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DE7225985U - Gaskältefalle

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Publication number: DE7225985U
Application number: DE7225985U
Authority: DE
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Publication date: 1972-10-12

Description

Die Neuerung betrifft Verbesserungen an Gaskältefallen und bezieht sich insbesondere auf eine solche Gaskältefalle, die eine Kammer oder ein Gehäuse, worin man Gasfluß, aus dem man mindestens einen Bestandteil auffangen will, einführt und dann abzieht, ferner einen Behälter für einen Vorrat an einem Kältemittel innerhalb der Kammer, ein Füllrohr oder sonstige Mittel zur Einführung von Kältemittel in den Behälter, ein zu einer Schlange gewickeltes Rohr oder Abführungseinrichtungen für Kältemittel aus dem Behälter aufweist, das mit dem oberen Teil des Behälters in offener Verbindung steht und eine

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Kondensations- und Auffangfläche für den aufzufangenden Bestandteil',^ bildet. Derartige Kältefallen sind besonders geeignet für die Gefriertrocknung von wässrigen und nichtwässrigen Lösungen. Sie können mit Vorteil bei Industrieanlagen eingesetzt werden, die unter Vakuum arbeiten, wie Geräte der Metallurgie und Metallisierung sowie für die Vakuumdestillation.

^- Für diese letzteren Anwendungsfälle ist der je Kondensationsflächeneinheit verfügbare Wärmefluss relativ schwach. Mit anderen Worten ist je Oberflächeneinheit und Zeiteinheit die zwischen dem Kältemittel und dem Gasfluss zwecks Kondensation mindestens eines Bestandteiles des letzteren ausgetauschte Wärme nicht sehr groß. Um diesen Mangel auszugleichen, ist man also gezwungen, die Kondensationsoberfläche derart zu vergrößern, daß man in der Zeiteinheit eine beträchtliche Menge des aufzufangenden Bestandteiles kondensieren kann. Bei Ab-

( zugseinrichtungen, die aus einer ScHange bestehen, bedeutet dies, daß die Länge dieser Sehlange relativ groß sein muß. Dementsprechend wachsen auch die Sperrigkeit und der Gestehungspreis für die Fertigung einer solchen Kältefalle.

Der geringe Wärmefluss, den man je Kondensationsflächeneinheit erreicht, ergibt »,ich nämlich aus einem schlechten Wärmeauetauschh«ef£lzienten zwischen dem Kältemittel und dem Gasfluss, um insbesondere aus einem schlechten Auetauachkoeffizienten zwischen dem Kältemittel und der metallischen Kondensationuwand. Falls die Kondeneationiwand einen Vorrat an Kältemittel in flüs-

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slger Form umschließt, begünstigt nämlich die relative Unbeweglichkeit des Kältemittels in dem Vorratsbehälter keinen guten Wärmeaustauschkoeffizienten zwischen dieser Wand und der Flüssigkeit. Falls die Kondensationswand eine Abzugsschlange für das Kältemittel in Dampfform umschließt, reicht im allgemeinen die Gaskonvektion nicht aus, um einen guten Austauschkoeffizienten zwischen dieser Wand und dem Dampf des Kältemittels zu erzielen.

Die Aufgabe der Neuerung besteht deshalb darin, den Austauschkoeffizienten zwischen einer Kondensationswand und einem diese abkühlenden Kältemittel bei einer Kältefalle der vorstehend angegebenen Gattung zu erhöhen.

Die Neuerung betrifft eine Gaskältefalle mit einem thermisch isolierten Gehäuse, das eine erste öffnung für die Einführung eines Gasflusses, aus dem man mindestens einen Bestandteil au-f-O fangen will, und eine zweite öffnung für dfe Abführung des Gasflusses aufweistι mit einem Im Inneren des Gehäuses angeordneten Vorratsbehälter für ein Kältemittel, Einführungseinrichtungen für ein Kältemittel ins Innere des Vorratsbehälters und Abzugseinrichtungen für Kältemittel aus dem Vorratsbehälter, die mit dem oberen Teil des Vorratsbehälter in offener Verbindung stehen und eine -. Auffangflache für den aufzufangenden fceetaudteil- bilden« Gemäß der Neuerung bestehen die Abführeinrichtungen aus mindestens einer in der Nähe und Im Abstand des Vorratsbehälter» angeordneten Außenwand, die mit der Wand d«ts Vorratsbehälter» mindestens eine Leitung bildet, deren

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eines Ende in offener Verbindung mit dem oberen Teil des Vorratsbehälter β entsprechend einer öffnung steht, die in dieser Leitung einen überlauf für das Kältemittel bildet, mindestens mehreren im wesentlichen geraden Rohren, die in einem Abstand von der Außenwand angeordnet sind und deren eines Ende in offener Verbindung mit dem anderen Ende der Leitung steht, während ihr anderes Ende in offener Verbindung mit einem Abführungsauffanggefäß für Kältemittel steht.

