KR20080027180A - 지하수의 지상유출 방지기능을 갖는 지열공 연통구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하수의 지상유출 방지 기능을 갖는 지열공 연통구조에 관한 것으로, 다수의 지열공으로부터 지하수를 공급받아 열교환하는 경우 각각의 지열공에서 지하수의 이용량 및 저장용량이 다르더라도 지열공들간에 지하수가 유동 가능하도록 함으로써 밸브를 일일이 조작하지 않더라도 지하수가 지상으로 넘치지 않도록 함을 목적으로 하며, 지중에 형성된 다수의 지열공, 상기 지열공의 내경보다 작은 외경으로 이루어지면서 하단부에 유입공이 형성되어 둘레부에 복귀부가 형성되도록 상기 지열공들의 중앙에 삽입되는 양수관, 상기 양수관의 내부에 각각 장착되어 상기 유입공을 통해 상기 복귀부의 지하수를 펌핑하는 수중 펌프, 상기 복귀부와 연통되는 리턴관으로 이루어져 상기 양수관과 리턴관을 통해 지하수를 연속해서 순환 공급하는 지하수 순환수단(10)과; 매니폴드(30,40)를 통해 상기 양수관 및 리턴관과 연결되어 지하수를 공급받아 열교환하는 열교환수단(20)과; 양단부가 상기 다수의 지열공들의 복귀부에 각각 유체 연통 가능하게 연결되어 상기 복귀부 내의 지하수의 유동을 안내하여 상기 지열공들의 수위를 일정하게 유지하도록 하는 수위조절관을 포함하여 구성된다.

지열, 열교환기, 양수관, 수위조절관

Description

지하수의 지상유출 방지기능을 갖는 지열공 연통구조{AN INTER-CONNECTED GEO-THERMAL HOLE FOR PREVENTING EFFLUENCE OF UNDERGROUND WATER}

도 1은 본 발명에 의한 지하수의 지상유출 방지기능을 갖는 지열공 연통구조를 보인 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 지하수의 지상유출 방지기능을 갖는 지열공 연통구조의 확대도.

도 3과 도 4는 각각 본 발명에 의한 지하수의 지상유출 방지기능을 갖는 지열공 연통구조에 적용된 양수관의 관이음 구조도.

<도면에 사용된 주요 부호 설명>

10 : 지하수 순환수단, 11 : 지열공

12 : 양수관, 13 : 복귀부

14 : 수중펌프, 15 : 리턴관

16 : 케이싱, 17 : 커플러

18 : 확경부, 20 : 열교환수단

30,40 : 매니폴드,

본 발명은 지하수의 지상유출 방지기능을 갖는 지열공 연통구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지중에 형성된 다수의 지열공으로부터 지하수를 공급받아 열교환하는 경우 각각의 지열공의 지하수 이용량 및 저장용량이 다르더라도 지열공상호간에 지하수가 유동 가능하도록 함으로써 지하수가 지상으로 넘치지 않도록 하고 열교환 과정에서 상호 연통되어 지열공 전체를 통해 열교환이 이뤄짐으로 효율을 극대화 할 수 있도록 한 지하수의 유출방지 기능을 갖는 지열공 연통구조에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 에너지원으로서 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료를 이용하거나, 또는 핵연료를 이용하는 경우가 대부분이다.

그러나, 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 환경을 오염시키고, 핵연료는 수질오염 및 방사능과 같은 유해물질을 발생시키는 단점과 함께 이들 에너지원은 매장량의 한계가 있다.

따라서, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 대체에너지 중에서도 풍력, 태양열, 지열 등과 같은 자연에너지에 관한 연구가 오래 전부터 진행되어 실질적으로 이를 이용한 냉난방장치가 설치되어 사용되고 있는데, 이들 자연에너지는 환경오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 무한한 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 대단히 낮은 결점으로 인하여 그 밀도를 높여 이용가능한 형태로 변환하는 것이 자연에너 지 기술개발의 핵심관건이라 할 수 있다.

