CN101970953A - 二氧化碳制冷剂蒸汽压缩*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二氧化碳制冷剂蒸汽压缩***以及运行该***的方法。制冷剂蒸汽压缩***包括：压缩装置；闪蒸罐容纳器，其设置于制冷剂回路中，并位于制冷剂排热换热器和制冷剂吸热换热器之间；以及压缩机卸载回路，其包括制冷剂管路和设置于所述卸载回路制冷剂管路中的卸载回路流控制装置，其中制冷剂管路在压缩装置的中间压力级与位于制冷剂吸热换热器的下游和至压缩装置的吸入入口的上游的位置处的制冷剂回路之间形成制冷剂流连通。响应于由至少一个传感器感测的至少一个***运行参数，控制器选择性地定位卸载流控制装置，从而维持制冷剂蒸汽压缩***在低于预定高压极限下运行。

Description

二氧化碳制冷剂蒸汽压缩***
【技术领域】
本发明总体上涉及一种制冷剂蒸汽压缩***，且更特别地涉及一种利用二氧化碳制冷剂的制冷剂蒸汽压缩***。
【背景技术】
制冷剂蒸汽压缩***在本领域内众所周知，并且通常用于对被供应到住宅、办公楼、医院、学校、饭店或其它设施内的气候受控舒适区域内的空气进行调节。制冷剂蒸汽压缩***也通常用于对被供应到货车、拖车、容器或用于运输易腐物品的类似装置的温度受控货物空间的空气进行制冷的运输制冷***中。典型地，这些制冷剂蒸汽压缩***中的大多数在亚临界制冷剂压力下运行，并典型地包括压缩机、冷凝器、蒸发器以及膨胀装置，膨胀装置通常为膨胀阀，并且相对于制冷剂流设置于蒸发器上游处和冷凝器下游处。这些基本的制冷剂***部件由处于封闭制冷剂回路中的根据已知制冷剂蒸汽压缩循环设置的制冷剂管路互连，并且使用时在用于特定制冷剂的亚临界压力范围内运行。在亚临界范围内运行的制冷剂蒸汽压缩***通常充注传统的碳氟化合物制冷剂，诸如但不局限于诸如R22的氢氯氟碳化合物(hydrochlorofluorocarbon，HCFC)、更常用的为诸如R134a、R410A以及R407C的氢氟碳化合物(hydrofluorocarbon，HFC)。
在现在的市场上，显示出对“天然”制冷剂(诸如二氧化碳)的更大兴趣，以代替HFC制冷剂用于空气调节和运输制冷剂***中。然而，因为二氧化碳具有低临界温度，因此充注作为制冷剂的二氧化碳的大多数制冷剂蒸汽压缩***设计为在跨临界压力范围(transcritical pressure regime)内运行。例如，运输制冷剂蒸汽压缩***也必须在超过二氧化碳的临界点压力的压缩机排放压力下运行，7.38Mpa(1070psia)将在跨临界循环中起作用，其中运输制冷剂蒸汽压缩***具有空冷制冷剂排热交换器，空冷制冷剂排热交换器在具有环境空气温度超过二氧化碳的临界点即31.1℃(87.8°F)的环境中运行。在以跨临界循环运行的制冷剂蒸汽压缩***中，在蒸发器在亚临界范围内的制冷剂温度和压力下运行的同时，制冷剂排热交换器作为气体冷却器而非冷凝器运行，并且在超过制冷剂临界点的制冷剂温度和压力下运行。
传统的充注传统碳氟化合物制冷剂的亚临界制冷剂蒸汽压缩***也可包括在制冷剂回路内设置于冷凝器下游和膨胀装置上游的容纳器(receiver)。来自冷凝器的液体制冷剂进入容纳器罐并安置到罐的底部。由于这种液体将处于饱和温度下，因此制冷剂蒸汽将填充罐内的未被液体制冷剂填充的空间。液体制冷剂通过控制至蒸发器的制冷剂流的膨胀阀而被定量排出容纳器罐。当亚临界制冷剂蒸汽压缩***的运行条件改变时，用于***的充注要求将改变，且容纳器罐内的液体高度将根据情况适当地上升或下降，以形成新的平衡液体高度。
