JP6189120B2 - 伝熱管構造 - Google Patents

Description

本発明は、排熱回収ボイラ等に適用される伝熱管構造に係り、特に、優れた伝熱性能を有する伝熱管構造に関する。

従来、ガスタービンによる発電と、蒸気タービンによる発電とを組み合わせたコンバインドサイクル発電設備（以下、「複合発電設備」）が知られている。このような複合発電設備においては、ガスタービンから排出される高温の燃焼排ガスを導入して蒸気を生成し、この蒸気を蒸気タービンに供給する排熱回収ボイラを備えている。
排熱回収ボイラの内部には多数の伝熱管が配設され、伝熱管内部を流れる水と伝熱管外側を流れる燃焼排ガスとの熱交換により、伝熱管内部の水が加熱を受けて蒸気となる。

上述した排熱回収ボイラにおいては、排熱回収効率の向上が望まれており、従って、例えば下記の特許文献に開示されているように、伝熱管の外周面にフィンを取り付けて伝熱促進を図ることが行われている。なお、排熱回収ボイラで使用するフィン付伝熱管は、４００〜６００℃程度と空調用熱交換器よりかなり高い温度領域での使用となるため、フィンの素材としてアルミニウムではなく鉄系材料の板材が一般的に使用されている。

図８に示す従来のフィン付伝熱管１は、伝熱管本体２の外周面にセレーテッドフィン３を巻き付けるようにして取り付けたものである。図示のセレーテッドフィン３は、フィン内周側で連続する板状のフィン根元部３ａと、フィン外周側を円周方向に分割して鋸歯状としたフィン先端部３ｂとにより構成される。

特表平７−５０９７７４号公報

ところで、近年のフィン付伝熱管は、複合発電設備の高効率化を達成するため、より一層の伝熱性能向上及び低コスト化が求められている。
従来のセレーテッドフィン３を備えたフィン付伝熱管１は、例えば図９に示すように、鋸歯状としたフィン外周側のフィン先端部３ｂに局所熱伝達率の高い領域Ｈが存在する。一方、セレートされずに連続する板状となっているフィン内周側のフィン根元部３ａは、全体として局所熱伝達率がそれほど高くない。特に、ガス流れ方向においてフィン付伝熱管１の下流側となる位置に取り付けられたフィン根元部３ａには、すなわち、流れ方向から見て伝熱管本体２の裏側となる範囲に取り付けられているフィン根元部３ａには、他の領域と比較して熱伝達率の低い領域Ｌが存在する。

上述した熱伝達率の低い領域Ｌは、セレーテッドフィン３の表面流れを可視化した試験結果によれば、伝熱管本体２の下流側で流れが淀んで伝熱管表面からの剥離を起こしている領域であり、この剥離が熱伝達率を低下させる原因と考えられる。
このような剥離を生じる領域は死水領域と呼ばれ、加熱側の燃焼排ガスがセレーテッドフィン３の周囲をほとんど流れていない状況にある。

このため、セレーテッドフィン３を備えたフィン付伝熱管１においては、死水領域にも燃焼排ガスの流れを導いて、すなわち、死水領域の低減または死水領域をなくすことにより、伝熱管全体の熱伝達率を向上させることが望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、セレーテッドフィンやソリッドフィンを備えたフィン付伝熱管の死水領域を低減し、伝熱管全体の熱伝達率向上を達成できる伝熱管構造を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の参考例に係る伝熱管構造は、ガス流れ方向と交差する直線上にフィン付伝熱管の管軸を所定の軸間ピッチ（ＳＴ）に配列してなる第１の伝熱管列と、前記フィン付伝熱管の管軸を前記第１の伝熱管列から前記ガス流れ方向と交差する方向にずらして所定の軸間ピッチ（ＳＴ）に配列してなる第２の伝熱管列とを備え、１または複数の前記第１の伝熱管列及び前記第２の伝熱管列を前記ガス流れ方向へ所定の流れ方向軸間ピッチ（ＳＬ）で交互に配列して前記フィン付伝熱管を千鳥配置にするとともに、前記フィン付伝熱管のフィン外周直径（ｄｆ）を基準とする前記軸間ピッチ（ＳＴ）の比（ＳＴ／ｄｆ）及び前記千鳥配置における千鳥軸間ピッチ（ＳＤ）の比（ＳＤ／ｄｆ）が、１以上１．２８未満の範囲内に設定されていることを特徴とするものである。

