FR2519579A1 - Heat exchanger plates made by assembling polymer modules - where module ends are placed in mould filled with polymer to join modules together - Google Patents

Heat exchanger plates made by assembling polymer modules - where module ends are placed in mould filled with polymer to join modules together Download PDF

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Abstract

Each plate consists of a frame made by assembling at least two different types of module. Adjacent ends of two modules which are to be joined together are located in a mould to leave a space; and the two ends of the modules are clamped in position by pegs. The mould is next heated to near the m.pt. of the modules, and a liq. with the same compsn. as the modules is injected into the mould to join the modules together. The adjacent ends of two modules to be joined together pref. contain holes, grooves, or tongue and groove joints to improve the strength of the moulded joints. In an embodiment, the modules are made of polyethylene or polypropylene, the same polymer being used to make the moulded joints. Only two moulds are needed to make heat exchanger plates of different length, so mfr. costs are reduced.

Description

La présente invention concerne un procédé de fabrication des plaques d'un échangeur de chaleur par assemblage d'éléments bout à bout. The present invention relates to a method of manufacturing the plates of a heat exchanger by assembling elements end to end.

Les échangeurs de chaleur à plaques constituent un type d'échangeur avantageux en raison de leur simplicité, de leur très bon coefficient d'échange, de leur facilité d'entretien, de leur compacité et des possibilités de faire varier la surface d'échange sans modifier le bâti. De tels appareils sont constitués par un empilement d'éléments plans assemblés pour déterminer des circuits d'écoulement séparés parcourus par des fluides de températures différentes entre lesquels s'effectue un échange de chaleur. Plate heat exchangers constitute an advantageous type of exchanger because of their simplicity, their very good exchange coefficient, their ease of maintenance, their compactness and the possibilities of varying the exchange surface without modify the frame. Such devices consist of a stack of planar elements assembled to determine separate flow circuits traversed by fluids of different temperatures between which heat exchange takes place.

On contact de nombreuses réalisations d'échangeurs à plaques, par exemple des échangeurs dans lesquels les éléments plans sont constitués par des plaques métalliques embouties. Numerous embodiments of plate exchangers are contacted, for example exchangers in which the planar elements consist of stamped metal plates.

On connatt également, par le brevet français 2 290 646 un échangeur à plaques réalisé en matière moulée constitué par une succession de plaques accolées communiquant deux par deux pour délimiter des circuits d'écoulement séparés. Chaque plaque comporte au moins un cadre plan entourant une cavité centrale, au moins deux orifices ménagés dans le cadre pour les entrées et les sorties des milieux fluides qui traversent la cavité centrale, et des ouvertures ménagées dans le cadre pour le passage des fluides vers un module voisin. Les cadres sont isolés l'un de l'autre par une feuille mince étanche qui sépare les milieux fluides dans deux cadres adjacents. Le transfert thermique entre les fluides s'effectue à travers cette feuille mince d'une plaque à la suivante. French patent 2,290,646 also discloses a plate heat exchanger made of molded material constituted by a succession of adjoining plates communicating two by two to delimit separate flow circuits. Each plate comprises at least one planar frame surrounding a central cavity, at least two orifices formed in the frame for the inlets and outlets of the fluid media which pass through the central cavity, and openings formed in the frame for the passage of the fluids to a neighboring module. The frames are isolated from each other by a thin waterproof sheet which separates the fluid media in two adjacent frames. The heat transfer between the fluids takes place through this thin sheet from one plate to the next.

Les plaques d'un échangeur de ce type sont réalisées par moulage sous pression. Comme les plaques sont généralement de grandes dimensions, il est nécessaire que le moule présente lui aussi une grande di tension, et par conséquent, sa réalisation est coûteuse. The plates of an exchanger of this type are produced by pressure molding. As the plates are generally of large dimensions, it is necessary that the mold also has a large tension, and therefore its production is expensive.

Par ailleurs, lorsqu'on souhaite faire varier les paramètres de l'échangeur, par exemple le débit de l'un ou l'autre des fluides, ou la surface d'échange entre ces deux fluides, il faut une plaque de géométrie différente. Il est donc nécessaire de réaliser un moule différent pour chaque type de plaque. Furthermore, when it is desired to vary the parameters of the exchanger, for example the flow rate of one or the other of the fluids, or the exchange surface between these two fluids, a plate of different geometry is required. It is therefore necessary to make a different mold for each type of plate.

