IT201800007278A1 - Method for heat dissipation and recovery - Google Patents

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IT201800007278A1
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IT
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heat
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heat transfer
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heat exchange
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IT201800007278A
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Nicola Pastore
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Description

TITOLO: “Metodo per la dissipazione e il recupero di calore” TITLE: "Method for heat dissipation and recovery"

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Campo tecnologico Technological field

La presente invenzione è relativa ad un metodo innovativo per il trasferimento di calore che utilizza un fluido termovettore circolante in un dispositivo per lo scambio termico installato in un ambiente sfruttato come fonte primaria o secondaria di calore o di freddo, dove per ambiente si intende il sottosuolo, le falde acquifere, i laghi, i fiumi, il mare. The present invention relates to an innovative method for heat transfer that uses a heat transfer fluid circulating in a heat exchange device installed in an environment used as a primary or secondary source of heat or cold, where the subsoil is meant by environment. , the aquifers, the lakes, the rivers, the sea.

Stato dell’arte State of the art

Nel campo dello sfruttamento delle energie rinnovabili la geotermia rappresenta una valida opportunità applicabile in numerosi contesti ambientali. Si parla di energia idrotermica allorquando lo scambio di calore sfrutta i serbatoi naturali: corpi idrici sotterranei come le falde acquifere o i corpi idrici superficiali come laghi, fiumi e il mare. In the field of the exploitation of renewable energies, geothermal energy represents a valid opportunity applicable in numerous environmental contexts. We speak of hydrothermal energy when the heat exchange exploits natural reservoirs: underground water bodies such as aquifers or surface water bodies such as lakes, rivers and the sea.

Allo stato dell’arte per lo sfruttamento dell’energia geotermica e idrotermica si utilizzano dispositivi di scambio termico a circuito chiuso. La più comune tipologia di installazione prevede l’inserimento di dispositivi di scambio termico collegati in parallelo costituiti da tubi in polietilene collegati con un raccordo a “U” alla loro estremità inferiore installati in posizione verticale, orizzontale o obliqua per lo sfruttamento dell’energia geotermica del sottosuolo nonché idrotermica delle falde acquifere e dei corpi idrici superficiali. Oltre alle classiche configurazioni geometriche ad “U” esistono dispositivi di scambio termico a geometria elicoidale, a geometria coassiale e forme più complesse che mirano ad incrementare l’efficienza dello scambio termico. All’interno del dispositivo di scambio termico viene fatto circolare un fluido operativo che rappresenta il mezzo con cui avviene lo scambio di calore. In the state of the art, closed circuit heat exchange devices are used for the exploitation of geothermal and hydrothermal energy. The most common type of installation involves the insertion of heat exchange devices connected in parallel consisting of polyethylene pipes connected with a "U" fitting at their lower end installed in a vertical, horizontal or oblique position for the exploitation of geothermal energy subsoil as well as hydrothermal groundwater and surface water bodies. In addition to the classic "U" geometric configurations, there are heat exchange devices with helical geometry, coaxial geometry and more complex shapes that aim to increase the efficiency of the heat exchange. An operating fluid is circulated inside the heat exchange device which represents the means by which the heat exchange takes place.

Nella letteratura tecnica e scientifica sono riportati diversi metodi per migliorare l’efficienza dello scambio termico tra il fluido termovettore e l’ambiente, sostanzialmente riconducibili all’incremento: 1) della superficie di scambio termico 2) della conducibilità termica delle Various methods are reported in the technical and scientific literature to improve the efficiency of the heat exchange between the heat transfer fluid and the environment, essentially attributable to the increase: 1) of the heat exchange surface 2) of the thermal conductivity of the

superfici di scambio termico 3) del coefficiente di scambio termico per convezione. heat exchange surfaces 3) of the heat exchange coefficient by convection.