このような参考例によれば、各フィン付伝熱管の管軸をガス流れ方向と交差する方向にずらした配置とし、かつ、各フィン付伝熱管の管軸が所定の軸間ピッチ（ＳＴ）に配列されている１または複数の第１の伝熱管列及び第２の伝熱管列を千鳥配置にして、フィン付伝熱管のフィン外周直径（ｄｆ）を基準とする軸間ピッチ（ＳＴ）の比（ＳＴ／ｄｆ）及び千鳥配置における千鳥軸間ピッチ（ＳＤ）の比（ＳＤ／ｄｆ）が、１以上１．２８未満の範囲内に設定したので、隣接するフィン付伝熱管の配置が密となり、この結果、後流側に配置されたフィン付伝熱管がガス流れに影響を与えることで、上流側に位置するフィン付伝熱管の死水領域を低減できる。すなわち、千鳥配置のフィン付伝熱管が密に配置されたことにより、ガス流れが後流側のフィン付伝熱管に衝突するなどして、死水領域を形成していたガス流れに乱れを生じさせることが可能になる。
なお、フィン付伝熱管のフィン外周直径（ｄｆ）を基準とする軸間ピッチ（ＳＴ）及び千鳥軸間ピッチ（ＳＤ）の比（ＳＴ／ｄｆ，ＳＤ／ｄｆ）は、１未満の小さな値になると隣接するフィンが互いに干渉することになり、反対に、１．２８より大きな値になると千鳥配置のフィン付伝熱管密度が粗くなり、従って、死水領域の低減に有効なガス流れの乱れは小さくなる。

本発明の請求項１に係る伝熱管構造は、ガス流れ方向と交差するように管軸を千鳥配置された複数のフィン付伝熱管が、フィン内周側で連続する板状のフィン根元部、及びフィン外周側を円周方向に分割して鋸歯状としたフィン先端部を備えたフィンと、前記ガス流れ方向の下流側となるフィン外周部に管軸方向へ延在してガス流路の一部を塞ぐ閉塞板と、を備え、前記閉塞板は、前記ガス流れ方向及び該ガス流れ方向と直交する方向とにより４分割される前記フィン外周部の円周方向に対して、前記ガス流れ方向の中心線から前記ガス流れ方向と直交する方向へ高さ（ＷＡ）の位置から、前記ガス流れ方向と直交する中心線から前記ガス流れ方向へ高さ（ＷＢ）の位置まで、円弧断面形状の範囲に設けられ、前記高さ（ＷＡ）は、前記フィン先端部の高さであるフィン高さ（ｈｆ）を基準として、０．７ｈｆ〜１．３ｈｆの範囲内に設定され、かつ、前記高さ（ＷＢ）は、前記フィン高さ（ｈｆ）を基準としてｈｆ以下に設定されていることを特徴とするものである。

このような本発明によれば、ガス流れ方向の下流側となるフィン外周部に、ガス流れ方向及び該ガス流れ方向と直交する方向とにより４分割されるフィン外周部の円周方向に対して、ガス流れ方向の中心線からガス流れ方向と直交する方向へ高さ（ＷＡ）の位置からガス流れ方向と直交する中心線からガス流れ方向へ高さ（ＷＢ）の位置まで、円弧断面形状の範囲に管軸方向へ延在してガス流路の一部を塞ぐ閉塞板を設けたので、死水領域となっていたフィン付伝熱管の下流側へ確実にガス流れを導くことができる。

この場合、前記高さ（ＷＡ）は、フィン高さ（ｈｆ）を基準として、０．７ｈｆ〜１．３ｈｆの範囲内に設定され、かつ、前記高さ（ＷＢ）は、前記フィン高さ（ｈｆ）を基準としてｈｆ以下に設定されている。これにより、圧力損失の増大を抑制して死水領域を低減することができる。
すなわち、高さ（ＷＡ）が０．７ｈｆより小さいとガス流路が狭められて圧力損失を増し、反対に高さ（ＷＡ）が１．３ｈｆより大きいと閉塞板としての機能が低下して死水領域にガス流れを導くことができなくなる。
また、高さ（ＷＢ）がｈｆ以下に設定されることにより、閉塞板としての機能を確保して死水領域にガス流れを導くことができる。

