EP0566945B1 - Vorrichtung zum Erwärmen von Wasser, insb. Warmwasserheizkessel - Google Patents

Vorrichtung zum Erwärmen von Wasser, insb. Warmwasserheizkessel Download PDF

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EP0566945B1
EP0566945B1 EP93105917A EP93105917A EP0566945B1 EP 0566945 B1 EP0566945 B1 EP 0566945B1 EP 93105917 A EP93105917 A EP 93105917A EP 93105917 A EP93105917 A EP 93105917A EP 0566945 B1 EP0566945 B1 EP 0566945B1
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combustion chamber
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Richard Vetter
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24HFLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/24Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers
    • F24H1/26Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body
    • F24H1/28Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body including one or more furnace or fire tubes

Definitions

  • the invention relates to a device for heating water, in particular hot water boilers, with heat exchangers surrounding the combustion chamber and arranged below the combustion chamber, parallel, horizontally superimposed plate-shaped heat exchangers which are offset from one another to form an S-shaped flue gas outlet and longitudinal channels for both edges which have water which are connected to one another via a plurality of transverse channels which run transversely to the flue gas stream.
  • the invention has for its object to eliminate these disadvantages and accordingly to achieve in devices of the type mentioned that the thermal load on the heat exchanger surrounding the combustion chamber is reduced and the elasticity of the system and its control options are improved.
  • combustion chamber is arranged within a double-walled tube, the outer wall of which is formed at the bottom by the uppermost plate-shaped heat exchanger, from which the water can be introduced into the wall of the double-walled tube via a large number of small openings, and above and is laterally formed by a U-shaped wall part.
  • the double-walled tube opens up the possibility of assigning a larger water volume to the combustion chamber in order to make the water temperature control simpler and more elastic.
  • no thin-walled plate-shaped heat exchangers which as a rule are less thermally loadable, are used, but rather water receiving rooms, the capacity of which depends on the wall thickness of the double-walled tube, which can be chosen to be comparatively large.
  • a cylindrical tube is preferably used for the combustion chamber (inner tube of the double-walled tube), while the outer tube is formed by a bow-shaped wall part which merges into the edges of the plate-shaped heat exchanger at the bottom.
  • the large number of small openings serving for the passage of water into the wall of the tube still have the great advantage that the wall of the tube or the water therein is whirled through. In addition, it is ensured that a uniform mixing of the water in the wall of the tube can occur.
  • the hot water boiler is located in a housing indicated by dashed lines 1; it has a combustion chamber 2 with a burner 3 operated by oil or gas.
  • the outer diameter of the combustion chamber 2 is determined by a cylindrical metal tube 4. This is enclosed at the top and sides at a distance from a U-shaped wall part 5, the edges of which are watertightly connected to the edges of a plate-shaped, horizontally arranged heat exchanger 6.
  • the metal tube 4 thus forms the inner wall and the wall part 5 with the heat exchanger 6 forms the outer wall of a double-walled tube which surrounds the combustion chamber 2.
  • the heat exchanger 6 is the heat exchanger located at the top of a package, which consists of several plate-shaped heat exchangers For example, three heat exchangers 6, 7 and 8 are formed, which are arranged horizontally one above the other and are also laid parallel to the longitudinal axis of the double-walled tube.
  • the heat exchangers 7-8 are also offset from one another according to FIG. 2 in order to achieve an S-shaped flue gas discharge in the direction of the arrows 9. The discharge of the flue gases is shown at 1o.
  • each heat exchanger 6-8 are formed by longitudinal channels 11 (parallel to the main axis of the double-walled tube), which are mutually connected via vertical guides 12 for the water.
  • the longitudinal channels 11 of each heat exchanger 6-8 are connected via a large number of small channels 13, which thus transport the heated water from one longitudinal channel 11 to the opposite longitudinal channel 11.
  • the water to be heated is fed from below to a longitudinal channel 11 of the heat exchanger 8 and then fed to the channels 13 of the heat exchanger 6 in an S-shaped course. These have symmetrical to the longitudinal center plane of the double-walled tube 4-6 in the walls of the channels 13 small holes with a diameter of about 4-6 mm, which are designated by 14.
  • the water heated in the heat exchangers 6-8 therefore flows through the bores 14 arranged in the individual channels 13 in the direction of the arrows 15 into the wall of the double-walled tube. Here it is exposed to the combustion chamber, is further heated and then finally reaches control devices or the consumer via outlet 16 at the top.
