ES2206673T3 - Difusor de tuberia variable. - Google Patents

Difusor de tuberia variable.

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ES2206673T3 ES97630034T ES97630034T ES2206673T3 ES 2206673 T3 ES2206673 T3 ES 2206673T3 ES 97630034 T ES97630034 T ES 97630034T ES 97630034 T ES97630034 T ES 97630034T ES 2206673 T3 ES2206673 T3 ES 2206673T3
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Abstract

SE PRESENTA UN DIFUSOR DE TUBO VARIABLE (14) PARA SU USO EN UN COMPRESOR CENTRIFUGO (10). EL DIFUSOR DE TUBO VARIABLE (14) INCLUYE UN ARO EXTERNO (42) Y UN ARO INTERNO (40) QUE GIRA CIRCUNFERENCIALMENTE DENTRO DEL ARO EXTERNO (40) ENTRE UNA PRIMERA POSICION ABIERTA Y UNA SEGUNDA POSICION CERRADA. EN UNA POSICION ABIERTA, LAS SECCIONES DE CANAL DE AIRE COMPLEMENTARIAS DE LOS AROS INTERNO Y EXTERNO (40, 42) ESTAN ALINEADAS ENTRE SI PARA PERMITIR UN FLUJO MAXIMO DE REFRIGERANTE A TRAVES DEL DIFUSOR (14). EN UNA POSICION CERRADA, LOS CANALES DE FLUJO (40, 46) DE LAS SECCIONES DE ARO ESTAN DESALINEADOS Y EL FLUJO DEL REFRIGERANTE A TRAVES DEL DIFUSOR ESTA RESTRINGIDO. MEDIANTE EL AJUSTE DE LOS AROS DEL DIFUSOR HACIA UNA POSICION CERRADA, PUEDEN EVITARSE LAS VARIACIONES BRUSCAS INCLUSO EN EL CASO DE QUE SE REQUIERA UNA ALTA RELACION DE PRESION DEL COMPRESOR.

Description

Difusor de tubería variable.
La presente invención se refiere a los compresores centrífugos en general y en particular a una estructura de difusor para compresor centrífugo.
Uno de los mayores problemas que surgen en el uso de los compresores centrífugos de vapor para aplicaciones en las que la carga del compresor varía dentro de un amplio rango es el de la estabilización del flujo a través del compresor. La entrada del compresor, el rodete y los pasos del difusor deben estar dimensionados para permitir la tasa de flujo volumétrico máxima deseada. Cuando existe una tasa de flujo volumétrico baja a través de un compresor de este tipo, el flujo se hace inestable. Conforme el flujo volumétrico disminuye desde un rango estable, se entra en un rango de flujo ligeramente inestable. En este rango, parece producirse una inversión parcial de flujo en el paso del difusor, creando ruidos y bajando el rendimiento del compresor. Por debajo de este rango, el compresor entra en lo que se denomina oscilaciones, donde existen inversiones de flujo completas en el paso del difusor, destruyendo el rendimiento de la máquina y poniendo en peligro la integridad de los elementos de la máquina. Puesto que es deseable un amplio rango de tasas de flujo volumétrico en muchas aplicaciones del compresor, se han sugerido numerosas modificaciones para mejorar la estabilidad del flujo a tasas bajas de flujo volumétrico.
Se han definido muchos esquemas para mantener rendimientos elevados de la máquina a lo largo de un amplio rango de funcionamiento. En la patente U.S. Nº 4,070,123, se varía la configuración completa del rodete en respuesta a los cambios de carga, en un esfuerzo por igualar las prestaciones de la máquina con solicitaciones de carga cambiantes. También se han descrito limitadores de flujo de difusor ajustable en la patente U.S. Nº 3,362,625 que sirven para regular el flujo dentro del difusor en un esfuerzo por mejorar la estabilidad a tasas bajas de flujo volumétrico.
Una técnica común para mantener un rendimiento de funcionamiento elevado, a lo largo de un amplio rango de flujo en una máquina centrífuga, es mediante el uso de un difusor de anchura variable en conjunción con unas palas de guía de difusor fijas.
