FR3097312A1 - Évaporateur d’un fluide de travail pour une centrale ETM, comportant notamment un système d’amortissement - Google Patents

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Abstract

Évaporateur d’un fluide de travail pour une centrale ETM, comportant notamment un système d’amortissement La présente invention concerne un évaporateur d’un fluide de travail pour une centrale ETM, comportant un corps d’évaporateur de forme allongée s’étendant suivant un axe central (X), un faisceau d’évaporateurs (25) transportant des eaux chaudes et s’étendant suivant l’axe central (X) et un système d’aspersion s’étendant au-dessus du faisceau d’évaporateurs (25) et apte à asperger le fluide de travail à l’état liquide sur le faisceau d’évaporateurs (25) pour faire évaporer ce fluide de travail. Le corps d’évaporateur définit un fond (17) et un espace d’échappement du fluide de travail à l’état gazeux entre le fond (17) et le faisceau d’évaporateurs (25). L’évaporateur comporte en outre un système d’amortissement (29) disposé dans l’espace d’échappement et configuré pour amortir la chute des gouttes du fluide de travail à l’état liquide non-évaporé après le passage par le faisceau d’évaporateurs (25). Figure pour l'abrégé : figure 3

Description

Évaporateur d’un fluide de travail pour une centrale ETM, comportant notamment un système d’amortissement
La présente invention concerne un évaporateur d’un fluide de travail pour une centrale ETM, comportant notamment un système d’amortissement.
De manière connue en soi, une centrale ETM (pour Énergie Thermique des Mers) utilise la différence de températures entre les eaux superficielles et les eaux profondes des océans pour produire de l’électricité.
Généralement, une telle centrale ETM comprend un évaporateur dans lequel un fluide de travail est évaporé par les eaux chaudes de la surface pour faire tourner une turbine, et un condenseur dans lequel ce fluide de travail est ensuite condensé par les eaux froides du fond marin.
L’évaporateur d’une centrale ETM présente généralement un corps de forme allongée à travers laquelle s’étend un faisceau d’évaporateurs. Ce faisceau d’évaporateurs se présentant sous la forme d’une pluralité d’éléments d’évaporation, fait circuler des eaux chaudes le long de l’évaporateur. Chaque élément d’évaporation présente un tuyau ou une plaque.
Un système d’aspersion composé de tuyaux et de buses montées sur les tuyaux, est prévu tout au long de ce faisceau afin d’asperger sur celui-ci le fluide de travail à l’état liquide.
Le corps d’évaporateur, appelé également virole dans l’état de la technique, présente non seulement le rôle de récipient pressurisé mais permet également de guider le fluide de travail évaporé par le faisceau d’évaporateurs jusqu’à un système d’évacuation.
Dans les applications de type « Horizontal Falling Film Evaporator » (« évaporateur horizontal à film tombant » en français), le système d’aspersion est disposé au-dessous du système d’évacuation. Ainsi, le fluide à l’état liquide tombant par gravité sur le faisceau d’évaporateurs remonte après son évaporation vers le système d’évacuation.
Lors de la traversée du faisceau d’évaporateurs, le fluide de travail non-évaporé ruisselle d’un élément d’évaporation supérieur à un élément d’évaporation inférieur en formant de gouttes.
Au cœur du faisceau, ce phénomène n’a pas d’incidence sur le fonctionnement de l’évaporateur, car les gouttes formées sont capturées et évaporées par des éléments d’évaporation inférieurs jusqu’à l’évaporation complète de ces gouttes.
Toutefois, la situation est différente dans des couches basses d’éléments d’évaporation.
En effet, en traversant ces couches, au moins certaines des gouttes ne sont pas évaporées et le débit résiduel de ruissellement vient impacter le fond de la virole qui est séparé des couches basses d’éléments d’évaporation par un espace d’échappement de la vapeur. En particulier, pour ménager un tel espace, les couches basses d’éléments d’évaporation sont généralement écartées de quelques dizaines de centimètres du fond de la virole.
Ainsi, sur les couches basses d’éléments d’évaporation les gouttes disposent d’une énergie potentielle importante qui se transforme en énergie cinétique au moment de l’impact des gouttes avec la virole.