  • the small bores 14 ensure that intimate mixing of the supplied water with the water already in the wall occurs. There is a desirable swirling of the water supplied under pressure and of the water already accumulated in the wall.
  • the combustion chamber 2 is completely enclosed by a considerable amount of water; towards the outside, the water volume is enclosed by the wall part 5 and a heat exchanger 6. Since the water is under pressure, there is a reinforcement in the form of struts 17 which are distributed over the length of the combustion chamber 2 and which are at an angle and firmly connect the metal tube 4 to the side edge regions of the heat exchanger 6; in addition, a fixed connection between the metal pipe 4 and the heat exchanger 6 can be provided in the middle, e.g. by welding.
  • the comparatively large volume of water that surrounds the combustion chamber 2 has the advantage that changing temperatures can be better controlled by the consumer; the regulation e.g. bypass is considerably calmed. In addition, the thermal load on the heat exchanger is reduced.
  • strengthening spacers 19 can be provided between the two walls - parts 4, 5 - which are welded to the metal tube 4 and are firmly connected radially on the outside to strips 20 attached to the inside of the wall part 5.
  • the wall part 5 is provided with openings 21 in the area of the strips 20, the edges of which can be welded to the strip 20. The openings 21 thus allow access to the strips 20 from the outside (for establishing a firm connection). If the strips 20 are wide enough, the connections or welding points 22 can be offset from one another (FIG. 6).
  • the boiler according to FIG. 8 additionally has plate-shaped heat exchangers 23 and 24 on its front sides, of which the heat exchanger 24 located on the front front side has a recess 25 for the burner 3.
  • the heat exchangers 23, 24 also have an inlet indicated at 26, it being understood, however, that elements 8, 23 and 24 have only a single cold water inlet overall is provided, which splits into three ways.
  • This measure ensures that a water flow through the heat exchangers 23, 24 which is too fast cannot occur and that the measured amount of water heated in these heat exchangers can be supplied to the overall circuit.
  • the double-walled tube 4, 5 is also shorter at the bottom than at the top; So that the combustion gases can flow favorably into the space between the two heat exchangers 7, 7 located at the top, the double-walled tube 4, 5 is provided at its rear end with an approximately triangular recess 29 (viewed in the side view).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen von Wasser, insb. Warmwasserheizkessel, mit die Verbrennungskammer umschließenden Wärmetauschern und unterhalb der Verbrennungskammer angeordneten, einander parallelen, waagerecht übereianderliegenden plattenförmigen Wärmetauschern, die zur Bildung eines S-förmigen Rauchgasabzuges gegeneinander versetzt sind und an beiden Rändern Längskanäle für das Wasser aufweisen, die über eine Vielzahl von Querkanälen miteinander verbunden sind, die quer zum Rauchgasstrom verlaufen.
  • Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art (DE-A-37 01 361) wird die Verbrennungskammer von plattenförmigen Wärmetauschern umschlossen; ein derartiger Wärmetauscher begrenzt die Verbrennungskammer auch nach unten hin. Es versteht sich, daß diese Wärmetauscher einer erheblichen thermischen Belastung unterworfen sind; zudem ist das Wasservolumen vergleichsweise klein, wodurch die Temperaturregelung erschwert wird und die Elastizität des Systems beeinträchtigt werden kann
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und demgemäß bei Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art zu erreichen, daß die thermische Belastung der die Verbrennungskammer umschließenden Wärmetauscher verringert und die Elastizität des Systems und deren Regelungsmöglichkeit verbessert werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbrennungskammer innerhalb eines doppelwandigen Rohres angeordnet ist, dessen äußere Wandung unten von dem obersten plattenförmigen Wärmetauscher gebildet ist, von dem aus das Wasser über eine Vielzahl kleiner Durchbrechungen in die Wandung des doppelwandigen Rohres einleitbar ist, und oben sowie seitlich von einem U-förmigen Wandungsteil gebildet ist.
  • Das doppelwandige Rohr eröffnet die Möglichkeit, der Verbrennungskammer ein größeres Wasservolumen zuzuordnen, um die Wassertemperaturregelung einfacher und elastischer ausbilden zu können. Zudem werden keine dünnwandigen plattenförmigen Wärmetauscher, die im Regelfalle thermisch weniger belastbar sind, benutzt, sondern Wasseraufnahmeräume, deren Aufnahmevermögen von der Wandstärke des doppelwandigen Rohres abhängig sind, die vergleichsweise groß gewählt werden kann.
