KR102601560B1 - 엔진용 연소 가스를 공급하기 위한 액체 가스의 증발 어셈블리 - Google Patents

엔진용 연소 가스를 공급하기 위한 액체 가스의 증발 어셈블리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진을 위한 연소 가스를 공급하기 위한 액체 가스의 증발 어셈블리에 관한 것이며, 상기 어셈블리는 엔진과 액체 가스 탱크를 연결하는 연소 가스 공급 라인(2)과; 연소 가스 공급 라인(2) 내에 배치되고 그 내에서는 액체 가스(9)가 증발되는 것인 증발기(3)와; 증발기(3)에 연결되어 있으면서, 자체적으로 냉각제 회로(6)에 연결되는 열 교환기(5) 및 추가 열을 열 매체 회로(4) 내로 이동시키는 추가 열 전달 장치(7)를 구비한 열 매체 회로(4)를; 포함하되, 추가 열 전달 장치는, 열을 공급받기 위해, 열 전달 연결부에서, 작동 상태에서 폐열을 축적하는 유닛과 연결되어 있는 고온 가열 장치(7)이다. 본 발명에 따라서, 열 교환기(5)의 부분이기도 한 냉각제 회로(6)의 부분(51, 55, 56) 및 고온 가열 장치(7)의 가열 부재들(52)은 하나의 공통 열 매체 챔버(35) 내에 배치되고, 이 열 매체 챔버 내에서는 열 매체(10)가 상기 부분 및 상기 가열 부재와 접촉 유동한다.

Description

엔진용 연소 가스를 공급하기 위한 액체 가스의 증발 어셈블리
본 발명은, 청구항 제1항의 전제부에 따른, 엔진을 위한 연소 가스(combustion gas)를 공급하기 위한 액체 가스(liquid gas)의 증발 어셈블리에 관한 것이다.
상기 어셈블리는 DE 10 2014 219 501 A1호로부터 공지되어 있다. WO 2007/074210 A1호에는, 제2 열 교환기로서, 바닷물처럼 낮은 온도 레벨을 갖는 열원과 열 교환 방식으로 연결되어 있는 열 교환기를 포함하는 어셈블리가 개시되어 있되, 증발기의 하류에서, 이제 연소 가스로서 지칭되는 증발된 액체 가스는 엔진 내로 유입되기 전에 가스 과열기에 의해 엔진을 위해 필요한 최종 온도로 가열된다.
본 발명의 과제는 엔진을 위해 필요한 온도로 연소 가스의 가열을 위한 비용을 감소시키는 것에 있다.
상기 과제는, 본 발명에 따라서, 해당 유형에 따른 어셈블리의 경우, 청구항 제1항의 특징부의 특징들을 통해 해결된다.
본 발명에 따른 조치들을 통해, 특히 경제적인 방식으로, 연소 가스는 엔진을 위해 필요한 최종 온도로 가열될 수 있다. 열 매체(heat carrier)가, 증발기 내로 유입되기 전에, 고온 가열 장치에 연결된 유닛에서 유출되는 폐열을 이용하여 열 매체를 가열하는 고온 가열 장치를 통과하는 것을 통해, 한편으로 상대적으로 높은 온도를 갖는 열 매체는 증발기 내로 유입되며, 그로 인해 다시금 증발된 액체 가스는 증가된 온도로 가열되며, 그럼으로써 엔진을 위해 필요한 최종 온도로 증발기의 하류에서 여전히 필요한 잔여 가열을 위해 더 적은 에너지가 요구되게 된다. 다른 한편으로, 여하히 존재하는 폐열의 사용을 통해 고온 가열 장치를 위한 열 에너지의 추가적인 생성은 필요하지 않으며, 그리고 이와 동시에 유닛의 냉각은 간소화되는데, 그 이유는 유닛의 냉각 시스템이 단지 잔여 냉각을 위해서만 구성되기만 하면 되기 때문이다. 