ES2388124T3 - Intercambiador de calor en espiral - Google Patents
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Abstract
Intercambiador (1) de calor en espiral que incluye un cuerpo (2) en espiral formado por al menos dos láminas (10a, 10b) en espiral enrolladas para formar el cuerpo (2) en espiral que forma al menos un primer canal de flujo en for-ma de espiral para un primer medio y un segundo canal de flujo en forma de espiral para un segundo medio, en el que el cuerpo (2) en espiral está encerrado por una carcasa (4) sustancialmente cilíndrica que está dotada de elementos (8a, 8b, 9a, 9b) de conexión que se comunican con el primer canal (14a) de flujo y el segundo canal (14b) de flujo, y en el que se proporcionan elementos de separación en forma de varillas para separar el canal (14a, 14b) de flujo primero y segundo, y en el que cubiertas (7a, 7b) de extremo desmontables cubren los extremos abiertos de la carcasa (4), caracterizado porque las al menos dos láminas (10a, 10b) en espiral forman también el centro (3) del cuerpo (2) en espiral, en el que cada lámina (10a, 10b) en espiral comprende una primera parte (12a, 12b) de lámina que forma el centro (3) del cuerpo (2) en espiral y una segunda parte (13a, 13b) de lámina que forma los canales (14a, 14b) de flujo, y en el que la primera parte (12a, 12b) de lámina está hecha de un material que es más grueso que la segunda parte (13a, 13b) de lámina.
Description
Intercambiador de calor en espiral.
Area de la invencion
La presente invencion se refiere en general a intercambiadores de calor en espiral que permiten una transferencia de 5 calor entre dos fluidos a temperaturas diferentes para diversos fines. Especificamente, la invencion se refiere a un intercambiador de calor en espiral que tiene un cuerpo en espiral fabricado mediante un metodo de formacion mejorado.
Un intercambiador de calor en espiral segun el preambulo de la reivindicacion 1 se conoce a partir del documento JP 7 4874.
Antecedentes de la invencion
10 Convencionalmente, los intercambiadores de calor en espiral se fabrican por medio de una operacion de enrollamiento. Las dos laminas se sueldan entre si en un extremo respectivo, en el que la union soldada estara comprendida en una parte central de las laminas. Las dos laminas se enrollan la una alrededor de la otra mediante el uso de un mandril retractil o similar para formar el elemento en espiral de las laminas para delimitar dos pasos o canales de flujo separados. Elementos de separacion, que tienen una altura correspondiente al ancho de los canales de flujo, se unen a las
15 laminas.
Tras retraer el mandril, se forman dos canales de entrada/salida en el centro del elemento en espiral. Los dos canales estan separados entre si por la parte central de las laminas. Una carcasa se forma por el giro externo del elemento en espiral. Los extremos laterales del elemento en espiral se procesan, pudiendo cerrarse lateralmente los canales de flujo en espiral en los dos extremos laterales de diversas maneras. Normalmente, una cubierta se une a cada uno de los ex
20 tremos. Una de las cubiertas puede incluir dos tuberias de conexion que se extienden hacia el interior del centro y que se comunican con uno respectivo de los dos canales de flujo. En los extremos externos radiales de los canales de flujo en espiral un colector respectivo se suelda a la carcasa o al elemento en espiral desde un elemento de salida/entrada al canal de flujo respectivo.
Alternativamente puede usarse un centro tubular en lugar de formar el centro del cuerpo en espiral mediante un proceso
25 de enrollamiento. Las laminas para formar los canales se sueldan sobre el centro tubular. Tras soldar las laminas sobre el centro tubular, las laminas se enrollan mediante una bobinadora para formar los canales de fluido.
Un problema con el centro enrollado de los intercambiadores de calor en espiral anteriores es que el centro puede ser debil contra la fatiga debido al hecho de que la lamina que forma el centro es la misma que la lamina que forma los canales. Un problema con la solucion de centro tubular es que debido a la baja cantidad, los centros tubulares son caros y
30 dificiles de adquirir, especialmente para centros tubulares hechos de otros materiales distintos a la aleacion de acero inoxidable de calidad SAE 316L y 304.