Las patentes U.S. Nº 2,996,996 y 4,378,194, otorgadas a un cesionario común, describen difusores con palas de anchura variable, en los que los palas del difusor se fijan firmemente, tal como por atornillado a una de las paredes del difusor. Los palas se adaptan al paso a través de aberturas formadas en la otra pared, permitiendo de esta forma que se cambie la geometría del difusor en respuesta a condiciones de carga cambiantes.
Montar los álabes del difusor fijamente a una de las paredes del difusor presenta cierto número de problemas, particularmente con respecto a la fabricación, mantenimiento y funcionamiento de la máquina. Poco espacio se proporciona para fijar las palas al conjunto. Una desalineación de las palas dará lugar a que la pala se doble o frote contra la pared opuesta conforme vuelve a su posición. En forma similar, si una o más palas de la serie debe ser reemplazada en el conjunto, generalmente tiene que ser desplazada la totalidad de la máquina a fin de efectuar la reparación.
El documento DE 3529 281 describe un dispositivo para cambiar la dirección del flujo de aire que entra en la toma de un compresor de un turbocargador teniendo un esclavo anular con aberturas de flujo de aire. Un segundo esclavo anular se puede mover pivotalmente para alterar el área transversal de la sección de las aberturas.
De acuerdo con sus aspectos principales e indicados en forma amplia, la presente invención se refiere a un difusor tubular de geometría variable para un compresor centrífugo, que también se puede denominar un difusor tubular de anillo dividido.
La presente invención proporciona un compresor como el de la reivindicación 1. Preferiblemente, el anillo interior gira circunferencialmente dentro del anillo exterior. Sin embargo, el anillo exterior puede hacerse alternativamente giratorio en forma circunferencial sobre un anillo interior estacionario.
Cuando se gira un anillo respecto al otro, cambia la alineación entre cada par de secciones de canal de aire complementarias. Los anillos son ajustables entre una primera posición, abierta, en la que las secciones de canal complementarias de los anillos están alineadas para permitir que pase una máxima cantidad de flujo a través de los anillos interior y exterior, y una segunda posición, cerrada, en la que el flujo de fluido a través de los canales es restringido y un volumen de fluido disminuido pasa a través de secciones de canal de flujo de entrada complementarias de los anillos interior y exterior. Los anillos pueden también ser hechos ajustables a cualquier número de posiciones intermedias entre las posiciones abierta y cerrada.
En la segunda posición, cerrada, pasaría a través del difusor por lo menos un 10% aproximadamente del volumen de flujo respecto al que correspondería a la posición totalmente abierta, a fin de evitar un calentamiento termodinámico excesivo de las partes componentes de la máquina. A fin de evitar el calentamiento termodinámico, la cuantía de la rotación relativa entre las dos secciones de anillo se debería limitar a un valor de rotación necesario para alcanzar una segunda posición, cerrada. En otras palabras, los anillos no serían ajustables para cerrar interrumpiendo un flujo de fluido entre los mismos. El grado de rotación admisible entre los dos anillos es determinado por el flujo deseado entre los anillos en una posición totalmente cerrada, y el número y volumen de los canales de aire de entrada en las secciones de anillo. El cierre completo de un canal de flujo de entrada puede también ser evitado proporcionando un anillo interior que tiene porciones sin canal del mismo dimensionadas para una anchura menor que la anchura mínima de un canal de flujo del anillo exterior.
Ajustando el difusor tubular variable hacia una posición cerrada, el punto de oscilación en un gráfico de prestaciones de un compresor que tiene el difusor presente se ajusta hasta una tasa de flujo inferior. La presión generada por un compresor a su tasa de flujo inferior es aproximadamente la misma que la de un compresor que tiene un difusor en la posición totalmente abierta. Por consiguiente, la presente invención es especialmente útil para ajustar las características del compresor de forma que un compresor pueda satisfacer una condición de relación de tasa de flujo baja, presión alta. Esta condición de funcionamiento se requiere, por ejemplo, cuando existe una gran diferencia entre la temperatura ambiente interior y exterior, pero con una carga baja del sistema.
El rendimiento de un compresor para una condición de funcionamiento dada, puede ser optimizado combinando un ajuste de un difusor variable como el aquí descrito con un ajuste de las palas de guía entrada de un compresor.