Vorzugsweise sind die Rohre zumindest teilweise mit: einem porösen durchlässigen Material gefüllt.

Dieser besondere Aufbau der Abführungseinrichtungen für das Kältemittel gestattet diesem, in Zweiphasenform, d. h. In Form eines Gas-Dampfgemisches während des Hauptteiles seines Durchlaufes durch das Innere der Abführungseinrichtungen zu zirkulieren. Es ergibt sich somit eine merkliche Verbesserung χ des Austauschkoeffizienten zwischen den Kondensationswänden des Gasflusses und des Kältemittels, verglichen mit dem Fall, wo«· das Kältemittel im wesentlichen in Gasform in den Abzugseinrichtungen zirkuliert, naöhdem es in flüssiger Form die Wand des Vorratsbehälters gekühlt hat, um auf dieser mindestens einen Bestandteil des Gafiflusses zu kondensieren.

Die Anordnung der Abzugseinrichtungen gemäß der Neuerung gestattet nämlich zunächst einmal, ein Gas-Dampfgemisch des Kältemittels in erzwungener Konvektion entlang der Außenfläche in der Leitung In Umwälzung zu bringen, die durch letztere und

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die Wand des Vorratsbehälters bestimmt ist. Dieselbe Anordnung gestattet dann, in den rund um die Außenwand angeordneten Rohren ein Gemisch aus Tröpfchen des Kältemittels und Kältemitteldämpfen umlaufen zu lassen, wobei der Gasanteil in geregelter Weise größer wird, während das Kältemittel sich zum Abströmende der Rohre verlagert. Außerdem gestattet das in diesen Rohren angeordnete poröse Material/ das im allgemeinen aus Kupferspänen besteht, die Fiüssigkeitströpfehen fein aufzuteilen und das Gas-Dampfgemisch des Kältemittels zu homogenisieren. Es ergibt sich ein besonders hoher Austauschkoeffizient zwischen der Wand der Rohre und dem in diesen umlaufenden Kältemittel

Da der je Oberflächeneinheit der Außenwand und je Oberflächeneinheit der Rohrwandung verfügbare Wärmefluss beträchtlich gesteigert ist, bieten die Kältefallen gemäß der Neuerung gegenüber den eingangs erwähnten Fallen bei gleicher Abtrennleistung eine kleinere Kondensationsoberfläche bzw. bei gleicher Kondensationsoberfläche eine größere Abtrennleistung. Es ergibt sich insbesondere, daß die Menge je Kondensationsflächeneinheit einer Falle kondensierte Gasmenge gemäß der Neuerung das 2- bis 3fache beträgt, wie die Kondensationsmenge einer Falle, deren Kondensationsoberflächen durch ein siedendes Kältemittel gskühlt werden.

Da außerdem die Außenwand einen Schirm für den Vorratsbehälter bildet, ist der Wärmeeintritt durch Strahlung gegen das in dem Behälter enthaltene Kältemittel merklich vermindert.

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Sine Kältefalle gemäß der Neuerung hat aXio eine verbesserte Wärmeausbaute und einen verminderten Verbrauch an Kältemittel.

Nachstehend wird die Neuerung im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

Flg. 1 zeigt in dem Schnitt nach Linie Z-I der Fig. 2 eine Kältefalle nach der Neuerung.

Fig. 2 ist ein Schnitt nach Linie II-II der Fig. 1 durch dieselbe Kältefalle.

Die Kältefalle gemäß der Neuerung ist völlig in einem Gehäuse 1 umschlossen» das einen Zylinderstutzen 2 mit ausgewölbtem Boden und einen Deckel 3 aufweist, der in dichter Weise jedoch lösbar auf den Zylinderstutzen mittels eines Flansches 4 und nicht dargestellten Bolzen aufsetzbar ist. Der Deckel 3 ist fj mit einer ersten Öffnung oder Leitung 5 ausgerüstet, die gegebenenfalls tangential zu dem Zylinderstutzen 2 angeordnet ist und zur Einführung eines Gasflusses,aus dem man mindestens einen Bestandteil ausscheiden will, in das Gehäuse 1 dient. Der Stutzen 2 besitzt in seinem unteren Teil eine zweite öffnuo« oder radiale Leitung 6 zur Abführung des in das Gehäuse 1 eingeleiteten Gasflusses. Im Inneren des Gehäuses l ist vor der Eingangsöffnung der Leitung 6 für den Gasfluss eine Umlenk fläche 7 angeordnet.

