DE3010014A1

DE3010014A1 - Vorrichtung zur einstellung des verbrennungsluftstromes bei brenngasverbrauchern

Info

Publication number: DE3010014A1
Application number: DE19803010014
Authority: DE
Inventors: Heinz Ing.(grad.) 4280 Borken Bathke; Werner Dr.-Ing. Lorenz; Hans Dipl.-Ing. 4300 Essen Sommers
Original assignee: Gaswaerme Inst E V; Ruhrgas AG
Current assignee: Gaswaerme Inst E V; EOn Ruhrgas AG
Priority date: 1980-03-15
Filing date: 1980-03-15
Publication date: 1981-09-24
Also published as: EP0036126A1; DK149236B; DK114281A; US4396371A; US4509913A; DK149236C; ATE7073T1; EP0036126B1; DE3010014C2

Description

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

Vorrichtung zur Einstellung des Verbrennungsluft s.tromes. bei Brenn.gasv.erbr.auch.ern. . .

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf eine Vorrichtung zur Einstellung des Verbrennungsluftstromes bei mit vorgegebener Luftzahl zu betreibenden atmosphärischen Brenngasver- ^: brauchern mit Verbrennungsraum, - mit

Einstellelement für einen Strömungsquerschnitt und Leitung für die Zuführung eines Brenngasstromes zum Brenngasverbraucher ,

wobei an dem Einstellelement eine Kraft angreift, die aus dem Verbrennungsluftstrom resultiert. - Atmosphärische Brenngasverbraucher meint im Rahmen der Erfindung solche Verbraucher, in denen eine Verbrennung des Brenngases für Heizungszwecke oder auch für andere Zwecke stattfindet, und zwar mit offenem Verbrennungsraum und Zuführung der Verbrennungsluft ohne Gebläse.

Bei der bekannten gattungsgemäßen Vorrichtung (DE-GM 79 08 061) ist die Kraft, die aus dem Verbrennungsluftstrom resultiert, neben der Schwerkraft und der unvermeidbaren Reibung, die einzige Kraft, die an dem Einstellelement angreift. Das hat sich an sich bewährt,und zwar bei Gasverbrauchern, die mit konstanter Belastung betrieben werden. Bei mehrstufig oder modulierend geregelten Gasverbrauchern würde die Anwendung der bekannten Vorrichtung jedoch dazu führen, daß sich die Luftzahl erhöht, wenn der Brenngasdurchsatz verringert

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wird, weil mit den bekannten Vorrichtungen der Verbrennungsluftdurchsatz unabhängig vom Brenngasdurchsatz konstant gehalten wird. Dies wiederum hätte eine Verminderung des Teillast-Wirkungsgrades solcher Gasverbraucher gegenüber dem Wirkungsgrad bei Voll- bzw. Nennbelastung zur Folge.

Bei Brenngasverbrauchern anderer Gattung, nämlich bei nichtatmosphärischen Brenngasverbrauchern, denen die Verbrennungsluft mittels Gebläse über eine Rohrleitung zugeführt wird, ist es bekannt (The Instititution of Gas Engineers, "Communication 1108", 1979, S. 17, Fig. 10), die Luftmenge der jeweils eingestellten Brenngasmenge anzupassen und die Luftzahl unter allen Betriebsbedingungen praktisch konstant zu halten. Dazu arbeitet man mit einer Membran-Steuervorrichtung, deren Membranen vom Luftdruck und vom Brenngasdruck in den Rohrleitungen vor dem Brenngasverbraucher beaufschlagt sind und die. ein Ventil in der Brenngasleitung so verstellt, daß sich die angestrebte konstante Luftzahl einstellt. Die eingangs beschriebenen Probleme bei atmosphärischen Brenngasverbrauchern sind durch diese bekannten Maßnahmen nicht beeinflußt worden, zumal sie nicht geeignet sind, gleichzeitig den Einfluß von Belastungsänderungen und wechselndem Schornsteinzug auszugleichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, die für alle Arten von atmosphärischen Brenngasverbrauchern eingesetzt werden kann und mit der der Verbrennungsluftdurchsatz proportional zum Brenngasdurchsatz verändert werden kann, und zwar so, daß die Luftzahl unter allen Betriebsbedingungen ausreichend konstant gehalten wird.