第5,174,123号美国专利公开一种用于运输制冷应用的亚临界制冷剂蒸汽压缩***，其包括压缩机、冷凝器、以及蒸发器，且在压缩机和蒸发器之间设置有闪蒸罐(flash tank)。制冷剂在饱和状态下从冷凝器流入闪蒸罐。制冷剂流入闪蒸罐的流动通过选择性地打开或关断过冷却阀以维持期望程度的过冷却进行控制。液体制冷剂从闪蒸罐流出流到蒸发器的流动通过吸入端过热的热力膨胀阀(suction superheat thermostatic expansion valve)进行控制。在闪蒸罐内的在其中的液体制冷剂上方收集的制冷剂蒸汽回流到压缩机，被注射进压缩机的中间压力级。
然而，在跨临界制冷剂蒸汽压缩***中，对***制冷剂充注量的控制是较为复杂的，这是因为离开气体冷却器的压缩机高侧的制冷剂高于制冷剂临界点，且不存在明显的液相或气相，因此存在于容纳器内的充注量成为温度和压力的函数，这可能不会以期望方式对***充注要求进行响应。第6,385,980号美国专利公开了一种跨临界制冷剂蒸汽压缩***，其包括闪蒸罐和控制器，闪蒸罐设置于气体冷却器和蒸发器之间，控制器响应于在气体冷却器内感测到的制冷剂压力而调节阀，以控制闪蒸罐内的充注量，从而调节气体冷却器内的制冷剂压力。超临界制冷剂从气体冷却器流入闪蒸罐的流动通过调节闪蒸罐的进入侧上的串联(in-line)型膨胀阀而进行控制，且液体制冷剂从闪蒸罐流入蒸发器的流动通过闪蒸罐的排出侧上的串联型膨胀阀进行控制。在闪蒸罐内的在其中的制冷剂液体上方收集的制冷剂蒸汽回流到压缩装置的中间压力阶段。因此，闪蒸罐既作用为节约装置也作用为制冷剂充注量控制装置。
【发明内容】
根据本发明的一个方面，一种二氧化碳制冷剂蒸汽压缩***包括制冷剂回路，制冷剂回路具有制冷剂压缩装置、制冷剂排热换热器、制冷剂加热换热器以及膨胀装置，其中，制冷剂排热换热器用于以与冷却介质成换热关系的方式输送从压缩装置接收的处在高压下的制冷剂，制冷剂加热换热器用于以与加热介质成换热关系的方式输送处于低压制冷剂下的制冷剂，膨胀装置设置于制冷剂回路中、并位于制冷剂冷却换热器的下游和制冷剂加热换热器的上游处。闪蒸罐容纳器设置于制冷剂回路中、并位于制冷剂排热换热器的下游和膨胀装置的上游处。另外，制冷剂蒸汽压缩***包括压缩机卸载回路，压缩机卸载回路具有制冷剂管路和设置在卸载回路制冷剂管路中的卸载回路流控制装置，其中制冷剂管路在压缩装置的中间压力级与位于制冷剂吸热换热器的下游和至压缩装置的吸入入口的上游的位置处的制冷剂回路之间形成制冷剂流连通。提供控制器，其操作性地联接膨胀装置和卸载回路流控制阀，控制器是响应于由至少一个传感器感测到的至少一个***运行参数而操作，以选择性地定位卸载流控制装置，从而维持制冷剂蒸汽压缩***在低于预定上限压力的排出压力下运行。在一个实施方式中，被感测的运行参数可以是例如制冷剂排出压力或制冷剂排出温度。
在本发明的另一方面，提供一种用于控制二氧化碳制冷剂蒸汽压缩***的运行的方法，二氧化碳制冷剂蒸汽压缩***包括制冷剂压缩装置、制冷剂排热换热器、闪蒸罐容纳器、膨胀装置以及以串流布置方式设置于所述制冷剂回路中的制冷剂吸热换热器。该方法包括如下步骤：提供压缩机卸载回路，压缩机卸载回路包括制冷剂管路和设置在卸载回路制冷剂管路中的卸载回路流控制装置，其中制冷剂管路在压缩装置的中间压力级与位于制冷剂吸热换热器的下游和至压缩装置的吸入入口的上游的位置处的制冷剂回路之间形成制冷剂流连通；在制冷剂回路中的至少一点处感测制冷剂的至少一个运行参数；调节膨胀装置以选择性地将来自闪蒸罐容纳器的液体制冷剂流供应到制冷剂吸热换热器；响应于至少一个感测到的运行参数，将卸载回路流控制装置定位于打开位置和关断位置之间，其中制冷剂在打开位置从压缩过程的中间压力级通过卸载回路制冷剂管路输送至吸入压力，通过卸载回路制冷剂管路的制冷剂流在关断位置被阻断。在一个实施方式中，被感测的运行参数可以是例如制冷剂排出压力或制冷剂排出温度。