Le procédé de l'invention remédie à ces inconvénients. Il permet de réaliser une plaque en matière moulée pour échangeur de chaleur au moyen d'un moule de petites dimensions, donc d'un prix de revient peu élevé. D'autre part, il permet de réaliser des plaques de formes et de dimensions variables au moyen d'un moule unique. Il évite donc d'avoir à réaliser un moule différent pour chaque type de plaque. The process of the invention overcomes these drawbacks. It makes it possible to produce a molded material plate for heat exchanger by means of a mold of small dimensions, therefore of a low cost price. On the other hand, it makes it possible to produce plates of variable shapes and dimensions by means of a single mold. It therefore avoids having to make a different mold for each type of plate.

Selon l'invention, chaque plaque de l'échangeur est constituée par deux blocs distributeurs reliés par des parois longitudinales. La plaque réalisée selon le procédé de l'invention se caractérise en ce qu'elle est constituée de plusieurs éléments modulaires qui sont assemblées bout à bout. According to the invention, each plate of the exchanger is constituted by two distributor blocks connected by longitudinal walls. The plate produced according to the method of the invention is characterized in that it consists of several modular elements which are assembled end to end.

Plus précisément, le procédé de fabrication, selon l'invention, d'une plaque d'un échangeur à partir d'éléments modulaires en matière moulée, chaque plaque de cet échangeur étant constituée par deux blocs distributeurs reliés par des parois longitudinales, se caractérise en ce qu'on réalise chaque plaque en assemblant bout à bout au moins deux parties constitutives, l'assemblage bout à bout étant réalisé en introduisant les extrémités à rassembler dans une presse en laissant un espace entre elles, dont la forme est celle que doit prendre le joint des deux éléments modulaires à assembler, et en bloquant les extrémités dans cette position à côte fixe, en portant le moule à une température voisine de la température de fusion du matériau des parties constitutives de la plaque, en injectant le même matériau liquide dans l'espace laissé libre entre les extrémités à assembler. More specifically, the method of manufacturing, according to the invention, a plate of an exchanger from modular elements of molded material, each plate of this exchanger being constituted by two distributor blocks connected by longitudinal walls, is characterized in that each plate is produced by assembling end to end at least two constituent parts, the end-to-end assembly being carried out by introducing the ends to be assembled in a press leaving a space between them, whose shape is that which must take the joint of the two modular elements to be assembled, and by blocking the ends in this position with a fixed side, by bringing the mold to a temperature close to the melting temperature of the material of the constituent parts of the plate, by injecting the same liquid material in the space left free between the ends to be assembled.

De préférence, les extrémités des pièces à assembler présentent des nervures, des échancrures ou des trous qui améliorent leur liaison. Ceci permet d'augmenter la surface de contact entre les extrémités & assembler et la matière injectée, et donc d'améliorer la solidité de la liaison. Preferably, the ends of the parts to be assembled have ribs, notches or holes which improve their connection. This makes it possible to increase the contact surface between the ends to be assembled and the material injected, and therefore to improve the solidity of the connection.

L'invention concerne également la plaque d'échangeur obtenu au moyen du procédé de l'invention. The invention also relates to the exchanger plate obtained by means of the method of the invention.

D'autres caractéristiques et avantage#s de l'invention apparattront encore à la lecture de la description qui suit, donnée à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels
- la figure 1 représente une vue en perspective d'une plaque d'échangeur de chaleur de l'art antérieur
- les figures 2a et 2b représentent deux exemples de plaque d'échangeur de chaleur réalisées par le procédé de l'invention ;
- les figures 3a et 3b représentent un moule permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention ;
- la figure 4 montre diverses formes de réalisation permettant d'améliorer la liaison des extrémités à assembler.
Other characteristics and advantage # s of the invention will become apparent on reading the description which follows, given by way of indication and in no way limiting, with reference to the appended drawings, in which
- Figure 1 shows a perspective view of a heat exchanger plate of the prior art
- Figures 2a and 2b show two examples of heat exchanger plate produced by the method of the invention;
- Figures 3a and 3b show a mold for implementing the method of the invention;
- Figure 4 shows various embodiments for improving the connection of the ends to be assembled.

