EP0607166B1 - Vorrichtung zum ansaugen von zusatzstoffen in eine fluidströmung - Google Patents

Vorrichtung zum ansaugen von zusatzstoffen in eine fluidströmung Download PDF

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EP0607166B1
EP0607166B1 EP92918475A EP92918475A EP0607166B1 EP 0607166 B1 EP0607166 B1 EP 0607166B1 EP 92918475 A EP92918475 A EP 92918475A EP 92918475 A EP92918475 A EP 92918475A EP 0607166 B1 EP0607166 B1 EP 0607166B1
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fluid
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gap
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/30—Injector mixers
    • B01F25/31—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows
    • B01F25/313—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced in the centre of the conduit
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/8593—Systems
    • Y10T137/87571—Multiple inlet with single outlet
    • Y10T137/87587—Combining by aspiration
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    • Y10T137/87619—With selectively operated flow control means in inlet
    • Y10T137/87627—Flow control means is located in aspirated fluid inlet

Definitions

  • the invention relates to a device for sucking in and admixing additives into a fluid flow by means of a connecting piece which has a through-channel for the fluid and a connecting channel for the additive connected therewith, the additive being sucked in by a negative pressure generated by the fluid flow by a stopper protrudes approximately transversely to the fluid flow into the through-channel and this stopper blocks a large part of the fluid flow, but can be flowed around laterally along at least one gap and has at least one opening there which is connected to the connecting channel for the additive.
  • Such a device is known from DE-OS 39 30 709 by the same applicant. It is characterized by a surprisingly high suction power at the connection channel for the additive, so that the admixture of pasty, gel-like media of high viscosity is ensured.
  • any liquid or gaseous medium can be used as the fluid.
  • the object of the present invention is to further improve the suction power of the device described at the outset. It should also be characterized by a strong negative pressure at the connection channel for the additive, even at high back pressures. If, for example, a pre-pressure of 6 bar is used in the fluid, the device according to the invention should also be able to tolerate a counter pressure of 4 to 5 bar without the suction power decreasing appreciably.
  • gap cross sections for the fluid flow on both sides of the stopper are selected to be different sizes, in particular by the gap cross section on one stopper side being at most half as large as that on the other stopper side, in the limit case even about zero.
  • the dimensioning of the gap cross section is of considerable importance. It is recommended that the gap cross-section or the sum of the two gap cross-sections, when the plug is flowed around on both sides, is about 5% to 8% of the fluid channel cross-section.
  • the stopper has an approximately round cross-section and projects tangentially into the through-channel on one end of the stopper or cuts into the adjacent wall of the through-channel with an undercut of up to about 1 mm - preferably 1/2 mm.
  • the bore for the stopper is offset in the transverse direction with respect to the axis of the fluid channel by approximately 15 to 25%, based on the diameter of the fluid channel. It has been shown that the formation of dead space on the closed plug side in no way impairs the suction power, but on the contrary improves the distribution of the additive in the fluid.
  • the openings in the stopper for the additive it is advisable to move it forwards in the direction of flow relative to a transverse plane through the fluid channel along the stopper axis by approximately 8 ° to 12 °, preferably by approximately 10 °.
  • stopper completely crosses the walls of the through-channel and is fixed therein in a fluid-tight manner. Depending on the material, it can be glued, sealed, soldered or welded. In any case, this fixation of the stopper on both sides of the through-channel provides a very exact positioning, which is important to maintain the desired gap cross-sections.
  • the stopper be secured against twisting so that the stopper can be installed in the connecting piece only in a position in which the openings from which the additive is sucked in lie at an angle.
  • the plug is best installed in the connecting piece in such a way that it is inserted into the connecting piece from the side facing away from the connecting channel for the additive, it being possible for it to have a projection on this facing away side which fits into a corresponding recess in the connecting piece .
  • the connecting piece in its connecting channel for the additive has a valve consisting of a valve seat and valve body, the installation position of which is selected so that it is at a negative pressure at the opening for the additive in the opening direction, at an excess pressure on the latter Opening in the closing direction is loaded.
  • a valve consisting of a valve seat and valve body, the installation position of which is selected so that it is at a negative pressure at the opening for the additive in the opening direction, at an excess pressure on the latter Opening in the closing direction is loaded.
  • valve body can also be loaded by a spring in the closing direction.