本発明の参考例に係る伝熱管構造は、管軸がガス流れ方向と交差するように配置されているフィン付伝熱管のフィンに、前記ガス流れ方向において伝熱管本体より下流側のガス流れを、前記管軸を通るガス流れ方向の中心線に向けて導くガイド部を設け、前記ガイド部は、フィンの一部を切り欠いて折曲した一対の三角形状部であり、前記ガス流れ方向の中心線に対し、略対称となるように配置して設けられていることを特徴とするものである。

このような参考例によれば、ガス流れ方向において伝熱管本体より下流側のガス流れを中心線の方向へ導くガイド部をフィンに設けたので、死水領域となっていたフィン付伝熱管の下流側へ確実にガス流れを導くことができ、伝熱管本体より下流側で管軸を通るガス流れ方向の中心線周辺に形成されていた死水領域の低減が可能となる。
なお、この場合に有効なガイド部としては、例えばフィンの一部を切り欠いて折曲したものや、フィンの端部を折曲したものがある。

上述した本発明によれば、フィン付伝熱管のガス流れ方向下流側に形成される死水領域の低減が可能となり、この結果、熱伝達率の高いフィン先端部に加えてフィン根元部の熱伝達率も向上するので、フィン付伝熱管全体としての熱伝達率向上を達成することができる。従って、複合発電設備を構成する排熱回収ボイラの熱回収効率が向上するので、複合発電設備の高効率化に顕著な効果を奏する。

本発明に係る伝熱管構造の第１参考例として、セレーテッドフィンを備えるとともに、ガス流れ方向と管軸が交差するように配列されたフィン付伝熱管の配置例を示す断面図である。 本発明に係る伝熱管構造の第１実施形態として、セレーテッドフィンを備えるとともにガス流れ方向と管軸が交差するように配列され、かつ、ガス流路の一部を塞ぐ閉塞板を備えたフィン付伝熱管の配置例を示す断面図である。 図２に示した閉塞板の円周方向設置範囲に関する説明図である。 図３に示す閉塞板を備えたフィン付伝熱管について、ガス流れ方向の下流側から見た図である。 ソリッドフィンの外周部に閉塞板を取り付けた第２参考例に係るフィン付伝熱管の配置例を示す断面図である。 本発明に係る伝熱管構造の第３参考例として、伝熱管のソリッドフィンにガイド部を設けた構成例を示す斜視図である。 図６に示したガイド部の参考例を示す斜視図である。 従来のセレーテッドフィンを備えたフィン付伝熱管について、その断面形状及び伝熱管下流側に形成されるガス流れの死水領域を示す断面図である。 従来のセレーテッドフィンを備えたフィン付伝熱管について、フィン表面の平均熱伝達率分布図である。

以下、本発明に係る伝熱管構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す第１参考例の伝熱管構造は、排熱回収ボイラの内部に多数配列されることにより、伝熱管内部を流れる水と伝熱管外部を流れる高温の燃焼排ガスとの熱交換に使用される。なお、伝熱管内部を流れる水は、燃焼排ガスによる加熱を受けて蒸気となり、排熱回収ボイラから蒸気タービンへ供給される。

図示の伝熱管構造は、燃焼排ガスのガス流れ方向と交差する直線上に、フィン付伝熱管１の管軸を所定の軸間ピッチＳＴに配列してなる伝熱管列（第１の伝熱管列）Ｐａと、フィン付伝熱管１の管軸を伝熱管列Ｐａからガス流れ方向と交差する方向にずらして所定の軸間ピッチＳＴに配列してなる伝熱管列（第２の伝熱管列）Ｐｂとを備えている。
なお、図示の伝熱管列Ｐａ，Ｐｂには２本または１本のフィン付伝熱管１を示しているが、多数のフィン付伝熱管１よりなる管列の一部を示すものであり、管列の本数が特に限定されることはない。