Riguardo a quest’ultimo aspetto, secondo l’arte nota, per incrementare il coefficiente di With regard to the latter aspect, according to the known art, to increase the coefficient of

scambio termico per convezione si stabilisce il regime di flusso turbolento. Tale metodo convection heat exchange establishes the turbulent flow regime. Such a method

presenta lo svantaggio di avere velocità elevate e quindi portate elevate e pertanto si ottiene it has the disadvantage of having high speeds and therefore high flow rates and therefore it is obtained

un salto termico modesto del fluido termovettore. Al fine di incrementare il coefficiente di a modest temperature difference of the heat transfer fluid. In order to increase the coefficient of

scambio termico per convezione, secondo l’arte nota, si utilizzano superfici irruvidite, heat exchange by convection, according to the known art, roughened surfaces are used,

corrugate e alettate. Un altro metodo consiste nell’utilizzare strutture elicoidali o più corrugated and finned. Another method is to use helical structures or more

complesse come schiume metalliche a celle aperte all’interno della struttura di scambio dove complex as metal foams with open cells inside the exchange structure where

fluisce il fluido termovettore. the heat transfer fluid flows.

Evidenze sperimentali mostrano che è possibile incrementare il coefficiente di scambio Experimental evidence shows that it is possible to increase the exchange coefficient

termico per convenzione a bassi regimi di moto riempiendo la struttura di scambio termico by convection at low engine speeds, filling the heat exchange structure

adibita al passaggio del fluido termovettore con un materiale granulare. used for the passage of the heat transfer fluid with a granular material.

Sommario dell’invenzione Summary of the invention

Il richiedente ha ora scoperto che è possibile aumentare significativamente l’efficienza dello The applicant has now discovered that it is possible to significantly increase the efficiency of the

scambio termico tra il fluido termovettore e l’ambiente con una spesa energetica contenuta. heat exchange between the heat transfer fluid and the environment with a low energy cost.

In accordo con la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto mediante un metodo per In accordance with the present invention, this object is achieved by means of a method for

il recupero e la dissipazione di calore in accordo con la rivendicazione 1. heat recovery and dissipation in accordance with claim 1.

Il metodo, in accordo con la presente invenzione, consente di dissipare e recuperare calore The method, according to the present invention, allows to dissipate and recover heat

dall’ambiente con il duplice vantaggio di ottenere: un elevato salto termico del fluido from the environment with the double advantage of obtaining: a high temperature difference of the fluid

termovettore e un miglioramento della resa termica. Un altro oggetto della presente heat carrier and an improvement in heat output. Another subject of this

invenzione è un dispositivo per la dissipazione e il recupero di calore dal sottosuolo in cui il invention is a device for dissipating and recovering heat from the subsoil in which the

metodo in accordo con la presente invenzione può essere implementato. method according to the present invention can be implemented.

Descrizione delle figure Description of the figures

Figura 1: Schema rappresentativo del metodo in accordo con la presente invenzione. Figure 1: Representative diagram of the method according to the present invention.

Figura 2: Una forma di realizzazione preferita della presente invenzione riportata a scopo illustrativo da non considerarsi limitativa per la presente invenzione. Figure 2: A preferred embodiment of the present invention reported for illustrative purposes not to be considered as limiting to the present invention.

Descrizione dettagliata dell’invenzione Detailed description of the invention

Con riferimento alla Figura 1 annessa, il metodo oggetto della presente domanda di brevetto è rappresentato schematicamente in un diagramma, dove con ambiente (1) si intende una generica fonte primaria o secondaria di calore o di freddo. With reference to the attached Figure 1, the method object of the present patent application is schematically represented in a diagram, where with environment (1) we mean a generic primary or secondary source of heat or cold.

Negli scopi della presente invenzione, detto ambiente è preferibilmente: il sottosuolo, le falde acquifere, i fiumi, i laghi, il mare. For the purposes of the present invention, said environment is preferably: the subsoil, the aquifers, rivers, lakes, the sea.

Negli scopi della presente invenzione detto fluido termovettore (3) è preferibilmente scelto tra acqua distillata, acqua di fonte, acque di processo, brine, aria, fluidi refrigeranti naturali, fluidi refrigeranti artificiali. For the purposes of the present invention, said heat-carrying fluid (3) is preferably selected from distilled water, spring water, process water, brine, air, natural cooling fluids, artificial cooling fluids.