Un tel impact des gouttes contre le fond de la virole conduit à la dissociation des gouttes en une multitude de gouttelettes. Certaines de ces gouttelettes sont assez fines pour être emportées par la vapeur.
Cet emport de gouttelettes par la vapeur est préjudiciable au bon fonctionnement de l’ensemble de la centrale et notamment de la turbine se situant en aval de l’évaporateur.
Afin de remédier à ce problème, l’état de la technique propose de gérer l’entrainement des gouttelettes par des filtres ou plutôt des dispositifs de coalescence. Ces dispositifs se présentent sous la forme des tricots métalliques pour permettre aux gouttelettes du flux de vapeur traversant, de heurter des fils métalliques, de se regrouper et de former des gouttes de taille suffisante pour retomber par gravité.
Toutefois, l’utilisation d’un tel type de dispositifs conduit à une perte de charge importante sur la vapeur et donc, diminue l’efficacité de la turbine.
La présente invention a pour but de proposer un évaporateur permettant d’éviter la formation des gouttelettes susceptibles d’être emportées par la vapeur, tout en préservant l’efficacité de la turbine et de manière plus générale, de la centrale ETM.
À cet effet, l’invention a pour objet un évaporateur d’un fluide de travail pour une centrale ETM, comportant :
- un corps d’évaporateur de forme allongée s’étendant suivant un axe central;
- un faisceau d’évaporateurs transportant des eaux chaudes et s’étendant suivant l’axe central;
- un système d’aspersion s’étendant au-dessus du faisceau d’évaporateurs et apte à asperger le fluide de travail à l’état liquide sur le faisceau d’évaporateurs pour faire évaporer ce fluide de travail ;
le corps d’évaporateur définissant un fond et un espace d’échappement du fluide de travail à l’état gazeux entre le fond et le faisceau d’évaporateurs;
l’évaporateur comportant en outre un système d’amortissement disposé dans l’espace d’échappement du fluide de travail à l’état gazeux et configuré pour amortir la chute des gouttes du fluide de travail à l’état liquide non-évaporé après le passage par le faisceau d’évaporateurs.
Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, l’évaporateur comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le système d’amortissement comprend une pluralité de rampes, chaque rampe étant inclinée par rapport à l’axe central et s’étend entre le faisceau d’évaporateurs et le fond du corps d’évaporateur ;
- coupe transversale perpendiculaire à l’axe centrale, le fond du corps d’évaporateur présente la forme d’un arc de cercle ;
- chaque rampe forme une partie supérieure en contact avec le faisceau d’évaporateurs, une partie intermédiaire en contact avec le fond du corps d’évaporateur ou en regard de celui-ci, et une partie inférieure ;
- le faisceau d’évaporateurs comprend une pluralité de tuyaux ou de plaques s’étendant selon l’axe central, une couche inférieure de tuyaux ou de plaques étant formée de tuyaux ou de plaques délimitant une partie de l’espace d’échappement du fluide de travail à l’état gazeux ; et
- la partie supérieure de chaque rampe étant en contact avec ladite couche inférieure de tuyaux ou de plaques ;
- la partie inférieure de chaque rampe présente un creux formant avec le fond du corps d’évaporateur un orifice de passage du fluide à l’état liquide ;
- les orifices de passage de l’ensemble des rampes sont alignés selon l’axe central en formant une canalisation du fluide à l’état liquide ;
- les rampes sont espacées entre elles de sorte que chaque ligne perpendiculaire au plan horizontal comprenant l’axe central à l’intérieur du corps d’évaporateur traverse au moins une rampe ;
- les rampes sont espacées entre elles de manière homogène selon l’axe central ; et
- chaque rampe présente une forme favorisant le glissement des gouttes du fluide de travail à l’état liquide non-évaporé après le passage par le faisceau d’évaporateurs vers le fond du corps d’évaporateur, avantageusement chaque rampe étant sensiblement plane.
