Índice

El circuito de fluido térmico

Introducción. Calentamiento directo e indirecto

La mayoría de sistemas productivos de cualquier sector industrial, requieren en alguna etapa de su proceso de calentamiento, ya sea de componentes intermedios o de producto final, siendo además este calentamiento uno de los puntos básicos, cuando no críticos del sistema.

Fundamentalmente se puede hacer una distinción entre dos tipos de calentamiento:

    • Directo: el producto se calienta directamente por medio de gases de combustión, radiación de la llama
      Calentamiento directo

      Figura 1. Calentamiento directo

      o elementos de calefacción eléctricos, sin ningún tipo de fluido intermediario.

      Es sin duda el sistema más simple y asimilable al que diariamente utilizamos en la cocina de nuestra casa, con el fuego calentando directamente el recipiente que contiene los alimentos. También sería comparable con el calentamiento en un horno o microondas.

      Industrialmente, el esquema es el mostrado en la figura 1 adjunta. Un quemador (1) combustiona, gas natural, gasóleo, etc, en la base del recipiente que contiene el producto (2) , y transmite el calor por radiación de la llama o por convección de los gases producto de esa combustión.

      Durante el proceso, los gases de combustión son expulsados al exterior por medio de la chimenea (3).Cuando se consigue que el producto alcance la temperatura deseada, se desactiva el quemador.

 

  • Indirecto: se utiliza un medio intermedio que circula de manera controlada, entre el calentador y el consumidor de calor, llamado fluido de transporte o “heat transfer fluid”.

    Figura 2. Calentamiento indirecto

    La expresión “fluido de transporte” es determinante para comprender el sistema.

    El esquema de instalación mostrado en la figura 2. , en donde todo el conjunto contiene un fluido transmisor de calor (3), un elemento calefactor – en el caso del esquema, una resistencia eléctrica (1) -, y una de las paredes límite de dicho fluido es asimismo una superficie de intercambio de calor con el consumidor de calor (2), debería ser considerado como un sistema de intercambio de calor sin circuito o instalación intermedia, en donde no existe estrictamente un fluido portador que realice exclusivamente funciones de “transporte” de energía, sino un fluido como medio de contacto y presenta en todo caso más analogías – especialmente en inconvenientes y desventajas -, con un calentamiento directo.Un circuito de transferencia de calor es aquel en donde el portador de calor fluye desde el calentador hasta el consumidor de calor y retorna desde éste otra vez hacia el calentador o caldera y entre las paredes límite del sistema no se añade ni se elimina calor, exceptuando las pérdidas propias al ambiente.

    Un ejemplo de un sistema típico de transferencia de calor, y siempre pensando en elementos cotidianos, es la instalación de calefacción doméstica presente en muchos hogares.

El esquema básico es el que muestra la figura 3. Una caldera (1), a la que se acopla un quemador (4), y que dispone de un conducto para eliminación de los gases de combustión o chimenea (3), calienta el fluido caloportador – en el caso de calefacción doméstica, agua -, que a través de unas tuberías (5), llegan hasta el aparato consumidor (2), – en el ejemplo, radiadores – en donde ceden la energía y retornan a la caldera, cerrando el ciclo.

Sistema de calentamiento indirecto

Figura 3. Sistema de calentamiento indirecto

 

Debido a las importantes ventajas que tiene sobre el calentamiento directo, el calentamiento indirecto por medio de fluido caloportador es sin lugar a dudas, en este momento, el sistema más empleado en los sectores industriales.

Las principales son:

  • La caldera puede ser instalada en el lugar más conveniente, no necesariamente cerca de ningún consumidor, evitando riesgos y aumentando las condiciones de seguridad
  • La alimentación de combustible a cada punto de consumo y una chimenea de gases de combustión para cada aparato consumidor aumentan la rigidez de instalación del calentamiento directo, obligando a desestimar ubicaciones convenientes por flujo de producción
  • Al ser un sistema centralizado, el número de elementos susceptibles de mantenimiento y/o averías es mucho menor que en calentamiento directo, con un quemador para cada aparato consumidor.
  • El rendimiento de la caldera y por tanto la eficiencia energética es muy superior en el calentamiento indirecto, ya que se trata de un equipo diseñado para este fin. En el calentamiento directo se debe amoldar a las características del aparato consumidor para conseguir combustiones raramente óptimas
  • Se evitan sobrecalentamientos locales del producto a calentar y por tanto la uniformidad de temperaturas es alta, se puede controlar con exactitud y la calidad final del proceso, superior. Cada aparato consumidor puede tener su propia temperatura de servicio regulada de manera igualmente independientemente como si fuera un calentamiento individual
  • Los procesos de calentamiento y enfriamiento, si se requiriese, pueden llevarse a cabo con el mismo portador de calor y con la misma instalación
  • Puede permitir la formación de subredes de agua caliente, aire caliente o vapor por medio de intercambiadores
  • El espesor del aislamiento en el consumidor es más económico, ya que en el único lugar donde se alcanzan elevadas temperaturas es en la caldera. Este punto es especialmente importante ante un número elevado de consumidores

Con este análisis de métodos de calentamiento, hemos prácticamente definido un circuito de aceite térmico, ya que como calentamiento indirecto, tiene los componentes principales que hemos anteriormente y mostrados en la figura 3: caldera, quemador, chimenea, red de tuberías, aparato consumidor, y por descontado el fluido caloportador.

Para completar correctamente el circuito de fluido térmico, nos quedan dos elementos básicos: la bomba de recirculación y el depósito de expansión. En efecto en una instalación doméstica de calefacción por agua caliente, también se precisa de una bomba que se encargue de hacer circular el fluido desde la caldera al aparato consumidor y garantice su retorno al calentador. También es necesario un depósito que absorba las dilataciones del fluido portador al aumentar la temperatura. En el caso de la calefacción doméstica, tanto bomba como depósito de expansión, y debido que pueden ser de pequeño tamaño, van la mayoría de los casos integrados en la caldera y pueden llevar al equívoco de su no existen.

Conectaremos el depósito de expansión a la instalación por medio de una tubería, llamada de compensación, que nos permitiría enviar al depósito el aumento de volumen producido al calentar todo el circuito y en la fase de enfriamiento o de fin de jornada, compensar la disminución de nivel producida por el aumento de la densidad del fluido al enfriarse.

Nos faltaría añadir pequeños accesorios básicos, como los accesorios que nos permitan independizar cualquier aparato o consumidor de la instalación, tanto para operaciones de entretenimiento como para seguridad, una tubería desde la cual se pueda llenar y vaciar la instalación, así como un filtro que nos permita proteger a la bomba de recirculación de posibles impurezas que existan en la instalación de tuberías, pero el circuito básico se halla ya totalmente concretado.

Obviamente, debemos tener presente variaciones de este esquema básico según los requisitos propios de cada proceso productivo, que también iremos comentando en este documento.

Nuestro esquema básico de un circuito de fluido térmico completo:

  • Fluido térmico
  • Caldera (1)
  • Aparato consumidor (2)
  • Chimenea (3)
  • Quemador (4)
  • Bomba de recirculación (5)
  • Depósito de expansión (6)
  • Tuberías (7), (8), (9)
  • Valvulería (10) , (11), (12)
Esquema básico de un circuito de fluido térmico

Figura 4. Esquema básico de un circuito de fluido térmico

Fluidos térmicos

Un fluido transmisor de calor debe poseer unas características específicas para poder realizar su función de transporte de energía con suficiencia técnica y a costes moderados.

Estas características son:

  • Debe poseer buenas propiedades de transferencia de calor
  • Tener una buena estabilidad térmica que permita largos periodos de servicio con una funcionalidad estable
  • Baja viscosidad en todo el rango de trabajo, especialmente en las condiciones de arrancada evitando consumos eléctricos elevados
  • Baja temperatura de solidificación que permita paradas prolongadas seguras
  • Baja corrosión a los elementos que formen parte del sistema
  • Idóneo técnicamente para satisfacer esas particularidades propias y específicas que cada proceso tiene y muy especialmente la temperatura de servicio requerida si ésta es elevada.
  • Debe tener baja toxicidad y ser respetuoso con el medio ambiente, facilitando de esta manera la eliminación al cumplir su ciclo de trabajo
  • Costes moderados tanto de adquisición como de mantenimiento
  • Bajos riesgos para personal y maquinaria, garantizando seguridad y evitando costes elevados ante posibles fugas

No existe ningún fluido transmisor de calor que pueda cumplir a la perfección con todos los condicionantes anteriores, pero sin duda los comúnmente llamados aceites o fluidos térmicos, cumplen a la perfección con la mayoría de requisitos anteriores y aventajan a otros fluidos transmisores de calor como el vapor, en puntos determinantes.

