ES2592933T3 - Generador de productos gaseosos - Google Patents

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ES2592933T3 ES10752384.7T ES10752384T ES2592933T3 ES 2592933 T3 ES2592933 T3 ES 2592933T3 ES 10752384 T ES10752384 T ES 10752384T ES 2592933 T3 ES2592933 T3 ES 2592933T3
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Abstract

Un producto gaseoso (10), que incluye: por lo menos una celda metal-aire recargable (12) que puede funcionar para proporcionar el producto gaseoso; y una disposición de colector, teniendo la disposición de colector una estructura de entrada (14, 18), una estructura de salida (16, 20) y una o varias válvulas (14a, 16a, 18a, 20a), permitiendo la estructura de entrada (14, 18) que se introduzca una atmósfera de alimentación en la celda metal-aire (12), transportando la estructura de salida (16, 20) el producto gaseoso a un punto previsto de utilización (70, 64) para proporcionar de ese modo una función de mejora medioambiental, y controlando dichas una o varias válvulas (14a, 16a, 18a, 20a) el suministro de gas a la celda metal-aire (12) y/o el transporte del producto gaseoso desde la celda metal-aire.

Description

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DESCRIPCION
Generador de productos gaseosos
Esta invencion se refiere a un generador de productos gaseosos y a un procedimiento asociado de generacion de un producto gaseoso, haciendo referencia de manera particular, pero en modo alguno exclusiva, a aplicaciones a bordo de aeronaves.
Es bien conocido que una aeronave requiere fuentes de oxfgeno para ser utilizadas por los pasajeros y la tripulacion en caso de perdida de presion de la cabina, y asimismo de nitrogeno gaseoso (o, por lo menos, de un suministro de aire empobrecido en oxfgeno) para la inertizacion de los depositos de combustible con el fin de reducir el riesgo de explosiones. Hay una serie de sistemas que se han utilizado para uno o ambos propositos mencionados. Se ha utilizado la tecnologfa de membranas de fibra hueca (HFM, hollow fibre membrana) para producir aire enriquecido en nitrogeno con propositos de inertizacion de depositos de combustible. El proceso HFM implica la separacion del oxfgeno desde una fuente de aire de alta presion a traves de fibras polimericas. Las ventajas son que el proceso de separacion no requiere partes moviles. Sin embargo, la tecnica no tiene una capacidad inherente de almacenamiento de gas, y no genera un suministro de oxfgeno. A la inversa, se utiliza la tecnologfa de membranas ceramicas (CM, ceramic membrana) para la produccion de oxfgeno, pero no para la produccion de aire enriquecido en nitrogeno. De nuevo, no hay partes moviles asociadas con la etapa de separacion del gas. La tecnica de licuefaccion de aire total de oxfgeno y nitrogeno (TALON, total air liquefaction of oxygen and nitrogen) utiliza columnas de licuefaccion y destilacion de aire para proporcionar oxfgeno y aire enriquecido en nitrogeno licuado. En el sistema para inertizacion de depositos de combustible de aeronaves (SAFTI, system for aircraft fuel tank inerting) relacionado, se produce solamente aire enriquecido en nitrogeno licuado. Estos sistemas son complejos, y requieren partes moviles. La absorcion por modulacion de presion (PSA, pressure swing adsorption) utiliza tamices moleculares de zeolita para la produccion de oxfgeno o nitrogeno. No hay capacidad inherente de almacenamiento, y el sistema es inflexible porque, una vez configurado, un sistema producira solamente la cantidad maxima de oxfgeno. En general, los sistemas son pesados y consumen cantidades de energfa relativamente grandes.
La memoria US5208526 da a conocer una celda metal-aire que tiene el efecto inherente de ser un generador de productos gaseosos.
La presente invencion, por lo menos en algunas de sus realizaciones, proporciona generacion de oxfgeno y/o generacion de aire empobrecido en oxfgeno en un sistema relativamente simple. Adicionalmente, la presente invencion tiene una capacidad inherente de almacenamiento de oxfgeno, y no hay partes moviles asociadas con la etapa de separacion de gas.
