WO2023104401A1 - Waermeuebertragerelement und dessen verwendung - Google Patents

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WO2023104401A1
WO2023104401A1 PCT/EP2022/080725 EP2022080725W WO2023104401A1 WO 2023104401 A1 WO2023104401 A1 WO 2023104401A1 EP 2022080725 W EP2022080725 W EP 2022080725W WO 2023104401 A1 WO2023104401 A1 WO 2023104401A1
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fluidized bed
inlet
upper distributor
exchanger tubes
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Klaus Stanke
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Andritz Technology And Asset Management Gmbh
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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Definitions

  • the invention relates to a fluidized bed with a heat exchanger, comprising a fluidized bed wall, the heat exchanger comprising at least one heat exchanger element and the heat exchanger element further comprising a horizontal inlet, a horizontal outlet, vertical heat exchanger tubes, a lower horizontal collector, the vertical heat exchanger tubes having at their lower end with are connected to the lower header and the lower header is connected to the outlet, an upper horizontal manifold, wherein the vertical heat exchanger tubes are connected at their upper end to the upper manifold and the upper manifold is connected to the inlet.
  • the invention also relates to the use of the heat exchanger element according to the invention.
  • Heat exchangers with vertical tubes are characterized, for example, by good accessibility and cleanability, but especially when operating with steam as the heat transfer medium.
  • the steam is added to the heat exchanger in the upper area of the heat exchanger via an inlet and the mixture of steam and condensate is removed via an outlet in the lower area of the heat exchanger.
  • the heat exchanger is typically arranged in a fluidized bed, with the inlet and outlet being guided through the wall of the fluidized bed.
  • a heat exchanger with vertical tubes is shown, for example, in FIG. 1 of AT 405 685 B.
  • WO 2012 163 961 discloses a steam generator with steam boilers which have riser pipes.
  • the steam boiler includes a heat exchanger, wherein feed water is supplied to the heat exchanger via a feed water supply in the lower area of the heat exchanger. The feed water rises in the pipes of the heat exchanger and is added to the riser pipe in the upper area.
  • a drain valve via which the system can be emptied, is also arranged in the lowest area of a connecting pipe, which is connected to the riser pipe.
  • the aim of the invention is a heat exchanger or a heat exchanger element which has an advantageous condensate transport in the direction of gravity or an advantageous dewatering behavior, but is not limited in terms of overall height.
  • a vertical riser pipe is arranged between the inlet and the upper distributor, the riser pipe connecting the inlet and the upper distributor and the riser pipe being designed in such a way that the inlet is arranged closer to the outlet than to the upper distributor, wherein the inlet and outlet are guided through the fluidized bed wall and the riser pipe, the upper distributor, the lower collector and the vertical heat exchanger tubes are arranged within the fluidized bed wall.
  • the outlet, lower header and the lower ends of the heat exchanger tubes are arranged below the inlet, upper distributor and the upper ends of the heat exchanger tubes.
  • a heat transfer medium for example steam
  • the heat transfer through the riser is comparatively negligible because the riser has a negligible surface area compared to the plurality of heat exchanger tubes.
  • the heat transfer medium is distributed over the heat exchanger tubes and flows downwards through them. Any condensation or condensate that occurs is advantageously transported downwards in the direction of gravity to the lower collector, which is advantageous with regard to the pressure loss that occurs in the heat exchanger element.
  • the removal of the heat transfer medium or any condensate continues through the drain.
  • the riser pipe allows outlet and inlet to be arranged closer to one another, ie so that in particular the inlet is arranged closer to the outlet than the upper distributor, the Stress of the heat exchanger element can be reduced.
  • the distance between the inlet and outlet is particularly decisive for the stress due to different thermal expansions of the surrounding wall and the heat exchanger element.
  • the heat exchanger element according to the invention thus allows the realization of significantly greater overall heights compared to the prior art.
  • the invention synergistically allows an advantageous pressure drop or dewatering behavior and an advantageous stress on the heat exchanger element.