Das Gehäuse 1 ist durch eine Außenschicht 8 aus geeignetem Ma-

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terlal thermisch Isoliert. Der ausgewölbte Boden des Gehäuses ι besitzt eine Abzugsöffnung 30 für während der Ausscheidung angesammeltes Kondensat, und diese öffnung 1st wahrend des Betriebs der Falle durch eine Scheibe 9 verschlossen.

Die Kältefalle besitzt ferner einen Vorratsbehälter 15 mit zylindrischer Wand 41 für ein Kältemittel in flüssiger Form, Der Behälter 15 ist in der Mitte des Gehäuses 1 angeordnet und mit einem einwärts gewölbten Boden 13 versehen. Ein Rohr 19, das dicht den Deckel 3 des Gehäuses 1 durchsetzt, dient zur Einführung des Kältemittels in flüssiger Form im Inneren des Vorratsbehälters 15. Abzugseinrichtungen 10 für in dem Vorratsbehälter 15 enthaltenes Kältemittel stehen in offener Verbindung mit dem oberen Teil des Behälters 15. Sie bilden eine Oberfläche 11 zur Abscheidung durch Kondensation für mindestens einen Bestandteil des im Inneren des Gehäuses 1 umlaufenden Gasflusses.

Die Abzugseinrichtung 1© für Kältemittel besitzt zunächst einmal eine zylindrische mit dem Vorratsbehälter 15 koaxiale Außenwand oder Metallhülle 12, die in Abstand von der Wand des Behälters 15 dicht an diesem angeordnet ist. Die Hülle 12, die den Vorratsbehälter 15 umgibt, ist an ihrem unteren Ende mit dem Behälterboden 13 fest verbunden, der sich radial über den Behälter 15 nach außen erstreckt. Die Hülle 12 besitzt einen nach außen gewölbten oberen Boden 14. Der Vorratsbehälter 15 ist an seinem oberen Teil offen. Die Hülle 12 und die Wand 41 des Behälters 15 umgrenzen also eine Ringleitung 40,

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deren oberes Ende mit dem Behälter 15 entsprechend einer öffnung in Verbindung steht» die abh zwischen der Oberkante der Zylinderwand 41 und dem oberen Boden 14 der Hülle 12 befindet. Wie nachstehend beschrieben, bildet im Betrieb diese Öffnung einen überlauf in der Leitung 40 für das im Vorratsbehälter 15 enthaltene Kältemittel. Das Speiserohr 19 für Kältemittel ist dicht durch die Hülle 12 geführt. _r,

J Die Abzugseinrichtung 10 fttr Kältemittel besitzt ferner mehre-. re Metallrohre 16, die im wesentlichen senkrecht rings um den Behälter 15 und die Hülle 12 in Abstand von letzterer angeordnet sind. Das untere Ende jedes Rohres 16 ist am unteren Teil der Hülle 12 angeschweißt und steht in offener Verbindung mit dem unteren Ende der Ringleitung 40. Das obere Ende jedes Rohres 16 ist an ein Sammelgefäß 17 für die Abführung von Kältemittel angeschweißt.und steht mit diesem <bn offener Verbindung. Das Sammelgefäß, Bat die Gestalt eines Zylinderkastens,

.■"\ der mittig im oberen Teil des Gehäuses 1 oberhalb des oberen Bodens .14 der Hülle 12 angeordnet ist. Jedes Rohr 16 ist in seinem senkrechten Teil mit einem porösen Metallmaterial 18, z. B. Kupfer spänen, gefüllt. Die Rohre 16 können auf ihrer Außenseite radiale und/oder längsgerichtete Rippen besitzen, die aus der Masse jedes Rohres ausgearbeitet oder aufgesetzt sind. Ein Axialrohr 20, das den Deckel 3 in dichter Weise durchsetzt und ins Innere des.' Sammelgefäßes 17 eindringt, gestattet die Abführung von Kältemittel in Dampfform, das sich in dem · Sammelgefäß 17 gesammelt hat.

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Temperaturregler gestatten die Temperaturhöhen zu regeln, die man an jedem Punkt der Kondensationsoberfläche der Kältefalle erhält. Diese Regler bestehen aus einer im Inneren des Abzugrohre» 20, also abstromseitig im Auffanggefäß im Umlaufsinne des Kältemittels angeordneten Temperatursonde, sowie einem Ventil, das de in den Vorratsbehälter 15 eingeführte Menge flüssigen Hältemittels zu regeln gestattet. Das nicht dargestellte Ventil ist in dem Speiserohr angeordnet, außerdem ist ein ebenfalls nicht dargestellter Reglerkasten vorgesehen.

