WO2019206355A1 - Method for operating a gas expansion engine by means of a gas - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for operating a gas expansion engine by a gas, which is preferably conducted in a closed circuit, according to claim 1.
- CO 2 carbon dioxide
- C02 is neither explosive nor flammable in the event of damage and environmentally neutral in recycling.
- the C02 two-phase range below the critical point spans the temperature of about plus 31 ° C and pressure of 73.8 bar at the critical point to the triple point at about minus 56.6 ° C and 5.2 bar.
- At the triple point there are 3 material transitions from gaseous to liquid or in solid form, with further fluid supercooling and pressure reduction only as "dry ice”.
- Above 32 ° C and above 74bar the critical point to the transcritical CO 2 fluid is exceeded and the CO 2 remains gaseous in the state of aggregation.
- a disadvantage of the transcritical process management with mechanical use of the gas relaxation is the subsequent high compressor work for gas compression, which reduces the injected useful work and provides no significant useful energy for other fuel consumption systems and heat exchange over the critical punk with at least 32 ° C, largely the thermal energy utilization low thermal conversion. exclude world temperatures.
- the object of the invention is to avoid the disadvantages described above.
- the invention provides a regenerative (closed) circuit for the gas below the critical point of the gas, which is formed in particular by CO 2.
- the heat exchange should take place with low-thermal environmental energies and be usable as environmentally neutral drive energies in gas expansion motors with integrated condensation work.
- a method for operating a, for example, two-stroke gas expansion engine by a gas preferably proposed by C02, which comprises a at least one inlet valve and an exhaust valve having working cylinder and between a first piston reversal point and a second piston reversal point in the working cylinder in reciprocating motion
- the method comprises at least one cycle of at least the following steps: It is a power stroke by introducing an inlet volume of the gas in a saturated state via the open inlet valve in the expansion space and caused by an expansion of the inlet volume resulting movement of the reciprocating piston, which moves under enlargement of the expansion space in the direction of the first piston reversal point, wherein before the first piston reversal point through the Reciprocating piston is reached, the gas is introduced in the liquefied state in the expansion space, and then a compression stroke is carried out by a movement of the reciprocating piston in the direction of the second
- Saturated gas which is produced by the isobaric transfer of heat to the gas in the liquefied state in the heat exchanger, is preferably used for the inlet volume of saturated gas which is introduced into the expansion space via the inlet valve.
- gas in the liquefied state which is introduced into the expansion space, is used in the liquefied state from the depot for the gas.
- the gas in the liquefied state is injected into the expansion space under pressure.
- the expansion of the inlet volume begins.
- the displacement of the at least part of the gas in the liquefied state from the expansion space can take place by means of the pressure built up during the compression stroke in the expansion space.
- the exhaust valve is controlled by the pressure in the expansion space.
- the outlet valve is designed such that it can be brought by the pressure in the expansion space from a closed position to an open position or spent.
- the expansion of the inlet volume of the gas in a saturated state with reduction of pressure and / or temperature of the gas to the triple point of the gas takes place when the first piston reversal point is reached.
- the liquefied gas can be introduced from the depot into the expansion space essentially under the conditions prevailing in the triple point of the gas and cooled down to the boiling point during the working cycle under a two-phase change as an isobaric wet gas / liquid fluid.
- an isothermal and isobaric wet gas compression by the reciprocating piston in the gas-liquid equilibrium with condensation above the boiling line may end before the second piston reversal point is reached by the reciprocating piston.
- the reciprocating drive a crank drive or a linear drive.
- thermodynamic state of the gas can always be kept below the critical point of the gas in a subcritical state.
- the gas used is preferably exclusively CO 2 and the gas in the liquid state is formed by liquid CO 2.
- the invention preferably proposes an energetic C02 two-phase work process process below the critical CO 2 point with gas and liquid phases which preferably generate regenerative environmental energies from air, water or ground temperatures and into mobile or static C02 gas expansion engines With integrated condensation as environmentally neutral drive energy, transform directly into mechanical or hydraulic work.
- Figures 1 to 3 show an example of a C02 gas expansion engine, in which the inventive method is carried out in a preferred embodiment.
- the method is used to operate the C02 gas expansion engine preferably in a two-stroke process, below the critical CO 2 point with external heat absorption and preferably in a cycle.
- the C02 gas expansion engine of FIG. 1 includes a power cylinder 1 in which a reciprocating piston 2 reciprocates along a piston stroke 10 between a lower piston reversal point or bottom dead center 14, BDC and a second or top piston reversal point or top dead center 17, OT is.
- the working cylinder 1 has an inlet valve 7 and an outlet valve 6.
- the depot 3 is provided for receiving gas in the liquefied state 4, which may also be referred to as saturated or liquid condensate, and is in the direction of circulation of the C02 gas expansion engine via a depot 3 and a downstream Circulation guided in the heat exchanger 5.
- the CO 2 leaves the outlet of the heat exchanger 5 in a saturated state, which then the expansion space 13 is provided with a partial filling 9 of CO 2 in a saturated gas state.
- the inlet valve 7 is controlled, for example, as a function of pressure and / or temperature, and initiates an expansive working cycle of the CO 2 gas expansion motor as far as the lower piston reversal point 14, UT, essentially up to the triple point of the CO 2.
- Fig. 2 shows the expansion in the expansion chamber 13 in descending reciprocating piston 2, shortly before reaching the lower piston reversal point 14, wherein by means of an example pressure-controlled injection valve 1 1 an injection of CO 2 in the liquefied state 12 from the beispielswesie pressure-loading depot 3 substantially below triple point temperature in the expansion room 13.
- FIG. 3 shows the CO 2 gas expansion engine during an isothermal wet gas compression stroke of the CO 2 up to the upper piston reversal point 17, OT upward reciprocating piston 2 with condensate precipitation and condensate displacement via the outlet valve 6 under condensate outlet 16 into the depot 3 and absorption of heat in the heat exchanger.
- FIG. 4 shows a diagram, not to scale, for the CO 2 in which the entropy s is plotted on the X axis and the temperature T of the CO 2 in Kelvin is plotted on the Y axis.