  • the lower collector and the upper distributor of the heat exchanger element are designed as a tube.
  • the design as a tube is particularly easy and inexpensive to implement.
  • the lower collector and the upper distributor are advantageously arranged horizontally, which is advantageous with regard to the pressure loss that occurs, in particular when condensation occurs.
  • connection area of the upper distributor and the vertical heat exchanger tubes it is also preferable to use reinforcing elements, e.g. LI-shaped sleeves or caps, in the connection area of the upper distributor and the vertical heat exchanger tubes to protect against abrasion.
  • the connection area of the upper distributor and the vertical heat exchanger tubes is realized, for example, by welding or soldering. By using reinforcement elements in the sensitive connection area, the connection area can be protected against abrasion.
  • a heat exchanger element with a ratio of the hydraulic diameter of the upper distributor to the hydraulic diameter of one of the heat exchanger tubes of less than 2.5 and preferably less than 1.5. If several heat exchanger elements are combined to form one heat exchanger and in order to obtain heat exchangers with the highest possible packing density, it is important that the individual heat exchanger elements have sufficiently slim dimensions. This is made possible by advantageous dimensioning of the upper distributor, with the hydraulic diameter being formed as the quotient of the area through which flow occurs and the circumference of the area through which flow occurs.
  • An advantageous embodiment is characterized in that flow elements, eg throttles, screens, valves, flaps, etc., are arranged between the upper distributor and the vertical heat exchanger tubes to influence the flow through the heat exchanger tubes.
  • the heat transfer medium is fed to the heat exchanger tubes via the upper distributor, with the distribution of the heat transfer medium following the pressure distribution in the upper distributor.
  • flow elements are advantageously arranged between the upper distributor and the heat exchanger tubes, which have a balancing effect on the local pressure or flow.
  • At least one heat exchanger element forms a heat exchanger for a fluidized bed dryer, with two or more heat exchanger elements particularly preferably also forming the heat exchanger.
  • the heat exchanger elements can be arranged parallel to one another. Especially in fluidized bed applications, this allows fewer deposits on the heat exchanger than, for example, in heat exchangers with horizontal coils.
  • a fluidized bed with a fluidized bed wall and heat exchanger with heat exchanger elements is included, with the inlet and outlet being guided through the fluidized bed wall, the vertical heat exchanger tubes being arranged vertically, i.e. perpendicularly, and the riser tube, the upper distributor, the lower collector and the vertical heat exchanger tubes within the Fluidized bed wall are arranged.
  • the riser pipe connecting the inflow and the upper distributor and the riser pipe being designed in such a way that the inlet is arranged closer to the outlet than to the upper distributor the effect of the invention.
  • the invention also relates to the use of a heat exchanger in a fluidized bed with steam as the heat transfer medium.
  • a heat exchanger in a fluidized bed with steam as the heat transfer medium.
  • condensing media - such as steam -
  • the heat exchanger according to the invention has an advantageous effect, such as low pressure loss and optimal drainage properties.
  • FIG. 1 shows a heat exchanger element according to the invention.
  • Fig. 1 shows a heat exchanger element 1 with an inlet 2, an outlet 3, vertical heat exchanger tubes 4, a lower header 5, the vertical heat exchanger tubes 4 being connected at their lower end to the lower header 5 and the lower header 5 to the outlet 3 is connected, an upper distributor 6, wherein the vertical heat exchanger tubes 4 are connected at their upper end to the upper distributor 6 and the upper distributor 6 is connected to the inlet 2.
  • a vertical riser pipe 7 is arranged between the inlet 2 and the upper distributor 6, with the riser pipe 7 connecting the inlet 2 and the upper distributor 6 and with the riser pipe 7 being designed in such a way that the inlet 2 is closer to the outlet 3 than on the upper distributor 6 is arranged.
  • the present invention offers numerous advantages.