이러한 자연에너지 기술 중의 하나로 각광받고 있는 것이 지열을 열원으로 이용하여 냉난방을 행하는 히트펌프 시스템이 알려져 있다. 지열을 이용한 히트펌프 시스템은 온도가 10~20℃의 지중의 열을 회수하거나 지중으로 열을 배출할 수 있도록 열교환기를 설치하여 히트펌프의 열원으로 사용하는 기술이다.

일반적으로 히트펌프의 열원으로는 에어컨과 같이 대기중에서 열을 얻거나 배출하는 공기열원방식, 냉각탑을 통해 열을 배출하는 수열원방식 등이 사용된다. 지열원을 이용하면 공기열원과 비교할 때 에너지 효율이 매우 높아지는 장점이 있다.

특히 사계절의 변화가 뚜렷한 지역의 연중 대기온도는 -20~40℃까지 큰 폭으로 변화하는데 반해, 지중온도는 지하 5m 이하의 경우 연중 10~20℃로 거의 일정하게 유지된다.

따라서, 여름철에 냉방을 하는 경우 공기열원의 온도는 30℃이상으로 냉방열을 배출하기 위해 많은 전력이 소모되는 반면, 지열원은 10~20℃로 원활하게 열을 배출하므로 높은 효율을 나타낸다. 반대로 겨울철에 난방을 하는 경우 공기열원은 최하 -20℃의 온도로 난방에 필요한 열을 공급하기 어려운 반면 지중열원은 10~20℃로 높아 안정적으로 난방열을 히트펌프에 공급할 수 있다.

이와 같은 지열을 이용한 히트펌프 시스템은 모든 냉난방기술 중에서 에너지효율이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 에너지 자원이 부족하고 에너지 비용이 높은 상황에서 반드시 필요한 기술이라 할 수 있다.

지열원을 이용한 히트펌프 시스템의 또 다른 장점은 냉방열이나 난방열을 지하에 저장할 수 있다는 점이다. 즉, 땅속의 흙이나 암반은 열전도도가 낮아 열이 쉽게 확산되지 않아 저장되는 성질이 있으므로 여름철의 냉방으로 열교환된 열을 지중으로 배출하면 그 열은 사라지지 않고 지중에 저장된다.

한편, 지열 열교환장치는 열교환매체가 지하를 순환하도록 하는 방식과 지하수를 열교환기에 공급하여 열교환매체와 열교환하도록 하는 방식이 있다.

주지하다시피 지하수[地下水; ground water]는 지하의 지층이나 암석 사이의 빈틈을 채우고 있거나 흐르는 물이고, 지열[地熱; geothermy]은 지구 내부에서 표면을 거쳐 외부로 유출되는 열량(熱量)을 말하는 것으로, 특히 지열은 지구의 전표면에서 외부로 방출되는데, 양은 지역적으로 크게 다르지만 평균 10-6 cal/㎡·sec이며, 화산지대에서는 높은 값을 보인다. 유출방법은 열전도에 의한 것과, 가스·온수 및 화산분출물 등에 의한 것이 있다. 뉴질랜드·이탈리아·일본 등 지각열류량(地殼熱流量)이 많은 곳에서는 지열에너지를 발전(發電)에 이용하기도 한다. 또한 지열은 지각 내에 부존하는 방사성물질이 자연붕괴할 때 발생되는 열에너지를 근원으로 한다. 한편, 철·니켈이 녹아 있는 고온의 지구 중심부에서는 맨틀이 열절연작용(熱絶緣作用)을 하기 때문에 열이 거의 지표로 방출되지 못한다. 상기 지열을 적절하게 이용하는 것은 환경적인 측면에서도 꽤 유리하다. 이산화탄소 배출도 없고 오염물질도 거의 나오지 않는다. 그리고 지열은 직접적인 난방, 전력생산, 열펌프를 통한 난방과 냉방, 제조용 열 등 여러 가지 형태로 이용될 수 있다.

