KR100510630B1 - 유리 피복된 가스 분산 임펠러 및 가스 분산 임펠러를포함하는 혼합 유닛 - Google Patents

유리 피복된 가스 분산 임펠러 및 가스 분산 임펠러를포함하는 혼합 유닛 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유리 피복된 가스 분산 임펠러에 관한 것이다. 이러한 임펠러는 중앙에 배치된 구멍을 구비한 허브를 포함한다. 구멍은 중심 축을 가지며 본질적으로는 수직으로 연장하는 종축을 갖는 구동 샤프트 위로 통과할 수 있는 사이즈로 형성되어 그에 따라 중심에 배치된 중심 축이 샤프트의 종축과 일치하도록 되어 있다. 본 발명의 임펠러는 둥근 형태를 갖는 다수의 각도(angles) 및 연부(edges)를 갖는다. 이러한 임펠러는 중심 축으로부터 반경방향 외측으로 연장된 허브에 고정된 다수의 블레이드를 추가로 포함한다. 각 블레이드는 전단 오목면 및 후단 볼록면을 가지며, 상기 오목면 및 볼록면 양자는 하측 연부, 상측 연부, 내측 연부 및 외측 연부에 의해 규정된다. 상기 오목면은 상측 연부가 외측 연부를 지나 돌출하도록 구성된다. 블레이드는 허브와 일체이며 중심 축으로부터 반경방향 외측으로 연장된 디스크 또는 아암과 같은 중간 연결 수단에 의해, 또는 직접적 허브에 연결될 수도 있다. 허브 및 그에 부착된 블레이드는 연속하는 유리의 피막으로 피복된다. 임펠러는 공지된 유리 피복된 터빈과 비교할 때 플러딩(flooding) 없이 높은 가스 속도로 가스를 분산시키는 우수한 능력을 갖는다.

Description

유리 피복된 가스 분산 임펠러 및 가스 분산 임펠러를 포함하는 혼합 유닛{HIGH GAS DISPERSION EFFICIENCY GLASS COATED IMPELLER}
본 발명은 내식성 혼합 임펠러에 관한 것으로서, 특히 유리 피복된 금속 복합 임펠러에 관한 것이다.
금속 기재의 유리 피막은, 예를 들면 미국 특허 제 RE 35,625 호; 제 3,775,164 호; 및 제 3,788,874 호에 개시된 바와 같이 공지되어 있다. 유리 피복 혼합 임펠러는, 예를 들면 미국 특허 제 3,494,708 호; 제 4,213,713 호; 제 4,221,488 호; 제 4,264,215 호; 제 4,314,396 호; 제 4,601,583 호 및 독일 특허 제 262,791 호에 개시된 바와 같이 공지되어 있다. 미국 특허 제 4,601,583 호는 매우 긴밀한 마찰 끼움을 달성하기 위해 극저온 냉각에 의해 샤프트에 끼워진 유리 피복된 임펠러를 개시하고 있다. 상기 임펠러는 이중 허브 임펠러, 즉 허브가 2개로서, 각각의 허브는 2개의 블레이드를 지지하고 있다. 허브는 샤프트상에서 서로 근접 배치되어 블레이드가 샤프트를 중심으로 서로 90°로 배향되도록 한다. 또한, 상기 미국 특허 제 4,601,583 호는 "이중 비행" 구조로 공지된, 샤프트상에서 서로 이격된 다수의 임펠러를 개시하고 있다.
소정의 유리 피복 임펠러를 샤프트상에 배치할 수 있는 기술이 공지되었음에도 불구하고, 양호한 유리 피복된 고효율 가스 분산 임펠러를 이용할 수 없었다. 그러한 고 효율의 유리 피복된 가스 분산 임펠러는, 공지된 터빈형 임펠러가 사용되는 경우 발생되는 것과 같은 공급 가스에 의한 임펠러의 충만 및 결과적인 가스 분산 효율의 과도한 저하에 대한 염려 없이 전체의 탱크 내부의 부식성 환경에서 신속한 가스 분산을 신속하고 효율적으로 확보할 수 있는 것이 유리하다. 미국 특허 제 5,791,780 호는 양호한 가스 분산 특성을 갖는 임펠러를 개시하고 있지만, 유감스럽게도 다수의 예각 및 각도로 인해서 그러한 임펠러는 부식성이 강한 환경에서 사용하기 위한 유리 피막에는 적합하지 않다.