Die Kältefaliengemäß Fig. 1 und 2 besitzen ferner eine ebenfalls nicht dargestellte Vorrichtung zur Verflüssigung oder Verdampfung aufgefangener Kondensate während des Betriebes. Diese Vorrichtung kann aug einer oberhalb des Sammelgefäßes 17 angeordneten Ansaugkrampe zur Einführung eines warmen Strömungsmittels in das Gehäuse 1 »-oder aber sie _ kann auch aus einem im Inneren des Gehäuses 1 angeordneten Rohr bester hen, worin ein warmes Strömungsmittel umläuft, wodurch man die Vermischung dieses Strömungsmittels mit dem Kondensaten vermeidet und letztere in reinem lustand zurückgewinnen kann.

Ein Rost 22 ist innerhalb des Gehäuses 1 unter der Hülle 12 angeordnet. Dadurch läßt sich vermeiden, daß feste Kondensate mit dem wärmeren Boden des Gehäuses 1 in Berührung kommen und ihre Dampfspannung in dem Inneren der Kältefalle wiederansteigen.

Die vorstehend besdiriebene Kältefalle kann beispielsweise in

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den Pumpkreis einer Kammer dicht vor der primären Pumpgruppe integriert werden. Zn diesem Fall stehen die Leitung 6 mit dem Eingang der primären Pumpgruppe und die Leitung 5 mit der sekundären Pumpgruppe in Verbindung.

Der Vorratsbehälter 15 wird in Betrieb insbesondere bei einer Kältefalle, die einen Teil eines Pumpkreises wie vorstehend be-' sehrieben bildet, mit flüssiges Kältemittel, wie flüssigem

ν ^! Stickstoff, durch das Rohr 19 gespeist, dessen Niveau sich von selbst auf einer oberen Grenze entsprechend der Oberkante ' der Wand 41 des Vonatsbehälters 15 hält. Wenn das Kältemittel siedet, treten die entstehenden Dämpfe in die Ringleitung 40 ein, wobei ein Teil der im Vorratsbehälter 15 enthaltenen Flüssigkeit mitgerissen wird. Letztere* läuft also in die Leitung 40 über die Oberkante der Zylinderwand 41 über. Die so erhaltene Gas-Flüssigkeitsmischung strömt dann im wesentlichen in absteigender Richtung im Inneren der Leitung 401 Man er-

/' hält so eine schwach turbulente Strömung des äweiphasigen Kältemittels, was die Abkühlung der Hülle 12 auf ein Temperaturniveau ziemlich nahe dem Siedepunkt der Kälteflüssigkeit bewirkt.

Das zweiphasige Kältemittel tritt dann in die Rohre 16 ein. Die Von den Kä&teemltteldämpfen mitgerissenen Flüssigkeitströpfchen werden dann infolge fiurohganges durch die Kupferapäne 18 fein zerteilt. Man erhält so einen sehr homogenen Kältemittelnebel in iwaiphaienfoifTO mit der Besonderheit, daß er einen sehr hohen Auetautohkoefflzienten mils der Wand der Rohre 16

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bietet. Nach Maßgabe des Fortschrittes und Aufsteigens des Nebels im Inneren der Rohre 16 nimmt der Dampfanteil des Kältemittels in geregelter Weise zu. Dann erwärmt sich das Kältemittel in Dampfform, das im oberen Teil der Rohre 16 gebildet ist, allmählich im letzten Teil der Rohre. Das Gas wird in mindestens teilweise wiedererwärmtem Zustand in dem Auffanggefäß 17 gesammelt und dann aus der Falle durch das Rohr 20 abgezogen. Die Außenflächen der Rohre 16 werden so auf ein höheres Temperaturniveau abgekühlt/ als die Außenfläche der Hülle 12.

Im Betrieb werden die Temperaturhöhen, die für die Hülle 12 und die Wand der Rohre 16 kennzeichnend sind, mittels der Temperatursonde 21 konstant geregelt, welche die Regelung der in den Vorratsbehälter 15 eingeführten Kältemittelmenge gestattet. Wenn die Temperaturen der Hülle 12 und der Rohre 16 über die gewünschten Sojfcifewerte ansteigen, wird die in den Behälter 15 eingeführte Menge Kältemittel erhöht. Wenn diese Temperaturen gegenüber den gewünschten Sollwerten sinken, wird die eingeführte Kältemittelmenge herabgesetzt.

