ES2957896T3 - Método de elección de combinaciones de refrigerante-lubricante - Google Patents

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Abstract

La presente invención proporciona métodos para seleccionar combinaciones de refrigerante y lubricante para uso en sistemas de ciclo de transferencia de calor y proporciona métodos para operar dichos sistemas de transferencia de calor. Más particularmente, la invención proporciona métodos para seleccionar combinaciones de lubricante y refrigerante para un sistema de ciclo de transferencia de calor en el que a las temperaturas más bajas del ciclo de transferencia de calor el refrigerante y el lubricante son miscibles y a las temperaturas más altas del ciclo de transferencia de calor el refrigerante y el lubricante son fases separadas y tales que la temperatura de inversión de fase de densidad de la combinación está por debajo de la temperatura de funcionamiento superior del ciclo de transferencia de calor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método de elección de combinaciones de refrigerante-lubricante
Campo de la invención
La presente invención se refiere a métodos para seleccionar combinaciones de refrigerante y lubricante para uso en sistemas de ciclo de transferencia de calor y proporciona métodos de operación de dichos sistemas de transferencia de calor. Más particularmente, la invención se refiere a métodos usados para seleccionar combinaciones de lubricante y refrigerante para un sistema de ciclo de transferencia de calor en el que a las temperaturas más bajas del ciclo de transferencia de calor refrigerante y lubricante son miscibles y a las temperaturas más altas del ciclo de transferencia de calor refrigerante y lubricante están separados en fases de manera que la temperatura de inversión de fase por densidad de la combinación está por debajo de la temperatura de operación superior del ciclo de transferencia de calor.
Sumario de la invención
La miscibilidad entre refrigerante y lubricante en los sistemas de transferencia de calor, tales como sistemas de refrigeración por compresión-vapor, es importante para determinar el rendimiento de dichos sistemas. En muchos casos, se prefiere la miscibilidad entre lubricante y refrigerante en todas las condiciones de operación con el fin de garantizar una lubricación apropiada, una circulación suficiente de lubricante en el sistema y mantener una transferencia de calor eficiente en los componentes críticos del sistema. No obstante, muchas combinaciones de refrigerante y lubricante presentan separación de fases a temperaturas elevadas. Se ha descubierto un método para seleccionar combinaciones de refrigerante y lubricante que utiliza dichas combinaciones de separación de fase de refrigerante y lubricante que también exhiben la propiedad de inversión de fase por densidad. A temperaturas por debajo de la "temperatura de inversión de fase", la fase rica en lubricante es menos densa que la fase rica en refrigerante, mientras que a temperaturas por encima de la "temperatura de inversión de fase", la fase rica en refrigerante es menos densa que la fase rica en lubricante. La temperatura a la que una combinación particular cambia de una fase más densa a otra y, por tanto, de una fase en la parte superior a otra, es la temperatura de inversión de fase.
Una realización de la presente invención es un método para seleccionar combinaciones de refrigerante y lubricante en un sistema de transferencia de calor, que incluye, entre otros, sistemas de refrigeración de tipo compresión-vapor, que incorpora al menos un refrigerante y al menos un lubricante. En una realización adicional de la presente invención, el método para seleccionar combinaciones de refrigerante y lubricante es tal que se selecciona un intervalo de temperatura de operación inferior donde refrigerante y lubricante forman una fase individual y se selecciona un intervalo de temperatura de operación superior donde la fase de refrigerante y lubricante se separa en fases ricas en refrigerante y ricas en lubricante. En una realización adicional, la temperatura de inversión de fase de refrigerantelubricante está entre los intervalos de temperatura de operación inferior y temperatura de operación superior. En un sistema tradicional de refrigeración por compresión-vapor, tal como en sistemas de refrigeración o acondicionamiento de aire, dichas temperaturas de operación inferior y superior pueden ser la temperatura de descarga del evaporador y la temperatura de descarga del compresor, respectivamente.
