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空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究
文獻(xiàn)翻譯
題 目 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)優(yōu)化
及實(shí)驗(yàn)研究
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 (系)
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時(shí)間
空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究
摘要:本文論述了空氣源熱泵熱水器(ASHPWH)系統(tǒng)優(yōu)化,包括其計(jì)算和測(cè)試。該系統(tǒng)由熱泵機(jī)組,水箱和連接管組成??諝饽芡ㄟ^(guò)逆卡諾循環(huán)在蒸發(fā)器中被吸收進(jìn)入存儲(chǔ)罐。盤(pán)管/冷凝器將冷凝制冷劑的熱水側(cè)。空氣源熱泵熱水器使用螺旋式式壓縮機(jī)把水從初始溫度加熱到設(shè)定溫度(55 C)。毛細(xì)管長(zhǎng)度,制冷劑的填充量,冷凝器盤(pán)管長(zhǎng)度和系統(tǒng)匹配的問(wèn)題便由此進(jìn)行論述。從測(cè)試的結(jié)果可以看出,系統(tǒng)性能系數(shù)可明顯改善。
關(guān)鍵詞:熱泵;熱水器;冷凝盤(pán)管;充注量;系統(tǒng)匹配;優(yōu)化
1. 引言
目前國(guó)內(nèi)家用熱水器市場(chǎng)的主要產(chǎn)品為燃?xì)鉄崴鳎℅WH)、電熱水器(EWH)和太陽(yáng)熱水器(SWH),而熱泵熱水器作為熱水器的第四種,最近在市場(chǎng)上出現(xiàn)。相比三成型機(jī),熱泵熱水器有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn),如節(jié)能,運(yùn)行費(fèi)用低,使用安全,這一切使其在家用熱水方面有非常廣闊的應(yīng)用前景。
空氣源熱泵熱水器(ASHPWH),基于對(duì)朗肯循環(huán)的原理,吸收在較低的溫度下空氣的熱量,通過(guò)熱機(jī)的工作,吸收的熱量和熱能的消耗被轉(zhuǎn)移到水箱–較高溫度的熱源。該系統(tǒng)從環(huán)境中得到能量,可能是電力總消耗的3-4倍。然而,卻貢獻(xiàn)了4–5倍的電能。因此,空氣源熱泵熱水器由于其獨(dú)特的高效節(jié)能而成為用戶的首選。
20世紀(jì)50年代以來(lái),學(xué)者對(duì)熱泵熱水器包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu),熱力學(xué),工作流體,運(yùn)行控制,數(shù)值模擬和經(jīng)濟(jì)分析進(jìn)行了研究。
冷凝器在環(huán)狀流和U型管設(shè)計(jì)方面經(jīng)歷了兩個(gè)階段梅等人對(duì)冷凝器在水箱進(jìn)行了8次性能測(cè)試。當(dāng)考慮COP用平均水溫計(jì)算時(shí),他們發(fā)現(xiàn),U型管系統(tǒng)的性能通常是比這卡口式冷凝器系統(tǒng)更好的。系統(tǒng)COP和產(chǎn)熱增加率環(huán)數(shù)的增加而增加[ 1 ]。
從1991年起,關(guān)于冷凝器引起了一系列雙罐熱水系統(tǒng)的研究。初步研究表明,超過(guò)60種雙罐有潛在的研究?jī)r(jià)值。通過(guò)不同的管道的連接方式和控制策略可以實(shí)現(xiàn)如熱水供應(yīng)的控制和優(yōu)化功率控制的目標(biāo)。連續(xù)試驗(yàn)表明,38種雙罐熱水系統(tǒng)效率高于其他結(jié)構(gòu)的熱泵熱水器。雙罐熱水系統(tǒng)比同體積[ 2 ]單罐系統(tǒng)熱損失較多。黃林還研究了雙水箱熱泵熱水器。水箱體積為100 L.。結(jié)果表明,把水從42 C加熱到至52 C 需要10–20分鐘,和所有的COP能夠達(dá)到2–3。與電熱水器相比,該節(jié)能率為50–70%,熱水排放效率是0.912 [ 3 ]。
Hasegawa等提出了一種雙級(jí)壓縮聯(lián)加熱熱泵供熱水系統(tǒng)。以R12為例,它可以把水水從10 C直接加熱到60 C.進(jìn)出蒸發(fā)器出水溫度分別為12 C和7 C,系統(tǒng)的COP為3.73 [ 4 ]。姬等人結(jié)合熱泵熱水器與普通空調(diào),實(shí)現(xiàn)了一種多功能家用熱泵(MDHP)。該裝置在氣候溫和的地區(qū)可以實(shí)現(xiàn)多功能和長(zhǎng)時(shí)間的高效率操作。當(dāng)制冷和加熱的同時(shí)運(yùn)行,COP和能效比平均可達(dá)3.5 [ 5,6 ]。
