DE2926248C3 - Rückprallvorrichtung zur Verwendung an einer Ausströmdüse für die Zerteilung eines Fluids - Google Patents

Rückprallvorrichtung zur Verwendung an einer Ausströmdüse für die Zerteilung eines Fluids

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Description

Die Erfindung betrifft eine Rückprallvorrichtung für eine Ausströmdüse zur Zerteilung eines Fluids, wobei die Rückprallvorrichtung axial in Strömungsrichtung hinter der Ausströmdüse angeordnet ist, mit dieser einen Ausströmbereich bildet, in dem das aus der Ausströmdüse austretende Fluid mit dem von der Rückprallvorrichtung zurückgeworfenen Fluid zusammenstößt und einen einen Hohlraum bildenden Teil, dessen Hohlraum zur Ausströmdüse hin kreisförmig geöffnet ist, und einen sich axial daran anschließenden zylindrischen Befestigungsteil geringeren Durchmessers aufweist, der eine mechanische Verbindung
zwischen der Ruckprallvorrichtung und der Ausströmdüse herstellt
Fluidzerteiler, die aus einem Düsentei1 und einer Rückprallvorrichtung bestehen, werden vielfach zum Mischen, Zerstäuben und Zerteilen von Flüssigkeiten oder Verteilen feiner Gasblasen in einer Flüssigkeit verwendet Das Mischen, Zerstäuben und Zerteilen von Flüssigkeiten sowie das Verteilen feiner Gasblasen in einer Flüssigkeit werden durch Ausnutzung des bekannten Phänomens der Hohlraumresonanz und durch den Zusammenprall eines Flüssigkeits- oder Gasstrahls erreicht, der aus dem Düsenteil austritt und von der Rückprallvorrichtung zurückgeworfen wird, so daß er mit dem nachfolgenden Flüssigkeits- oder Gasstrahl zusammenstößt
Ein typisches Beispiel eines bekannten Flüssigkeitszerstäubers ist beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten US-PS 41 03 827 und in der DE-OS 25 44 562 beschrieben. Bei diesem Zerstäuber ist eine Rückprallvorrichtung in Form eines zylindrischen Bauteils mit einem die Flüssigkeit zurückwerfenden Hohlraum in Strömungsrichtung hinter einer Ausspritzdüse angeordnet. Die öffnung des Hohlraums der zylindrischen Rückprallvorrichtung ist zur Ausspritzdüse hin gerichtet, so daß der von der Düse ausgespritzte Strahl in den Hohlraum gelangt. Die öffnung des Hohlraums ist von einer runden Kante umgeben, die den von der Düse ausgespritzten Strahl zerstäubter und gemischter Flüssigkeit zu einem hohlen Flüssigkeitskegel auffächert, der die Vorrichtung umgibt. Vor dem Auffächerungskegel wird daher hydrodynamisch eine Unterdruckzone erzeugt, in die infolge der bestehenden Druckdifferenz umgebende Flüssigkeit eingesaugt wird. In der die Zerstäubungsvorrichtung umgebenden Flüssigkeit wird also eine auf die Unterdruckzone gerichtete Strömung (im folgenden als »Ansaugströmung« bezeichnet) erzeugt. In der Regel bildet sich jedoch zwischen dem hohlkegelförmig aufgefächerten Strahl und der erwähnten Ansaugströmung auch eine strömungslose »Totzone« aus, in die oft ein Teil der zerstäubten Flüssigkeit des Fächers eindringt Die zerstäubte Flüssigkeit in der Totzone kann daher schließlich den der Totzone benachbarten Umfang der Rückprallvorrichtung erreichen. Vor allem dann, wenn die Zerstäubungsvorrichtung als Brennstoffzerstäuber für Heizöl eingesetzt wird, das kohlenstoffreiche Komponenten enthält, können zerstäubte Heizölteilchen in die Totzone eindringen und sich an der Umfangsfläche der Rückprallvorrichtung festsetzen. Unter der Einwirkung der hohen Lufttemperatur zersetzen sich diese Teilchen, so daß auf der Außenfläche der Rückprallvorrichtung Verkokungsrückstände entstehen, die anwachsen und zu einer unstabilen Verbrennung oder sogar zum Erlöschen der Flamme führen können.
Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Rückprallvorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der die hydrodynamische Ausbildung einer strömungslosen Totzone nahe den Außenflächen der Rückprallvorrichtung weitgehend eingeschränkt und im Falle einer Verwendung des Flüssigkeitszerstäubers als Brennstoffzerstäuber eine stabile Verbrennung des zerstäubten Heizöls unabhängig von dem Gehalt des Heizöls an kohlenstoffreichen Komponenten erzielt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Rückprallvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der einen Hohlraum bildende Teil an seinem Umfang mit einer Anzahl in gleichem
Winkelabstand angeordneter axialer Schlitze versehen ist, deren Bodenflächen in Richtung der Ausströmdüse zur Achse hin geneigt sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Rückprallvorrichtung nach dem Hohlraumresonanz-Prinzip ist so ausgebildet, daß die Entstehung einer strömungslosen Totzone in der Nähe der Vorrichtung verhindert wird. Hierzu sind im Umfang der Rückorallvorrichtung eine Anzahl sich axial in Strömungsricntung erstreckender Schlitze vorgesehen, durch die die Zerstäubungsvorrichtung die zerstäubte Flüssigkeit unter verschiedenen Winkeln in bezug auf die Achse der Vorrichtung auffächern kann, so daß eine sich eventuell bildende Totzone durch einen anderen Fächerstrahl sofort wieder aufgelöst wird. Diese verschiedenen Fächerstrahlen können auch Flüssigkeits- oder Kohleteilchen, die sich an der Außenfläche der Rückpralivorrichtung angesetzt haben sollten, wieder entfernen. Das Anwachsen von Ablagerungen an der Außenfläche der Rückprallvorrichtung wird daher mit Sicherheit verhindert. Da ferner die zerstäubte und gemischte Flüssigkeit unter verschiedenen Winkeln aufgefächert wird, wird eine Durchmischung der aufgefächerten Flüssigkeit mit einem umgebenden Medium beachtlich verbessert.
An Hand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
Fig. IA und IB eine Vorder- bzw. Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Rückprallvorrichtung;
Fig.2 eine perspektivische Ansicht der in den F i g. IA und 1B dargestellten Rückprallvorrichtung;
F i g. 3 eine Querschnittsansicht eines mit der in den Fig. IA und IB dargestellten Rückprallvorrichtung ausgerüsteten Flüssigkeitszerstäubers;
Fig.4 eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Rückprallvorrichtung;
F i g. 5 eine Querschnittsansicht eines Teils eines mit einer bekannten Rückprallvorrichtung ausgerüsteten Flüssigkeitszerstäubers zur Veranschaulichung seiner Wirkungsweise; und
F i g. 6 eine Querschnittsansicht eines Teils einer mit der Rückprallvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgerüsteten Flüssigkeitszerstäubers zur Veranschaulichung seiner Wirkungsweise.