La presente invención está destinada a un método para introducir un refrigerante y un lubricante en un sistema de dispositivo de transferencia de calor por compresión-vapor que comprende:
a. proporcionar un dispositivo de transferencia de calor por compresión-vapor que comprende un circuito de transferencia de calor, un compresor que tiene un lado de entrada y un lado de salida, un depósito de refrigerante y lubricante, en el que dicho depósito está en comunicación fluida con el lado de entrada del compresor y con dicho circuito de transferencia de calor, y dicho circuito de transferencia de calor está en comunicación fluida con dicho lado de salida del compresor;
b. determinar el intervalo de temperatura de operación inferior del lado de entrada del compresor del dispositivo de refrigeración por compresión-vapor;
c. determinar el intervalo de temperatura de operación superior del lado de salida del compresor del dispositivo de refrigeración por compresión-vapor;
d. seleccionar un refrigerante seleccionado entre hidrofluorocarburos (HFCs), hidrofluoroolefinas (HFOs), hidroclorofluorocarburos (HCFCs), hidroclorofluoroolefinas (HCFOs), hidrocarburos (HC), dióxido de carbono, amoníaco o mezclas de los mismos en una primera concentración y seleccionar un lubricante seleccionado entre polialquilen glicoles (PAGs), poli(ésteres de alcohol) (POEs), poli(éteres vinílicos) (PVEs), poliglicoles, poli(ésteres de alquilenglicol), alquilbencenos, aceites minerales, polialfaolefinas o mezclas de los mismos en una segunda concentración para producir un sistema de fluido en el que dicho refrigerante y dicho lubricante sean miscibles a una primera temperatura dentro de dicho intervalo inferior de temperatura de operación de descarga del evaporador y producir un sistema de fluido que tenga una fase rica en refrigerante y una fase rica en lubricante a una segunda temperatura dentro de dicho intervalo superior de temperatura de operación de descarga del compresor, siempre que dicha segunda temperatura sea mayor que dicha primera temperatura, en el que la fase rica en lubricante tiene una densidad mayor que la fase rica en refrigerante a dicha segunda temperatura y en el que la temperatura de inversión de fase está entre la temperatura inferior de operación de descarga del evaporador y la temperatura superior de operación de descarga del compresor, y la temperatura de inversión de fase es igual o menor que la temperatura del recipiente o depósitos y en el que la temperatura del compresor está por encima de la temperatura de inversión de fase; e
e. introducir dicho refrigerante y lubricante en el dispositivo de transferencia de calor por compresión-vapor.
El método actual de seleccionar combinaciones de refrigerante y lubricante favorece un retorno de aceite eficiente en el sistema de transferencia de calor y contribuye a mantener un rendimiento eficiente. Por ejemplo, en el evaporador de un ciclo de compresión-vapor de refrigeración, la inmiscibilidad entre refrigerante y lubricante puede provocar acumulación de aceite y retención de exceso de aceite, lo que puede aislar el evaporador de la transferencia de calor, reduciendo la eficiencia del sistema. Si lubricante y refrigerante son miscibles, el lubricante tiende a pasar del evaporador y regresar al compresor. Por tanto, una realización preferida de la presente invención es aquella en la que la combinación de refrigerante y lubricante sea miscible a temperaturas más bajas del sistema de transferencia de calor para minimizar la acumulación de aceite.
Otro problema es la posibilidad de que se acumule aceite en los receptores o depósitos de los sistemas de transferencia de calor. Por lo general, si lubricante y refrigerante son inmiscibles, una fase rica en lubricante puede flotar en la superficie de la fase rica en refrigerante más densa en los receptores o depósitos, lo que coloca la fase rica en lubricante por encima de la línea de succión para regresar al compresor. Esto puede provocar la acumulación de lubricante en estos depósitos y el posterior drenaje de lubricantes desde el compresor, lo que se puede traducir en una lubricación insuficiente de las piezas del compresor y provocar un desgaste excesivo y fallo prematuro. Si la temperatura de dichos depósitos o receptores está suficientemente por encima de la temperatura de inversión de fase de la combinación refrigerante-lubricante, la fase rica en lubricante se hunde hasta la parte inferior y es recogida de nuevo al compresor, garantizando de este modo un retorno eficiente del aceite. Si la temperatura en dichos depósitos o receptores es igual o próxima a la temperatura de inversión de fase de la combinación refrigerante-lubricante, entonces las fases rica en lubricante y rica en refrigerante pueden formar emulsiones o mezclas estables con tiempos de sedimentación prolongados, permitiendo nuevamente un retorno eficiente del aceite. Una realización de la presente invención es aquella en la que el punto de inversión de fase está entre las temperaturas de operación superior e inferior del sistema y preferentemente es igual o próxima a la temperatura del receptor o depósitos, de manera que no se forme una fase de capa superior rica en lubricante en el receptores o en los depósitos.