- the diagram exemplifies the states which the CO 2 occupies in the course of the process, whereby the states of the CO 2 are always below the critical point (KP) to before the triple point line (TK) in the subcritical region.
- the dashed line between points 3 and 4 is an isenthalpic expansion of the CO 2 up to, for example, 5.6 bar in the wet gas region;
- the dashed line between points 4 and 0 indicates the state of the CO 2 as a wet gas / liquid medium with the reciprocating piston 2 at the first piston reversal point 14, UT;
- the dashed line between points 0 and 1 is an isobaric wet-steam compression stroke and condensate precipitation.
- the diagram illustrates, by way of example, the thermodynamic pressure and temperature profile during the injection of condensate from the depot 3 with two-phase transition into a wet gas expanded in the working cylinder 1 close to the triple point.
- Point 3 is the final temperature of the C02 at the Siedeline
- the process is conducted in a closed CO 2 working group with integrated heat exchanger 5.
- a pressurized, saturated CO 2 gas via pressure and / or temperature control, flows into the working cylinder 1 as a limited inflow volume 8 via the descending reciprocating piston 2.
- the inflow volume expands 8 of the C02 working on the reciprocating piston 2 to the first or lower piston reversal point 14, UT to near C02 triple point in the wet gas area (Fig. 4, pt. 2 -3).
- the injection of the CO 2 in the liquefied state 12 takes place at substantially triple point temperature from the pressure-loading depot 3 into the relaxed wet gas environment (FIG. 2).
- the pressure and temperature are lowered (FIG. 5, sections 1-2) in the injected CO 2 12.
- the changing transition of the injection of CO 2 into liquefied state 12 with two-phase heat exchange (FIG. Pkte 2-3) over the solid area into the wet gas, space filling in the working cylinder 1 and in the expansion space 10 subtle aerosols, which cause a heterogeneous two-phase environment of aerosols and wet gas at the Siedeline (Fig. 4, Pkte 0-1).
- TDC and hydraulic pressure build-up takes place via the counter-pressure from the depot 3 acted upon and opening exhaust valve 6 a condensate displacement 15 and thus a hydraulic condensate outlet 16 in the depot 3.
- a gas side Pressure compensation with phase transition of the CO 2 in the heat exchanger 5 for a New cycle of the process or work process pressure surges and external process losses are compensated without further pressure levels to the inlet valve.
- the advantage of the invention is that the energetic utilization of low thermal heat energy via two-phase gas expansion motors, preferably from ambient temperatures in air, water and / or earth, by means of subcritical work process management new environmentally neutral and regenerative energy potentials for mobile and static propulsion systems almost anywhere and at all Makes time available independently.
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Abstract
The main feature of the invention is an energy method for using low-grade thermal heat sources, preferably from natural ambient temperatures, such as in air, water or the ground, to generate, by heat exchange, usable environmental energy for carrying out useful mechanical or hydraulic work and to transform said energy in an environmentally friendly manner using a non-critical CO2 working cycle process in gas expansion engines with integrated condensation work, for mobile and static drive systems.
Description
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Verfahren zum Betrieb eines Gasexpansionsmotors durch ein Gas Method for operating a gas expansion engine by a gas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gasexpansionsmotors durch ein Gas, welches bevorzugt in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird, gemäß Anspruch 1. The invention relates to a method for operating a gas expansion engine by a gas, which is preferably conducted in a closed circuit, according to claim 1.
Als zu bevorzugendes Gas wird Im Rahmen der Erfindung Kohlendioxid (C02) herangezogen, welches viel Wärmeenergie transportieren kann und durch Druck- und/oder Temperaturänderung mit Stoffübergangsphasen, von gasförmig auf flüssig und fest und umgekehrt, volumenmäßig änderbar ist. C02 ist zudem im Schadensfall weder explosiv oder brennbar und beim Recyceln umweltneutral. In the context of the invention, carbon dioxide (CO 2), which can transport a large amount of heat energy and can be changed in volume by pressure and / or temperature change with mass transfer phases, from gaseous to liquid and solid and vice versa, is used as gas to be preferred. In addition, C02 is neither explosive nor flammable in the event of damage and environmentally neutral in recycling.
Der C02-Zweiphasenbereich unterhalb des kritischen Punkts umspannt die Temper- atur von ca. Plus 31 °C und Druck von 73,8 bar am kritischen Punkt bis zum Tripel- punkt bei ca. Minus 56,6°C und 5,2bar. Am Tripelpunkt liegen 3 Stoffübergänge von gasförmig auf flüssig oder in Festform vor, mit weiterer Fluidunterkühlung und Druck- absenkung nur als„Trockeneis“. Über 32°C und über 74bar wird der kritische Punkt zum transkritische C02-Fluid überschritten und das C02 verbleibt im Aggregatszustand gasförmig. The C02 two-phase range below the critical point spans the temperature of about plus 31 ° C and pressure of 73.8 bar at the critical point to the triple point at about minus 56.6 ° C and 5.2 bar. At the triple point there are 3 material transitions from gaseous to liquid or in solid form, with further fluid supercooling and pressure reduction only as "dry ice". Above 32 ° C and above 74bar, the critical point to the transcritical CO 2 fluid is exceeded and the CO 2 remains gaseous in the state of aggregation.
Gasexpansionsmotoren mit C02-Gas aus Druckflaschen zu betreiben ist hinreichend bekannt. Die von einem Gasexpansionsmotor abgegebene mechanische Arbeit ent- stammt im adiabaten Entspannungsfall aus der im C02-Gas gespeicherten Enthalpie. Nachteil ist hier aber der Verlust von C02 als Emissionsgas in die Atmosphäre. It is well known to operate gas expansion engines with CO 2 gas from pressure cylinders. The mechanical work delivered by a gas expansion engine originates in the adiabatic expansion case from the enthalpy stored in the C02 gas. However, the disadvantage here is the loss of CO 2 as an emission gas into the atmosphere.
