DE19545209A1 - Wärmetauscher und Verfahren zur Temperierung zumindest eines gerichteten Fluidstroms - Google Patents
Wärmetauscher und Verfahren zur Temperierung zumindest eines gerichteten FluidstromsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher und ein Verfahren
zur Temperierung zumindest eines gerichteten Fluidstroms.
Bei derartigen Wärmetauschern bzw. Temperierungsverfahren
wird der gerichtete Fluidstrom mit einer geeignet temperier
ten Oberfläche in Kontakt gebracht, so daß der Fluidstrom in
gewünschter Weise Energie aufnehmen bzw. abgeben kann.
Zwar kann die Oberfläche in jeder geeigneten Weise tempe
riert werden, jedoch wird häufig der die Oberfläche aufwei
sende Körper durch Kontakt mit einem zweiten Fluidstrom
anderer Temperatur temperiert. Andererseits werden auch
andere, bekannte Wärmequelle bzw. -senken - z. B. Heizungen
oder Kühleinrichtungen, insbesondere auch elektrische - zur
Temperierung dieser Oberflächen genutzt.
Bei oben genannten Wärmetauschern, bei welchen die Oberflä
che durch einen zweiten Fluidstrom temperiert wird, unter
scheidet man zwischen rekuperativen und regenerativen Syste
men. Bei rekuperativen Wärmetauschern ist ein wärmetauschen
der Körper über eine erste Oberfläche mit dem ersten Fluid
strom und über eine zweite Oberfläche mit dem zweiten Fluid
strom in thermischen Kontakt. Aufgrund der Wärmeleitfähig
keit des wärmetauschenden Körpers wird der erste Fluidstrom
bzw. werden beide Fluidströme wie gewünscht temperiert.
Bei regenerativen Wärmetauschern wird der wärmetauschende
Körper bzw. dessen Oberfläche abwechselnd mit dem ersten und
dem zweiten Fluidstrom in thermischen Kontakt gebracht.
Hierbei nimmt die mit dem entsprechenden Fluid in thermi
schen Kontakt gebrachte Oberfläche bzw. der in der Umgebung
der Oberfläche befindliche Teil des wärmetauschenden Körpers
die Temperatur des entsprechenden Fluides an und temperiert
auf diese Weise - in Abhängigkeit von Wärmekapazität, Wärme
leitfähigkeit, Dauer des thermischen Kontaktes der beteilig
ten Medien u. a. - das Fluid bzw. die Fluide.
Zur Verbesserung der wärmetauschenden Eigenschaften aus dem
Stand der Technik bekannter Wärmetauscher wird die wärme
tauschende Oberfläche erhöht. Die Vergrößerung der mit den
jeweiligen Fluiden in Kontakt kommenden Oberfläche bedingt
jedoch eine entsprechende Erhöhung des Strömungswiderstandes
dieser Wärmetauscher.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungs
gemäßen Wärmetauscher bzw. ein gattungsgemäßes Tem
perierungsverfahren bereitzustellen, bei welchem trotz ver
hältnismäßig großer, mit dem gerichteten Fluidstrom in Kon
takt kommender Oberfläche der Strömungswiderstand des Wärme
tauschers ansich möglichst gering ist.
Als Lösung wird ein gattungsgemäßer Wärmetauscher mit zumin
dest einer geeignet temperierten, sich im wesentlichen zu
sich selbst tangential bewegenden Oberfläche bzw. mit zumin
dest einem geeignet temperierten, sich im wesentlichen zu
sich selbst tangential bewegenden Oberflächenbereich vorge
schlagen, wobei der Fluidstrom in der Nähe der Oberfläche
bzw. des Oberflächenbereiches eine der Bewegungsrichtung der
Oberfläche bzw. des Oberflächenbereichs gleichgerichtete Be
wegungskomponente aufweist. Desweiteren wird die obige Auf
gabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren gelöst, bei welchem
der Fluidstrom in die unmittelbare Nähe zumindest einer/s ge
eignet temperierten, sich im wesentlichen zu sich selbst
tangential bewegenden Oberfläche bzw. Oberflächenbereichs,
geführt wird, deren/dessen Bewegungsrichtung eine dem Fluid
strom gleichgerichtete Bewegungskomponente aufweist.
Die tangentiale Bewegung der Oberfläche bzw. des Oberflä
chenbereichs vermeidet weitgehend ein Entstehen von Turbu
lenzen, die unweigerlich zur Erhöhung des Strömungswider
standes des Wärmetauschers führen würden. Die Gefahr des
Entstehens von Turbulenzen verringert sich des weiteren da
durch, daß der Fluidstrom in der Nähe der Oberfläche bzw.
des Oberflächenbereichs eine der Bewegungsrichtung der Ober
fläche bzw. des Oberflächenbereichs gleichgerichtete Bewe
gungskomponente aufweist. Hierdurch wird der in der Nähe der
Oberfläche vorhandene Geschwindigkeitsgradient in dem Fluid
strom reduziert und hierdurch die Gefahr der Turbulenzent
stehung verringert. Die Geschwindigkeit der Oberfläche bzw.
des Oberflächenbereichs kann bei geeigneter Ausgestaltung
des Wärmetauschers so erhöht werden, daß dieser - zumindest
im Bereich der wärmetauschenden Körper, speziell im Bereich
obiger/n Oberfläche bzw. des Oberflächenbereichs - dem Fluß
des gerichteten Fluidstromes keinen nennenswerten Strömungs
widerstand entgegen setzt, oder sogar die Bewegung des Flu
idstroms fördert.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der Wärmetauscher
einen von zwei geeignet temperierten, aufeinander zuweisen
den, sich im wesentlichen zu sich selbst tangential und
parallel zueinander bewegenden Oberflächen bzw. Oberflächen
bereichen begrenzten Raumbereich aufweist, durch welchen der
Fluidstrom strömt, wobei der Fluidstrom zwischen den Ober
flächen bzw. Oberflächenbereichen eine der Bewegungsrichtung
der Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche gleichgerichtete
Bewegungskomponente aufweist. Hierdurch ist es möglich den
in dem Fluid auftretenden Geschwindigkeitsgradienten weiter
zu reduzieren, diesen sogar - bei Wahl geeigneter Randbedin
gungen - auf Null zu reduzieren. Durch die parallele Tangen
tialbewegung der Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche wird
der zwischen diesen Oberflächen bzw. Oberflächenbereichen
vorhandene bzw. obengenannten Raumbereich durchströmende
Fluidstrom in besonders geeigneter Weise, weil ohne Vorhan
densein unnötiger Geschwindigkeitsgradienten, laminar be
schleunigt.