  • Für die Verbrennungskammer wird vorzugsweise ein zylindrisches Rohr benutzt (Innenrohr des doppelwandigen Rohres), während das äußere Rohr von einem bügelförmigen Wandungsteil gebildet wird, das unten in die Ränder des plattenförmigen Wärmetauschers übergeht.
  • Die Vielzahl der kleinen, zum Durchtritt des Wassers in die Wandung des Rohres dienenden Durchbrechungen haben noch den großen Vorteil, daß die Wandung des Rohres bzw. des hierin befindlichen Wassers durchwirbelt wird. Zudem ist sichergestellt, daß eine gleichmäßige Vermischung des Wassers in der Wandung des Rohres eintreten kann.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
  • Es zeigen :
  • Fig. 1
    in schematischer Wiedergabe wichtige Teile eines Warmwasserheizkessels im Querschnitt,
    Fig. 2
    den Kessel gemäss Fig. 1 im Längsschnitt,
    Fig. 3
    einen Schnitt nach der Lnie III - III von Fig. 1,
    Fig. 4
    einen Schnitt nach der Linie IV - IV von Fig. 1,
    Fig. 5
    einen Ausschnitt aus Fig. 1 bei V, und zwar in vergrösserter Darstellung,
    Fig. 6
    eine Draufsicht auf die Stelle gemäss Fig. 5,
    Fig. 7
    einen Ausschnitt aus Fig. 5 in vergrösserter Wiedergabe und
    Fig. 8
    einen abgewandelten Warmwasserheizkessel im Längsschnitt.
  • Der Warmwasserheizkessel befindet sich in einem durch gestrichelte Linien 1 angedeuteten Gehäuse; er weist eine Verbrennungskammer 2 auf mit einem mittels Öl oder Gas betriebenen Brenner 3. Der äussere Durchmesser der Verbrennungskammer 2 wird durch ein zylindrisches Metallrohr 4 bestimmt. Dieses wird oben und seitlich im Abstand von einem U-förmigen Wandungsteil 5 umschlossen, dessen Ränder wasserdicht mit den Rändern eines plattenförmigen, waagerecht angeordneten Wärmetauschers 6 verbunden sind. Das Metallrohr 4 bildet also die innere Wandung und der Wandungsteil 5 mit dem Wärmetauscher 6 die äussere Wand eines doppelwandigen Rohres, das die Verbrennungskammer 2 umschliesst.
  • Der Wärmetauscher 6 ist der oben, gelegene Wärmetauscher eines Paketes, das von mehreren plattenförmigen Wärmetauschern z.B. drei Wärmetauschern 6, 7, und 8 gebildet ist, die waagerecht übereinanderliegend angeordnet und auch parallel zur Längsachse des doppelwandigen Rohres verlegt sind. Die Wärmetauscher 7 - 8 sind gemäss Fig. 2 zudem gegeneinander versetzt, um einen S-förmigen Rauchgasabzug im Sinne der Pfeile 9 zu erzielen. Der Austritt der Rauchgase ist bei 1o dargestellt.
  • Die beiden Ränder eines jeden Wärmetauschers 6 - 8 werden von Längskanälen 11 gebildet ( parallel zur Hauptachse des doppelwandigen Rohres ), die wechselseitig über senkrechte Führungen 12 für das Wasser in Verbindung stehen. Darüberhinaus stehen die Längskanäle 11 jedes Wärmetauschers 6 - 8 über eine grosse Anzahl kleiner Kanäle 13 in Verbindung, die somit das erwärmte Wasser von einem Längskanal 11 zum gegenüberliegenden Längskanal 11 transportieren.
  • Das zu erwärmende Wasser wird von unten einem Längskanal 11 des Wärmetauschers 8 zugeführt und dann im s-förmigen Verlauf den Kanälen 13 des Wärmetauschers 6 zugeleitet. Diese weisen symmetrisch zur Längsmittelebene des dopelwandigen Rohres 4 - 6 in den Wandungen der Kanäle 13 kleine Bohrungen mit einem Durchmesser von etwa 4 - 6 mm auf, die mit 14 bezeichnet sind. Das in den Wärmetauschern 6 - 8 erwärmte Wasser strömt daher über die in den einzelnen Kanälen 13 angeordneten Bohrungen 14 im Sinne der Pfeile 15 in die Wandung des doppelwandigen Rohres. Hier ist es der Verbrennungskammer ausgesetzt, wird weiter erwärmt und gelangt dann schliesslich oben über den Austritt 16 zu Regeleinrichtungen bzw. zum Abnehmer.