Einstufige oder mehrstufige Gasexpansionsmotoren, die in einem geschlossenen Arbeitsprozess mit Hubkolbenexpander bzw. nach dem Freikolbenprinzip in rechts von kritischen Punkt verlaufende Kälteprozesse arbeiten und statt Expansionsventil über Gasentspannungsprozesse mechanische Arbeitsleistung für die anschließende Single-stage or multi-stage gas expansion engines that operate in a closed working process with reciprocating expander or on the free piston principle in the right of running critical point cooling processes and instead of expansion valve gas relaxation processes mechanical work for the subsequent
Bestätigungskopie
transkritische Verdichtungsarbeit zu generieren, sind ebenfalls Stand der Technik und beispielsweise in DE 199 55 554 A1 beschrieben. confirmation copy Transcritical compaction work to generate, are also state of the art and described for example in DE 199 55 554 A1.
Nachteilig bei der transkritischen Prozessführung mit mechanischer Nutzung der Gasentspannung ist die anschließend hohe Kompressorarbeit zur Gasverdichtung, welche die injizierte Nutzarbeit mindert und keine wesentliche Nutzenergie für andere Verbrauchssysteme bereitstellt und beim Wärmetausch über den kritischen Punk mit mindestens 32°C, weitgehend die Wärmeenergieverwertung niederthermischer Um- welttemperaturen ausschließen. A disadvantage of the transcritical process management with mechanical use of the gas relaxation is the subsequent high compressor work for gas compression, which reduces the injected useful work and provides no significant useful energy for other fuel consumption systems and heat exchange over the critical punk with at least 32 ° C, largely the thermal energy utilization low thermal conversion. exclude world temperatures.
Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Proceeding from this, the object of the invention is to avoid the disadvantages described above.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die Erfindung sieht einen regenerativen (geschlossenen) Kreislauf für das Gas unterhalb des kritischen Punktes des Gases vor, welches insbesondere durch C02 gebildet wird. Über das Zweiphasen Fluid mit Gas und Flüssig, soll der Wärmetausch mit niederthermischen Umweltenergien stattfinden und als umweltneutrale Antriebs- energien in Gasexpansionsmotoren mit integrierter Kondensationsarbeit nutzbar werden. The invention provides a regenerative (closed) circuit for the gas below the critical point of the gas, which is formed in particular by CO 2. By means of the two-phase fluid with gas and liquid, the heat exchange should take place with low-thermal environmental energies and be usable as environmentally neutral drive energies in gas expansion motors with integrated condensation work.
Dabei wird ein Verfahren zum Betrieb eines beispielsweise Zweitakt- Gasexpansionsmotors durch ein Gas, vorzugsweise durch C02 vorgeschlagen, welcher einen wenigstens ein Einlassventil und ein Auslassventil aufweisenden Arbeitszylinder und einen zwischen einem ersten Kolbenumkehrpunkt und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt in dem Arbeitszylinder in hin- und her gehender Bewegung Kolbenhübe ausführenden Hubkolben umfasst, welcher einen Expansionsraum begrenzt und die Größe des Expansionsraums durch seine hin- und her gehende Bewegung verändert, wobei das Verfahren wenigstens einen Zyklus aus wenigstens folgenden Schritten umfasst: Es wird ein Arbeitstakt durch Einleiten eines Eintrittsvolumens aus dem Gas in gesättigtem Zustand über das geöffnete Einlassventil in den Expansionsraum und durch eine Expansion des Eintrittsvolumens entstehender Bewegung des Hubkolbens durchgeführt, welcher sich unter Vergrößerung des Expansionsraums in Richtung erster Kolbenumkehrpunkt bewegt, wobei bevor der erste Kolbenumkehrpunkt durch den
Hubkolben erreicht ist, wird das Gas in verflüssigtem Zustand in den Expansionsraum eingebracht, und dann wird ein Verdichtungstakt durch eine Bewegung des Hubkolbens in Richtung zweiter Kolbenumkehrpunkt (OT, unter Verkleinerung des Expansionsraums und unter Verdichten des Eintrittsvolumens und des Gases in verflüssigtem Zustand durchgeführt, wobei sich das Eintrittsvolumen des Gases verflüssigt, bevor der zweite Kolbenumkehrpunkt durch den Hubkolben erreicht ist, wird wenigstens ein Teil des sich in dem Expansionsraum befindlichen Gases in verflüssigtem Zustand durch die Bewegung des Hubkolbens in Richtung zweiter Kolbenumkehrpunkt aus dem Expansionsraum über das Auslassventil in ein Depot verdrängt, und dann wird über einen Wärmetauscher eine isobare Übertragung von Wärme auf aus dem Depot geführten Gases in verflüssigtem Zustand durchgeführt bis es verdampft und als Gas in gesättigtem Zustand verfügbar ist. Here, a method for operating a, for example, two-stroke gas expansion engine by a gas, preferably proposed by C02, which comprises a at least one inlet valve and an exhaust valve having working cylinder and between a first piston reversal point and a second piston reversal point in the working cylinder in reciprocating motion Piston strokes executing reciprocating piston which limits an expansion space and the size of the expansion space changed by its reciprocating motion, the method comprises at least one cycle of at least the following steps: It is a power stroke by introducing an inlet volume of the gas in a saturated state via the open inlet valve in the expansion space and caused by an expansion of the inlet volume resulting movement of the reciprocating piston, which moves under enlargement of the expansion space in the direction of the first piston reversal point, wherein before the first piston reversal point through the Reciprocating piston is reached, the gas is introduced in the liquefied state in the expansion space, and then a compression stroke is carried out by a movement of the reciprocating piston in the direction of the second piston reversal point (OT, reducing the expansion space and compressing the inlet volume and the gas in the liquefied state If the gas inlet volume liquefies before the second piston reversal point is reached by the reciprocating piston, at least a portion of the gas in the expansion space is displaced from the expansion space via the outlet valve into a depot in the liquefied state by the movement of the reciprocating piston toward the second piston reversal point and then, via a heat exchanger, an isobaric transfer of heat to gas discharged from the depot is carried out in a liquefied state until it is vaporized and available as a gas in a saturated state.