El comportamiento de miscibilidad de refrigerante y lubricante es muy importante en el compresor del sistema de transferencia de calor, donde la lubricación resulta esencial para la correcta operación y para mantener la vida del equipo. Si el refrigerante disuelto disminuye demasiado la viscosidad del lubricante, es posible que tenga lugar una lubricación insuficiente en el compresor, lo que se traduce en un desgaste excesivo y fallo prematuro. Otra preocupación son los arranques inundados, donde el sumidero de compresor se inunda con refrigerante después del apagado. Durante el arranque, la presencia de refrigerante puede reducir la viscosidad del lubricante, lo que se traduce en una lubricación inadecuada del compresor. Esto es particularmente preocupante en los sistemas de refrigerante/lubricante inmiscibles, donde se pueden formar dos capas en el sumidero de compresor, estando la capa de refrigerante en la parte inferior. El punto de extracción donde normalmente el lubricante penetra en los cojinetes de compresor se encuentra en la parte inferior. En una realización preferida de la presente invención, la temperatura del compresor está por encima de la temperatura de inversión de fase, limitando de este modo la posibilidad de que el refrigerante desplace al lubricante en el sumidero de compresor, lo que contribuye a la lubricación y evita muchos problemas de arranque inundado. En una realización separada, la temperatura del compresor durante los períodos de inactividad es tal que refrigerante y lubricante son miscibles.
Aunque no se pretende limitar el alcance de la presente invención, los refrigerantes de la presente invención incluyen composiciones que comprenden hidrofluorocarburos (HFCs), hidrofluoroolefinas (HFOs), hidroclorofluorocarburos (HCFOs), hidroclorofluorocarburos (HCFCs), hidrocarburos (HC), dióxido de carbono, amoníaco, éter dimetílico y/o mezclas de los mismos. Preferentemente el refrigerante comprende una hidrofluoroolefina. Más preferentemente, el refrigerante comprende un alqueno C3 a C6 fluorado, más preferentemente un alqueno C3 a C4 fluorado, incluso más preferentemente un tri-, tetra- o pentafluoropropeno, e incluso más preferentemente un trifluoropropeno, tetrafluoropropeno y/o mezclas de los mismos. Los trifluoropropenos a modo de ejemplo incluyen 3,3,3-trifluoropropeno (HFO-1243zf). Los tetrafluoropropenos a modo de ejemplo incluyen 2,3,3,3-tetrafluoropropeno (HFO-1234yf) y 1,3,3,3-tetrafluoropropeno (HFO-1234ze), 1,3,3,3-tetrafluoropropeno (HFO-1234ze) puede incluir el isómero cis, el isómero trans y sus mezclas; preferentemente 1,3,3,3-tetrafluoropropeno es de forma predominante el isómero trans.
Los HFCs a modo de ejemplo incluyen, entre otros, difluorometano (HFC-32); 1-fluoroetano (HFC-161); 1,1-difluoroetano (HFC-152a); 1,2-difluoroetano (HFC-152); 1,1,1-trifluoroetano (HFC-143a); 1,1,2-trifluoroetano (HFC-143); 1,1,1,2-tetrafluoroetano (HFC-134a); 1,1,2,2-tetrafluoroetano (HFC-134); 1,1,1,2,2-pentafluoroetano (HFC-125); 1,1,1,3,3-pentafluoropropano (HFC-245fa); 1,1,2,2,3-pentafluoropropano (HFC-245ca); 1,1,1,2,3-pentafluoropropano (HFC-245eb); 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropano (HFC-236fa); 1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropano (HFC-227ea); 1,1,1,3,3-pentafluorobutano (HFC-365mfc), 1,1,1,2,3,4,4,5,5,5-decafluoropropano (HFC-4310) y mezclas de los mismos. Los hidrocarburos a modo de ejemplo incluyen, entre otros, propano, butano, isobutano, propileno y mezclas de los mismos. Los hidroclorofluorocarburos a modo de ejemplo incluyen, entre otros, HCFC-22, HCFC-123 y mezclas de los mismos. Los HCFOs a modo de ejemplo incluyen, entre otros, 1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno (HCFO-1233zd), preferentemente el isómero trans, 2-cloro-3,3,3-trifluoropropeno (HCFO-1233xf), y/o mezclas de los mismos.