Die vorteilhaften Eigenschaften eines erfindungsgemäßen
Wärmetauschers ergeben sich insbesondere, wenn der Abstand
der Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche zwischen 1 mm und
50 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 6 mm, liegt.
Zwar kann/können die bewegte/n Oberfläche/n bzw. die/der
bewegte/n Oberflächenbereich/e in jeder geeigneten Weise -
z. B. durch Wärmeleitung, elektrische Heiz- bzw. Kühlvor
richtungen, elektromagnetische Strahlung oder ähnliches - in
gewünschter Weise temperiert werden. Es ist jedoch insbeson
dere vorteilhaft einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher rege
nerativ zwischen einem ersten Fluidstrom und einem zweiten
Fluidstrom auszugestalten, derart daß die verschiedenen
Fluidströme verschiedene Raumbereiche durchströmen und die
bewegte/n Oberfläche/n bzw. die/der bewegte/n Oberflächenbe
reich/e zumindest den einen Raumbereich und den anderen
Raumbereich abwechselnd, vorzugsweise periodisch ab
wechselnd, begrenzt. Es versteht sich, daß die Oberfläche/n
bzw. die/der Oberflächenbereich/e zwischenzeitlich andere,
z. B. nicht von einem Fluid durchströmte oder nicht in er
findungsgemäßer Weise durchströmte, Raumbereiche begrenzen
kann/können.
Durch eine verhältnismäßig hohe Geschwindigkeit der Ober
fläche/n bzw. des/der Oberflächenbereiche/s - und gegebenen
falls eine entsprechend hochfrequente Periodizität des Wech
sels der Oberfläche oder des Oberflächenbereiches zwischen
ersten und zweiten Fluidstrom - und/oder durch eine mög
lichst geringe Masse bzw. Wärmekapazität des die Oberflä
che/n bzw. den/die Oberflächenbereich/e aufweisenden Körper
läßt sich ein besonders schneller, erfindungsgemäßer Wärme
austausch gewährleisten. Es ist auch denkbar, die Geschwin
digkeit der Oberfläche/n bzw. des/der Oberflächenbereiche/s
wesentlich höher als die Fluidgeschwindigkeit zu wählen, um
die wärmetauschenden Eigenschaften unter leichter Erhöhung
des Risikos einer Turbulenzentstehung zu verbessern. Es
versteht sich, daß die gewählten Geschwindigkeiten, Materia
lien und Massen den jeweiligen Erfordernissen angepaßt wer
den können.
Die vorgenannten erfindungsgemäßen Merkmale lassen sich in
besonders einfacher Weise realisieren, wenn die Oberfläche/n
bzw. der/die Oberflächenbereich/e auf einem Rotor angeordnet
ist/sind. Hierbei ist es von Vorteil, wenn der Rotor um eine
senkrecht auf einer Strömungsebene des Fluidstromes stehende
Achse rotiert. Als Strömungsebene wird in vorliegender Of
fenbarung eine Ebene definiert in welcher zumindest eine
durch den erfindungsgemäßen Wärmetauscher hindurchführende
Stromlinie liegt. Vor bzw. nach dem Passieren des Wärmetau
schenden Körpers auftretende Abweichungen aus dieser Ström
ungsebene hingegen schränken vorgenannte Definitionen der
Strömungsebene nicht ein.
Besonders wirkungsvoll und besonders einfach in der Kon
struktion ist ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher, bei wel
chem der Rotor zumindest zwei um eine gemeinsame Achse ro
tierende, voneinander beabstandete Scheiben umfaßt. Insbe
sondere sollten die Scheiben im wesentlichen parallel zuein
ander angeordnet sein. Hierbei kann fast die gesamte Ober
fläche der Scheiben dem Wärmeaustausch dienen. Der zu tempe
rierende Gasstrom wird derart auf die rotierenden, vonein
ander beabstandeten Scheiben geleitet, daß die Stromlinien
des Fluidzustroms senkrecht auf der Scheibenachse stehen.
Desweiteren ist der Fluidzustrom so ausgerichtet, daß über
wiegend der in Strömungsrichtung rotierende Teil der Schei
ben bzw. der zwischen diesen Teilen liegende Raumbereich von
den Strömungslinien dieses Fluidstromes durchsetzt ist. Auf
diese Weise bewegt sich die Oberfläche der rotierenden
Scheiben in erfindungsgemäßer Weise tangential und mit einer
zum Fluidstrom identischen Komponente, so daß der diese
Scheiben umfassende Wärmetauscher keinen bzw. einen redu
zierten Strömungswiderstand aufweist.
Die rotierenden Scheiben beschleunigen den Fluidstrom von
der Scheibenachse weg. Hierdurch werden die Stromlinien in
einer senkrecht auf der Scheibenachse stehenden Ebene, näm
lich einer Strömungsebene, abgelenkt.
Zwar können die rotierenden Scheiben in jeder geeigneten
Weise gewünscht temperiert werden. Besonders vorteilhaft
erscheint jedoch die Verwendung dieser rotierenden Scheiben
bei einem gegenströmenden, regenerativen Wärmetauscher.
