CN1106905A - 液化天然气燃料车辆的加料方法及装置 - Google Patents

液化天然气燃料车辆的加料方法及装置 Download PDF

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R·J·库伊
D·H·科尔斯
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Abstract

将储于绝热主储存箱中的液化天然气吸出的方 法和装置，该液化气在低压和接近沸点温度下存储； 吸出的液化气在压力升高后经一热交换器来加热液 化天然气，使达到过冷或接近-220°～-126°F、压力约50～555磅/英寸2饱和状态；在燃料加注站将加热、加压了的液化气输入燃烧液化气的车辆上的绝缘燃料箱中，它适于以液态形式安全存放该天然气，基本处于-220°～-126°F、50～550磅/英寸2的饱和状态。

Description

本发明涉及用作发动机燃料的液体燃料的储存及配料。更具体地说，本发明涉及用于各种车辆发动机燃料的液化天然气（LNG）或液化甲烷的储存和配料。
由于液体燃料的价格增长，例如汽油和柴油，作为骄车、卡车、公共汽车、船、艇、飞机、拖拉机以及如起重机、铲土机和推土机等非公路工程装备的发动机能源，人们对以天然气作为发动机燃料的兴趣正日益增加。而上述提及的各种机械也均可用于本发明。同时，在世界很多地区天然气蕴藏十分丰富，而石油产品（如汽油和柴油）则非常稀少且价格昂贵。此外，以天然气为燃料的发动机的燃烧产物对环境的污染要小于汽油和柴油的污染。
由于处于大气温度和压力下天然气的单位体积能量比较小，因此将其在这种条件下储存在车辆燃料箱中很不实用。所以，天然气通常是在很高的压力下进行储存的，如2000至4000磅/英寸2表压（Psig）。上述内容可参见：
Swensom等的美国专利5，107，906，
Pierson的美国专利4，987，932，
Fisher等的美国专利4，527，600，和
Young的美国专利4，505，249号。
在现有技术中已有将液态燃料（如液化天然气）在低温状态下，以热力学饱和状态储存在一个绝热的燃料箱中的方案，该热力学饱和状态是燃料的汽液平衡相。在Mills的美国专利4，406，129中公开了一种在车辆燃料箱中储存低温液态燃料，并将液相和汽相燃料供给车辆发动机使用的技术方案。然而，在该美国专利中对低温液体燃料源、该燃料如何注入车辆燃料箱及其在该箱中的温度和压力等均未加以披露。
多年来，人们一直认为将大量的液化气体在低压和低温的状态下储存在燃料箱中是较好的方法。例如，液化天然气的储存压力可以约为15至45磅/英寸2，温度约为-242°F至-222°F，参见Maher等人的美国专利3，195，316。然而，在燃料箱中液化天然气以如此低的压力储存可能并不理想，因为在有些发动机（如燃料喷射型发动机）中压力过低不适于发动机的运行。
综上所述，有必要在现有技术的基础上，对将液化天然气供入车辆燃料箱的方法和装置加以改进。
为此，本发明提供了一种方法，它包括：将在低压和接近其沸点温度下储存在绝热的主储存箱中的液化天然气吸出;将来自主储存箱中的液化天然气抽吸并且加压或泵送，经过热交换器使之加热，达到温度为-220°F至-126°F，压力为50至550磅/英寸2的较冷且接近饱和的液相状态;在加燃料站，将较热且加压后的液化天然气加入车辆上的绝热燃料箱中，所述车辆是以液化天然气为燃料的，且所述的燃料箱适于在-220°F至-126°F温度和50至550Psig压力下以液态形式安全地存放液化天然气。
在绝热的主储存箱中液化天然气最好为15至45磅/英寸2绝对压力，-258°F至-230°F温度。
在本文中“液化天然气”也包括液化甲烷。
积存在绝热的主储存箱中的天然气蒸汽可由压缩机吸出，并与从绝热的主储存箱中吸出的液化天然气相混合，形成一股混合流，再送过热交换器。以此方法，可充分地利用燃料，并减少废气对环境的污染。