  • the heat exchanger element according to the invention effectively reduces the stress on the heat exchanger element and allows greater overall heights to be implemented. At the same time, the heat exchanger element according to the invention allows an advantageous pressure drop or an optimal drainage behavior.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeüberträgerelement (1) umfassend einen Zulauf (2), einen Ablauf (3), senkrechte Wärmeüberträgerrohre (4), einen unteren Sammler (5) und einen oberen Verteiler (6). Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass ein vertikales Steigrohr (7) zwischen dem Zulauf (2) und dem oberen Verteiler (6) angeordnet ist. Dies erlaubt im Anwendungsfall die Minimierung von Wärmespannungen im Wärmeübertragerelement (1).

Description

WAERMEUEBERTRAGERELEMENT UND DESSEN VERWENDUNG
Die Erfindung betrifft eine Wirbelschicht mit einem Wärmeübertrager, umfassend eine Wirbelschichtwandung, wobei der Wärmeübertrager zumindest ein Wärmeübertragerelement umfasst und das Wärmeübertragerelement weiter umfasst einen horizontalen Zulauf, einen horizontalen Ablauf, senkrechte Wärmeübertragerrohre, einen unteren horizontalen Sammler, wobei die senkrechten Wärmeübertragerrohre an deren unteren Ende mit dem unteren Sammler verbunden sind und der untere Sammler mit dem Ablauf verbunden ist, einen oberen horizontalen Verteiler, wobei die senkrechten Wärmeübertragerrohre an deren oberen Ende mit dem oberen Verteiler verbunden sind und der obere Verteiler mit dem Zulauf verbunden ist. Die Erfindung betrifft auch die erfindungsgemäße Verwendung des Wärmeübertragerelements.
Für den Einsatz in Wirbelschichten haben sich verschiedene Wärmeübertrager besonders bewährt, wie zum Beispiel horizontale Rohrschlangenwärmeübertrager, Plattenwärmeübertrager und Wärmeübertrager mit senkrechten Rohren. Wärmeübertrager mit senkrechten Rohren zeichnen sich beispielsweise durch eine gute Zugänglichkeit und Reinigbarkeit aus, insbesondere aber auch im Betrieb mit Dampf als Wärmeträgermedium. Dazu wird der Dampf im oberen Bereich des Wärmeübertragers über einen Zulauf dem Wärmeübertrager zugegeben und im unteren Bereich des Wärmeübertragers wird die Mischung aus Dampf und Kondensat über einen Ablauf entnommen. Typischerweise ist der Wärmeübertrager in einer Wirbelschicht angeordnet, wobei Zulauf und Ablauf durch die Wandung der Wirbelschicht geführt sind. Eine Wärmeübertrager mit senkrechten Rohren ist beispielsweise in Figur 1 der AT 405 685 B dargestellt. Wärmeübertrager des Stands der Technik erlauben einen vorteilhaften Transport des Kondensats - da in Richtung der Schwerkraft - sind allerdings in der Bauhöhe aufgrund von Festigkeitsüberlegungen und Spannungsbeanspruchungen limitiert. Eine höhere Bauhöhe kann durch ein alternatives Design, wie dem horizontalen Rohrschlangenwärmeübertrager, oder aber durch eine hängende Anordnung der senkrechten Rohren des Wärmeübertragers realisiert werden. Eine solche hängende Anordnung ist beispielsweise in Figur 1 der DE 32 33 959 A1 dargestellt.
Die WO 2012 163 961 offenbart einen Dampferzeuger mit Dampfkesseln, welche Steigrohre aufweisen. Dabei umfasst der Dampfkessel einen Wärmetauscher, wobei dem Wärmetauscher Speisewasser über eine Speisewasserzuführung im unteren Bereich des Wärmetauschers zugeführt wird. Das Speisewasser steigt in den Rohren des Wärmetauschers hoch und wird im oberen Bereich dem Steigrohr zugefügt. An einem Verbindungsrohr, welches mit dem Steigrohr verbunden ist, ist weiters im tiefstgelegenen Bereich ein Ablassventil angeordnet, über welches das System entleert werden kann.