본 발명에 따르면, 우수한 가스 분산 임펠러가 설계되고 유리로 피복될 수 있으며, 소망하는 경우 이중 허브 형태로 조립될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명은 유리 피복된 가스 분산 임펠러를 포함한다. 이러한 임펠러는 중앙에 배치된 구멍을 갖는 허브를 포함한다. 이 구멍은 중심 축을 가지며 본질적으로는 수직으로 연장하는 종축을 갖는 구동 샤프트 위로 통과할 수 있는 크기로 되어서 중앙에 배치된 구멍의 중심 축이 샤프트의 종축과 일치한다. 임펠러는 복수의 각도(angle)와 연부(edge)를 가지며, 그들 전체는 둥근 형태로 되어 있다. 임펠러는 중심 축으로부터 반경방향 외측으로 연장된 허브에 고정된 복수의 블레이드를 추가로 포함한다. 각 블레이드는 전단 오목면 및 후단 볼록면을 가지며, 이들은 하측 연부, 상측 연부, 내측 연부 및 외측 연부에 의해 규정된다. 오목면은 상측 연부가 하측 연부를 지나 돌출하도록 형성된다.
블레이드는 허브와 일체이며 중심 축으로부터 반경방향 외측으로 연장된 디스크 또는 아암과 같은 중간 연결 수단에 의해, 또는 직접 허브에 연결될 수도 있다. 허브 및 그에 부착된 블레이드는 연속하는 유리 피막으로 피복된다.
본 발명의 임펠러는 당업자에게 공지된 수단에 의해 유리 피복된다. 일반적으로는, 금속 기재를 세척하고 유리 프릿 조직(glass frit formulation)으로 피복하여 굽는다.
본 발명의 임펠러는 통상적으로 유리로 피복된 금속이다. 이러한 금속은 통상적으로 저탄소강 또는 스테인레스 강과 같은 내식성 합금이다. 터빈은 임의의 적절한 수단, 예를 들면 블레이드를 허브에 용접하는 것에 의해 또는 전체 임펠러를 일체로 감싸거나 단조하는 것에 의해 형성할 수도 있다. 모든 경우에 있어서, 각도는 후에 적용되는 유리 피막상의 응력을 감소시키기 위해 라운딩 처리된다. 유리 피막을 형성하는데 있어서, 통상적으로 다수의 유리, 예를 들면 2개의 그라운드 피막이 사용되고, 그에 따라 4개의 커버 피막이 생긴다.
임펠러의 허브는 일체형 혼합 유닛을 형성하도록 구동 샤프트 위로 활주할 수 있는 크기로 되어 있는 중심을 관통하는 구멍을 갖는다. 임펠러는 마찰 끼움에 의해 또는 클램핑 수단이나 스크류 조인트와 같은 다른 수단에 의해 샤프트상에 보유될 수 있다.
임펠러의 허브는 유리 피복되는 것이 바람직한 중심 관통 구멍을 갖는다. 구멍을 규정하는 표면은 예를 들면, 샤프트를 극저온 냉각시켜 그의 직경을 축소시킴으로써 결과적으로 허브를 샤프트 위로 활주시키는 것에 의해서 구동 샤프트에 마찰 끼움하기 위해 긴밀한 오차로 마무리되는 것이 바람직하다. 재 가열될 때, 샤프트는 팽창되어 마찰 끼움에 의해 임펠러를 샤프트에 확고히 고정시킴으로써 일체형 혼합 유닛(조합된 샤프트 및 임펠러)을 형성한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 가스 분산 터빈의 블레이드의 전단면은 오목한 형상을 갖는다. 즉, 임펠러가 회전함에 따라, 액체 및 기체에 접촉하는 블레이드의 표면은 블레이드의 하측 연부와 상측 연부를 연결하는 평면 뒤에 위치한다. 오목한 전단면은 직선 및/또는 곡선 표면 성분에 의해 형성될 수도 있다. 예를 들면, 오목면은 타원형, 포물선형, 쌍곡선형일 수도 있거나 또는 본질적으로는 그들 연결 정점에 둥근면을 갖는 교차 평면에 의해 형성될 수도 있다.