Aunque no se pretende limitar el alcance de la invención en modo alguno, los lubricantes de la presente invención incluyen, entre otros: polialquilenglicoles (PAGs), poli(ésteres de alcohol) (POEs), poli(éteres vinílicos) (PVEs), poliglicoles, poli(ésteres de alquilenglicol), alquilbencenos, aceites minerales, polialfaolefinas y/o mezclas de los mismos. Los aceites PAG son preferentemente homopolímeros o copolímeros que consisten en dos o más grupos de oxipropileno. Los aceites PAG pueden ser "sin protección", "con protección terminal individual" o "con protección terminal doble". Los ejemplos de aceites PAG comerciales incluyen, entre otros, ND-8, Castrol PAG 46, Castrol PAG 100, Castrol PAG 150, Daphne Hermetic PAG PL, Daphne Hermetic PAG PR. Los aceites de POE comerciales a modo de ejemplo incluyen, entre otros, Emkarate POE RL 32H, Emkarate POE RL 68H, Copeland Ultra 22CC, Copeland Ultra 32CC. La viscosidad preferida del aceite lubricante es de aproximadamente 10 a aproximadamente 200 centistokes (de 0,1 a 2 cm2/s).
Ejemplos de combinaciones de refrigerante/lubricante dentro del alcance de la presente invención incluyen:
HFO-1234yf/PAg
HFO-1234yf/POE
HFO-1234yf/PVE
HFO-1234ze/PAG
HFO-1234ze/POE
HFO-1234ze/PVE
HFO-1243zf/PAG
HFO-1243zf/POE
HFO-1243zf/PVE
Se reconoce que la composición química de los lubricantes dentro de la misma familia (por ejemplo, PAG) puede ser diferente. Por tanto, el comportamiento de miscibilidad y la temperatura de inversión pueden ser diferentes de un lubricante a otro incluso cuando se utiliza en combinación con el mismo refrigerante. Por tanto, las temperaturas de operación del método de enfriamiento de la presente invención pueden cambiar dependiendo de las combinaciones específicas de refrigerante y lubricante. Una persona con conocimientos habituales en la técnica sería capaz de determinar la temperatura de inversión de fase de una combinación específica.
Los sistemas de transferencia de calor, incluidos los de refrigeración, acondicionamiento de aire y enfriamiento de líquidos, funcionan con una parte del ciclo en el intervalo de temperatura de operación inferior y otra parte del ciclo en el intervalo de temperatura de operación superior. Estos intervalos de temperatura superior e inferior dependen de la aplicación específica. Por ejemplo, las temperaturas de operación para refrigeración a baja temperatura pueden ser diferentes a las de acondicionamiento de aire de automóvil o a las de los enfriadores de agua. Preferentemente, el intervalo de temperatura de operación superior es de aproximadamente 15 °C a aproximadamente 90 °C, más preferentemente de aproximadamente 30 °C a aproximadamente 70 °C. Preferentemente, el intervalo de temperatura de operación inferior es de aproximadamente 25 °C a aproximadamente -60 °C, más preferentemente de aproximadamente 15 °C a aproximadamente -30 °C. Por ejemplo, un enfriador de líquido de baja presión puede operar a una temperatura de evaporador de aproximadamente -10 °C a 10 °C y una temperatura de condensador de aproximadamente 30 °C a 55 °C. Por ejemplo, un acondicionador de aire, tal como AC de automóvil, puede operar con una temperatura de evaporación de 4 °C y una temperatura de condensación de 40 °C. Para refrigeración, el intervalo de temperatura de operación inferior puede depender de la aplicación específica. Por ejemplo, algunas temperaturas de aplicación típicas para refrigeración incluyen: congelador (por ejemplo, helado): -15 °F /- 2 °F ( 26 °C /-1,1 °C); baja temperatura: 0 °F /- 2 °F (-18 °C /- 1,1 °C); temperatura media: 38 °F /-2 °F (3,3 °C /-1,1 °C). Estos ejemplos son sólo informativos y no pretenden limitar el alcance de la presente invención en modo alguno. Se pueden emplear otras temperaturas de operación e intervalos de temperatura de operación dentro del alcance de la presente invención.