Negli scopi della presente invenzione per struttura di scambio termico si intende un dispositivo in cui si realizza lo scambio di energia termica tra detto fluido termovettore e detto ambiente. In the purposes of the present invention, by heat exchange structure is meant a device in which the exchange of thermal energy between said heat transfer fluid and said environment is carried out.

Negli scopi della presente invenzione per materiale granulare si intende un insieme di granuli o particelle sciolte o legate tra loro non soggette a fluttuazioni e moti termici e pertanto non trasportabili dal fluido termovettore. For the purposes of the present invention, by granular material is meant a set of granules or particles dissolved or bound together not subject to fluctuations and thermal motions and therefore not transportable by the heat-carrying fluid.

Il materiale granulare negli scopi della presente invenzione è preferibilmente un materiale capace di immagazzinare e diffondere calore, caratterizzato da una porosità tra 0.50 e 0.90 e una permeabilità tra 10<-5 >e 10<-6 >m<2>, preferibilmente costituito da granuli con morfologia da sub – arrotondata ad angolare con un indice di sfericità medio – basso, con un diametro medio compreso tra i 5 e i 50 mm, una superficie specifica compresa tra 40 e 400 m<-1>. Negli scopi della presente invenzione per fluido termovettore si intende una sostanza allo stato liquido oppure gassoso capace di accumulare e trasportare calore. The granular material for the purposes of the present invention is preferably a material capable of storing and diffusing heat, characterized by a porosity between 0.50 and 0.90 and a permeability between 10 <-5> and 10 <-6> m <2>, preferably consisting of granules with morphology from sub - rounded to angular with a medium - low sphericity index, with an average diameter between 5 and 50 mm, a specific surface between 40 and 400 m <-1>. In the purposes of the present invention, by heat transfer fluid is meant a substance in a liquid or gaseous state capable of accumulating and transporting heat.

Detto fluido termovettore fluisce attraverso la detta struttura di scambio termico riempita di detto materiale granulare. Said heat transfer fluid flows through said heat exchange structure filled with said granular material.

Detto materiale granulare favorisce i fenomeni di dispersione termica, incrementando notevolmente il coefficiente di conducibilità termica effettiva del fluido termovettore con conseguente aumento del coefficiente di scambio termico per convezione e quindi dell’efficienza di scambio termico. Said granular material favors the phenomena of thermal dispersion, significantly increasing the coefficient of effective thermal conductivity of the heat transfer fluid with a consequent increase in the coefficient of heat exchange by convection and therefore in the efficiency of heat exchange.

Ulteriore oggetto della presente invenzione è un dispositivo per il recupero e la dissipazione di calore secondo il metodo in accordo con la presente invenzione. In particolare, detto dispositivo è caratterizzato dal fatto di comprendere: A further object of the present invention is a device for the recovery and dissipation of heat according to the method in accordance with the present invention. In particular, said device is characterized in that it comprises:

i. un primo tubo dove fluisce il fluido termovettore, avente alla estremità inferiore un filtro per il passaggio del suddetto fluido termovettore; the. a first tube where the heat-carrying fluid flows, having at its lower end a filter for the passage of said heat-carrying fluid;

ii. un secondo tubo disposto in modo coassiale al suddetto primo tubo con la superfice laterale a contatto con l’ambiente in modo diretto o indiretto; ii. a second tube arranged coaxially to the aforementioned first tube with the lateral surface in direct or indirect contact with the environment;

iii. uno strato di materiale poroso disposto all’interno dello spazio tra il primo tubo e il secondo tubo attraversato dal fluido termovettore, dove detto fluido termovettore scambia calore con l’ambiente. iii. a layer of porous material placed inside the space between the first pipe and the second pipe crossed by the heat transfer fluid, where said heat transfer fluid exchanges heat with the environment.

Ovviamente, un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare numerose modifiche alle varianti prima descritte, tutte peraltro contenute nell'ambito di protezione quale definito dalle rivendicazioni. Obviously, a person skilled in the art, in order to satisfy contingent and specific needs, can make numerous modifications to the variants described above, all of which are however contained within the scope of protection as defined by the claims.