Ces caractéristiques et avantages de l’invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique de côté d’un évaporateur selon l’invention, l’évaporateur comportant notamment un système d’amortissement ;
- la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale de l’évaporateur la figure 1 selon le plan de coupe II-II visible sur cette figure 1 ;
- la figure 3 est une vue schématique en perspective du système d’amortissement de la figure 1 ;
- la figure 4 est une vue schématique de côté du système d’amortissement de la figure 1 ; et
- la figure 5 est une vue schématique en perspective du système d’amortissement analogue à celle de la figure 3 et illustrant le fonctionnement de ce système d’amortissement.
On a en effet représenté sur la figure 1, un évaporateur 10 pour une centrale ETM. Dans l’exemple illustré, l’évaporateur 10 est un évaporateur à tuyaux. Selon d’autres exemples de réalisation, l’évaporateur est un évaporateur à plaques.
En référence à la figure 1, l’évaporateur 10 présente un corps d’évaporateur 11 étendu selon un axe central X entre une première extrémité 12 et une deuxième extrémité 13.
Sur la première extrémité 12, le corps d’évaporateur 11 présente une forme sensiblement conique 14 débouchant sur une forme sensiblement cylindrique 15 définissant la deuxième extrémité 13.
Le corps d’évaporateur 11 est par exemple pressurisé et peut être désigné également selon la terminologie utilisée dans l’état de la technique comme virole.
Le corps d’évaporateur 11 définit un fond 17 correspondant à une paroi inférieure de ce corps.
Dans chaque coupe transversale de la partie cylindrique 15 (dont une est visible sur la figure 2), ce fond 17 présente un arc de cercle de centre disposé par exemple sur l’axe central X. L’ouverture de cet arc est par exemple comprise entre 10˚ et 60˚.
En référence de nouveau à la figure 1, l’évaporateur 10 comprend un système d’aspersion 24, un faisceau d’évaporateurs 25, un système de canalisation 26, un système d’évacuation 27, un système de guidage 28 et un système d’amortissement 29.
Le système d’aspersion 24 est disposé dans une partie supérieure du corps d’évaporateur 11 et comprend un réseau d’alimentation et une pluralité de buses d’aspersion agencées sur ce réseau d’alimentation.
En particulier, dans l’exemple des figures 1 et 2, le réseau d’alimentation se présente sous la forme d’une pluralité de tuyaux d’alimentation 30.
À l’intérieur du corps d’évaporateur 11, chaque tuyau d’alimentation 30 s’étend selon l’axe central X au-dessus du faisceau d’évaporateurs 25. Ainsi, sur la figure 1, les parties de ces tuyaux s’étendant à l’intérieur du corps 11 sont représentées par des traits interrompus et les parties s’étendant à l’extérieur de ce corps par des traits continus.
Par ailleurs, comme cela est visible sur la figure 2, en coupe transversale, les tuyaux d’alimentation 30 sont disposés sur un arc de cercle 31. Cet arc de cercle 31 est par exemple formé par des moyens de support adaptés et disposés à chaque extrémité 12, 13 du corps d’évaporateur 11.
L’ouverture de cet arc de cercle 31 est comprise par exemple entre 80° et 160°.
En outre, les tuyaux d’alimentation 30 sont par exemple distribués de manière homogène le long de cet arc.
Ainsi, dans l’exemple de la figure 2, neuf tuyaux d’alimentation 30 distribués de manière homogène le long de l’arc 31 sont représentés.
Le faisceau d’évaporateurs 25 se présente sous la forme d’une pluralité de tuyaux traversant la partie cylindrique 15 du corps 11 suivant l’axe central X. Ces tuyaux sont par exemple au nombre de quelques milliers, par exemple au nombre de 3000. Ainsi, pour des raisons de la lisibilité des figures 1 et 2, ces tuyaux ne sont pas représentés sur celles-ci.
Les tuyaux du faisceau d’évaporateurs 25 sont disposés entre le système d’aspersion 24 et le fond 17, et sont en particulier écartés de ce fond 17 par exemple de quelques dizaines de centimètres.
Les tuyaux du faisceau d’évaporateurs 25 transportent des eaux, dites eaux chaudes, c’est-à-dire des eaux superficielles. Ces eaux circulent dans le faisceau d’évaporateurs 25 selon l’axe central X, par exemple de gauche à droite dans l’exemple de la figure 1.