Ziel der Erfindung ist ein Wärmeübertrager bzw. ein Wärmeübertragerelement, welches einen vorteilhaften Kondensattransport in Richtung der Schwerkraft bzw. ein vorteilhaftes Entwässerungsverhalten aufweist, jedoch nicht in der Bauhöhe limitiert ist.
Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass ein vertikales Steigrohr zwischen dem Zulauf und dem oberen Verteiler angeordnet ist, wobei das Steigrohr den Zulauf und den oberen Verteiler verbindet und wobei das Steigrohr derart ausgebildet ist, dass der Zulauf näher am Ablauf als am oberen Verteiler angeordnet ist, wobei der Zulauf und der Ablauf durch die Wirbelschichtwandung geführt sind und das Steigrohr, der obere Verteiler, der untere Sammler und die senkrechten Wärmeübertragerrohre innerhalb der Wirbelschichtwandung angeordnet sind. Dabei sind Ablauf, unterer Sammler und die unteren Enden der Wärmeübertragerrohre unterhalb von Zulauf, oberer Verteiler und den oberen Enden der Wärmeübertragerrohre angeordnet. Ein Wärmeträgermedium, z.B. Dampf, ist über den Zulauf dem Wärmeübertragerelement zuführbar, wobei das Wärmeträgermedium durch das Steigrohr dem oberen Verteiler zuführbar ist. Die Wärmeübertragung durch das Steigrohr ist vergleichsweise vernachlässigbar, da das Steigrohr im Vergleich zu der Vielzahl von Wärmeübertragerrohren eine vernachlässigbare Oberfläche aufweist. Aus dem oberen Verteiler verteilt sich das Wärmeträgermedium über die Wärmeübertragerrohre und durchströmt diese nach unten. Eine dabei erfolgende Kondensation bzw. auftretendes Kondensat wird vorteilhaft in Richtung der Schwerkraft nach unten zum unteren Sammler transportiert, was vorteilhaft hinsichtlich des im Wärmeübertragerelements auftretenden Druckverlusts ist. Die Abfuhr des Wärmeträgermediums bzw. allfälligen Kondensats erfolgt weiter durch den Ablauf. Da Ablauf und Zulauf typischerweise durch eine das Wärmeübertragerelement umgebende Wandung geführt sind, wobei das Steigrohr erlaubt, Ablauf und Zulauf näher zueinander anzuordnen, d.h. sodass insbesondere der Zulauf näher am Ablauf als am oberen Verteiler angeordnet ist, kann wirksam die Spannungsbeanspruchung des Wärmeübertragerelements reduziert werden. Für die Spannungsbeanspruchung in Folge unterschiedlicher thermischer Dehnungen von umgebender Wandung und Wärmeübertragerelement ist insbesondere der Abstand von Zulauf und Ablauf entscheidend. Das erfindungsgemäße Wärmeübertragerelement erlaubt damit die Realisierung deutlich größerer Bauhöhen verglichen zum Stand der Technik. Zusammenfassend erlaubt die Erfindung synergistisch einen vorteilhaften Druckverlust bzw. Entwässerungsverhalten sowie eine vorteilhafte Spannungsbeanspruchung des Wärmeübertragerelements.
Vorteilhafterweise ist der untere Sammler und der obere Verteiler des Wärmeübertragerelements als Rohr ausgebildet. Die Ausbildung als Rohr ist besonders einfach und günstig umsetzbar. Der untere Sammler und der obere Verteiler sind vorteilhafterweise horizontal angeordnet, was in Bezug auf den auftretenden Druckverlust, insbesondere bei Auftreten von Kondensation, von Vorteil ist.
Ebenso bevorzugt ist, im Verbindungsbereich des oberen Verteilers und der senkrechten Wärmeübertragerrohre Verstärkungselemente, z.B. Muffen oder Kappen in LI-Form, zum Schutz vor Abrasion auszuführen. Der Verbindungsbereich des oberen Verteilers und der senkrechten Wärmeübertragerrohre ist beispielsweise durch Schweißen oder Löten realisiert. Durch die Anwendung von Verstärkungselementen im empfindlichen Verbindungsbereich kann der Verbindungsbereich entsprechend vor Abrasion geschützt werden.