De acuerdo con un primer aspecto de la invencion, se da a conocer un generador de productos gaseosos que incluye:
por lo menos una celda metal-aire recargable que puede funcionar para proporcionar el producto gaseoso; y
una disposicion de colector, teniendo la disposicion de colector una estructura de entrada, una estructura de salida y una o varias valvulas, teniendo la estructura de entrada una atmosfera de alimentacion que se debe introducir en la celda metal-aire, transportando la estructura de salida el producto gaseoso a un punto previsto de utilizacion para proporcionar de ese modo una funcion de mejora medioambiental, y dichas una o varias valvulas controlando el suministro de gas a la celda metal-aire y/o el transporte de producto gaseoso desde la celda metal-aire.
Preferentemente, la celda metal-aire recargable es una celda recargable de litio-aire. Se pueden utilizar otras formas de celda metal-aire, tal como una celda de aluminio-aire o una celda zinc-aire.
Habitualmente, una celda metal-aire recargable incluye un anodo formado de un metal electro positivo, un catodo de aire y un electrolito en comunicacion con el anodo y en comunicacion asimismo con el catodo de aire. El catodo de aire tiene una superficie que esta en comunicacion con la atmosfera de alimentacion, posiblemente a traves de una superficie de interfaz permeable al oxfgeno, tal como una membrana permeable al oxfgeno. La celda puede incluir uno o varios separadores, tal como un separador situado entre el anodo y el electrolito y/o un separador situado entre el catodo de aire y el electrolito. Generalmente, el anodo esta en comunicacion conductiva con un colector de corriente del anodo.
Las celdas metal-aire de este tipo son bien conocidas como celdas electroqmmicas recargables que se utilizan para proporcionar un suministro de energfa electrica. El proceso ffsico fundamental que subyace al almacenamiento y la subsiguiente produccion de energfa electrica es la reaccion qrnmica reversible siguiente, en la que es absorbido oxfgeno gaseoso por la celda metal-aire cuando esta se descarga, y es liberado oxfgeno por la celda metal-aire cuando esta se carga. El presente inventor se ha dado cuenta de que la produccion de oxfgeno y/o la absorcion de oxfgeno asociadas con la utilizacion de celdas metal-aire se pueden explotar con propositos utiles. En particular, el oxfgeno producido mientras una celda metal-aire se esta cargando y/o la atmosfera de alimentacion empobrecida en oxfgeno producida mientras una celda metal-aire se esta descargando, pueden ser utilizados en funciones de mejora medioambiental
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Preferentemente, la disposicion de colector incluye un sistema de suministro de ox^geno para suministrar a un punto de uso previsto oxfgeno generado cargando la celda metal-aire. El sistema de suministro de oxfgeno puede incluir por lo menos una parte de la estructura de salida en forma de una salida de oxfgeno, y puede incluir ademas una estructura de entrada de oxfgeno para introducir una corriente gaseosa que contiene oxfgeno a la celda metal-aire, mientras se genera oxfgeno cargando la celda metal-aire. El oxfgeno se puede suministrar para usos de respiracion en una serie de posibles areas de aplicacion, tal como en aeronaves, en edificios o en aplicaciones medicas. En aeronaves, el oxfgeno se puede suministrar continuamente, o como una fuente adicional de oxfgeno a peticion, por ejemplo durante una emergencia.
Ademas, o alternativamente, por lo menos una parte de la estructura de salida del colector puede estar en forma de una salida de atmosfera de alimentacion empobrecida en oxfgeno para transportar una atmosfera de alimentacion empobrecida en oxfgeno generada descargando la celda metal-aire a un punto previsto de uso. La atmosfera de alimentacion empobrecida en oxfgeno puede ser utilizada con diversos propositos en los que es deseable proporcionar una atmosfera esencialmente inerte, tal como en la inertizacion de depositos de combustible y en otras aplicaciones de prevencion de incendios o explosiones, o de lucha contra incendios. Otras aplicaciones son como generador de nitrogeno gaseoso, como fuente de gas para utilizar en dispositivos de inflado, tales como dispositivos de seguridad y dispositivos de flotacion, y como un agente propulsor para otros medios.