Así, altas prestaciones técnicas como elevadas temperaturas de servicio, gran precisión y uniformidad en las temperaturas finales en producto o versatilidad y flexibilidad elevadas, junto con altos niveles de seguridad, ausencia de corrosión y costes de mantenimiento moderados, hacen de los fluidos térmicos el medio transmisor de calor por excelencia en la actualidad, en todos los sectores industriales y para todo tipo de aplicaciones.

En la selección del fluido térmico óptimo para cada instalación, es aconsejable recurrir a los especialistas, ya sea fabricantes de los propios fluidos térmicos o a los fabricantes de calderas, que podrán aconsejar el fluido térmico más idóneo, dentro de la amplia gama existente en el mercado. Será el que se adapte mejor a los requisitos, tanto técnicos como funcionales del proceso productivo, consiguiendo no sólo unas altas prestaciones técnicas a un buen coste económico, sino también una vida útil de nuestra carga de fluido térmico, prolongada.

Se considera que en circunstancias normales de trabajo, con las operaciones de mantenimiento adecuadas y moviéndose en los parámetros de operación de fluido térmico seleccionado, la vida útil de una carga debe ser del orden de 35000-40000 horas efectivas. Esta vida útil puede ser más elevada si las características del fluido térmico son muy superiores a las requeridas por el sistema

 

 Selección del fluido térmico adecuado

Como ya hemos dicho, el conocimiento real de los requisitos operativos del sistema es básico y ayudará a crear un conjunto de criterios que pueden utilizarse para comparar varios fluidos y permitir la rápida eliminación de los que no son más adecuados para la aplicación. Sin embargo, antes de comparar y contrastar varios fluidos térmicos individualmente, se puede ahorrar mucho tiempo y esfuerzo en el proceso de selección comparando y contrastando los tipos de fluidos.

Una vez que se ha seleccionado el tipo – también llamada “la química” – de fluido que mejor cumpla los criterios requeridos por la aplicación, la lista resultante de fluidos potenciales se hace significativamente más manejable para comparaciones más detalladas.

Los fluidos térmicos de calor pueden clasificarse según su estructura química en tres tipos principales:

  • Aceites sintéticos, con dos grandes subgrupos: de gama media y de alta gama
  • Aceites minerales
  • Otros, incluidas las siliconas.

El calificativo de sintético o mineral se relaciona con el método de obtención del componente principal del fluido térmico, el aceite base.

En el caso de que este aceite base se obtenga mediante procesos de síntesis química u otros procesos diferentes al refino convencional, el fluido térmico se llama sintético o de tecnología sintética. Los aceites térmicos sintéticos, también denominados aromáticos, consisten en estructuras a base de benceno e incluyen los óxidos de óxido de difenilo / bifenilo, los difeniletanos, dibenciltoluenos y terfenilos. Dependiendo del producto específico, el rango de temperatura de funcionamiento de este tipo de fluidos es del orden de -20’C a 400’C.

Cuando el aceite base proceda del refino convencional del petróleo se denomina mineral. Está formado pues por una base obtenida directamente de la destilación del petróleo y la mayoría consisten en hidrocarburos parafínicos y / o nafténicos, a la que se le añaden algunos aditivos que le confieren unas propiedades que mejoran sus prestaciones, básicamente para obtener bajas viscosidades y elevar su resistencia a la oxidación. El rango general de operación es del orden de -10 ‘C a 315 ° C

Los fluidos a base de silicona, y en mayor medida los fluidos híbridos de glicol, se usan principalmente en aplicaciones especializadas que requieren compatibilidad de proceso / producto en caso de que se produzca una fuga del intercambiador de calor. Las desventajas de este grupo en cuanto al rendimiento y al coste en los rangos comparativos de temperatura de los aceites sintéticos y minerales hacen que este tipo de fluidos sean opciones exclusivamente para este tipo de aplicaciones y por tanto poco probables para la gran mayoría de procesos.