Hierbei werden zwei gegeneinander gerichtete Fluidzuströme
in oben beschriebener Weise den rotierenden Scheiben zuge
führt. Da beide Fluidströme während des Passierens der ro
tierenden Scheiben von der Scheibenachse weg beschleunigt
werden, läßt sich durch geeignete Anordnung der Zu- bzw.
Abströmdüsen eine Vermengung der beiden Fluidströme vermei
den. Die rotierenden Scheiben bzw. deren Oberfläche gelangt
periodisch abwechselnd mit den Fluidströmen in Kontakt, so
daß eine Zwischenform zwischen rekuperativem und regenerati
vem Wärmeaustausch stattfindet. - Grundsätzlich läßt sich
diese Art des Wärmeaustausches auch mit nur einer rotieren
den Scheibe vorteilhaft nutzen. Es zeigt sich, daß die Rota
tionsgeschwindigkeiten, Scheibendicken, Scheibendurchmesser,
Scheibenabstände, Scheibenanzahl im Vergleich zu den hier
durch bedingten bzw. zu den geforderten Strömungsverhältnis
sen derart angepaßt werden können, daß die beiderseitigen
Fluidabströme die gleiche Temperatur aufweisen. Hierbei hat
es sich konkret als vorteilhaft erwiesen, wenn der Abstand
der Scheiben zwischen 1 mm und 50 mm, vorzugsweise zwischen
5 mm und 6 mm, der Scheibendurchmesser zwischen 10 mm und
1.000 mm und die Scheibendicke zwischen 0,1 mm und 10 mm,
vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 2 mm, beträgt.
Es versteht sich, daß die Scheiben nicht unbedingt eine
konstante Dicke aufweisen müssen. Vielmehr kann es von Vor
teil sein, wenn die Scheibendicke über den Radius variiert,
und durch die Ausgestaltung des Scheibendurchmessers der
Wärmetauscher den hydro- bzw. thermodynamischen Erfordernis
sen angepaßt wird. Die aufeinander zuweisenden Oberflächen
bzw. Oberflächenbereiche müssen also nicht unbedingt par
allel zueinander angeordnet sein, vielmehr genügt es, wenn
diese in ausreichender Weise einen Raumbereich einschließen,
in welchen sie durch ihre Tangentialbewegung den Fluidstrom
in erfindungsgemäßer Weise beeinflussen.
Zur Vermeidung eventuell auftretender Leckströme kann zwi
schen den rotierenden Scheiben jeweils ein Abstandhalter mit
kleinerem Durchmesser als dem Scheibendurchmesser angeordnet
sein. Hierdurch wird vermieden, daß Partikel in einen Be
reich verhältnismäßig niedriger Oberflächengeschwindigkeit
gelangen, die eine diese Partikel ausreichend ablenkende
Beschleunigung nicht gewährleistet. Die den Partikeln zu
gewandte Oberfläche der Abstandhalter dient desweiteren
ebenfalls dem Wärmeaustausch und der Beschleunigung der
Fluidpartikel in die gewünschte Richtung.
Wie bei regenerativen Wärmetauschern häufig der Fall, be
steht die Gefahr von Leckströmen durch an der/den Oberflä
che/n bzw. dem/den Oberflächenbereich/en anhaftende Parti
kel. Durch geeignete, bezüglich der/des sich bewegenden
Oberfläche/n bzw. Oberflächenbereiche/s ortsfeste Leitbleche
lassen sich derartige Lecks minimieren. Insbesondere können
derartige Leitbleche auch als Abstreifer ausgebildet sein.
Der Gütegrad eines rotierende Scheiben aufweisenden, erfin
dungsgemäßen Wärmetauschers von 50% läßt sich erhöhen, wenn
der Wärmetauscher in Strömungsrichtung hintereinander an
geordnete Achsen mit um diese rotierende Scheiben aufweist.
Der Gütegrad E folgt dann in Abhängigkeit von der Achsen
anzahl n nach E = 100% * n/(n+1). Es versteht sich, daß
generell die Anordnung mehrere wärmetauschender Oberflächen
bzw. Oberflächenbereiche und auch die Anordnung mehrerer
Rotoren in Strömungsrichtung hintereinander vorteilhaft den
Gütegrad eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers erhöht.
Zur Erhöhung der Eindringtiefe der durch die sich tangential
bewegenden Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche aufgebrach
ten Beschleunigung können diese Oberflächen bzw. Oberflä
chenbereiche eine Struktur aufweisen. Bei der Verwendung
rotierender Scheiben können dieses z. B. in den Scheiben
befindliche, im wesentlichen parallel zur Scheibenachse
ausgerichtete Bohrungen sein. Hierbei wird zwischen der
durch diese Oberflächenstrukturen bedingten Störung der
laminaren Strömung und der Erhöhung der Eindringtiefe -
sprich einer virtuellen Viskositätserhöhung - abzuwägen
sein.
Es zeigt sich, daß der Wirkungsgrad der sich bewegenden
Oberflächen, insbesondere bei der Verwendung rotierender
Scheiben, sehr hoch ist, so daß die Oberflächen bzw. die
Scheiben verhältnismäßig weit beabstandet sein können. Durch
eine Oberflächenstruktur läßt sich dieser notwendige Abstand
weiter erhöhen.
Aufgrund des durch diese guten wärmetauschende Eigenschaften
bedingten großen Abstandes können die Oberflächen bzw. die
rotierenden Scheiben wesentlich weiter beabstandet sein als
bei allen bekannten Lamellen- bzw. Kühlrippenanordnungen.
Hierdurch bedingt reduziert sich der durch einen erfindungs
gemäßen Wärmetauscher bedingte Eingriff in den Strömungsweg
zusätzlich in nicht vorhersehbarer Weise, so daß der Druck
abfall bzw. ein entstehendes Strömungsgeräusch weiter redu
ziert werden. Trotz der sich bewegenden Baugruppen eines
erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist dieser verhältnismäßig
leise, da dieser einen laminaren Fluidstrom ermöglicht.