Ainsi, lorsqu’un fluide de travail aspergé via le système d’aspersion 24 entre en contact avec les tuyaux du faisceau 25, il se vaporise.
Le système de canalisation 26 permet de canaliser le fluide de travail non-vaporisé pour par exemple l’injecter de nouveau via le système d’aspersion 24 dans l’évaporateur 10.
Ce système de canalisation 26 est disposé sur le fond 17 du corps d’évaporateur 11 et coopère avec le système d’amortissement 29 comme cela sera expliqué par la suite.
Le système d’évacuation 27 permet d’évacuer de la vapeur produite par le faisceau d’évaporateurs 25 et de la guider vers une turbine (non-illustrée) pour la faire tourner.
Ce système d’évacuation 27 est disposé dans la partie supérieure du corps d’évaporateur 11, au-dessus du système s’aspersion 24 et donc, au-dessus du faisceau d’évaporateurs 25.
Le système d’évacuation 27 se présente par exemple sous la forme d’une pluralité de canalisations traversant le corps d’évaporateur 11 dans la partie supérieure de celui-ci.
Le système de guidage 28 permet de guider le fluide de travail en état gazeux jusqu’au système d’évacuation 27.
À cet effet, le système de guidage 28 comprend une coiffe 40 de forme allongée et s’étendant suivant l’axe central X. Cette coiffe couvre le faisceau d’évaporateurs 25 et le système d’aspersion 24.
La coiffe 40 est disposée à l’écart de la surface intérieure du corps d’évaporateur 11 de sorte à former un canal de passage 48 de la vapeur jusqu’au système d’évacuation 27.
Ce canal 48 débouche dans la partie inférieure du corps d’évaporateur 11 sur deux ouvertures longitudinales 49A, 49B formées entre la coiffe 40 et l’interface intérieure du corps d’évaporateur 11. Chacune de ces ouvertures 49A, 49B s’étend donc tout au long de la coiffe 40 selon l’axe central X.
Ainsi, un espace d’échappement 50 du fluide de travail à l’état gazeux est formé entre le fond 17 et le faisceau d’évaporateurs 25. En particulier, après la traversée du faisceau d’évaporateurs 25, les flux de vapeur générés par ce faisceau passent à travers cet espace pour rejoindre le canal de passage 48 via les ouvertures longitudinale 49A, 49B.
Le système d’amortissement 29 est disposé dans l’espace d’échappement 50 et configuré pour amortir la chute des gouttes du fluide de travail à l’état liquide non-évaporé après le passage par le faisceau d’évaporateurs 25.
En particulier, ce système d’amortissement 29 permet de diminuer l’énergie cinétique des gouttes non-vaporisées au moment du contact de ces gouttes avec le fond 17.
Une vue tridimensionnelle du système d’amortissement 29 est illustrée sur la figure 3.
Ainsi, comme cela est visible sur cette figure 3, le système d’amortissement 29 comprend une pluralité de rampes 60, chaque rampe 60 étant inclinée par rapport à l’axe central X et s’étend entre le faisceau d’évaporateurs 25 et le fond 17 du corps d’évaporateur 11.
Chaque rampe 60 est par exemple plane ou présente toute autre forme favorisant le glissement des gouttes du fluide de travail à partir du faisceau d’évaporateurs 25 jusqu’au fond 17 du corps d’évaporateur 11.
Ainsi, chaque rampe 60 présente par exemple sensiblement la forme d’un segment de cercle épousant sensiblement la forme de l’arc de cercle du fond 17 du corps d’évaporateur 11.
En particulier, chaque rampe 60 présente une partie supérieure PS, une partie intermédiaire PInt et une partie inférieure PI.
La partie supérieure PS de chaque rampe 60 définit un contour extérieur droit qui est en contact avec le faisceau d’évaporateurs 25. En particulier, ce contour est en contact avec une couche inférieure de tuyaux de ce faisceau 25. Ce contour est donc perpendiculaire à chacun de ces tuyaux.
À titre illustratif, quelques tuyaux de deux couches inférieures du faisceau 25 sont illustrés sur la figure 3 à l’échelle non-conforme avec celle des rampes 60.