지하수를 이용한 지열 열교환장치를 개략적으로 설명하면, 크게, 지하수 순 환수단 및 열교환수단으로 구성된다. 지하수 순환수단은, 지중에 형성되는 지열공, 상기 지열공 내에 삽입되는 양수관, 상기 양수관의 내부에 장착되어 상기 지열공 내의 지하수를 펌핑하여 상기 열교환수단에 공급하는 수중펌프, 상기 열교환수단을 통해 열교환된 지하수를 다시 상기 지열공에 복귀시키는 리턴관을 포함하여 구성된다.

한편, 이와 같은 구조의 지열 열교환장치는, 하나의 열교환수단에 다수의 지하수 순환수단이 연결된다.

그러나, 종래 기술에 의한 지열 열교환장치에 따르면 다음과 같은 문제점이 있다.

하나의 열교환수단에 연결된 다수의 지하수 순환수단은 각각의 지열공들이 서로 근접되도록 지중에 형성되지만, 지하지질 및 대수층의 발달 유무에 따라 지하수의 이용량 및 저장용량이 서로 다를 수 있다. 그러나, 지하수의 펌핑량과 복귀량은 모든 지열공들에서 동일하기 때문에 자신의 저장용량보다 많은 양이 보충될 수 있으며, 이렇게 되면 지열공 내의 지하수는 수위상승으로 지열공 입구를 통해 지상으로 넘치게 되며 반대로 자신의 저장용량보다 적은양이 보충될 경우에는 수위강하로 인해 수중모타 펌프의 공회전을 유발시킴으로 인해 고장의 원인이 되고 열교환의 능력이 현저하게 떨어지는 현상이 발생하게 된다.

이러한 현상을 방지하기 위해서 각각의 양수관 및 복귀관에 밸브를 장착하여 사용하고 있는데, 작업자가 밸브를 수작업으로 조작하여 지하수의 복귀량을 조절하여야 하므로 관리가 매우 불편한 실정이다.

또한, 다수의 지열공들 중 일부 지열공들만 사용할 경우 매번 밸브 조작을 통해 사용하지 않는 지열공을 폐쇄하고, 나머지 지열공들의 밸브를 통해 지하수의 복귀량을 조절하여야하므로 역시 관리가 매우 불편하다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 지중에 천공되며 하나의 열교환수단에 연결되어 지하수를 공급하는 다수의 지열공들 내의 수위를 별도의 밸브 조작없이 일정하게 유지할 수 있도록 하고 열교환 능력을 한단계 향상 시킬수 있도록 한 지하수의 지상유출 방지 기능을 갖는 지열공 연통구조를 제공하려는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지하수의 지상유출 방지 기능을 갖는 지열공 연통구조는, 지중에 천공되는 다수의 지열공, 상기 지열공 내의 지하수를 공급하는 펌프, 상기 펌프로부터 지하수를 공급받아 열교환하는 열교환수단, 상기 열교환수단을 통해 열교환된 지하수를 상기 지열공에 복귀시키는 리턴관, 상기 지열공들을 서로 연결하여 상기 지열공들 내의 지하수가 서로 유동되도록 함으로써 상기 지열공들 내의 수위를 일정하게 유지하는 수위조절수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적 절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1에서 보이는 것처럼, 본 발명에 따른 지하수의 지상유출 방지기능을 갖는 지열공 연통구조는, 지중(G)에 형성된 다수(도면에서는 3개를 예로 들어 설명함)의 지열공(11A,11B,11C) 내의 지하수를 순환시키는 다수의 지하수 순환수단(10A,10B,10C)과, 다수의 지하수 순환수단 (10A,10B,10C)들로부터 지하수를 공급받아 열교환한 후 열교환된 지하수는 지하수 순환수단 (10A,10B,10C)에 다시 복귀시키는 열교환수단(20)과, 지하수 순환수단(10A,10B,10C)들수위조절관(50A,50B)을 포함하여 구성되며, 이하, 각 구성요소를 구체적으로 설명한다.