블레이드의 상측 연부는 하측 연부를 지나 돌출한다. 즉, 하측 연부를 통과하는 수직 평면은 상측 연부로부터 멀리 떨어진 위치에서 하측 연부 위의 블레이드의 오목면과 교차한다. 그러한 수직 평면과 블레이드의 오목면과의 교차는 수직 평면으로부터 오목면까지의 최대 수평 거리의 약 0.1 배 내지 약 1 배인 것이 통상적이다. 블레이드의 오목면의 돌출부는 수평면으로부터 약 -50° 내지 약 +30°인 것이 통상적이다.
본 발명의 혼합 유닛은 적어도 2개의 임펠러를 포함할 수도 있다. 각각의 임펠러는 임펠러의 허브내의 구멍을 통해 구동 샤프트를 끼우는 것에 의해 구동 샤프트에 고정된다. 본 발명에 따르면, 복수의 터빈이 사용될 때, 터빈중 적어도 하나, 통상적으로는 하측 터빈은 본 발명의 가스 분산 터빈이다.
예를 들면, 혼합 유닛은 4개의 블레이드를 구비한 가스 분산 터빈을 효율적으로 형성하기 위해 본 발명의 적어도 2개의 두깃 가스 분산 터빈의 조합체를 포함하는 것이 바람직하다. 그러한 경우에, 각각의 가스 분산 터빈은 구동 샤프트를 터빈의 허브내의 중심 구멍을 통해 끼우는 것에 의해 구동 샤프트에 조립되고 고정된다. 제 1 가스 분산 터빈의 블레이드는 제 2 가스 분산 터빈의 블레이드의 배향에 대해 샤프트의 종축을 중심으로 약 30° 내지 약 90° 회전되어 있다. 부가하여, 제 1 및 제 2 가스 분산 터빈의 허브는 서로 근접한다. 즉, 제 1 및 제 2 임펠러는 직접 접촉하거나 또는 단일 허브의 두께보다 통상적으로 작은 짧은 거리로 분리된다. 그러한 형태에 있어서, 임펠러중 하나의 블레이드를 허브에 오프셋 상태로 부착하여 제 1 및 제 2 가스 분산 터빈 양자의 블레이드의 전단면이 동일 평면을 통과하도록 할 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하는 도면을 참조하면 보다 잘 이해될 수도 있다. 도시된 실시예들은 설명을 위한 것이며 본 발명을 제한하지 않는다는 것을 이해하여야 한다.
도면에 도시된 바와 같이, 유리 피복된 가스 분산 임펠러(10)는 대향 표면(13)을 갖는 허브(12)를 구비한다. 상기 허브(12)는 표면(13)을 통과하여 중앙에 위치되는 구멍(14)을 가지며, 이 구멍(14)은 중심 축(16)을 갖는다. 이 구멍(14)은 종축(20)을 갖는 샤프트(18) 위로 통과할 수 있는 사이즈로 설정되어 구멍(14)의 중심축(16)이 샤프트(18)의 종축(20)과 일치한다. 임펠러는 적어도 2개의 블레이드(22)를 구비한다. 각 블레이드(22)는 전단 오목면(24) 및 후단 볼록면(26)을 가지며, 상기 오목면과 볼록면 양자는 하측 연부(28), 상측 연부(30), 내측 연부(32) 및 외측 연부(34)에 의해 규정된다. 오목면(24)은 상측 연부(30)가 하측 연부(28)를 지나 돌출하도록 구성된다. 블레이드(22)는 내측 연부(32)에서 직접 또는 아암(36)과 같은 중간 수단에 의해서 허브(12)에 대칭적으로 부착된다. 상기 아암(36)은 표면(13)중 하나의 근처에서 허브(12)에 부착될 수도 있고 서로 거울상인 2개의 임펠러를 샤프트상에 장착할 수 있게 하는 오프셋(38)을 구비할 수 있으며, 그에 따라 임펠러의 블레이드는 샤프트를 중심으로 동일 회전 평면(P1 내지 Pn)에서 회전한다. 허브(12) 및 부착 블레이드(22)를 포함한 전체 임펠러(10)는 유리(40)의 접촉 피막으로 피복된다. 임펠러는 다수의 각도 및 연부, 예를 들면(28, 30, 32, 34)를 구비하며, 그 전체는 내구성 있고 안정된 유리 피막을 형성하는 것을 돕는 둥근 형태를 갖는다.