Tipos de sistemas

Podemos diferenciar asimismo los aceites térmicos según el tipo de sistema que utilizan. Se pueden clasificar en tres tipos de sistemas:

  • Sistemas de fase líquida no presurizados.
  • Sistemas de fase líquida presurizada.
  • Sistemas de fase de vapor de presión o de circulación natural presurizados.

Sistemas de fase líquida no presurizados

Los sistemas de fase líquida no presurizados son los más adecuados para procesos con temperaturas de servicio del orden de 300ºC o menores – la temperatura de funcionamiento del fluido tiene que estar por debajo de su intervalo de ebullición -, ya que son los más sencillos de diseñar y operar. Tanto los aceites minerales como los aceites sintéticos pueden utilizarse con en este tipo de sistema.

En este tipo de sistema, el depósito de expansión no necesita tener gas inerte aplicado en este tipo de sistemas para mantener la presión positiva sobre la bomba de circulación. Para reducir la probabilidad de oxidación del fluido, se realiza un diseño de tanque de expansión determinado para asegurar que el fluido esté por debajo de temperaturas del orden de 150ºC en su posible contacto con la atmósfera, a fin de evitar oxidaciones prematuras del fluido que acortan su periodo de vida útil

Sistemas de fase líquida presurizada

Utilizan tanto aceites minerales como sintéticos y son similares en diseño a sistemas no presurizados, excepto que se aplica gas inerte a través del tanque de expansión cuando la temperatura de funcionamiento requerida del fluido térmico está por encima de su intervalo de ebullición. El gas inerte presurizado – nitrógeno – permite mantener el fluido térmico siempre en fase líquida. El gas inerte también actúa como un amortiguador en el tanque de expansión entre la superficie del fluido caliente y la atmósfera, eliminando cualquier posibilidad de oxidación del fluido.

La mayoría de los fluidos térmicos sintéticos en fase líquida y todos los aceites minerales no requieren la presurización de gas inerte para mantener la fase líquida en sus temperaturas operativas recomendadas por el extremo superior, sólo los fluidos multifásicos como el óxido de difenilo / tipo bifenilo requieren obligatoriamente de este sistema, siendo en los demás fluidos opcional.

Su principal ventaja con respecto a un sistema de fase líquida no presurizado es la garantía total de la oxidación, permitiendo prolongar en este aspecto la vida útil de la carga de fluido térmico. El aumento de complejidad y coste, obligan a evaluar detenidamente las características del fluido térmico y las propias del proceso para determinar su idoneidad.

Sistemas de fase vapor

Los sistemas de fase de vapor a presión sólo pueden utilizar un grupo de fluidos térmicos sintéticos muy específicos, especialmente el óxido de difenilo / tipo bifenilo. Un sistema de fase de vapor simple puede ser diseñado usando la propia presión existente en el circuito para devolver el condensado a la caldera, eliminando la necesidad de una bomba de condensado. Los sistemas más complejos requieren un tanque de evaporación, un tanque de retorno de condensado y una bomba de retorno de condensado. La desventaja del costo del equipo y la complejidad de los sistemas de fase de vapor se compensan con la posibilidad de trabajar a muy altas temperaturas y con el aumento del control de temperatura en el usuario importante en procesos sensibles a las desviaciones sobre el punto de consigna.

Ejemplo de depósito de expansión con sistema de fase líquida presurizada

Ejemplo de depósito de expansión con sistema de fase líquida presurizada

Nota:

LG, Nivel visual. LS Nivel eléctrico. PI Manómetros. PCV Valvula de Control de presión. RV Válvula de seguridad

 

Criterios principales

  • Estabilidad térmica.Temperatura máxima de funcionamiento

    La estabilidad térmica del fluido es el factor primario para determinar su máxima temperatura de funcionamiento.La estabilidad térmica se define simplemente como la capacidad de un fluido térmico para soportar el agrietamiento molecular del estrés térmico. La prueba de estabilidad térmica relativa de los fluidos térmicos mide la resistencia de unión molecular de un fluido a una temperatura específica frente a otro fluido a la misma temperatura y en condiciones de ensayo idénticas.

    Los ensayos se realizan bajo condiciones ideales de laboratorio y en él no se consideran tensiones operativas tales como fallos mecánicos, defectos de diseño, oxidación, etc., siendo por tanto los datos generados útiles sólo a efectos comparativos. Las predicciones exactas de la vida del fluido en procesos reales no deben adoptarse a partir de los datos de estabilidad térmica.