附图说明
为进一步理解本发明，将参考关联附图进行研读的本发明的以下详细描述，其中：
图1是图示根据本发明的制冷剂蒸汽压缩***的一个示例性实施方式的示意图。
【具体实施方式】
现参见图1，制冷剂蒸汽压缩***10包括：压缩装置20，其由与压缩装置20操作性地联接的马达30驱动；制冷剂排热换热器40；制冷剂吸热换热器50，其在本文中也称作蒸发器；这些被包括的装置通过各种制冷剂管路2、4以及6以闭环制冷剂回路形式以制冷剂串流布置方式进行连接。另外，制冷剂蒸汽压缩***10包括闪蒸罐容纳器60和蒸发器膨胀装置55，闪蒸罐容纳器60设置于制冷剂回路的制冷管路4中、并且位于制冷剂排热换热器40的制冷剂流的下游以及位于蒸发器50的制冷剂流的上游，蒸发器膨胀装置55操作性地联接到蒸发器50、并且在制冷剂管路4中位于闪蒸罐容纳器60的制冷剂流的下游以及位于蒸发器50的制冷剂流的上游。过滤器/干燥器也可设置于制冷剂回路的制冷剂管路中、并位于制冷剂排热换热器40的制冷剂流的下游以及闪蒸罐容纳器60的制冷剂流的上游。
压缩装置20的功能为通过制冷剂回路压缩和循环制冷剂，这一点在下文将进一步详细讨论。压缩装置20可为单个多级压缩机，其至少具有第一低压压缩级20a和第二高压压缩级20b，诸如往复式压缩机，如图1所示，其中来自第一低压压缩级20a的部分压缩制冷剂在内部流通到多级压缩机20的压缩机构内部的第二高压压缩级20b。然而，可以理解，在另一实施方式中，压缩装置20可包括一对压缩机20a和20b，诸如例如一对往复式压缩机，该往复式压缩机具有以制冷剂流连通方式将第一压缩机20a的排出出口端口与第二压缩机20b的吸入入口端口进行连接的制冷剂管路。在单个多级压缩机的情况下，各压缩级将由单个马达30驱动，马达30以驱动关系操作性地联接压缩机20的压缩机构。在一对压缩机组成压缩装置20的情况下，各压缩机将独立于其它压缩机由其自己专用马达驱动，这些专用马达以驱动关系操作性地联接到其压缩机构。
制冷剂蒸汽压缩***10还包括压缩机卸载回路，压缩机卸载回路包含制冷剂管路12和卸载阀75，其中制冷剂管路12将压缩过程中的中间压力点与位于蒸发器50的制冷剂流下游并位于压缩装置20的吸入入口21的制冷剂流上游的点处的制冷剂回路的制冷剂管路6互连，卸载阀75设置于制冷剂管路12中，并能操作以控制通过压缩机卸载回路的制冷剂管路12的制冷剂流。在图1中绘示的制冷剂蒸汽压缩***的示例性实施方式中，其中压缩装置20是至少具有低压力压缩级20a和高压力压缩级20b的单个压缩机，压缩机卸载回路的制冷剂管路12在位置25处接进压缩装置20，并且在吸入压力处接入制冷剂管路6，其中位置25通向压缩过程的中间压力点，该中间压力点处于比压缩装置20的吸入入口处的制冷剂压力高、比压缩装置20的排出出口处的制冷剂压力低的制冷剂压力下。
当制冷剂蒸汽压缩***10以亚临界循环运行时，制冷剂排热换热器40的功能是作为制冷剂冷凝换热器，从压缩装置20排出的热的高压制冷剂蒸汽以与冷却介质成换热关系的方式流通通过制冷剂冷凝换热器，以将流通通过制冷剂冷凝换热器的制冷剂从制冷剂蒸汽冷凝成制冷剂液体。制冷剂冷凝换热器40可包括翅片管换热器42，诸如例如翅片和圆形管换热器盘管、或翅片和平坦型小管径换热器。在运输制冷剂***应用中，冷却介质可为借助于操作性地联接冷凝器40的风扇44以与制冷剂成换热关系流通通过冷凝器40的环境空气、或者其它冷却流体，诸如水。