도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 적어도 2개의 임펠러(10)는 임펠러의 허브(12)내의 구멍(14)을 통해 구동 샤프트를 끼우는 것에 의해 구동 샤프트(18)에 고정되어 혼합 유닛을 형성한다.
혼합 유닛(42)은 도 5에 도시된 바와 같이 형성될 수도 있으며, 임펠러(10)의 허브(12)내의 중심 구멍(14)을 통해 구동 샤프트(18)에 각각 조립되고 고정되는 전술한 바와 같은 적어도 2개의 임펠러를 포함한다. 그러한 경우에 있어서, 제 1 임펠러의 블레이드는 제 2 임펠러의 블레이드의 배향에 대해 샤프트(18)의 종축(20)을 중심으로 약 45°내지 약 90° 회전되어 있는 것이 바람직하다. 2개의 임펠러의 허브는 서로 근접 배치되어 4개의 블레이드를 구비한 복합 임펠러를 효과적으로 형성할 수도 있다. 이 문맥에서 사용한 "서로 근접 배치된"이라는 표현은 임펠러중 적어도 하나의 블레이드(22)의 적어도 일부분이 다른 임펠러의 블레이드의 적어도 일부분과 동일한 샤프트(18) 둘레의 회전 평면에서 작동되도록 임펠러(10)의 허브(12)가 정렬되는 것을 의미한다. 본 발명의 복수의 두깃 임펠러의 이러한 배치는 여러가지 이유로 바람직하다. 이러한 배치는 2개 이상의 블레이드를 구비한 임펠러를 효과적으로 조립하는 것을 가능케 함과 아울러 단 2개의 블레이드를 구비한 임펠러의 유리피복을 가능케 한다. 두깃 임펠러에는 각도가 적기 때문에, 유리피복을 달성하기가 쉽다. 또한, 두깃 형태는 유리 피복된 용기에 전형적인 협소 탱크 개구 또는 용기내의 조립체 내부로 진입하는 것을 가능케 함으로써 2개 이상의 블레이드를 구비한 임펠러 조립체를 효과적으로 형성할 수 있도록 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 임펠러는 샤프트상에서 본 발명의 임펠러와 동일하거나 또는 상이한 다른 임펠러와 조합될 수도 있다. 도 5에 도시된 혼합 유닛(42)은 본 발명의 2개의 하측 임펠러(10)와 평 블레이드 터빈 형태의 상측 임펠러(44)를 포함한다.
본 발명의 유리 피복된 가스 분산 임펠러는 가스 공급원과 함께 탱크 내부에 설치되어 본 발명의 터빈의 우수한 가스 분산 특성을 이용하도록 하는 것이 유리하다. 예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 전술한 바와 같은 샤프트상에 조립된 본 발명의 2개의 두깃 터빈은 가스 흡입 구멍(50)을 갖는 살포 링(48) 위에서 탱크(46)내에 설치될 수도 있다. 그러한 구조에 있어서, 본 발명의 터빈은 살포 링으로부터 배출되는 가스를 주변 액체내로 효율적으로 분산시킨다.
