組合式空調(diào)機組加濕器噴桿安裝位置和噴嘴朝向?qū)訚裥Ч挠绊懷芯?/h1>
2018-01-25 08:48:30劉澤勤趙航宇
流體機械 2017年8期
劉 哲,劉澤勤,趙航宇
（天津商業(yè)大學(xué)，教育部制冷技術(shù)工程研究中心，天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津市制冷技術(shù)工程中心，天津 300134）
1 前言
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求越來越高。作為提供室內(nèi)人工環(huán)境控制的空調(diào)系統(tǒng)，不但維持室內(nèi)的溫度場和速度場，并對室內(nèi)空氣的相對濕度進行控制。室內(nèi)空氣相對濕度同溫度和空氣流速一樣，對于人居建筑，不僅關(guān)系到人體的熱舒適性［1，2］,對室內(nèi)空氣品質(zhì)也有顯著的影響［3，4］。研究顯示，當(dāng)室內(nèi)相對濕度參數(shù)偏低，人們的舒適感將變差，易引起多種疾病，如皮膚干燥、口唇開裂、易換感冒等等，甚至還可能會導(dǎo)致靜電的產(chǎn)生［5～7］。并且據(jù)分析，當(dāng)室溫為22～26℃時，人類在相對濕度介于40%～65%的環(huán)境中工作會感覺最適宜，效率最高［8～11］。為此《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》、ASHRAE standard等均對不同功能房間的濕度下限做出明確規(guī)定［12，13］。
對于空調(diào)加濕器目前已多有研究，馮國會曾采用試驗的方法來確定空調(diào)加濕器的吸收距離［14］；同時文獻［15～17］指出根據(jù)空氣的狀態(tài)參數(shù)及風(fēng)道尺寸查圖得到的空調(diào)加濕器的吸收距離理論值與真實值將存在很大誤差；李甲通過對空調(diào)加濕器加濕性能的試驗研究，真實地反映了其節(jié)省空間、節(jié)水、節(jié)電的特性［8］；孫玉明主要介紹了空調(diào)加濕系統(tǒng)中由于電流過大引起自身保護而不工作的問題,并探討了避免加濕電流過大的解決辦法［18］；孫瑩進一步對比分析了幾類典型空調(diào)加濕器的工作原理和性能特點，得出不同類型加濕器的應(yīng)用場合，為加濕器的選用提供了參考［19］。目前中央空調(diào)系統(tǒng)存在這幾種加濕方法：噴淋加濕、干蒸汽加濕、高壓噴霧加濕、電極式加濕、電熱式加濕、濕膜式加濕等。電陶瓷加濕器是空調(diào)系統(tǒng)中常用的一種加濕裝置，加濕器內(nèi)的水經(jīng)加熱盤加熱至沸騰，產(chǎn)生的水蒸氣通過噴桿上的噴嘴噴入空氣中，進而達到加濕空氣的效果。但對于此類加濕器的噴桿安裝位置和噴嘴朝向?qū)訚裥Ч绊懙难芯磕壳磅r有涉及。
由此本文就電陶瓷加濕器噴桿安裝位置和噴嘴朝向?qū)訚裥Ч挠绊戇M行探討，并分析將噴桿安裝在回風(fēng)管路時噴嘴不同朝向?qū)訚裥Ч挠绊?；以及將噴桿安裝在送風(fēng)管路時噴嘴不同朝向?qū)訚裥Ч挠绊?。筆者采用計算流體力學(xué)軟件Fluent，數(shù)值模擬噴桿近壁靜壓分布，理論分析蒸汽的噴入情況。并通過對空調(diào)房間相對濕度的變化規(guī)律進行試驗研究，驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。
2 數(shù)值模擬
2.1 模型建立