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Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, zusätzlich eine Brenngasdruck-Stellvorrichtung vorzusehen, die an die Leitung zur Zuführung des Brenngasstromes angeschlossen ist, und daß an die Brenngasdruck-Stellvorrichtung ein Stelltrieb angeschlossen ist, der das Einstellelement auf die vorgegebene Luftzahl einstellt. Die Brenngasdruck-Stellvorrichtung kann auf den statischen Druck im Brenngas oder auf einen dort erzeugten Differenzdruck ansprechen. Im Ergebnis lehrt die Erfindung, daß der Druck bzw. Differenzdruck des Brenngases direkt oder indirekt als Impuls für die Steuerung oder Regelung der Verbrennungsluftzufuhr auf konstante Luftzahl verwendet wird.

Die in einer Rohrleitung strömende Menge eines beliebigen Gases kann z. B. durch Messung des Differenzdruckes an einer Blende gemessen werden, wobei je nach StrömungsCharakter unterschiedliche Beziehungen gelten: Bei rein turbulenter Strömung ist der Volumendurchsatz proportional der Wurzel des Differenzdruckes, bei rein laminarer Strömung dagegen proportional dem Differenzdruck, während bei gemischter Strömungscharakteristik eine Kombination der beiden vorher genannten Beziehungen mit ausreichender Genauigkeit anwendbar ist. Im Rahmen der Erfindung kann der Steuerimpuls, der von der Brenngasdruck-Stellvorrichtung erzeugt wird, entweder an einer Meßblende in der Brenngasleitung gewonnen werden oder - einfacher - durch Übertragung des in der Brenngasleitung vor der Austrittsöffnung bzw. Düse vorhandenen Druckes. Die zuletzt beschriebene Maßnahme ist möglich und zulässig, wenn der im Verbrennungsraum herrschende Druck praktisch gleich dem Druck der Außenluft ist bzw. von diesem nur geringfügig

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abweicht und als zweiter Gegendruck der der Atmosphäre dient, - oder es kann der im Verbrennungsraum anstehende Druck zur Differenzdruckbildung benutzt werden. In diesem Falle kann die Austrittsöffnung für das Brenngas als Drossel bzw. Blende angesehen werden und der vor der Austrittsöffnung gemessene Überdruck in der Brenngasleitung stellt mit für den vorliegenden Zweck hinreichender Genauigkeit die an der Austrittsöffnung anstehende Druckdifferenz zwischen Überdruck in der Leitung und Druck im Verbrennungsraum dar. Im allgemeinen wird man bei der Verwirklichung der Erfindung eine vom Differenzdruck beaufschlagte Membran als Steuermembran einsetzen, welche in bekannter Weise auf in der Verbrennungsluftzuführung oder im Abgasweg befindliche Einstellelemente in Form von Mengenreglern, die z. B. als Drossel-, Dreh- oder Pendelklappe ausgeführt sind, einwirkt. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 5 und der Figuren, die im folgenden beschrieben werden. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 das Prinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einstellung des Verbrennungsluftstromes bei Brenngasverbrauchern,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Gegenstand der Fig. 1,

Fig. 3 die Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einem Raumgasheizgerät mit direktem Kaminanschluß,

Fig. 4 die Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in

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einem zu einem Gebläsebrenner führenden Verbrennungsluftkanal und

Fig. 5 die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einem Wasserheizer mit direktem Kaminanschluß.

Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung zur Einstellung des Verbrennungsluftstromes 1 bei mit vorgegebener Luftzahl zu betreibenden atmosphärischen Brenngasverbräuchern 2 mit Verbrennungsraum 3 besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau zunächst

aus einem Einstellelement 4 für einen Strömungsquerschnitt 5 und

einer Leitung 6 für die Zuführung eines Brenngasstromes zum Brenngasverbraucher 2.

An dem Einstellelement 4 greift eine Kraft an, die aus dem Verbrennungsluftstrom 1 resultiert. Zusätzlich ist erfindungsgemäß eine Brenngasdruck-Stellvorrichtung 8 vorgesehen. Diese ist an die Leitung 6 zur Zuführung des Brenngasstromes 7 vor der Gasdüse angeschlossen. An die Brenngasdruck-Stellvorrichtung 8 ist ein Stelltrieb 9 angeschlossen, wobei die Anordnung und Auslegung stets so getroffen ist, daß das Einstellelement 4 über diesen Stelltrieb 9 mit ausreichender Genauigkeit auf die vorgegebene Luftzahl eingestellt wird. Das wird im folgenden zunächst an Hand der Figuren 1 und 2 ausführlicher erläutert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine in der Verbrennungsluftzuführung 10 für den Verbrennungsluftstrom 1 für einen Brenngasverbraucher

