7. Intercambiadores de Calor

7/26/2019 7. Intercambiadores de Calor

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INTERCAMBIADORESINTERCAMBIADORES

DE CALORDE CALOR


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INTRODUCCIONINTRODUCCION Un intercambiador de calor se puede describir

de un modo muy elemental como un equipo enel que dos corrientes a distintas temperaturasfluyen sin mezclarse con el objeto de enfriar unade ellas o calentar la otra o ambas cosas a la

vez


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Desde el momento en que un intercambiador de

calor se instala y one en !uncionamiento dentro deun roceso de trans!erencia t"rmica# se recisa undeterminado $radiente de temeratura ara que seueda e!ectuar la transmisi%n del calor& la ma$nitudde este $radiente se uede reducir utili'ando unintercambiador mayor# ero esto a su (e' imlica unmayor coste# tanto de tio econ%mico# comoener$"tico)


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Distribuci%n de temeratura en un condensador de unDistribuci%n de temeratura en un condensador de unaso de tubosaso de tubos


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Distribuci%n de temeratura en un *aori'ador deDistribuci%n de temeratura en un *aori'ador deun aso de tubosun aso de tubos


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Distribucin de temperatura en intercambiadores de calorDistribucin de temperatura en intercambiadores de calor

de flujo en cocorriente de un paso de tubosde flujo en cocorriente de un paso de tubos


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INTER!"#I!D$R DE $RRIENTE% &!R!'E'!% ENINTER!"#I!D$R DE $RRIENTE% &!R!'E'!% EN

$NTR!$RRIENTE$NTR!$RRIENTE


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TI+OS BASICOS DETI+OS BASICOS DE

INTERCAMBIADORES DE CALORINTERCAMBIADORES DE CALOR


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Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos est,n comuestosor tubos cil-ndricos# montados dentro de una carcasa tambi"ncil-ndrica# con el e.e de los tubos aralelos al e.e de la carcasa) Un!luido circula or dentro de los tubos# y el otro or el e/terior 0!luidodel lado de la carcasa1

INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA 2 TUBOSINTERCAMBIADORES DE CALOR DE CARCASA 2 TUBOS


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El intercambiador de calor m,s sencillo se comone de un

tubo dentro de otro tubo) Este monta.e de corrientes aralelas !unciona# tanto encontracorriente como en corriente# circulando el !luido calienteo el !r-o a tra("s del esacio anular# mientras que el otro !luidocircula or la tuber-a interior)

Intercambiador SencilloIntercambiador Sencillo


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El intercambiador m,s sencillo que consta de dos tubos conc"ntricos#no es adecuado cuando el $asto m,sico es ele(ado)

Si se utili'an (arios tubos conc"ntricos en aralelo# el eso del materialde los tubos que se necesita se 3ar-a tan $rande# que es muc3o m,secon%mico el construirlos !ormando un con.unto de carcasa y tubos# de!orma que se utili'a una carcasa com4n ara muc3os tubos& "steintercambiador# debido a que !unciona con un solo aso de !luido en ellado de la carcasa y un solo aso de !luido en el lado de los tubos se

denomina intercambiador 565)

INTER!"#I!D$R DE &!%$ %I"&'E ()*)+INTER!"#I!D$R DE &!%$ %I"&'E ()*)+


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En un !lu.o aralelo en cocorriente# la temeratura !inal del !luidom,s !r-o nunca uede lle$ar a ser i$ual a la temeratura de salidadel !luido m,s caliente)

En un !lu.o en contracorriente# la temeratura !inal del !luido m,s

!r-o 0que es el que se calienta1 uede suerar la temeratura desalida del !luido m,s caliente 0que se en!r-a1# uesto que e/isteun $radiente de temeraturas !a(orable a todo lo lar$o delintercambiador de calor)

En un intercambiador en contracorriente# los coe!icientes detransmisi%n de calor del lado de la carcasa y del lado de lostubos deben ser del mismo orden de ma$nitud y ser $randes araobtener un coe!iciente $lobal satis!actorio)

La (elocidad y turbulencia del l-quido del lado de la carcasa sontan imortantes como las del l-quido del lado de los tubos)