Die die erfindungsgemäßen Oberflächen bzw. Oberflächenberei
che aufweisenden, wärmetauschenden Körper - Rotoren, Schei
ben u. a. - können aus jedem beliebigen, geeigneten Material
bestehen, insbesondere auch aus Kunststoff, Papier, Keramik.
Ebenso kann es vorteilhaft sein, die Oberfläche dieser Kör
per zur Beeinflussung ihrer wärmetauschenden und den Strö
mungsweg beeinflussenden Eigenschaften zu beschichten, auf
zurauhen oder sonstig geeignet zu behandeln.
Es versteht sich, daß ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher
alle dem Stand der Technik entnehmbaren Einrichtungen auf
weisen kann, die derartigen Wärmetauschern zu- bzw. beige
ordnet werden können - wie z. B. zusätzliche Ventilatoren,
Heizungen, Kühleinrichtungen, Befeuchtungseinrichtungen,
Verdampfer, Verdunster, Kondensatoren und ähnliches. Ins
besondere ist es denkbar einen erfindungsgemäßen Wärmetau
scher mit dem Stand der Technik entnehmbaren Wärmetauschern
in vorteilhafter Weise zu kombinieren bzw. diese dem Stand
der Technik entnehmbaren Wärmetauscher mit einem erfindungs
gemäßen Wärmetauscher nachzurüsten.
Zum Beispiel läßt sich bei einem erfindungsgemäßen Wärmetau
scher, bei welchem ein erster Fluidstrom und ein zweiter
Fluidstrom durch verschiedene Raumbereiche geleitet werden
und die bewegte/n Oberfläche/n bzw. der/die bewegte/n Ober
flächenbereich/e zumindest den einen Raumbereich und den
anderen Raumbereich abwechselnd begrenzen oder durchlaufen,
einer der beiden Fluidströme vor Eintritt in den von ihm
durchströmten Raumbereich mit einer verdampfenden Flüssig
keit beaufschlagen. Die für das Verdampfen notwendige Ener
gie wird dann diesem Flüssigkeitsstrom entzogen, wodurch
sich dessen Temperatur absenkt. Besonders vorteilhaft ist
ein derartiger Wärmetauscher bzw. ein derartiges Verfahren
zur Temperierung eines Luftraumes, wenn der mit der verdamp
fenden Flüssigkeit beaufschlagte Fluidstrom ein Gasstrom,
vorzugsweise ein Luftstrom ist und die verdampfende Flüssig
keit in Form feiner Tröpfchen bzw. als Nebel aufgegebenes
Wasser umfaßt.
Insbesondere kann ein Wärmetauscher mit den obengenannten
Merkmalen als Airconditioner vorteilhaft Verwendung finden,
wobei der nicht mit einer verdampfenden Flüssigkeit beauf
schlagte Fluidstrom ein Luftstrom ist, der einem mit kühler
Luft zu versorgenden Innenraum zugeleitet wird. Bei einem
derartigem Wärmetauscher kann unter Beibehaltung des ans ich
bekannten Prinzip der Luftkühlung durch Beaufschlagung mit
einer verdampfenden Flüssigkeit auf verhältnismäßig lange
Wegstrecken, auf welchen die Flüssigkeit verdampft, verzich
tet werden. Insbesondere besteht bei einer deratigen Anord
nung keine Gefahr der Verletzung bestehender Richtlinien
bzw. Vorschriften, gemäß welcher die Zugabe von Flüssig
keitströpfchen in Innenraumluft untersagt ist, denn die
Flüssigkeit wird nur dem zweiten Fluidstrom aufgegeben. Ein
nur unvollständiges Verdampfen der Flüssigkeit ist somit un
schädlich. Insbesondere können auch Flüssigkeitströpfchen
auf die wärmetauschenden Oberflächen selbst gelangen. Um
einen Übertritt dieser Flüssigkeitströpfchens in den ersten,
zu dem Innenraum geleiteten Luftstrom zu vermeiden, kann die
Bewegung dieser Oberflächen derart ausgestaltet sein, daß
die Flüssigkeitströpfchen durch die Fliehkraft oder aber
durch oben angesprochene Abstreifer vor Eintritt in den
ersten Fluidstrom von der Oberfläche entfernt werden. Vor
teilhafterweise ist der Wärmetauscher jedoch derart ausge
legt, daß nur ausreichend kleine Flüssigkeitströpfchen auf
den wärmetauschenden Oberflächen niederschlagen, daß diese,
noch während sie mit dem zweiten Fluidstrom in Kontakt sind,
verdampfen.
Der auf diese Weise ausgebildete Airconditioner ist, ins
besondere wegen der fehlenden Notwendigkeit einer verhält
nismäßig langen Verdampfungsstrecke, im Vergleich zu dem aus
dem Stand der Technik bekannten Airconditioner bei gleicher
Leistung und Verwendung des gleichen Luftkühlungsprinzips
wesentlich kleiner ausgebildet.
Die vorgenannten, sowie die beanspruchten und in den Aus
führungsbeispielen beschriebenen, erfindungsgemäß zu ver
wendenden Bauteile unterliegen hinsichtlich ihrer Größe,
Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption
keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so daß die in dem
jeweiligen Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien un
eingeschränkt Anwendung finden können.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei
bung der zugehörigen Zeichnung, in der - beispielhaft -
bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Wärmetauscher
dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Wärmetauschers im Schnitt entlang der Linie I-I in
Fig. 2;
Fig. 2 den Wärmetauscher nach Fig. 1 im Schnitt entlang
der Linie II-II in Fig. 1 in einem Ausschnitt;
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemä
ßen Wärmetauschers in ähnlicher Darstellungsart
wie Fig. 1;
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemä
ßen Wärmetauschers in perspektivischer Darstellung
zum Teil aufgebrochen; und
Fig. 5 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemä
ßen Wärmestauschers als Airconditioner in ähnli
cher Darstellungsart wie Fig. 1.