本文模擬的圓柱繞流計算是二維問題，且對求解精度要求較高，鑒于此選擇Fluent-2ddp求解器求解［20］。數(shù)值模擬管道模型尺寸為1000 mm（長）×300 mm（寬），噴桿外徑50 mm，并位于管道中間位置，如圖1所示。為了提高數(shù)值模擬精度，壓力速度耦合項采用SIMPLEC算法，離散化方法中壓力項采用二階格式，動力項采用二階迎風(fēng)格式。回風(fēng)管入口設(shè)為速度入口，速度大小 8 m/s；出口設(shè)為壓力出口，出口靜壓 -80 Pa。同樣送風(fēng)管入口設(shè)定速度大小8 m/s，出口靜壓120 Pa。模擬過程中不考慮噴管加濕。
圖1 用于數(shù)值模擬的管道模型
來流假定為二維不可壓縮粘性流體，在較高的亞臨界雷諾數(shù)狀態(tài)下，圓柱繞流流場為湍流流態(tài)［21］，可以通過雷諾平均N-S方程對湍流的瞬時運動進行描述［22］:
式中 ui，uj——湍流的平均速度分量
p——湍流的平均壓力分量
u′i，u′j——湍流的紊動速度分量
-u′iu′j——雷諾應(yīng)力
ρ——流體密度
υ——流體的運動黏性系數(shù)
N-S方程中的雷諾應(yīng)力需要通過Boussinesq假設(shè)進行封閉:
式中 δij——Kronecker函數(shù)
υT——渦團黏性系數(shù)
k——湍動能
2.2 模擬結(jié)果分析與討論
2.2.1 回風(fēng)管內(nèi)加濕的模擬分析
圖2（a）給出了回風(fēng)管內(nèi)靜壓分布規(guī)律?？梢钥闯?，整個回風(fēng)管內(nèi)均呈負(fù)壓狀態(tài)。在噴管上游側(cè)和噴管下游側(cè)，送風(fēng)管和回風(fēng)管的靜壓隨著距離的增加而增加。噴管處的靜壓均最低，分別為-100Pa和100Pa。下游在噴桿影響下不同時刻會有尾流渦旋的交替生成、發(fā)展、脫落以及消散，且隨著影響減弱及壁面的阻礙使得下側(cè)渦旋得不到充分發(fā)展，其渦量與結(jié)構(gòu)形式均小于上側(cè)渦旋［22］。由此，噴桿下側(cè)會形成明顯的壓力坡降，這種趨勢由于渦旋的渦量與結(jié)構(gòu)形式的減小將有所減弱。噴桿上游由于空氣受到桿的阻力作用，回風(fēng)風(fēng)速急劇下降，部分動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，所以隨著到噴桿距離的減小靜壓有所增大，但依然呈負(fù)壓狀態(tài)。
圖2 回風(fēng)、送風(fēng)管內(nèi)靜壓分布云圖（Pa）
由以上分析可見噴桿近壁處靜壓分布均低于外界大氣壓，所以在傳統(tǒng)加濕器包括本文研究所采用的電陶瓷加濕器內(nèi)產(chǎn)生的處于正壓狀態(tài)下的蒸汽在加濕器與噴嘴處內(nèi)外壓差的作用下會自動噴入回風(fēng)氣流中，而在加濕器內(nèi)并不需要專門提供壓力。由此，理論研究可得將噴桿安裝在回風(fēng)管路均可實現(xiàn)加濕的目的，而不受噴嘴朝向的影響。
2.2.2 送風(fēng)管內(nèi)加濕的模擬分析
圖2（b）給出了送風(fēng)管內(nèi)靜壓分布規(guī)律。由圖可見，整個送風(fēng)管內(nèi)均呈正壓狀態(tài)，同樣，噴桿下側(cè)壓力明顯偏低，且隨著距離增加壓力逐漸增大。同回風(fēng)管，下側(cè)在噴桿影響下形成的尾流渦旋促使壓力有明顯的下降趨勢。
由以上分析可見噴桿近壁處靜壓分布均遠(yuǎn)高于外界大氣壓，所以當(dāng)加濕器內(nèi)沒有專門提供壓力時，由于近壁處的高壓作用在傳統(tǒng)加濕器包括本文研究所采用的電陶瓷加濕器內(nèi)產(chǎn)生的處于微小正壓狀態(tài)下的蒸汽將通過加濕器通氣孔倒噴至室外空氣中。由此，理論研究可得將噴桿安裝在送風(fēng)管路均達不到加濕的目的，而結(jié)果不受噴嘴朝向的影響。
