DE2461032B2 - Vorrichtung zum Begasen und Umwälzen von z.B. wäßrigen Flüssigkeiten - Google Patents

Vorrichtung zum Begasen und Umwälzen von z.B. wäßrigen Flüssigkeiten

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Begasen und Umwälzen von z. B. wäßrigen Flüssigkeiten, vorzugsweise zwecks biologischer Reinigung, mit einer zur Gaszufuhr zur Flüssigkeit vorgesehenen Hohlwelle, welche an ihrem freien Ende einen Propeller trägt, in dessen Bereich eine Gasausströmöffnung vorgesehen ist, und der aus mindestens zwei schraubenförmigen, um den Umfang der Welle gleichmäßig verteilten Wendeln besteht, die eine Steigungsriehtuni» haben, die eine zum Ende der Hohlwelle gerich
tete Strömung erzeugt.
Derartige Vorrichtungen dienen vorzugsweise zur biologischen Klärung von wäßrigen Flüssigkeiten. Sie können aber auch für andere Zwecke verwendet wer-■ den, 2. B. zum Ausfällen von zweiwertigem Eisen aus Wasser durch Oxydation zu dreiwertigem Eisen oder zum Austreiben von Kohlensäure aus Kesselwasser durch Belüftung oder zur Reinigung von Gerbabwässern oder sonstigen mit Schwefelwasserstoff belaste-
i" ten Lösungen, wobei Schwefelwasserstoff zu elementarem Schwefel oxydiert wird oder in Fermentern zur Herstellung von Essigsäure oder Hefe oder z. B. auch Antibiotika usw.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist
i". bereit? z. B. durch die US-PS 3782702 bekanntgeworden, welche eine Vorrichtung zum Begasen und Mischen von verunreinigten Flüssigkeiten beschreibt, deren Propellersich aus zwei Bereichen mit entgegengesetzt zueinander verlaufenden Wendeln zusam-
-'" mensetzt, weiche im Bereich ihrer größten radialen Ausdehnung in einen zylindrischen Teil übergehen, welcher an seinem Umfang mit Gasausströmöffnungen versehen ist. Bei Rotation des Propellers werden in bezug zu seinem zylindrischen Mittelteil zwei ein-
-■> ander entgegengesetzte Strömungen erzeugt, die aufeinander zulaufen und dann in radialer Richtung abströmen, wobei das Gas zum Begasen der Flüssigkeit ebenfalls radial durch die am Umfang des zylindrischen Teils des Propellers angeordneten Öffnungen
«ι mitgerissen wird.
Bei den zu behandelnden Flüssigkeiten bzw. Gewässern handelt es sich im allgemeinen um Suspensionen mit Schwebstoff-Anteilen, so daß es - insbesondere nach Abbau der Kolloide und somit Verringe-
Γ) rung der Viskosität der Substrate - zu höheren Sinkgeschwindigkeiten der Schwebstoffe und zu Sedimentationen kommt; diese Sedimente werden jedoch häufig so fest, daß innerhalb derselben anerobe Zonen entstehen, wodurch wieder bei dem bekannten Behandlungsverfahren unerwünschte Fehlfunktionen eintreten bzw. übelriechende Substanzen gebildet werden.
Diese bekannte Anlage ist nicht in der Lage, einen mit hoher Geschwindigkeit austretenden starken gebündelten, axial gerichteten Strahl eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches zu erzeugen, mit dessen Hilfe es möglich ist, in jeder beliebigen Behälterform über größere Entfernungen hinweg auch verhältnismäßig unzugängliche Randzonen oder Raumwände zu errei-
»(I chen und somit auch dort über die gesamte Länge des erzeugten Strahls hinweg eine vielfach höhere Geschwindigkeit der umgewälzten Flüssigkeit zu erzielen und die Ablagerung von Sedimenten auf dem Grund des Behälters zu vermeiden.