Las composiciones también pueden comprender aditivos, tales como colorantes, modificadores de viscosidad, agentes antiespumantes, inhibidores de corrosión, estabilizadores, agentes de compatibilidad, antioxidantes, depresores de punto de fluidez, nanopartículas, supresores de llama y mezclas de los mismos.
Otra realización de la presente invención es un método para operar un sistema de transferencia de calor con una combinación de refrigerante-lubricante. En una realización, una parte del sistema de transferencia de calor opera en un intervalo de temperatura de operación inferior donde refrigerante y lubricante forman una fase individual. Otra parte del sistema de transferencia de calor opera en un intervalo de temperatura de operación superior donde refrigerante y lubricante se separan para dar lugar a una fase rica en refrigerante y una fase rica en lubricante. En esta realización de la presente invención, se opera el sistema de transferencia de calor donde la temperatura de inversión de fase de densidad de la combinación de refrigerante/lubricante está entre las temperaturas de operación superior e inferior.
Ejemplo 1
A un recipiente a presión graduado se añadieron aproximadamente partes iguales de HFO-1234yf y lubricante PAG comercial (Castrol PAG 46). Los componentes se mezclaron y se dejaron reposar a temperatura ambiente para alcanzar el equilibrio. A temperatura ambiente (~20 °C), la mezcla se separó en fases, con una fase líquida rica en lubricante que flota sobre una fase líquida rica en refrigerante. Para reducir la temperatura de la mezcla por debajo de temperatura ambiente, el recipiente a presión se colocó en un refrigerador o congelador a temperatura constante y se enfrió hasta alcanzar el equilibrio. A 8 °C la mezcla resultó miscible, mostrando únicamente una fase líquida individual. A -20 °C la mezcla fue miscible con una fase líquida individual.
Para elevar la temperatura de la mezcla por encima de temperatura ambiente, el recipiente de presión graduada se colocó a continuación en un baño de temperatura constante y se calentó por etapas de 25 °C a 50 °C, se dejó que alcanzara el equilibrio en cada etapa, y el contenido del recipiente se observó de forma periódica. La mezcla contenía dos fases líquidas. A 30 °C las dos fases resultaron muy difíciles de distinguir. A 35 °C , las dos fases todavía resultaban difíciles de distinguir, pero una fase líquida rica en refrigerante flotaba sobre una fase más rica en lubricante. A 40 °C y por encima, la parte de la muestra que era la fase rica en refrigerante había aumentado y las dos fases se distinguían de manera más fácil.
El recipiente a presión graduada se retiró del baño de temperatura constante y se dejó enfriar. A medida que el recipiente se enfriaba, se observó que la fase rica en refrigerante se hundía hasta la parte inferior del recipiente.
El presente ejemplo muestra que la combinación de HFO-1234yf con Castrol PAG 46 es miscible de 8 °C a -20 °C mientras que es inmiscible a 20 °C y por encima, con una temperatura de inversión de fase de densidad de aproximadamente 30 °C.