Descripcion de la invencion
El objeto de la presente invencion es superar los problemas mencionados anteriormente con los intercambiadores de calor en espiral de la tecnica anterior. Mas especificamente, se refiere a un intercambiador de calor en espiral en el que
35 la solucion simplificada para el centro del cuerpo en espiral tiene una alta resistencia a la fatiga y sera mas barata de fabricar.
Este objeto se consigue mediante un intercambiador de calor en espiral que incluye un cuerpo en espiral formado por al menos dos laminas en espiral enrolladas para formar el cuerpo en espiral que forma al menos un primer canal de flujo en forma de espiral para un primer medio y un segundo canal de flujo en forma de espiral para un segundo medio, en el
40 que el cuerpo en espiral esta encerrado por una carcasa sustancialmente cilindrica que esta dotada de elementos de conexion que se comunican con el primer canal de flujo y el segundo canal de flujo, y en el que se proporcionan elementos de separacion en forma de varillas para separar el canal de flujo primero y segundo, y en el que cubiertas de extremo desmontables cubren los extremos abiertos de la carcasa, en el que las al menos dos laminas en espiral tambien forman el centro del cuerpo en espiral, en el que cada lamina en espiral comprende una primera parte de lamina que
45 forma el centro del cuerpo en espiral y una segunda parte de lamina que forma los canales de flujo, y en el que la primera parte de lamina esta hecha de un material que es mas grueso que la segunda parte de lamina.
Segun un primer aspecto de la invencion la primera parte de lamina y la segunda parte de lamina estan soldadas entre si y una parte de transicion proporcionada entre las dos partes de lamina presenta una seccion decreciente desde la primera parte de lamina hasta la segunda parte de lamina.
50 Segun otro aspecto de la invencion el centro del cuerpo en espiral esta sellado y la salida/entrada del primer canal de flujo esta ubicada en el centro de la cubierta.
2
Segun aun otro aspecto de la invencion cada extremo del centro de la espiral del cuerpo en espiral esta sellado mediante una cubierta.
Segun un aspecto adicional de la invencion el centro de la espiral del cuerpo en espiral y el primer enrollamiento del cuerpo en espiral estan retraidos en relacion con el resto del cuerpo en espiral y los canales de flujo para crear una entrada o salida, respectivamente, justo fuera del centro de la espiral del cuerpo en espiral.
Un objeto adicional de la invencion es formar un centro del cuerpo en espiral en un intercambiador de calor en espiral que tenga una alta resistencia a la fatiga y que sea mas barato de fabricar.
Este objeto se consigue con un metodo para fabricar un cuerpo en espiral de intercambiador de calor en espiral segun cualquiera de las reivindicaciones 15 que incluye las siguientes etapas:
insertar dos laminas desde lados opuestos en un mandril retractil, en el que las dos laminas comprenden una primera parte de lamina que constituye el centro del cuerpo en espiral y una segunda parte de lamina que constituye los canales de flujo del cuerpo en espiral, y en el que la primera parte de lamina esta hecha de un material que es mas grueso que la segunda parte de lamina;
- enrollar las dos laminas para formar un cuerpo en espiral en una bobinadora;
- soldar cada una de las laminas a la otra lamina en la posicion para sellar el centro de la espiral; y
- soldar las cubiertas a cada extremo del centro de la espiral para cerrar mediante sellado el centro de la espiral.
Aspectos adicionales de la invencion resultaran evidentes a partir de las reivindicaciones dependientes y la descripcion.
Breve descripcion de los dibujos
Objetos, caracteristicas y ventajas adicionales se desprenderan de la siguiente descripcion detallada de varias realizaciones de la invencion con referencia a los dibujos, en los que:
la figura 1 es una vista en perspectiva de un intercambiador de calor en espiral;
la figura 2 es una vista general esquematica de un intercambiador de calor en espiral;
la figura 3 es una vista en seccion transversal de un centro de un intercambiador de calor en espiral de la tecnica anterior;
la figura 4 es una vista en seccion transversal de un centro de un intercambiador de calor en espiral de la tecnica anterior;
la figura 5 es una primera vista en seccion transversal de un centro de un intercambiador de calor en espiral segun la presente invencion; y
la figura 6 es una vista en perspectiva de un intercambiador de calor en espiral segun la presente invencion.