本发明还具有第二个实施例，在该方法中包括：将在低压和接近其沸点温度下储存在绝热的主储存箱中的液化天然气吸出且加压或泵送;将被吸出且加压后的液化天然气送过热交换器，对加压的液化天然气进行加热，达到温度为-220°F至-126°F，压力约为50至550磅/英寸2接近饱和的状态;将加热加压的液化天然气送至位于车辆用液化天然气燃料加料站的固定、绝热的液化天然气配料箱中，在该箱中，液化天然气压大约-220°F至-126°F、50至550磅/英寸2的饱和状态下储存;在车辆到达该加料站后，将液化天然气从配料箱加注到车辆燃料箱中，该车辆是以液化天然气为燃料的，且其上设有适于以液态形式安全地存放液化天然气的绝热的燃料箱，这样，液化天然气便在该箱中以-220°F至-126°F温度和50至550磅/英寸2压力接近饱和的状态下存放。
配料箱中过量的蒸汽可返回到绝热的主储存箱中，以减少气体对环境的污染。同样，液化天然气可由主储存箱中吸出，直接与从配料箱中吸出的液化天然气相混合，形成一股供给车辆燃料箱的混合流。
本发明还提供了实现上述方法的装置，它包括：一个在低压和接近其沸点温度下储存液化天然气的绝热主储存箱;一个热交换器;一根将主储存箱中的液化天然气与热交换器相连的管路，所述的管路包括一个泵，该泵将液化天然气从主储存箱中抽出，将被抽出的液化天然气加压并供至热交换器中，在热交换器中，该加压液化天然气被加热成温度约为-220°F至-126°F、压力约为50至550磅/英寸2的较冷或接近饱和的状态;一台以液化天然气为燃料的车辆，该车辆上设有一个绝热的车辆燃料箱，将加热并加压的液化天然气装入其中，且其主要为液态，直至其作为燃料进入发动机中;还有一根连接热交换器和车辆燃料箱的管路，该管路用以接收来自热交换器的加热加压的液化天然气，并将其供至车辆的燃料箱中，在该燃料箱中其以液态形式储存，温度为基本接近饱和状态的-220°F至-126°F，压力约为50至550磅/英寸2。
在主储存箱中带有一个天然气蒸发空间，天然气蒸汽吸管可以与主储存箱蒸发空间和热交换器相连，吸管上可带有一个压缩机，以便将蒸气汽送入热交换器中。
本发明还提供了第二种实施装置，它包括：一个在低压和接近其沸点温度下储存液化天然气的绝热主储存箱;一个热交换器;一个将主储存箱中的液化天然气与热交换器相连的管路，所述的管路包括一个泵，该泵将液化天然气从主储存箱中抽出，将被抽出的液化天然气加压，并送至热交换器中，在该热交换器中，加压的液化天然气被加热成为温度为-220°F至-126°F、压力约为50至550磅/英寸2的较冷或接近饱和的状态;一个位于车辆液化天然气燃料加料站的固定、绝热的天然气配料箱;一根将加热并加压的液化天然气从热交换器供至固定、绝热的天然气配料箱中的管路，该配料箱可在基本饱和的状态下储存燃料，其温度约为-220°F至-126°F，压力约为50至550磅/英寸2;一台以液化天然气为燃料的车辆，该车辆上带有绝热的燃料箱，以便存放液化天然气并使之基本上呈液态，直至其作为燃料供入发动机中;还有一根连接配料箱和车辆燃料箱的管路，该管路将来自配料箱的加热的液化天然气送至车辆燃料箱中，在燃料箱中以基本饱和的状态储存，其温度约为-220°F至-126°F，压力约为50至550磅/英寸2。
主储存箱中有一天然气蒸发空间，和一个其上设有压缩机的天然气蒸汽抽吸管，该管可与主储存箱蒸发空间相通，还与将主储存箱中的液化天然气送至热交换器的管路相通，以便使蒸汽混入液化天然气中。
在所述的装置中还包括这样的管路装置，它可从主储存箱中吸出液化天然气，使之加压并随之将其与来自热交换器的加热的液化天然气相混，从而形成一股加热、加压的液化天然气混合流，该混合流可供入车辆燃料箱或配料箱中。
本发明的装置中也还可以包括这样的管路，它吸出来自主储存箱的液化天然气，使之加压并随之将其与来自配料箱的加热、加压的液化天然气相混，形成一股供入车辆燃料箱的加热、加压的混合流。此外，管路装置还可包括将配料箱中的天然气蒸汽吸出使之返回主储存箱的管路。