蒸发器50组成制冷剂蒸发换热器，诸如传统的翅片管换热器52，诸如例如为翅片和圆形管换热器盘管、或翅片和平坦型小管径换热器，已横穿过膨胀装置55的膨胀制冷剂以与加热流体成换热关系的方式流动通过制冷剂蒸发换热器，借此制冷剂被蒸发并典型地被过热。以与蒸发器50内的制冷剂成换热关系流动通过的加热流体，可为借助于操作性地联接蒸发器50的风扇54流动通过蒸发器50的空气，这些空气将被冷却并还通常被除湿，并因此被供应到气候受控环境200，诸如例如易腐货物(诸如例如制冷或冷冻食品)以及与运输制冷***联接的存储区。
制冷蒸汽压缩***10还可包括具有控制器100的控制***，控制器100与放入于各种制冷剂管路中的流体控制装置操作性地联接。除了借助于设置于进入制冷剂排热换热器40内的环境空气中的温度传感器101监测环境温度外，控制器100还借助于操作性地联接到控制器100并设置在贯穿整个***的选定位置处的各种传感器监测各种***运行参数。例如，在图1中绘示的示例性实施方式中，可提供温度传感器103和压力传感器104以分别感测制冷剂吸入温度和压力，可提供温度传感器105和压力传感器106以分别感测制冷剂排放温度和压力，可提供温度传感器107和压力传感器108以感测流动通过压缩机卸载管路12的制冷剂的温度和压力。可提供温度传感器109以感测离开制冷剂吸热换热器即蒸发器50的制冷剂的温度，用于监测离开蒸发器50的制冷剂蒸汽所具有的过热度。压力传感器104、106以及108可为传统的压力传感器，诸如例如压力变送器(pressure transducer)，且温度传感器103、105、107以及109可为传统的温度传感器，诸如例如热电偶或热敏电阻。
控制器100通过控制操作性地联接压缩装置20的压缩机驱动马达30来控制压缩装置20的运行，以及通过控制操作性地联接风扇44和54的各自的马达(未示出)来控制风扇44和54的运行。进一步地，控制器100调节电子膨胀阀55以控制通过制冷剂管路4流入蒸发器50的制冷剂流，并选择性地打开或关断卸载回路流控制装置75以控制通过制冷剂管路12的制冷剂流。控制器100响应于由位于蒸发器50出口侧上的传感器109所感测到的制冷剂温度来调节通过电子膨胀阀55的流道的流动面积，其中传感器109所感测到的制冷剂温度是从蒸发器50通过制冷剂管路6通向压缩装置20的低压压缩级20a的吸入入口21的温度。控制器100响应于由位于压缩装置20高侧上的传感器105或106分别感测到的排出制冷剂的温度或压力来选择性地打开和关断卸载回路控制装置75，其中该温度和压力是从高压压缩级20b排出的制冷剂的温度和压力，卸载回路控制装置75包括固定流动面积式阀(fixed flow area valve)，诸如例如固定节流孔式电磁阀。
控制器100基于传感器101感测到的环境温度以及各个所感测到的***制冷剂温度和压力确定期望的运行模式，并且然后据此定位电子膨胀阀55和卸载回路流控制装置75。如有必要，控制器100可通过选择性地打开或关断卸载回路控制装置75来卸载压缩装置20，以控制制冷剂蒸汽压缩***10的制冷能力。通过卸载回路流控制装置75打开，制冷剂蒸汽流出压缩过程的中间级，并通过压缩机卸载旁路管路12流入制冷剂管路6，而非继续向前以在高压压缩级20b内被进一步压缩。流动通过卸载回路制冷剂管路12的制冷剂蒸汽直接回流到压缩装置的吸入侧，因此绕过高压压缩级20b并由此卸载压缩装置20。压缩装置20通过压缩机卸载回路流控制装置75进行的这种卸载可响应于高压缩级排出制冷剂温度、或为了降低容量或减小压缩机功率而实施。
操作性地联接压缩装置20的压缩机构的压缩机驱动马达30可为依靠来自固定频率的电源的电力操作时的恒速马达，或者依靠从操作性地联接固定频率式电源的逆变器35所供应的变频电力运行的变速马达。如果压缩机驱动马达30是变速马达，则控制器100也可通过改变从逆变器35输出的电力的频率，从而控制压缩机驱动马达30的速度，进而来控制制冷剂蒸汽压缩***10所输出的容量。