Die in den Fig. IA, IB und 2 dargestellte, zur Befestigung an einer Ausspritzdüse bestimmte Rückprallvorrichtung besteht aus einem einen Hohlraum la bildenden Teil 1 und einem zylindrischen Befestigungsteil 2, die zweckmäßig geformt sind. Der Hohlraumteil 1 hat einen Außendurchmesser d\ und eine axiale Länge /1, während der Hohlraum Xa einen Innendurchmesser di und eine Tiefe h hat. Der Umfang des Hohlraumteils 1 ist mit einer Anzahl axialer Schlitze 3 mit der Breite W versehen. Die Schlitze 3 sind zweckmäßigerweise unter gleichem Winkelabstand um die Mittelachse Q-C2 der Rückprallvorrichtung angeordnet. Bei der Ausführung nach den Fig. IA, 1B und 2 sind acht Schlitze 3 so geformt, daß sie sich vom Rand der Öffnung des Hohlraums Xa bis zur Rückseite des Hohlraumteils 1 erstrecken, an dem der Hohlraumteil 1 und der zylindrische Befestigungsteil 2 miteinander verbunden sind. Jeder Schlitz 3 hat eine Bodenfläche 3a, die vom Rand der Hohlraumöffnung bis zur Rückseite des Hohlraumteils 1 gegenüber der Mittelachse Q-C2 von der Ausströmdüse weg ansteigend geneigt ist und mit der Achse einen Winkel α. bildet. Mit anderen Worten, das vordere Ende des geneigten Bodens 3a eines jeden Schlitzes 3 schneidet die zylindrische Innenwandung des Hohlraums la in einer Ebene, in der auch die öffnung des Hohlraums la liegt. Das hintere Ende der geneigten Bodenfläche 3a schneidet die rückwärtige Kante 8 des Hohlraumteils 1. Am besten haben alle acht Schlitze 3 den gleichen Neigungswinkel α; einer oder einige der Schlitze 3 können jedoch auch einen anderen Neigungswinkel als den Neigungswinkel λ haben, so daß verschiedene Auffächerungsstrahlen erzeugt werden, wie später bei der Beschreibung der Fig.6 erläutert wird. In der Mitte der Rückprallvorrichtung ist eine Bohrung 9 vom Durchmesser dt eingeformt. Der zylindrische Befestigungsteil 2 mit einem Außendurchmesser di und einer Länge /3 ist mit einer oder mehreren Gewindebohrungen 7 versehen, die die Befestigungsbohrung 9 radial schneiden.
Wie in F i g. 3 dargestellt, ist die Rückprallvorrichtung an einer Ausspritzdüse 10 mit einer Ausspritzöffnung 10a montiert und bildet mit dieser einen Flüssigkeitszerstäuber. Befestigt ist die Rückprallvorrichtung durch eine Halterungsstange 6 sowie zwei Stege 4 und 5. Die Halterungsstange 6 ist im Innern der Ausspritzdüse 10 durch die Stege 4 und 5 fest mit der Innenwand der Düse 10 verbunden. Ein Ende der Halterungsstange 6 erstreckt sich axial aus der Ausspritzdüse 10 heraus und trägt die Rückprallvorrichtung, so daß diese koaxial zur Ausspritzdüse 10 angeordnet ist. Ferner ist die Rückprallvorrichtung so angeordnet, daß ihr Hohlraum la sich vor der Ausspritzöffnung 10a der Ausspritzdüse 10 befindet. Die Rückprallvorrichtung ist am Ende der Halterungsstange 6 durch eine Schraube oder Schrauben befestigt, die in die Gewindebohrung oder -bohrungen 7 eingedreht sind. Nach dem Befestigen der Rückprallvorrichtung an der Halterungsstange 6 wird ein Abstand U zwischen der Ausspritzöffnung 10a der Ausspritzdüse 10 und der öffnung des Hohlraums la der Rückprallvorrichtung so eingestellt, daß die Düse 10 mit der Rückprallvorrichtung in der gewünschten Weise zusammenwirkt und den aus der Düsenöffnung 10a austretenden Strahl in die vorgesehenen Richtungen mit der erforderlichen Kraft auffächert. Um eine starre Befestigung der Rückprallvorrichtung an der Halterungsstange 6 zu erzielen, muß die Gewindebohrung 7 rechtwinklig zur Achse der Durchführungsbohrung 9 gerichtet sein, durch die die Halterungsstange 6 hindurchgeführt wird. Statt einer Gewindebohrung 7 kann man auch eine glatte Bohrung vorsehen und die Rückprallvorrichtung durch einen Stift befestigen, der mit Preßsitz in die Bohrung eingetrieben wird. Der Durchmesser d3 und die Länge /3 des Befestigungsteils 2 werden am besten so klein wie möglich gewählt, damit die die Rückprallvorrichtung umgebende Flüssigkeit nicht daran gehindert wird, in die durch den aufgefächerten Strahl erzeugte Unterdruckzone einzudringen. Ferner wurde experimentell festgestellt, daß die Länge /1 des Hohlraumteils 1 am besten so gewählt wird, daß im Hinblick auf eine wirksame Beseitigung der strömungslosen Totzone durch die durch die Schlitze 3 strömende Flüssigkeit das rückwärtige Ende der geneigten Bodenfläche 3a eines jeden Schlitzes 3 sich genau in der rückwärtigen Kante 8 des Hohlraumteils 1 befindet.