ν-. Die US-PS 2151939 beschreibt die besondere Ausbildung eines Propellers, welcher beispielsweise zum Antrieb von Wasserfahrzeugen, in Turbinen, Rührwerken od. dgl. Verwendung finden kann.
Dieser Propeller besitzt Wendelfliichen, die an ih-
ho rein Außenrand mit den benachbarten Wendelflächen derart zusammengefügt sind, daß ausgerundete, konkave Flächen gebildet sind, die auf der von der Welle abgewandten Seite radial außerhalb der Außenseite der Welle gelegen sind.
tr. Der bekannte Propeller ist in der Lage, aufgrund seiner besonderen Ausgestaltung einen starken Schub in der Flüssigkeit zu erzeugen und ein Aufwühlen derselben sowie die Bilduni: von Wirbeln zu vermeiden.
wodurch ein Maximum an Antriebsenergie und ein Minimum an Verlust sichergestellt ist.
Der Propeller gemäß der genannten US-Patentschrift ist zwar geeignet zum Umwälzen von Flüssigkeiten, nicht aber zum gleichzeitigen Begasen derselben, da Öffnungen zur Gaszufuhr fehlen.
Darüber hinaus ist der Propeller nicht in der Lage, einen eng gebündelten, weitreichenden Strahl in ein-;r Flüssigkeit zu erzeugen, da die Flügel desselben nur eine verhältniü.näßig kurze Strecke der Propellerwelle umlaufen und die Kraft des Propellers diagonal zu seiner Achse in einem Winkel von 45° verläuft.
Des weiteren stehen c!ie Wendelflächen des Propellers im wesentlichen senkrecht aus der Propellernabe vor. Dies hat zur Folge, daß irgendwelche in der umzuwälzenden Flüssigkeit schwebende oder mitgeführte Grobstoffe, wie etwa Textilreste od. dgl., an den Propellerwendeln hängenbleiben können, wodurch die Wirkung des Propellers zunichte gemacht wird.
Durch die US-PS 2 928 661 ist eine Vorrichtung mit einer Hohlwelle zur Gaszufuhr für die Flüssigkeit bekanntgeworden.
Diese Vorrichtung weist am eingetauchten Ende der Hohlwelle zwei im Abstand zueinander auf derselben befestigte Propeller auf, die eine gegen den Boden des Behälters gerichtete Strömung in der Flüssigkeit erzeugen, wobei durch Rotation der Welle über senkrecht an derselben befestigte offene Rohrstücke Gas in radialer Richtung in den Flüssigkeitsstrom eingebracht wird. Der untere Propeller dient zur nochmaligen Beschleunigung des Flüssigkeitsstroms mit den Gasblasen, bevor die Strömungsgeschwindigkeit zu langsam wird, um den Blasen ein Ausbreiten unterhalb des unteren Propellers zu erlauben. Das untere Ende der Hohlwelle ist verschlossen.
Aufgrund des großen Abstandes der Propeller zueinander werden zwischen ihnen bei Rotation derselben in der Flüssigkeit Turbulenzen auftreten, so daß je nach Flüssigkeitsviskosität die Bewegungsenergie derart aufgezehrt werden kann, daß der Flüssigkeitsstrom zwischen den Propellern abbricht, wodurch die Strahlreichweite des Gesamtsystems erheblich beeinträchtigt wird.
Die Flügel der Propeller umlaufen die Hohlwelle nur eine kurze Strecke lang und besitzen einen sehr stellen Anstellwinkel. Hierdurch ist die Verweildauer der Flüssigkeit im Bereich der Propeller gering, wodurch ebenfalls radiale Bündelung und Beschleunigung des Flüssigkeitsstrahles negativ beeinflußt werden.
Verstärkt wird dieser Effekt noch dadurch, daß quer zur Strömungsrichtung an der Hohlwelle die Saugrohre für die Gaszufuhr angeordnet sind, welche in der Flüssigkeit einen energieverzehrenden Widerstand erzeugen.