더 나아가, 종래 기술에서 제안되는 바닷물의 열의 사용 대신, 유닛에서 축적되는 폐열의 사용을 통해, 사용할 재료에 대한 요건들은 현저하게 감소되는데, 그 이유는 바닷물이 매우 공격적이기 때문이다. 종래 기술에서는 바닷물 내지 해수에 저항성이 있는 특수 재료들, 예컨대 특히 티타늄 합금들과 같은 고품질의 특수강들이 사용되어야 하는 반면, 본 발명에 따른 해결책의 경우 유닛과 고온 가열 장치 간의 열 전달 연결부의 제조를 위해 보통의 고급강들만으로도 충분하다. 이런 방식으로, 여하히 존재하는 폐열을 통해 열 매체는 종래 기술에 비해 분명하게 증가된 열 매체 온도로 가열되고 그에 따라 -가스 과열기를 위한 것처럼- 엔진을 위해 필요한 온도로 연소 가스의 가열을 위해 필요한 추가적인 에너지의 총 요구량은 현저하게 감소되는 것뿐만이 아니다. 또한, 그와 동시에 유닛의 냉각을 위한 비용 역시도 감소되고 사용할 재료에 대한 요건들도 감소된다. 본 발명에 따라서, 열 교환기의 부분이기도 한 냉각제 회로의 부분, 및 고온 가열 장치의 가열 부재들은 하나의 공통 열 매체 챔버 내에 배치되고, 이 열 매체 챔버 내에서는 열 매체가 상기 부분 및 상기 가열 부재와 접촉 유동한다. 이런 조치들에 의해 본 발명의 구조적으로 간단하면서 비용 효과적인 형성이 가능해진다.
고온 가열 장치는 열 매체의 유동 방향에서 (제1) 열 교환기의 하류 또는 상류에 배치될 수 있다.
본 발명의 유리한 개선예에서, 열 교환기와 고온 가열 장치는 증발기의 아래쪽에 배치된다. 이런 조치들에 의해, 열 매체의 자연 순환이 달성될 수 있는데, 그 이유는 가열된 열 매체가 저절로 증발기 내로 상방 유동하고 냉각된 열 매체는 저절로 증발기에서부터 하방 유동하기 때문이다.
바람직하게는, 고온 가열 장치는 열을 공급받기 위해 냉각수 회로에 연결되며, 이 냉각수 회로에는 유닛 역시도 연결된다. 이로써, 구조적으로 상대적으로 간단한 방식으로 유닛의 폐열은 고온 가열 장치 쪽으로 이동될 수 있고 유닛은 다시 냉각된 냉각수를 공급받을 수 있다. 그 외에, 냉각수는 바닷물보다 훨씬 덜 공격적이며, 그럼으로써 여기서도 특히 비용 효과적인 강재들(steel)이 이용될 수 있게 된다.
바람직하게는, 폐열의 온도는 최소한 20℃, 보다 더 바람직하게는 최소한 30℃이며, 특히 바람직하게는 최소한 35℃이다. 이런 온도에 의해, 열 매체는, 자체적으로, 증발기 내에서, 엔진을 위해 필요한 연소 가스의 최종 온도에 상대적으로 가까운 온도로 연소 가스를 가열하는데 이용되는 온도로 가열될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구현예에서, 고온 가열 장치는, 연소 가스가 엔진을 위해 필요한 최종 온도를 보유하여 증발기에서 유출되는 정도로 열 매체를 가열하도록 구성된다. 이런 경우에, 증발기의 하류에서 잔여 가열은 더 이상 필요하지 않는데, 그 이유는 연소 가스가 이미 엔진을 위해 필요한 최종 온도를 보유하기 때문이다.
보다 더 바람직하게는, 냉각제 회로에는 에어 컨디셔닝 시스템이 연결된다. 이런 조치에 의해, 냉각제는 에어 컨디셔닝 시스템을 위해 비용 효과적인 방식으로 냉각될 수 있다.
보다 더 바람직하게는, 유닛은 발전기를 구동하기 위한 내연기관, 예컨대 디젤 엔진이다. 상기 내연기관, 특히 디젤 엔진의 냉각수 회로 내 온도는 20℃ 내지 95℃의 범위일 수 있으며, 그럼으로써 고온 가열 장치에는 충분히 높은 온도를 갖는 폐열이 공급될 수 있게 된다.