    La temperatura máxima de funcionamiento es la temperatura máxima que el fabricante del fluido recomienda que pueda usarse en uso continuo y aun así mantener un nivel aceptable de estabilidad térmica. Debido a que las tasas de degradación del fluido están estrechamente ligadas a la temperatura, trabajar habitualmente por encima de la temperatura de funcionamiento máxima del fluido, aumentará exponencialmente la tasa de degradación. Los posibles problemas causados ​​por una degradación excesiva y la subsiguiente formación de subproductos de degradación incluyen aumento de la coquización y suciedad, dificultades mecánicas y disminución de la eficiencia de transferencia de calor.

    Por lo tanto, como ya podíamos imaginar, el primer paso en el proceso de selección de un tipo determinado de aceite térmico es establecer la temperatura máxima de funcionamiento. Como ya hemos indicado anteriormente, la mayoría de los aceites minerales tienen una temperatura máxima recomendada de 270ºC a 315ºC, mientras que los fluidos térmicos sintéticos o aromáticos son recomendados especialmente para temperaturas máximas de fluido entre 315ºC y 400ºC. Dado que las estructuras moleculares de los compuestos aromáticos son significativamente más estables térmicamente que los aceites minerales por encima de 280ºC, en aplicaciones por encima de esta temperatura se recomiendan asimismo fluidos sintéticos.

    Las aplicaciones de proceso que requieren temperaturas de fluido de 150ºC a 280ºC pueden especificar indistintamente fluidos sintéticos o basados ​​en petróleo, siendo otras características para determinar la elección del fluido térmico.

     

  • Eficiencia de Transferencia de Calor.

    Hay que tener presente al evaluar esta propiedad, que una mayor eficiencia en la transferencia de calor, no representará en la mayoría de los casos, un ahorro económico en combustible – que dependerá básicamente del diseño de la caldera – como inicialmente pueda parecer, sino un tiempo menor de obtención de los objetivos energéticos de nuestro proceso. Así, a igualdad de superficies de intercambio en nuestro aparato consumidor, alcanzaremos la temperatura de servicio requerida con mayor prontitud si el fluido térmico tiene una eficiencia de transferencia de calor elevada.

    Las comparaciones de eficiencia de transferencia de calor entre distintos fluidos térmicos se hacen utilizando coeficientes de transferencia de calor. A una temperatura específica, el coeficiente global de transferencia de calor de un fluido se puede calcular usando su densidad, viscosidad, conductividad térmica y calor específico – ver hoja de cálculo de propiedades de los fluidos térmicos – a una velocidad de flujo determinada y un diámetro de tubería. Los coeficientes de transferencia de calor resultantes pueden ser evaluados y comparados. A una temperatura dada, los coeficientes de transferencia de calor de los diferentes tipos de fluidos térmicos pueden diferir en un 25%. Dependiendo de los factores de resistencia térmica de los otros componentes del sistema, un fluido con una ventaja considerable del coeficiente de transferencia de calor puede permitir una reducción en el dimensionamiento del equipo del sistema.La mayoría de los fluidos térmicos sintéticos tienen una ventaja significativa en la eficiencia de transferencia de calor sobre aceites minerales de 150ºC a 260ºC. Por encima de este rango de temperatura – hasta 300ºC -, algunos fluidos térmicos minerales estrechan la diferencia con un tipo de aceites blancos parafínicos / nafténicos altamente refinados.

    Hay que considerar que el coeficiente de transferencia de calor se calcula usando las propiedades de suministro de fábrica del fluido térmico. El fluido que ha estado en servicio durante un período prolongado de tiempo y que ha sufrido una degradación térmica puede tener un coeficiente menor debido a cambios en la viscosidad del fluido y la presencia de subproductos de degradación de fluidos menos eficientes. Por lo tanto, la estabilidad térmica de un fluido juega un papel importante en el mantenimiento de su eficiencia térmica a lo largo del tiempo.