Bevorzugt wird für das Eintrittsvolumen aus gesättigtem Gas, welches über das Einlassventil in den Expansionsraum eingeleitet wird, gesättigtes Gas herangezogen, welches durch die isobare Übertragung von Wärme auf das Gas in verflüssigtem Zustand in dem Wärmetauscher entstanden ist. Saturated gas, which is produced by the isobaric transfer of heat to the gas in the liquefied state in the heat exchanger, is preferably used for the inlet volume of saturated gas which is introduced into the expansion space via the inlet valve.
Gemäß einer Weiterbildung wird für das das Gas in verflüssigtem Zustand, welches in den Expansionsraum eingebracht wird, Gas in verflüssigtem Zustand aus dem Depot herangezogen. According to a further development, gas in the liquefied state, which is introduced into the expansion space, is used in the liquefied state from the depot for the gas.
Beispielsweise wird das Gas in verflüssigtem Zustand in den Expansionsraum unter Druck eingespritzt. For example, the gas in the liquefied state is injected into the expansion space under pressure.
Weiterhin bevorzugt beginnt nach einem Schließen des Einlassventils die Expansion des Eintrittsvolumens. Further preferably, after a closing of the inlet valve, the expansion of the inlet volume begins.
Gemäß einer weiteren Maßnahme kann das Verdrängen des wenigstens einen Teils des Gases in verflüssigtem Zustand aus dem Expansionsraum mittels des während des Verdichtungstaktes aufgebauten Drucks im Expansionsraum erfolgen. According to a further measure, the displacement of the at least part of the gas in the liquefied state from the expansion space can take place by means of the pressure built up during the compression stroke in the expansion space.
Insbesondere wird das Auslassventil durch den Druck im Expansionsraum gesteuert.
Vorzugsweise ist das Auslassventil ausgebildet, dass es durch den durch den Druck im Expansionsraum von einer Schließstellung in eine Öffnungsstellung verbracht werden kann oder verbracht wird. In particular, the exhaust valve is controlled by the pressure in the expansion space. Preferably, the outlet valve is designed such that it can be brought by the pressure in the expansion space from a closed position to an open position or spent.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Expansion des Eintrittsvolumens des Gases in gesättigtem Zustand unter Reduzierung von Druck- und/oder Temperatur des Gases bis zum Tripelpunkt des Gases erfolgt, wenn der erste Kolbenumkehrpunkt erreicht ist. According to a development, the expansion of the inlet volume of the gas in a saturated state with reduction of pressure and / or temperature of the gas to the triple point of the gas takes place when the first piston reversal point is reached.
Auch kann das Gas in verflüssigtem Zustand im Wesentlichen unter den im Tripelpunkt des Gases herrschenden Bedingungen aus dem Depot in den Expansionsraum eingebracht und im Laufe des Arbeitstakts unter einem Zwei- phasenwechsel als isobares Nassgas-/Flüssigfluid bis zur Siedelinie abkühlt werden. Also, the liquefied gas can be introduced from the depot into the expansion space essentially under the conditions prevailing in the triple point of the gas and cooled down to the boiling point during the working cycle under a two-phase change as an isobaric wet gas / liquid fluid.
Gemäß einer weiteren Maßnahme kann im Laufe des Verdichtungstakts eine isotherme und isobare Nassgasverdichtung durch den Hubkolben im Gas- Flüssigkeit-Gleichgewicht mit Kondensation über der Siedelinie vor dem Erreichen des zweiten Kolbenumkehrpunkts durch den Hubkolben enden. According to a further measure, in the course of the compression stroke, an isothermal and isobaric wet gas compression by the reciprocating piston in the gas-liquid equilibrium with condensation above the boiling line may end before the second piston reversal point is reached by the reciprocating piston.
Auch kann der Hubkolben einen Kurbelantrieb oder einen Linearantrieb treiben. Also, the reciprocating drive a crank drive or a linear drive.
Auch kann der thermodynamische Zustand des Gases stets unterhalb des kritischen Punktes des Gases in einem unterkritischen Zustand gehalten werden. Also, the thermodynamic state of the gas can always be kept below the critical point of the gas in a subcritical state.
Als Gas wird bevorzugt ausschließlich C02 herangezogen und das Gas in flüssigem Zustand wird durch flüssiges CÖ2 gebildet. The gas used is preferably exclusively CO 2 and the gas in the liquid state is formed by liquid CO 2.
Mit anderen Worten schlägt die Erfindung bevorzugt ein energetisches C02-Zwei- phasen-Arbeitsprozessverfahren unterhalb des kritischen C02-Punktes mit Gas- und Flüssigphasen vor, die vorzugsweise aus Luft-, Wasser- oder Erdtemperaturen regenerative Umweltenergien generieren und in mobile oder statische C02- Gasexpansionsmotoren mit integrierter Kondensation als umweltneutrale Antriebsenergien, direkt in mechanische oder hydraulische Arbeitsleistungen transformieren. In other words, the invention preferably proposes an energetic C02 two-phase work process process below the critical CO 2 point with gas and liquid phases which preferably generate regenerative environmental energies from air, water or ground temperatures and into mobile or static C02 gas expansion engines With integrated condensation as environmentally neutral drive energy, transform directly into mechanical or hydraulic work.
Ein Ausführungsbeispiel wird in den beiliegenden Zeichnungen beschreiben. An embodiment will be described in the accompanying drawings.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen beispielhaft einen C02-Gasexpansionsmotor, bei welchem das erfindungsgemäße Verfahren in bevorzugter Ausführungsform durchgeführt wird. Das Verfahren dient dem Betrieb des C02-Gasexpansionsmotors
bevorzugt in einem Zweitaktprozess, unterhalb des kritischen C02-Punktes mit externer Wärmeaufnahme und bevorzugt in einem Kreislauf. Figures 1 to 3 show an example of a C02 gas expansion engine, in which the inventive method is carried out in a preferred embodiment. The method is used to operate the C02 gas expansion engine preferably in a two-stroke process, below the critical CO 2 point with external heat absorption and preferably in a cycle.
