DE102018201070A1 - Frischluftkonditioniervorrichtung and method for operating such a device - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Frischluftkonditioniervorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung angegeben, die gegenüber dem Stand der Technik energiesparender sind. In der Gebäudeklimatisierung wird aus hygienischen Gründen immer eine bestimmte Menge Raumluft durch Außenluft ersetzt. Dieser Frischluftstrom, kurz Außenluft genannt, muss von Umgebungsbedingungen auf die Raumeintrittsbedingungen konditioniert werden. Dabei wird üblicherweise zuerst der thermodynamische Potentialunterschied (Temperatur und Wassergehalt) zwischen der zu ersetzenden Gebäudeluft, kurz Abluft genannt, und der Außenluft so ausgenutzt, das möglichst wenig Primärenergie für die Zustandsänderung des Umgebungsluftstroms (Außenluft) auf den Raumeintrittszustand (Zuluft) aufgewendet werden muss (Wärmerückgewinnung bzw. Enthalpierückgewinnung). Die Luftkonditioniervorrichtung integriert die verschiedenen Prozessschritte in einem Apparat und macht es möglich den zusätzlich benötigten, und in den Prozess einzubringenden, Energiebedarf ganzjährig, zuverlässig und vollständig durch Niedertemperaturabwärme zu decken. Es kann also auf den Einsatz konventioneller Kältemaschinen im Sommer, und auf die damit verbundenen Investitionen und Betriebskosten, vollständig verzichtet werden.It is a Frischluftkonditioniervorrichtung and methods for operating such a device, which are energy-saving compared to the prior art. For reasons of hygiene, in building air conditioning, a certain amount of room air is always replaced by outside air. This fresh air flow, called outside air for short, must be conditioned by ambient conditions to the room entry conditions. In this case, the thermodynamic potential difference (temperature and water content) between the building air to be replaced, called exhaust air for short, and the outside air is exploited first so that as little primary energy as possible for the change in state of the ambient air flow (outside air) to the room entry state (supply air) must be used ( Heat recovery or enthalpy recovery). The air conditioning device integrates the various process steps in one apparatus and makes it possible to cover the additionally required energy demand to be introduced into the process year-round, reliably and completely by means of low-temperature waste heat. So it can be completely dispensed with the use of conventional chillers in the summer, and the associated investment and operating costs.
Description
Die Erfindung betrifft eine Frischluftkonditioniervorrichtung nach Anspruch 1 und Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung nach Anspruch 3, 4, 6 oder 8.The invention relates to a Frischluftkonditioniervorrichtung according to
In der Gebäudeklimatisierung wird aus hygienischen Gründen immer eine bestimmte Menge Raumluft durch Außenluft ersetzt. Dieser Frischluftstrom, kurz Außenluft genannt, muss von Umgebungsbedingungen auf die Raumeintrittsbedingungen konditioniert werden. Dabei wird üblicherweise zuerst der thermodynamische Potentialunterschied (Temperatur und Wassergehalt) zwischen der zu ersetzenden Gebäudeluft, kurz Abluft genannt, und der Außenluft so ausgenutzt, das möglichst wenig Primärenergie für die Zustandsänderung des Umgebungsluftstroms (Außenluft) auf den Raumeintrittszustand (Zuluft) aufgewendet werden muss (Wärmerückgewinnung bzw. Enthalpierückgewinnung). Nach diesem Energierückgewinnungsschritt erfährt die Luft zusätzlich folgende summarische Zustandsänderungen:
- • Sommer: Kühlen, und Entfeuchten
- • Winter: Erwärmen und Befeuchten
- • Summer: cooling and dehumidifying
- • Winter: heating and humidifying