Descripcion detallada de las realizaciones
Un intercambiador de calor en espiral incluye al menos dos laminas en espiral que se extienden a lo largo de una trayectoria en forma de espiral respectiva alrededor de un eje de centro comun y que forman al menos dos canales de flujo en forma de espiral, que son sustancialmente paralelos entre si, en el que cada canal de flujo incluye un orificio radialmente externo, que permite la comunicacion entre el canal de flujo respectivo y un conducto de salida/entrada respectivo y que esta ubicado en una parte radialmente externa del canal de flujo respectivo con respecto al eje de centro, y un orificio radialmente interno, que permite la comunicacion entre el canal de flujo respectivo y una camara de entrada/salida respectiva, de modo que cada canal de flujo permite que un fluido de intercambio de calor fluya en una direccion sustancialmente tangencial con respecto al eje de centro, en el que el eje de centro se extiende a traves de las camaras de entrada/salida en el orificio radialmente interno. Pueden unirse elementos de separacion, que tienen una altura correspondiente al ancho de los canales de flujo, a las laminas.
En la figura 1 se muestra una vista en perspectiva de un intercambiador 1 de calor en espiral segun la presente invencion. El intercambiador 1 de calor en espiral incluye un cuerpo 2 en espiral. Las laminas 10a, 10b estan dotadas de un elemento de separacion (no mostrado) unido a las laminas o formado en la superficie de las laminas. Los elementos de separacion sirven para formar los canales 14a, 14b de flujo (vease la figura 5) entre las laminas 10a, 10b y tienen una altura correspondiente al ancho de los canales de flujo. En la figura 1 el cuerpo 2 en espiral solo se ha mostrado esquematicamente con varios enrollamientos, pero es obvio que puede incluir enrollamientos adicionales y que los enrollamientos se forman desde el centro del cuerpo 2 en espiral completamente hasta la periferia del cuerpo 2 en espiral. El cuerpo 2 en espiral puede estar encerrado por una carcasa 4 separada, pero normalmente las laminas que forman el cuerpo 2 en espiral constituyen tambien la carcasa mediante el enrollamiento externo de la lamina. El centro 3 del intercambiador 1 de calor en espiral se cubre mediante una cubierta 15 (mostrada esquematicamente en la figura 2), que se suelda sobre el cuerpo 2 en espiral. Los canales 14a, 14b de fluido se cubren mediante tapas o cubiertas 7a, 7b de extremo, que se unen de manera desmontable al intercambiador de calor en espiral mediante un perno 6 o similar.
Una de las cubiertas 7a, 7b puede incluir dos tuberias 8a, 8b de conexion que se extienden hacia el interior del centro y que se comunican con uno respectivo de los dos canales de flujo, o cada una de las cubiertas 7a, 7b puede incluir una tuberia 8a, 8b de conexion, que se extiende hacia el interior del centro y que se comunica con uno respectivo de los dos canales de flujo. En los extremos externos radiales de los canales 14a, 14b de flujo en espiral, respectivamente, esta soldado un colector 5 a la carcasa 4 o al elemento �a, �b en espiral que forma un elemento de salida/entrada al canal de flujo respectivo 14a, 14b.
El intercambiador 1 de calor en espiral esta dotado ademas de juntas, estando dispuesta cada junta entre las partes de extremo del cuerpo 2 en espiral y la superficie interna de las cubiertas 7a, 7b de extremo para cerrar mediante sellado los canales 14a, 14b de flujo frente a fugas externas y para impedir el desvio entre los diferentes enrollamientos o vueltas del mismo canal de flujo. La junta puede formarse como una espiral similar a la espiral del cuerpo 2 en espiral, entonces se comprime sobre cada enrollamiento del cuerpo 2 en espiral. Alternativamente las juntas se comprimen entre el cuerpo 2 en espiral y la superficie interna de la cubierta 7a, 7b de extremo. Las juntas pueden configurarse tambien de otras maneras siempre que se consiga el efecto de sellado.
Aunque no se ha mencionado, esta claro para un experto en la tecnica que la superficie externa del cuerpo 2 en espiral esta dotada normalmente de varillas (o elementos de separacion) que se soportan contra la superficie interna de la carcasa para resistir la presion de los fluidos de trabajo del intercambiador 1 de calor en espiral.