Der C02-Gasexpansionsmotor von Fig. 1 weist einen Arbeitszylinder 1 auf, in welchem ein Hubkolben 2 zwischen einem unteren Kolbenumkehrpunkt oder unteren Totpunkt 14, UT und einem zweiten oder oberen Kolbenumkehrpunkt oder oberen Totpunkt 17, OT entlang eines Kolbenhubs 10 hin- und her bewegbar ist. Dadurch wird ein Expansionsraum 13 innerhalb des Arbeitszylinders 1 vergrößert oder verkleinert. Der Arbeitszylinder 1 weist ein Einlassventil 7 und ein Auslassventil 6 auf. Weiterhin verfügt der C02-Gasexpansionsmotor über ein Depot 3 und einen im Kreilslauf des C02 gesehen nachgeordneten Wärmetauscher 5. Das Depot 3 ist zur Aufnahme von Gas in verflüssigtem Zustand 4 vorgesehen, welches auch als gesättigtes oder flüssiges Kondensat bezeichnet werden kann und wird in Umlaufrichtung des Kreislaufs in den Wärmetauscher 5 geführt. Nach vorzugsweise isobarer Aufnahme von Wärme in dem Wärmetauscher 5 verlässt das C02 den Ausgang des Wärmetauschers 5 in gesättigtem Zustand, womit dann der Expansionsraum 13 mit einer Teilbefüllung 9 an C02 in gesättigtem Gaszustand versehen wird. The C02 gas expansion engine of FIG. 1 includes a power cylinder 1 in which a reciprocating piston 2 reciprocates along a piston stroke 10 between a lower piston reversal point or bottom dead center 14, BDC and a second or top piston reversal point or top dead center 17, OT is. As a result, an expansion space 13 within the working cylinder 1 is increased or decreased. The working cylinder 1 has an inlet valve 7 and an outlet valve 6. The depot 3 is provided for receiving gas in the liquefied state 4, which may also be referred to as saturated or liquid condensate, and is in the direction of circulation of the C02 gas expansion engine via a depot 3 and a downstream Circulation guided in the heat exchanger 5. After preferably isobaric absorption of heat in the heat exchanger 5, the CO 2 leaves the outlet of the heat exchanger 5 in a saturated state, which then the expansion space 13 is provided with a partial filling 9 of CO 2 in a saturated gas state.
Das Einlassventi 7 ist beispielsweise druck- und/oder temperaturabhängig gesteuert und leitet einen expansiven Arbeitstakt des C02-Gasexpansionsmotors bis zum unteren Kolbenumkehrpunkt 14, UT bis im Wesentlichen zum Tripelpunkt des C02 ein. The inlet valve 7 is controlled, for example, as a function of pressure and / or temperature, and initiates an expansive working cycle of the CO 2 gas expansion motor as far as the lower piston reversal point 14, UT, essentially up to the triple point of the CO 2.
Fig. 2 zeigt die Expansion im Expansionsraum 13 bei abwärts gehenden Hubkolben 2, kurz vor dem Erreichen des unteren Kolbenumkehrpunkt 14, wobei mittels eines beispielsweise druckgesteuerten Einspritzventils 1 1 eine Einspritzung von C02 in verflüssigtem Zustand 12 aus dem beispielswesie druckbelastenden Depot 3 im Wesentlichen unter Tripelpunkttemperatur in den Expansionsraum 13. Fig. 2 shows the expansion in the expansion chamber 13 in descending reciprocating piston 2, shortly before reaching the lower piston reversal point 14, wherein by means of an example pressure-controlled injection valve 1 1 an injection of CO 2 in the liquefied state 12 from the beispielswesie pressure-loading depot 3 substantially below triple point temperature in the expansion room 13.
Fig. 3 zeigt den C02-Gasexpansionsmotor während eines isothermen Nassgasverdichtungstakts des C02 bei bis zum oberen Kolbenumkehrpunkt 17, OT aufwärts gehendem Hubkolben 2 mit Kondensatausfällung und Kondensatverdrängung über das Auslassventil 6 unter Kondensatabgang 16 ins Depot 3 und Aufnahme von Wärme im Wärmetauscher 5.
Fig. 4 zeigt ein nicht maßstäbliches Diagramm für das C02, in welchem auf der X- Achse die Entropie s und auf der Y-Achse die Temperatur T des C02 in Kelvin angetragen ist. Das Diagramm veranschaulicht beispielhaft die Zustände, welche das C02 im Laufe des Verfahrens einnimmt, wobei die Zustände des C02 sich dabei stets unterhalb des kritischen Punktes (KP) bis vor der Tripelpunktlinie (TK) im subkritischen Bereich befinden. 3 shows the CO 2 gas expansion engine during an isothermal wet gas compression stroke of the CO 2 up to the upper piston reversal point 17, OT upward reciprocating piston 2 with condensate precipitation and condensate displacement via the outlet valve 6 under condensate outlet 16 into the depot 3 and absorption of heat in the heat exchanger. 5 FIG. 4 shows a diagram, not to scale, for the CO 2 in which the entropy s is plotted on the X axis and the temperature T of the CO 2 in Kelvin is plotted on the Y axis. The diagram exemplifies the states which the CO 2 occupies in the course of the process, whereby the states of the CO 2 are always below the critical point (KP) to before the triple point line (TK) in the subcritical region.