바람직하게 엔진은 선박 엔진이다. 특히 본 발명에 따른 어셈블리는 여객선을 위해 주요하다. 이런 여객선에서는 전력 생성을 위한 발전기들에 대한 높은 수요가 존재하며, 그리고 그로 인해 다량의 폐열이 축적된다.
본 발명에 따른 어셈블리를 포함하는 선박 역시도 본 발명에 속한다.
본 발명은 하기에서 도면들에 따라서 예로서 훨씬 더 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 어셈블리의 제1 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 어셈블리의 제2 실시예를 절단하여 도시한 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 어셈블리의 제3 실시예를 도시한 측면도이다.
도면들에 도시된 본 발명에 따른 어셈블리(1)의 실시예들은 엔진과 액체 가스 탱크를 연결하는 연소 가스 공급 라인(2); 증발기(3); 열 매체 회로(4); 열 교환기(5); 냉각제 회로(6); 고온 가열 장치(7); 및 고온 가열 장치(7)에서부터 (미도시한) 유닛까지의 열 전달 연결부(8);를 포함한다.
도 1에 도시된 것처럼, 액체 가스(9)는 증발기(3) 내로 유입되고, 그런 후에 증발된 상태로-이제는 연소 가스(9a)로서 지칭됨- 상기 증발기에서 유출된다. 연소 가스(9a)는 (미도시한) 엔진 내로 유입되기 전에 (마찬가지로 미도시한) 가스 과열기 내에서 엔진을 위해 필요한 최종 온도로 가열된다.
증발기(3)는 열 매체 회로(4)에 연결되며, 이 열 매체 회로는, 열 매체(10)의 유동 방향으로, 맨 먼저, 자체적으로 냉각제 회로(6)에 연결되어 있는 열 교환기(5)를 포함한다. 또한, 상기 열 매체 회로(4)에는 추가적인 열을 도입하도록 추가 열 전달 장치가 구비되며, 상기 추가 열 전달 장치는, 열을 공급받기 위해, 열 전달 연결부에서, 작동 상태에서 폐열을 축적하는 유닛과 연결되어 있는 고온 가열 장치(7)이다.
냉각제 회로(6)에는, 다시금, 예컨대 에어 컨디셔닝 시스템이 연결될 수 있거나, 또는 예컨대 식료품을 위한 저장 공간처럼 서늘하게 유지되어야만 하는 설비들이 연결될 수 있다.
열 교환기(5) 내에서는, 증발기(3)에서 유래하는 냉각된 열 매체(10)는 에어 컨디셔닝 시스템 및/또는 냉각 장치에서 유래하는 가열된 냉각제(11)에 저온을 방출하고 그렇게 하여 제1 단계에서 가열된다.
본원 출원의 범위에서, 비록 유닛 상태들의 전환이 단지 예컨대 5℃의 협폭의 온도 범위 이내에서만 수행된다고 하더라도, 열 매체(10)의 냉각은 열 매체의 응결 역시도 의미하고 열 매체(10)의 가열은 열 매체의 증발 역시도 의미한다.
열 매체(10)의 유동 방향에서 상기 열 교환기(5)의 하류에는, 자체적으로 (미도시한) 유닛에 연결되어 있는 고온 가열 장치(7)가 배치되며, 상기 유닛에서는 폐열이 축적되며, 그리고 상기 유닛은 열 전달 연결부(8)에서 고온 가열 장치(7)와 연결된다. 유닛은 예컨대 발전기를 구동하는 디젤 엔진일 수 있다. 디젤 엔진의 냉각수(12)는 회로(13) 내에서 고온 가열 장치(7)를 경유하여 안내되며, 디젤 엔진에서 유래하는 냉각수(12)의 온도는 최소한 20℃이며, 보다 더 바람직하게는 30℃이며, 특히 바람직하게는 통상 35℃ 내지 45℃이다.
도 2 및 도 3에는, 본 발명에 따른 어셈블리의 2개의 가능한 구조적인 형성예(20, 60)가 개략적으로 도시되어 있다.