     

  • Temperatura mínima de bombeo

    Esta temperatura y no el punto de congelación, es la temperatura a la cual un fluido térmico puede operar. Se define como la temperatura a la cual la viscosidad del fluido alcanza un valor – típicamente 2000 cP – en el que bombas centrífugas no pueden hacer circular el fluido. Aunque la mayoría de las aplicaciones de proceso se ejecutan a temperaturas muy por encima de dicho punto, los diseños de sistemas podrían encontrarse con problemas durante paradas de emergencia o paradas de mantenimiento sino hemos considerado este requisito en la adquisición de la carga de fluido térmico de nuestra instalación.

    Generalmente, la mayoría de los aceites térmicos minerales y los fluidos sintéticos de gama media tienen valores para el arranque hasta el rango de -20ºC a -5ºC. Los fluidos sintéticos de alta gama – fluidos sintéticos aromáticos con óxidos de difenilo / tipo bifenilo y con temperaturas máximas de servicio de 370ºC -400ºC tienen valores de 5ºC a 15ºC como temperaturas mínimas de bombeo.Los procesos que utilizan un fluido térmico que potencialmente puede tener problemas de arranque en frío necesitarán disponer en su instalación de tuberías con trazado de aporte de calor, ya sea por vapor o por resistencias eléctricas.

     

  • Medio ambiente

    La comparación de las directrices ambientales y de seguridad personal es importante al seleccionar una determinada química de fluido. Todos los fluidos térmicos NO presentan un riesgo importante para la salud cuando se usan de acuerdo con las prácticas de manipulación correctas.

    La mayoría de fluidos térmicos no son tóxicos, ya sea por contacto con la piel como por ingestión. Sólo algunos fluidos sintéticos aromáticos con óxidos de difenilo / tipo bifenilo, tienen algunas características diferentes en estos aspectos.

     

  • Inversión, Coste económico

    Como regla general, cuanto mayor es la temperatura máxima de utilización del fluido, mayor es el coste económico.

    Los aceites térmicos sintéticos de gama media con temperaturas de servicio de hasta 340ºC son de una y media a dos veces más caros que los aceites minerales, mientras que los aceites térmicos sintéticos aromáticos de alta gama para temperaturas de trabajo de hasta 400ºC, lo son hasta cinco o seis veces.

    Dentro de este criterio de coste económico, debemos incluir los costes de explotación, tales como mantenimiento, reposiciones, etc. Para minimizarlos, recomendamos seguir el programa de análisis de muestras de fluido térmico recomendado, tanto en frecuencia como en parámetros evaluados – ver análisis de fluidos térmicos -, que permite tener al usuario perfectamente informado sobre el estado de la carga actual de fluido térmico y minimizar paradas de mantenimiento o sobrecostes por ineficiencia energética por degradación.

     

Conclusión

¿Qué tipo de aceite térmico es el más conveniente? ¿Qué química es la mejor?

Lo más probable es que una química determinada no sea superior a la otra en todos los criterios requeridos por un nuevo proceso.

Exceptuando aquellos casos en que un requisito técnico obliga necesariamente a escoger un determinado tipo de aceite térmico – temperatura de servicio superior a 315ºC por ejemplo, o compatibilidad con el producto en caso de fugas -, ambas químicas tienen ventajas: los aceites térmicos sintéticos ofrecen una eficiencia superior de transferencia de calor y estabilidad a altas temperaturas, mientras que los aceites minerales tienen un coste inferior y ventajas ambientales.

La identificación de los criterios primarios requeridos por un nuevo proceso o el principal objetivo de mejora deseado priorizará los criterios por importancia. Al seleccionar primero el tipo del fluido térmico que mejor resuelve el panorama general, las comparaciones de fluidos individuales dentro del grupo deben resolver a los pequeños.

En la Tabla I adjunta tenemos un pequeño resumen de las razones expuestas, con una aproximación de escala en cada una de las propiedades evaluadas.

Criterios de fluido térmico

De la interpretación de la gráfica, podemos determinar rápidamente que los aceites térmicos sintéticos de alta gama, son los de mayor coste, menos respetuosos con el medio ambiente, precisan de temperaturas de bombeo más elevadas, y tienen una mayor eficiencia de transferencia de calor y una mayor estabilidad térmica, mientras que los aceites minerales son los de menor coste y los más respetuosos con el medio ambiente, pero los de menor estabilidad térmica y menor eficiencia en la transferencia de calor. Los aceites térmicos sintéticos de gama media, tienen en todos los criterios valores intermedios razonablemente satisfactorios..



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