliensack und den Torus hat sich Teichfolie aus PVC bewahrt. An die Stelle des aufblasbaren Torus' kann auch ein anderer Auftriebskörper, z. B. aus dem Material EPS, oder einem anderen geschlossenzelligen Schaumstoff tretenpage 2 3 shows a excavated excavation in the ground 23 , in which the folded foil bag with the airless torus 24 located. As a material for the foil bag and the torus pond liner made of PVC has been preserved. In place of the inflatable torus' can also another buoyancy body, for. B. from the material EPS, or another closed-cell foam occur

Blatt 2 4 zeigt den mit Luft gefüllten Torus, an dessen Steile auch ein anderer Aufriebskörper möglich ist, durch welchen der Foliensack nach oben gezogen wird, sobald in ihn das Speicherwasser 26 eingefüllt wird. Gleichzeitig wird der Raum zwischen Baugrube und Foliensack mit Sand, oder Magerbeton 25 hinterfüllt.page 2 4 shows the filled with air torus, at the Steep also another Aufsteuskörper is possible through which the film bag is pulled up when it enters the storage water 26 is filled. At the same time the space between excavation pit and foil bag with sand, or lean concrete 25 backfilled.

Blatt 2 5 zeigt den mit Wasser gefüllten Foliensack 29, in welchen der erfindungsgemässe Verdampfer der Wärmepumpe eingesetzt ist. Ein Deckel 30 schliesst den Eisspeicher oben ab.page 2 5 shows the water-filled foil bag 29 , in which the inventive evaporator of the heat pump is used. A lid 30 completes the ice storage above.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 2715075 [0010] DE 2715075 [0010]
  • DE 3011840 [0011] DE 3011840 [0011]
  • EP 1807672 B2 [0011] EP 1807672 B2 [0011]
  • US 5207075 [0012] US 5207075 [0012]
  • DE 4405991 [0013] DE 4405991 [0013]

Claims (4)

Eisspeicher für eine Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer der Wärmepumpe mit einer geeigneten, mikro- bzw. nanostrukturierte Oberfläche versehen ist welche die Bildung von Eiskristallen, sowie das Anhaften von Eis verhindert, indem das Wasser von ihr abgestossen wird, so dass sich auf ihr auch bei Temperaturen unterhalb des Gerfrierpunkts von Wasser kein Eis, sondern stattdessen eine Schicht aus unterkühltem Wasser ausbildet.Ice storage for a heat pump, characterized in that the evaporator of the heat pump is provided with a suitable, micro- or nanostructured surface which prevents the formation of ice crystals, as well as the adhesion of ice by the water is expelled from it, so that on It does not form ice, even at temperatures below the freezing point of water, but instead forms a layer of supercooled water. Eisspeicher für eine Wärmepumpe nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass diese Oberfläche in Form einer Folie auf den Verdampfer aufgeklebt, oder durch den statischen Druck des umgebenden Speicherwassers auf ihm fixiert wird.Ice storage for a heat pump according to claim 1, characterized in that this surface is glued in the form of a film on the evaporator, or fixed by the static pressure of the surrounding storage water on it. Eisspeicher für eine Wärmepumpe nach Anspruch 1. u. 2 dadurch gekennzeichnet, dass diese Oberfläche in Form einer Folie aus einem geeigneten Material gegen den statischen Druck des umgebenden Speicherwassers vom Verdampfer abgehoben wird, indem ein gasförmiges, oder flüssiges Trennfluid mit einer Temperatur > dem Gefrierpunkt v. Wasser zwischen den Verdampfer und diese Folie eingeleitet wird.Ice storage for a heat pump according to claim 1. u. 2, characterized in that this surface is lifted in the form of a film of a suitable material against the static pressure of the surrounding storage water from the evaporator by a gaseous, or liquid separating fluid having a temperature> the freezing point v. Water is introduced between the evaporator and this foil. Eisspeicher für eine Wärmepumpe nach d. Ansprüchen 1. bis 3., dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter für das Wasser ein Foliensack ist, welcher an seinem oberen Ende an einem Auftriebskörper, vorzugsweise einem luftgefüllten Torus, oder einem Formteil aus geschlossenzelligem Kunstschaum befestigt ist.Ice storage for a heat pump after d. Claims 1 to 3, characterized in that the storage container for the water is a foil bag, which is attached at its upper end to a buoyancy body, preferably an air-filled torus, or a molded part of closed-cell plastic foam.
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