F i g. 4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der in den Fig. IA, IB und 2 dargestellten Rückprallvorrichtung, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei dieser Ausführungsform ist der einen Hohlraum bildende Teil 12 an der Umfangskante der kreisförmigen öffninfj des Hohlraums la mit
radialen Ansätzen 14 versehen, die an der Vorderseile des Hohlraumteils 12 eine ebene Fläche 16 haben. An der Rückseite haben die radialen Ansätze 14 jedoch eine nach innen geneigte Fläche 18. Die Ansätze 14 erzeugen daher hydrodynamisch eine aktive Unterdruckzone an den geneigten Flächen 18 der Ansätze 14, wenn Flüssigkeit um d - Rückprallvorrichtung aufgefächert wird. Infolgedessen wird durch die Wirkung der aktiven Unterdruckzone eine Rückströmung der aufgefächerten Flüssigkeit hervorgerufen, die in sehr wirksamer Weise das Durchmischen der aufgefächerten Flüssigkeit mit der Flüssigkeit, die die Rückprallvorrichtung umgibt, fördert. Die Rückprallvorrichtung nach Fig.4 ist ebenfalls mit axialen Schlitzen 3 versehen, die die gleiche Funktion wie die axialen Schlitze 3 bei der Rückprallvorrichtung nach den Fig. IA, IB und 2 haben.
In F i g. 5 ist schematisch ein Flüssigkeitszerstäuber mit einer Ausspritzdüse 10 und einer bekannten Rückprallvorrichtung dargestellt. Ein Flüssigkeitsstrahl 2" S wird von der Düse 10 beschleunigt und mit hoher Geschwindigkeit aus der Düsenöffnung 10a in Richtung auf den Hohlraum der Rückprallvorrichtung ausgespritzt. Dieser Flüssigkeitsstrahl wird von dem Hohlraum der Rückprallvorrichtung als reflektierter Strahl ^ zurückgeworfen und stößt mit dem Flüssigkeitsstrahl S, der anschließend aus der Öffnung 10a der Düse 10 ausgespritzt wird, zusammen. Die zusammenprallenden Strahlen vermischen sich und werden zerstäubt, wobei sie eine konische Zusammenprallstelle C zwischen der 3() Düsenöffnung 10a und der Hohlraumöffnung der Rückprallvorrichtung bilden. Die gemischten und zerstäubten Strahlen werden mit Gewalt nach außen in eine Richtung 5s getrieben. Der aufgefächerte Strahl 5s prallt danach mit Außenteilen des Flüssigkeitsstrahles 5 3' zusammen, und es wird ein weiter aufgefächerter Strahl Sc erzeugt, dessen Außenbereich mit So und dessen Innenbereich mit 5/ bezeichnet ist. Der mit hoher Geschwindigkeit strömende aufgefächerte Strahl Sc erzeugt in seiner Nähe eine Unterdruckzone, in die aus 4" der Umgebung Flüssigkeit hydrodynamisch eingesogen wird, so daß ein Teil Gder Flüssigkeit stromabwärts von der Rückprallvorrichtung als Ansaugstrahl Sd zu der Unterdruckzone hin umgelenkt wird. In diesem Stadium bildet sich zwischen dem mit hoher Geschwindigkeit strömenden aufgefächerten Strahl 5cund dem Ansaugstrahl Sd eine strömungslose Totzone P aus. Aus dem aufgefächerten Strahl Sc dringen nun Flüssigkeitsteilchen in die Totzone Pein und setzen sich schließlich