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Si las dos corrientes son del mismo orden de ma$nitud# la(elocidad del lado de la carcasa es menor que la del lado delos tubos& or esta ra'%n se instalan lacas de!lectoras con el

!in de disminuir la secci%n de !lu.o del l-quido del lado de lacarcasa y obli$arlo a circular en direcci%n cru'ada a la bancadade tubos en (e' de 3acerlo aralelamente a ellos& de esta !ormase consi$ue un coe!iciente de trans!erencia de calor m,sele(ado en !lu.o cru'ado que en circulaci%n aralela a lostubos)


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El !lu.o asa erendicularmente a los tubos#circulando 3acia aba.o en la rimera secci%n# 3acia

arriba en la se$unda# y as- sucesi(amente& laturbulencia adicional que se crea mediante este tiode !lu.o aumenta el coe!iciente de transmisi%n decalor del lado de la carcasa)


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INTERCAMBIADOR DE CORRIENTES PARALELAS ENINTERCAMBIADOR DE CORRIENTES PARALELAS ENCONTRACORRIENTE (1-2)CONTRACORRIENTE (1-2)


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El !lu.o en un intercambiador 05671 es arcialmente encontracorriente y arcialmente en corrientes aralelas& en la!i$ura el con.unto de las cur(as de temeratura se corresondecon un intercambiador de corrientesaralelas en cocorriente)


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En la !i$ura las cur(as de temeratura son ara un intercambiadoren contracorriente)



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En este tio de intercambiadores disminuye la secci%n libre ara el!lu.o# con lo cual aumenta la (elocidad# dando lu$ar a un incrementodel coe!iciente de transmisi%n de calor or con(ecci%n)

Sus rinciales des(enta.as son8a) El intercambiadr e! m"! cm#licadb) A$mentan la! #%rdida! #r &ricci'n debid a la mar elcidad a la m$lti#licaci'n de la! #%rdida! de car*a en la entrada en la!alida+



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INTERCAMBIADOR 07691INTERCAMBIADOR 07691


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INTERCAMBIADOR 07691INTERCAMBIADOR 07691

En la !i$ura las l-neas de tra'o discontinuo de la distribuci%n detemeraturas en un intercambiador 07691 se re!ieren al !luidodel lado de la carcasa y las de tra'o continuo al !luido del lado

de los tubos& el !luido que circula or la carcasa es el m,scaliente) El aso m,s caliente del !luido de la carcasa est, en contacto

t"rmico con los dos asos m,s calientes del lado de los tubosy el aso m,s !r-o del lado de la carcasa lo est, con los dosasos m,s !r-os del lado de los tubos)


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MODELOS DE INTERCAMBIADORESMODELOS DE INTERCAMBIADORES


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INTERCAMBIADOR DE :LU;OS CRU


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El !lu.o del !luido e/terior uede reali'arse mediantecon(ecci%n !or'ada o libre& el $as que circula or el e/terior de

los tubos se considera de tio de me'cla# mientras que el!luido del interior de los tubos se considera sin me'clar& el !lu.odel $as e/terior es con me'cla orque uede mo(erselibremente entre los tubos cuando intercambia calor# mientrasque el !luido del interior de los tubos est, con!inado y nouede me'clarse con nin$4n otro !lu.o o corriente durante el

roceso de intercambio de calor

INTERCAMBIADOR DE :LU;OS CRU


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N4mero de NusseltN4mero de Nusselt

El N4mero de Nusselt 0Nu1 es un n4mero adimensional que mideel aumento de la transmisi%n de calor desde una suer!icie or laque un !luido discurre 0trans!erencia de calor or con(ecci%n1comarada con la trans!erencia de calor si "sta ocurrierasolamente or conducci%n)

L como una lon$itud caracter-stica) +ara !ormas comle.as se de!inecomo el (olumen del cuero di(idido entre su ,rea suer!icial)

kf como la conducti(idad t"rmica del !luido)

hcomo el coe!iciente de trans!erencia de calor


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Di=D> Nui Nue>#>> 6 ?#@@

>#> 5)9@ 9#>@

>#5> 55#@ 9#55

>#7 #? 9#7?