Darüber hinaus erfordert die Umlenkung des radial in den Flüssigkeitsstrom eingebrachten Gases Energie, welche die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit zusätzlich mindert.
Des weiteren besitzt die bekannte Vorrichtung den Nachteil, daß der Durchmesser der öffnungen der Luftansaugrohre gering bemessen ist, wodurch einmal die Möglichkeit des Verstopfens derselben besteht, zum anderen wird mit Hilfe der kleinen AnsaugölT-nungen bei Rotation der Hohlwelle nur eine geringe Saugwirkung erzielt, so daß zusätzlich die Anordnung oincr GiiseinnreLWorrichtung am oberen Ende der Hohlwelle erforderlich ist, welche die Gesamtkonstruktion zusätzlich verteuert und vor allem Bewegungsenergie aufzehrt, was letztlich zu einer weiteren Verringerung der Strahlweite der Vorrichtung beiträgt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der ein mit hoher Geschwindigkeit austretender, axial gerichteter und eng gebündelter, weit reichender Strahl eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches innerhalb der zu begasenden und umzuwälzenden Flüssigkeit erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß
a) die Wendeln längs wenigstens zwei Drittel des Umfanges der Hohlwelle laufen,
b) die Hohlwelle an ihrem eingetauchten Ende die axiale Gasausströmöffnung aufweist, und
c) der Radius der Wendeln des Propellers gegen das eingetauchte Ende der Hohlwelle von Null an zunimmt.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kombination von Merkmalen ist es möglich, bei Rotation des Propellers der Vorrichtung einen in axialer Richtung extrem stark beschleunigten, weit reichenden Flüssigkeitsstrahl zu bilden, welcher unterhalb des Flüssigkeitsspiegels aus aen Austrittsöffnungen der Hohlwelle die für den Gaseintrag erforderliche Menge mitreißt und in der Lage ist, auch über größere Strecken hinweg gezielt zu wirken und unerwünschte Sedimentationen und die Bildung von Zonen stillstehender Flüssigkeit zu verhindern. - Dadurch, daß die Wendeln des Propellers der erfindungsgemäßen Vorrichtung längs wenigstens zwei Drittel des Umfangs der Hohlwelle laufen und deren Radius gegen das eingetauchte Ende der Hohlwelle von Null an zunimmt, wird eine große Verweilzeit der Flüssigkeit im Propeller und damit eine kontinuierliche, gebündelte, stark beschleunigte Strömung erzeugt, welche sich durch eine extrem große Strahlreichweite auszeichnet. Durch die Zunahme des Radius der Wendeln gegen das eingetauchte Ende der Hohlwelle von Null an wird darüber hinaus erreicht, daß die im Wasser mitgeführten Grobstoffe sich nicht an den beginnenden Wendelflächen festsetzen und dadurch die Bildung eines weitreichenden Flüssigkeits-Gas-Strahles beeinträchtigen können. - Dadurch, daß die Hohlwelle an ihrem eingetauchten Ende die axiale Gasausströmöffnung aufweist, wird eine optimale Ejektorwirkung erzielt und eine weitreichende, axiale Führung des Gasstrahles bewirkt, derart, daß über die gesamte Reichweite des Strahles hinweg eine intensivere Durchwirbelung des erzeugten Flüssigkeitsstrahls mit Gas und eine Anreicherung der Flüssigkeit mit dem Gas erfolgt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindungsind die an der Hohlwelle angesetzten Wendeln entlang ihres Außenrandes zur Gas-Ausströmöffnung der Hohlwelle schaufeiförmig gebogen. - Hierdurch wird eine einwandfreie axiale Bündelung und eine nahezu allseitige Umfassung des Flüssigkeitsvolumens des innerhalb der Wendelgänge vorwärts getriebenen Flüssigkeitsstrahles gewährleistet, d. h., ein etwaiges radiales »Ausbrechen« desselben wird mit Sicherheit vermieden, was wiederum der Geschwindigkeit und der Ejektorwirkung des Flüssigkeitsstrahls sowie der Reichweite des Flüssigkeits-Gas-Gemisch-Strahles zugute kommt.