  • the T-shaped connector 1 contains a horizontal bore for the through-channel 2 and a perpendicular opening into this channel 3, which functions in its upper part 3a as a connecting channel for the additive, while in its lower Part 3b is used to hold a stopper, which will be discussed later.
  • the bore 3b is in Transversely offset that it approximately touches the left wall of the passage 2, whereas it cuts into the right wall about 1 to 2 mm deep. An approximately crescent-shaped gap 4 therefore arises there.
  • the additive is supplied via the connection channel 3a. It passes through a bore 6 of the stopper 5 into the inside of the stopper and is sucked out of the fluid and entrained from there via at least one opening 7, which opens out at the gap 4 by about 10 angular degrees in the direction of flow.
  • the upper part 3a of the bore 3 is reduced in diameter compared to the part 3b to form a valve seat 8 and carries in its interior a valve body 9 which interacts with the valve seat 8 via a sealing ring. It is vertically movable in the bore 3a while leaving an annular gap, but is pressed upwards into the closed position by a spring 10 which is mounted in the bore 6 of the stopper 5.
  • the valve body 9 At its upper end, the valve body 9 carries a stop disk 11 which can be rotated on a thread. Its distance from the upper end of the connecting piece 1 defines the maximum opening stroke of the valve body 9 and thus allows the amount of the additive sucked in by the fluid to be regulated.
  • the plug In order to ensure a fitting installation of the plug 5 in the connector 1, the plug carries at its lower end a circumferential projection 12 which - as shown in FIGS. 1 and 2 - fits into a suitable recess 1a of the connector and is fixed therein in a liquid-tight manner.
  • an anti-twist device 12a ensures that the stopper can only be installed in a certain position in which the opening 7, relative to the direction of flow, is slightly offset towards the outflowing fluid.
  • the device described is basically suitable for all applications in which a liquid or a gas is to be admixed to a liquid or gaseous fluid.
  • the heating oil flows through the through channel 2 and draws in fresh air via the connecting channel 3a. This fresh air is mixed intensively with the heating oil, whereby the heating oil is intensively atomized.
  • TÜV Rhineland has determined that this significantly increases the flame temperature and improves the burnout of the heating oil. Measurements by TÜV Rheinland showed an astonishingly high saving of 10 to 15% heating oil. At the same time, pollutant emissions have been drastically reduced.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansaugen und Beimischen von Zusatzstoffen in eine Fluidströmung mittels eines Verbindungsstückes, das einen Durchgangskanal für das Fluid und einen damit in Verbindung stehenden Anschlußkanal für den Zusatzstoff aufweist, wobei der Zusatzstoff durch einen von der Fluidströmung erzeugten Unterdruck angesaugt wird, indem ein Stopfen etwa quer zur Fluidströmung in den Durchgangskanal hineinragt und dieser Stopfen einen Großteil der Fluidströmung blockiert, jedoch seitlich längs zumindest eines Spaltes umströmbar ist und dort zumindest eine Öffnung aufweist, die mit dem Anschlußkanal für den Zusatzstoff in Verbindung steht.
  • Eine derartige Vorrichtung ist durch die DE-OS 39 30 709 des gleichen Anmelders bekannt. Sie zeichnet sich durch überraschend hohe Saugleistung am Anschlußkanal für den Zusatzstoff aus, so daß auch die Beimischung pastöser, gelartiger Medien hoher Viskosität gewährleistet ist. Als Fluid kommt dabei grundsätzlich jedes flüssige wie auch gasförmige Medium in Betracht.
  • Untersuchungen des Anmelders haben gezeigt, daß die Saugwirkung nachläßt, wenn das mit dem Zusatzstoff vermischte Fluid anschließend hohe Strömungswiderstände überwinden muß, wenn also hinter der Mischvorrichtung mit hohen Gegendrücken zu rechnen ist. In der Praxis kommt dies beispielsweise vor, wenn das Fluid hinter der Mischvorrichtung durch feine Düsen in die Atmosphäre oder in eine Brennkammer zerstäubt werden soll.
  • Hiervon ausgehend liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die eingangs beschriebene Vorrichtung hinsichtlich ihrer Saugleistung weiter zu verbessern. Dabei soll sie sich auch bei hohen Gegendrücken noch durch einen starken Unterdruck am Anschlußkanal für den Zusatzstoff auszeichnen. Wird beispielsweise mit einem Vordruck von 6 bar im Fluid gearbeitet, so soll die erfindungsgemäße Vorrichtung noch einen Gegendruck von 4 bis 5 bar vertragen, ohne daß die Saugleistung nennenswert nachläßt.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß die Spaltquerschnitte für die Fluidströmung an beiden Seiten des Stopfens unterschiedlich groß gewählt werden, insbesondere indem der Spaltquerschnitt an der einen Stopfenseite höchstens halb so groß wie der an der anderen Stopfenseite, im Grenzfall sogar etwa null ist.