Hierbei kennzeichnet in Fig. 4 In this case, in FIG. 4
- die gestrichelte Linie zwischen den Punkten 1 und 2 einen hydraulischen Druckaufbau im Kondensat; - The dashed line between the points 1 and 2 a hydraulic pressure build-up in the condensate;
- die gestrichelte Linie zwischen den Punkten 2 und 3 eine Wärmezufuhr des C02 im Flüssigkeitsbereich mit Gas in gesättigtem Zustand bis zur Taulinie; - the dashed line between points 2 and 3, a supply of heat of the CO 2 in the liquid region with gas in a saturated state to the dew line;
- die gestrichelte Linie zwischen den Punkten 3 und 4 eine isenthalpe Expansion des C02 bis auf beispielsweise 5,6bar in Nassgasbereich; the dashed line between points 3 and 4 is an isenthalpic expansion of the CO 2 up to, for example, 5.6 bar in the wet gas region;
- die gestrichelte Linie zwischen den Punkten 4 und 0 den Zustand des C02 als Naßgas-/Flüssig-Milieu mit dem Hubkolben 2 am ersten Kolbenumkehrpunkt 14, UT; the dashed line between points 4 and 0 indicates the state of the CO 2 as a wet gas / liquid medium with the reciprocating piston 2 at the first piston reversal point 14, UT;
- die gestrichelte Linie zwischen den Punkten 0 und 1 einen isobaren Naßdampf-Verdichtungshub und eine Kondensatausfällung. the dashed line between points 0 and 1 is an isobaric wet-steam compression stroke and condensate precipitation.
Fig. 5 zeigt nicht maßstäblich ein Diagramm, in welchem auf der X-Achse die Temperatur T in Kelvin und auf der Y-Achse der Druck des C02 angetragen ist. Das Diagramm veranschaulicht beispielhaft den thermodynamischen Druck- und Temperaturverlauf während der Kondensateinspritzung aus dem Depot 3 mit Zweiphasenübergang in ein bis auf Tripelpunktnähe entspanntes Nassgas im Arbeitszylinder 1. 5 does not show to scale a diagram in which the temperature T in Kelvin is plotted on the X-axis and the pressure of the CO 2 is plotted on the Y-axis. The diagram illustrates, by way of example, the thermodynamic pressure and temperature profile during the injection of condensate from the depot 3 with two-phase transition into a wet gas expanded in the working cylinder 1 close to the triple point.
Hierbei kennzeichnen in Fig. 5 Here, in FIG. 5
- Punkt 1 den Einspritzdruck des C02 (ca. 60bar) und die Temperatur des C02 (ca. 220 K); - point 1 the injection pressure of the CO 2 (about 60 bar) and the temperature of the CO 2 (about 220 K);
der Verlauf zwischen den Punkten 1 und 2 den Druckabbau und das Absenken der Einspritztemperatur mit Phasenübergang;
der Verlauf zwischen den Punkten 2 und 3 einen Zweiphasen-Wärmeaustausch mit dem C02 in flüssigem Zustand; the course between points 1 and 2 the pressure reduction and the lowering of the injection temperature with phase transition; the course between points 2 and 3 a two-phase heat exchange with the CO 2 in the liquid state;
der Punkt 3 die Endtemperatur des C02 an der Siedeline Point 3 is the final temperature of the C02 at the Siedeline
Das Verfahren wird in einem geschlossenen C02-Arbeitskreis mit integriertem Wärmetauscher 5 geführt. Mit dem Öffnen des Einlassventils 7 strömt ein unter Druck stehendes, gesättigtes C02-Gas, über Druck- und/oder Temperatursteuerung, in den Arbeitszylinder 1 als begrenztes Einströmvolumen 8 über den abwärtsgehen- den Hubkolben 2. Nach dem Schließen des Einlassventils 7 expandiert das Einströmvolumen 8 des C02 arbeitsleistend über den Hubkolben 2 zum ersten oder unteren Kolbenumkehrpunkt 14, UT bis in Nähe C02-Tripelpunkt ins Nassgasgebiet (Fig. 4, Pkt. 2 -3). The process is conducted in a closed CO 2 working group with integrated heat exchanger 5. With the opening of the inlet valve 7, a pressurized, saturated CO 2 gas, via pressure and / or temperature control, flows into the working cylinder 1 as a limited inflow volume 8 via the descending reciprocating piston 2. After closing the inlet valve 7, the inflow volume expands 8 of the C02 working on the reciprocating piston 2 to the first or lower piston reversal point 14, UT to near C02 triple point in the wet gas area (Fig. 4, pt. 2 -3).
Vor Erreichen des unteren Kolbenumkehrpunkts 14, UT durch den Hubkolben 2 erfolgt die Einspritzung des C02 in verflüssigtem Zustand 12 unter im Wesentlichen Tripelpunkttemperatur aus dem druckbelastenden Depot 3 ins entspannte Nassgasmilieu (Fig. 2). Bei hoher Eintrittsgeschwindigkeit ins entspannte Nassgas erfolgt thermodynamisch eine Absenkung von Druck- und Temperatur (Fig. 5, Pkte. 1-2) in dem eingespritzten C02 12. Der wechselnde Übergang der Einspritzung von C02 in verflüssigtem Zustand 12 mit Zweiphasenwärmetausch (Fig. 5, Pkte. 2-3) über den Feststoffbereich ins Nassgas, bildet raumfüllend im Arbeitszylinder 1 bzw. im Expansionsraum 10 feinstoffige Aerosole, die ein heterogenes Zweiphasenmilieu aus Aerosolen und Nassgas an der Siedeline (Fig. 4, Pkte. 0-1 ) bewirken. Before reaching the lower piston reversal point 14, UT by the reciprocating piston 2, the injection of the CO 2 in the liquefied state 12 takes place at substantially triple point temperature from the pressure-loading depot 3 into the relaxed wet gas environment (FIG. 2). At a high rate of entry into the expanded wet gas, thermodynamically the pressure and temperature are lowered (FIG. 5, sections 1-2) in the injected CO 2 12. The changing transition of the injection of CO 2 into liquefied state 12 with two-phase heat exchange (FIG. Pkte 2-3) over the solid area into the wet gas, space filling in the working cylinder 1 and in the expansion space 10 subtle aerosols, which cause a heterogeneous two-phase environment of aerosols and wet gas at the Siedeline (Fig. 4, Pkte 0-1).
Mit zunehmender Verdichtung im Arbeitszylinder 1 durch den Hubkolben 2 kommt es im Aerosol-Nassgasmilieu fortlaufend zu gegenläufigen bis neutralisierenden Micro- kavitationen mit isothermer Nassgaskondensation, wobei das C02 vor dem oberen oder zweiten Kolbenumkehrpunkt 17, OT eine hydraulische Flüssigkeit oder verflüssigtes C02 ausbildet. With increasing compression in the working cylinder 1 by the reciprocating piston 2, countercurrent to neutralizing microcavitations with isothermal wet gas condensation continuously occur in the aerosol wet gas environment, the CO 2 forming a hydraulic fluid or liquefied CO 2 before the upper or second piston reversal point 17,.