Habitualmente, la atmosfera de alimentacion es aire.
Ventajosamente, el generador incluye ademas un sistema de control de valvulas para controlar el funcionamiento de las valvulas.
El generador puede utilizar una unica celda metal-aire. Sin embargo, el generador incluye preferentemente una serie de celdas metal-aire y un sistema de control de las celdas metal-aire que esta configurado para controlar el funcionamiento de las celdas metal-aire de tal modo que, cuando se esta cargando una celda metal-aire, se esta descargando por lo menos otra celda metal-aire.
El sistema de control de valvulas y el sistema de control de las celdas metal-aire se pueden proporcionar como sistemas independientes, pero preferentemente forman parte de un solo sistema de control que controla las celdas metal-aire, de tal modo que se proporciona un escenario deseado de descarga/carga de las celdas y este controla las valvulas para asegurar que se consigue un flujo correcto de gas. Se puede utilizar un sistema de control basado en microprocesador.
Ventajosamente, la celda metal-aire recargable incluye un catodo de aire alargado que, bien exclusivamente o en combinacion con la disposicion de colector, define un paso alargado a lo largo del cual pueden fluir gases durante la carga y descarga de la celda metal-aire. De este modo, es posible proporcionar un area superficial grande del catodo de aire minimizando al mismo tiempo cualquier restriccion del flujo de gases. Preferentemente, la celda metal-aire esta en forma de una estructura tubular que tiene una pared interior formada por el catodo de aire alargado, donde el paso alargado es un orificio interior de la estructura tubular definida por el catodo de aire alargado. Para evitar dudas, se considera que una caractenstica tal como una membrana permeable al oxfgeno, que esta situada sobre la superficie del lado del catodo de aire de la celda metal-aire, forma parte del catodo de aire.
El catodo de aire alargado puede ser corrugado o acanalado.
Aunque el objetivo principal de la presente invencion es la generacion de un producto gaseoso, es ventajoso que sea posible la recuperacion de energfa durante la descarga de la celda metal-aire. La propia energfa recuperada durante la descarga de la celda metal-aire puede ser almacenada, o utilizada para un proposito deseado, tal como cargar otra celda, hacer funcionar equipos tales como valvulas, bombas, etc., o para otros propositos.
Aunque se considera ventajoso que la presente invencion pueda ser utilizada como un sistema de encendido- apagado por demanda, es posible almacenar el producto gaseoso por cualquier medio adecuado, tal como por licuefaccion.
De acuerdo con un segundo aspecto de la invencion, se da a conocer una aeronave que tiene un generador de productos gaseosos acorde con el primer aspecto de la invencion.
La estructura de entrada de la disposicion de colector se puede configurar para admitir aire desde el exterior de la aeronave a la celda metal-aire como atmosfera de alimentacion.
El producto gaseoso puede ser oxfgeno producido al cargar la celda metal-aire, y la disposicion de colector puede transportar el oxfgeno a una posicion predeterminada a bordo de la aeronave para usos de respiracion.
El producto gaseoso puede ser una atmosfera empobrecida en oxfgeno producida descargando la celda metal-aire, y la disposicion de colector puede transportar la atmosfera empobrecida en oxfgeno a una posicion predeterminada a bordo de la aeronave con propositos de inertizacion de la atmosfera. La disposicion de colector puede transportar la atmosfera empobrecida en oxfgeno a un deposito de combustible con propositos de inertizacion.
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De acuerdo con un tercer aspecto de la invencion, se da a conocer un procedimiento de generacion de un producto gaseoso que incluye las etapas de:
proporcionar una o varias celdas metal-aire recargables;
hacer funcionar las celdas metal-aire para generar un producto gaseoso;
transportar el producto gaseoso a un punto previsto de utilizacion y proporcionar con el producto gaseoso una funcion de mejora medioambiental.
La celda metal-aire puede estar dispuesta en una aeronave, y la funcion de mejora medioambiental puede ser proporcionada a bordo de la aeronave.
El producto gaseoso puede ser oxfgeno, cargandose la celda metal-aire para proporcionar el oxfgeno, y la funcion de mejora medioambiental puede ser la provision de oxfgeno en una posicion predeterminada para usos de respiracion.