En los dibujos, en los que se usan números análogos para indicar los mismos elementos a lo largo de las vistas,
la Fig. 1 es una vista lateral en corte transversal de un compresor de acuerdo con la invención que tiene un difusor tubular variable;
la Fig. 2 es una vista en perspectiva de un difusor tubular variable de acuerdo con la invención;
las Figs. 3 y 4 son vistas frontales en corte transversal de un difusor tubular de acuerdo con la invención en una posición primera, abierta, y una segunda, cerrada respectivamente;
la Fig. 5 es un diagrama de prestaciones para un difusor tubular variable de acuerdo con la invención;
la Fig. 6 es un diagrama de prestaciones para un compresor que tiene sólo palas de guía de entrada;
la Fig. 7 es un diagrama de prestaciones para un compresor de acuerdo con la invención que tiene un difusor tubular variable y palas de guía de entrada.
Haciendo referencia a continuación a la Fig. 1, se muestra como instalado en un compresor centrífugo 10 que tiene un rodete 12 para acelerar un vapor refrigerante a una velocidad elevada, un difusor 14 para desacelerar el refrigerante a una velocidad baja mientras se convierte la energía cinética a energía de presión, y una cámara de descarga en forma de un colector 16 para recoger el vapor de descarga para el flujo subsiguiente a un condensador. Se proporciona potencia al rodete 12 por un motor eléctrico (no representado) que está sellado herméticamente en el otro extremo del compresor y que funciona para hacer girar a un eje de alta velocidad 19.
Haciendo referencia ahora a la forma en que se produce el flujo de refrigerante en el compresor 10, el refrigerante entra por la abertura de entrada 29 del alojamiento de aspiración 31, pasa a través del conjunto de anillo de álabes 12 y de las palas de guía 33, y entra a continuación en la zona de aspiración de compresión 23 que conduce a la zona de compresión definida en su lado interior por el rodete 12 y en su lado exterior por el carenado 34. Después de la compresión, el refrigerante fluye al difusor 14, el colector 16 y la línea de descarga (no representada).
Como se ve en las Figs. 1-3, un difusor tubular 14 de geometría variable, (que también se puede denominar un difusor de anillo dividido) incluye un primer anillo interior 40 y un segundo anillo exterior 42. Los anillos interior y exterior tienen secciones 44 y 46 de canal de flujo complementario formadas en los mismos. Esto es, cada sección 44 de canal de flujo del anillo interior 40 tiene una sección 46 de canal complementaria formada en el anillo exterior 42. El anillo interior 40 y el anillo exterior 42 son giratorios entre sí. Preferiblemente, el anillo interior 40 gira circunferencialmente dentro del anillo exterior 42. Sin embargo, alternativamente, el anillo exterior 42 puede hacerse giratorio, en forma circunferencial, alrededor de un anillo interior 40 estacionario.
Cuando se hace girar un anillo respecto al otro, la alineación entre cada par de canales de flujo de entrada complementarios de los anillos interior y exterior cambia, como se observa con referencia alas Figs. 3 y 4. Los anillos 40 y 42 son ajustables entre una primera posición abierta, como se ilustra en la Fig. 3, en la que las secciones de canal complementarias están alineadas, y pasa una cantidad de fluido máxima a través de los anillos interior y exterior 40 y 42, y una segunda posición, cerrada, como se ilustra en la Fig. 4, en la que los canales complementarios están desalineados y el flujo a través de las secciones de canal 44 y 46 está restringido. El flujo de fluido a través del difusor 14 en una segunda posición cerrada en relación a la tasa de flujo en la posición abierta se determina por la relación del área transversal mínima de un canal de flujo de un difusor en posición cerrada al área de sección transversal mínima de un canal de flujo (definido por las secciones de canal complementarias 44 y 46) en una posición abierta. Esta área de canal de flujo mínimo, conocida como el "área de garganta", estará determinada generalmente por el diámetro menor del paso de flujo 52 del canal 14 de anillo interior 44 cuando el difusor 14 se encuentra en posición abierta, y estará controlado por la anchura 53 en la interfaz entre los anillos interior y exterior 40 y 42, cuando el difusor 14 se encuentra en una segunda posición cerrada. Por ejemplo, si un canal de difusor tiene un área mínima (área de garganta) de 1/8 de pulgada (3,18 mm) en una segunda posición cerrada y un área mínima (área de garganta) de ¼ de pulgada (6,35 mm) en una segunda posición abierta, la tasa de flujo volumétrico de fluido a través de un difusor en una posición cerrada, será del 50% de la tasa de flujo correspondiente a una posición totalmente abierta. La tasa de flujo de fluido a través del compresor 10 cuando el difusor 14 está en una segunda posición cerrada, estará comprendida generalmente entre 10 y 100% aproximadamente de la tasa de flujo a través del compresor 10 cuando el difusor está en una primera posición abierta.