본질적으로는 도 3에 도시된 것과 같은 구조의 본 발명의 임펠러를 동력 강하에 의해 표시되는 가스 플러딩(flooding) 특성을 결정하기 위해 가스의 각종 흐름을 임펠러에 제공하는 것에 의해 2 핀 배플을 갖는 탱크내에서 시험하여 임펠러의 가스 분산 특성을 결정하였다. 그 결과를 미리 공지된 유리 피복 임펠러와 비교하였다. 그 결과는 도 6에 도시되어 있다. 시험 결과는 본 발명의 유리 피복된 임펠러가 시험된 기존의 유리 피복된 곡선날 터빈(curve blade turbine : CBT) 및 디스크 터빈(disk turbine)(DT-4) 임펠러 보다 훨씬 우수하다는 것을 명백히 보여준다. 본 발명의 터빈은 그와 같이 훨씬 우수하므로 동력 강하(Pg/Po, 가스 동력/비 가스 동력)로 표시되는 바와 같이 CBT 및 DT-4 터빈이 약 0.035 ft/s의 표면 가스 속도(superficial gas velocities : SGV)에서 플러딩이 발생하는 반면, 본 발명의 터빈은 0.1 ft/s을 초과하는 표면 가스 속도에서도 플러딩이 발생하지 않는다. 이것은 기존의 시험된 유리 피복 터빈의 가스 분산 능력의 약 3배 이상을 나타낸다.
본 발명의 가스 분산 임펠러는 2개 이상의 블레이드를 구비한 임펠러를 효과적으로 조립하는 것이 가능함과 아울러 단 2개의 블레이드를 구비한 임펠러의 유리피복을 가능케 하고, 또한 두깃 임펠러에는 각도가 적기 때문에, 유리피복을 달성하기가 용이하다.
도 1은 본 발명에 따른 두깃 임펠러(two-bladed impeller)의 사시도,
도 2는 도 1의 임펠러의 단부도,
도 3은 서로 거울상이고 오프셋된 블레이드를 구비하는 본 발명의 2개의 두깃 터빈의 측면도로서, 터빈이 샤프트상에 서로 90°의 배향으로 장착되어 블레이드가 샤프트를 중심으로 동일 평면에서 작동되도록 되어 있음,
도 4는 도 3의 샤프트상에 서로 90°의 배향으로 장착된 상태의 본 발명의 2개의 두깃 터빈의 평면도,
도 5는 본 발명의 혼합 유닛의 입면도로서, 살포 링을 구비한 탱크 내부에서 샤프트의 상부 부분상에 서로 근접하게 장착된 본 발명의 2개의 터빈과 샤프트의 하부 부분상에 서로 근접하게 장착된 터빈형 임펠러를 도시한 도면,
도 6은 상이한 살포 가스 흐름에서의 본 발명의 임펠러의 동력 작도선을 유사한 가스 흐름에서의 종래의 임펠러의 동력 작도선과 비교한 그래프.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 가스 분산 임펠러 12 : 허브
14 : 구멍 16 : 중심 축
18 : 구동 샤프트 22 : 블레이드
24 : 오목면 26 : 볼록면
28 : 하측 연부 30 : 상측 연부

Claims (20)

  1. 유리 피복된 가스 분산 임펠러로서, 중앙에 배치된 구멍을 갖는 허브를 포함하며, 상기 구멍은 중심 축을 가지고 있고, 상기 구멍의 사이즈는 본질적으로는 수직으로 연장된 종축을 갖는 구동 샤프트 위로 통과할 정도로 형성되어 상기 중앙에 배치된 구멍의 중심 축이 샤프트의 종축과 일치하며, 상기 임펠러는 둥근 형태를 각각 갖는 다수의 각도(angles) 및 연부(edges)를 가지며, 상기 임펠러는 상기 허브에 고정되고 중심 축으로부터 반경방향으로 연장된 다수의 블레이드를 추가로 포함하는, 유리로 피복된 가스 분산 임펠러에 있어서,
    상기 각각의 블레이드는 전단 오목면 및 후단 볼록면을 가지며, 상기 오목면 및 볼록면의 양자는 하측 연부, 상측 연부, 내측 연부 및 외측 연부에 의해 규정되며, 상기 전단 오목면은 상측 연부가 하측 연부를 지나 돌출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    유리 피복된 가스 분산 임펠러.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드는 상기 허브와 일체이며 중심 축으로부터 반경방향 외측으로 연장하는 적어도 하나의 아암에 의해 상기 허브에 연결되는 것을 특징으로 하는
    유리 피복된 가스 분산 임펠러.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 2개의 블레이드는 상기 허브에 대향하여 부착되는 것을 특징으로 하는