지하수 순환수단(10A,10B,10C)은 설치위치만 다를 뿐 동일한 구조이므로 하나만을 예로 들어 설명하기로 한다.

도 2에서 보이는 것처럼, 지하수 순환수단은, 지중(G)에 형성되 지열공 (11), 지열공(11)의 내경보다 작은 외경으로 이루어지면서 하단부에 유입공(12a)이 형성되어 둘레부에 복귀부(13)가 형성되도록 지열공(11)들의 중앙에 각각 삽입되고 열교환수단(20)과 연결되어 지하수를 공급하는 양수관(12), 양수관(12)의 내부에 각각 장착되어 유입공(12a)을 통해 복귀부(13) 내의 지하수를 펌핑하는 수중 펌프(14), 복귀부(13)와 열교환수단(20)을 연결하여 열교환수단(20)에 의해 열교환된 지하수의 복귀를 안내하는 리턴관(15)으로 이루어진다. 여기서, 양수관(12)의 하단 유입공(12a)은 지열공(11)의 바닥부에 근접되고 리턴관(15)의 배출구는 지열공(11)의 입구측에 배치되어 리턴관(15)에서 배출된 지하수가 유입공(12a)측으로 내려가 면서 열교환되어 다시 양수관(12)에 공급되는 것이다.

도 1에서 보이는 것처럼, 열교환수단(20)은 지하수 순환수단(10A,10B,10C)의 양수관(12A,12B,12C) 및 리턴관(15A,15B,15C)과 연결되어 양수관(12A,12B,12C)을 통해 지하수를 공급받아 열교환매체와 지하수가 열교환되도록 하며, 종래의 열교환수단과 동일한 것이므로 여기서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.

다수의 지하수 순환수단(10A,10B,10C)은 하나의 열교환수단(20)과 연결되기 때문에 다수 라인의 양수관(12A,12B,12C)과 리턴관(15A,15B,15C)을 모으기 위한 공급측 매니폴드(30)와 배출측 매니폴드(40)가 각각 구비된다.

공급측 매니폴드(30)와 배출측 매니폴드(40) 역시 열교환수단(20)과 마찬가지로 본 발명의 기술요지와 무관한 것으로서 종래와 동일한 것이 사용되므로 그 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명은 다수의 지열공(11A,11B,11C) 내에 지하수의 양이 다르더라도 각 지열공의 지하수 수위(양)가 일정하게 유지되도록 함을 특징으로 하며, 이를 위하여 예컨대, 수위조절관(50A,50B)(본 발명에서는 3개의 지열공(11A,11B,11C)으로 설명하였으므로 수위조절관(50A,50B)은 2개만 도시됨)이 채용된다.

수위조절관(50A,50B)은 지열공(11A,11B,11C)들의 사이에 매설되어 양단부가 서로 다른 지열공(11A,11B,11C)들의 복귀부(13A,13B,13C)에 유체 연통 가능하게 관이음된다. 즉, 수위조절관(50A,50B)을 통해 서로 다른 지하수 순환수단(10A,10B,10C)의 지열공(11A,11B,11C)들이 연결되어 지하수가 다른 지열공(11A,11B,11C)으로 유동할 수 있는 것이다.

수위조절관(50A,50B)은 지열공(11A,11B,11C)의 입구측 내주면에 설치되는 관형 케이싱(16A,16B,16C)에 각각 관이음된다. 예컨대, 케이싱(16A)의 둘레부에는 관이음부(16D)(관이음부는 수위조절관(50A,50B)의 수량에 따라 하나 또는 두개가 형성됨)가 돌출 형성되고, 수위조절관(50A)은 관이음부(16D)보다 큰 직경으로서 관이음부(16D)에 지수링 등을 사이에 두고 끼워 결합된다.