  • Durch die kleinen Bohrungen 14 ist sichergestellt, dass eine innige Vermischung des zugeleiteten Wassers mit dem schon in der Wandung befindlichen Wasser eintritt. Es ergibt sich eine wünschenswerte Verwirbelung des unter Druck zugeleiteten Wassers und des schon in der Wandung angesammelten Wassers.
  • Demgemäss ist die Verbrennungskammer 2 ganz von einer beträchtlichen Wassermenge umschlossen; nach aussen hin wird das Wasservolumen von dem Wandungsteil 5 und einem Wärmetauscher 6 umschlossen. Da das Wasser unter Überdruck steht, befindet sich innerhalb der Wandung des Doppelrohres eine Verstärkung in Form von über die Länge der Verbrennungskammer 2 verteilt angeordneten Streben 17, die schräg anstehen und das Metallrohr 4 aussen mit den seitlichen Randbereichen des Wärmetauschers 6 fest verbinden; zudem kann mittig bei 18 eine feste Verbindung zwischen dem Metallrohr 4 und dem Wärmetauscher 6 vorgesehen sein z.B. durch eine Schweissung.
  • Das vergleichsweise grosse Wasservolumen, das die Verbrennungskammer 2 umschliesst, hat den Vorteil, dass wechselnde Temperaturen beim Verbraucher besser beherrscht werden können; die Regelung z.B. durch Beipass wird erheblich beruhigt. Ausserdem ist die thermische Belastung des Wärmetauschers verringert.
  • Es sei erwähnt, dass in der Zeichnung die Wandungen aller Elemente - ausgenommen in Fig. 4 - nur in Form von Strichen wiedergegeben sind; diese Wandungen haben natürlich eine ausreichende Wandstärke.
  • Zusätzlich zu den Streben 17 können zwischen den beiden Wandungen - Teile 4, 5 - festigkeitgebende Distanzstücke 19 vorgesehen sein, die mit dem Metallrohr 4 verschweisst und radial aussen mit innen am Wandungsteil 5 anliegeden Streifen 20 fest verbunden sind. Um auch diese Streifen fest mit dem Wandungsteil 5 verbinden zu können, nachdem die Teile 4,5 zusammengefügt sind, erhält das Wandungsteil 5 im Bereich der Streifen 20 Durchbrechungen 21, deren Ränder mit dem Streifen 20 verschweissbar sind. Die Durchbrechungen 21 ermöglichen also den Zugang zu den Streifen 20 von aussen her ( zur Herstellung einer festen Verbindung ). Sind die Streifen 20 breit genug, so können die Verbindungen bzw. Schweissstellen 22 gegeneinander versetzt sein ( Fig. 6 ).
  • Um eine noch bessere Nutzung der Wärmeenergie zu bewirken, weist der Kessel gemäss Fig. 8 an seinen Stirnseiten zusätzlich noch plattenförmige Wärmetauscher 23 und 24 auf, von denen der an der vorderen Stirnseite gelegene Wärmetauscher 24 eine Ausnehmung 25 für den Brenner 3 aufweist. Ebenso wie der untenliegende Wärmetauscher 8 mit einem Eintritt für das zu erwärmende Wasser ausgestattet ist, haben auch die Wärmetauscher 23, 24 einen bei 26 angedeuteten Eintritt, wobei es sich jedoch versteht, dass für die Elemente 8, 23 und 24 insgesamt nur ein einziger Kaltwassereintritt vorgesehen ist, der sich in drei Wege aufspaltet.
  • Wichtig ist nun, dass das in den Wärmetauschern 23, 24 oben bei 27 austretende warme Wasser nicht etwa dem Austritt 16 zugeführt wird, sondern dass das erwärmte Wasser je im Bereich des Endes des doppelwandigen Rohres, und zwar an der obersten Stelle zugeleitet wird, während sich der Austritt 16 zwischen den beiden Eintrittstellen 28 etwa mittig auf halber Länge des doppelwandigen Rohres bzw. der Verbrennungskammer 2 befindet.