- la figure 5 montre une vue en perspective d'un autre exemple de réalisation d'un échangeur à plaque obtenu par le procédé de l'invention.  - Figure 5 shows a perspective view of another embodiment of a plate exchanger obtained by the method of the invention.

On a représenté sur la figure 1 une vue en perspective d'une plaque d'échangeur de chaleur à pla ques réalisée selon l'art antérieur, par exemple selon les enseignements du brevet français 2 290 646. Cette pièce est ioulée d'un seul tenant. Elle comporte deux blocs distributeurs 2 et deux parois longitudinales 4 qui raccordent les blocs distributeurs 2 de manière à former un cadre plan entourant une cavité centrale 6. FIG. 1 shows a perspective view of a plate heat exchanger plate produced according to the prior art, for example according to the teachings of French patent 2,290,646. This part is molded from a single piece holding. It comprises two distributor blocks 2 and two longitudinal walls 4 which connect the distributor blocks 2 so as to form a planar frame surrounding a central cavity 6.

Quatre orifices de passage des fluides sont ménagés dans le cadre, respectivement deux orifices 8 pour l'entrée et la sortie d'un premier fluide et deux orifices 10 pour le passage d'un deuxième fluide au travers de la plaque. L'échangeur de chaleur est constitué par une superposition de plaques identiques à la plaque 1 séparées par une feuille mince étanche qui joue le rôle de surface d'échange. L'échange de chaleur entre les fluides s'effectue à travers cette feuille mince. Le premier fluide pénètre par l'un des trous 8, traverse la cavité centrale 6 et ressort par le deuxième orifice de sortie 8. Le deuxième fluide, qui échange des calories avec le premier, ne traverse pas la cavité centrale 6 de la plaque représentée, mais traverse les cavités des plaques situées au-dessus et au-dessous.La circulation de ces deux fluides peut se faire à co-courant ou à contre-courant. Géné raclement, un élément tel qu'un grillage, est disposé dans la cavité centrale 6 afin de provoquer un écoulement turbulent.Four orifices for the passage of fluids are provided in the frame, respectively two orifices 8 for the entry and exit of a first fluid and two orifices 10 for the passage of a second fluid through the plate. The heat exchanger consists of a superimposition of plates identical to plate 1 separated by a thin waterproof sheet which acts as an exchange surface. The heat exchange between the fluids takes place through this thin sheet. The first fluid enters through one of the holes 8, passes through the central cavity 6 and exits through the second outlet orifice 8. The second fluid, which exchanges calories with the first, does not pass through the central cavity 6 of the plate shown , but crosses the cavities of the plates located above and below. The circulation of these two fluids can be done in co-current or against-current. Generated scraping, an element such as a mesh, is placed in the central cavity 6 in order to cause a turbulent flow.

Toutefois, pour obtenir une grande surface d'échange, il est nécessaire d'avoir des plaques de grandes dimensions. La réalisation de telles plaques nécessite selon l'art antérieur des moules de dime?- sions équivalentes, donc d'un prix de revient très élevé. D'autre part, lorsque l'on veut réaliser des échangeurs de chaleur qui présentent un pouvoir d'échange bien déterminé en fonction des températures d'entrée et de sortie des fluides, il est souvent nécessaire d'avoir des plaques non seulement de grandes dimensions, mais également de géométrie différente, ce qui nécessite, selon l'art antérieur, de fabriquer un moule de plaque différent pour chaque type d'échangeur.Plus précisément, le pouvoir d'échange de chaleur d'un échangeur est caractérisé par le nombre d'unités de transfert, (N.U.T.), donné par la formule

Figure img00050001

dans laquelle Tepp désigne la température d'entrée du fluide froid dans l'échangeur, Ts sa température de sortie, Tep la température d'entrée du fluide chaud, et TSFC sa température de sortie.However, to obtain a large exchange surface, it is necessary to have large plates. The production of such plates requires according to the prior art dime molds - equivalent sions, therefore a very high cost price. On the other hand, when it is desired to produce heat exchangers which have a clearly determined exchange power as a function of the inlet and outlet temperatures of the fluids, it is often necessary to have plates not only of large dimensions, but also of different geometry, which requires, according to the prior art, to manufacture a different plate mold for each type of exchanger. More specifically, the heat exchange power of an exchanger is characterized by number of transfer units, (NUT), given by the formula
Figure img00050001

in which Tepp designates the inlet temperature of the cold fluid into the exchanger, Ts its outlet temperature, Tep the inlet temperature of the hot fluid, and TSFC its outlet temperature.