3 試驗驗證
人工環(huán)境控制綜合試驗臺內(nèi)部尺寸（長×寬×高）為6000 mm×4000 mm×3500 mm。試驗臺墻壁、屋頂及地面密封良好，而且材料均選用隔熱性能良好、100 mm厚的冷庫板，所以試驗過程中不考慮額外的加濕或散濕量及與外界環(huán)境的熱交換［23］。試驗過程中采用上送下回的氣流組織形式［24，25］，且并未對空氣進行加熱或制冷，以此減小額外擾動對溫度變化的影響。
傳統(tǒng)理論分析認(rèn)為噴嘴位于氣流下側(cè)，容易實現(xiàn)加濕過程；相反，迎面氣流的沖擊作用將影響蒸汽的噴入效果。鑒于此試驗過程中測試二組典型工況，即將噴桿安裝于回風(fēng)管道，噴嘴逆流布置；噴桿安裝于送風(fēng)管道，噴嘴順流布置。測試一組對比工況——噴桿安裝于回風(fēng)管道并噴嘴順流布置，以驗證試驗的可行性。噴桿及噴嘴如圖3所示，三種工況的測試結(jié)果分別見表1～3。
圖3 蒸汽噴桿及噴嘴
表1 試驗工況1——噴桿安裝于回風(fēng)管道、噴嘴逆流布置所測的相對濕度變化
表2 試驗工況2——噴桿安裝于送風(fēng)管道、噴嘴順流布置所測的相對濕度變化
表3 試驗工況3——噴桿安裝于回風(fēng)管道、噴嘴順流布置所測的相對濕度變化
本文在采取減小溫度變化措施的基礎(chǔ)上列出室內(nèi)空氣含濕量值，對加濕效果的觀察控制在單一變化參數(shù)內(nèi)，以消除溫度波動對加濕過程變化趨勢觀察的影響。表1、3所示，由于高溫噴桿加熱的影響，隨著室內(nèi)溫度逐漸上升，室內(nèi)空氣相對濕度和含濕量同時也呈上升趨勢。噴桿安裝于回風(fēng)管道、噴嘴逆流布置時，溫度由19.8 ℃上升到23.2 ℃時，室內(nèi)相對濕度由61.7%升高到74.6%，同時，含濕量由9 g/kg升高13.49 g/kg。噴桿安裝于回風(fēng)管道、噴嘴順流布置時，隨著溫度由24.3 ℃逐漸升高到27 ℃，相對濕度由68.7%升高到82%，此時含濕量由13.2 g/kg升高到18.7 g/kg。由此驗證當(dāng)噴桿安裝于回風(fēng)管道時可達到加濕的目的，噴嘴順流布置和逆流布置均能達到室內(nèi)加濕的效果。由表2可知，將噴桿安裝在送風(fēng)管路，室內(nèi)溫度、相對濕度以及含濕量都在某一微小的固定范圍內(nèi)波動時，蒸汽幾乎不噴入送風(fēng)氣流中，相對濕度和含濕量幾乎不變，即無法達到加濕的效果，且結(jié)果不受噴嘴朝向的影響。
4 結(jié)論
（1）回風(fēng)管內(nèi)靜壓分布均低于外界大氣壓，噴桿下游壓力明顯偏低，且隨著距離增加壓力逐漸增大。噴桿上游由于空氣受到桿的阻力作用，部分動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，但依然呈負(fù)壓狀態(tài)。噴嘴逆流布置時，隨著溫度的升高，相對濕度和含濕量均升高，最大值分別為74.6%和13.49 g/kg。噴嘴順流布置時，隨著溫度的升高，相對濕度和含濕量均升高，最大值分別為82%和18.7 g/kg。