단, 수위조절관(50A,50B)에 의해 지하수가 유동되기 위해서는 지열공(11A,11B,11C)들이 높이가 서로 다르더라도 수위조절관은 수평이 되도록 형성되어야 할 것이다.

도면 중 미설명 부호 V1, V2는 밸브이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 지하수의 지상유출 방지 기능을 갖는 지열공 연통구조의 작용을 설명하면 다음과 같다.

각각의 지하수 순환수단(10A,10B,10C)의 지열공(11A,11B,11C)의 복귀부(13A,13B,13C)에는 지중(G)의 지하수가 유입된다. 각각의 지열공(11A,11B,11C) 내의 수중펌프(14A,14B,14C)는 양수관(11A,11B,11C)을 통해 복귀부(13A,13B,13C) 내에 존재하는 지하수를 각각 펌핑하여 공급측 매니폴드(30)에 공급하고, 공급측 매니폴드(30)를 통해 모아진 지하수는 열교환수단(20)에 공급되어 열교환수단(20)의 열교환매체와 열교환된 후 배출측 매니폴드(40)를 통해 다수의 리턴관(15A,15B,15C)으로 분기되고, 각각의 리턴관 (15A,15B,15C)에 다시 복귀된 지하수는 지열공(11A,11B,11C)을 유동하면서 열교환된 후 다시 양수관(12A,12B,12C)에 공급된다.

이처럼, 지하수가 열교환수단(20)에 공급 및 복귀하는 중에 각각의 지열공(11A,11B,11C)은 지하수의 이용용량 및 저장용량이 다를 수 있기 때문에 리턴관(15A,15B,15C)을 통해 균일한 양이 채워지게 되면 어느 지점에서는 그 저장용량을 넘을수 있으며, 이렇게 되면, 지하수가 수위조절관(50A,50B)을 통해 다른 지열공(11A,11B,11C)으로 유입된다. 예컨대, 제1지열공(11A)에 저장용량 이상의 지하수가 채워지게 되면 지하수가 지면(G) 바깥쪽인 지상으로 넘치지 않고 제1수위조절관(50A)을 통해 제2지열공(11B)으로 유동하게 되며, 반대로, 제2지열공(11B)에 저장용량 이상의 지하수가 채워지면 지하수가 제1수위조절관(50A) 또는 제2수위조절관(50B)을 통해 제1지열공(11A)이나 제3지열공(11C)으로 유동하게 된다. 따라서, 저장용량 이상의 지하수가 다른 지열공에 공급되면서 모든 지열공(11A,11B,11C) 내의 지하수의 수위가 각 지열공의 용량에 따라 일정하게 맞춰질 수 있는 것이다.

한편, 본 발명에 따른 지하수의 지상유출 방지 기능을 갖는 지열공 연통구조는, 양수관(12)이 다수의 단위 관(12-1,12-2)이 관이음된 구조로서, 삽입 및 인출이 원활하고 양수관(12)의 관이음부가 파손되지 않도록 구성되며, 도 3에서처럼, 단위관(12-1,12-2)은 외주면의 상하단부에 각각 경사형 가이드(17a,17b)가 구비된 커플러(17)를 통해 관이음 된다. 커플러(17)는 단위 관(12-1,12-2)에 접착제 또는 나사못(17c) 등으로 체결될 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 양수관(12)을 인출하거나 삽입할 때 커플러(17)가 양수관(12)보다 큰 직경이더라도 경사형 가이드(17a,17b)에 의해 지열공 내벽면을 미끄러지듯이 통과하여 관이음부의 파손이 발생되지 않는다.