Le procédé de l'invention, illustré sur les figures 2 à 4 remédie à cet inconvénient. The method of the invention, illustrated in Figures 2 to 4 overcomes this drawback.

Sur les figures 2a et 2b on a représenté deux variantes de réalisation de plaques obtenues par ce procédé. La figure 2a montre une plaque 14 constituée de quatre parties, respectivement deux blocs distributeurs 2 et deux parois latérales 4 assemblées par le procédé de l'invention. Ainsi, grâce à ce procédé, il suffit d'avoir deux moules de petites dimensions qui permettent de réaliser, l'un les éléments modulaires de distribution 2, et l'autre, les éléments modulaires longitudinaux, dont les tailles respectives sont évidemment bien inférieures à celle de la plaque entière. On réduit ainsi de façon importante le prix de revient de la plaque et en conséquence de l'échan- geur. En outre, on peut faire varier à volonté la longueur des parois longitudinales 4. Ceci permet de réaliser au moyen d'un moule unique des plaques de différentes longueurs mais qui comportent le même bloc dis tributeur 2. In FIGS. 2a and 2b there are shown two alternative embodiments of plates obtained by this method. Figure 2a shows a plate 14 consisting of four parts, respectively two distributor blocks 2 and two side walls 4 assembled by the method of the invention. Thus, thanks to this process, it suffices to have two molds of small dimensions which make it possible, one of the modular distribution elements 2, and the other, the longitudinal modular elements, the respective sizes of which are obviously much smaller. to that of the entire plate. This significantly reduces the cost price of the plate and consequently of the exchanger. In addition, the length of the longitudinal walls 4 can be varied as desired. This makes it possible to produce, by means of a single mold, plates of different lengths but which include the same distributor block 2.

On a représenté sur la figure 2b une variante 14' de la plaque de la figure 2a. Pour cette plaque, les bords longitudinaux 4 ont été constitués de plusieurs parties 4a, 4b, 4c assemblées par le procédé de l'invention. On obtient ainsi une plaque de très grande longueur. There is shown in Figure 2b a variant 14 'of the plate of Figure 2a. For this plate, the longitudinal edges 4 were made up of several parts 4a, 4b, 4c assembled by the method of the invention. A very long plate is thus obtained.

Dans le cas de la plaque 14 (figure 2a), quatre opérations permettent de réaliser la plaque. In the case of plate 14 (FIG. 2a), four operations make it possible to produce the plate.

Les extrémités à assembler 16, sont constituées par les deux bras des éléments modulaires de distribution 2, et par les éléments modulaires longitudinaux 4.The ends to be assembled 16, are constituted by the two arms of the modular distribution elements 2, and by the longitudinal modular elements 4.

Dans le cas de la plaque 14 de la figure 2b, huit opérations de liaison sont nécessaires car il faut assembler en outre les parties 4a, 4b, 4c entre elles. In the case of the plate 14 in FIG. 2b, eight connection operations are necessary since it is also necessary to assemble the parts 4a, 4b, 4c together.

Les figures 3a et 3b illustrent plus en détail les étapes de la réalisation du procédé de l'invention. On place les extrémités 16 à assembler bout à bout à l'intérieur d'un petit moule de surmoulage 20 composé de deux parties 22 et 24 et dont la forme intérieure correspond à celle des pièces à assembler. Figures 3a and 3b illustrate in more detail the steps of carrying out the method of the invention. The ends 16 to be assembled are placed end to end inside a small overmolding mold 20 composed of two parts 22 and 24 and the internal shape of which corresponds to that of the parts to be assembled.