Die Zustandsänderungen der Außenluft im Sommer, Kühlen und Entfeuchten, werden durch den Einsatz von entweder elektrisch oder thermisch angetriebenen Kältemaschinen erreicht. Wobei die vor-konditionierte Außenluft an der kalten Oberfläche eines Wärmetauschers auf Temperaturen um die 10° abkühlt und die überschüssige Wassermenge in der Luft an den Wärmetaucherflächen kondensiert (Unterschreitung des Taupunkts). Anschließend muss die Luft wieder aufgeheizt werden bis sie die Raumeintrittstemperatur erreicht. Im Winter muss die Luft erwärmt und befeuchtet werden, dass bedeutet die Luft wird mit einem Wärmetauscher erhitzt und anschließend die heiße Luft in einem adiabatischen Verdunstungskühler auf Raumeintrittsbedingungen befeuchtet und abgekühlt.The changes in the state of outdoor air in summer, cooling and dehumidifying, are achieved by the use of either electrically or thermally driven chillers. The pre-conditioned outside air on the cold surface of a heat exchanger cools down to temperatures around 10 ° C and the excess amount of water in the air condenses on the heat exchanger surfaces (below the dew point). Then the air has to be heated up again until it reaches the room inlet temperature. In winter, the air must be heated and humidified, that means the air is heated with a heat exchanger and then the hot air is humidified in an adiabatic evaporative cooler to room entry conditions and cooled.
Diese Prozesse finden in einem Lüftungsgerät statt, das die entsprechenden Austauschapparate für diese Zustandsänderungen enthält:
- Kondensator (Wärmetauscher)
- : Entfeuchtung und Kühlung im Sommerbetrieb
- Nacherhitzer (Wärmetauscher)
- : Erwärmung in Sommer- und Winterbetrieb
- Adiabatischer Verdampfer
- : Befeuchtung im Winterbetrieb, Kühlung im Sommer
- Condenser (heat exchanger)
- : Dehumidification and cooling in summer operation
- Reheater (heat exchanger)
- : Warming in summer and winter operation
- Adiabatic evaporator
- : Humidification in winter operation, cooling in summer
Unter der Voraussetzung das die Außenluft nicht zu feucht ist, kann die Raumeintrittstemperatur auch durch adiabatische Verdunstungskühlung erfolgen (z.B. Fa. Condair, Fa. Munters etc.). Da die Kühlgrenze der Luft im Sommer aber zum Teil deutlich über 20°C liegt, kann mit dieser Technologie das Erreichen der geforderten Raumeintrittstemperatur nicht während der gesamten Kühlperiode garantiert werden und somit wird zusätzlich die Kältemaschine benötigt. Eine Verbesserung bringt der Einsatz von indirekten Verdunstungskühlern (z.B. Fa. Coolerado, Fa. Kampmann, Fa. Oxycom etc.)Assuming that the outside air is not too humid, the room inlet temperature can also be effected by adiabatic evaporative cooling (for example Fa. Condair, Munters, etc.). However, as the cooling limit of the air in summer is sometimes well above 20 ° C, this technology can not guarantee the achievement of the required room inlet temperature during the entire cooling period and thus the chiller is additionally required. An improvement brings the use of indirect evaporative coolers (for example, the company Coolerado, Messrs. Kampmann, Oxycom, etc.)
Diese Technologie kann deutlich niedrigere Temperaturen erreichen als die adiabatische Verdunstungstechnik, versagt aber bei höheren Außenluftfeuchten und benötigt auch dann die Kältemaschine zur Entfeuchtung.This technology can reach significantly lower temperatures than the adiabatic evaporation technique, but fails at higher outdoor humidities and then requires the chiller for dehumidification.
Abhilfe schafft der Einsatz von Sorptionstechnologie zur Entfeuchtung der Luft vor der eigentlichen Kühlung. Es gibt Sorptionsentfeuchter mit festen Sorbentien (Sorptionsräder) (Fa. Munters, Fa. Klingenburg) und flüssigen Sorbentien (Fa. L-DCS Technology, Germany; Fa. Advantix, USA, Fa. Menerga, Germany; Fa. AIL-Research, USA).Remedy is the use of sorption technology to dehumidify the air before the actual cooling. There are sorbent dehumidifiers with solid sorbents (sorbers) (Munters, Klingenburg) and liquid sorbents (L-DCS Technology, Germany; Advantix, USA, Menerga, Germany; AIL-Research, USA) ).