Vorteilhaft ist weiterhin, daß am freien Ende der Hohlwelle eine Wendelf lache an ihrem Außenrand
mit einer benachbart liegenden Wendelfläche derart zusammengefügt ist, daß eine ausgerundete, konkave Fläche gebildet ist, die auf der vom Hohlraum der Welle abgewandten Seite gelegen ist. - Durch diese strömungsgünstige Ausgestaltung wird erreicht, daß der angesogene Flüssigkeitsstrahl ohne großen Energieeinsatz mit Sicherheit in axialer Richtung auf Höchstgeschwindigkeit beschleunigt wird, wodurch eine hohe Ejektorwirkung des Strahls und eine große Reichweite des Flüssigkeits-Gas-Gemisch-Strahles gewährleistet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsform der Erfindung bilden die Wendeln mit ihrer ganzen Fläche mit der Längsachse der Hohlwelle vom freien Ende der Welle aus gesehen einen spitzen Winkel. - Dieses Ausbildung ist für die Gesamtwirkung der Vorrichtung sehr vorteilhaft, da hierdurch eine zusätzliche Beschleunigung des Flüssigkeitsstrahles gegen das Ende der Hohlwelle mit der Gasausströmöffnung und damit gleichzeitig eine Erhöhung der Ejektorwirkung erzielt wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Steigung der Wendeln in axialer Richt ung gegen die Gasausströmöffnung der Hohlwelle ab, was ebenfalls zu einer Förderung der Effektivität der Gesamtkombination im Sinne der Aufgabenlösung beiträgt. Hierdurch wird die Flüssigkeit nochmals in Richtung zur Ejektorzone zusätzlich beschleunigt. wodurch die Menge des angesaugten Gases erhöht und einer Abbremsung des Flüssigkeitsstronies in diesem Bereich entgegengewirkt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung erstreckt sich das freie Ende der Hohlwelle über das Ende der Wendel hinaus. Hierdurch wird erreicht, daß der in axialer Richtung ausströmende Flüssigkeitsstrahl, der etwa die Form eines verhältnismäßig eng gebündelten Wirbelzopfes besitzt und sog. »Bäuche« und »Knoten« aufweist, um etwa eine halbe sog. »Wellenlänge« vorsteht, also bis über den ersten »Schwingungsknoten« hinaus und innerhalb des zweiten »Schwingungsbauches« angeordnet ist, wodurch intensivste Durchwirbelung des Flüssigkeitsstrahles mit Gas in kleinsten Bläschen und somit lange Verweilzeiten und entsprechend große Reichweiten des mit Gas angereicherten Flüssigkeitsstrahles erzielt werden.
Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Wendeln über das freie Ende der Hohlwelle flossenförmig vorstehen. Hierdurch wird ebenfalls eine zusätzliche Beschleunigung der Flüssigkeit in der Ausstoßzone und eine bessere Durchwirbelung mit Luftbläschen über die gesamte Reichweite des Strahls hinweg bewirkt.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine besondere Gesamtwirkung aus. Sie ermöglicht unter Verwendung einer beträchtlich verminderten Energiemenge die erforderliche Gaseinmischung und Flüssigkeitsumwälzung herbeizuführen.
Durch den Umstand, daß die Vorrichtung einen gut zusammengehaltenen, axial gerichteten Flüssigkeitsstrahl erzeugt, können unerwünschte Sedimentationen und die Bildung von Zonen stillstehender Flüssigkeit vermieden werden. Durch die besondere Ausgestaltung der Wendeln des erfindungsgemäßen Propellers erhält der bei der Rotation der Welle erzeugte, zwischen naheliegenden Wendelflächen laufende Flüssigkeitsstrom eine Schraubbewegung, die das Gas ansaugt und sie mit Flüssigkeit gut vermischt.