>#> # 9#9?

5#>> 9#@ 9#@

Numero de Nusselt ara !lu.o laminar comletamentedesarrollado en una corona circular con una de las suer!iciesaislada y la otra isot"rmica


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N4mero de +randtlN4mero de +randtl

El N4mero de +randtl 0+r1 es un n4mero adimensional roorcional al

cociente entre la di!usi(idad de momento 0(iscosidad1 y la di!usi(idadt"rmica) Se llama as- en 3onor a Ludi$ +randtl)

es la (iscosidad cinem,tica)

es la di!usi(idad t"rmica)C es la caacidad calor-!ica a resi%nconstante) es la (iscosidad)F es la conducti(idad t"rmica

En roblemas de trans!erencia de calor

el n4mero de +randtl controla elesesor relati(o de las caas l-mite demomento y t"rmica) Cuando +r esequeGo si$ni!ica que el calor sedi!unde muy r,ido comarado con la(elocidad 0momento1)Se uede encontrar en tablas


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COE:ICIENTE DE TRANS:ERENCIA THRMICACOE:ICIENTE DE TRANS:ERENCIA THRMICALOBALLOBAL

Una de las rimeras cuestiones a reali'ar en el an,lisist"rmico de un intercambiador de calor de carcasa y tubosconsiste en e(aluar el coe!iciente de trans!erencia t"rmica$lobal entre las dos corrientes !luidas)

El coe!iciente de trans!erencia t"rmica $lobal 0U1 entre un!luido caliente a temeratura TC y otro !r-o a temeratura T:searados or una ared lana se de!ine mediante laecuaci%n8

( )

AhkA

L

AhR

UA

TTUAq

Fc

i

ii

FC

11

11

3

1

++

=

=

=

=

=


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En el caso de un intercambiador de calor !ormadoor dos tubos conc"ntricos# el ,rea de la suer!iciede intercambio t"rmico es8

de !orma que# en $eneral8


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Si el coe!iciente de trans!erencia t"rmica $lobal (iene re!eridoa la suer!icie e/terior Aeel (alor de Ueser,8

mientras que si (iene re!erido a la suer!icie interior Aiser,8

eFi

ee

iiC

e

e

hr

r

k

r

rh

rU

1

ln

1

+

+

=

eFe

i

i

ei

iC

i

hr

r

r

r

k

r

h

U

+

+

=ln

1

1


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E.ercicio

Se (a a en!riar aceite en un intercambiador de calor de doble tubo acontra!lu.o)

El tubo interior de cobre tiene un di,metro de 7 cm y un esesordesreciable El di,metro del tubo e/terior 0la cora'a1 es de ?cm) +or eltubo !luye a$ua a ra'%n de ># F$=s y el aceite or el esacio anular ara'%n de ># F$=s ) Tomando las temeraturas romedio del a$ua y elaceite como 9 JC y >JC resecti(amente)Determine el coe!iciente total de trans!erencia de calor de este

intercambiador)

Datos

(kg/m3) F 0K=m JC1 +r m2/s

A$ua ,,-.) -./01 0.,) -./-2 3)-*/

aceite 452 -.)04 6--.0 0.1,6 3)-*5


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:ACTORES DE SUCIEDAD:ACTORES DE SUCIEDAD

Con !recuencia resulta imosible redecir elcoe!iciente de trans!erencia de calor $lobal de unintercambiador de calor al cabo de un cierto tiemode !uncionamiento# teniendo s%lo en cuenta elan,lisis t"rmico& durante el !uncionamiento con lamayor-a de los l-quidos y con al$unos $ases# se (anroduciendo $radualmente unas el-culas desuciedad sobre la suer!icie en la que se reali'a latrans!erencia t"rmica# que ueden ser de %/idos#incrustaciones cali'as rocedentes de la caldera#

lodos# carbonilla u otros reciitados# el e!ecto que"sta suciedad ori$ina se conoce con el nombre deincr$!tacine!# y ro(oca un aumento de laresistencia t"rmica del sistema)


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'a resistencia t7rmica del depsito se puede determinar.