En una segunda posición cerrada (Fig. 4), fluirá al menos aproximadamente el 10% del volumen de flujo correspondiente a la posición totalmente abierta a través del difusor 14, de forma que se evita un calentamiento termodinámico excesivo de las partes componentes del compresor 10. A fin de evitar una condición de calentamiento termodinámico excesivo, la cuantía de rotación relativa entre las dos secciones de anillo debería limitarse a la rotación necesaria para alcanzar una segunda posición cerrada. En otras palabras, los anillos no deberían ser ajustables para cerrar por completo un flujo de fluido entre los mismos. El grado de rotación admisible entre los dos anillos se determina por el flujo deseado entre los anillos en una posición totalmente cerrada, y el número y volumen de las secciones del canal 44, 46 de flujo de entrada en las secciones de anillo 40, 42 en relación al volumen de las secciones de anillo 40 y 42. El cierre completo de un canal de flujo de entrada se puede evitar también proporcionando un anillo interior 40 que tiene las porciones sin canal del mismo dimensionadas con una anchura inferior a la mínima de una sección 46 de canal de anillo exterior.
Continuando con la referencia a la Fig. 4, R_{2} define el radio del extremo del rodete, R_{3} define el radio del anillo interior 40, y R_{4} define el radio del anillo exterior. Haciendo que el espesor, definido por la fórmula T = R_{3}- R_{2} del anillo 40 no sea mayor de lo necesario para bloquear una porción deseada (por ejemplo, 50% del flujo) de flujo a través de los canales 46 del anillo exteriores puede controlar eficientemente el flujo de fluido a través del difusor 14. La rotación del anillo interior con respecto al anillo exterior reducirá el área de garganta del difusor antes de que haya tenido lugar difusión alguna, evitando de este modo la aceleración de flujo después de la difusión. También, cuanto menor es el espesor de anillo interior T, menor es el ángulo de curvado del flujo a través del difusor tubular variable parcialmente cerrado. Ambos efectos anteriormente descritos tienden a mejorar el rendimiento del compresor en condiciones de funcionamiento a carga parcial.
También se puede hacer un difusor tubular variable proporcionando un anillo interior 40 que es desplazable axialmente en relación a un anillo exterior 42. Una realización de este tipo normalmente no es tan preferida como el par de anillos giratorios descritos porque, en un par de anillos de difusor desplazables axialmente uno respecto al otro, hay pérdidas de curvado elevadas resultantes de las curvas a 90º que esto supone. Se pueden proporcionar anillos axialmente el uno respecto al , similares a los descritos en las patentes cedidas conjuntamente U.S. Nos. 4,527,949; 4,378,194; y 4,219,305, todas ellas citadas aquí a título de referencia.
Se puede entender el funcionamiento y el uso de la presente invención con referencia a la Fig. 5 que muestra un diagrama de prestaciones de un compresor que tiene un difusor tubular integrado en el mismo. El diagrama de prestaciones de la Fig. 5 incluye una pluralidad de campos de prestación, cada uno de los cuales corresponde a un posicionamiento discreto entre las secciones de anillo interior y exterior 40 y 42. Cada campo de prestaciones, por ejemplo, 60, se caracteriza por un punto de oscilación, por ejemplo 70, que es el punto de máxima presión disponible. El funcionamiento del compresor a una tasa de flujo correspondiente al punto de oscilación o por debajo del mismo, dará lugar probablemente a una condición de oscilación tal como se trató aquí en los antecedentes de la invención.
Para los fines de ilustrar la invención, el campo 60 puede corresponder, por ejemplo, a una primera posición, abierta, el campo 62 puede corresponder a una posición intermedia con un grado de cierre 2, el campo 64 puede corresponder a una posición cerrada con un grado de cierre intermedio 4, y el campo 68 puede corresponder a una posición con un grado de cierre máximo 8.