El producto gaseoso puede ser una atmosfera empobrecida en oxfgeno, siendo descargada la celda metal-aire para proporcionar la atmosfera empobrecida en oxfgeno, y la funcion de mejora medioambiental puede ser la inertizacion de una atmosfera en una posicion predeterminada.
De acuerdo con un cuarto aspecto de la invencion, se da a conocer la utilizacion de por lo menos una celda metal- aire recargable para generar un producto gaseoso que se transporta a un punto previsto de utilizacion para proporcionar de ese modo una funcion de mejora medioambiental.
Aunque la invencion se ha descrito en lo anterior, esta se extiende a cualquier combinacion inventiva de las caractensticas expuestas anteriormente, o en la descripcion, los dibujos y las reivindicaciones siguientes.
Se describiran a continuacion realizaciones de generadores de productos gaseosos de acuerdo con la invencion, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
la figura 1 es un diagrama esquematico de una realizacion de la invencion;
la figura 2 es una vista en seccion transversal de una celda metal-aire que tiene un area superficial del catodo incrementada;
la figura 3 muestra vistas en seccion transversal de celdas metal-aire alternativas que tienen areas superficiales del catodo incrementadas; y
la figura 4 es un diagrama semi-esquematico de una aeronave equipada con un generador de gas de la invencion.
Las celdas litio-aire reversibles son celdas electroqmmicas secundarias que utilizan la siguiente reaccion electroqmmica reversible:
2 Li + 02 ^ ^ Li202
La celda Li-aire absorbe oxfgeno en descarga, y acumula oxfgeno en carga por medio de la formacion de peroxido de litio. El presente inventor se ha dado cuenta de que las celdas Li-aire y otras celdas metal-aire pueden ser utilizadas como generadores de oxfgeno y/o como un medio de generacion de aire empobrecido en oxfgeno con diversos propositos.
Para funcionar como generador de gas, la celda Li-aire esta dotada de una disposicion de colector adecuada que permite que se suministre gas a las celdas Li-aire requeridas y se extraiga de las mismas. La figura 1 es un diagrama esquematico de un generador de gas, mostrado en general como 10, que comprende una celda Li-aire 12, una entrada de aire 14, una salida para aire empobrecido en oxfgeno 16, una entrada para un sistema de suministro de oxfgeno 18 y una salida para el sistema 20 de suministro de oxfgeno. Cada una de estas lmeas de conduccion de gas tiene una valvula asociada 14a, 16a, 18a, 20a. El funcionamiento de las valvulas se puede controlar mediante un sistema de control adecuado 22. La secuencia de las valvulas para una sola celda que funciona como un generador de gas es la mostrada en la tabla 1.
TABLA 1 secuencia de valvulas para una sola celda metal-aire
Situacion de la celda
ENTRADA de aire ENTRADA de O2 SALIDA inerte SALIDA de O2
Carga
ABIERTA CERRADA ABIERTA CERRADA
Descarga
CERRADA ABIERTA CERRADA ABIERTA
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Aunque depende de la aplicacion precisa contemplada, en muchas situaciones es ventajoso utilizar dos o mas celdas Li-aire en un generador. De este modo, por lo menos una celda se puede estar cargando mientras la otra se esta descargando. Se puede utilizar un sistema de control adecuado para hacer funcionar la celda de manera coordinada. Se preve que incluso sistemas que utilicen una serie de celdas metal-aire pueden ser relativamente ligeros.
Se puede obtener una eficiencia incrementada si la celda Li-aire se dispone en alguna clase de estructura tubular con el fin de maximizar el area superficial del catodo de aire proporcionando al mismo tiempo la minima restriccion al flujo de gas. La figura 2 muestra una disposicion de este tipo, en la que una celda metal-aire, mostrada en general como 24, esta en la forma de un tubo en el que el catodo de aire 26 forma la pared interior del tubo, y define por lo tanto una camara de gas interior a lo largo de la cual puede fluir gas. La celda metal-aire esta dispuesta de manera concentrica con el anodo 28 que actua como la pared exterior de la estructura tubular, estando dispuesta concentricamente la estructura electrolito/separador 30 entre el catodo de aire 26 y el anodo 28. La celda metal-aire mostrada en la figura 2 tiene forma alargada para proporcionar un area superficial interior del catodo.