図示の伝熱管列Ｐａは、ガス流れ方向と直交する直線上に各フィン付伝熱管１の管軸が位置するように配置されている。伝熱管列Ｐａのフィン付伝熱管１は、ガス流れ方向と直交する直線上において、互いの軸間ピッチがＳＴとなるように配列されている。
ここで使用するフィン付伝熱管１は、伝熱管本体２の外周面にセレーテッドフィン３を巻き付けるようにして取り付けたものである。なお、図示のセレーテッドフィン３は、鉄系材料の板材であり、フィン内周側で連続する板状のフィン根元部３ａと、フィン外周側を円周方向に分割して鋸歯状としたフィン先端部３ｂとにより構成される。

また、伝熱管列Ｐｂは、伝熱管列Ｐａと同様に、ガス流れ方向と直交する直線上に各フィン付伝熱管１の管軸が位置するように配置され、各フィン付伝熱管１は、ガス流れ方向と直交する直線上において、互いの軸間ピッチがＳＴとなるように配列されている。この場合、フィン付伝熱管１の管軸位置は、伝熱管列Ｐａと千鳥配置となるように、ガス流れ方向と直交する直線上において上下方向へ１／２ＳＴだけずれている。
さらに、ガス流れ方向においては、伝熱管列Ｐａのガス流れ方向と直交する直線及び伝熱管列Ｐｂのガス流れ方向と直交する直線が流れ方向軸間ピッチ（直線間距離）ＳＬに設定され、互いに平行となっている。

上述した伝熱管列Ｐａ，Ｐｂは、ガス流れ方向へ１または複数が所定の流れ方向軸間ピッチＳＬで交互に配列されることにより、フィン付伝熱管１の管群全体として千鳥配置となる。すなわち、伝熱管列Ｐａ及び伝熱管列Ｐｂは、ガス流れ方向へ流れ方向軸間ピッチＳＬで交互に配列されることにより、ガス流れ方向と直交する方向の軸間ピッチＳＴ及びガス流れ方向の流れ方向軸間ピッチＳＬの千鳥配置となる。
このような千鳥配置において、伝熱管列Ｐａ及び伝熱管列Ｐｂの隣接するフィン付伝熱管１の軸間距離は、すなわち千鳥配置における千鳥軸間ピッチはＳＤとなる。

また、フィン付伝熱管１は、そのフィン外周直径がｄｆであり、フィン先端部３ｂの高さがｈｆとなる。
本参考例では、上述した軸間ピッチＳＴ及び千鳥軸間ピッチＳＤについて、フィン外周直径ｄｆを基準とする軸間ピッチＳＴの比（ＳＴ／ｄｆ）及び千鳥軸間ピッチＳＤの比（ＳＤ／ｄｆ）が、１以上１．２８未満の範囲内に設定されている。すなわち、軸間ピッチＳＴ及び千鳥軸間ピッチＳＤは、フィン外周直径ｄｆ以上１．２８ｄｆ未満の範囲内に設定される。

上述した第１参考例によれば、千鳥配置とした各フィン付伝熱管１は、隣接するフィン付伝熱管１との軸間ピッチが互いに近くなった密の配置となる。この結果、ガス流れ方向において後流側に配置された伝熱管列Ｐｂのフィン付伝熱管１は、上流側に位置する伝熱管列Ｐａのフィン付伝熱管１の周辺を通過するガス流れに影響を与えることとなる。
すなわち、千鳥配置のフィン付伝熱管１が密に配置されたことにより、後流側のフィン付伝熱管１がガス流れの障害物となり、この結果、ガス流れが後流側のフィン付伝熱管１に衝突するなどして死水領域を形成していたガス流れに乱れを生じさせる。このようなガス流れの乱れは、従来の死水領域に対するガス流れを生じさせるので、上流側に位置するフィン付伝熱管１の死水領域を低減することができる。