Esempio comparativo Comparative example

Al fine di sperimentare il metodo oggetto della presente invenzione è stato realizzato un dispositivo per la dissipazione e il recupero di calore dal sottosuolo in cui il metodo in accordo con la presente invenzione è stato implementato. In order to experiment with the method object of the present invention, a device for dissipating and recovering heat from the subsoil has been created in which the method according to the present invention has been implemented.

Nelle sue parti essenziali il dispositivo consiste in: In its essential parts, the device consists of:

i. Un primo tubo in polietilene PE100 dello spessore di 2 mm, del diametro di 50 mm e un’altezza di 2 m, avente alla estremità inferiore un tratto finestrato di un’altezza pari a 0.1 m. the. A first pipe in polyethylene PE100 with a thickness of 2 mm, with a diameter of 50 mm and a height of 2 m, with a windowed section of a height of 0.1 m at the lower end.

ii. Un secondo tubo in acciaio AISI 304 dello spessore di 2mm, del diametro di 125 mm e un’altezza di 2 m disposto in modo coassiale al tubo in polietilene e sigillato idraulicamente e termicamente alla estremità inferiore e superiore, con una uscita alla estremità superiore per il passaggio del fluido termovettore. ii. A second pipe in AISI 304 steel with a thickness of 2mm, with a diameter of 125 mm and a height of 2 m arranged coaxially to the polyethylene pipe and hydraulically and thermally sealed at the lower and upper ends, with an outlet at the upper end for the passage of the heat transfer fluid.

iii. Materiale granulare sciolto di origine calcarea, caratterizzato da una porosità di 0.53, una permeabilità di 8×10<-6 >m<2>, da una densità di 2200 kg/m<3 >una conducibilità termica di 2.4 W/mK, una capacità termica di 1100 J/(kgK), con una morfologia dei granuli subangolare con un indice di sfericità medio basso, con un diametro medio dei granuli di 40 mm, con una superficie specifica media di 65 m<-1>, disposto all’interno dello spazio tra il primo tubo e il secondo tubo. iii. Loose granular material of calcareous origin, characterized by a porosity of 0.53, a permeability of 8 × 10 <-6> m <2>, a density of 2200 kg / m <3> a thermal conductivity of 2.4 W / mK, a heat capacity of 1100 J / (kgK), with a sub-angular granule morphology with a medium-low sphericity index, with an average diameter of the granules of 40 mm, with an average specific surface of 65 m <-1>, arranged at the inside the space between the first tube and the second tube.

iv. Un fluido termovettore costituito da acqua di fonte caratterizzato da una densità di 999.61 kg/m<3>, una viscosità di 0.001 Pa×s, una capacità termica di 4186.92 J/KgK, una conducibilità termica di 0.59 W/mK ad una temperatura di 20 °C. iv. A heat transfer fluid consisting of spring water characterized by a density of 999.61 kg / m <3>, a viscosity of 0.001 Pa × s, a thermal capacity of 4186.92 J / KgK, a thermal conductivity of 0.59 W / mK at a temperature of 20 ° C.

Il dispositivo è installato nel sottosuolo ad una profondità tra 2 e 4 m del piano campagna che presenta una temperatura di 15 °C. The device is installed underground at a depth between 2 and 4 m of the ground level which has a temperature of 15 ° C.

Il dispositivo in accordo con la presente invenzione è collegato ad un circuito idraulico che, nelle sue parti essenziali, è costituito da una tubazione di mandata e ritorno, una pompa idraulica per la circolazione del fluido termovettore con inverter che permette di regolare la portata, un boiler elettrico termostatato per il riscaldamento del fluido termovettore, un chiller per il raffreddamento del fluido termovettore. Il detto circuito idraulico permette la circolazione del fluido termovettore all’interno del dispositivo di scambio termico. La portata del fluido, nonché la temperatura di ingresso e di uscita sono costantemente monitorate. The device in accordance with the present invention is connected to a hydraulic circuit which, in its essential parts, consists of a delivery and return pipe, a hydraulic pump for the circulation of the heat transfer fluid with an inverter that allows to regulate the flow rate, a thermostated electric boiler for heating the heat transfer fluid, a chiller for cooling the heat transfer fluid. The said hydraulic circuit allows the circulation of the heat transfer fluid inside the heat exchange device. The fluid flow rate, as well as the inlet and outlet temperature are constantly monitored.