  • Durch diese Massnahme wird erreicht, dass ein zu schneller Wasserdurchlauf durch die Wärmetauscher 23, 24 nicht eintreten kann und das in diesen Wärmetauschern erwärmte Wasser in bemessener Menge dem Gesamtkreislauf zugeführt werden kann.
  • Das doppelwandige Rohr 4, 5 ist zudem unten kürzer als oben; damit die Verbrennungsgase günstig in den Raum zwischen die beiden oben gelegenen Wärmetauscher 7, 7 einströmen kann, ist das doppelwandige Rohr 4, 5 an seinem hinteren Ende mit einer in etwa dreieckigen Ausnehmung 29 ( in der Seitenansicht betrachtet ) versehen.

Claims (18)

  1. Vorrichtung zum Erwärmen von Wasser, insb. Warmwasserheizkessel, mit die Verbrennungskammer umschließenden Wärmetauschern und unterhalb der Verbrennungskammer (2) angeordneten, einander parallelen, waagerecht übereinanderliegenden plattenförmigen Wärmetauschern (6, 7, 8), die zur Bildung eines S-förmigen Rauchgasabzuges gegeneinander versetzt sind und an beiden Rändern Längskanäle (11) für das Wasser aufweisen, die über eine Vielzahl von Querkanälen (13) miteinander verbunden sind, die quer zum Rauchgasstrom verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammer (2) innerhalb eines doppelwandigen Rohres angeordnet ist, dessen äußere Wandung unten von dem obersten plattenförmigen Wärmetauscher (6) gebildet ist, von dem aus das Wasser über eine Vielzahl kleiner Durchbrechungen (14) in die Wandung des doppelwandigen Rohres einleitbar ist, und oben sowie seitlich von einem U-förmigen Wandungsteil (5) gebildet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen (14) einen Durchmesser von etwa 4 - 6 mm haben.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen (14) in Reihen in den Querkanälen (13) des Wärmetauschers (6) vorgesehen sind, die parallel zur Längsmittelachse des doppelwandigen Rohres (4, 5) verlaufen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen der Durchbrechungen symmetrisch in Bezug auf die Längsmittelebene des doppelwandigen Rohres angeordnet sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen auf jeder Seite der Ebene in einer Reihe vorgesehen sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (4) des doppelwandigen Rohres die Verbrennungkammer (2) nach außen begrenzt und die nach unten gerichteten Schenkel der außen gelegenen Wandung des Rohres mit den Rändern des obersten plattenförmigen Wärmetauschers (6) verbunden sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand ein zylindrischer Rohrkörper ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (4) aussen mit Streben (17) mit den Randbereichen des Wärmetauschers (6) verbunden sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Streben (17) von der Innenwand (4) aus schräg nach unten aussen gerichtet sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (6) mittig unmittelbar mit der Innenwand (4) verbunden ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Wandungen (4,5) festigkeitgebende Verbindungsstücke (19) vorgesehen sind, die an ihren äusseren Enden mit innen an der äusseren Wandung (5) anliegenden Streifen (20) verbunden sind und dass die äussere Wandung im Bereich der Streifen mit Durchbrechungen (21) versehen ist, deren Ränder mit dem Streifen fest verbunden sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Durchbrechungen (21) und ihre Schweissnähte (22) gegeneinander versetzt sind.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstücke (19) einen flach rechteckigen Querschnitt haben und sich im wesentlichen über die Breite der Streifen (20) erstrecken.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Streifen (20) parallel zur Längsmittelachse des doppelwandigen Rohres (4,5) erstrecken.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stirnseiten der Vorrichtung etwa senkrechte, sich zumindest im wesentlichen über die Höhe der Vorrichtung erstreckende Wärmetauscher (23,24) vorgesehen sind, deren oben gelegener Wasseraustritt (27) zum Inneren des doppelwandigen Rohres (4,5) führt.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Wärmetauschern (23,24) erwärmte Wasser den Endbereichen des doppelwandigen Rohres (4,5) zuführbar ist, dessen Warmwasseraustritt (16) sich etwa auf halber Länge des doppelwandigen Rohres (4,5) befindet.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das doppelwandige Rohr (4,5) am hinteren Ende in der Weise ausgespart ist, dass das Rohr unten kürzer ist als oben.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, die Aussparung (29) im wesentlichen dreieckig ist.
EP93105917A 1992-04-18 1993-04-13 Vorrichtung zum Erwärmen von Wasser, insb. Warmwasserheizkessel Expired - Lifetime EP0566945B1 (de)

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