WO2010057483A1 - Heizanlage mit zusätzlicher kostenloser elektrischer energiegewinnung - Google Patents

Heizanlage mit zusätzlicher kostenloser elektrischer energiegewinnung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a heating system with electrical energy generation according to the preamble of patent claim 1.
  • Heating systems with electric power generation are known and have already been described in numerous publications and patent applications.
  • a boiler known.
  • the boiler is equipped with a burner, a combustion chamber, a heat exchanger and an exhaust system.
  • an externally heated heat engine is arranged in the combustion chamber of the boiler, which drives a power generator.
  • the boiler can be a condensing boiler.
  • the externally heated heat engine may be a Stirling engine with a closed system, the hot space of the fuel gases and the cold space is lapped by the combustion air to be supplied to the burner.
  • a decentralized power supply by heat-power coupling with Stirling engine known.
  • a combustion furnace for recovering thermal heat with a combustion chamber for combustion of the heating material and a heat exchanger for transmitting the heat to a heat transfer medium, preferably water, arranged to forward the heat to decentralized radiators.
  • a heat transfer medium preferably water
  • the primary heat exchanger surrounds the hot head of a Stirling engine.
  • the primary heat exchanger is connected directly to the combustion chamber.
  • the heating and power generation plant with a heating boiler for heating the building or for heating domestic water, with a burner for the boiler, a stirring motor which can be heated by the same burner, a generator and a heat pump.
  • the Stirling engine is a free-piston Stirling engine
  • the radiator can be connected heat transfer with a service water tank or with an air duct.
  • the generator is a linear generator and coupled directly to the free-piston Stirling engine.
  • the heat pump has an electric drive, which can be switched to mains operation, among other things.
  • the linear generator can be electrically connected via a control with the drive motor of the heat pump, with the public power grid and with other consumers.
  • Combined heat and power plants are based on the principle of combined heat and power; An internal combustion engine drives a generator that generates electricity. The resulting heat is supplied to the heating system via a heat exchanger.
  • Common fossil fuels in combined heat and power plants are diesel, heating oil or gas. But renewable energy sources such as biogas, biodiesel, rapeseed oil and, more recently, wood pellets can also be used.
  • the condensing technology can basically be used with any fuel. Currently, however, it has prevailed only in gas-fired plants, since the combustion of gas releases more water than oil or coal. Coal and oil have the disadvantage that when burned, the sulfur contained in the fuel attacks the boiler walls and the chimney and thus extremely reduces the life of the material.
  • the invention is therefore based on the object; significantly increase the energy yield of known heating systems, so that a total active power of more than 150% is achieved, without affecting or even reducing the heating power of the mentioned heating systems. An increased energy consumption or pollutant emissions is excluded.
  • the invention provides that the boiler of any heating system no longer heated directly from the combustion chamber is, but that the heat energy is supplied to the boiler via one or more displacement cylinder of a Stirling engine.
  • This change ensures that the entire; heat energy generated in the combustion chamber; the boiler is supplied lossless, and that on the or the displacement cylinder, a Stirling engine is driven.
  • the boiler also serves to absorb the heat energy and thus also to cool the working medium of the Stirling engine, in which the boiler is preferably set to a low-temperature heating system 40 ° to 60 ° C.
  • the mechanical energy gained from the Stirling engine is usefully used to drive a power generator.
  • FIG. 1 a section through a heating system according to the invention is shown, in which reference symbols for the identification of individual elements with numbers 1 to 17 are used as follows: - Combustion chamber, in which the heat energy by combustion for the
  • Flywheel 10 transmits. 12 - displacement joint lever which transmits the force from the flywheel 10 to the displacement piston rod 13.
  • the device according to the invention works as follows:
  • the peculiarity of the heating system to be registered is that, in comparison with all hitherto known heating systems, a Stirling engine is integrated between a combustion chamber 1 and a heating boiler 4.
  • the Stirling engine is powered on the one hand by the heat energy.
  • the Stirling engine also conducts the heat energy unabated to the heating system (boiler 4).
  • the Stirling engine thus has no influence on the heating power or on the energy consumption of the heating system (boiler 4) and also does not affect the pollutant emissions of the existing heating system.