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2 mit direktem Kaminanschluß (ohne Strömungssicherung) angeordnete Pendelklappe 4 als Einstellelement, von deren Stellung die Größe des variablen Strömungsquerschnittes 5 abhängt. Die konstante Durchtrittsöffnung 11 bestimmt zusammen mit dem an der wirksamen Fläche F der Pendelklappe 4 herrschenden Differenzdruck £p_t den Luftdurchsatz. Über den Hebelarm der Pendelklappe 4 bzw. über das als Stelltrieb 9 dienende Hebelsystem wirken am Drehpunkt 12 die Momente der Kraft, die von dem Differenzdruck ^P auf die Fläche F_T ausgeübt wird, und der Kraft, die vom Gasdruck 4p,, auf die wirksame Steuermembranfläche F_

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ausgeübt wird, in entgegengesetzter Richtung. Bei richtiger Dimensionierung von Pendelklappe 4 und Steuermembran 13 der Brenngasdruck-Stellvorrichtung 8, nimmt die Pendelklappe 4 eine Winkellage zwischen den beiden möglichen Extremlagen so ein, daß beide Momente im Gleichgewicht stehen.

Es muß also die folgende Beziehung - und zwar für alle Ausführungsformen - gelten:

Av · F · r = Δρ · F · r

^U G *G ^rG L *L L

Hierbei bedeuten:

Δρ₆ = Differenzdruck des Gases (entsprechend der einleitend genannten Definition),

«P_T = Differenzdruck der Luft an der konstanten Durchtrittsöffnung 11,

F_L = wirksame Fläche der Pendelklappe 4,

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F- = wirksame Fläche der Steuermembran 13 der Brenngasdruck-Stellvorrichtung 8,

X_n - Hebelarm der Kraft A^~ . F„, r_T = Hebelarm der Kraft Δ P₁. · F_ .

. L . LL

Die Steuermembran 13 befindet sich in einem Manometergehäuse 14. Ihre Oberseite wird mit dem Druck des Brenngasstromes 7 vor der Gasdüse und ihre Unterseite mit dem Verbrennungsluftdruck, der im wesentlichen durch den Kaminsog bestimmt wird, beaufschlagt.

Der Schlupfspalt 15 ist für die reibungslose Bewegung der Pendelklappe 4 notwendig; er wird so klein wie möglich gehalten, um einen wesentlichen Einfluß auf den Luftdurchsatz zu vermeiden .

Die wirksamen Flächen F und F_Q und die Hebelarme r_ß und r_L sind so aufeinander abzustimmen, daß sich die Pendelklappe 4 bei maximaler Wärmebelastung des Gerätes und dem kleinstmöglichen Schornsteinzug gerade auf die Lage "voll geöffnet" einstellt.

In Fig. 3 ist schematisch der Verbrennungsraum 3 eines Raumheizgerätes mit direktem Kaminanschluß (ohne Strömungssicherung dargestellt, dem der Verbrennungsluftstrom 1 durch eine gesteuerte Pendelklappe 4 zugeführt wird, und zwar einerseits durch eine nicht veränderbare Durchtrittsöffnung 11 der Pendelklappe 4 und andererseits durch eine von der Pendelklappe 4 und einem Anschlagring 16 gebildeten veränderbaren Strömungs- ^;

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querschnitt 5, dessen Größe von der Stellung der Pendelklappe 4 abhängig ist.

Die Stellung der Pendelklappe 4 wird durch den an ihr angreifenden Differenzdruck zwischen dem Außenluftdruck und dem Luftdruck in dem Raum, der von der Pendelklappe 4 und den Wänden der Luftzuführung sowie des Verbrennungsraumes 3 umschlossen wird, und durch die, einerseits mit dem Gasdruck vor der Gasdüse des Brenngasverbrauchers 2, andererseits mit Hilfe des auch als Stelltrieb 4 dienenden Luftzuführungsröhrchens mit dem Druck im Verbrennungsraum 3, der im wesentlichen durch den Kaminsog bestimmt wird, beaufschlagte Steuermembran 13 gesteuert. Eine Ausgleichsmembran 17, die einerseits ebenfalls über das als Stelltrieb dienende Luftzuführungsröhrchen mit dem Verbrennungsraum-Druck, andererseits mit dem Druck der Umgebungsluft beaufschlagt wird, dient zur Kompensation eines Teils der vom Verbrennungsraum 3 auf die Pendelklappe 4 wirkenden Kraft, und zwar für den Eintrittsquerschnitt des Verbrennungsraumes 3, der durch den Anschlagring 16 begrenzt wird.