In jedem Fall sieht die Prozessführung dabei folgendermaßen aus:
- • Entfeuchtung mit einem Sorptionsapparat
- • Befeuchtung mit einem direkten oder indirekten Verdunstungskühler
- • Dehumidification with a sorption apparatus
- • Humidification with a direct or indirect evaporative cooler
Das Ziel ist heutzutage die Antriebsenergie für die Gebäudeklimatisierung aus Niedertemperaturwärme (Fernwärme, Geothermie) bzw. vorhandener Abwärme (Blockheizkraftwerke (BHKW), Pressluftkompressoren, Solarthermie, etc.) vollständig und wirtschaftlich zu decken. Dabei steht die Antriebsenergie meistens nicht zeitgleich mit dem Klimatisierungsbedarf zur Verfügung. Eine in Frage kommende Technologie muss daher nicht nur vollständig mit Niedertemperaturwärme (ca. 65-75°C) angetrieben werden können, sondern muss die Antriebsenergie auch, möglichst ohne Verluste, effektiv speichern können.The goal today is to fully and economically cover the drive energy for building air conditioning from low-temperature heat (district heating, geothermal energy) or existing waste heat (block heat and power plants, compressed air compressors, solar thermal energy, etc.). The drive energy is usually not available at the same time as the air conditioning requirement. A suitable technology must therefore not only be able to be driven completely with low-temperature heat (about 65-75 ° C), but must also be able to effectively store the drive energy, if possible without losses.
Dabei haben die in Frage kommenden Technologien folgende Nachteile, die einen Einsatz unter diesen Bedingungen fraglich machen:
- Feste Sorptionstechnologie (Sorptionsräder)
- • hoher Druckverlust beim Durchströmen mit Luft -> erhöhter Hilfsenergiebedarf
- • hohe Regenerationstemperaturen → Antriebstemperaturen > 75°C
- • Ungünstige Dimensionen → teurer Einbau
- • Keine Energiespeicherung möglich
- • adiabatischer Prozess benötigt Zwischenkühlung nach der Sorption → zusätzlicher Apparateaufwand
- Flüssige Sorptionstechnologie (offene Sorption)
- • Nur in Verbindung mit gekühlter Prozessführung genügend leistungsfähig, Prozesskühlung benötigt zusätzliches Rückkühlwerk → zusätzliche Kosten
- • Sorbensaustrag („carry over“) durch Abscheider verhindert-> erhöhter Hilfsenergiebedarf
- Außer L-DCS Technology:
- • Keine Energiespeicherung Adiabatische Verdunstungskühlung
- • direkte Befeuchtung der Luft -> geringes Kühlpotential
- • keine Indirekte Verdunstungskühlung
- • hoher Druckverlust beim Durchströmen mit Luft -> erhöhter Hilfsenergiebedarf Zusätzlich zu diesen Nachteilen müssen diese Technologien als eigene Apparate einzeln in das Lüftungsgerät integriert werden, was den Einbauaufwand erhöht und damit die Wettbewerbsfähigkeit reduziert.