  • the displacement cylinder 2, the connecting line 7 and the working cylinder 8 are connected in a gastight manner with each other.
  • the working medium is as a gas or a gas mixture such as air.
  • the displacement piston 3 displaces the working medium past the displacement piston 3 into the high-temperature region of the displacement cylinder 2, the working medium expands through the heat absorption from the combustion chamber 1, thereby flowing past the displacement piston 3 via the connection line 7 into the working cylinder 8, thereby pushing the working piston 9 forward ,
  • the displacement piston 3 displaces the working medium back into the low-temperature region of the displacement cylinder 2, where the working fluid delivers its thermal energy to the heating boiler 4.
  • the working fluid is contracted again and by the resulting negative pressure of the working piston 9 is withdrawn.
  • any heating system protrudes the high temperature range of one or more displacement cylinder 2 of a Stirling engine, so that the working medium there absorbs the heat energy, which is then supplied to the boiler 4 through the displacement piston 3.
  • the boiler 4 extracts the heat energy from the working medium and thus lowers the temperature of the working medium to a preset low temperature value, which is preferably 40 ° to 60 ° C.
  • the cooled working medium is supplied by the displacement piston 3 again the high temperature region of the displacement cylinder 2, where it absorbs heat energy again, so that the cycle described can be repeated up to 3000 times per minute.
  • an additional electrical heating element 15 can surround the high-temperature region of the displacement cylinder or cylinders 2.
  • the heating element 15, using the electricity obtained free of charge, serves to assist the generation of heat and thus significantly reduces the fuel supply to the heating system.
  • the power is generated by means of a power generator 16, which is arranged together with the working cylinder 8 and the flywheel 10 in a housing 17 adjacent to the boiler 4. From the flywheel 10 is driven, for example by means of a belt drive of the power generator 16.
  • Power generator 16 is thermally insulated by insulation 14 to the outside.
  • the said devices are in heat exchange with each other. Therefore, the frictional heat generated by the stirling engine and the power generator 16 can not escape through the insulation 14 and is stored in the housing 17. By the connection of the housing 17 to the boiler 4, this heat energy can be additionally absorbed by the boiler 4. This additional heating energy is supplied to the heating system.
  • the insulation 14 of the device also serves as sound insulation.

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Abstract

Eine Heizungsanlage mit zusätzlicher, kostenloser elektrischer Energiegewinnung weist einen Stirlingmotor auf. Dieser ist als integrierter Stirlingmotor angeordnet und wird von der thermischen Energie der Heizanlage angetrieben, ohne dabei auch nur den geringsten Teil dieser Energie zu verbrauchen, so dass dadurch kein Einfluss auf die Heizeigenschaften, oder auf den Energiebedarf der Heizanlage genommen wird. Zur Verbesserung der Energiegewinnung ist der Stirlingmotor als die Wärmeenergie von einer Brennkammer (1) zu einem Heizkessel (4) transferierendes Element angeordnet.

Description

Heizanlage mit zusätzlicher kostenloser elektrischer Energiegewinnung
Die Erfindung betrifft eine Heizanlage mit elektrischer Energieerzeugung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Heizanlagen mit elektrischer Energiegewinnung sind bekannt und wurden bereits in zahlreichen Publikationen und Patentanmeldungen beschrieben.
So ist aus der DE 38 35 469 A1 ein Heizkessel bekannt. Der Heizkessel ist mit einem Brenner, einem Brennraum, einem Wärmeaustauscher und einer Abgasführung ausgestattet. Weiterhin ist im Brennraum des Heizkessels eine außenbeheizte Wärmekraftmaschine angeordnet, die einen Stromgenerator antreibt. Der Heizkessel kann ein Brennwert-Kessel sein. Die außenbeheizte Wärmekraftmaschine kann ein Stirling-Motor mit einem geschlossenen System sein, dessen Heißraum von den Brenngasen und dessen Kaltraum von der dem Brenner zuzuführenden Verbrennungsluft umspült wird.