Bei dem Wärmetauscher gemäß der ersten und dritten Ausfüh
rungsbeispiele (siehe Fig. 1, 2 und 4) wird ein erster
Fluidzustrom 1 und ein zweiter Fluidzustrom 2 mehreren, auf
einer Achse 3 angeordneten, durch Abstandhalter 4 beabstan
deten, um die Achse 3 drehbaren, durch einen Motor 11 (siehe
Fig. 4) drehangetriebenen Scheiben 5 zugeführt. Nach deren
Abkühlung bzw. Aufheizung sowie - gegebenenfalls - erfolgter
Beschleunigung verlassen die Fluidströme den Bereich zwi
schen den Scheiben 5 als zweiter Fluidabstrom 6 und erster
Fluidabstrom 7.
Durch zwei seitliche Begrenzungsflächen 12 und 13, die im
wesentlichen parallel zu einer Strömungsebene und senkrecht
zur Achse 3 angeordnet sind, werden die Fluidströme 1, 7 und
2, 6 seitlich begrenzt (siehe Fig. 4). Von der Achse 3 weg
weisend wird der erste Fluidstrom 1, 7 durch ein Begren
zungsblech 17 und der zweite Fluidstrom 2, 6 durch ein Be
grenzungsblech 26 begrenzt. Zwischen den beiden Fluidströmen
1, 7 und 2, 6 sind zwei Trennbleche 16 und 27 angeordnet,
wobei das Trennblech 16 den ersten Fluidzustrom 1 und den
zweiten Fluidabstrom 6 und das Trennblech 27 den zweiten
Fluidzustrom 2 und den ersten Fluidabstrom 7 trennt. Es
versteht sich, daß sowohl die Trennbleche 16 und 27 als auch
die seitlichen Begrenzungsbleche 12 und 13 zum Wärmetausch
beitragen.
Die Fluidzuströme 1 und 2 sind derart auf die Scheiben 5
ausgerichtet, daß jeweils eine Hälfte jeder Scheibe 5 bzw.
des wirksamen Scheibenringes von dem ersten Fluidstrom 1, 7
und die andere Hälfte von dem zweiten Fluidstrom 2, 6 um
spült wird. Die Rotation jeder Scheibe 5 bedingt, daß jeder
Oberflächenbereich jeder Scheibe 5 abwechseln mit dem ersten
Fluidstrom 1, 7 und dem zweiten Fluidstrom 2, 6 in direkten
Kontakt kommt. Hierbei ist der Fluidzustrom 1, 2 jeweils so
ausgerichtet, daß - im wesentlichen - der Fluidstrom und der
Richtungssinn der rotierenden Scheibe 5 eine gleichgerichte
te Bewegungskomponente aufweisen.
Die Begrenzungsbleche 17 und 26 des ersten Ausführungsbei
spiels verlaufen im Bereich der Fluidzuströme 1, 2 im we
sentlichen geradlinig, während diese Begrenzungen im Bereich
der Fluidabströme 7 und 6 von der Achse 3 wegweisen. Während
des Betriebes des Wärmetauschers ist so - auch durch die
Ausbildung der Trennbleche 16 und 27 - der Fluidabstrom 7,
6 in einer Ebene senkrecht zur Achse 3 von der Achse 3 weg
geneigt. Hierdurch wird, in vorteilhafter Weise, die durch
die Scheiben 5 bedingte Beschleunigung der Fluidpartikel
während des Durchgangs durch den Wärmetauscher ohne Energie
verlust in eine Strömungsrichtungsänderung überführt. Eine
derartige Winkeländerung ist häufig bei Anwendungen von
Wärmetauschern erwünscht und kann in der Regel bei den aus
dem Stand der Technik bekannten Wärmetauschern nur durch
Umlenkbleche bzw. unter Druckverlust realisiert werden.
Der Radius der Scheiben 5 ist so gewählt, daß diese den ge
samten Querschnitt der Strömung 1, 7 und 2, 6 jedes Fluides
zur Gänze durchschneiden bzw. seitlich begrenzen.
Durch die rotierenden Scheiben wird der jeweilige Fluidstrom
1, 7; 2, 6 jeweils von der Achse 3 wegbeschleunigt. Hier
durch wird eine verhältnismäßig gute Trennung beider Fluid
ströme 1, 7; 2, 6 bedingt. Zur Verminderung eines etwa auf
tretenden Leckstroms sind jeweils zwei Leitbleche 8 vorgese
hen, die zwischen die Scheiben 5 bis zu den Abstandhaltern
4 eingreifen und ein Trennen der jeweiligen Fluidpartikel
von den Scheiben 5 fördern.
Exemplarisch sind in den Fig. 1 und 2 zwei Raumbereiche
9′ und 9′′ dargestellt, in denen das durch diese Raumberei
che 9′ und 9′′ strömende Fluid eine der Bewegung der diese
Raumbereiche 9′ bzw. 9′′ begrenzenden, auf den Scheiben 5
ausgebildeten Oberflächen gleichgerichtete Geschwindigkeits
komponente besitzt. Der den Raumbereich 9′ zu einem Zeit
punkt begrenzende Oberflächenbereich der Scheiben 5 begrenzt
nach einer gewissen Zeit den Raumbereich 9′′. Diese Begren
zung wechselt in erfindungsgemäßer Weise periodisch ab.
Die Scheibenabstände, Scheibendicken und die Rotationsge
schwindigkeit der Scheiben sind so aufeinander bzw. auf die
Fluidströme 1, 7; 2, 6 und die jeweiligen Temperaturen der
Fluidzuströme 1, 2 abgestimmt, daß die Fluidabströme 6, 7
die gleiche Temperatur aufweisen.