R12,R22是熱泵熱水器最常用的工作流體。隨著臭氧層的保護(hù)方案,R22成為唯一還在使用傳統(tǒng)的流體。在像中國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家,R22的截止使用日期為2040年。直到現(xiàn)在,它仍被廣泛使用。因此對(duì)R22系統(tǒng)性能研究做某種意義上改進(jìn)仍然很有價(jià)值,這也是一種儲(chǔ)蓄能源的手段。斯隆等人在水箱中部采用肋輥管,環(huán)境溫度為24C,水溫度為27 C,COP為2.4。梅等人也采用R22為制冷劑,結(jié)果是當(dāng)水的溫度時(shí)27 C,環(huán)境溫度20 C和27 C ,COP分別為4和4.5[ 7 ]。從文獻(xiàn)使用常規(guī)的工作流體,可以看到,當(dāng)環(huán)境溫度適中,冷凝溫度不高,R22可以獲得良好的熱力學(xué)性能和效率。不過(guò),當(dāng)系統(tǒng)在高溫區(qū)運(yùn)行,例如,50C以上 ,壓縮機(jī)的排氣溫度和壓力都是很高的,尤其是在寒冷的冬天。壓縮機(jī)的工作條件比普通空調(diào)熱泵惡劣,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此尋找新的高性能液是當(dāng)務(wù)之急。
為使空氣源熱泵熱水器有效運(yùn)行,已經(jīng)進(jìn)行了許多相關(guān)的研究。墨里森等人[ 8 ]闡述了一種空氣源熱泵熱水器年度負(fù)荷周期評(píng)價(jià)方法。基姆等人[ 9 ]提出了一個(gè)熱泵熱水器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型。Ding等人[ 10 ]和姚明等人[ 11 ]在除霜方面做了大量的研究用以提高空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)在冬天的工作。范等使用7500 W熱泵熱水器來(lái)研究其節(jié)能特性??紤]風(fēng)機(jī)和水泵消耗功率,系統(tǒng)COP為3.3。只要考慮壓縮機(jī),COP便變成了4.18 [ 12 ]。
然而,就目前空氣源熱泵熱水器而言制造商沒(méi)有約定匹配熱水泵和水箱的參數(shù),主要是由于不同的工作條件包括地區(qū),生活習(xí)慣和是否全年運(yùn)行有關(guān)。熱泵熱水器系統(tǒng)由分戶式熱泵,水箱和管道等連接而成。一些制造商使用空調(diào)熱泵(室外機(jī))直接,并用添加水箱來(lái)完善系統(tǒng)。顯然,空氣源熱泵熱水器工作條件隨空調(diào)器不同而改變??諝庠礋岜脽崴鞯臒岫藴囟葷u漸地上升,但其冷卻器側(cè)是根據(jù)四季環(huán)境不斷變化的。因此,有必要規(guī)范空氣源熱泵熱水器的產(chǎn)品。
為了提高系統(tǒng)性能、降低產(chǎn)品成本、優(yōu)化運(yùn)行工況,應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)組成部件人手進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),除壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、熱力膨脹閥之外,充注量、水箱容量與機(jī)組的匹配也相當(dāng)重要。本文對(duì)現(xiàn)有空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)部件提出優(yōu)化并進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。分別對(duì)充注量、冷凝盤(pán)管長(zhǎng)度以及系統(tǒng)匹配問(wèn)題加以討論,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可見(jiàn),其系統(tǒng)性能∞P和經(jīng)濟(jì)性有顯著提高,希望對(duì)熱泵熱水器今后的發(fā)展提供一些有價(jià)值的參考意見(jiàn)。
2熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成
空氣源熱泵熱水器測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。它是由溫度和濕度控制室,熱泵,水箱,控制系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)所組成。一個(gè)數(shù)據(jù)記錄器(Keithley 2700)和PC機(jī)是用來(lái)記錄水箱中的水溫。同時(shí),在進(jìn)口和出口處的水管溫度,環(huán)境溫度,飽和蒸發(fā)溫度,和瞬態(tài)輸入電功率作為文件自動(dòng)存儲(chǔ)在電腦中。
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),液體工質(zhì)從空氣中吸熱,在蒸發(fā)器中蒸發(fā),然后經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的蒸氣,高壓蒸氣在冷凝器放熱而凝結(jié)成液體從而加熱水箱中的水,高壓高溫的液體經(jīng)過(guò)毛細(xì)管或熱力膨脹閥節(jié)流后成為低溫低壓的氣液混合物,重新進(jìn)入蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)從而完成一個(gè)循環(huán)。實(shí)驗(yàn)中由控制器設(shè)定啟/停機(jī)溫度和運(yùn)行模式,水溫升至設(shè)定溫度后自動(dòng)停機(jī),水溫降到一定溫度時(shí),則開(kāi)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)溫。本實(shí)驗(yàn)僅討論一個(gè)加熱過(guò)程中的參數(shù)變化情況,在加熱開(kāi)始前和結(jié)束后開(kāi)啟循環(huán)水泵,將水?dāng)噭蚝蟮玫匠跏己徒K了水溫,在此基礎(chǔ)上根據(jù)得熱量與耗電量的比值算出COP.