- Fixed sorption technology (sorption wheels)
- • high pressure loss when flowing through air -> increased auxiliary energy requirement
- • high regeneration temperatures → drive temperatures> 75 ° C
- • Unfavorable dimensions → expensive installation
- • No energy storage possible
- • Adiabatic process requires intermediate cooling after sorption → additional equipment
- Liquid sorption technology (open sorption)
- • Only powerful enough in conjunction with cooled process control, process cooling requires additional recooling system → additional costs
- • Sorbent discharge ("carry over") prevented by separators-> increased auxiliary energy requirement
- Except L-DCS Technology:
- • No energy storage Adiabatic evaporative cooling
- • Direct humidification of the air -> low cooling potential
- • no indirect evaporative cooling
- • high pressure loss when flowing through air -> increased auxiliary energy demand In addition to these disadvantages, these technologies must be integrated as separate devices in the ventilation unit, which increases the installation costs and thus reduces competitiveness.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Luftkonditioniervorrichtung zu schaffen sowie Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik energiesparender sind.It is therefore an object of the present invention to provide an air conditioning device and to provide methods for operating the device, which are energy-saving compared to the prior art.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1, 3, 4, 5 bzw. 7. The solution of this object is achieved by the features of
Die Luftkonditioniervorrichtung nach Anspruch 1 oder 5 vermeidet diese Nachteile, integriert die Prozessschritte in einem Apparat und macht es möglich den zusätzlich benötigten, und in den Prozess einzubringenden, Energiebedarf ganzjährig, zuverlässig und vollständig durch Niedertemperaturabwärme zu decken. Es kann also auf den Einsatz konventioneller Kältemaschinen im Sommer, und auf die damit verbundenen Investitionen und Betriebskosten, vollständig verzichtet werden.The Luftkonditioniervorrichtung according to
Dabei bietet die neue Luftkonditionierungsvorrichtung aufgrund Integration von:
- - der offenen Sorptionstechnologie,
- - der indirekten Verdunstungskühlung
- - der überwiegenden Gegenstromführung zwischen den gasförmigen Medien
- - der Energierückgewinnung
- - minimaler Hilfsenergiebedarf durch minimalen Druckverlust im kompakten Gerät folgende zusätzlicher Funktionen:
- - Energiespeicherung und
- - Energietransport ohne Verluste an Luftkonditionierungspotential.
- - open sorption technology,
- - indirect evaporative cooling
- - The predominant countercurrent flow between the gaseous media
- - the energy recovery
- - minimal auxiliary power requirement due to minimal pressure loss in a compact device the following additional functions:
- - Energy storage and
- - Energy transport without loss of air conditioning potential.
Das Sorbens bzw. die Trocknungsmittellösung kann in einem geeigneten Regenerationsapparat der Fa. L-DCS Technology GmbH mit Niedertemperaturwärme (z.B. Geothermie, Abwärme aus: BHKW; CO2-Wärmepumpen; Pressluftkompressoren etc) wieder regeneriert werden, wobei das, bei der Absorption aufgenommene Wasser wieder verdunstet wird und das Sorbens verlustlos wiederverwendet werden kann. Durch den Einsatz von Kleinstflüssigkeitsmengenverteilern gemäß der
Eine solche Vorrichtung wird vornehmlich bei der Klimatisierung von Gebäuden eingesetzt. Insgesamt ergeben sich folgende Vorteile:
- - Investitionskosten werden reduziert,
- - Betriebskosten werden reduziert,
- - Primärenergieeinsatz wird verringert,
- - Einsatz von potenziell Treibhauseffekt kritischen Substanzen wird vermieden.
- - Investment costs are reduced,
- - operating costs are reduced,
- - Primary energy input is reduced,
- - Use of potentially greenhouse effect critical substances is avoided.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.The dependent claims have advantageous embodiments of the invention the subject.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung.Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description with reference to the drawing.
Es zeigt
-
1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit zwei Sektionen; -
2 eine 1 entsprechend Darstellung mit transparenter Außenwand; -
3 eine 1 entsprechend Darstellung mit Schnittebene A - A; -
4a und4b Schnittdarstellungen entlang Ebene A -A in3 und entlang Ebene B - B in4a ; -
5 ein Funktionsschaltbild der ersten Ausführungsform im Sommerbetrieb; -
6a und6b eine nur für den Sommerbetrieb geeignete Variante der ersten Ausführungsform; -
7 ein Funktionsschaltbild der ersten Ausführungsform in einem alternativen Sommerbetrieb; -
8 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit drei Sektionen; -
9a und9b Schnittdarstellungen der zweiten Ausführungsform entsprechend4a und4b im Sommerbetrieb; -
10 einen alternativen Sommerbetrieb der zweiten Ausführungsform; -
11 eine weitere Variante eines Sommerbetriebs; -
12 eine Darstellung eines Winterbetriebs der zweiten Ausführungsform; und -
13a und13b einen alternativen Winterbetrieb.