Tal como se menciono anteriormente el centro del cuerpo 2 en espiral se forma enrollando dos laminas 10a, 10b de metal alrededor de un mandril 11 retractil (no mostrado). Cada lamina 10a, 10b de metal comprende una primera parte 12a, 12b de lamina mas gruesa y una segunda parte 13a, 13b de lamina mas delgada. La primera parte 12a, 12b mas gruesa, que solo constituye una parte mas corta de la lamina 10a, 10b de metal, se usa para formar el centro 3 del cuerpo 2 en espiral. La segunda parte 13a, 13b mas delgada constituye una parte mas larga de la lamina 1�a, 10b de metal que se usa para formar los canales 14a, 14b de flujo del cuerpo 2 en espiral. La longitud de la parte respectiva depende del diametro del centro 3 y la longitud de los canales de fluido, respectivamente. Las dos partes de cada lamina de metal estan soldadas entre si, y una seccion de transicion entre las dos partes presenta una seccion decreciente para tener una transicion suave desde la parte 12a, 12b de lamina mas gruesa hasta la parte 13a, 13b de lamina mas delgada. Segun un ejemplo la primera parte mas gruesa de la lamina de metal tiene un grosor de aproximadamente 68 mm y la segunda parte mas delgada de la lamina de metal tiene un grosor de aproximadamente 22,5 mm, pero tambien son posibles otros ejemplos de grosor siempre que el centro 3 tenga una buena resistencia contra la fatiga y que se cree un buen intercambio termico entre los dos canales de fluido.
El centro 3 del cuerpo 2 en espiral se forma insertando cada primera parte mas gruesa de las dos laminas de metal en ranuras opuestas del mandril retractil. Las laminas de metal se insertan aproximadamente de 1/5 a 1/3 del diametro del mandril en el interior de las ranuras. Tras la insercion de las laminas de metal la bobinadora enrolla las laminas para formar el cuerpo 2 en espiral. La seccion de transicion entre la primera parte 12a, 12b mas gruesa de la lamina de metal y la segunda parte 13a, 13b mas delgada de la lamina de metal esta ubicada aproximadamente despues de poco mas de media vuelta. Despues de que la bobinadora ha completado el enrollamiento de las laminas de metal se retira el cuerpo 2 en espiral de la bobinadora y se retira el mandril retractil. El cuerpo 2 en espiral se mueve a una estacion de soldado para cerrar o sellar manualmente o mediante una soldadora los dos canales 14a, 14b de fluido entre si y para sellar el centro 3 de la espiral con respecto a los canales 14a, 14b de fluido, soldando entre si las partes 12a, 12b de lamina mas gruesas en una posicion 16a, 16b. La posicion 16a es sustancialmente igual a una posicion, en la que la parte 12a de lamina mas gruesa ha completado solo mas de media vuelta y despues de que la parte 12a de lamina mas gruesa haya alcanzado la otra parte 12b mas gruesa y comience a presentar una seccion decreciente hasta la parte 13a de lamina mas delgada. La posicion 16b es sustancialmente igual a una posicion en la que la parte 12b de lamina mas gruesa ha completado solo mas de media vuelta y despues de que la parte 12b mas gruesa haya alcanzado la otra parte 12a mas gruesa y comience a presentar una seccion decreciente hasta la parte 13b de lamina mas delgada. �inalmente las tapas o cubiertas 15 (mostradas esquematicamente en la figura 2) se sueldan sobre cada abertura de extremo del centro 3 de la espiral para conseguir un centro 3 de la espiral muy resistente y sellado.
El centro 3 de la espiral y el primer enrollamiento de los canales 14a, 14b de flujo estan retraidos en cada extremo en comparacion con los enrollamientos restantes de los canales 14a, 14b de fluido para permitir que los fluidos entren al/salgan del intercambiador de calor en espiral puesto que el centro 3 de la espiral esta sellado mediante tapas/cubiertas 15. La medida de la retraccion 17 del centro de la espiral depende del flujo de fluido requerido, y en una realizacion preferida la retraccion asciende a aproximadamente �0 mm, pero obviamente tambien son posibles otras medidas.