  • Bei dieser asymmetrischen Anordnung hat sich überraschend gezeigt, daß die Saugleistung noch höher als bei der eingangs beschriebenen bekannten Vorrichtung ist, und daß dadurch auch höhere Gegendrücke in der abgehenden Leitung vertragen werden.
  • Möglicherweise beruht dies darauf, daß der kleinere Durchströmspalt für eine hohe Saugleistung sorgt, während der größere Durchströmspalt eine hohe Durchströmmenge gestattet. Wird der Stopfen soweit versetzt, daß er nur noch an der einen Seite umströmbar ist, so stellt sich neben der hohen Saugleistung auch eine starke Verwirbelung und dementsprechend auch eine gute Vermischung zwischen Fluid und Zusatzstoff ein.
  • Wie schon bei der vorbekannten Vorrichtung ist auch hier die Bemessung des Spaltquerschnittes von erheblicher Bedeutung. Es empfiehlt sich, daß der Spaltquerschnitt bzw. die Summe der beiden Spaltquerschnitte, wenn der Stopfen beidseitig umströmt wird, etwa 5 % bis 8 % des Fluidkanalquerschnittes beträgt.
  • Des weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Stopfen etwa runden Querschnitt aufweist und an der einen Stopfenseite tangential in den Durchgangskanal hineinragt oder mit einem Hinterschnitt von bis etwa 1 mm - vorzugsweise 1/2 mm - in die benachbarte Wand des Durchgangskanals hineinschneidet. Mit anderen Worten: die Bohrung für den Stopfen wird, bezogen auf die Achse des Fluidkanals, in Querrichtung um etwa 15 bis 25 %, bezogen auf den Durchmesser des Fluidkanals, versetzt. Dabei hat sich gezeigt, daß die Totraumbildung an der verschlossenen Stopfenseite die Saugleistung in keiner Weise beeinträchtigt, sondern im Gegenteil die Verteilung des Zusatzstoffes im Fluid verbessert wird.
  • Hinsichtlich der Öffnungen im Stopfen für den Zusatzstoff empfiehlt es sich, diese gegenüber einer Querebene durch den Fluidkanal entlang der Stopfenachse etwa um 8° bis 12°, vorzugsweise um etwa 10° - nach vorn in Strömungsrichtung zu versetzen.
  • Eine andere zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Stopfen die Wände des Durchgangskanals vollständig durchquert und darin jeweils fluiddicht festgelegt ist. Je nach Material kann er verklebt, versiegelt, verlötet oder verschweißt sein. Auf jeden Fall erhält man durch diese Fixierung des Stopfens zu beiden Seiten des Durchgangskanals eine sehr exakte Positionierung, was zur Einhaltung der gewünschten Spaltquerschnitte wichtig ist.
  • In entsprechender Weise empfiehlt es sich auch, daß der Stopfen gegen Verdrehen gesichert wird, damit der Stopfen nur in einer derartigen Position in das Verbindungsstück eingebaut werden kann, bei der die Öffnungen, aus denen der Zusatzstoff angesaugt wird, winkelgerecht liegen.
  • Der Einbau des Stopfens in das Verbindungsstück erfolgt am besten in der Weise, daß er von der dem Anschlußkanal für den Zusatzstoff abgewandten Seite in das Verbindungsstück eingesteckt wird, wobei er an dieser abgewandten Seite einen Vorsprung aufweisen kann, der in eine entsprechende Ausnehmung des Verbindungsstückes hineinpaßt.
  • Schließlich hat es sich als günstig erwiesen, daß das Verbindungsstück in seinem Anschlußkanal für den Zusatzstoff ein Ventil, bestehend aus Ventilsitz und Ventilkörper aufweist, dessen Einbaulage so gewählt ist, daß es bei Unterdruck an der Öffnung für den Zusatzstoff im Öffnungssinn, bei Überdruck an dieser Öffnung im Schließsinn belastet wird. Dadurch ist sichergestellt, daß bei einer eventuellen Verstopfung in der abgehenden Leitung das Fluid nicht in den Anschlußkanal des Zusatzstoffes strömt und dort Verunreinigungen verursacht. Dies ist insbesondere bedeutsam, wenn als Fluid Heizöl verwendet wird, das in dem Verbindungsstück mit Luft vermischt werden soll, um die Verbrennung zu verbessern.