-
1 a perspective view of a first embodiment of the invention with two sections; -
2 a1 as shown with transparent outer wall; -
3 a1 as shown in section A - A; -
4a and4b Sectional views along plane A -A in3 and along level B - B in4a ; -
5 a functional diagram of the first embodiment in summer mode; -
6a and6b a suitable only for summer operation variant of the first embodiment; -
7 a functional diagram of the first embodiment in an alternative summer operation; -
8th a perspective view of a second embodiment of the invention with three sections; -
9a and9b Sectional views of the second embodiment accordingly4a and4b in summer operation; -
10 an alternative summer operation of the second embodiment; -
11 another variant of a summer operation; -
12 a representation of a winter operation of the second embodiment; and -
13a and13b an alternative winter operation.
Die
Der Stoff- und Wärmeaustauschreaktor
Der Stoff- und Wärmeaustauscher
Der Stoff- und Wärmetauscher
Die Hauptaufgabe der ersten Sektion
Sommerbetrieb mit Raumabluft - Fig. 4a und 4bSummer operation with exhaust air - Fig. 4a and 4b
Die Nutzung von Raumabluft als Sekundärluft bedeutet das das Kühlpotential der indirekten Verdunstungskühlung in ersten Sektion
Ist die Luftfeuchtigkeit der Primärluft höher als der gewünschte Raumluftgehalt oder steigen die Primärlufttemperaturen am Ausgang der ersten Sektion
Sollte die Primärluft eine hohe Temperatur aber eine niedrige Luftfeuchtigkeit besitzen, kann man im Übrigen auch den Solemassenstrom der zweiten Sektion
Alternativer Sommerbetrieb - Fig. 5Alternative summer mode - Fig. 5
Im Sommerbetrieb ist das Ziel die Primärluft zuverlässig auf die Raumeintrittstemperatur zu kühlen und auf die Raumluftfeuchte zu entfeuchten. Das Kühlen der Primärluft wird wesentlichen in der ersten Sektion
- - konsequenten Gegenstrom von Primär- und Sekundärluftstrom
- - ohne die Wärme zunächst auf ein weiteres Kühlmedium (Kühlwasser), und dann noch einmal auf ein Rückkühlwerk zu übertragen (weniger Verluste...).
- - Integration von Entfeuchter und indirektem Kühler in einen Apparat. Das bedeutet die Luftströme werden beim Übergang von einem Verfahrensschritt zum nächsten nicht durch umleiten, trennen oder sonst wie mit zusätzlichen Druckverlusten beaufschlagt, die zu einer Erhöhung des Hilfsenergiebedarfs führen (Lüfterleistung).
- - Consistent counterflow of primary and secondary air flow
- - without first transferring the heat to another cooling medium (cooling water), and then again to a recooling unit (fewer losses ...).
- - Integration of dehumidifier and indirect cooler in an apparatus. This means that during the transition from one process step to the next, the air streams are not diverted, separated or otherwise subjected to additional pressure losses, which lead to an increase in the auxiliary energy requirement (fan power).