Inizialmente lo spazio tra il primo tubo e il secondo tubo non è riempito con il materiale granulare. Nella tabella seguente sono riportati i risultati di 6 prove di scambio termico della durata di 72 ore effettuate sul dispositivo di scambio termico senza la presenza di materiale Initially, the space between the first tube and the second tube is not filled with the granular material. The following table shows the results of 6 heat exchange tests lasting 72 hours carried out on the heat exchange device without the presence of material

granulare. granular.

Temperatura in Temperatura in Portata Potenza per unità di lunghezza ingresso (°C) uscita (°C) (l/min) scambiata (W/m) Temperature in Temperature in Flow Power per unit of length inlet (° C) outlet (° C) (l / min) exchanged (W / m)

28 15.34 0.11 48.53 28 15.34 0.11 48.53

28 20.11 0.24 65.92 28 20.11 0.24 65.92

28 25.27 0.90 85.29 28 25.27 0.90 85.29

2 14.47 0.11 48.15 2 14.47 0.11 48.15

2 10.71 0.20 61.25 2 10.71 0.20 61.25

2 5.25 0.70 80.21 2 5.25 0.70 80.21

Tabella 1. Risultati delle prove di scambio termico senza la presenza del materiale granulare. Table 1. Results of the heat exchange tests without the presence of the granular material.

Successivamente lo spazio tra il primo tubo e il secondo tubo è stato riempito con il suddetto Subsequently, the space between the first tube and the second tube was filled with the aforementioned

materiale granulare. Nella tabella seguente sono riportati i risultati di 6 prove di scambio granular material. The following table shows the results of 6 exchange tests

termico della durata di 72 ore effettuate sul dispositivo di scambio termico con la presenza 72-hour heat performed on the heat exchange device with the presence

di materiale granulare. of granular material.

Temperatura in Temperatura in Portata Potenza per unità di lunghezza ingresso (°C) uscita (°C) (l/min) scambiata (W/m) Temperature in Temperature in Flow Power per unit of length inlet (° C) outlet (° C) (l / min) exchanged (W / m)