（2）送風(fēng)管內(nèi)包括噴桿近壁處靜壓分布均遠(yuǎn)高于外界大氣壓，同樣噴桿下側(cè)壓力明顯偏低，但當(dāng)吹向噴桿的氣流正壓力不足夠小時噴桿下游近壁處依然處于正壓狀態(tài)。噴桿上側(cè)由于空氣同樣受到桿的阻力作用，部分動壓轉(zhuǎn)化為靜壓。鑒于此可理論判斷只要噴桿置于送風(fēng)管路，當(dāng)加濕器內(nèi)沒有專門提供壓力時，由于近壁處的高壓作用在傳統(tǒng)加濕器包括本文研究所采用的電陶瓷加濕器內(nèi)產(chǎn)生的處于微小正壓狀態(tài)下的蒸汽將無法噴入送風(fēng)氣流，即達不到加濕目的。試驗結(jié)果顯示室內(nèi)溫度、相對濕度以及含濕量的穩(wěn)定不變狀態(tài)同樣可驗證理論分析的正確性。
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1 前言
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求越來越高。作為提供室內(nèi)人工環(huán)境控制的空調(diào)系統(tǒng)，不但維持室內(nèi)的溫度場和速度場，并對室內(nèi)空氣的相對濕度進行控制。室內(nèi)空氣相對濕度同溫度和空氣流速一樣，對于人居建筑，不僅關(guān)系到人體的熱舒適性［1，2］,對室內(nèi)空氣品質(zhì)也有顯著的影響［3，4］。研究顯示，當(dāng)室內(nèi)相對濕度參數(shù)偏低，人們的舒適感將變差，易引起多種疾病，如皮膚干燥、口唇開裂、易換感冒等等，甚至還可能會導(dǎo)致靜電的產(chǎn)生［5～7］。并且據(jù)分析，當(dāng)室溫為22～26℃時，人類在相對濕度介于40%～65%的環(huán)境中工作會感覺最適宜，效率最高［8～11］。為此《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》、ASHRAE standard等均對不同功能房間的濕度下限做出明確規(guī)定［12，13］。
對于空調(diào)加濕器目前已多有研究，馮國會曾采用試驗的方法來確定空調(diào)加濕器的吸收距離［14］；同時文獻［15～17］指出根據(jù)空氣的狀態(tài)參數(shù)及風(fēng)道尺寸查圖得到的空調(diào)加濕器的吸收距離理論值與真實值將存在很大誤差；李甲通過對空調(diào)加濕器加濕性能的試驗研究，真實地反映了其節(jié)省空間、節(jié)水、節(jié)電的特性［8］；孫玉明主要介紹了空調(diào)加濕系統(tǒng)中由于電流過大引起自身保護而不工作的問題,并探討了避免加濕電流過大的解決辦法［18］；孫瑩進一步對比分析了幾類典型空調(diào)加濕器的工作原理和性能特點，得出不同類型加濕器的應(yīng)用場合，為加濕器的選用提供了參考［19］。目前中央空調(diào)系統(tǒng)存在這幾種加濕方法：噴淋加濕、干蒸汽加濕、高壓噴霧加濕、電極式加濕、電熱式加濕、濕膜式加濕等。電陶瓷加濕器是空調(diào)系統(tǒng)中常用的一種加濕裝置，加濕器內(nèi)的水經(jīng)加熱盤加熱至沸騰，產(chǎn)生的水蒸氣通過噴桿上的噴嘴噴入空氣中，進而達到加濕空氣的效果。但對于此類加濕器的噴桿安裝位置和噴嘴朝向?qū)訚裥Ч绊懙难芯磕壳磅r有涉及。
由此本文就電陶瓷加濕器噴桿安裝位置和噴嘴朝向?qū)訚裥Ч挠绊戇M行探討，并分析將噴桿安裝在回風(fēng)管路時噴嘴不同朝向?qū)訚裥Ч挠绊?；以及將噴桿安裝在送風(fēng)管路時噴嘴不同朝向?qū)訚裥Ч挠绊?。筆者采用計算流體力學(xué)軟件Fluent，數(shù)值模擬噴桿近壁靜壓分布，理論分析蒸汽的噴入情況。并通過對空調(diào)房間相對濕度的變化規(guī)律進行試驗研究，驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。