如果运行时在任一点处存在太多的在***内循环的制冷剂充注量(refrigerant charge)，则液体制冷剂进入闪蒸罐容纳器60内的速度将超过制冷剂离开闪蒸罐容纳器60的速度，且闪蒸罐容纳器60内的液体高度将上升，直到液体进入闪蒸罐容纳器60的速度与液体离开闪蒸罐容纳器60的速度之间达到平衡为止，且过量液体保留存储在闪蒸罐容纳器60内。如果运行时在任一点处存在太少的在***内循环的制冷剂充注量，则液体制冷剂进入闪蒸罐容纳器60内的速度将小于液体离开闪蒸罐容纳器60的速度，且当液体离开容纳器罐至制冷剂回路从而通过制冷剂回路循环时，闪蒸罐容纳器60内的液体高度将下降。闪蒸罐容纳器60内的液体高度将继续下降，直到液体进入闪蒸罐容纳器60的速度与液体离开闪蒸罐容纳器60的速度之间建立新的平衡为止。
如前面所指出的，制冷剂蒸汽压缩***10特别适用于以二氧化碳作为制冷剂进行运行。通过选择性地调节电子膨胀阀55以及选择性地打开和关断压缩机卸载回路流控制阀75的控制器100，将努力将由压力传感器106监测的制冷剂排出压力维持在低于期望界限下的压力下。例如，期望界限可设定在7.38Mpa(73.8巴或1070psia)的二氧化碳的临界点压力下，使得制冷剂蒸汽压缩***10在制冷剂循环的所有点处以亚临界循环运行。将压缩机排出压力维持在低于二氧化碳的临界点压力下，将确保制冷剂排出温度也处于低于二氧化碳的31.1℃(87.8°F)的临界点温度下。
在这种环境中，环境空气温度尤其在冬季期间可能降至如此低的温度，以致于从温度受控环境循环的空气可能需要实际上被加热，以维持期望的设定温度值，诸如例如在运输制冷容器内的货物空间的温度受控环境200的情况下，其中为了存储于其内的特定易腐物品，需要维持特定温度。因此，制冷剂蒸汽压缩***10包括操作性地联接蒸发器50的辅助电加热器90，辅助电加热器90当被致动时加热蒸发器换热器52的空气流上游的循环空气。控制器100监测由温度传感器101感测的环境空气温度、以及由温度传感器111所感测的受控环境200内部的空气温度，且在环境空气温度低于受控环境200内部的空气温度、并且受控环境200内部的空气温度低于期望设定值温度一预定量时，致动电加热器90。在受控环境200内部的空气温度处于或高于期望设定值温度、或者环境空气温度超过受控环境200内的空气温度时，控制器100将不致动辅助加热器。
控制器100可为电子控制器，诸如微处理器控制器、或者传统上用于对制冷剂蒸汽压缩***的运行进行控制有关的其它任何类型的控制器。诸如，在运输制冷剂应用中，控制器100可为从美国纽约州Syracuse市的Carrier公司可购得的MicroLinkTM系列的微处理器控制器，诸如ML2型号、ML2i型号或者ML3型号的微处理器控制器。然而，可以理解，能够执行上文关联控制器100进行讨论的功能的任何控制器均可用于本发明的制冷剂蒸汽压缩***中，以及用于实施本发明的方法。
前文描述仅是本发明的教导一个示例。本领域技术人员将认识到，在不脱离由以下权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可对本文具体描述的本发明和本发明的等同物进行各种修改和变化。

Claims (12)

1.一种二氧化碳制冷剂蒸汽压缩***，其包括：