Die in vielen Ländern nur der Sommerbetrieb also die Klimatisierung von Raumluft gefragt ist, ist in
Winterbetrieb - Fig. 7Winter operation - Fig. 7
Im Winterbetrieb wird die Primärluft möglichst auf den genauen Raumeintrittszustand konditioniert. Dabei wird die Luft erwärmt und befeuchtet. Das wird dadurch erreicht, dass ein verdünnter, vorgewärmter (ca. 50°C) Solefilm in der zweiten Sektion
- - Temperatur des Wassers auf 70°C anheben (tötet z. B. Legionellen auf der Fläche und vor allem in den Flüssigkeitsverteilern ab)
- - Vollentsalztes Wasser aus einer Umkehrosmoseanlage verwenden, das:
- - keine Bakterien enthält
- - das Bilden von Ablagerungen in dem Apparat verhindert
- - Nur genau die benötigte Wassermenge auf der Fläche aufbringen, die dann auch vollständig verdunstet, was durch den Kleinstmengenverteiler einfach möglich ist.
- - regelmäßig die ganze Fläche vollständig abtrocknen lassen (täglich ca. 1h) dadurch wird die Fläche frei von Bakterien und Algen gehalten, die nur in wässeriger Umgebung existieren kann.
- - raise the temperature of the water to 70 ° C (kills, for example, legionella on the surface and especially in the liquid distributors)
- - Use demineralized water from a reverse osmosis system, which:
- - contains no bacteria
- - prevents the formation of deposits in the apparatus
- - Only apply exactly the required amount of water on the surface, which then evaporates completely, which is easily possible due to the small quantity distributor.
- - regularly allow the whole area to dry completely (daily approx. 1 hour), keeping the area free of bacteria and algae that can only exist in an aquatic environment.
Alternativ - nicht dargestellt - kann man den umgekehrten Weg gehen und auf der Austauschfläche
Die
Die Hauptaufgabe der dritten Sektion
- - be- oder entfeuchtet bzw.
- - erwärmt oder abgekühlt.
- - humidified or dehumidified or
- - heated or cooled.
Der Sommerbetrieb nach
Der Sommerbetrieb nach
Der Winterbetrieb nach
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Stoff- und WärmeaustauscherMaterial and heat exchanger
- 44
- Stoff- und WärmeaustauschflächenFabric and heat exchange surfaces
- 66
- WärmetauschplattenHeat exchange plates
- 88th
- PrimärluftkanälePrimary air channels
- 1010
- SekundärluftkanäleSecondary air ducts
- 1212
- PrimärlufteingangPrimary air inlet
- 1313
- PrimärluftausgangPrimary air output
- 1414
- SekundärlufteingangSecondary air input
- 1515
- SekundärluftausgangSecondary air outlet
- 1616
- erste Sektion von 2first section of 2
- 1818
- zweite Sektion von 2second section of 2
- 2020
- erster Flüssigkeitsverteilerfirst liquid distributor
- 2222
- zweiter Flüssigkeitsverteilersecond liquid distributor
- 2424
- erster Flüssigkeitssammlerfirst liquid collector
- 2626
- zweiter Flüssigkeitssammlersecond liquid collector
- 2828
- rechteckige Strömungskanälerectangular flow channels
- 3030
- dritte Sektion von 2third section of 2
- 3232
- TertiärluftkanäleTertiary air ducts
- 3434
- Membran, Wärme- und StoffaustauschstrukturMembrane, heat and mass transfer structure
- 3636
- TertiärlufteingangTertiary air input
- 3838
- TertiärluftausgangTertiary air output
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
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DE102017201110.6 | 2017-01-24 |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102018201070A1 true DE102018201070A1 (en) | 2018-07-26 |
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Family Applications (1)
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DE102018201070.6A Withdrawn DE102018201070A1 (en) | 2017-01-24 | 2018-01-24 | Frischluftkonditioniervorrichtung and method for operating such a device |
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2018
- 2018-01-24 DE DE102018201070.6A patent/DE102018201070A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102010041289A1 (en) | 2009-09-23 | 2011-03-31 | L-Dcs Technology Gmbh | Material- and heat exchanging plate comprises a cooling- or heating agent flowing base plate that has a heat- and material exchanging surface on which a liquid film is formed, a liquid distributor, and a liquid collector |
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