ところで、上述した軸間ピッチＳＴ及び千鳥軸間ピッチＳＤの比（ＳＴ／ｄｆ，ＳＤ／ｄｆ）は、軸間ピッチＳＴ及び千鳥軸間ピッチＳＤがフィン外周直径ｄｆより小さい１未満の小さな値になると、隣接するフィンが互いに干渉するため好ましくない。
反対に、上述した軸間ピッチＳＴ及び千鳥軸間ピッチＳＤの比（ＳＴ／ｄｆ，ＳＤ／ｄｆ）は、軸間ピッチＳＴ及び千鳥軸間ピッチＳＤが１．２８ｄｆより大きな値になると、千鳥配置のフィン付伝熱管ピッチが大きくなる。このため、千鳥配置のフィン付伝熱管１は配置の密度が粗くなり、後流側のフィン付伝熱管１が上流側のフィン付伝熱管周辺を通過するガス流れ与える影響は低下する。この結果、死水領域の低減に有効なガス流れの乱れが小さくなり、十分な死水領域低減ができなくなるため好ましくない。

次に、伝熱管構造の第１実施形態を図２〜図４に基づいて説明する。本実施形態の伝熱管構造は、ガス流路の一部を塞ぐ閉塞板１０を備えている。なお、上述した第１参考例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図２に示すように、ガス流れ方向と交差するように管軸を千鳥配置された複数のフィン付伝熱管１Ａには、ガス流れ方向の下流側となるフィン外周部に、ガス流路の一部を塞ぐ閉塞板１０が設けられている。この閉塞板１０は、図４に示すように、管軸方向へ延在して設けられ、円周方向においてガス流路の一部を塞いでいる。なお、図２〜図４は、セレーテッドフィン３を備えたフィン付伝熱管１Ａを示している。図５には、閉塞板１０を、ソリッドフィン３Ａを備えたフィン付伝熱管１Ｂに適用した第２参考例を示している。

図示の閉塞板１０は、ガス流れ方向及びガス流れ方向と直交する方向とにより４分割されるフィン外周部の円周方向に対して、図３に示すように、点Ａから点Ｂまでの範囲に円弧断面形状に設けられている。すなわち、ガス流れ方向を基準として円周方向を９０度ピッチに分割し、ガス流れ方向の下流側となる二つの１／４円弧外周に対して、点Ａから点Ｂの範囲でガス流路を塞ぐように閉塞板１０が設けられている。
円形断面を有するフィン付伝熱管１Ａにおいて、点Ａは、ガス流れ方向の中心線Ｃｈからガス流れ方向と直交する方向へ高さＷＡの位置にあり、点Ｂは、ガス流れ方向と直交する中心線Ｃｖからガス流れ方向へ高さＷＢの位置にある。

このような閉塞板１０は、伝熱管本体２の下流（陰）になって死水領域となっていた中心線Ｃｈの周辺部分が開口しているので、伝熱管本体２の外周を流れたガス流れは、閉塞板１０の開口部へ強制的に導かれる。すなわち、閉塞板１０を取り付けることにより、死水領域となっていたフィン付伝熱管１Ａの下流側で中心線Ｃｈの周辺領域に対し、ガス流れを確実に導くことができる。
この場合、圧力損失の増大を抑制して死水領域を低減するための最適値として、閉塞板１０を設ける点Ａの高さＷＡは、フィン高さｈｆを基準として、０．７ｈｆ〜１．３ｈｆの範囲内に設定され、かつ、点Ｂの高さＷＢは、同じくフィン高さｈｆを基準として、ｈｆ以下に設定されている。

すなわち、点Ａの高さＷＡが０．７ｈｆより小さいと、ガス流路が狭められて圧力損失を増すため好ましくない。
反対に、点Ａの高さＷＡが１．３ｈｆより大きいと、ガス流れを中心部に導く閉塞板１０としての機能が低下するので、死水領域にガス流れを導くことができなくなる。
また、点Ｂの高さＷＢがｈｆ以下に設定されていれば、閉塞板１０としての機能を確保して死水領域にガス流れを導くことができる。

続いて、第３参考例の伝熱管構造を図６に基づいて説明する。本参考例の伝熱管構造は、ガス流路の一部を塞ぐ閉塞板１０を備えている。なお、上述した第１参考例及び第１実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図６に示すフィン付伝熱管１Ｃは、管軸がガス流れ方向と交差するように配置されている。本実施形態では、フィン付伝熱管１Ｃに対して、ガイド部２０が設けられている。このガイド部２０は、ソリッドフィン３Ｂに対して、ガス流れ方向において伝熱管本体２より下流側のガス流れを、管軸を通るガス流れ方向の中心線方向へ向けて、すなわち、伝熱管本体２のガス流れ方向下流側において、管軸を通るガス流れ方向の中心線の周辺に形成されていた死水領域へ向けて導くように設けられている。なお、このようなガイド部２０は、セレーテッドフィン３のフィン根元部３ａに設けてもよい。