an der Außenfläche der Rückprallvorrichtung ab. Falls der M Flüssigkeitszerstäuber als Brennstoffzerstäuber dient und die Flüssigkeitsteilchen daher aus Heizöltröpfchen bestehen, sammeln sich diese auf der Außenfläche der Rückprallvorrichtung an. Sie werden dort von der Flamme erhitzt und zersetzt, so daß die Rückprallvorrichtung schließlich mit einer Schicht aus Kohleteilchen bedeckt ist die eine konvexe Fläche Co und eine konkave Fläche Ci bildet. Mit dem allmählichen Anwachsen der Kohleschicht wird der aus Hochtemperaturgasen bestehende Ansaugstrahl Sd zunehmend ω daran gehindert in den aufgefächerten Brennstoffstrahl 5c einzudringen. Infolgedessen wird der der Rückprallvorrichtung benachbarte Brennstoffstrahl 5c nicht gezündet und eine kontinuierliche Flammenfortpflanzung kommt nicht zustande. Mit anderen Worten, durch das Anwachsen der Kohleschicht wird das Fortschreiten einer stabilen Verbrennung des von der Brennerdüse zerstäubten Heizöls verhindert
Wenn dagegen die Rückprallvorrichtung gemäß der Erfindung bei einem Brennstoffzerstäuber eingesetzt wird, kann das Ansetzen einer Kohleschicht vermieden werden.
Die Arbeitsweise der Rückprallvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand von Fig. 6 beschrieben, in der die Verwendung einer Rückprallvorrichtung nach den Fig. IA, IB und 2 bei einem Brennstoffzerstäuber dargestellt ist. Die aus dem Düsenbauteil 10 ausgespritzte Flüssigkeit wird zu einem ersten konischen Strahl S'c mit einem Auffächerungswinkel ix\ und einem zweiten Auffächerungsstrahl Λ mit einem Auffächerungswinkel ot2 ausgebreitet. Der erste Auffächerungsstrahl 5'cist dem Auffächerungsstrahl Sc in Fi g. 5 ähnlich und wird außerhalb der Rückprallvorrichtung mit dem Außendurchmesser d\ zerstäubt, während der zweite Auffächerungsstrahl R durch die Schlitze 3 der Rückprallvorrichtung zerstäubt wird. Der zweite Auffächerungsstrahl R zerstört daher jede strömungslose Totzone, die sich eventuell an dem ersten Auffächerungsstrahl S'c bilden könnte. Daher ist die Wahrscheinlichkeit gering, daß Brennstoffteilchen sich an der Außenfläche der Rückprallvorrichtung ansetzen, da nahezu alle Brennstoffteilchen, die sich der Außenfläche der Rückprallvorrichtung nähern, von dem zweiten Auffächerungsstrahl R abgeführt werden. Falls sich einmal Heizölteilchen an der Außenfläche der Rückprallvorrichtung ansetzen sollten, werden sie von dem zweiten Auffächerungsstrahl /?alsbc!d abgelöst. Es kommt deshalb nicht zum Anwachsen einer Schicht angesetzter Brennstoffteilchen. Da außerdem die Rückprallvorrichtung eine Auffächerung des aus dem Düsenbauteil 10 Flüssigkeitsstrahls in mehr als eine Richtung ermöglicht, können die aufgefächerten Strahlen intensiv mit Luft und Hochtemperaturgasen gemischt werden, so daß eine rasche und stabile Verbrennung des Brennstoffs gefördert wird.