In Fig. 4 ist die Vorrichtung an eine zu einem Luftgebläse führende Leitung 18 angeordnet, in der sich (an beliebiger Stelle) eine Stauscheibe 19 oder eine andere, einen Druckabfall bewirkende Vorrichtung mit der konstanten Druchtrittsöffnung 11 befindet. Die Steuermembran 13 wird von dem Differenzdruck einer in der Gaszuführungsleitung der Einrichtung 6 angeordneten Meßblende 20 beaufschlaft. Sie wirkt über ein Hebelsystem als Stelltrieb 9 auf eine Drehklappe 4 mit der variablen Durchtrittsöffnung 5 ein, deren Form den unterschiedlichen Strömungsverhältnissen auf der An- und Abströmseite Rechnung trägt,

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d. h._f die Drehklappe 4 ist derart ausgebildet, daß auf sie keine aus der anliegenden Druckdifferenz bzw·, aus der Durchströmung des Strömungsquerschnittes 5 resultierenden Drehmomente, sondern lediglich die aus der Druckdifferenz an der Stauscheibe 19 resultierenden Kräfte einwirken.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Wasserheizer mit direktem Kaminanschluß (ohne Strömungssicherung) erfolgt die Einstellung des Verbrennungsstromes 1 durch Veränderung des freien Strömungsquerschnittes 5 im Strömungsweg der Abgase Die hier verwendete Vorrichtung besitzt drei Membranen 13, 17, 22, deren oberste Steuermembran 13 einerseits mit dem Gasdruck des Brenngasstromes 7 vor der Brenngasdüse 2 andererseits mit dem Druck des Abgases 21 hinter einem Wärmetauscher 2 3 beaufschlagt wird. Der zuletzt genannte Druck wirkt gleichzeitig auf die zweite Steuermembran 22, die andererseits mit dem Druck des Abgases 21 vor dem Wärmetauscher 23 beaufschlagt wird. Dieser Druck wirkt außerdem auf eine Ausgleichsmembran 17, die andererseits vom Kaminsog beaufschlagt wird. Durch diese Anordnung der Membranen 13, 17, 22 wird der Differenzdruck am Einstellglied 4 zwischen dem Druck nach Wärmetauscher 23 und Kaminsog kompensiert und der Stelltrieb 9, der mit dem Einstellelement 4 den freien Strömungsquerschnitt 5 im Strömungsweg der Abgase 21 beeinflußt, von der Druckdifferenz am Wärmetauscher 23 und dem Differenzdruck Δ&_Γ gesteuert. Der Stelltrieb 9 besteht bei dieser Ausführungsform aus einer Stellstange, auf der einerseits die Membranen 13, 17, 22 und andererseits das Einstellelement 4 befestigt ist.

Die Besonderheiten dieser Anordnung bestehen darin, daß

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anstelle eines Mengenreglers im Wege des Verbrennungsluftstromes 1 der Druckabfall am Wärmetauscher 23 im Strömungsweg der Abgase 21 - deren Menge der Verbrennungsluftmenge proportional ist - verwendet wird. Obwohl die Strömungscharakteristik der Abgase im Wärmetauscher 23 weitestgehend laminar ist, während die der Brennerdüse des Brenngasverbrauchers 2 vorzugsweise turbulent ist, wird auch bei dieser Art der Steuerung bzw. Regelung die Luftzahl bei Laständerungen praktisch konstant gehalten. Das ist möglich, weil die Temperatur der Abgase 21 mit steigender Belastung ansteigt und der Strömungswiderstand, bezogen auf gleichen Mengendurchsatz, etwa proportional zur 1,8ten Potenz der Abgastemperatur wächst. Aus diesem Grunde wirkt der Wärmetauscher 23 (bei Wärmebelastungswechsel) ähnlich wie ein Strömungswiderstand mit turbulenter Strömungscharakteristik im kalten Verbrennungsluftstrom 1. Die eingangs genannte Angleichung der Strömungscharakteristik kann in diesem Falle durch entsprechende Ausbildung der Gasaustrittsöffnung (z. B. in Form einer Langlochdüse) erfolgen.

In allen Fällen wird erreicht, daß der Verbrennungsluftdurchsatz proportional zum Brenngasdurchsatz verändert wird, wobei die Luftzahl unter allen Betriebsbedingungen weitgehend konstant gehalten wird. Die Luftzahl wird insbesondere auch dann konstant gehalten, wenn der Schornsteinzug - infolge langsamer Erwärmung des Schornsteines nach einer länger andauernden Regelabschaltung des Brenngasverbrauchers 2 oder infolge atmosphärischer Einflüsse - sich ändert. Daher kann bei Brenngasverbrauchern 2 mit atmosphärischen Brennern auf

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die sonst notwenige Strömungssieherung verzichtet werden, wodurch deren negative Auswirkungen auf den Schornsteinzug, insbesondere bei mehrfach belegten Schornsteinen, vermieden werden.