28 15.49 0.20 86.49 28 15.49 0.20 86.49

28 20.63 0.47 119.72 28 20.63 0.47 119.72

28 24.94 1.39 147.62 28 24.94 1.39 147.62

2 14.76 0.19 84.18 2 14.76 0.19 84.18

2 10.08 0.40 113.94 2 10.08 0.40 113.94

2 5.49 1.16 142.96 2 5.49 1.16 142.96

Tabella 2. Risultati delle prove di scambio termico con la presenza del materiale granulare. Table 2. Results of the heat exchange tests with the presence of the granular material.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI 1) Metodo per la dissipazione e il recupero di calore comprendente: un ambiente (1) dove è installata una struttura di scambio termico (2) a contatto con il detto ambiente in modo diretto o indiretto, in cui in detta struttura di scambio termico circola un fluido termovettore (3), dove detto fluido termovettore scambia calore con il detto ambiente , Caratterizzato dal fatto che il detto fluido termovettore fluisce all’interno di detta suddetta struttura di scambio termico attraverso un materiale granulare (4) costituito da granuli di forma da sub – angolare a molto angolare, con rapporto di sfericità da medio a basso. CLAIMS 1) Method for heat dissipation and recovery comprising: an environment (1) where a heat exchange structure (2) is installed in direct or indirect contact with said environment, in which a heat transfer fluid (3) circulates in said heat exchange structure, where said heat transfer fluid exchanges heat with the said environment, characterized by the fact that the said heat transfer fluid flows inside the aforementioned heat exchange structure through a granular material (4) consisting of granules with a shape ranging from sub-angular to very angular, with a spheric ratio from medium at low. 2) Metodo secondo la rivendicazione 1 in cui detto ambiente (1) è scelto tra almeno uno dei seguenti: il sottosuolo, le falde acquifere, i laghi, i fiumi, il mare. 2) Method according to claim 1 in which said environment (1) is selected from at least one of the following: the subsoil, the aquifers, the lakes, the rivers, the sea. 3) Metodo secondo la rivendicazione 1 dove la struttura di scambio termico (2) è fatta di acciaio, polietilene, polietilene reticolato, pvc, alluminio, rame o una loro combinazione. 3) Method according to claim 1 where the heat exchange structure (2) is made of steel, polyethylene, cross-linked polyethylene, pvc, aluminum, copper or a combination thereof. 4) Metodo secondo la rivendicazione 1 dove il suddetto materiale granulare (4) è caratterizzato da una porosità tra 0.50 e 0.90 e una permeabilità tra 10<-5 >e 10<-6 >m<2>, costituito da granuli con un diametro da 5 mm a 50 mm, con una superficie specifica da 40 a 400 m<-1>. 4) Method according to claim 1 where the aforementioned granular material (4) is characterized by a porosity between 0.50 and 0.90 and a permeability between 10 <-5> and 10 <-6> m <2>, consisting of granules with a diameter from 5 mm to 50 mm, with a specific surface from 40 to 400 m <-1>. 5) Metodo secondo le rivendicazioni da 1 e 4 dove i suddetti granuli del suddetto materiale granulare sono scelti tra almeno uno dei seguenti materiali: roccia, vetro, ceramica, polietilene, pvc, alluminio, acciaio, rame o una combinazione di essi. 5) Method according to claims 1 and 4 wherein the aforesaid granules of the aforesaid granular material are selected from at least one of the following materials: rock, glass, ceramic, polyethylene, PVC, aluminum, steel, copper or a combination thereof. 6) Metodo secondo le rivendicazioni da 1 a 5 dove detto fluido termovettore (3) è scelto tra almeno uno dei seguenti: acqua distillata, acqua di fonte, acqua glicolata, acqua di processo, brina, anidride carbonica, refrigeranti naturali, refrigeranti artificiali o una combinazione di essi. 6) Method according to claims 1 to 5 wherein said heat transfer fluid (3) is selected from at least one of the following: distilled water, spring water, glycol water, process water, frost, carbon dioxide, natural refrigerants, artificial refrigerants or a combination of them. 7) Metodo secondo la rivendicazione da 1 a 6, dove la circolazione di suddetto fluido termovettore è supportata da una pompa. 7) Method according to claim 1 to 6, wherein the circulation of said heat transfer fluid is supported by a pump. 8) Sistema per produrre e dissipare calore comprendente il metodo secondo le rivendicazioni da 1 a 7, in cui detto sistema produce e dissipa calore. 8) System for producing and dissipating heat comprising the method according to claims 1 to 7, wherein said system produces and dissipates heat. 9) Sistema per produrre energia elettrica comprendente il metodo secondo le rivendicazioni da 1 a 7, in cui detto sistema produce elettricità. 9) System for producing electric energy comprising the method according to claims 1 to 7, wherein said system produces electricity. 10) Dispositivo per la dissipazione e il recupero di calore secondo il metodo in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui detto dispositivo è caratterizzato dal fatto di comprendere: i. un primo tubo dove fluisce il fluido termovettore, avente alla estremità inferiore un filtro per il passaggio del suddetto fluido termovettore; ii. un secondo tubo disposto in modo coassiale al suddetto primo tubo con la superfice laterale a contatto con l’ambiente in modo diretto o indiretto; iii. uno strato di materiale poroso disposto all’interno dello spazio tra il primo tubo e il secondo tubo attraversato dal fluido termovettore, dove detto fluido termovettore scambia calore con l’ambiente. 10) Device for heat dissipation and recovery according to the method in accordance with any one of claims 1 to 9, in which said device is characterized in that it comprises: the. a first tube where the heat-carrying fluid flows, having at its lower end a filter for the passage of said heat-carrying fluid; ii. a second tube arranged coaxially to the aforementioned first tube with the lateral surface in direct or indirect contact with the environment; iii. a layer of porous material placed inside the space between the first pipe and the second pipe crossed by the heat transfer fluid, where said heat transfer fluid exchanges heat with the environment.
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