Selon un exemple de réalisation, la partie intermédiaire PInt de chaque rampe 60 définit un contour extérieur incurvé épousant la forme de l’arc de cercle du fond 17. Ce contour est par exemple en contact étanche avec le fond 17.
Selon un autre exemple de réalisation, la partie intermédiaire PInt de chaque rampe 60 se trouve à l’écart du fond 17. Cela est notamment le cas lorsque le fond 17 est noyé d’un liquide autre que le fluide de travail, comme par exemple de l’ammoniac liquide. Dans ce cas, la partie intermédiaire PInt de chaque rampe 60 définit un contour extérieur épousant par exemple seulement partiellement la forme de l’arc de cercle du fond 17 et se trouvant en contact avec la surface de cet autre liquide. Il est donc clair que dans ce cas, le contour de la partie intermédiaire Pint se trouve au moins partiellement en regard du fond 17.
La partie inférieure PI de chaque rampe 60 présente un creux qui forme avec le fond 17 du corps d’évaporateur 11 un orifice de passage 62 du fluide à l’état liquide.
En particulier, la forme de chaque rampe 60 et la disposition du creux (et donc de l’orifice de passage 62) sont choisies de sorte à favoriser le glissement par gravité des gouttes du fluide de travail à l’état liquide du faisceau d’évaporateurs 25 vers cet orifice 62.
Avantageusement, les orifices de passage 62 de l’ensemble des rampes 60 sont alignés selon l’axe central X en formant une canalisation du fluide à l’état liquide.
Cette canalisation est alors en communication avec le système de canalisation 26 expliqué précédemment, afin de permettre la canalisation du fluide de travail à l’état liquide.
Une vue de côté du système d’amortissement 29 est illustré sur la figure 4.
Ainsi, dans l’exemple de cette figure 4, les rampes 60 sont inclinées par rapport à l’axe central X et notamment par rapport au plan horizontal comprenant cet axe X, d’un même angle d’inclinaison α. La valeur de cet angle α est comprise par exemple entre 10˚ et 80˚, avantageusement entre 20˚ et 70˚ et de préférence entre 30˚ et 60˚.
Il est donc clair que l’exemple de la figure 4, les rampes 60 sont disposées de manière parallèle entre elles.
Par ailleurs, dans le même exemple de réalisation, les rampes 60 sont espacées entre elles de manière homogène selon l’axe central X.
Toutefois, dans un cas général, les rampes 60 peuvent être disposées l’une par rapport à l’autre de toute autre manière convenable.
En particulier, avantageusement selon l’invention, les distances d’espacement entre les rampes 60 sont choisies de sorte à réduire la distance de chute de chaque goutte du fluide de travail à l’état liquide qui susceptible d’apparaitre sur la couche inférieure des tuyaux du faisceau d’évaporateurs 25.
Selon un exemple de réalisation, ces distances d’espacement sont choisies de sorte que chaque ligne perpendiculaire au plan horizontal comprenant l’axe central X à l’intérieur du corps d’évaporateur traverse au moins une rampe 60.
Autrement dit, dans ce cas, la distance de chute de chaque goutte du fluide de travail à l’état liquide susceptible d’apparaitre sur la couche inférieure des tuyaux du faisceau d’évaporateurs 25, est strictement inférieur à la distance séparant normalement cette couche inférieure et le fond 17.
Le fonctionnement du système d’amortissement 29 est illustré sur la figure 5,
Ainsi, comme cela est visible sur cette figure 5, lorsque, lors du fonctionnement de l’évaporateur 10, des gouttes apparaissent sur la couche inférieure des tuyaux du faisceau d’évaporateurs 25, ces gouttes chutent jusqu’à atteindre la rampe 60 correspondante.
Cela diminue alors leur énergie cinétique au moment de l’impact avec la rampe 60 et évite donc l’apparition des gouttelettes fines susceptibles d’être emportées par la vapeur.
Puis, les gouttes glissent simplement le long de la rampe 60 correspondante jusqu’à atteindre l’orifice de passage 62 avant d’être canalisées par le système de canalisation 26.
En outre, la vapeur remonte normalement en suivant les flèches 70 ce qui évite toute perte de charge.