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圖1 用于數(shù)值模擬的管道模型
來流假定為二維不可壓縮粘性流體，在較高的亞臨界雷諾數(shù)狀態(tài)下，圓柱繞流流場為湍流流態(tài)［21］，可以通過雷諾平均N-S方程對湍流的瞬時運動進行描述［22］:
式中 ui，uj——湍流的平均速度分量
p——湍流的平均壓力分量
u′i，u′j——湍流的紊動速度分量
-u′iu′j——雷諾應(yīng)力
ρ——流體密度
υ——流體的運動黏性系數(shù)
N-S方程中的雷諾應(yīng)力需要通過Boussinesq假設(shè)進行封閉:
式中 δij——Kronecker函數(shù)
υT——渦團黏性系數(shù)
k——湍動能
2.2 模擬結(jié)果分析與討論
2.2.1 回風(fēng)管內(nèi)加濕的模擬分析
圖2（a）給出了回風(fēng)管內(nèi)靜壓分布規(guī)律?？梢钥闯?，整個回風(fēng)管內(nèi)均呈負(fù)壓狀態(tài)。在噴管上游側(cè)和噴管下游側(cè)，送風(fēng)管和回風(fēng)管的靜壓隨著距離的增加而增加。噴管處的靜壓均最低，分別為-100Pa和100Pa。下游在噴桿影響下不同時刻會有尾流渦旋的交替生成、發(fā)展、脫落以及消散，且隨著影響減弱及壁面的阻礙使得下側(cè)渦旋得不到充分發(fā)展，其渦量與結(jié)構(gòu)形式均小于上側(cè)渦旋［22］。由此，噴桿下側(cè)會形成明顯的壓力坡降，這種趨勢由于渦旋的渦量與結(jié)構(gòu)形式的減小將有所減弱。噴桿上游由于空氣受到桿的阻力作用，回風(fēng)風(fēng)速急劇下降，部分動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，所以隨著到噴桿距離的減小靜壓有所增大，但依然呈負(fù)壓狀態(tài)。
圖2 回風(fēng)、送風(fēng)管內(nèi)靜壓分布云圖（Pa）
由以上分析可見噴桿近壁處靜壓分布均低于外界大氣壓，所以在傳統(tǒng)加濕器包括本文研究所采用的電陶瓷加濕器內(nèi)產(chǎn)生的處于正壓狀態(tài)下的蒸汽在加濕器與噴嘴處內(nèi)外壓差的作用下會自動噴入回風(fēng)氣流中，而在加濕器內(nèi)并不需要專門提供壓力。由此，理論研究可得將噴桿安裝在回風(fēng)管路均可實現(xiàn)加濕的目的，而不受噴嘴朝向的影響。
2.2.2 送風(fēng)管內(nèi)加濕的模擬分析
圖2（b）給出了送風(fēng)管內(nèi)靜壓分布規(guī)律。由圖可見，整個送風(fēng)管內(nèi)均呈正壓狀態(tài)，同樣，噴桿下側(cè)壓力明顯偏低，且隨著距離增加壓力逐漸增大。同回風(fēng)管，下側(cè)在噴桿影響下形成的尾流渦旋促使壓力有明顯的下降趨勢。
由以上分析可見噴桿近壁處靜壓分布均遠(yuǎn)高于外界大氣壓，所以當(dāng)加濕器內(nèi)沒有專門提供壓力時，由于近壁處的高壓作用在傳統(tǒng)加濕器包括本文研究所采用的電陶瓷加濕器內(nèi)產(chǎn)生的處于微小正壓狀態(tài)下的蒸汽將通過加濕器通氣孔倒噴至室外空氣中。由此，理論研究可得將噴桿安裝在送風(fēng)管路均達不到加濕的目的，而結(jié)果不受噴嘴朝向的影響。
3 試驗驗證
人工環(huán)境控制綜合試驗臺內(nèi)部尺寸（長×寬×高）為6000 mm×4000 mm×3500 mm。試驗臺墻壁、屋頂及地面密封良好，而且材料均選用隔熱性能良好、100 mm厚的冷庫板，所以試驗過程中不考慮額外的加濕或散濕量及與外界環(huán)境的熱交換［23］。試驗過程中采用上送下回的氣流組織形式［24，25］，且并未對空氣進行加熱或制冷，以此減小額外擾動對溫度變化的影響。