    유리 피복된 가스 분산 임펠러.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드는 용접에 의해 허브에 부착되는 것을 특징으로 하는
    유리 피복된 가스 분산 임펠러.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드는 허브와 일체식으로 단조하는 것에 의해서 허브에 부착되는 것을 특징으로 하는
    유리 피복된 가스 분산 임펠러.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드는 허브와 일체식으로 성형하는 것에 의해 허브에 부착되는 것을 특징으로 하는
    유리 피복된 가스 분산 임펠러.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드는 상기 허브와 일체로 된 중간 아암에 용접하는 것에 의해서 상기 허브에 부착되는 것을 특징으로 하는
    유리 피복된 가스 분산 임펠러.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 임펠러는 유리 피복된 강을 포함하는 것을 특징으로 하는
    유리 피복된 가스 분산 임펠러.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 강은 스테인레스 강인 것을 특징으로 하는
    유리 피복된 가스 분산 임펠러.
  10. 허브내의 구멍을 통해 구동 샤프트를 끼우는 것에 의해 구동 샤프트에 고정되는 제 2 항의 임펠러를 포함하는
    혼합 유닛.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 임펠러는 마찰 끼워맞춤에 의해 구동 샤프트에 고정되는 것을 특징으로 하는
    혼합 유닛.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 구동 샤프트는 유리 피복된 강을 포함하는 것을 특징으로 하는
    혼합 유닛.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 구동 샤프트는 유리 피복된 스테인레스 강을 포함하는 것을 특징으로 하는
    혼합 유닛.
  14. 적어도 2개의 임펠러를 포함하며, 상기 각각의 임펠러는 상기 임펠러의 허브내의 구멍을 통해 구동 샤프트를 끼우는 것에 의해 구동 샤프트에 고정되고, 상기 임펠러중 적어도 하나는 제 2 항에 따른 임펠러인
    혼합 유닛.
  15. 제 2 항에 따른 임펠러의 적어도 2개의 조합체를 포함하며, 상기 각각의 임펠러는 임펠러의 허브 내의 중심 구멍을 통해 구동 샤프트를 끼우는 것에 의해서 구동 샤프트에 조립되고 고정되는 혼합 유닛에 있어서,
    제 1 임펠러의 블레이드는 제 2 임펠러의 블레이드의 배향에 대해 샤프트의 종축을 중심으로 약 45° 내지 약 90° 회전되어 있고, 상기 제 1 및 제 2 임펠러의 허브는 서로 근접 배치되는 것을 특징으로 하는
    혼합 유닛.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 임펠러의 조합체는 적어도 0.1 ft/s의 표면 가스 속도(superficial gas velocity)에서 적어도 0.8의 Pg/Po를 갖는 것을 특징으로 하는
    혼합 유닛.
  17. 제 15 항에 있어서,
    허브에 대한 상기 블레이드중 적어도 2개의 부착은 오프셋 되어 상기 제 1 및 제 2 임펠러 양자의 블레이드가 샤프트 둘레의 동일 회전 평면에서 작동되는 것을 특징으로 하는
    혼합 유닛.
  18. 본질적으로 수직인 샤프트상의 상부 위치에 장착된 제 2 임펠러에 대해 상기 수직 샤프트상의 하부 위치에 장착된 제 1 항에 따른 제 1 임펠러를 포함하되, 상기 제 1 및 제 2 임펠러는 샤프트를 중심으로 동일 회전 평면에서 회전하지 않는
    혼합 유닛.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 임펠러는 평 블레이드 터빈인 것을 특징으로 하는
    혼합 유닛.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 임펠러는 만곡 블레이드 터빈인 것을 특징으로 하는
    혼합 유닛.
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