Ainsi, le système d’amortissement 29 permet d’amortir la chute des gouttes et d’éviter ainsi l’apparition des gouttelettes et les pertes de charge sur la vapeur.
Bien entendu, le système d’amortissement 29 peut se présenter sous toute autre forme convenable permettant d’amortir de manière appropriée la chute des gouttes.
On conçoit alors qu’un tel système d’amortissement permet d’éviter la formation des gouttelettes susceptibles d’être emportées par la vapeur, tout en préservant l’efficacité de la turbine et de manière plus générale, de la centrale ETM.

Claims (10)

  1. Évaporateur (10) d’un fluide de travail pour une centrale ETM, comportant :
    - un corps d’évaporateur (11) de forme allongée s’étendant suivant un axe central (X) ;
    - un faisceau d’évaporateurs (25) transportant des eaux chaudes et s’étendant suivant l’axe central (X) ;
    - un système d’aspersion (24) s’étendant au-dessus du faisceau d’évaporateurs (25) et apte à asperger le fluide de travail à l’état liquide sur le faisceau d’évaporateurs (25) pour faire évaporer ce fluide de travail ;
    le corps d’évaporateur (11) définissant un fond (17) et un espace d’échappement (50) du fluide de travail à l’état gazeux entre le fond (17) et le faisceau d’évaporateurs (25) ;
    l’évaporateur (10) étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre un système d’amortissement (29) disposé dans l’espace d’échappement (50) du fluide de travail à l’état gazeux et configuré pour amortir la chute des gouttes du fluide de travail à l’état liquide non-évaporé après le passage par le faisceau d’évaporateurs (25).
  2. Évaporateur (10) selon la revendication 1, dans lequel le système d’amortissement (29) comprend une pluralité de rampes (60), chaque rampe (60) étant inclinée par rapport à l’axe central (X) et s’étend entre le faisceau d’évaporateurs (25) et le fond (11) du corps d’évaporateur (17).
  3. Évaporateur (10) selon la revendication 2, dans lequel dans chaque coupe transversale perpendiculaire à l’axe centrale (X), le fond (17) du corps d’évaporateur (11) présente la forme d’un arc de cercle.
  4. Évaporateur (10) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel chaque rampe (60) forme une partie supérieure (PS) en contact avec le faisceau d’évaporateurs (25), une partie intermédiaire (PInt) en contact avec le fond (17) du corps d’évaporateur (11) ou en regard de celui-ci, et une partie inférieure (PI).
  5. Évaporateur (10) selon la revendication 4, dans lequel :
    - le faisceau d’évaporateurs (25) comprend une pluralité de tuyaux ou de plaques s’étendant selon l’axe central (X), une couche inférieure de tuyaux ou de plaques étant formée de tuyaux ou de plaques délimitant une partie de l’espace d’échappement (50) du fluide de travail à l’état gazeux ; et
    - la partie supérieure (PS) de chaque rampe (60) étant en contact avec ladite couche inférieure de tuyaux ou de plaques.
  6. Évaporateur (10) selon l’une quelconque des revendications 4 ou 5, dans la partie inférieure (PI) de chaque rampe (60) présente un creux formant avec le fond (17) du corps d’évaporateur (11) un orifice de passage (62) du fluide à l’état liquide.
  7. Évaporateur (10) selon la revendication 6, dans lequel les orifices de passage (62) de l’ensemble des rampes (60) sont alignés selon l’axe central (X) en formant une canalisation du fluide à l’état liquide.
  8. Évaporateur (10) selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel les rampes (60) sont espacées entre elles de sorte que chaque ligne perpendiculaire au plan horizontal comprenant l’axe central (X) à l’intérieur du corps d’évaporateur (11) traverse au moins une rampe.
  9. Évaporateur (10) selon l’une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel les rampes (60) sont espacées entre elles de manière homogène selon l’axe central (X).
  10. Évaporateur (10) selon l’une quelconque des revendication 2 à 9, dans lequel chaque rampe (60) présente une forme favorisant le glissement des gouttes du fluide de travail à l’état liquide non-évaporé après le passage par le faisceau d’évaporateurs (25) vers le fond (17) du corps d’évaporateur (11), avantageusement chaque rampe (60) étant sensiblement plane.
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