Se observa que el ajuste de las secciones de anillo 40 y 42 hacia una posición cerrada tiene el efecto de ajustar el punto de oscilación, por ejemplo 70, 72 en un campo de funcionamiento para un compresor hacia una tasa de flujo más baja. De esta manera, una condición de oscilación se puede evitar durante los periodos de baja demanda de flujo ajustando los anillos de difusor 40, 42 hacia la posición cerrada.
Ayuda a entender la invención comparar el diagrama de prestaciones de la Fig. 5, para un compresor que tiene un difusor variable con el diagrama de prestaciones 7 mostrado en la Fig. 6, que corresponde a un compresor que tiene sólo palas de guía de entrada ajustables. En la Fig. 6, los campos 80, 82, 84, y 86 corresponden a un posicionamiento discreto de las palas de guía 33 en posiciones cada vez más cerradas. Se observa que cerrar las palas de guía 33, al igual que el cierre de las secciones 40 y 42 de anillo de difusor, tiene el efecto de bajar la tasa de flujo del punto de oscilación. Así, se puede obtener con frecuencia una condición de oscilación ajustando las palas de guía de entrada 33 hacia una posición cerrada.
Sin embargo, se observa a partir del diagrama de prestaciones de la Fig.6, que ajustar las palas de guía 33 hacia una posición cerrada tiene el efecto adicional de rebajar la presión de columna disponible del compresor 10 en el punto de oscilación. Por tanto, no se puede satisfacer una condición de funcionamiento que requiere una presión relativamente alta ajustando las palas de guía 33 solas.
Por contraste, se observa a partir del diagrama de prestaciones de la Fig. 5 que la presión de punto de oscilación disponible del compresor 10 permanece esencialmente estable cuando se ajustan los anillos de difusor 40 y 42 hacia una posición cerrada. De aquí que una condición que requiere una tasa de flujo baja y una presión de compresor elevada se puede satisfacer por ajuste de los anillos de difusor 40 y 42 hacia una posición cerrada.
Una condición de funcionamiento que requiere una tasa de flujo baja y una relación de presión alta respecto a la relación de presión de funcionamiento a plena carga (por ejemplo el 90% de la plena carga) es común en el caso de que exista una gran diferencia (por ejemplo de 50ºF, 10ºC, o más) entre la temperatura del aire ambiente y la temperatura del interior, pero ocasionalmente una carga ligera en el edificio que se está refrigerando. En una situación de este tipo, se precisa una relación de presión del compresor relativamente alta (por ejemplo, aproximadamente 2,5) por las presiones de saturación del refrigerante correspondientes a las temperaturas del condensador y de evaporación, pero sólo se necesita una tasa de flujo reducida, por ejemplo, el 25% de la plena carga, para retirar el calor generado dentro del edificio. La Fig. 7 muestra un diagrama de prestaciones para un compresor que tiene tanto palas de guía ajustables como un difusor tubular variable de acuerdo con la invención. Se observa que el rendimiento de un compresor se puede optimizar con frecuencia combinando un ajuste de las palas de guía 33 con un ajuste de los anillos de difusor 40 y 42. Con referencia a la Fig. 7, las curvas de trazos 111, 112, 113, 114, 115 y 116 muestran campos de prestaciones para un compresor que tiene un anillo de difusor variable en una posición completamente abierta para diversos posicionamientos de las palas de guía de entrada 33, mientras que las curvas de línea llena, 101, 012, 103, 104, y 105 muestran campos de prestaciones para un compresor que tiene anillos de difusor cerrados (aquí, existe aproximadamente un 40% de la tasa de flujo original en la posición cerrada) para diversos posicionamientos de las palas de guía. Como es bien conocido para los expertos en la técnica, un compresor funciona con rendimiento óptimo cuando trabaja en la "rodilla" (es decir, 81 en la figura 6) del campo de prestaciones que caracteriza las prestaciones del compresor. Haciendo referencia al diagrama 7, la condición de funcionamiento que requiere, por ejemplo, una presión de aproximadamente 0,7 veces la máxima, y una tasa de flujo de aproximadamente 0,3 veces la máxima, sería la que satisface con mayor rendimiento un compresor que funciona de acuerdo con el campo 104, realizado ajustando los anillos de difusor 40 y 42 a una posición cerrada o ajustando las palas de guía 33 a una posición de 10 grados.