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Claims

Andrejewski, Honke & Partner Patentanwälte Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski Diplom-Ingenieur Dr.-Ing. Manfred Honke Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch Anwaltsakte: 4300 Esten 1, Theaterplatz 3, Postf. 10 02 54 781/MS- 13. Februar 1980 Patentanmeldung

1) Gaswärme-Institut e. V. Essen,
Hafenstraße 101, 4300 Essen 11,

2) Ruhrgas Aktiengesellschaft,
Huttropstraße 60, 4300 Essen 1

Vorrichtung zur Einstellung des Verbrennungsluftstromes bei BrenngasVerbrauchern

Patentansprüche:

(1./Vorrichtung zur Einstellung des Verbrennungsluftstromes bei mit vorgegebener Luftzahl zu betreibenden atmosphärischen BrenngasVerbrauchern mit Verbrennungsraum, - mit

Einstellelement für einen Strömungsquerschnitt und Leitung für die Zuführung eines Brenngasstromes zum Brenngasverbraucher,

wobei an dem Einstellelement eine Kraft angreift, die aus dem Verbrennungsluftstrom resultiert, dadurch gekennzeichnet , daß zusätzlich eine Brenngas-

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druck-Stellvorrichtung (8) vorgesehen ist, die an die Leitung (6) zur Zuführung des Brenngasstromes (7) angeschlossen ist, und daß an die Brenngasdruck-Stellvorrichtung (8) ein Stelltrieb (9) angeschlossen ist, der das Einstellelement (4) auf die vorgegebene Luftzahl einstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 in der Ausführungsform mit einer Pendelklappe als E ins te lie leinen t und von der Stellung der Pendelklappe gesteuertem Strömungsquerschnitt für die Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngasdruck-Stellvorrichtung (8) in einem Manometergehäuse (14) eine Steuermembran (13) aufweist, die einerseits von dem Druck des Brenngasstromes (7), andererseits von dem Druck des Verbrennungsluftstromes (1) oder dem Druck im Verbrennungsraum (3) beaufschlagt ist, und daß an die Steuermembran (13) als Stelltrieb ein Stellhebel (9) angeschlossen ist, der mit der Pendelklappe (4), ζ. B. mit einem Hebelarm der Pendelklappe (4), in Verbindung steht (Fig. 1, 2).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 in der Ausführungsform, bei der die Steuermembran von dem Druck im Verbrennungsraum beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngasdruck-Stellvorrichtung (8) zusätzlich eine Ausgleichsmembran (17) aufweist, die der Steuermembran (13) vorgeschaltet ist, und daß die Ausgleichsmembran (17) einseitig mit dem Druck im Verbrennungsraum (3), andererseits mit dem Druck der Umgebungsluft beaufschlagt ist (Fig. 3).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 in der Ausführungsform, bei der das Einstellelement als Drehklappe ausgeführt und in einem

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Verbrennungsluftkanal angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Verbrennungsluftstrom (1) resultierende Kraft über eine vorgeschaltete Stauscheibe (19) an der Drehklappe (4) angreift und daß die Brenngasdruck-Stellvorrichtung (8) mit einer Steuermembran (13) in einem Manometergehäuse (14) versehen ist und mit einem Stellhebel (9) an der Stauscheibe (19) und an der Drehklappe (4) angreift (Fig. 4).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 in der Ausführungsform, bei der das Einstellelement im Abgasweg hinter einem Wärmetauscher angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngasdruck-Stellvorrichtung (8) in einem Manometergehäuse (14) eine erste Steuermembran (13), eine zweite Steuermembran (22) und eine Ausgleichsmembran (17) aufweist, wobei die erste Steuermembran (13) einerseits mit dem Brenngasdruck, andererseits mit dem Druck des Abgases (21) hinter dem Wärmetauscher (23), die zweite Steuermembran (22) einerseits mit dem Druck des Abgases (21) hinter dem Wärmetauscher (23), andererseits mit dem Druck des Abgases (21) vor dem Wärmetauscher (23) und die Ausgleichsmembran (17) einerseits mit dem Abgasdruck vor dem Wärmetauscher (23), andererseits mit dem abströmenden Abgas (21). beaufschlagt ist, und daß die Membranen (13, 17, 22) durch eine gemeinsame Stellstange (9) verbunden sind, die an das Einstellelement (4) angeschlossen ist (Fig.5).

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