下面结合附图说明本发明。
图1示意性地表示了一种采用本发明的装置的第一实施例;
图2示意性地表示了采用本发明的装置的第二实施例;
图3示意性地表示了采用本发明的装置的第三实施例;
为了合理地表示出上述各图中相同或类似的部分，在图中将这些部分标以相同的标号。
现参照表示本发明第一实施例的图1进行说明。绝热的主燃料箱10由适当的材料制造，以保证储存于其中的液化天然气或甲烷12的安全。液化天然气或甲烷是在低压下存放的，例如其压力为15至45磅/英寸2，相应的饱和温度约为-242°F至-222°F，主燃料箱10上部的蒸发空间14可积蓄蒸汽16，该蒸汽是由外界的热流进入箱10而产生的。导管18与箱10的内部相连，以便液化天然气充入箱中。
管20将箱12内的下部空间和热交换器36相接，泵22设置在该管20上，这样管20即可将主箱10中的液化天然气抽吸出来送至热交换器36中。
积蓄在蒸发空间16中的天然气蒸汽，可以（但非必须）经管26抽出，该管26连接在蒸发空间和热交换器36上游与泵22下游间的管20之间。在管26上装有蒸发泵或压缩机29，以增加管20内蒸汽的压力。来自管26的蒸汽流与来自管20的天然气流混合时，蒸汽发生冷凝而液体的则略被加热。
随后液化的天然气由管20送至管28中，管28与控制阀30相接，液体也被送至该阀中。在控制阀30的下游和热交换器36的上游之间连有管32。管34与控制阀30相连，并与管40相接，管40则接至车辆的燃料箱42上。液化天然气从管32送至热交换器36的进口端。当液化天然气流经热交换器36时，其温度升高至接近饱和状态。如大约50至550磅/英寸2压力，温度约为-220°F至-126°F。使液化天然气温度升高的热量可间接来自外界环境，热空气或热水，或其它任何一种适当的热交换流体，它们以一定的流率进入热交换器中，将液化天然气的温度升至规定的值，而不需要用旁通管34。
加热的液化天然气经管38从热交换器36送至管34中。管34和38中液化天然气汇合后进入到管40中，管40的端部与置于车辆44后端的绝热的车用燃料箱42暂时性且可拆卸地连接起来。加热的液化天然气经由管40送至绝热的燃料箱42内，直至该箱42基本充满。随后泵22停止工作。将管40的下游端从车用燃料箱42上拆下，盖上箱42的盖。
通过管40供给的液化天然气的温度是由温控器46控制的，该温控器46调节控制阀30。由管32和34之间的控制阀30确定的液化天然气量能够用来调整进入车辆燃料箱42的液化天然气流的温度和压力。
图2说明了本发明的第二个实施例。由该图可明显看出，其中的箱10、热交换器36、多条管路、泵22和压缩机22均系构成图1所示第一实施例的部分。但在图2的第二实施例中，管20和26分别将其中的流体送至管281中，管281相当于图1中的管28，管281与控制阀301相连，从而将液化天然气流送至该控制阀301。图2中的阀301相当于图1中的控制阀30。
管320与控制阀301和热交换器36相接，并将冷的液化天然气流从控制阀301送至热交换器36中。在热交换器36中，液化天然气被加热，而后由此送至管381，进而该液化天然气流又进入到管401中。
管341也与控制阀301和管401相连，管341提供了一条使冷的液化天然气绕过热交换器36的管路，并使之与由管381进入管401的液化天然气相混合。该***可对经管401流入绝热的配料箱50中的液化天然气的温度和固有压力进行控制。这样，温控器461与配料箱50中液化天然气的温度相对应，并通过信号装置操纵控制阀301，即可使由管281供给控制阀30的液化天然气与管430和341中的量相适应。在一定的条件下，通过管320的流量可以是管281中通过流量的0-100%，通过管341的流量可以是管281中通过流量的0-160%，通过管320和341的流量之和等于管281中的流量。