Die Erfindung ist anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt einer als Beispiel gewählten Ausführung der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Stirnansicht des in Fig. 1 gezeigten Propcllers in Ansicht gegen das freie Ende der Hohlwelle,
Fig. 3 bis 6 fünf Ausführungsbeispiele des an der Hohlwelle angesetzten Propellers mit unterschiedlich ausgeformten Wendeln, deren Ganghöhe in axialer Richtung gegen das freie Ende der Hohlwelle abnimmt,
Fig. 7 eine Seitenansicht eines Propellers mit drei um den Umfang der Hohlwelle gleichmäßig verteilten Wendeln,
Fig. 8 die Querschnittsfläche längs der Linie H-JI in Fig. 7, und
Fig. 9 die Querschnittsfläche längs der Linie III-III in Fig. 7.
Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsfoim der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in einem Behälter für die zu behandelnde Flüssigkeit F eingetaucht. In der Figur bezeichnet 1 einen ortsfesten Träger, 2 ein Kardangelenk, in welchem das eigentlich als starre Einheit ausgebildete Mischaggregat allerseits verschwenkbar gelagert und in jeder gewünschten Betriebslage feststellbar ist. Die Vorrichtung selbst besteht aus einem Antriebsmotor 3 mit Schwenkhebel 4 und einer mit diesem Motor 3 starr gekuppelten Hohlwelle 5, welche an ihrem in die Flüssigkeit F eingetauchten, unteren Ende einen an derselben fix angesetzten Propeller P trägt. Die Hohlwelle 5 ist an ihrem oberen, über dem Flüssigkeitsspiegel befindlichen Abschnitt mit Gasansaugöffnungen oder -schlitzen 6 sowie in ihrem freien, unteren Ende mit einer axialen Gasausströmöffnung 7 versehen. Ferner trägt die Hohlwelle 5 nahe über ihrer Eintauchstelle in die Flüssigkeit Feinen Schaumabstreifer 8. Der am unteren Ende der Hohlwelle S - also unmittelbar vor ihrer axialen Ausströmöffnung 7 - fix angesetzte Propeller P besteht in diesem einfachsten Fall aus zwei diametral angeordneten, gleichförmigen Wendeln 9 von etwa einer vollen Ganghöhe.
Fig. 2 zeigt beide diesen Propeller P bildende Wendeln 9. die diametral einander gegenüber angesetzt sind.
Die in Fig. 3 bis 6 gezeigten vier Variationen des Propellers stellen verschiedene geometrische Ausgestaltungsformen zweier an der Hohlwelle 5 um 180° gegeneinander versetzter Wendeln 9 dar. Entlang ihres Außenrandes sind die Wendeln 9 leicht schaufeiförmig gebogen. Sie beginnen an ihrem oberen Ende praktisch mit dem Radius Null und nehmen über ihre Länge gegen die Gasausströmöffnung 7 in ihrer radialen Erstreckung stetig zu. Während in den Ausführungen nach Fig. 3 und 6 nur der Außenrand der Wendel 9 derart gewölbt ist, daß dieser mit der Längsachse der Hohlwelle 5, vom freien Ende der Welle gesehen, einen spitzen Winkel bildet, bilden in den Ausführungen nach Fig. 4 und 5 die Wendel 9 jeweils mit ihrer ganzen Fläche mit der Längsachse der Hohlwelle S einen spitzen Winkel. Fig. 5 zeigt eine Variante des Propellers P, dessen Wendeln 9 über die Gasausströmöffnung 7 flossenförmig vorstehen.