그리고, 도 4에서처럼, 단위 관(12-2)의 상단부에는 단부로 갈수록 점진적으로 내경이 커지는 확경부(18)가 형성되고, 확경부(18)의 상단 둘레부에는 경사형 가이드(18a)가 구비되어, 상측의 단위 관(12-1)의 하단부가 하측의 단위 관(12-2)의 확경부(18)에 끼워 결합된다. 여기에 단위 관(12-1,12-2)들의 결속 증대를 위하여 이음부에 접착제 또는 나사못 등으로 더 체결될 수도 있다.

따라서, 양수관(12)의 삽입시 확경부(18)가 지열공의 내벽면을 따라 미끄러지게 되어 관이음부가 유지되고, 또한, 인출시에는 경사형 가이드(18a)에 의해 관이음부가 미끄러지면서 인출된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 지하수의 지상 유출방지 기능을 갖는 지열공 연통구조에 의하면, 지중에 형성된 다수의 지열공으로부터 지하수를 공급받아 열교환하는 경우 각각의 지열공의 지하수 이용용량 및 저장용량이 다르더라도 지열공들간에 지하수가 유동 가능하도록 함으로써 밸브를 일일이 조작하지 않더라도 지하수가 지상으로 넘치지 않도록 함으로써 관리를 매우 용이하게 할 수 있고 열교환에 따른 효율을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.

이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발 명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 지중에 형성된 다수의 지열공, 상기 지열공의 내경보다 작은 외경으로 이루어지면서 하단부에 유입공이 형성되어 둘레부에 복귀부가 형성되도록 상기 지열공들의 중앙에 삽입되는 양수관, 상기 양수관의 내부에 각각 장착되어 상기 유입공을 통해 상기 복귀부의 지하수를 펌핑하는 수중 펌프, 상기 복귀부와 연통되는 리턴관으로 이루어져 상기 양수관과 리턴관을 통해 지하수를 연속해서 순환 공급하는 지하수 순환수단과;

   상기 지하수 순환수단의 양수관들과 각각 연결되어 상기 양수관들에 의해 공급되는 지하수를 집수하는 공급측 매니폴드와;

   상기 공급측 매니폴드로부터 지하수를 공급받아 상기 지하수와 열교환하는 열교환수단과;

   상기 다수의 리턴관들과 연결되어 상기 열교환수단을 통과한 지하수를 상기 다수의 리턴관으로 분배하는 배출측 매니폴드를 포함하여 구성된 지열 열교환장치에 있어서,

   상기 다수의 지열공들 사이에는, 양단부가 상기 복귀부에 각각 유체 연통 가능하게 연결되는 수위조절관이 관이음되어 상기 지열공 내의 지하수의 유동을 안내하여 상기 지열공들 내의 지하수의 수위가 유지되는 구조인 것을 특징으로 하는 지하수의 지상 유출 방지 기능을 갖는 지열공 연통구조.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 지열공의 입구 내벽면에는 관이음부가 구비된 케이싱이 설치되며, 상기 수위조절관은 양단부가 상기 케이싱의 관이음부에 관이음되는 구조인 것을 특징으로 하는 지하수의 지상 유출 방지 기능을 갖는 지열공 연통구조.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 지하수 순환수단의 양수관은 다수의 단위 관들이 관이음되며, 상기 단위 관들은 상하단부에 각각 경사형 가이드가 구비된 커플러를 통해 관이음되는 구조인 것을 특징으로 하는 지하수의 지상 유출 방지 기능을 갖는 지열공 연통구조.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 지하수 순환수단의 양수관은 다수의 단위 관들이 관이음되며, 상기 단위 관은 상하 양측 단부 중 상측 단부에 상단부로 갈수록 점진적으로 내경이 커지면서 상단 둘레부에 경사형 가이드가 구비된 확경부가 형성되고, 이 확경부에 다른 단위 관의 하측 단부가 삽입되어 접착제 또는 나사못 등으로 체결되는 구조로 관이음되는 것을 특징으로 하는 지하수의 지상 유출 방지 기능을 갖는 지열공 연통구조.

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