図示のガイド部２０は、ソリッドフィン３Ｂの一部を切り欠いて略９０度の角度に折曲した一対の三角形状部であり、伝熱管本体２の管軸を通るガス流れ方向の中心線に対し、略対称となるように配置して設けられている。このガイド部２０は、伝熱管本体２の外周面と略平行に折曲されてガイド面２１を形成し、さらに、ガイド面２１は、ガス流れ方向の下流側が管軸を通るガス流れ方向の中心線に接近するよう傾斜している。
このようなガイド部２０を設けたことにより、フィン付伝熱管１Ｃの下流側では、伝熱管本体２の外周部を通過したガス流れがガイド部２０のガイド面２１に導かれて強制的に流れ方向を変化させる。この結果、フィン付伝熱管１Ｃの下流側では、ガス流れが死水領域へ流入するようになるので、死水領域を確実に低減することができる。

また、図７に示すフィン付伝熱管１Ｄは、ガイド部２０Ａを備えている。このガイド部２０Ａは、上述したガイド部２０の参考例であり、ソリッドフィン３Ｃのフィン端部を折曲してガイド面２１Ａを形成したものである。
このようなガイド部２０Ａを備えたフィン付伝熱管１Ｄとしても、フィン付伝熱管１Ｄの下流側では、ガス流れが死水領域へ流入するようになるので、死水領域を確実に低減することができる。

上述した各実施形態及び参考例によれば、フィン付伝熱管１，１Ａ〜１Ｄのガス流れ方向下流側に形成される死水領域の低減が可能になるので、セレーテッドフィン３においては、熱伝達率の高いフィン先端部３ａに加えてフィン根元部３ｂの熱伝達率も向上する。また、ソリッドフィン３Ａ〜３Ｃにおいても、死水領域の低減が可能となる。
この結果、フィン付伝熱管１，１Ａ〜１Ｄは、全体としての熱伝達率向上を達成することができるので、複合発電設備を構成する排熱回収ボイラの熱回収効率向上に伴って、複合発電設備の高効率化が可能になる。

ところで、上述した各実施形態は、単独での適用が可能なだけでなく、適宜組み合わせて適用することも可能である。また、上述した各実施形態は、排熱回収ボイラのフィン付伝熱管に限定されることはなく、類似する他の熱交換器においても適用可能なことは言うまでもない。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１，１Ａ〜１Ｄ フィン付伝熱管
２ 伝熱管本体
３ セレーテッドフィン
３ａ フィン根元部
３ｂ フィン先端部
３Ａ〜３Ｃ ソリッドフィン
１０ 閉塞板
２０，２０Ａ ガイド部
２１，２１Ａ ガイド面

Claims (1)

1. ガス流れ方向と交差するように管軸を千鳥配置された複数のフィン付伝熱管が、
   フィン内周側で連続する板状のフィン根元部、及びフィン外周側を円周方向に分割して鋸歯状としたフィン先端部を備えたフィンと、
   前記ガス流れ方向の下流側となるフィン外周部に管軸方向へ延在してガス流路の一部を塞ぐ閉塞板と、を備え、
   前記閉塞板は、前記ガス流れ方向及び該ガス流れ方向と直交する方向とにより４分割される前記フィン外周部の円周方向に対して、前記ガス流れ方向の中心線から前記ガス流れ方向と直交する方向へ高さ（ＷＡ）の位置から、前記ガス流れ方向と直交する中心線から前記ガス流れ方向へ高さ（ＷＢ）の位置まで、円弧断面形状の範囲に設けられ、
   前記高さ（ＷＡ）は、前記フィン先端部の高さであるフィン高さ（ｈｆ）を基準として、０．７ｈｆ〜１．３ｈｆの範囲内に設定され、かつ、前記高さ（ＷＢ）は、前記フィン高さ（ｈｆ）を基準としてｈｆ以下に設定されていることを特徴とする伝熱管構造。

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