1.殼體;2.翅片管式換熱器;3.軸流風(fēng)扇;4.氣液分離器;5.壓
縮機(jī);6.干燥過(guò)濾器;7.閥門(mén);8.熱力膨脹閥;9.銅管;10.殼
體;11.保溫層;12.內(nèi)筒;13.盤(pán)管式冷凝器;14.恒溫室;15.進(jìn)
水管;16.循環(huán)水泵;17.混水閥;18.三通閥;19.出水管;20.控
制器;21.電表;22.計(jì)算機(jī);23墩據(jù)監(jiān)視;24.?dāng)?shù)據(jù)采集器;
25.保溫水箱;26.循環(huán)求符;A~H.深度傳感器;l、J.水表
圖1實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)不意圖
3.空氣源熱泵熱水器的制冷劑充注量
在對(duì)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了打壓檢漏、抽真空后,就要加入熱泵工質(zhì),在這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),使用R22作為工質(zhì)。顯然,填充量與蒸發(fā)器,冷凝器和壓縮機(jī)有關(guān)。如果,熱泵工質(zhì)充注量過(guò)多,則壓縮機(jī)負(fù)載加重,并且過(guò)量的熱泵工質(zhì)會(huì)占去冷凝器的一部分面積,使制熱效率下降;另一方面,若充注量過(guò)少,則壓縮機(jī)進(jìn)、回氣壓力偏低,熱流密度變小,難以滿足其額定的制熱量。這兩種情況均不能使熱泵設(shè)備達(dá)到理想的工作狀態(tài)。另外,冬、夏季的環(huán)境溫度不同(例如,上海10-35C),熱泵工質(zhì)流量不同,系統(tǒng)性能及最佳充注量亦不同,一般來(lái)說(shuō),夏季相對(duì)需求量多,冬季需求量少一些。這些都是熱泵工質(zhì)充注量難以確定的影響因素。我們的目標(biāo)就是找到可能到最節(jié)能的方式。
在實(shí)驗(yàn)中,選擇一個(gè)750 W的熱泵,25C恒定室溫, 約150升的水箱和60米的b9.9·0.75毫米的冷凝盤(pán)管進(jìn)行測(cè)試。水罐中的初始和終了溫度分別15C和55 C。在測(cè)試中,我們選擇電子氟利昂定量流量計(jì),制冷量可由其液晶屏幕,直接讀出。在為了保持壓縮機(jī)最大額定功率,圖2中的電流不應(yīng)超過(guò)3.8 A,我們可以看到COP曲線與制冷劑充注量,最大的COP是制冷劑在灌漿達(dá)到1.5公斤時(shí)。
理論上講,在一個(gè)750 W在熱泵中,制冷劑流量可以根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算空氣源熱泵熱水器性能參數(shù)。根據(jù)[ 13 ],總填注量等于各組件相加。
即:mT =ma t mP t me t mc
在實(shí)驗(yàn)中,mT代表總充注量,ma ,mP ,me和 mc分別代表蓄能器充注量,液管充注量,蒸發(fā)器充注量和冷凝器充注量。
表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,在冬季,夏季和春季/秋季工作環(huán)境溫度分別為5 C,30 C和25 C.可以看出,最佳填充量隨氣候變化有很大的不同。然而,為了安全,我們選擇的春天或夏天的一個(gè)來(lái)保證壓縮機(jī)不會(huì)在夏天承載太多的負(fù)荷。
4. 冷凝盤(pán)管長(zhǎng)度
冷凝盤(pán)管的長(zhǎng)度應(yīng)和壓縮機(jī)型號(hào)、系統(tǒng)的負(fù)荷、蒸發(fā)器面積相匹配。冷凝盤(pán)管長(zhǎng)度過(guò)短則容易造成壓縮機(jī)吸、排氣溫度較高而過(guò)載,壓縮機(jī)壽命縮短;太長(zhǎng)則有相當(dāng)一部分長(zhǎng)度沒(méi)有被利用而造成浪費(fèi)。因此,計(jì)算一個(gè)合理的長(zhǎng)度是冷凝器設(shè)計(jì)的當(dāng)務(wù)之急。
本文以150L水箱的750W熱泵外機(jī)為例,計(jì)算了以R22作為熱泵工質(zhì),熱水設(shè)定溫度為55℃時(shí)熱泵系統(tǒng)所需的冷凝盤(pán)管長(zhǎng)度。計(jì)算過(guò)程如下:
(1)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)