Ces extrémités 16 peuvent être par exemple l'extrémité d'une paroi longitudinale 4 et l'amorce d'un bloc d'échange 2. Il peut s'agir également de deux extrémités de parois longitudinales, comme les parois 4a et 4b représentées sur la figure 2b. On laisse un espace 26 entre les deux extrémités 16 et on les bloque dans cette position, par des vis de serrage 28 qui passent au travers de trous 27 correspondants, pratiqués dans les extrémités 16. L'espace 26 laissé entre les deux extrémités a pour but de permettre l'injection de matière. Le moule 20 comporte des moyens de chauffage 30 qui permettent de le porter à une température voisine de la température de fusion du matériau des deux élé ments modulaires. Sur la figure 3a, les moyens de chauffage 30 ont été symbolisés par une résistance électrique entourant le moule 20.These ends 16 may for example be the end of a longitudinal wall 4 and the start of an exchange block 2. It may also be two ends of longitudinal walls, like the walls 4a and 4b shown on Figure 2b. A space 26 is left between the two ends 16 and they are blocked in this position, by clamping screws 28 which pass through corresponding holes 27, made in the ends 16. The space 26 left between the two ends has for purpose of allowing the injection of material. The mold 20 includes heating means 30 which make it possible to bring it to a temperature close to the melting temperature of the material of the two modular elements. In FIG. 3a, the heating means 30 have been symbolized by an electrical resistance surrounding the mold 20.

Parmi les matériaux couramment utilisés pour réaliser les pièces de la plaque 14 de l'échangeur, on peut citer le polyéthylène et le polypropylène dont les températures de fusion sont respectivement de 200 et 2300C. Among the materials commonly used to make the parts of the plate 14 of the exchanger, mention may be made of polyethylene and polypropylene, the melting temperatures of which are 200 and 2300C respectively.

Par un orifice 32, on injecte dans l'espace 26 le même matériau en phase liquide que celui qui constitue les pièces à assembler. Through an orifice 32, the same material is injected into space 26 in the liquid phase as that which constitutes the parts to be assembled.

On obtient ainsi, après refroidissement, une liaison intime de même nature et de géométrie définie entre les deux éléments modulaires. One thus obtains, after cooling, an intimate connection of the same nature and defined geometry between the two modular elements.

La figure 3b montre un exemple de réalisation pratique du dispositif de la figure 3a. Les moyens de chauffage 30 sont costitués, dans cette réalisation, par une résistance 30 intégrée dans le fond du moule 24, ce qui évite d'avoir à la dérouler lorsqu'on introduit les extrémités 16 à assembler. Le moule peut être ouvert et fermé rapidement grâce au dispositif de serrage rapide à came 33. En outre, on a prévu des conduits de refroidissement 34 pour la partie du moule 20. Figure 3b shows a practical embodiment of the device of Figure 3a. The heating means 30 are made up, in this embodiment, by a resistor 30 integrated in the bottom of the mold 24, which avoids having to unroll it when the ends 16 to be assembled are introduced. The mold can be opened and closed quickly thanks to the quick cam clamping device 33. In addition, cooling ducts 34 are provided for the part of the mold 20.

On remarque que les trous 27 de passage des vis 28 restent dans les pièces. Toutefois, ces orifices ne sont pas gênants parce qu'ils ne communiquent par avec la cavité centrale 6. Par conséquent, ils ne peuvent donner lieu à aucune fuite de liquide. Note that the holes 27 for the passage of the screws 28 remain in the parts. However, these orifices are not annoying because they do not communicate with the central cavity 6. Consequently, they cannot give rise to any leakage of liquid.

On a représenté sur la figure 4 diverses formes de réalisation des extrémités 16 destinées à améliorer leur liaison. Sur la figure 4a, les extrémités comportent des trous longitudinaux 36 dans lesquels pénètre la matière en fusion, ce qui augmente la surface de liaison.  There are shown in Figure 4 various embodiments of the ends 16 intended to improve their connection. In FIG. 4a, the ends have longitudinal holes 36 into which the molten material penetrates, which increases the bonding surface.

La figure 4b montre une extrémité 16 ou 18 comportant une nervure 38. FIG. 4b shows an end 16 or 18 comprising a rib 38.

La figure 4c montre des extrémités comportant des tenons 40 qui ont également pour but d'augmenter la longueur de la liaison et donc la surface de contact entre les pièces. FIG. 4c shows ends comprising tenons 40 which also have the aim of increasing the length of the connection and therefore the contact surface between the parts.