储存在配料箱50中的液化天然气52是处于饱和状态的，其温度为-220°F至-126°F，相应的压力约为50至550磅/英寸2。积存在配料箱50内上部空间中的蒸汽54通过管56被吸回到主储存箱10中。管56上的卸压阀58在蒸汽压力高于配料箱50蒸发空间正常压力一定值的情况下，便会打开。
管60接在配料箱50内下部的下游处。管60的下游端则与控制阀62相连，从而可使配料箱50中的液化天然气流至控制阀62。管64与管20相连，并也接至控制阀62，这样冷的液化天然气便可由主储存箱10流至控制阀62处。
控制阀62中的液化天然气送至管66中。流经管66的液化天然气气流的温度由温控器68测得，该温控器送出一正比于经控制阀62由管60和64流出的液化天然气量的信号至控制阀62。通过管66流动的液化天然气量依其使用条件，可以是流经管60流量的0-100%和流经管64流量的0-100%。
管66的下游端装有一联接器74，该联接器与燃料加注管76的外端可拆卸地联接，燃料加注管76接至车辆燃料箱42中。温度为-220°F和压力约为50至550磅/英寸2的液化天然气可以由管60从配料箱50中吸出，再经由控制阀62进入管66，再由此送至管76，该管76可将燃料注入车辆燃料箱42中，为车辆44加燃料。燃料箱42充满后，管66即可从管76上拆下，管76的端部由一封盖密封（图中未示）。
图2所示的装置也以适当的方式实施了本发明。借助导管64，来自主储存箱10的较冷的液化天然气进入控制阀62，与经由管60供给的较热的液化天然气相混合，形成可供入车辆燃料箱42的混合燃料，该燃料的温度低于配料箱50中流体的温度。依此方法，配料箱的压力可以保持在高于车辆燃料箱压力的水平上，以便液化燃料从配料箱流出，同时，它也可时常补偿燃料箱42快空时产生的热效应以及在燃料加注时进入燃料箱的热量。
图3所示装置与图1非常相似，但在图3中不包括构成图1所示装置中的间接换热器36。
参见图3，积蓄在蒸发空间16中的天然气蒸汽经管26由其吸出，再经管32送至控制阀30，液化天然气流由管28送至控制阀30中，蒸汽由于与液化天然气直接接触而被冷凝，液化天然气则略被加热。在该实施例中，控制阀30起直接接触的热交换器的作用。加热的液化天然气流由控制阀30进入到管路34中，再由此进入管路40，将该燃料送至车辆燃料箱42中。通过管路40的液化天然气的温度是由温控器46控制的，该温控器可调整控制阀，以及相对于由管路26供至控制阀30的蒸汽量来调整经由管路28供入的液化天然气的量。
在下面的例子中，假设LNG的组份为100%的甲烷，以便于确定各热力学点。
例1
在公共汽车44内绝热的燃料箱42中存有液化天然气，燃料从燃料箱进入到一个燃料喷射型内燃机中。为了适应发动机的工作，需要燃料箱中的压力为100磅/英寸2（相应的饱和温度约为-200°F）。
在汽车加油站，大罐或主箱10内储存着压力为10-30磅/英寸2的液化天然气（其饱和温度为-231°F）。如果直接将主箱中-231°F的液体注入车辆燃料箱42中，则在燃料箱42中的压力便会大大低于100磅/英寸2，致使发动机无法正常工作。
汽车44停放一段时间后，燃料箱42中的一些热的液化天然气便会开始分层。虽然燃料箱42中的大部分燃料的温度为-200°F，但来自外界的热量将使燃料箱42顶部的液化天然气被从-200°F加热到-194°F，压力从100磅/英寸2上升到约120磅/英寸2。
在图1所示的实施例中，液化天然气在饱和温度-231°F的条件下从大的罐中由管路20吸出，泵22使其压力上升至140磅/英寸2。冷的液化天然气流从泵22流出，经管路20、28和32。冷的液化天然气使从管26中送出蒸汽冷凝，然后流入热交换器36，如果对加热过程进行控制，则管路38的出口温度为-200°F。供料压力为140磅/英寸2的液化天然气可克服车辆燃料箱中燃料120磅/英寸2的背压，并补偿在热交换器36和管路20及38中的压力下降，使之形成流入车辆燃料箱中的燃料流。这样，便在汽车的燃料箱中装满了-200°F的液化天然气，其压力保持在刚注入完燃料后的100磅/英寸2，从而使公共汽车的发动机启动并开走。