Weiterhin ist aus der DE 35 02 308 A1 eine dezentrale Stromversorgung durch Wärme-Strom-Kopplung mit Stirling-Motor bekannt. In der Anlage ist vorgesehen, dass ein Verbrennungsofen zur Gewinnung von Heizwärme, mit einem Verbrennungsraum zur Verbrennung des Heizmaterials und einem Wärmetauscher zur Übertragung der Heizwärme auf ein Wärmeübertragungsmedium, vorzugsweise Wasser, zur Weiterleitung der Wärme zu dezentralen Heizkörpern angeordnet ist. Zwischen dem Verbrennungsraum und dem Wärmetauscher soll ein Primärwärmetauscher angeordnet sein. Der Primärwärmetauscher umgibt dabei den heißen Kopf eines Stirling-Motors. Der Primärwärmetauscher ist direkt mit dem Verbrennungsraum verbunden. Schließlich ist aus der EP O 445 510 A2 eine Heizungs- und Stromerzeugungsanlage bekannt. Die Heizungs- und Stromerzeugungsanlage mit einem Heizkessel zur Gebäudebeheizung bzw. zur Brauchwassererwärmung, mit einem Brenner für den Heizkessel, einem von demselben Brenner beheizbaren Stir- lingmotor, einem Generator sowie einer Wärmepumpe. Der Stirlingmotor ist ein Freikolben-Stirlingmotor, dessen Kühler mit einem Brauchwasserbehälter bzw. mit einem Luftkanal wärmeübertragend verbunden werden kann. Der Generator ist ein Lineargenerator und direkt mit dem Freikolben-Stirlingmotor gekoppelt. Die Wärmepumpe besitzt einen elektrischen, u. a. auf Netzbetrieb schalt- baren Antriebsmotor. Der Lineargenerator kann über eine Regelung mit dem Antriebsmotor der Wärmepumpe, mit dem öffentlichen Stromnetz sowie mit weiteren Verbrauchern elektrisch verbunden werden.
Besondere Aufmerksamkeit erregen seit einigen Jahren die so genannten Blockheizkraftwerke, deren Besonderheit darin besteht, dass sie sehr teuer sind, und dass sie gerade einmal eine Energieausbeute von maximal 80 bis 93% erzielen. Die gewünschte elektrische Energie wird durch Verbrennungsmotoren; die einen Generator antreiben; erzeugt.
Blockheizkraftwerke basieren auf dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung; ein Verbrennungsmotor treibt einen Generator an, der Strom erzeugt. Die dabei entstehende Wärme wird über einen Wärmetauscher dem Heizsystem zugeführt. Gängige fossile Brennstoffe in Blockheizkraftwerken sind Diesel, Heizöl oder Gas. Aber auch regenerative Energieträger, wie Biogas, Biodiesel, Rapsöl und neuerdings auch Holzpellets können eingesetzt werden.
Brennwertheizanlagen hingegen erreichen einen Wirkungsgrad von nahezu 100% und sind bei gleicher Heizleistung rund 80% günstiger in der Anschaffung als Blockheizkraftwerke. Vergleicht man nun noch den erforderlichen Wartungsaufwand beider Systeme und die damit verbundenen Kosten, so stellt sich die Frage; welche positiven Effekte wirklich mit Blockheizkraftwerken erreichbar sind.
Unter Brennwerttechnik versteht man das Herunterkühlen des Abgases bis zur Kondensatbildung. Die dabei freigesetzte Energie wird dem Heizkreislauf zugeführt. Dies erfolgt bei einem herkömmlichen Kessel nicht, denn dort wird die im Kondensat enthaltene Energie über den Schornstein in die Umwelt abgeführt.
Die Brennwerttechnik lässt sich grundsätzlich bei jedem Brennstoff einsetzen. Derzeit hat sie sich aber nur bei gasbefeuerten Anlagen durchgesetzt, da bei der Verbrennung von Gas mehr Wasser freigesetzt wird als bei Öl oder Kohle. Kohle und Öl haben den Nachteil, dass bei deren Verbrennung der im Brennstoff enthaltene Schwefel die Kesselwandungen und den Schornstein angreift und somit die Lebensdauer des Materials extrem vermindert.