Mit weiterem Kolbenhub zum oberen oder zweiten Kolbenumkehrpunkt 17, OT und hydraulischem Druckaufbau erfolgt über das mit Gegendruck aus den Depot 3 beauf- schlagte und sich öffnende Auslassventil 6 eine Kondensat-Verdrängung 15 und somit ein hydraulischer Kondensatabgang 16 in das Depot 3. Über eine gasseitige Druckkompensation mit Phasenübergang des C02 im Wärmetauscher 5 für einen
neuen Zyklus des Verfahrens oder Arbeitsprozesses werden Druckstöße und externe Prozessverluste ohne weitere Druckstufen zum Einlassventil ausgeglichen. With further piston stroke to the upper or second piston reversal point 17, TDC and hydraulic pressure build-up takes place via the counter-pressure from the depot 3 acted upon and opening exhaust valve 6 a condensate displacement 15 and thus a hydraulic condensate outlet 16 in the depot 3. via a gas side Pressure compensation with phase transition of the CO 2 in the heat exchanger 5 for a New cycle of the process or work process, pressure surges and external process losses are compensated without further pressure levels to the inlet valve.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die energetische Verwertung niederthermischer Wärmeenergien über Zweiphasen-Gasexpansionsmotoren, vorzugsweise aus Umgebungstemperaturen in Luft, Wasser und/oder Erde, mittels unterkritischer Arbeitsprozessführung neue umweltneutrale und regenerative Energiepotenziale für mobile und statische Antriebssysteme fast an jedem Ort und zu jeder Zeit unabhängig nutzbar macht.
The advantage of the invention is that the energetic utilization of low thermal heat energy via two-phase gas expansion motors, preferably from ambient temperatures in air, water and / or earth, by means of subcritical work process management new environmentally neutral and regenerative energy potentials for mobile and static propulsion systems almost anywhere and at all Makes time available independently.
Bezuqszahlenliste Bezuqszahlenliste
1 Arbeitszylinder 1 working cylinder
2 Hubkolben 2 reciprocating pistons
3 Depot 3 depot
4 Kondensat, Gas in verflüssigtem Zustand 4 condensate, gas in liquefied state
5 Wärmetauscher 5 heat exchangers
6 Auslassventil 6 exhaust valve
7 Einlassventil 7 inlet valve
8 Eintrittsvolumen 8 entry volumes
9 Teilbefüllung 9 partial filling
10 Kolbenhub 10 piston stroke
1 1 Einspritzventil 1 1 injection valve
12 eingespritztes Kondensat, eingespritztes Gas in verflüssigtem Zustand 12 injected condensate, injected gas in liquefied state
13 erster Kolbenumkehrpunkt (OT) 13 first piston reversal point (TDC)
14 erster Kolbenumkehrpunkt (UT) 14 first piston reversal point (UT)
15 Kondensat-Verdrängung 15 Condensate displacement
16 Kondensat-Abgang 16 condensate outlet
17 Expansionsraum
17 expansion space
Claims
1. Verfahren zum Betrieb eines Gasexpansionsmotors durch ein Gas, vorzugs- weise durch C02, welcher einen wenigstens ein Einlassventil (7) und ein Auslassventil (6) aufweisenden Arbeitszylinder (1 ) und einen zwischen einem ersten Kolbenumkehrpunkt (UT, 14) und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt (OT, 17) in dem Arbeitszylinder (1) in hin- und her gehender Bewegung Kolbenhübe (10) ausführenden Hubkolben (2) umfasst, welcher einen Expansionsraum (13) begrenzt und die Größe des Expansionsraums (13) durch seine hin- und her gehende Bewegung verändert, wobei das Verfahren wenigstens einen Zyklus aus wenigstens folgenden Schritten umfasst: 1. A method for operating a gas expansion engine by a gas, preferably by CO 2, which at least one inlet valve (7) and an outlet valve (6) having working cylinder (1) and one between a first piston reversal point (UT, 14) and a second Piston reversal point (OT, 17) in the working cylinder (1) in reciprocating motion piston strokes (10) performing reciprocating piston (2), which limits an expansion space (13) and the size of the expansion space (13) by its back and altered movement, wherein the method comprises at least one cycle of at least the following steps:
a) Es wird ein Arbeitstakt durch Einleiten eines Eintrittsvolumens (8) aus dem Gas in gesättigtem Zustand über das geöffnete Einlassventil (7) in den Expansionsraum (13) und durch eine Expansion des Eintrittsvolumens (8) entstehender Bewegung des Hubkolbens (2) durchgeführt, welcher sich unter Vergrößerung des Expansionsraums (13) in Richtung erster Kolbenumkehrpunkt (14, UT) bewegt, wobei b) bevor der erste Kolbenumkehrpunkt (14, UT) durch den Hubkolben (2) erreicht ist, wird das Gas (12) in verflüssigtem Zustand in den Expansionsraum (13) eingebracht, und dann a) A working cycle is performed by introducing an inlet volume (8) from the gas in a saturated state via the open inlet valve (7) into the expansion space (13) and by an expansion of the inlet volume (8) resulting movement of the reciprocating piston (2), which moves under magnification of the expansion space (13) in the direction of the first piston reversal point (14, UT), where b) before the first piston reversal point (14, UT) is reached by the reciprocating piston (2), the gas (12) in the liquefied state introduced into the expansion space (13), and then
c) wird ein Verdichtungstakt durch eine Bewegung des Hubkolbens (2) in Richtung zweiter Kolbenumkehrpunkt (OT, 17) unter Verkleinerung des Expansionsraums (13) und unter Verdichten des Eintrittsvolumens (8) und des Gases in verflüssigtem Zustand (12) durchgeführt, wobei sich das Eintrittsvolumen (8) des Gases verflüssigt, c) is performed a compression stroke by a movement of the reciprocating piston (2) in the direction of the second piston reversal point (OT, 17) with reduction of the expansion space (13) and under compression of the inlet volume (8) and the gas in the liquefied state (12) liquefies the inlet volume (8) of the gas,
d) bevor der zweite Kolbenumkehrpunkt (OT, 17) durch den Hubkolben (2) erreicht ist, wird wenigstens ein Teil des sich in dem Expansionsraum (13) befindlichen Gases in verflüssigtem Zustand durch die Bewegung des Hubkolbens (2) in Richtung zweiter Kolbenumkehrpunkt (OT, 17) aus dem Expansionsraum (13) über das Auslassventil (6) in ein Depot (3) verdrängt, und dann