On a représenté sur la figure 5 un troisième exemple de réalisation d'une plaque 1 d'échangeur de chaleur E obtenue par le procédé de fabrication de la présente invention, et l'échangeur obtenu par la superposition de ces plaques. Une surface d'échange constituée par une feuille mince d'un matériau plastique ou métallique est interposée entre deux plaques. There is shown in Figure 5 a third embodiment of a plate 1 of heat exchanger E obtained by the manufacturing method of the present invention, and the exchanger obtained by the superposition of these plates. An exchange surface constituted by a thin sheet of plastic or metallic material is interposed between two plates.

Des tirants 36 placés dans les trous 37 prévus dans les bords longitudinaux 4 et aux extrémités des blocs distributeurs 2 assurent l'alignement des plaques et leur serrage entre deux plaques d'extrémité (non re #résentées). On peut faire varier à volonté la hauteur de l'échangeur en augmentant ou en réduisant le nombre des plaques. Les plaques sont retournées alternativement de 1800 avant d'être empilées de manière alternée. Les canaux de distribution et d'évacuation 38 sont situés d'une plaque à l'autre, en position symétrique de part et d'autre de l'axe longitudinal d'une plaque.Tie rods 36 placed in the holes 37 provided in the longitudinal edges 4 and at the ends of the distributor blocks 2 ensure the alignment of the plates and their tightening between two end plates (not shown). The height of the exchanger can be varied as desired by increasing or reducing the number of plates. The plates are inverted alternately from 1800 before being stacked alternately. The distribution and evacuation channels 38 are located from one plate to another, in a symmetrical position on either side of the longitudinal axis of a plate.

On remarque les orifices 27 qui ont été nécessaires pour maintenir un espacement convenable entre les extrémités des pièces à assembler (extrémités 16) au cours de l'injection du matériau plastique dans lequel les plaques 1 sont réalisées. On remarque également la trace 26 laissée par la jonction des deux plaques. Note the orifices 27 which were necessary to maintain a suitable spacing between the ends of the parts to be assembled (ends 16) during the injection of the plastic material in which the plates 1 are made. Note also the trace 26 left by the junction of the two plates.

Ainsi, l'invention permet bien la réalisation bon marché de plaques d'échangeur en matière moulée sans nécessiter l'utilisation d'un moule différent pour chaque dimension, ou chaque forme-de la plaque.  Thus, the invention indeed allows the inexpensive production of heat exchanger plates in molded material without requiring the use of a different mold for each dimension, or each form of the plate.

Claims (3)

REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de plaques d'un échangeur de chaleur par assemblage d'éléments modulaires bout à bout, caractérisé en ce qu'on réalise chaque plaque (14) en assemblant bout à bout au moins deux parties constitutives, l'assemblage bout à bout étant réalisé en introduisant les extrémités à assembler (16) dans une presse (20) en laissant un espace (26) entre elles, dont la forme est celle que doit prendre le joint des deux éléments modulaires (16) à assembler, et en bloquant les extrémités (16) à côté fixe dans cette position en portant le moule (20) à une température voisine de la température de fusion du matériau des parties constitutives de la plaque (14), en injectant le même matériau liquide dans l'espace (26) laissé libre entre les extrémités (16) à assembler. 1. A method of manufacturing plates of a heat exchanger by assembling modular elements end to end, characterized in that each plate (14) is produced by assembling end to end at least two constituent parts, the assembly butt with the end being produced by introducing the ends to be assembled (16) into a press (20) leaving a space (26) between them, the shape of which is that which the joint of the two modular elements (16) to be assembled must take, and by blocking the ends (16) with fixed side in this position by bringing the mold (20) to a temperature close to the melting temperature of the material of the component parts of the plate (14), by injecting the same liquid material into the space (26) left free between the ends (16) to be assembled. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités (16) présentent des trous (36), des nervures (38) ou des tenons (40) destinés à améliorer leur liaison. 2. Method according to claim 1, characterized in that the ends (16) have holes (36), ribs (38) or tenons (40) intended to improve their connection. 3. Plaque d'échangeur de chaleur (14, 14') obtenue au moyen du procédé des revendications 1 et 2.  3. Heat exchanger plate (14, 14 ') obtained by the method of claims 1 and 2.
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