Eine Vielzahl weiterer Ideen zum Thema Kraft-Wärme-Kopplung, sind zum Patent angemeldet oder geistern durch die Medien. Deren Verwirklichungen aber auch keine wesentlich effekttiefere Energieausbeute in Aussicht stellen, sie sind einfach nur anders.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde; die Energieausbeute bekannter Heizungssysteme wesentlich zu steigern, sodass eine Gesamtwirkleistung von über 150% erreicht wird, ohne die Heizleistung der erwähnten Heizsysteme zu beeinträchtigen oder diese gar zu mindern. Ein erhöhter Energieaufwand oder Schadstoffausstoß ist ausgeschlossen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass der Heizkessel einer beliebigen Heizungsanlage nicht mehr direkt von der Brennkammer erwärmt wird, sondern dass die Wärmeenergie dem Heizkessel über einen oder mehrere Verdrängungszylinder eines Stirlingmotors zugeführt wird.
Durch diese Veränderung bleibt gewährleistet, dass die gesamte; in der Brenn- kammer erzeugte Wärmeenergie; dem Heizkessel verlustfrei zugeführt wird, und dass über den oder die Verdrängungszylinder ein Stirlingmotor angetrieben wird.
Der Heizkessel dient gleichermaßen zur Aufnahme der Wärmeenergie und so- mit auch zur Abkühlung des Arbeitsmediums des Stirlingmotors, in dem der Heizkessel vorzugsweise auf einen Niedertemperaturheizsystem 40° bis 60° C eingestellt ist. Die mit dem Stirlingmotor gewonnene mechanische Energie wird in sinnvoller Weise zum Antrieb eines Stromgenerators verwendet.
Auf Grund der hohen Wirkungsgrade des Stirlingmotors, sowie des Generators, ist in jeder Leistungsstufe der verschiedenen Heizungssysteme, ein proportional zur Heizleistung gesehen entsprechend hoher Anteil an Ökostrom zu gewinnen.
Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Ansprüchen im Zusammenhang mit der Zeichnung hervor.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Aufführungsbeispieles das in der Zeichnung dargestellt ist, näher beschrieben.
Dabei ist in der einzigen Figur (Fig. 1 ) ein Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Heizsystem gezeigt, bei dem Bezugszeichen zur Kennzeichnung einzelner Element mit Nummern 1 bis 17 wie folgt verwendet werden: - Brennkammer, in der die Wärmeenergie durch Verbrennung für das
Heizsystem erzeugt wird
- Verdrängungszylinder, der mit seinem Hochtemperaturbereich in die Brennkammer 1 hineinragt und mit seinem Niedertemperaturbereich in einen Heizkessel 4 hineinragt.
- Verdrängungskolben, der durch auf und ab gehende zyklische Bewegungen das Arbeitsmedium vom Hochtemperaturbereich in den Nieder- temperaturbereich des Stirlingmotors verdrängt.
- Heizkessel, der zur Abkühlung des Arbeitsmediums dient.
- Anschluss für den Heizwasserrücklauf.
- Anschluss für den Heizwasservorlauf.
- Verbindungsleitung, durch die das Arbeitsmedium von dem Verdrängungszylinder 2 zum Arbeitszylinder 8 (siehe unten) und zurückströmt.
- Arbeitszylinder des Stirlingmotors
- Arbeitskolben im Arbeitszylinder 8, der durch die Expansion und Kontraktion des Arbeitsmediums den Stirlingmotor antreibt.
- Schwungmasse, die für den Gleichlauf des Stirlingmotors sorgt.
- Arbeitsgelenkhebel, der die Kraft vom Arbeitskolben 9 auf die
Schwungmasse 10 überträgt. 12 - Verdrängungsgelenkhebel, der die Kraft von der Schwungmasse 10 auf die Verdrängungskolbenstange 13 überträgt.
13 - Verdrängungskolbenstange, die ihren Antrieb vom Verdrängungsge- lenkhebel 12 erhält, und mit dem Verdrängungskolben 3 starr verbunden ist, so dass die Verdrängung im Verdrängungszylinder 2 vollzogen wird.