e) wird über einen Wärmetauscher (5) eine isobare Übertragung von Wärme auf aus dem Depot (3) geführten Gases (4) in verflüssigtem Zustand durchgeführt bis es verdampft und als Gas in gesättigtem Zustand verfügbar ist. d) before the second piston reversal point (OT, 17) is reached by the reciprocating piston (2), at least part of the gas in the expansion chamber (13) is liquefied by the movement of the reciprocating piston (2) towards the second piston reversal point (FIG. OT, 17) from the expansion space (13) via the outlet valve (6) in a depot (3) displaced, and then e) is carried out via a heat exchanger (5) an isobaric transfer of heat from the depot (3) guided gas (4) in the liquefied state until it is evaporated and available as a gas in a saturated state.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für das Eintrittsvolumen (8) aus gesättigtem Gas, welches über das Einlassventil (7) in den Expansionsraum (13) eingeleitet wird, gesättigtes Gas herangezogen wird, welches durch die isobare Übertragung von Wärme auf das Gas in verflüssigtem Zustand in dem Wärmetauscher (5) entstanden ist. 2. The method according to claim 1, characterized in that for the inlet volume (8) of saturated gas, which is introduced via the inlet valve (7) into the expansion space (13), saturated gas is used, which by the isobaric heat transfer the gas has formed in the liquefied state in the heat exchanger (5).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das das Gas (12) in verflüssigtem Zustand, welches in den Expansionsraum (13) eingebracht wird, Gas (12) in verflüssigtem Zustand aus dem Depot (3) herangezogen wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that for the gas (12) in the liquefied state, which is introduced into the expansion space (13), gas (12) is used in liquefied state from the depot (3).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (12) in verflüssigtem Zustand in den Expansionsraum (13) unter Druck eingespritzt wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that the gas (12) is injected in the liquefied state in the expansion space (13) under pressure.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Schließen des Einlassventils (7) die Expansion des Eintrittsvolumens (8) beginnt. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that after a closing of the inlet valve (7), the expansion of the inlet volume (8) begins.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängen des wenigstens einen Teils des Gases in verflüssigtem Zustand aus dem Expansionsraum (13) mittels des während des Verdichtungstaktes aufgebauten Drucks im Expansionsraum (13) erfolgt. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the displacement of the at least part of the gas in the liquefied state from the expansion space (13) by means of the pressure built up during the compression stroke in the expansion space (13).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das7. The method according to claim 6, characterized in that the
Auslassventil (6) durch den Druck im Expansionsraum (17) gesteuert ist. Outlet valve (6) is controlled by the pressure in the expansion space (17).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das8. The method according to claim 7, characterized in that the
Auslassventil (6) ausgebildet ist, dass es durch den durch den Druck im
Expansionsraum (17) von einer Schließstellung in eine Öffnungsstellung verbracht werden kann. Exhaust valve (6) is designed to be characterized by by the pressure in the Expansion space (17) can be moved from a closed position to an open position.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansion des Eintrittsvolumens (8) des Gases in gesättigtem Zustand unter Reduzierung von Druck- und/oder Temperatur des Gases bis zum Tripelpunkt (TP) des Gases erfolgt, wenn der erste Kolbenumkehrpunkt (14, UT) erreicht ist. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the expansion of the inlet volume (8) of the gas in a saturated state with reduction of pressure and / or temperature of the gas to the triple point (TP) of the gas takes place when the first piston reversal point (14, UT) is reached.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gases in verflüssigtem Zustand (12) im Wesentlichen unter den im Tripelpunkt (TP) des Gases herrschenden Bedingungen aus dem Depot (3) in den Expansionsraum (10) eingebracht und im Laufe des Arbeitstakts unter einem Zweiphasenwechsel (Fig. 5, 2-3) als isobares Nass- gas-/Flüssigfluid (14) bis zur Siedelinie abkühlt wird. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the gas is introduced in the liquefied state (12) substantially under the conditions prevailing in the triple point (TP) of the gas conditions from the depot (3) in the expansion space (10) and in the course of the working cycle under a two-phase change (FIGS. 5, 2-3) as isobaric wet gas / liquid fluid (14) is cooled to the boiling point.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Laufe des Verdichtungstakts eine isotherme und isobare Nassgasverdichtung durch den Hubkolben (2) im Gas-Flüssigkeit-Gleichge- wicht mit Kondensation über der Siedelinie vor dem Erreichen des zweiten Kolbenumkehrpunkts (OT, 17) durch den Hubkolben (2) endet. 1 1. Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the course of the compression stroke an isothermal and isobaric wet gas compression by the reciprocating piston (2) in gas-liquid equilibrium with condensation above the boiling line before reaching the second piston reversal point (OT, 17) through the reciprocating piston (2) ends.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolben (2) einen Kurbelantrieb oder einen Linearantrieb treibt. 12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the lifting piston (2) drives a crank drive or a linear drive.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermodynamische Zustand des Gases stets unterhalb des kritischen Punktes (KP) des Gases in einem unterkritischen Zustand gehalten wird. 13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the thermodynamic state of the gas is always kept below the critical point (KP) of the gas in a subcritical state.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas ausschließlich C02 herangezogen wird und das Gas in flüssigem Zustand durch flüssiges C02 gebildet wird.
14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that C02 is used exclusively as the gas and the gas is formed in the liquid state by liquid CO 2.
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