8eneralmente. a partir de ensayos reales o de la

e3periencia9

Transmisi%n de calor entre la c,mara de combusti%n yel a$ua de una caldera con incrustaciones calc,reas


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:actores de resistencia or ensuciamiento normales:actores de resistencia or ensuciamiento normalesTipo de fluido Requiv (m2K/W)

A$ua de mar or deba.o de ?7 -.---,

A$ua de mar or encima de ?7 >#>>>?

A$ua de alimentaci%n de calderas or encima de ?7 >#>>>

A$ua de r-o >#>>56>#>>9

A$ua condensada en un ciclo cerrado >#>>>

A$ua de torre de re!ri$eraci%n tratada >#>>56>#>>7

as%leo li$ero >#>>7>

as%leo esado >#>>?>

As!alto >#>>>

asolina >#>>5>ueroseno >#>>5>

Soluciones c,usticas >#>>7>

:luido 3idr,ulico >#>>5>

Sales !undidas >#>>>

ases de escae de un motor >#>5>

Aceite combustible >#>>>

Aceites (e$etales >#>>?>

*aores de alco3ol >#>>>5

*aor# co.inetes sin aceite >#>>>

*aor# con aceite >#>>5>

*aores re!ri$erantes# con aceite >#>>7>

Aire comrimido >#>>5>

L-quido re!ri$erante >#>>5>


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Si se reali'an ensayos de rendimiento en un intercambiadorlimio y se reiten desu"s de que el aarato 3aya estado enser(icio durante al$4n tiemo# se uede determinar la

resistencia t"rmica del de%sito 0o !actor de incrustaci%n1 RSucmediante la relaci%n8

, lim#ies el coe!iciente $lobal de transmisi%n de calor del intercambiadorlimio# resecto a la secci%n e/terior

, !$c) es el coe!iciente $lobal de transmisi%n de calor del intercambiadordesu"s de roducirse el de%sito


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Siendo

La e/resi%n del coe!iciente $lobal de transmisi%n de calor

U:uncen !uncionamiento al cabo de un tiemo# re!erida a lasecci%n e/terior Aees8

i

e

ci

equiv

ce

Limpio

i

eieSucio

A

A

hR

h

UA

ARRR 11

1

;....++

=+=

ici

e

i

eiequive

ce

func

Ah

A

A

ARRR

h

U++++=

1

1


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en la que8

: ,lim#ie! el ce&iciente *lbal de tran!mi!i'n de calr del

intercambiadr lim#i re!#ect a la !ecci'n e.terir: ,!$c+ e! el ce&iciente *lbal de tran!mi!i'n de calr del

intercambiadr de!#$%! de #rd$cir!e el de#'!it: /cee! el ce&iciente de cnecci'n medi del &l$id en el

e.terir del t$b

: /cie! el ce&iciente de cnecci'n medi del &l$id en elinterir del t$b

: Re e! la re!i!tencia $nitaria del de#'!it de !$ciedad en ele.terir del t$b

: Rie! la re!i!tencia $nitaria del de#'!it de !$ciedad en el

interir del t$b: Re0$i e! la re!i!tencia $nitaria del t$b en la 0$e n !e /an

cn!iderad l! de#'!it! de !$ciedad interir e.terir el material del t$b en m23 ba!ada en el "rea de la!$#er&icie e.terir del t$b+


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TRANSMISIN DE CALOR ENTRE :LUIDOS EN MO*IMIENTO# ATRANSMISIN DE CALOR ENTRE :LUIDOS EN MO*IMIENTO# ATEM+ERATURAS *ARIABLES# A TRA*HS DE UNA +AREDTEM+ERATURAS *ARIABLES# A TRA*HS DE UNA +ARED

&ara determinar la transferencia de calor por unidad de tiempo. yadmitiendo que el calor cedido por un fluido es totalmenteabsorbido por el otro. (no ;ay p7rdidas t7rmicas+. se puede ;acer elsi8uiente balance de ener8en estos elementos

diferenciales9 ?aciendo @T A T* T>es evidente que la cantidad de calor que

pasarB del fluido caliente al fluido fr


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Distribuci%n de temeraturas en intercambiadores de calorcon !lu.os en contracorriente y de un solo aso de tubos