두 구조적인 형성예(20, 60)에서, 증발기(3)는 열 교환 장치(21)의 위쪽에 배치되며, 그리고 열 매체 회로(4)를 매개로 열 전달 연결부에서 상기 열 교환 장치(21)와 연결된다.
도 2에 도시된 것처럼, 증발기(3)는, 수평으로 길게 형성되어 원주방향으로는 증발기 재킷(23)(evaporator jacket)에 의해 에워싸여 있으면서 자신의 종방향 단부들에서는 증발기 분리판들(24, 25)에 의해 한정되어 있는 증발기 열 매체 챔버(22)를 포함하며, 증발기 분리판들은 증발기 재킷(23)과 기밀하게 용접되어 있다.
도 2의 좌측에서, 증발기 분리판(24)은 액체 가스 유입구 후드(26)에 의해 덮여 있으며, 이 액체 가스 유입구 후드는 액체 가스(9)가 그 내로 유입되는 액체 가스 유입 포트(27)를 포함한다.
도 2의 우측에서, 증발기 분리판(25)은 연소 가스 유출구 후드(28)에 의해 덮여 있으며, 이 연소 가스 유출구 후드는 증발된 액체 가스-이제는 연소 가스(9a)로서 지칭됨-가 그로부터 유출되는 연소 가스 유출 포트(29)를 포함한다.
증발기 열 매체 챔버(22) 내에는 튜브 라인(30)이 배치되며, 이 튜브 라인의 유입구 단부(31)는 유입구 측 증발기 분리판(24)을 통과하여 액체 가스 유입구 후드(26) 내로 통해 있다. 상기 튜브 라인(30)의 유출구 단부(32)는 유출구 측 증발기 분리판(25)을 통과하여 연소 가스 유출구 후드(28) 내로 통해 있다.
증발기 열 매체 챔버(22) 내에서는 열 매체(10)가 튜브 라인(30)과 접촉 유동한다.
튜브 라인(30)(내지 튜브 다발) 대신, 다른 열 교환 부재들, 예컨대 플레이트 패키지 역시도 사용될 수 있다.
그 외에도, 증발기 열 매체 챔버(22)는 자신의 상면에 열 매체(10)를 위한 충전 포트(33), 및 배기 포트(34)를 포함한다.
열 교환 장치(21)는, 마찬가지로, 수평 방향으로 길게 형성되어 원주방향으로는 재킷(36)에 의해 에워싸여 있으면서 자신의 두 종방향 단부에서는 각각 하나의 분리판(37, 38)에 의해 한정되어 있는 열 매체 챔버(35)를 포함하며, 분리판들은 재킷(36)과 기밀하게 용접되어 있다.
분리판들(37, 38)은 각각 하나의 후드(39, 40)에 의해 덮여 있으며, 이 후드의 각각의 내부 챔버는 다시금 수평 판(41, 42)을 통해 2개의 챔버(43, 44, 45, 46)로 분리된다.
도 2에서 좌측에는, 냉각제 회로(6)에서 유출되는 냉각제(11)를 위한 유입 챔버(43) 및 유출 챔버(44)가 위치한다.
도 2에서 우측에는, 냉각수 회로(13)에서 유출되는 냉각수(12)를 위한 유입 챔버(45) 및 유출 챔버(46)가 위치한다.
냉각수 유입 챔버(45)를 덮는 후드 섹션은 냉각수 공급부로의 연결을 위한 냉각수 유입 포트(49)를 포함한다.
냉각수 유출 챔버(46)를 덮는 후드 섹션은 냉각수 배출 라인에 연결될 수 있는 냉각수 유출 포트(50)를 포함한다.
유사한 방식으로, 냉각제 유입 챔버(43) 및 냉각제 유출 챔버(44)를 덮는 후드(39) 역시도 냉각제 공급 라인 및 냉각제 배출 라인 각각에 연결될 수 있는 냉각제 유입 포트(47) 및 냉각제 유출 포트(48)를 포함한다.