La figura 3a muestra una realizacion relacionada de una celda metal-aire, representada en general en 32, en la que la celda metal-aire esta de nuevo en forma de estructura tubular. El catodo de aire 34 forma una pared interior de la estructura tubular y define un paso interior a lo largo del cual pueden fluir los gases. El anodo 36 actua como una pared exterior de la estructura, y esta dispuesto un electrolito/separador 38 entre el anodo 36 y el catodo de aire 34. En la realizacion mostrada en la figura 3a, los componentes de la celda metal-aire, en particular el catodo de aire 34, son corrugados, para proporcionar un area superficial del catodo incrementada.
La figura 3b muestra otra realizacion relacionada de una celda metal-aire, representada en general en 40, en la que la celda metal-aire esta de nuevo en forma de estructura tubular. En esta realizacion, el catodo de aire 42 forma una pared exterior de la estructura tubular, y el anodo 44 actua como una pared interior de la estructura. Un electrolito/separador 46 esta dispuesto entre el anodo 44 y el catodo de aire 42. En la realizacion mostrada en la figura 3b, el anodo 44 define un paso interior. Sin embargo, puede ser posible proporcionar realizaciones en las que no haya paso interior. La celda metal-aire 40 esta dispuesta en un conducto 48 que forma parte del dispositivo generador que comprende la celda metal-aire 40. Por lo tanto, en las realizaciones mostradas en la figura 3b, son la pared exterior de la estructura tubular formada por el catodo de aire 42 y las paredes del conducto 48 las que definen un paso a lo largo del cual pueden fluir los gases para interaccionar con el catodo de aire 42. Una serie de celdas metal-aire pueden estar dispuestas en un conducto de este modo. La figura 3c muestra otra realizacion de una celda metal-aire, representada en general en 50, en la que la celda metal-aire 50 esta dispuesta contra una pared 52 de la disposicion de colector, actuando juntas estas dos estructuras para formar y definir un paso interior a lo largo del cual pueden fluir los gases. En las realizaciones mostradas en la figura 3c, la celda metal-aire 50 tiene una forma en seccion transversal abovedada o sustancialmente hemisferica, donde el catodo de aire 54 forma una pared interior de la estructura abovedada y esta por lo tanto en comunicacion con los gases que fluyen a lo largo del paso interior. El anodo 56 actua como una pared exterior de la estructura, y esta dispuesto un electrolito/separador 58 entre el anodo 56 y el catodo de aire 54. Se apreciara que la disposicion del colector y de la celda metal-aire puede adoptar muchas formas diferentes en seccion transversal para proporcionar una combinacion que defina un paso interior a lo largo del cual puedan fluir los gases.
La figura 4 es un diagrama esquematico de una aeronave 60 que tiene una serie de motores a reaccion 62 y una serie de depositos de combustible 64. Un sangrado de aire 66 se extrae de un compresor del motor de uno de los motores a reaccion y se utiliza como un suministro de gas de sangrado para un generador de gas 68 de la invencion. El aire de sangrado puede ser enfriado y comprimido segun se requiera antes de su introduccion en el generador de gas 68. El oxfgeno producido por la generacion de gas 68 se pone en circulacion alrededor de la aeronave 60 por medio de un sistema 70 de suministro de oxfgeno. El aire empobrecido en oxfgeno se introduce en el deposito de combustible 64 utilizando un sistema 72 de suministro de aire empobrecido en oxfgeno. Se pueden disponer a conveniencia generadores de gas y/o sangrados de aire adicionales.

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un producto gaseoso (10), que incluye:
    por lo menos una celda metal-aire recargable (12) que puede funcionar para proporcionar el producto gaseoso; y
    una disposicion de colector, teniendo la disposicion de colector una estructura de entrada (14, 18), una estructura de salida (16, 20) y una o varias valvulas (14a, 16a, 18a, 20a), permitiendo la estructura de entrada (14, 18) que se introduzca una atmosfera de alimentacion en la celda metal-aire (12), transportando la estructura de salida (16, 20) el producto gaseoso a un punto previsto de utilizacion (70, 64) para proporcionar de ese modo una funcion de mejora medioambiental, y controlando dichas una o varias valvulas (14a, 16a, 18a, 20a) el suministro de gas a la celda metal-aire (12) y/o el transporte del producto gaseoso desde la celda metal-aire.