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4ACTOR DE CORRECCI5N DE LA (LMTD)+-4ACTOR DE CORRECCI5N DE LA (LMTD)+-

Cuando se tienen intercambiadores muy comle.os# como losmonta.es en carcasa y tubos# con (arios asos de tubos orcada carcasa# o (arias carcasas# y en el caso deintercambiadores de !lu.o cru'ado# la deducci%n anal-tica de

una e/resi%n ara la di!erencia media de temeraturas resultamuy comle.a)

mTFAUQ = ***

Temeratura media lo$ar-tmica % 0LMTD1# Lo$arit3micmean temerature di!erencie)


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DI:ERENCIA DE TEM+ERATURA MEDIA LOARITMICADI:ERENCIA DE TEM+ERATURA MEDIA LOARITMICA

Calculamos la trans!erencia de calor en el arre$lo de doble tubo con8

Donde

: U coe!iciente total de trans!erencia de calor: A ,rea de suer!icie ara trans!erencia de calor consistente con la

de!inici%n de U: Tm di!erencia de temeratura media con(eniente a tra("s del

intercambiador de calor

mTUAQ =

( ) ( )

12

21

1221

ln

FC

FC

FFCCm

TT

TT

TTTTT

+=


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11

21

CF

FF

TT

TTP

=

Es un indicati(o de la e!iciencia del intercambio t"rmico#y uede (ariar desde ># en el caso en que la temeraturase manten$a constante en uno de los !luidos# a la unidad#en el caso en que la temeratura de entrada del !luidom,s caliente# sea i$ual a la de salida del !luido m,s !r-o#TC5 P T:7

Coe!iciente de e!ecti(idad +Coe!iciente de e!ecti(idad +


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+ y < ermiten obtener la di!erencia media de la temeraturacomo una !unci%n de :0+## no se debe utili'ar ese tio de intercambiador# ya que nose$uir-a e/actamente las suosiciones 3ec3as en la construcci%nde las $r,!icas

Relaci%n de caacidades t"rmicas8Relaci%n de caacidades t"rmicas8


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:ACTOR DE CORRECCIN DE:ACTOR DE CORRECCIN DELA 0LMTD1 +ARA ALUNOSLA 0LMTD1 +ARA ALUNOS

INTERCAMBIADORESINTERCAMBIADORES


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:actor de correcci%n de la 0LMTD1 ara un intercambiador encontracorriente 05671# o un m4ltilo ar de asos de tubos


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:actor de correcci%n de la 0LMTD1 ara un intercambiador 056?1#con dos de los asos en contracorriente

:actor de correcci%n de la 0LMTD1 ara un intercambiador en


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:actor de correcci%n de la 0LMTD1 ara un intercambiador encontracorriente 07691

y un m4ltilo ar de asos de tubos


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:actor de correcci%n de la 0LMTD1 ara un intercambiador 0?671# oun m4ltilo ar de asos de tubos


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:actor de correcci%n de la 0LMTD1 ara un intercambiador 09671# oun m4ltilo ar de asos de tubos


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:actor de correcci%n de la 0LMTD1 ara un intercambiador 0@671# oun m4ltilo ar de asos de tubos

:actor de correcci%n de la 0LMTD1 ara un intercambiador de !lu.os


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0 1 .cru'ados#

con me'cla de un !luido en la arte de la carcasa y sin me'cla del otro!luido# y un aso de tubos

:actor de correcci%n de la 0LMTD1 ara un intercambiador de


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:actor de correcci%n de la 0LMTD1 ara un intercambiador de!lu.os cru'ados#

con me'cla de ambos !luidos y un aso de tubos



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con me'cla de un !luido en la arte de la carcasa y sin me'cla delotro !luido# y un m4ltilo de 7 asos de tubos



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con me'cla de un !luido en la arte de la carcasa y sin me'cla delotro !luido# y un m4ltilo de 7 asos de tubos

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