例2
在图2所示的实施例中，液化天然气在-231°F饱和温度和30磅/英寸2的压力下从大的储存罐中抽吸出来，泵22将其压力升至140磅/英寸2。较冷的液化天然气使经管路26从燃料箱10中流出的蒸汽在管路20中冷凝。随后液化天然气经管路281和320流入热交换器36中，经受控的加热过程，使其达到在-189°F下的饱和状态，这样容器50中的汽液两相可在140磅/英寸2压力下达到饱和平衡。在管60中的压力为140磅/英寸2温度为-189°F的较热的液化天然气，与来自管路64压力为140磅/英寸2温度为-231°F的较冷的液化天然气在控制阀62中混合，产生压力为140磅/英寸2温度为-200°F的液化天然气。压力为140磅/英寸2的液化天然气可以克服车辆燃料箱中120磅/英寸2的背压，补偿管路60和64中的压力下降，以形成燃料流。这样，汽车可以将燃料箱罐满温度为-200°F压力接近工作压力100磅/英寸2的液化天然气，汽车便可开动了。

Claims (20)

1、一种方法，其包括：
将储存于一个绝热的主储存箱中的低压且温度接近沸点的液化天然气吸出；
增加被抽吸的液化天然气的压力，随后将被加压的液化天然气送过一个热交换器，去加热较冷的或接近饱和的液态液化天然气，使后一种液化天然气的温度在压力为50至550磅/英寸2时为-220°F至-126°F；
将所述加热并加压的液化天然气送至一台车辆上绝热的液化天然气燃料箱中，所述的车辆是以液化天然气为燃料的，且绝热的车辆燃料箱适于安全地以液态储存液化天然气，其储存条件大致为温度在-220°F至-126°F、压力为50至550磅/英寸2下的饱和状态。
2、如权利要求1所述的方法，其中，
蒸发的天然气蒸汽积蓄在主储存箱中;
天然气蒸汽从主储存箱中被吸出，与主储存箱中吸出的液化天然气相混合，随后吸出的液化天然气的压力升高，形成一股供至热交换器的混合流。
3、如权利要求1所述的方法，其中：
一些从主储存箱中吸出并被加压的液化天然气与从热交换器中吸出的加热且加压的液化天然气相混合，形成的混合燃料被送至车辆燃料箱中。
4、一种方法，其包括：
将储存于一个绝热的主储存箱中的低压且温度接近沸点的液化天然气吸出;
增加被抽吸的液化天然气的压力，随后将被加压的液化天然气送过一个热交换器，去加热较冷的或接近饱和液态的液化天然气，该后一种液化天然气的温度在压力为50至550磅/英寸2下为-220°F至-126°F;
将所述加热并加压的液化天然气从热交换器送至一个设置在车辆液化天然气燃料加注设备上的固定、绝热的天然气配料箱中，在配料箱中储存的液化天然气大致处于饱和状态，其温度约为-220°F至-126°F，压力约为50至550磅/英寸2;
车辆到达燃料加注设备以后，液化天然气由配料箱送至车辆的燃料箱中，所述的车辆是以液化天然气为燃料的，且其上带有适于以液态形式安全储存液化天然气的绝热的车辆燃料箱，这样，液化天然气即可基本上处于大约-200°F至-126°F温度，约50至550磅/英寸2压力的饱和状态下。
5、如权利要求4所述的方法，其中：
送至车辆燃料箱的液化天然气的温度和压力与存储在配料箱中并由此流出时相比没有很大变化。
6、如权利要求4所述的方法，其中：
天然气蒸汽积存在绝热的主储存箱中;
将天然气蒸汽从独立的主储存箱中吸出，与从主储存箱中吸出的液化天然气相混合，随后被吸出的液化天然气的压力升高，形成一股供至热交换器的混合流。
7、如权利要求4所述的方法，其中：
在配料箱中形成蒸汽，并且蒸汽返回到绝热的主储存箱中。
8、如权利要求4所述的方法，其中：
一些从主储存箱中吸出并被加压的天然气与配料箱中吸出的液化天然气相混合，该混合燃料的温度和压力可加以控制，这些燃料则被送至车辆的燃料箱中。
9、如权利要求4所述的方法，其中：