Para cerrar los dos canales 14a, 14b de fluido entre si e impedir el mezclado del fluido de los canales de flujo respectivos los bordes mas externos del cuerpo 2 en espiral se pliegan de modo que cada dos enrollamientos la abertura esta cerrada y que el pliegue se suelda para garantizar el cierre. Esto se hace de manera alterna sobre los dos extremos del cuerpo 2 en espiral de modo que por ejemplo en el extremo del cuerpo 2 en espiral cubierto posteriormente mediante la cubierta 7a se cierra el canal 14b de fluido y en el extremo del cuerpo 2 en espiral cubierto posteriormente mediante la cubierta 7b se cierra el canal 14a de fluido. Tal como se menciono anteriormente se disponen juntas entre las partes de extremo del cuerpo 2 en espiral y la superficie interna de las cubiertas 7a, 7b de extremo para cerrar mediante sellado y para guiar el fluido a traves de los canales de flujo.
La funcionalidad del intercambiador 1 de calor en espiral es tal como sigue: un primer medio entra en el intercambiador 1 de calor en espiral a traves del primer elemento 8a de conexion dispuesto en el centro de la cubierta 7a del intercambiador 1 de calor en espiral y formado como entrada y en la que el primer elemento 8a de conexion esta conectado a una disposicion de tuberias. El primer elemento 8a de conexion se comunica con un primer canal 14a de flujo del cuerpo 2 en espiral, que �comienza� en el primer enrollamiento abierto fuera del centro 3 de la espiral y el primer medio se transporta a traves del primer canal 14a de flujo al segundo elemento �a de comunicacion, que esta dispuesto sobre la periferia del cuerpo 2 en espiral y sobre la carcasa 4, formado como salida, en la que el primer medio abandona el intercambiador 1 de calor en espiral. El segundo elemento �a de comunicacion esta conectado a una disposicion de tuberias para el transporte adicional del primer medio.
Un segundo medio entra en el intercambiador 1 de calor en espiral a traves del segundo elemento �b de conexion, que esta dispuesto sobre la periferia externa del cuerpo 3 en espiral y la carcasa 4, formado como entrada, estando conectado el segundo elemento �b de conexion a una disposicion de tuberias. El segundo elemento �b de conexion se comunica con un segundo canal 14b de flujo del cuerpo 2 en espiral y el primer medio se transporta a traves del segundo canal 14b de flujo al primer elemento 8b de conexion formado como salida, en la que el segundo medio abandona el intercambiador 1 de calor en espiral. El primer elemento 8b de conexion, que esta dispuesto sobre el centro de la cubierta 7a del intercambiador 1 de calor en espiral, esta conectado adicionalmente a una disposicion de tuberias para el transporte adicional del segundo medio.
Dentro del cuerpo 2 en espiral tiene lugar un intercambio de calor entre el primer y el segundo medio, de modo que un medio se calienta y el otro medio se enfria. Dependiendo del uso especifico del intercambiador 1 de calor en espiral variara la seleccion de los dos medios. Anteriormente se ha descrito que los dos medios circulan en sentidos opuestos a traves del intercambiador 1 de calor en espiral, pero resulta evidente que pueden circular tambien en el mismo sentido.
En la descripcion anterior el termino elemento de conexion se ha usado como elemento conectado al intercambiador de calor en espiral y mas especificamente a los canales 14a, 14b de flujo o de fluido del intercambiador 1 de calor en espiral, pero debe entenderse que el elemento de conexion es una tuberia de conexion o similar que normalmente se suelda sobre el intercambiador de calor en espiral y puede incluir medios para conectar disposiciones de tuberias adicionales al elemento de conexion.
En la figura 3 se muestra la solucion de la tecnica anterior del centro 100 de la espiral realizado a partir de un centro 101 tubular con laminas para formar los canales de flujo soldados sobre el mismo. En la figura 4 se muestra la solucion de la tecnica anterior del centro 200 de la espiral realizado a partir de dos laminas 201 que se sueldan entre si y se enrollan para formar el centro de la espiral y los canales de flujo.
La invencion no se limita a las realizaciones descritas anteriormente y mostradas en los dibujos, sino que puede complementarse y modificarse de cualquier manera dentro del alcance de la invencion tal como se define mediante las reivindicaciones adjuntas.
Claims (7)
- REIVINDICACIONES
- 1.