  • Sicherheitshalber kann der Ventilkörper zusätzlich durch eine Feder im Schließsinn belastet sein.
  • Weitere Merkmale und Vorteile des Anmeldungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung; dabei zeigt
    • Figur 1
    das leere Verbindungsstück in einem Axialschnitt entlang dem Durchgangskanal;
    Figur 2
    einen Querschnitt durch die Linie II-II in Figur 1;
    Figur 3
    eine Unteransicht des Verbindungsstückes gemäß Figur 1 und
    Figur 4
    einen vergrößerten Axialschnitt entsprechend Figur 1, jedoch mit den Einbauteilen.
  • Wie insbesondere die Figuren 1 und 4 zeigen, enthält das T-förmige Verbindungsstück 1 eine Horizontalbohrung für den Durchgangskanal 2 und eine senkrecht in diesen Kanal mündende Bohrung 3, die in ihrem oberen Teil 3a als Anschlußkanal für den Zusatzstoff fungiert, während sie in ihrem unteren Teil 3b zur Aufnahme eines Stopfens dient, auf den später noch eingegangen wird.
  • Wesentlich ist nun, daß die Achsen der Bohrungen 2 und 3b einander nicht schneiden, sondern versetzt zueinander angeordnet sind. Gemäß Figur 2 ist die Bohrung 3b derart in Querrichtung versetzt, daß sie die linke Wandung des Durchgangskanals 2 etwa tangiert, wogegen sie in die rechte Wandung etwa 1 bis 2 mm tief einschneidet. Daher entsteht dort ein etwa sichelförmiger Spalt 4.
  • Wird nun der in Figur 4 dargestellte Stopfen 5 von unten in den Verbindungskörper 1 eingesteckt, so ist dieser Stopfen nur an der einen Seite, nämlich längs des Spaltes 4 umströmbar, während der Durchgangskanal an der anderen Seite des Stopfens blockiert ist.
  • Der Zusatzstoff wird über den Anschlußkanal 3a zugeführt. Er gelangt über eine Bohrung 6 des Stopfens 5 in das Innere des Stopfens hinein und wird von dort über mindestens eine Öffnung 7, die an dem Spalt 4 um etwa 10 Winkelgrade in Strömungsrichtung versetzt mündet, von dem Fluid abgesaugt und mitgerissen.
  • Der obere Teil 3a der Bohrung 3 ist gegenüber dem Teil 3b unter Bildung eines Ventilsitzes 8 im Durchmesser reduziert und trägt in seinem Inneren einen Ventilkörper 9, der über einen Dichtungsring mit dem Ventilsitz 8 zusammenwirkt. Er ist in der Bohrung 3a unter Belassung eines Ringspaltes vertikal beweglich, wird aber durch eine Feder 10, die in der Bohrung 6 des Stopfens 5 gelagert ist, nach oben in die Geschlossenstellung gedrückt.
  • An seinem oberen Ende trägt der Ventilkörper 9 eine auf einem Gewinde verdrehbar Anschlagscheibe 11. Ihr Abstand gegenüber dem oberen Ende des Verbindungsstückes 1 definiert den maximalen Öffnungshub des Ventilkörpers 9 und gestattet es somit, die Menge des vom Fluid angesaugten Zusatzstoffes zu regulieren.
  • Um einen paßgerechten Einbau des Stopfens 5 im Verbindungsstück 1 zu gewährleisten, trägt der Stopfen an seinem unteren Ende einen umlaufenden Vorsprung 12, der - wie Figur 1 und 2 zeigt - in eine passende Ausnehmung 1a des Verbindungsstückes hineinpaßt und darin flüssigkeitsdicht festgelegt wird. Zugleich sorgt eine Verdrehsicherung 12a dafür, daß der Stopfen nur in einer bestimmten Position eingebaut werden kann, bei der die Öffnung 7, bezogen auf die Strömungsrichtung, leicht in Richtung zum abströmenden Fluid hin versetzt ist.
  • Grundsätzlich ist die beschriebene Vorrichtung für alle Anwendungsfälle geeignet, bei denen einem flüssigen oder gasförmigen Fluid eine Flüssigkeit oder ein Gas beigemischt werden soll.