Ejemplo 2
Se puede operar un sistema de acondicionamiento de aire por compresión-vapor usando la combinación de refrigerante/lubricante del Ejemplo 1, en la que el refrigerante es HFO-1234yf y el lubricante es Castrol PAG 46. El intervalo de temperatura de operación inferior podría ser de aproximadamente 8 °C a aproximadamente -20 °C, mientras que el intervalo de temperatura de operación superior podría ser de aproximadamente 30 °C y más. El sistema de acondicionamiento de aire opera según la presente invención, donde la temperatura de evaporador se mantiene a 4 °C /- 2 °C y la temperatura de condensación se mantiene a aproximadamente 40 °C. Usando estas condiciones de operación, refrigerante y lubricante son miscibles en las condiciones más frías del sistema de acondicionamiento de aire, mientras que a las temperaturas de operación superiores, refrigerante y lubricante son inmiscibles pero la fase rica en refrigerante es menos densa.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1 Un método para introducir un refrigerante y un lubricante en un sistema de dispositivo de transferencia de calor por compresión-vapor que comprende:
    a. proporcionar un dispositivo de transferencia de calor por compresión-vapor que comprende un circuito de transferencia de calor, un compresor que tiene un lado de entrada y un lado de salida, un depósito de refrigerante y lubricante, en el que dicho depósito está en comunicación fluida con el lado de entrada del compresor y con dicho circuito de transferencia de calor, y dicho circuito de transferencia de calor está en comunicación fluida con dicho lado de salida del compresor;
    b. determinar el intervalo de temperatura de operación inferior del lado de entrada del compresor del dispositivo de refrigeración por compresión-vapor;
    c. determinar el intervalo de temperatura de operación superior del lado de salida del compresor del dispositivo de refrigeración por compresión-vapor;
    d. seleccionar un refrigerante entre hidrofluorocarburos (HFCs), hidrofluoroolefinas (HFOs), hidroclorofluorocarburos (HCFCs), hidroclorofluoroolefinas (HCFOs), hidrocarburos (HC), dióxido de carbono, amoníaco o mezclas de los mismos en una primera concentración y seleccionar un lubricante entre polialquilen glicoles (PAGs), poli(ésteres de alcohol) (POEs), poli(éteres vinílicos) (PVEs), poliglicoles, poli(ésteres de alquilenglicol), alquilbencenos, aceites minerales, polialfaolefinas o mezclas de los mismos en una segunda concentración para producir un sistema de fluido en el que dicho refrigerante y dicho lubricante sean miscibles a una primera temperatura dentro de dicho intervalo inferior de temperatura de operación de descarga del evaporador y producir un sistema de fluido que tenga una fase rica en refrigerante y una fase rica en lubricante a una segunda temperatura dentro de dicho intervalo superior de temperatura de operación de descarga del compresor, siempre que dicha segunda temperatura sea mayor que dicha primera temperatura, en el que la fase rica en lubricante tiene una densidad mayor que la fase rica en refrigerante a dicha segunda temperatura y en el que la temperatura de inversión de fase está entre la temperatura inferior de operación de descarga del evaporador y la temperatura superior de operación de descarga del compresor, y la temperatura de inversión de fase es igual o menor que la temperatura del recipiente o depósitos y en el que la temperatura del compresor está por encima de la temperatura de inversión de fase; e
    e. introducir dicho refrigerante y lubricante en el dispositivo de transferencia de calor por compresión-vapor.
  2. 2.- El método de la reivindicación 1, en el que la hidrofluoroolefina está seleccionada entre el grupo que consiste en alquenos C3 a C6.
  3. 3.- El método de la reivindicación 2, en el que dicho alqueno C3 a C6 está seleccionado entre el grupo que consiste en trifluoropropeno, tetrafluoropropeno, pentafluoropropeno y mezclas de los mismos.
  4. 4.- El método de la reivindicación 3, en el que dicho trifluoropropeno[[,]] o tetrafluoropropeno está seleccionado entre el grupo que consiste en 3,3,3-trifluoropropeno (HFO-1243zf), 2,3,3,3-tetrafluoropropeno (HFO-1234yf) y 1,3,3,3-tetrafluoropropeno (HFO-1234ze) .
  5. 5.- El método de la reivindicación 1, en el que dicho intervalo de temperatura de operación superior es de aproximadamente 15 °C a aproximadamente 90 °C y dicho intervalo de temperatura de operación inferior es de aproximadamente -60 °C a aproximadamente 25 °C.
  6. 6. - El método de la reivindicación 1, en el que dicho intervalo de temperatura de operación superior es de aproximadamente 30 °C a aproximadamente 70 °C y dicho intervalo de temperatura de operación inferior es de aproximadamente -30 °C a aproximadamente 15 °C.
  7. 7. - El método de la reivindicación 1, en el que dicho sistema de fluidos comprende además uno o más aditivos seleccionados entre el grupo que consiste en colorantes, modificadores de viscosidad, agentes antiespumantes, inhibidores de corrosión, estabilizadores, agentes de compatibilidad, antioxidantes, depresores de punto de fluidez, nanopartículas, supresores de llama y mezclas de los mismos.
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