Weiter vorteilhaft ist, ein Wärmeübertragerelement mit einem Verhältnis des hydraulischen Durchmessers des oberen Verteilers zum hydraulischen Durchmesser eines der Wärmeübertragerrohre kleiner 2.5 und bevorzugt kleiner 1.5 zu realisieren. Wenn mehrere Wärmeübertragerelemente zu einem Wärmeübertrager zusammengefasst werden und um Wärmeübertrager mit einer möglichst hohen Packungsdichte zu erhalten, ist es wichtig, dass die einzelnen Wärmeübertragerelemente hinreichend schlanke Abmessungen aufweisen. Durch eine vorteilhafte Dimensionierung des oberen Verteilers wird dies ermöglicht, wobei der hydraulische Durchmesser zu bilden ist als Quotient aus durchströmter Fläche und dem Umfang der durchströmten Fläche. Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem oberen Verteiler und den senkrechten Wärmeübertragerrohren Strömungselemente, z.B. Drosseln, Blenden, Ventile, Klappen, etc., zur Beeinflussung der Durchströmung der Wärmeübertragerrohre angeordnet sind. Das Wärmeträgermedium wird über den oberen Verteiler den Wärmeübertragerrohren zugeführt, wobei die Verteilung des Wärmeträgermediums der Druckverteilung im oberen Verteiler folgt. Um eine möglichst gleichmäßige und damit optimale Verteilung auf die einzelnen Wärmeübertragerrohre zu erzielen, sind vorteilhafterweise Strömungselemente zwischen dem oberen Verteiler und den Wärmeübertragerrohren angeordnet, die eine vergleichmäßigende Wirkung auf den lokalen Druck bzw. Durchfluss haben.
Erfindungsgemäß bildet zumindest ein Wärmeübertragerelement einen Wärmeübertrager für einen Wirbelschichttrockner, wobei besonders bevorzugt auch zwei oder mehrere Wärmeübertragerelemente den Wärmeübertrager bilden. Dabei können die Wärmeübertragerelemente parallel zueinander angeordnet sein. Gerade in Wirbelschichtanwendungen erlaubt dies weniger Ablagerungen am Wärmeübertrager als beispielsweise bei Wärmeübertragern mit horizontalen Rohrschlangen.
Erfindungsgemäß ist eine Wirbelschicht mit einer Wirbelschichtwandung und Wärmeübertrager mit Wärmeübertragerelementen umfasst, wobei Zulauf und Ablauf durch die Wirbelschichtwandung geführt sind, die senkrechten Wärmeübertragerrohre senkrecht, d.h. lotrecht, angeordnet sind und das Steigrohr, der obere Verteiler, der untere Sammler und die senkrechten Wärmeübertragerrohre innerhalb der Wirbelschichtwandung angeordnet sind. Entsprechend der Führung von Zulauf und Ablauf durch die Wandung und Anordnung des Steigrohrs in der Wirbelschicht, wobei das Steigrohr den Zulauf und den oberen Verteiler verbindet und wobei das Steigrohr derart ausgebildet ist, dass der Zulauf näher am Ablauf als am oberen Verteiler angeordnet ist, ergibt sich die erfindungsgemäße Wirkung.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Wärmeübertragers in einer Wirbelschicht mit Dampf als Wämeträgermedium. Gerade bei kondensierenden Medien - wie Dampf - hat der erfindungsgemäße Wärmeübertrager eine vorteilhafte Wirkung, wie niedrigen Druckverlust und optimale Entwässerungseigenschaften.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielhaft beschrieben. Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Wärmeübertragerelement.