  2. 2. Un generador segun la reivindicacion 1, en el que la celda metal-aire recargable es una celda litio-aire recargable (12).
  3. 3. Un generador segun la reivindicacion 1 o 2, en el que la disposicion de colector incluye un sistema (70) de suministro de oxfgeno para suministrar a un punto previsto de utilizacion oxfgeno generado al cargar la celda metal- aire.
  4. 4. Un generador segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que por lo menos una parte de la estructura de salida del colector esta en la forma de una salida (72) de atmosfera de alimentacion empobrecida en oxfgeno, para transportar a un punto previsto de utilizacion (64) una atmosfera de alimentacion empobrecida en oxfgeno generada al descargar la celda metal-aire.
  5. 5. Un generador segun cualquier reivindicacion anterior, que incluye ademas un sistema (22) de control de las valvulas para controlar el funcionamiento de las valvulas (14a, 16a, 18a, 20a).
  6. 6. Un generador segun cualquier reivindicacion anterior, que incluye una serie de celdas metal-aire (12) y un sistema de control de las celdas metal-aire que esta configurado para controlar el funcionamiento de las celdas metal-aire de tal modo que, cuando se esta cargando una celda metal-aire, se esta descargando por lo menos otra celda metal- aire.
  7. 7. Un generador segun cualquier reivindicacion anterior, en el que la celda metal-aire recargable (12) incluye un catodo de aire alargado (26) que, bien exclusivamente o en combinacion con la disposicion de colector (14, 18, 16, 20), define un paso alargado a lo largo del cual pueden fluir los gases durante la carga y descarga de la celda metal- aire.
  8. 8. Una aeronave (60) que incluye un generador (10) de productos gaseosos, segun cualquier reivindicacion anterior.
  9. 9. Una aeronave (60) segun la reivindicacion 8, en la que el producto gaseoso es oxfgeno producido cargando la celda metal-aire (12) y la disposicion de colector (70) transporta el oxfgeno a una posicion predeterminada a bordo de la aeronave para usos de respiracion.
  10. 10. Una aeronave (60) segun la reivindicacion 8, en la que el producto gaseoso es una atmosfera empobrecida en oxfgeno producida al descargar la celda metal-aire (12) y la disposicion de colector (72) transporta la atmosfera empobrecida en oxfgeno a una posicion predeterminada (64) a bordo de la aeronave con propositos de inertizacion de la atmosfera.
  11. 11. Un procedimiento para generar un producto gaseoso, que incluye las etapas de disponer por lo menos una celda metal-aire recargable (12);
    hacer funcionar la celda metal-aire para generar un producto gaseoso;
    transportar el producto gaseoso a un punto previsto de utilizacion y proporcionar con el producto gaseoso una funcion de mejora medioambiental.
  12. 12. Un procedimiento segun la reivindicacion 11, en el que la celda metal-aire (12) esta dispuesta en una aeronave (60), y la funcion de mejora medioambiental esta dispuesta a bordo de la aeronave.
  13. 13. Un procedimiento segun la reivindicacion 11 o 12, en el que el producto gaseoso es oxfgeno, la celda metal-aire (12) se carga para proporcionar el oxfgeno, y la funcion de mejora medioambiental es la provision de oxfgeno en una posicion predeterminada para usos de respiracion.
  14. 14. Un procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en el que el producto gaseoso es una atmosfera empobrecida en oxfgeno, la celda metal-aire (12) se descarga para proporcionar la atmosfera empobrecida en oxfgeno, y la funcion de mejora medioambiental es la inertizacion de la atmosfera en una posicion predeterminada.
  15. 15. Un procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, que incluye la etapa de almacenar el producto gaseoso antes de la provision de la funcion de mejora medioambiental del mismo.
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