Beispiel
Mii einer Rückprallvorrichtung, die die folgenden Abmessungen und Anzahl der Schlitze hatte und an einem herkömmlichen Zerstäuberbrenner für schweres Heizöl C angebracht war, konnte das Anwachsen einer Kohleschicht an der Außenfläche der Rückprallvorrichtung vermieden und eine stabile Verbrennung des schweren Heizöls erzielt werden:
d, 15.8 mm
d^ 10,0 mm
dz 9,0 mm
h 5.0 mm
k 3,0 mm
h = 5.0 mm
W 2.2 mm
\ = 30°
Anzahl der
Schlitze 3 = 8.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß bei Verwendung der beschriebenen Rückprallvorrichtung an einem Zerstäuberbrenner für schweres Heizöl mit hohem Gehalt an kohlenstoffreichen Komponenten keine Kohleablagerungen an der Außenfläche der Rückprallvorrichtung auftreten. Infolgedessen kann eine stabile Verbrennung des schweren Heizöls erzielt werden. Da ferner die von der Brennerdüse zerstäubten Brennstoffteilchen intensiv mit Luft und heißen Verbrennungsgasen gemischt werden, tritt eine stabile
und homogene Verbrennung des schweren Heizöls ein. IJbermaHig In lie lokale Temperaturen, die zur Bildung gütiger Veihiiulungen, wie Stickstoffoxiden, füll ι en konnten, kommen nicht vor.
Ks sei noch darauf hingewiesen, daß die Rückprallvornchtung ,inch bei Düsen zum Auffächern und Verteilen von (iasslrömen eingesetzt werden kann. Alle im Vorstehenden für einen Flüssigkeitsstrahl beschriebe-
nen Vorgänge und Verhältnisse gelten entsprechend. Wnd beispielsweise die Rückprallvorrichtung an einer Düse zum Verteilen von Gasen in Flüssigkeiten verwendet und diese Düse in eine Flüssigkeit eingetaucht, so kann das Gemisch aus Gas und Flüssigkeit in viele Richtungen zerteilt weiden. Der Kontakt /wischen Gas und Flüssigkeit ist daher viel inniger als bei Verwendung einer bekannten Rückprallvorrichtung.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Rückprallvorrichtung für eine Ausströmdüse zur Zerteilung eines Fluids, wobei die Rückprallvorrichtung axial in Strömungsrichtung hinter der Ausströmdüse angeordnet ist, mit dieser einen Ausströmbereich bildet, in dem das aus der Ausströmdüse austretende Fluid mit dem von der Rückprallvorrichtung zurückgeworfenen Fluid zusammenstößt und einen einen Hohlraum bildenden Teil, dessen Hohlraum zur Ausströmdüse hin kreisförmig geöffnet ist, und einen sich axial daran anschließenden zylindrischen Befestigungsteil geringeren Durchmessers aufweist, der eine mechanische Verbindung zwischen der Rückprallvorrichtung und der Ausströmdüse herstellt, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Hohlraum (\a) bildende Teil (1, 12) an seinem Umfang mit einer Anzahl in gleichem Winkelabstand angeordneter axialer Schlitze (3) versehen ist, deren Bodenflächen (3a,) in Richtung der Ausströmdüse zur Achse (C1-C2) hin geneigt sind.
2. Rückprallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigte Bodenfläche (3a) der Schlitze (3) in der rückwärtigen Umfangskante (8) des Hohlraumteils (1) endet.
3. Rückprallvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Hohlraum (\a) bildende Teil (1, 12) ein im wesentlichen zylindrischer Teil ist, in dessen Mitte sich der Hohlraum (\a)befindet, und daß die Schlitze (3) sich vom Rand der kreisförmigen Öffnung des Hohlraums (Xa) bis zur in Strcmungsrichtung hinteren Außenkante (8) des Umfangs des Hohlteils (1, 12) erstrecken.
4. Rückprallvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumteil (12) an dem der Ausströmdüse (10) zugewandten Ende mit radial nach außen weisenden, flanschartigen Ansätzen (14) versehen ist.
5. Rückprallvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der axialen Schlitze (3) eine Bodenfläche (3a) hat, deren Neigung von der Neigung der Bodenflächen (3a) der anderen axialen Schlitze (3) verschieden ist.
6. Rückprallvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ausströmdüse eine Halterungsstange (6) befestigt ist, an der der zylindrische Teil der Rückprallvorrichtung befestigt ist.
DE2926248A 1978-07-03 1979-06-29 Rückprallvorrichtung zur Verwendung an einer Ausströmdüse für die Zerteilung eines Fluids Expired DE2926248C3 (de)

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