In Fig. 6 ist eine weitere vorteilhafte Ausfiihrungsform des Propellers P veranschaulicht, bei welchem der freie Endabschnitt der Hohlwelle 5 über das untere Ende der Wendeln 9 um einen erheblichen Betragvorsteht. Bei richtiger Ausbildung der Wendeln 9
hat der vom Propeller P in axialer Richtung abströmende Flüssigkeitsstrahl S etwa die Form eines verhältnismäßig eng gebündelten Wirbelzopfes mit nach Art eines Sehwingungsbildes erkennbaren Bäuchen und Knoten. Wenn nun über das Ende der Wendeln 9 das untere Ende der Hohlwelle 5 um etwa eine halbe sog. Wellenlänge dieses Wirbelstrahles 5 vorsteht also bis über den ersten Schwingungsknoten hinaus und zu einer Stelle innerhalb des zweiten Schwingungsbauches - wird ein optimaler Effekt erreicht, nämlich eine sehr intensive Durchwirbelung des Flüssigkcitsstrahles mit Gas in sehr kleinen Bläschen und somit lange Verweilzeit und entsprechend große Reichweite des mit Sauerstoff angereicherten Flüssigkeilsstrahles.
Fig. 7 zeigt näher die erfindungsgemäße Vorrich-
tung mit drei Wendeln 9, die um den Umfang der Hohlwelle 5 gleichmäßig verteilt sind. Der Radius dieser Wendeln vergrößert sich am untersten Ende der Hohlwelle, und der Außenrand 18 jeder Wendel 9 ist mit der Fläche einer naheliegenden Wendel derart zusammengefügt, daß eine ausgerundete, konkave Fläche 19 gebildet wird, die vom Hohlraum der Welle abgewandt und radial außerhalb der Außenseite der Welle gelegen ist, wodurch das Anhaften von Feststoffen am freien Ende der Hohlwelle verhindert und die Geschwindigkeit des axialen Flüssigkeitsstrahles beschleunigt wird.
Fig. 8 und 9 zeigen die Ausgestaltung der Wendeln 9 der Ausführungsform gemäß Fig. 7 auf verschiedenen Höhen des Propellers. Aus Fig. 9 gehen die ausgerundeten, konkaven Flächen 19 klar hervor.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
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Claims (7)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Begasen und Umwälzen von z. B. wäßrigen Flüssigkeiten, vorzugsweise zwecks biologischer Reinigung, mit einer zur Gaszufuhr zur Flüssigkeit vorgesehenen Hohlwelle, welche an ihrem freien Ende einen Propeller trägt, in dessen Bereich eine Gasausströmöffnung vorgesehen ist und der aus mindestens zwei schraubenförmigen, um den Umfang der Welle gleichmäßig verteilten Wendeln besteht, die eine Steigungsrichtung haben, die eine zum Ende der Hohlwelle gerichtete Strömung erzeugt, dadurch gekennzeichnet,
a) daß die Wendeln (9) längs wenigstens zwei Dritte·! des Umfangs der Hohlwelle (5) laufen,
b) daß die Hohlwelle (5) an ihrem eingetauchten Ende die axiale Gasausströmöffnung (7 bzw. la bzw. Tb) aufweist,
c) daß der Radius der Wendeln (9) des Propellers (P) gegen das eingetauchte Ende der Hohlwelle (5) von Null an zunimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Hohlwelle (5) angesetzten Wendeln (9) entlang ihres Außenrandes zur Gasausströmöffnung der Hohlwelle hin schaufeiförmig gebogen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am freien Ende der Hohlwelle (5) eine Wendelfläche an ihrem Außenrand (1) mit einer benachbart liegenden Wendelfläche derart zusammengefügt ist, daß eine ausgerundete, konkave Fläche (19) gebildet ist, die auf der vom Hohlraum der Hohlwelle abgewandten Seite gelegen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendeln (9) mit ihrer ganzen Fläche mit der Längsachse der Hohlwelle (5) vom freien Ende der Hohlwelle aus gesehen einen spitzen Winkel bilden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Wendeln (9) in axialer Richtung gegen die Gasausströmöffnung der Hohlwelle (5) abnimmt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das frei Ende der Hohlwelle (5) sich über das Ende der Wendeln (9) hinaus erstreckt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendeln (9) über das freie Ende der Hohlwelle flossenförmig vorstehen.
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