열 교환 장치(21)의 열 매체 챔버(35) 내에는, 냉각제 회로(6)의 냉각제 튜브들(51)뿐만 아니라 고온 가열 장치(7)의 가열 튜브들(52)-다시 말해 냉각수 회로(13)의 냉각수 튜브들- 역시도 배치되어 있으며, 그리고 열 매체(10)는 상기 튜브들과 접촉 유동한다. 냉각수 회로(13)는 예컨대 디젤 엔진의 냉각수 회로일 수 있으며, 그리고 디젤 엔진의 폐열은 가열 튜브들(52)을 경유하여 열 매체(10)로 공급될 수 있다.
가열 튜브들(52)은 냉각수 유입 튜브(53) 및 냉각수 유출 튜브(54)에 연결될 수 있되, 이들 유입 튜브 및 유출 튜브는 냉각수 측 분리판(38)을 통과하여 냉각수 유입 챔버(45) 및 냉각수 유출 챔버(46) 각각 내로 통해 있다.
동일하게, 냉각제 튜브들(51)은 냉각제 유입 튜브(55) 및 냉각제 유출 튜브(56)에 연결되어 있되, 이들 유입 튜브 및 유출 튜브는 냉각제 측 분리판(37)을 통과하여 냉각제 유입 챔버(43) 및 냉각제 유출 챔버(44) 각각 내로 통해 있다.
증발기(3) 내 튜브 라인(3)을 위한 것처럼, 냉각수 유입 튜브(53) 및 유출 튜브(54)를 포함한 가열 튜브들(52)(또는 상응하는 튜브 다발)을 위해서도, 또는 냉각제 유입 튜브(55) 및 유출 튜브(56)를 포함한 냉각제 튜브들(51)(또는 상응하는 튜브 다발)을 위해서도 다른 열 교환 부재들, 예컨대 각각 하나의 플레이트 패키지가 사용될 수 있다.
열 교환 장치(21)는 자신의 하면에 열 매체 비움 포트(57)(heat carrier emptying port)를 포함한다.
증발기 열 매체 챔버(22)는 열 매체 회로(4) 내에서 냉각수 튜브들(51) 및 가열 튜브들(52)에 대해 공통인 열 교환 장치(21)의 열 매체 챔버(35)와 연결된다. 이 경우, 증발기 열 매체 챔버(22)에는, 액체 가스(9)를 증발시키는데 이용되는 가열된 열 매체(10a)가 공급되며, 그리고 증발된 후에 증발기 열 매체 챔버(22)에서 유출되는 냉각된 열 매체(10b)는 열 교환 장치(21)의 공통 열 매체 챔버(35) 내로 공급된다. 냉각된 열 매체는 응결될 수도 있다.
이 경우, 도 2에 도시된 실시예에서, 열 교환 장치(21)의 열 매체 챔버(35)의 상면(58)과 증발기 열 매체 챔버(22)의 하면(59)은 열 매체 회로(4) 내에서 상호 간에 연결되며, 그럼으로써 가열된 열 매체(10a)는 열 교환 장치(21)의 상면(58)에서부터 증발기(3)의 하면(59)으로 공급되게 되고 냉각된 열 매체(10b)는 증발기(3)의 하면(59)에서부터 열 교환 장치(21)의 상면(58)으로 공급되게 된다.
도 2에 도시된 실시예의 경우, 냉각된 열 매체(10b)는 냉각수 회로(13)에 연결되어 있는 열 교환 장치(21)의 측에서 이 열 교환 장치 내로 유입되며, 그리고 가열된 열 매체(10a)는 냉각제 회로(6)에 연결되어 있는 열 교환 장치(21)의 측에서 유출된다. 따라서, 본 실시예의 경우, 고온 가열 장치(7)는 열 매체(10)의 유동 방향에서 열 교환기(5)의 상류에 배치된다.