傳統(tǒng)理論分析認(rèn)為噴嘴位于氣流下側(cè)，容易實現(xiàn)加濕過程；相反，迎面氣流的沖擊作用將影響蒸汽的噴入效果。鑒于此試驗過程中測試二組典型工況，即將噴桿安裝于回風(fēng)管道，噴嘴逆流布置；噴桿安裝于送風(fēng)管道，噴嘴順流布置。測試一組對比工況——噴桿安裝于回風(fēng)管道并噴嘴順流布置，以驗證試驗的可行性。噴桿及噴嘴如圖3所示，三種工況的測試結(jié)果分別見表1～3。
圖3 蒸汽噴桿及噴嘴
表1 試驗工況1——噴桿安裝于回風(fēng)管道、噴嘴逆流布置所測的相對濕度變化
表2 試驗工況2——噴桿安裝于送風(fēng)管道、噴嘴順流布置所測的相對濕度變化
表3 試驗工況3——噴桿安裝于回風(fēng)管道、噴嘴順流布置所測的相對濕度變化
本文在采取減小溫度變化措施的基礎(chǔ)上列出室內(nèi)空氣含濕量值，對加濕效果的觀察控制在單一變化參數(shù)內(nèi)，以消除溫度波動對加濕過程變化趨勢觀察的影響。表1、3所示，由于高溫噴桿加熱的影響，隨著室內(nèi)溫度逐漸上升，室內(nèi)空氣相對濕度和含濕量同時也呈上升趨勢。噴桿安裝于回風(fēng)管道、噴嘴逆流布置時，溫度由19.8 ℃上升到23.2 ℃時，室內(nèi)相對濕度由61.7%升高到74.6%，同時，含濕量由9 g/kg升高13.49 g/kg。噴桿安裝于回風(fēng)管道、噴嘴順流布置時，隨著溫度由24.3 ℃逐漸升高到27 ℃，相對濕度由68.7%升高到82%，此時含濕量由13.2 g/kg升高到18.7 g/kg。由此驗證當(dāng)噴桿安裝于回風(fēng)管道時可達到加濕的目的，噴嘴順流布置和逆流布置均能達到室內(nèi)加濕的效果。由表2可知，將噴桿安裝在送風(fēng)管路，室內(nèi)溫度、相對濕度以及含濕量都在某一微小的固定范圍內(nèi)波動時，蒸汽幾乎不噴入送風(fēng)氣流中，相對濕度和含濕量幾乎不變，即無法達到加濕的效果，且結(jié)果不受噴嘴朝向的影響。
4 結(jié)論
（1）回風(fēng)管內(nèi)靜壓分布均低于外界大氣壓，噴桿下游壓力明顯偏低，且隨著距離增加壓力逐漸增大。噴桿上游由于空氣受到桿的阻力作用，部分動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，但依然呈負(fù)壓狀態(tài)。噴嘴逆流布置時，隨著溫度的升高，相對濕度和含濕量均升高，最大值分別為74.6%和13.49 g/kg。噴嘴順流布置時，隨著溫度的升高，相對濕度和含濕量均升高，最大值分別為82%和18.7 g/kg。
（2）送風(fēng)管內(nèi)包括噴桿近壁處靜壓分布均遠(yuǎn)高于外界大氣壓，同樣噴桿下側(cè)壓力明顯偏低，但當(dāng)吹向噴桿的氣流正壓力不足夠小時噴桿下游近壁處依然處于正壓狀態(tài)。噴桿上側(cè)由于空氣同樣受到桿的阻力作用，部分動壓轉(zhuǎn)化為靜壓。鑒于此可理論判斷只要噴桿置于送風(fēng)管路，當(dāng)加濕器內(nèi)沒有專門提供壓力時，由于近壁處的高壓作用在傳統(tǒng)加濕器包括本文研究所采用的電陶瓷加濕器內(nèi)產(chǎn)生的處于微小正壓狀態(tài)下的蒸汽將無法噴入送風(fēng)氣流，即達不到加濕目的。試驗結(jié)果顯示室內(nèi)溫度、相對濕度以及含濕量的穩(wěn)定不變狀態(tài)同樣可驗證理論分析的正確性。
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