  • Als besonders erfolgreich hat sich der Einbau in die Heizölversorgung von Brennern erwiesen. Dabei fließt das Heizöl durch den Durchgangskanal 2 und saugt über den Anschlußkanal 3a Frischluft an. Diese Frischluft wird intensiv mit dem Heizöl vermischt, wobei das Heizöl eine intensive Vorzerstäubung erfährt.
  • Der TÜV-Rheinland hat festgestellt, daß sich dadurch die Flammentemperatur deutlich erhöht und der Ausbrand des Heizöls verbessert wird. Messungen des TÜV-Rheinland ergaben eine erstaunlich hohe Einsparung von 10 bis 15 % Heizöl. Gleichzeitig wurde der Schadstoffausstoß drastisch reduziert.

Claims (14)

  1. Vorrichtung zum Ansaugen und Beimischen von Zusatzstoffen in eine Fluidströmung mittels eines Verbindungsstückes (1), das einen Durchgangskanal (2) für das Fluid und einen damit in Verbindung stehenden Anschlußkanal (3a) für den Zusatzstoff aufweist, wobei der Zusatzstoff durch einen von der Fluidströmung erzeugten Unterdruck angesaugt wird, indem ein Stopfen (5) etwa quer zur Fluidströmung in den Durchgangskanal (2) hineinragt und dieser Stopfen (5) einen Großteil der Fluidströmung blockiert, jedoch seitlich längs zumindest eines Spaltes (4) umströmbar ist und dort zumindest eine Öffnung (7) aufweist, die mit dem Anschlußkanal (3a) für den Zusatzstoff in Verbindung steht,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Spaltquerschnitte (4) für die Fluidströmung an beiden Seiten des Stopfens (5) unterschiedlich groß sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Spaltquerschnitt an der einen Stopfenseite höchstens halb so groß ist wie der an der anderen Stopfenseite.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Spaltquerschnitt an der einen Stopfenseite etwa null ist, und daß der Spaltquerschnitt (4) an der anderen Stopfenseite etwa 5 bis 8 % des Fluidkanalquerschnittes beträgt.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Stopfen (5) etwa runden Querschnitt aufweist und an der einen Stopfenseite tangential in den Durchgangskanal (2) für das Fluid hineinragt, während er an der anderen Seite einen Spalt (4) bildet.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Stopfen (5) etwa runden Querschnitt aufweist und an der einen Stopfenseite mit einem Hinterschnitt von bis etwa 1 mm, vorzugsweise 1/2 mm, in die Wandung des Durchgangskanals (2) für das Fluid hineinragt, während er an der anderen Seite einen Spalt (4) bildet.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Öffnung (7) im Stopfen (5) gegenüber einer Querebene durch den Durchgangskanal (2) entlang der Stopfenachse etwa um 8° bis 12° nach vorn in Strömungsrichtung versetzt ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Stopfen (5) die Wände des Durchgangskanals (2) vollständig durchquert und darin jeweils fluiddicht festgelegt ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Stopfen (5) an einem Teil seines Umfanges durch formschlüssigen Eingriff (12a) mit dem Verbindungsstück (1) gegen Verdrehen gesichert ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Stopfen (5) von der dem Anschlußkanal (3a) abgewandten Seite in das Verbindungsstück (1) einsteckbar ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Stopfen (5) an der dem Anschlußkanal (3a) abgewandten Seite einen umlaufenden Vorsprung (12) aufweist, der in eine entsprechende Ausnehmung (1a) des Verbindungsstückes (1) hineinpaßt.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Verbindungsstück (1) in seinem Anschlußkanal (3a) für den Zusatzstoff einen Ventilsitz (8) und einen Ventilkörper (9) aufweist, dessen Einbaulagen so gewählt sind, daß der Ventilkörper bei Unterdruck an der Öffnung (7) für den Zusatzstoff im Öffnungssinn, bei Überdruck an dieser Öffnung (7) im Schließsinn belastet ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Ventilkörper (9) zusätzlich durch eine Feder (10) im Schließsinn belastet ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Feder (10) in einer Bohrung (6) des Stopfens (5) untergebracht ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Ventilsitz (8) unmittelbar in den Anschlußkanal (3a) eingeformt ist
EP92918475A 1991-08-23 1992-08-21 Vorrichtung zum ansaugen von zusatzstoffen in eine fluidströmung Expired - Lifetime EP0607166B1 (de)

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