14 - Isoliereinrichtung für das Gesamtsystem mit Stirlingmotor, Brennkammer 1 und Heizkessel 4
15 - Elektrisches Zusatzheizelement am Heizkessel 1
16 - Stromgenerator, der vom Stirlingmotor angetrieben wird und somit elektrischen Strom erzeugt.
17 - Gehäuse für den Stromgenerator 16 und den Arbeitszylinder 8.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Die Besonderheit des anzumeldenden Heizsystems besteht darin, dass hier gegenüber allen bisher bekannten Heizsystemen ein Stirlingmotor zwischen einer Brennkammer 1 und einem Heizkessel 4 integriert wird. Der Stirlingmotor wird einerseits durch die Wärmeenergie angetrieben. Andererseits leitet der Stirlingmotor aber auch die Wärmeenergie unvermindert an das Heizsystem (Heizkessel 4) weiter. Der Stirlingmotor hat somit keinerlei Einfluss auf die Heizleistung oder auf die Energieaufnahme des Heizsystems (Heizkessel 4) und wirkt sich auch nicht auf den Schadstoffausstoß der grundsätzlich bestehenden Heizanlage aus. Der Stirlingmotor besteht aus mindestens einem mindestens einfach wirkenden Arbeitszylinder 8 gemäß Fig. 1 , mit Arbeitskolben 9, mindestens einem Verdrängungszylinder 2 mit Verdrängungskolben 3, mindestens einer Verbindungsleitung 7, mindestens einem Arbeitsgelenkhebel 11 , mindestens einem Verdrängungsgelenkhebel 12 und einer Schwungmasse 10.
Der Verdrängungszylinder 2, die Verbindungsleitung 7 und der Arbeitszylinder 8 sind gasdicht mit einander verbunden. Somit steht ein in sich geschlossenes Arbeitsvolumen zur Verfügung, in dem sich das Arbeitsmedium als Gas oder ein Gasgemisch wie Luft befindet.
Hat der Verdrängungskolben 3 das Arbeitsmedium am Verdrängungskolben 3 vorbei in den Hochtemperaturbereich des Verdrängungszylinders 2 verdrängt, expandiert das Arbeitsmedium durch die Wärmeaufnahme aus dem Brennraum 1 , strömt dadurch am Verdrängungskolben 3 vorbei über die Verbindungsleitung 7 in den Arbeitszylinder 8 und schiebt dabei den Arbeitskolben 9 vor.
Durch die Verbindung des Arbeitskolbens 9 mit dem Verdrängungskolben 3 über die Gelenkhebel 11 und 12 an der Schwungmasse 10, verdrängt der Ver- drängungskolben 3 das Arbeitsmedium wieder in den Niedertemperaturbereich des Verdrängungszylinders 2, wo das Arbeitsmedium seine thermische Energie an den Heizkessel 4 abgibt. Dadurch wird das Arbeitsmedium wieder kontrahiert und durch den dadurch entstehenden Unterdruck wird der Arbeitskolben 9 wieder zurückgezogen.
In die Brennkammer 1 einer beliebigen Heizanlage ragt der Hochtemperaturbereich eines oder mehrerer Verdrängungszylinder 2 eines Stirlingmotors hinein, sodass das Arbeitsmedium dort die Wärmeenergie aufnimmt, diese dann durch den Verdrängungskolben 3 dem Heizkessel 4 zugeführt wird. Der Heizkessel 4 entzieht die Wärmeenergie dem Arbeitsmedium und senkt somit die Temperatur des Arbeitsmediums auf einen voreingestellten Niedertemperaturwert ab, der vorzugsweise bei 40° bis 60° C liegt. Anschließend wird das abgekühlte Arbeitsmedium durch den Verdrängungskolben 3 wieder dem Hochtemperaturbereich des Verdrängungszylinders 2 zugeführt, wo es wieder Wärmeenergie aufnimmt, so dass sich der beschriebene Kreislauf bis zu 3000- mal pro Minute wiederholen kann.