熱泵系統(tǒng)冷凝負(fù)荷為3375w,以春秋季為例,冷凝溫度60℃,蒸發(fā)溫度15℃,過(guò)冷度/過(guò)熱度5℃,材料取婦.9×O.75mm的紫銅盤(pán)管為傳熱管。
(2)換熱面積
由于熱泵工質(zhì)在冷凝器內(nèi)的相變過(guò)程,換熱區(qū)分為氣體、兩相和液體區(qū)。因此,每一部分應(yīng)該分開(kāi)計(jì)算。該部分水箱的物理溫度模型劃分如圖3所示。
忽略銅管厚度和熱電阻,過(guò)熱部分的平均溫度與熱水溫度相同,在加熱熱水溫度TS =55 C。設(shè)置冷劑入口/出口溫度和頂端/底水箱溫度,在 入口溫度 = 80,TR出口溫度= 50 C,TW頂部 = 60C ,TW.底部= 50 TW, 通過(guò)計(jì)算,得出各管段部分長(zhǎng)度,這累計(jì)總長(zhǎng)度=47.64米,如表2所示
將相同的方法用于200L水箱、1125w的機(jī)組,理論計(jì)算管長(zhǎng)為69.9m,這些數(shù)值與圖4中的實(shí)驗(yàn)值較接近。
5.系統(tǒng)匹配問(wèn)題
通過(guò)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)采用不同的毛細(xì)管,熱泵系統(tǒng)在各種環(huán)境下的性能差別較大。環(huán)境溫度較高時(shí),粗而短的毛細(xì)管性能更好;環(huán)境溫度較低時(shí),細(xì)而長(zhǎng)的毛細(xì)管性能更好。在35℃的環(huán)境溫度下,短毛細(xì)管系統(tǒng)性能比長(zhǎng)毛細(xì)管性能高21%,而在15℃時(shí),長(zhǎng)毛細(xì)管系統(tǒng)性能比短毛細(xì)管高3%。
小型家用熱泵熱水器采用雙毛細(xì)管是一個(gè)簡(jiǎn)單、有效、便宜的改進(jìn)方法。一方面,由電磁閥的開(kāi)啟,閉合選擇合適的毛細(xì)管,可以適應(yīng)高/低溫工況;另一方面,因毛細(xì)管的價(jià)格低廉,成本不會(huì)受很大影響.
但即使是雙毛細(xì)管,其中某一根的內(nèi)徑和長(zhǎng)度是不變的,所以其前后壓差也不會(huì)隨水溫而改變很大,即同一根毛細(xì)管的制冷能力在運(yùn)行中幾乎不變。但是熱泵熱水器的熱水~側(cè)是不斷升溫的,這就需要工質(zhì)流量隨之變大,以滿足制熱量需求,因此我們考慮用熱力膨脹閥代替雙毛細(xì)管,利用蒸發(fā)器出口的過(guò)熱度調(diào)節(jié)制冷劑流量。
5.1充注量與熱力膨脹閥開(kāi)度
實(shí)驗(yàn)仍采用750w的熱泵主機(jī),恒溫室環(huán)境溫度為25℃,采用150L水箱內(nèi)置60m冷凝盤(pán)管,水箱中水的初始和終了溫度分別為15和55℃。圖5所示,在某一充注量下,不同開(kāi)度的系統(tǒng)∞P不同;其中,存在一個(gè)最佳開(kāi)度∞P。也就是說(shuō),充注量一定的情況下,膨脹閥的開(kāi)度對(duì)系統(tǒng)cDP影響很大。本文以不同開(kāi)度的最高∞P點(diǎn)說(shuō)明情況,研究中仍存在一個(gè)膨脹閥開(kāi)度對(duì)系統(tǒng)COP優(yōu)化的問(wèn)題,有待大量、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步輔以論證。
圖5:COP與R22充注量和熱力膨脹閥的開(kāi)度
我們發(fā)現(xiàn)充注量和熱力膨脹閥開(kāi)啟度有一些耦合的關(guān)系。雖然還沒(méi)有找到相關(guān)的理論,但我們可以得到一些定性結(jié)論如下:
(1)一定的充注量下,熱力膨脹閥開(kāi)度過(guò)大,壓差小,但是容易引起冷凝盤(pán)管末端積液;熱力膨脹閥開(kāi)度過(guò)小,則冷凝器出口溫度高,換熱不充分;
(2)一定的開(kāi)度下,充注量過(guò)多,工質(zhì)聚積在冷凝器底部,沒(méi)有發(fā)揮作用;充注量過(guò)少,則壓縮機(jī)不在全負(fù)荷下運(yùn)行。
5.2系統(tǒng)的穩(wěn)定性
在熱泵運(yùn)行過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)冷凝器進(jìn)口溫度平緩上升,但是出口溫度隨著水溫的升高,逐漸呈現(xiàn)小幅振蕩的趨勢(shì)。這種不穩(wěn)定導(dǎo)致了熱力膨脹閥進(jìn)氣的不穩(wěn)定,使得壓縮機(jī)瞬時(shí)功率上下波動(dòng),系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。