Haciendo referencia nuevamente a la Fig. 1, se describe un aparato mecánico sencillo para girar el anillo interior 40 circunferencialmente dentro del anillo exterior 42. El cilindro 120, de una pieza con el anillo interior 40, se extiende en forma coextensible desde el anillo interior 40 y tiene fijamente unida al mismo la brida 122 que se extiende radialmente hacia fuera del cilindro 120. En relación de engranaje con la brida 122 se encuentra el engranaje 124, que es accionado por el motor 128 a través del árbol 126. El motor 128 está seleccionado y controlado para efectuar el movimiento del anillo interior 40 en relación al anillo exterior 42 entre una posición totalmente abierta y una segunda posición cerrada y cualquier número de posiciones intermedias entre ambas. El árbol 126 está alojado en un alojamiento de contención 130 que deja sellado herméticamente el árbol 126 del interior del compresor 132 y que evita la fuga de fluido del compresor 10 a través del alojamiento de contención 130.
Como se ve mejor en la Fig. 2, el anillo exterior 42 puede tener un asiento 136 para asegurar la alineación entre el anillo interior 40 y el anillo exterior 42, y para evitar la fuga del líquido a través de la interfaz entre los dos anillos.

Claims (6)

1. Un compresor centrífugo (10) que tiene una envolvente y un rodete (12) montado rotativamente en la misma para traer un fluido de trabajo desde la toma (29) a la entrada de un difusor anular (14) radialmente dispuesto, comprendiendo dicho difusor (14):
un primer anillo interior (40), teniendo dicho anillo interior (40) una pluralidad de primeras secciones de canal de guía de flujo (44) formadas en su interior;
un segundo anillo exterior (42), teniendo dicho anillo exterior (42) una pluralidad de segundos canales de guía de flujo (46) formados en su interior, teniendo cada una de dichas segundas secciones de canal de guía de flujo (46) una complementaria de dichas primeras secciones de canal de guía de flujo (44); y
un medio de accionamiento (128) para girar dichos anillos primero (40) y segundo (42) en relación el uno con el otro, en donde dicho medio de accionamiento hace girar dichos anillos primero y segundo entre una primera posición, abierta en la que dichas secciones de canal de flujo primera y segunda (44, 46) complementarias están alineadas para permitir un flujo de fluido máximo a través de cada una de dichas secciones de canal complementarias, y una segunda posición cerrada en la que dichos canales de guía de flujo primero y segundo (44, 46) complementarios están desalineados para restringir, pero permitir, el flujo de fluido a través de dichas secciones de canal complementarias.
2. El compresor de la reivindicación 1, en el que dicho medio de accionamiento hace girar dicho anillo interior (40) circunferencialmente dentro de dicho anillo exterior(42).
3. El compresor de la reivindicación 1, en el que dicho medio de accionamiento (128) incluye medios de limitación para limitar la rotación entre dichos anillos interior (40) y exterior (42), de forma que en dicha segunda posición cerrada, un flujo de aire a través de dichos canales (44, 46) no sea inferior al 10% aproximadamente de un flujo de aire a través de dichos canales cuando dicho difusor esté en dicha posición primera, abierta.
4. El compresor de la reivindicación 1, en el que dicho medio de accionamiento (128) comprende:
un cilindro (120) que se extiende en forma coextensiva desde dicho anillo interior (40);
una brida (122) que se extiende radialmente hacia fuera desde dicho cilindro;
unos medios de engranaje (124) en relación de engrane con dicha brida (122) para girar dicha brida (122); y
unos medios de motor para accionar dichos medios de engranaje (124).
5. El compresor de la reivindicación 1, en el que dicho anillo interior (40) incluye una pluralidad de secciones sólidas que no constituyen canal, estando dimensionada cada una de dichas secciones que no constituyen canal con una anchura inferior a una anchura mínima de dichas secciones de canal de guía de flujo (44) del anillo exterior.
6. El compresor de la reivindicación 1, en el que dicho anillo interior (40) está dimensionado con un espesor no mayor que el necesario para bloquear una porción deseada de flujo a través de dichas secciones de guía de flujo (44) del anillo exterior.
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