制冷剂回路，其包括制冷剂压缩装置、制冷剂排热换热器、制冷剂吸热换热器、以及膨胀装置，其中所述制冷剂排热换热器用于以与冷却介质成换热关系的方式输送从所述压缩装置接收的处在高压下的二氧化碳制冷剂，所述制冷剂吸热换热器用于以与加热介质成换热关系的方式输送处于低压制冷剂下的二氧化碳制冷剂，所述膨胀装置设置于所述制冷剂回路中、并位于所述制冷剂冷却换热器的下游和所述制冷剂加热换热器的上游处；
闪蒸罐容纳器，其设置于所述制冷剂回路中、并位于所述制冷剂排热换热器的下游和所述主膨胀装置的上游处；
压缩机卸载回路，其包括制冷剂管路和设置在所述卸载回路制冷剂管路中的卸载回路流控制装置，所述制冷剂管路在所述压缩装置的中间压力级与位于所述制冷剂吸热换热器的下游和至所述压缩装置的吸入入口的上游的位置处的所述制冷剂回路之间形成制冷剂流连通；以及
控制器，其操作性地联接所述膨胀装置和所述卸载回路流控制阀，所述控制器是响应于由所述至少一个传感器感测的至少一个***运行参数而能操作，以选择性地定位卸载流控制阀，从而维持所述制冷剂蒸汽压缩***在低于预定上限的排出压力下运行。
2.如权利要求1所述的制冷剂蒸汽压缩***，其中，所述被感测的运行特征是制冷剂排出压力。
3.如权利要求1所述的制冷剂蒸汽压缩***，其中，所述被感测的运行特征是制冷剂排出温度。
4.如权利要求1所述的制冷剂蒸汽压缩***，其中，所述压缩装置包括具有至少两个压缩级的单个往复式压缩机。
5.如权利要求1所述的制冷剂蒸汽压缩***，其中，所述压缩装置包括至少两个往复式压缩机，所述至少两个往复式压缩机以相对于制冷剂流成串联关系的方式设置于所述制冷剂回路中。
6.如权利要求1所述的制冷剂蒸汽压缩***，其中，所述加热介质包括来自温度受控环境循环通过所述制冷剂吸热换热器的空气。
7.如权利要求1所述的制冷剂蒸汽压缩***，其中，所述加热介质包括来自温度受控的易腐货物存储区循环通过所述制冷剂吸热换热器的空气。
8.一种用于控制二氧化碳制冷剂蒸汽压缩***的运行的方法，所述二氧化碳制冷剂蒸汽压缩***包括制冷剂压缩装置、制冷剂排热换热器、闪蒸罐容纳器、膨胀装置以及以串流布置方式设置于所述制冷剂回路中的制冷剂吸热换热器，所述方法包括如下步骤：
提供压缩机卸载回路，其包括制冷剂管路和设置在所述卸载回路制冷剂管路中的卸载回路流控制装置，其中所述制冷剂管路在所述压缩装置的中间压力级与位于所述制冷剂吸热换热器的下游和至所述压缩装置的吸入入口的上游的位置处的所述制冷剂回路之间形成制冷剂流连通；
在所述制冷剂回路中的至少一点处感测所述制冷剂的至少一个运行特征；
调节所述膨胀装置，以将来自所述闪蒸罐容纳器的液体制冷剂流选择性地定量供应到所述制冷剂吸热换热器；以及
响应于所述至少一个运行特征，将所述卸载回路流控制装置定位于打开位置和关断位置之间，其中制冷剂在所述打开位置从所述压缩过程的中间压力级通过所述卸载回路制冷剂管路输送至吸入压力，通过所述卸载回路制冷剂管路的制冷剂流在所述关断位置被阻断。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述被感测的运行特征是制冷剂排出压力。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述被感测的运行特征是制冷剂排出温度。
11.如权利要求8所述的方法，其中，将所述卸载回路流控制装置定位于打开位置和关断位置之间的步骤包括如下步骤：选择性地将所述卸载回路流控制装置定位在打开位置和关断位置之间，以将所述制冷剂蒸汽压缩***维持在低于预定上限的排出压力下运行。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述预定上限为二氧化碳的临界点压力。
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