In konkreter Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispieles
werden 35, jeweils 5 mm beabstandete Scheiben mit einer
Dicke von 1 mm und einem Durchmesser von 200 mm durch einen
15 W Elektromotor angetrieben. Die Scheiben selbst bestehen
aus Polypropylen mit einer glatten Oberfläche. Der Wärmetau
scher ansich hat eine Größe von 215 × 220 × 250 mm³. In
dieser Ausführungsform fördert der Wärmetauscher 2 Fluid
ströme von jeweils 250 m³/h. Beispielhafte Temperaturver
hältnisse sind in Tabelle I aufgelistet.
In einer zweiten konkreten Ausführungsform des Wärme
tauschers werden 110 Aluminiumscheiben mit einem Durchmesser
von 350 mm und einer Dicke von 1 mm, die 6 mm von einander
beabstandet sind, durch einen Elektromotor mit einer Lei
stung von 150 W angetrieben. Bei einer Größe des Wärmetau
schers von 360 × 450 × 900 mm³ können mit diesem Wärmetau
scher zwei Fluidströme von jeweils 2500 m³/h gefördert wer
den. Hierbei wurden die in Tabelle II dargestellten Tempera
turverhältnisse gemessen.
Das zweite Ausführungsbeispiel umfaßt zwei in Strömungsrich
tung hintereinander angeordnete Achsen 3, auf welchen Schei
ben 5 und zwischen diesen angeordneten Abstandhalter 4 ro
tieren. Der Aufbau entspricht im wesentlichen dem Aufbau des
ersten Ausführungsbeispiels. Jedoch wird bei diesem Ausfüh
rungsbeispiel auf jeweils ein Leitblech 8 verzichtet. Zwi
schen den jeweils um eine Achse 3 rotierenden Scheibenanord
nung ist ein Trennblech 10 vorgesehen, welches ein Vermi
schen der beiden Fluidströme 1, 7 und 2, 6 außerhalb der
Scheibenanordnung verhindert.
Insbesondere bei diesem Ausführungsbeispiel wird deutlich,
daß die durch die rotierenden Scheiben bedingte Beschleuni
gung der Fluidströme 1, 7 und 2, 6 jeweils eine Reduktion
des Kanalquerschnitts im Bereich des Fluidabstroms 7 bzw. 6
ermöglicht. Denkbare weitere Leibleche 8′ sind in Fig. 3
strichpunktiert eingezeichnet.
In konkreter Ausgestaltung dieses zweiten Ausführungsbei
spiels werden jeweils 35, auf jeder der beiden Achsen ange
ordnete Scheiben durch jeweils einen 15 W Elektromotor mit
2500 Rotationen pro Minute angetrieben. Die Scheiben waren
aus Polypropylen mit einer Dicke von 1 mm und einem Durch
messer von 200 mm sowie 5 mm von einander beabstandet. Der
gesamte Wärmetauscher wies eine Größe von 215 × 220 × 500 mm³
auf und förderte zwei Fluidströme von je 250 m³/h. Ausgewähl
te Temperaturverhältnisse sind in Tabelle III dargestellt.
Der Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels entspricht weit
gehend dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels. Aller
dings sind - wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die
Begrenzungsbleche 17 und 26 sowie die Trennbleche 16 und 27
eben ausgebildet.
Das vierte Ausführungsbeispiel entspricht dem dritten Aus
führungsbeispiel, bei welchem der erste Fluidzustrom 1 über
eine Wasserzufuhr 14 und zwei Nebeldüsen 15 mit einem Was
sernebel beauschlagt wird. Die verdampfenden Tröpfchen ent
ziehen dem Fluidstrom 1, 7 zum Verdampfen Energie. Ein Teil
der Wassertröpfchen schlägt sich auf den rotierenden Schei
ben 5 bzw. der radial außenliegenden Oberflächen der Ab
standhalter 4 nieder. Die rotierenden Scheiben 5 sowie die
Abstandhalter 4 werden folglich zum einen durch die auf
ihrer Oberfläche angelagerten, verdampfenden Wassertropfen
und zum anderen durch den bereits vorgekühlten Fluidstrom 1,
7 gekühlt. Ähnlich wie die Rotation der Scheiben ein ein
dringen des Fluidstromes 1, 7 in den Fluidstrom 2, 6 verhin
dert, wird durch die Rotation der Scheiben 5 auch ein Ein
treten von Wasser in den Fluidstrom 2, 6 vermieden. Insbe
sondere dienen hierfür die durch die Rotation bedingten Zen
trifugalkräfte. Auf diese Weise kann das ansich bekannte
Verfahren der Luftkühlung mittels Verdampfen eines Wasser
nebels genutzt werden, ohne daß hierdurch der Feuchtigkeits
gehalt des Fluidstrom 2, 6 erhöht wird. Dieser Fluidstrom 2,
6 kann dann einem mit kühler Luft zu versorgenden Innenraum
zugeführt werden.
In konkreter Ausgestaltung weist ein gemäß des vierten Aus
führungsbeispiels ausgestalteter Airconditioner 35 Polypro
pylenscheiben mit einer Dicke von 1 mm, einem Durchmesser
von 200 mm und einer glatten Oberfläche auf, die 5 mm von
einander beabstandet sind und von einem 15 W Elektromotor
mit 2500 Rotationen pro Minute angetrieben werden. Dem
Fluidzustrom 1 wird 1 l/h Wasser in Form von 20 bis 50 mm³
großen Wassertropfen aufgegeben. Bei einer Größe von 215 ×
220 × 300 mm³ fördert dieser Airconditioner einen Fluidstrom
2, 6 von 250 m³/h in einen Innenraum. Mit einer Temperatur
von 27 C° und einer relativen Feuchtigkeit von 46% zuge
führte Fluidzuströme 1 und 2 ermöglichen auf diese Weise
einen Fluidabstrom 6 von 22°C bei einer Kühlleistung von
350 W und einer COP von COP = 23. Weisen die Fluidzuströme
1 und 2 eine Temperatur von 35°C und eine relative Feuch
tigkeit von 50% auf, so folgt eine Temperatur des Fluid
abstroms 6 von 26,5°C bei einer Kühlleistung von 400 W und
einer COP von COP = 26.