도 3에 도시된 실시예에서, 열 교환 장치(21)의 열 매체 챔버(35)의 상면(58)은 증발기 열 매체 챔버(22)의 상면(61)과 연결될 뿐만 아니라 증발기 열 매체 챔버(22)의 하면(59)은 열 교환 장치(21)의 열 매체 챔버(35)의 하면(62)과 연결되며, 그럼으로써 가열된 열 매체(10a)는 열 교환 장치(21)의 상면(58)에서부터 증발기(3)의 상면(61)으로 공급되게 되고 냉각된 열 매체(10b)는 증발기(3)의 하면(59)에서부터 열 교환 장치(21)의 하면(62)으로 공급되게 된다.
그 밖의 점에서, 도 3에 예시된 증발기(3) 및 열 교환 장치(21)는 도 2에 도시된 증발기(3) 및 열 교환 장치(21)와 동일하다.
또한, 열 매체(10)의 유동 방향에서 도면들에 각각 도시된 고온 가열 장치(7) 및 열 교환기(5)의 순서는 각각 반전될 수도 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 실시예들의 경우, 열 교환기(5) 및 고온 가열 장치(7) 내지 공통 열 매체 챔버(35)는 증발기(3)의 아래쪽에 배치된다. 가열된 열 매체(10a)는 저절로 증발기(3) 내로 상승하며, 그리고 냉각된 열 매체(10b)는 저절로 증발기(3)에서부터 하방으로 낙하하며, 그럼으로써 열 매체(10)는 자연 순환으로 순환하게 된다.

Claims (11)

  1. 엔진을 위한 연소 가스를 공급하기 위한 액체 가스의 증발 어셈블리로서, 상기 어셈블리는,
    엔진과 액체 가스 탱크를 연결하는 연소 가스 공급 라인(2)과;
    상기 연소 가스 공급 라인(2) 내에 배치되고 내부에서 액체 가스(9)가 증발되는 증발기(3)와;
    상기 증발기(3)에 연결되어 있으면서, 자체적으로 냉각제 회로(6)에 연결되는 열 교환기(5) 및 추가 열을 열 매체 회로(4) 내로 이동시키는 추가 열 전달 장치를 구비한 열 매체 회로(4)를; 포함하고,
    상기 추가 열 전달 장치는, 열을 공급받기 위해, 열 전달 연결부에서, 작동 상태에서 폐열을 축적하는 유닛과 연결되어 있는 고온 가열 장치(7)인, 액체 가스의 증발 어셈블리에 있어서,
    상기 열 교환기(5)의 일 부분이기도 한 상기 냉각제 회로(6)의 부분(51, 55, 56) 및 상기 고온 가열 장치(7)의 가열 부재들(52)은 하나의 공통 열 매체 챔버(35) 내에 배치되어, 상기 열 매체 챔버 내부에서 열 매체(10)가 접촉 유동하는 것을 특징으로 하는, 액체 가스의 증발 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고온 가열 장치(7)는 열 매체(10)의 유동 방향에서 상기 열 교환기(5)의 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는, 액체 가스의 증발 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고온 가열 장치(7)는 열 매체(10)의 유동 방향에서 상기 열 교환기(5)의 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는, 액체 가스의 증발 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열 교환기(5)와 고온 가열 장치(7)는 상기 증발기(3)의 아래쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는, 액체 가스의 증발 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고온 가열 장치(7)는 열을 공급받기 위해 냉각수 회로(13)에 연결되며, 상기 냉각수 회로(13)에는 상기 유닛도 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 액체 가스의 증발 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    폐열의 온도는 최소한 20℃인 것을 특징으로 하는, 액체 가스의 증발 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고온 가열 장치(7)는, 연소 가스(9a)가 엔진을 위한 최종 온도를 보유하여 상기 증발기(3)에서 유출되는 정도로 열 매체(10)를 가열하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 액체 가스의 증발 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각제 회로(6)에는 에어 컨디셔닝 시스템이 연결되는 것을 특징으로 하는, 액체 가스의 증발 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유닛은 발전기를 구동하기 위한 내연기관인 것을 특징으로 하는, 액체 가스의 증발 어셈블리.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진은 선박 엔진인 것을 특징으로 하는, 액체 가스의 증발 어셈블리.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 액체 가스의 증발 어셈블리를 구비한 선박.
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