Was den Gasflus-s betrifft, aus dem man gewisse Bestandteile auffangen will, so dringt dieser in das Gehäuse 1 durch die Leitung 5 oberhalb der Hülle 12 und des Behälters 15 ein. Am Kontakt mit den Rohreft«16 wird er vorgekühlt» gewisse Verunreinigungen können schon kondensiert und auf der Außenfläche der Rohre 16 beim höchsten Temperaturnineau ausgeschieden werden. Der Gasfluss wird dann am Kontakt mit dem Mantel 12 wei-

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tergekühlt» andere Verunreinigungen werden kondensiert und beim niedrigsten Temper aturniveau auf der Außenfläche der Hülle 12 niedergeschlagen. Der Gasfluss verläßt darauf die Falle durch die Leitung 6.

Entsprechend dem Betrieb der Falle Wächst die Dicke der Schicht von kondensierten Substanzen, und ihr Restdruck nimmt am Ausgang der Falle zu. Die für die Restdrücke der abgeschiedenen Substanzen zugelassenen Grenzwerte bestimmen die Sättigungsdauer der Falle. Am Ende dieser Zeit wird die Falle abgetrennt, die Abzugsöffnung 30 für Kondensate geöffnet und die Vorrichtung in Betrieb gesetzt, welche die Verflüssigung oder Verdampfung der Kondensate gestattet. Wie schon erwähnt, kann dfese aus einem Rohr bestehen, das im Inneren des Gehäuses 1 angeordnet ist, und worin ein warmes Strömungsmittel umläuft. Das Kondensat- schmilzt oder verdampft und entweicht durch die öffnung 30.oder die Öffnung 6. Alsdann kann die Falle wieder in Betrieb gesetzt werden.

Beispielshalber erhält man mit einer Kältefalle gemäß Fig. und 2, die mit flüssigem Stickstoff gespeist wird, folgende Temperaturniveaus:

Außenfläche der Hülle 12: 80° K Außenfläche der Rohre 16: 90° K

Die Leistungen einer solchen Falle sind folgendet

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Nennleistung an Kondensat: 50 kg

Verbrauch an flüssigem Stickstoff: 8 bis 10 kg/kg abgetrenntes Wasser

Die vorstehend beschriebene Kältefalle kann mit Vorteil auf dem Gebiet der Vakuumtechnik benutzt werden, z. B. für Metallurgie unter Vakuum, Metallisierung, Destillation und Verdampfung unter Vakuum, Trocknung unter vermindertem Druck.

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Claims

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1. Gaskältefalle mit einem thermisch Isolierten Gehäuse _r das eine erste Öffnung für die Einführung eines Gasflusses» aus dem man mindestens einen Bestandteil ausscheiden will, und eine «weite Öffnungfür dessen Abführung besitzt, mit elnem Im Inneren des Gehäuses angeordneten Vorratsbehälter für ein Kältemittel, Einführungseinrichtungen für Kältemittel Ins Innere des Vorratsbehälters, Abzugseinrichtungen für Kältemittel aus dem Vorratsbehälter, die in offener Verbindung mit dem oberen Teil des Vorratsbehälters stehen und eine Auffangfläche für den auszuscheidenden Bestandteil bilden, dadurch gekennzeichnet, d*a» die Abführungseinrichtungen mindestens eine in der Nähe und im Abstand von dem Vorratsbehälter angeordnete Außenwand aufweisen, die mit der Wand des Vorratsbehälters mindestens eine Leitung bil-

■■ .·* det, deren eines Ende mit dem oberen Teil des Vorratsbehälters entsprechend einer Öffnung in offener Verbindung steht, die einen Oberlauf in der Leitung für das Kältemittel bildet, und daß sie mindestens mehrere im wesentlichen gerade Rohre aufweist, die im Abstand von der Außenwand angeordnet sind und deren eines Ende mit dem anderen Ende der Leitung und deren anderes Ende mit einem Sammelgefäß zur Abführung des Kältemittels in offener Verbindung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

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Rohre mindestens teilweise mit einem porösen Material gefüllt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material wärmeleitend ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet/ daß das poröse Material aus Kupferspänen besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand aus einer Hülle !besteht, die den Vorratsbehälter umgibt und mit dessen Wand eine Ring-leitung bildet, und daß die Rohre um diesen "Vorratsbehälter verteilt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Öffnung sich oberhalb des Vorratsbehälters und die zweite Öffnung auf der Höhe des unteren Teiles der Hülle befindenT

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit Regeleinrichtungen für die Temperaturen der Auffangoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung eine Temperatursonde im Inneren der Abführungseinrichtungen für das Kältemittel abstromseitig von dem . Sammelgefäß Im Sinne der Strömungsrichtung des Kältemittels aufweist.

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