Ein zusätzliches elektrisches Heizelement 15 kann gemäß Fig. 1 den Hoch- temperaturbereich des oder der Verdrängungszylinder 2 umschließt. Das Heizelement 15 dient, unter Verwendung des kostenlos gewonnenen Stroms, zur Unterstützung der Wärmeerzeugung und vermindert somit deutlich die Brennstoffzufuhr zur Heizanlage.
Die Stromgewinnung erfolgt mittels eines Stromgenerators 16, der gemeinsam mit dem Arbeitszylinder 8 und dem Schwungrad 10 in einem Gehäuse 17 benachbart zum Heizkessel 4 angeordnet ist. Vom Schwungrad 10 aus wird, beispielsweise mittels eines Riementriebs der Stromgenerator 16 angetrieben.
Das Gesamtsystem aus Stirlingmotor, Brennkammer 1 , Heizkessel 4 und
Stromgenerator 16 ist mittels einer Isolierung 14 nach außen wärmegedämmt. Die genannten Einrichtungen stehen dabei miteinander im Wärmeaustausch. Daher kann die durch den Stirlingmotor und den Stromgenerator 16 entstehende Reibungswärme durch die Isolierung 14 nicht entweichen und wird in dem Gehäuse 17 gespeichert. Durch die Verbindung des Gehäuses 17 zum Heizkessel 4 kann diese Wärmeenergie zusätzlich vom Heizkessel 4 aufgenommen werden. Damit wird dem Heizsystem zusätzlich weitere thermische Energie zugeführt. Die Isolierung 14 der Vorrichtung dient auch als Schallschutz.

Claims

Patentansprüche
1. Heizungsanlage mit zusätzlicher, kostenloser elektrischer Energiegewinnung, die einen Stirlingmotor aufweist, der als integrierter Stirlingmotor von der thermischen Energie der Heizanlage angetrieben wird, ohne auch nur den geringsten Teil dieser Energie zu verbrauchen, so dass dadurch kein Einfluss auf die Heizeigenschaften, oder auf den Energiebedarf der Heizanlage genommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirlingmotor als die Wärmeenergie von einer Brennkammer (1 ) zu einem Heizkessel (4) transferierendes Element angeordnet ist.
2. Heizungsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in einem beliebigen Heizsystem, die Brennkammer (1 ) und der Heizkessel (2) getrennt voneinander angeordnet und nur über einen oder mehrere Verdrängungszylinder (2) eines Stir- lingmotors miteinander verbunden sind, in dem der Hochtemperaturbe- reich eines oder mehrerer Verdrängungszylinder (2) in die Brennkammer
(1 ) hineinragt, und dass der Niedertemperaturbereich eines oder mehrerer Verdrängungszylinder (2) in den Heizkessel hineinragt.
3. Heizungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte in der Brennkammer (1 ) entstandene thermische Energie durch den bzw. die Verdrängungskolben (3), eines oder mehrerer Verdrängungszylinder (2), des Stirlingmotors, dem Heizkessel (4) durch Verdrängung verlustfrei zugeführt wird.
4. Heizungsanlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens im Bereich zwischen der Brennkammer (1 ) und dem Heizkessel (4) eine Einrichtung (14) zur Wärmeisolierung derart vorgesehen ist, dass ein unmittelbarer Wärmeaus- tausch zwischen Brennkammer (1 ) und Heizkessel (4) verhindert wird, und dass ein oder mehrere Verdrängungszylinder (2) des Stirlingmotors diese Einrichtung (14) zur Wärmeisolierung durchragen, wobei der oder die Verdrängungszylinder (2) zu einem unmittelbaren Wärmeaustausch mit der Brennkammer (1) und dem Heizkessel (4) angeordnet sind.
5. Heizungsanlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Stirlingmotor und den Stromgenerator (16) kostenlos gewonnene elektrische Energie; über ein elektrisches Heizelement (15) oder über mehrere elektrische Heizelemen- te (15) die, die Hochtemperaturbereiche der Verdrängungszylinder (2) umschließen; zur Unterstützung der Wärmeerzeugung verwendet wird, sodass die Brennstoffzufuhr zur Heizanlage wesentlich reduziert werden kann.
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