Fig. 1 zeigt ein Wärmeübertragerelement 1 mit einem Zulauf 2, einem Ablauf 3, senkrechten Wärmeübertragerrohren 4, einem unteren Sammler 5, wobei die senkrechten Wärmeübertragerrohre 4 an deren unteren Ende mit dem unteren Sammler 5 verbunden sind und der untere Sammler 5 mit dem Ablauf 3 verbunden ist, einem oberen Verteiler 6, wobei die senkrechten Wärmeübertragerrohre 4 an deren oberen Ende mit dem oberen Verteiler 6 verbunden sind und der obere Verteiler 6 mit dem Zulauf 2 verbunden ist. Weiter ist dargestellt, dass ein vertikales Steigrohr 7 zwischen dem Zulauf 2 und dem oberen Verteiler 6 angeordnet ist, wobei das Steigrohr 7 den Zulauf 2 und den oberen Verteiler 6 verbindet und wobei das Steigrohr 7 derart ausgebildet ist, dass der Zulauf 2 näher am Ablauf 3 als am oberen Verteiler 6 angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung bietet zahlreiche Vorteile. Das erfindungsgemäße Wärmeübertragerelement reduziert wirksam die Spannungsbeanspruchung des Wärmeübertragerelements und erlaubt größere Bauhöhen zu realisieren. Gleichzeitig erlaubt das erfindungsgemäße Wärmeübertragerelement einen vorteilhaften Druckverlust bzw. ein optimales Entwässerungsverhalten.

Claims

Patentansprüche
1 . Wirbelschicht mit einem Wärmeübertrager, umfassend eine Wirbelschichtwandung, wobei der Wärmeübertrager zumindest ein Wärmeübertragerelement (1) umfasst und das Wärmeübertragerelement (1 )weiter umfasst einen horizontalen Zulauf (2), einen horizontalen Ablauf (3), senkrechte Wärmeübertragerrohre (4), einen unteren horizontalen Sammler (5), wobei die senkrechten Wärmeübertragerrohre (4) an deren unteren Ende mit dem unteren Sammler (5) verbunden sind und der untere Sammler (5) mit dem Ablauf (3) verbunden ist, einen oberen horizontalen Verteiler (6), wobei die senkrechten Wärmeübertragerrohre (4) an deren oberen Ende mit dem oberen Verteiler (6) verbunden sind und der obere Verteiler (6) mit dem Zulauf (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet dass ein vertikales Steigrohr (7) zwischen dem Zulauf (2) und dem oberen Verteiler (6) angeordnet ist, wobei das Steigrohr (7) den Zulauf (2) und den oberen Verteiler (6) verbindet und wobei das Steigrohr (7) derart ausgebildet ist, dass der Zulauf (2) näher am Ablauf (3) als am oberen Verteiler (6) angeordnet ist, wobei der Zulauf (2) und der Ablauf (3) durch die Wirbelschichtwandung geführt sind und das Steigrohr (7), der obere Verteiler (6), der untere Sammler (5) und die senkrechten Wärmeübertragerrohre innerhalb der Wirbelschichtwandung angeordnet sind.
2. Wirbelschicht nach Anspruch 1 , wobei der untere Sammler (5) und der obere Verteiler (6) als horizontales Rohr (5,6) ausgebildet sind.
3. Wirbelschicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Verbindungsbereich des oberen Verteilers (6) und der senkrechten Wärmeübertragerrohre (4) Verstärkungselemente, z.B. Kappen in LI-Form, zum Schutz vor Abrasion ausgeführt sind.
4. Wirbelschicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis des hydraulischen Durchmessers des oberen Verteilers (6) zum hydraulischen Durchmesser eines der Wärmeübertragerrohre (4) kleiner 2.5 und bevorzugt kleiner 1 .5 ist.
5. Wirbelschicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen dem oberen Verteiler (6) und den senkrechten Wärmeübertragerrohren (4) Strömungselemente, z.B. Drosseln, Blenden, etc., zur Beeinflussung der Durchströmung der Wärmeübertragerrohre (4) angeordnet sind.
6 Wirbelschicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärmeübertragerelemente (1 ) parallel zueinander angeordnet sind. Verwendung eines Wärmeübertragers mit Dampf als Wärmeträgermedium in einer Wirbelschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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