一些从主储存箱中吸出并随后被加压的天然气与热交换器中吸出的加热且加压的液化天然气相混合，形成的混合燃料供至配料箱中。
10、一种装置，它包括：
一个储存液化天然气的绝热的主储存箱，该液化天然气的储存压力接近大气压，储存温度接近其沸点;
一个热交换器;
一根将主储存箱中的液化天然气与热交换器相连接的第一管路，该管路上具有一个泵，该泵将液化天然气从主储存器中吸出，并将由其吸出的液化天然气加压，随后送至热交换器中，在热交换器中，加压的液化天然气被加热至温度不高于-220°F至-126°F，压力约为50至550磅/英寸2;
一台以液化天然气为燃料的车辆，该车辆上带有一个可存放液化天然气的绝热的燃料箱;
一根连接热交换器和车辆燃料箱的第二管路，以便使热交换器中被加热、加压的液化天然气供入车辆燃料箱中，以在其中储存温度为-220°F至-126°F、压力为50至559磅/英寸2基本处于饱和状态的液体。
11、如权利要求10所述的装置，其中：
主储存箱中具有一个天然气蒸发空间;
一根天然气蒸汽抽吸管，该管与主储存箱的蒸发空间相连，与连接主储存箱的管路相连，并且与热交换器相连。
12、如权利要求10所述的装置，其中
具有一根与第一和第二管路相连的第三管路，该管路用来混合来自第一和第二管路的液化天然气流，使之在第三管路中形成一股供给车辆燃料箱的混合流。
13、一种装置，它包括：
一个储存液化天然气的绝热的主储存箱，该液化天然气的储存压力接近大气压，储存温度接近其沸点;
一个热交换器;
一根将主储存箱中的液化天然气与热交换器相连接的第一管路，该管路上具有一个泵，该泵将液化天然气从主储存器中吸出，并将由其吸出的液化天然气加压、随后送至热交换器中，在热交换器中，加压的液化天然气被加热至温度不高于-220°F至-126°F，压力约为50至550磅/英寸2，从而使液化天然气基本处于饱和状态;
一个设置在车用液化天然气加注装置上的固定、绝热的天然气配料箱;
一个将被加热、加压的液化天然气从热交换器送至固定、绝热的天然气配料箱中的第二管路，以便在基本饱和的状态下在所述的配料箱中存储所述的液化天然气，此时的温度约为-220°F至-126°F，压力约为50至550磅/英寸2。
一台以该液化天然气为燃料的车辆，该车辆上带有一个可存放液化天然气的绝热的燃料箱;
一根连接配料箱和车辆燃料箱的第三管路，以便使被加热、加压的液化天然气从配料箱供至车辆燃料箱中，在基本饱和的状态下贮存这些燃料，其温度约为-220°F至-126°F，压力约为50至550磅/英寸2。
14、如权利要求13所述的装置，其中：
主储存箱中具有一个天然气蒸发空间;
一根天然气蒸汽抽吸管，该管与主储存箱的蒸发空间相连，与连接主储存箱的管路相连，并且与热交换器相连，以使蒸汽与液化天然气相混合。
15、如权利要求13所述的装置，其中：
具有一根与第一和第三管路相连的第四管路，该管路可使加压的液化天然气与从配料箱中吸出的被加热的液化天然气相混合，形成一股供给车辆燃料箱的液化天然气混合流。
16、如权利要求13所述的装置，其中：
具有将天然气蒸汽从配料箱中吸出和使之返回主储存箱的管路。
17、如权利要求13所述的装置，其中：
具有一根与第一和第二管路相连的第四管路，以使加压的液化天然气与从热交换器中吸出的热的液化天然气相混合，形成一股供给配料箱的液化天然混合气流。
18、如权利要求1所述的方法，其中在绝热的主储存箱中，液化天然气的压力约为15至45磅/英寸2温度约为-258°F至-230°F。
19、如权利要求1所述的方法，其中：
热交换器是一种直接接触型热交换器，在此处加压的液化天然气因直接与从绝热的主储存箱中吸出的蒸汽接触而被加热。
20、如权利要求10所述的装置，其中：
热交换器是一种直接接触型热交换器，在此处加压的液化天然气因直接与从绝热的主储箱中吸出的蒸汽接触而被加热。
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