- Intercambiador (1) de calor en espiral que incluye un cuerpo (2) en espiral formado por al menos dos laminas (10a, 10b) en espiral enrolladas para formar el cuerpo (2) en espiral que forma al menos un primer canal de flujo en forma de espiral para un primer medio y un segundo canal de flujo en forma de espiral para un segundo medio, en el que el cuerpo (2) en espiral esta encerrado por una carcasa (4) sustancialmente cilindrica que esta dotada de elementos (8a, 8b, �a, �b) de conexion que se comunican con el primer canal (14a) de flujo y el segundo canal (14b) de flujo, y en el que se proporcionan elementos de separacion en forma de varillas para separar el canal (14a, 14b) de flujo primero y segundo, y en el que cubiertas (7a, 7b) de extremo desmontables cubren los extremos abiertos de la carcasa (4), caracterizado porque las al menos dos laminas (10a, 10b) en espiral forman tambien el centro (3) del cuerpo (2) en espiral, en el que cada lamina (10a, 10b) en espiral comprende una primera parte (12a, 12b) de lamina que forma el centro (3) del cuerpo (2) en espiral y una segunda parte (13a, 13b) de lamina que forma los canales (14a, 14b) de flujo, y en el que la primera parte (12a, 12b) de lamina esta hecha de un material que es mas grueso que la segunda parte (13a, 13b) de lamina.
-
- 2.
- Intercambiador (1) de calor en espiral segun la reivindicacion 1, en el que la primera parte (12a, 12b) de lamina y la segunda parte (13a, 13b) de lamina estan soldadas entre si y en el que una parte de transicion proporcionada entre las dos partes (12a, 12b; 13a, 13b) de lamina presenta una seccion decreciente desde la primera parte (12a, 12b) de lamina hasta la segunda parte (13a, 13b) de lamina.
-
- 3.
- Intercambiador (1) de calor en espiral segun la reivindicacion 1 o 2, en el que el centro (3) del cuerpo (2) en espiral esta sellado y en el que la salida/entrada del primer canal (14a) de flujo esta ubicada en el centro de la cubierta (7a).
-
- 4.
- Intercambiador (1) de calor en espiral segun la reivindicacion 3, en el que cada extremo del centro (3) de la espiral del cuerpo (2) en espiral esta sellado mediante una cubierta.
-
- 5.
- Intercambiador (1) de calor en espiral segun la reivindicacion 4, en el que el centro (3) de la espiral del cuerpo
(2) en espiral y el primer enrollamiento del cuerpo (2) en espiral estan retraidos en relacion con el resto del cuerpo (2) en espiral y los canales (14a, 14b) de flujo para crear una entrada o salida (8a, 8b), respectivamente, dispuesta en el centro de la cubierta (7a). - 6. Metodo para fabricar un cuerpo (2) en espiral de intercambiador (1) de calor en espiral segun cualquiera de las reivindicaciones 15, caracterizadoporlas siguientes etapas:insertar dos laminas (10a, 10b) desde lados opuestos en un mandril retractil, en el que cada una de las dos laminas (10a, 10b) comprende una primera parte (12a, 12b) de lamina que constituye el centro (3) del cuerpo (2) en espiral y una segunda parte (13a, 13b) de lamina que constituye los canales (14a, 14b) de flujo del cuerpo (2) en espiral, y en el que la primera parte (12a, 12b) de lamina esta hecha de un material que es mas grueso que la segunda parte (13a, 13b) de lamina;
- enrollar las dos laminas (10a, 10b; 12a, 12b; 13a, 13b) para formar un cuerpo (3) en espiral en una bobinadora;
- soldar la primera parte de lamina de una lamina a la primera parte de lamina de la otra lamina en la posicion (16a, 16b) para formar el centro (3) de la espiral; y
- soldar las cubiertas a cada extremo del centro (3) de la espiral para cerrar mediante sellado el centro (3) de la espiral.
- 7. Metodo para fabricar un cuerpo (2) en espiral de intercambiador (1) de calor en espiral segun las reivindicaciones 6, en el que:se sueldan las cubiertas a cada extremo del centro (3) de la espiral para cerrar mediante sellado el centro (3) de la espiral, estando retraido el centro (3) de la espiral formado por las primeras partes (1 2, 12b) de lamina en comparacion con la segunda parte (13a, 13b) de lamina que constituye los canales (14a, 14b) de flujo creando una entrada o salida (8a, 8b), respectivamente, dispuesta en el centro de la cubierta (7a).
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