為了解決這個(gè)問(wèn)題,首先將系統(tǒng)調(diào)整到合適的充注量,此時(shí)振蕩幅度明顯減小,coP也有顯著提高;然后調(diào)節(jié)熱力膨脹閥開(kāi)度,使系統(tǒng)整體∞P達(dá)到最佳值。然而無(wú)論怎樣調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度,加熱到高溫區(qū)后,最終仍會(huì)出現(xiàn)振蕩區(qū)域,說(shuō)明高溫區(qū)所需的充注量大于中、低溫區(qū),但是由于吸氣不足,高溫區(qū)運(yùn)行的壓縮機(jī)工作不穩(wěn)定,功率波動(dòng),影響運(yùn)行性能。比較好的解決方法是增加一個(gè)儲(chǔ)液器,保證壓縮機(jī)的供液。
由圖6中曲線看出,增加儲(chǔ)液器后,冷凝器出口溫度振蕩基本被消除,由于吸氣溫度穩(wěn)定,壓縮機(jī)的功率平穩(wěn);實(shí)驗(yàn)中儲(chǔ)液器起到了穩(wěn)定系統(tǒng)的作用,效果是明顯的。
圖6冷凝器出口溫度
5.3水箱尺寸和熱泵性能之間的關(guān)系
水箱容積的大小與機(jī)組尤其是壓縮機(jī)要匹配,大壓縮機(jī)帶小水箱,如一個(gè)1500瓦壓縮機(jī)機(jī)結(jié)合一個(gè)60升的水箱,雖然升溫很快,較短時(shí)間就能達(dá)到設(shè)定溫度,但會(huì)造成資源浪費(fèi);小壓縮機(jī)帶大水箱,則熱流密度太小,加熱速率慢,家庭使用很不方便。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出,就現(xiàn)有的750 W,900 W,1125 W和60、100、150、200L水箱而言,750W機(jī)配150L,1125W配200L水箱較適合日常生活用水所需。
6.結(jié)果與討論
本文討論的是優(yōu)化計(jì)算空氣源熱泵熱水器(ASHPWH)和相應(yīng)的測(cè)試?,F(xiàn)有的系統(tǒng)(150升,1125 W),如表3其改善是明顯的。
1)充注量在熱泵系統(tǒng)運(yùn)行中起重要作用。它不僅與運(yùn)行的氣候條件有關(guān),還和膨脹閥的開(kāi)度有耦合關(guān)系。雖然不易直接計(jì)算得出,但能得出一些經(jīng)驗(yàn)性的結(jié)論。今后的研究中,可以考慮用一些數(shù)學(xué)方法進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別,以便找出充注量和其他參數(shù)的關(guān)系;
2)冷凝器盤(pán)管的長(zhǎng)度關(guān)系到熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性與經(jīng)濟(jì)性,在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證,可以對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化;
3)壓縮機(jī)功率的波動(dòng)顯示了系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定,加裝了儲(chǔ)液器后,冷凝器出口溫度曲線波動(dòng)明顯變小,穩(wěn)定性有明顯提高;
4)家庭用空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中,應(yīng)注意水箱容積與壓縮機(jī)匹配的合理性。
表3 典型工作條件下系統(tǒng)的COP
2. 鳴謝
這項(xiàng)工作的一部分是由國(guó)家重點(diǎn)支持的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目,合同號(hào)G2000026309。作者感謝高級(jí)工程師徐先生和孫先生運(yùn)康雄對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的幫助。
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