Bei einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Wärmetauschers, welcher im Aufbau weitgehend der zweiten
Ausführungsform entspricht werden durch drei 15 W Elektromo
toren drei Achsen mit jeweils 35 Polypropylenscheiben mit
2500 Rotationen pro Minute rotiert. Die Scheiben sind je
weils 1 mm dick, haben einen Durchmesser von 200 mm, sind
jeweils 5 mm voneinander beabstandet und weisen eine glatte
Oberfläche auf. Bei einer Größe von 215 × 250 × 750 mm³
fördert dieser Wärmetauscher jeweils 250 m³/h Luft. Die
Temperaturverhältnisse sind der Tabelle IV entnehmbar.
Bezugszeichenliste
1 erster Fluidzustrom
2 zweiter Fluidzustrom
3 Achse
4 Abstandhalter
5 Scheibe
6 zweiter Fluidabstrom
7 erster Fluidabstrom
8 Leitblech
8′ Leitbleche
9′ Raumbereich
9′′ Raumbereich
10 Trennblech
11 Motor
12 seitliches Begrenzungsblech
13 seitliches Begrenzungsblech
14 Wasserzufuhr
15 Nebeldüse
16 Trennblech
17 Begrenzungsblech
26 Begrenzungsblech
27 Trennblech
2 zweiter Fluidzustrom
3 Achse
4 Abstandhalter
5 Scheibe
6 zweiter Fluidabstrom
7 erster Fluidabstrom
8 Leitblech
8′ Leitbleche
9′ Raumbereich
9′′ Raumbereich
10 Trennblech
11 Motor
12 seitliches Begrenzungsblech
13 seitliches Begrenzungsblech
14 Wasserzufuhr
15 Nebeldüse
16 Trennblech
17 Begrenzungsblech
26 Begrenzungsblech
27 Trennblech
Claims (30)
1. Wärmetauscher zur Temperierung zumindest eines gerich
teten Fluidstroms (1, 7; 2, 6),
gekennzeichnet durch
zumindest eine/n geeignet temperierte/n, sich im we
sentlichen zu sich selbst tangential bewegende/n Ober
fläche bzw. Oberflächenbereich, und Fluidführungsmit
tel, die derart vorgesehen sind, daß der Fluidstrom (1,
7; 2, 6) in der Nähe der Oberfläche bzw. des Oberflä
chenbereichs eine der Bewegungsrichtung der Oberfläche
bzw. des Oberflächenbereichs gleichgerichtete Bewe
gungskomponente aufweist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zu
mindest einen von zwei geeignet temperierten, aufein
ander zuweisenden, sich im wesentlichen zu sich selbst
tangential und parallel zueinander bewegenden Oberflä
chen bzw. Oberflächenbereichen begrenzten Raumbereich
(9′, 9′′), durch welchen der Fluidstrom (1, 7; 2, 6)
strömt, und Fluidführungsmittel, die derart vorgesehen
sind, daß der Fluidstrom (1, 7; 2, 6) zwischen den
Oberflächen bzw. Oberflächenbereichen eine der Bewe
gungsrichtung der Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche
gleichgerichtete Bewegungskomponente aufweist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand der Oberflächen bzw. Oberflächenberei
che zwischen 1 mm und 50 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm
und 6 mm, beträgt.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit
einem ersten Fluidstrom (1, 7) und einem zweiten Fluid
strom (2, 6), dadurch gekennzeichnet, daß die Fluid
ströme (1, 7; 2, 6) verschiedene Raumbereiche (9′, 9′′)
durchströmen und die bewegte/n Oberfläche/n bzw. der/
die bewegte/n Oberflächenbereich/e zumindest den einen
Raumbereich (9′) und den anderen Raumbereich (9′′) ab
wechselnd, vorzugsweise periodisch abwechselnd, begren
zen oder durchlaufen.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Tangentialgeschwindigkeit der
Oberfläche/n bzw. des/der Oberflächenbereiche/s gleich
oder höher als die gleichgerichtete Geschwindigkeits
komponente des Fluidstromes (1, 7; 2, 6) ist.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die die Oberfläche/n bzw. den/die
Oberflächenbereich/e aufweisenden Körper eine verhält
nismäßig geringe Masse bzw. Wärmekapazität aufweisen.
7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberfläche/n bzw. der/die Ober
flächenbereich/e auf zumindest einem Rotor angeordnet
sind/ist.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor eine verhältnismäßig geringe Masse auf
weist.
9. Wärmetauscher nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß der zumindest eine Rotor um eine senk
recht auf einer Strömungsebene des Fluidstromes (1, 7;
2, 6) stehende Achse (3) rotiert.
10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor zumindest eine, vorzugsweise zumindest
zwei voneinander beabstandete, um die Achse (3) rotie
rende Scheibe/n (5) umfaßt.
11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Scheibendurchmesser zwischen 10 mm und 1000 mm
beträgt.
12. Wärmetauscher nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Scheiben (5) im wesentlich parallel
zueinander angeordnet sind.
13. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 10 bis 12, da
durch gekennzeichnet, daß zwischen den Scheiben (5)
Abstandhalter (4) mit kleinerem Durchmesser als dem
Scheibendurchmesser angeordnet sind.
14. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 10 bis 13, da
durch gekennzeichnet, daß die Scheiben (5) eine Dicke
zwischen 0,1 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm
und 2 mm, aufweisen.
15. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 10 bis 14, da
durch gekennzeichnet, daß Fluidstromausrichtmittel
derart vorgesehen sind, daß überwiegend der in Strö
mungsrichtung rotierende Teil der Scheiben (5) bzw. der
zwischen diesen Teilen liegende Raumbereich von den
Strömungslinien dieses Fluidstromes (1, 7; 2, 6) durch
setzt ist.
16. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 10 bis 15 mit
zumindest einem Kanal für einen Fluidzustrom (1, 2) und
zumindest einen Kanal für einen Fluidabstrom (7, 6),
dadurch gekennzeichnet, daß die der Scheibenachse (3)
abgewandte Begrenzung des Abstromkanals bezüglich der
der Scheibenachse (3) abgewandten Begrenzung des Zu
stromkanals in einer Ebene senkrecht zu der Scheiben
achse (3) von der Scheibenachse (3) weg geneigt ist.
17. Wärmetauscher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die mittlere Strömungsrichtung des Fluidabstroms
(7, 6) bezüglich der mittleren Srömungsrichtung des
Fluidzustroms (1, 2) in einer Ebene senkrecht zu der
Scheibenachse (3) von der Scheibenachse (3) weg geneigt
ist.
18. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 16 oder 17 mit
zumindest zwei Kanälen für jeweils einen Fluidzustrom
(1, 2) und zumindest zwei Kanälen für jeweils einen
Fluidabstrom (7, 6), dadurch gekennzeichnet, daß die
Zustromkanäle im wesentlichen gegensinnig aufeinander
zulaufen und daß die der Scheibenachse (3) abgewandte
Begrenzung jedes Abstromkanals bezüglich der der Schei
benachse (3) abgewandten Begrenzung des zugehörigen Zu
stromkanals in einer Ebene senkrecht zu der Scheiben
achse (3) von der Scheibenachse (3) und dem jeweils
anderen Fluidstrom (2, 6; 1, 7) weg geneigt ist.
19. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 18, ge
kennzeichnet durch zumindest ein bezüglich der Ober
fläche/n bzw. der/des Oberflächenbereiche/s ruhendes
Leitblech (8), welches an gewünschter Position eine
Trennung des Fluidabstromes (6, 7) von der/den Ober
fläche/n bzw. dem/den Oberflächenbereich/en fördert.
20. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 7 bis 19, ge
kennzeichnet durch zumindest zwei in Strömungsrichtung
hintereinander angeordnete Rotoren.
21. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 20, ge
kennzeichnet durch Mittel zur Beaufschlagung des ersten
Fluidstroms (1, 7) vor Eintritt in den von ihm durch
strömten Raumbereich (9′ oder 9′′) mit einer verdamp
fenden Flüssigkeit.
22. Wärmetauscher nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Fluidstrom (1, 7) ein Gasstrom, vorzugs
weise ein Luftstrom ist.
23. Wärmetauscher nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekenn
zeichnet, daß die verdampfende Flüssigkeit Wasser in
Form feiner Tröpfchen bzw. als Nebel umfaßt.
24. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 21 bis 23, da
durch gekennzeichnet, daß der zweite Fluidstrom (2, 6)
ein Luftstrom ist und daß die Fluidführungsmittel der
art ausgestaltet sind, daß der Luftstrom einem mit
kühler Luft zu versorgendem Innenraum zugeleitet wird.
25. Verfahren zur Temperierung zumindest eines gerichteten
Fluidstroms (1, 7; 2, 6),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Fluidstrom (1, 7; 2, 6) in die unmittelbare
Nähe zumindest einer/s geeignet temperierten, sich im
wesentlichen zu sich selbst tangential bewegenden Ober
fläche bzw. Oberflächenbereichs, deren/dessen Bewe
gungsrichtung eine dem Fluidstrom (1, 7; 2, 6) gleich
gerichtete Bewegungskomponente aufweist, geführt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch die
Verwendung eines Wärmetauschers nach einem der Anprüche
1 bis 20.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Fluidstrom (1, 7; 2, 6) durch einen
von zwei geeignet temperierten, aufeinander zuweisen
den, sich im wesentlichen zu sich selbst tangential und
parallel zueinander bewegenden Oberflächen bzw. Ober
flächenbereichen begrenzten Raumbereich (9′, 9′′) ge
führt wird, wobei der Fluidstrom (1, 7; 2, 6) zwischen
den Oberflächen bzw. Oberflächenbereichen eine der
Bewegungsrichtung der Oberflächen bzw. Oberflächenbe
reiche gleichgerichtete Bewegungskomponente aufweist.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch
gekennzeichnet, daß ein erster Fluidstrom (l, 7) durch
einen ersten Raumbereich (9′) und ein zweiter Fluid
strom (2, 6) durch einen zweiten Raumbereich (9′′)
geführt wird und die bewegte/n Oberfläche/n bzw. der/
die bewegte/n Oberflächenbereich/e zumindest den ersten
Raumbereich (9′) und den zweiten Raumbereich (9′′) ab
wechselnd, vorzugsweise periodisch abwechselnd, begren
zen oder durchlaufen.
29. Verfahren nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch einen
Verfahrens schritt des Beaufschlagung des ersten Fluid
stroms (l, 7) vor dessen Eintritt in den ersten Raumbe
reich (9′) mit einer verdampfenden Flüssigkeit.
30. Verfahren nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch einen
Verfahrens schritt des Zerstäubens der zu verdampfenden
Flüssigkeit vor oder während diese dem ersten Fluid
strom (1, 7) beaufschlagt wird.
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DE19545209A DE19545209A1 (de) | 1995-12-05 | 1995-12-05 | Wärmetauscher und Verfahren zur Temperierung zumindest eines gerichteten Fluidstroms |
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CN96198860A CN1203658A (zh) | 1995-12-05 | 1996-12-05 | 用于调节至少一个定向的流体流温度的换热器和方法 |
JP9520992A JP2000501495A (ja) | 1995-12-05 | 1996-12-05 | 少なくとも1つの方向性流体流の温度を調節するための熱交換器とその方法 |
DE19681056T DE19681056D2 (de) | 1995-12-05 | 1996-12-05 | Wärmetauscher und Verfahren zur Temperierung zumindest eines gerichteten Fluidstroms |
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