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文檔簡介

流體保送機械第二章第二章流體保送機械為流體提供能量的機械稱為流體保送機械。在食品的消費加工中,經(jīng)常需求將流體從低處保送到高處;從低壓送至高壓;沿管道送至較遠(yuǎn)的地方。為到達(dá)此目的,必需對流體參與外功,以抑制流體阻力及補充保送流體時所缺乏的能量。第一節(jié)概述

泵;保送液體風(fēng)機;緊縮機;真空泵。保送氣體常用的流體保送機械泵的分類1按任務(wù)原理分葉片式泵有高速旋轉(zhuǎn)的葉輪。如離心泵、軸流泵、渦流泵。往復(fù)泵靠往復(fù)運動的活塞排斥液體。如活塞泵、柱塞泵等。旋轉(zhuǎn)式泵靠旋轉(zhuǎn)運動的部件推擠液體。如齒輪泵、螺桿泵等。清水泵適用于粘度與水相近的、無腐蝕性、不含雜質(zhì)的流體,如離心泵。油泵適用于高粘度的流體。如齒輪泵、旋轉(zhuǎn)泵等。耐腐蝕泵雜質(zhì)泵:2按用途分離心泵〔centrifugalpump〕的特點:構(gòu)造簡單;流量大而且均勻;操作方便。第二節(jié)離心泵1構(gòu)造2任務(wù)原理葉輪軸6~12片葉片機殼等。蝸牛形通道;葉輪偏心放;可減少能耗,有利于動能轉(zhuǎn)化為靜壓能。葉輪機殼底閥(防止“氣縛〞)濾網(wǎng)(阻攔固體雜質(zhì))由于離心力的作用,泵的進(jìn)出口出產(chǎn)生壓力差,從而使流體流動。一、離心泵的任務(wù)原理3任務(wù)過程啟動后,葉輪旋轉(zhuǎn),并帶動液體旋轉(zhuǎn)。液體在離心力的作用下,沿葉片向邊緣拋出,獲得能量,液體以較高的靜壓能及流速流入機殼(沿葉片方向,u,P靜)。由于渦流通道的截面逐漸增大,P動P靜。液體以較高的壓力排出泵體,流到所需的場地。葉片不斷轉(zhuǎn)動,液體不斷被吸入、排出,構(gòu)成延續(xù)流動。由于液體被拋出,在泵的吸口處構(gòu)成一定的真空度,泵外流體的壓力較高,在壓力差的作用下被吸入泵口,填補拋出液體的空間。啟動前,前段機殼須灌滿被保送的液體,以防止氣縛。離心泵實踐安裝表示圖敞開式半開式封鎖式泵殼:蝸牛殼形通道。有利于將葉輪拋出液體的動能轉(zhuǎn)變成靜壓能;有利于減少能耗。葉輪:二、離心泵的主要任務(wù)部件離心泵壓頭的大小取決于泵的構(gòu)造〔如葉輪直徑的大小,葉片的彎曲情況等〕、轉(zhuǎn)速及流量。三、離心泵的主要性能參數(shù)

離心泵的主要性能參數(shù)有流量、揚程、功率和效率。

1流量Q,L/s或m3/h

泵的流量〔又稱送液才干〕是指單位時間內(nèi)泵所保送的液體體積。

2揚程H,米液柱

泵的揚程〔又稱泵的壓頭〕是指單位分量液體流經(jīng)泵后所獲得的能量。

如右圖所示,在泵的進(jìn)出口處分別安裝真空表和壓力表,在真空表與壓力表之間列柏努得方程式,即實驗:泵壓頭的測定真空計壓強表離心泵儲槽式中:pM—壓力表讀出壓力〔表壓〕,N/m2;pV—真空表讀出的真空度,N/m2;u1、u2—吸入管、壓出管中液體的流速,m/s;ΣHf—兩截面間的壓頭損失,m?!?-1〕兩截面之間管路很短,其壓頭損失∑Hf可忽略不計(2-2)簡化式〔2-1〕假設(shè)以HM及HV分別表示壓力表真空表上的讀數(shù),以米液柱〔表壓〕計?!?-1〕例2-1某離心泵以20℃水進(jìn)展性能實驗,測得體積流量為720m3/h,泵出口壓力表讀數(shù)為3.82kgf/cm2,吸入口真空表讀數(shù)為210mmHg,壓力表和真空表間垂直間隔為410mm,吸入管和壓出管內(nèi)徑分別為350mm及300mm。試求泵的壓頭。解:根據(jù)泵壓頭的計算公式,那么有查得水在20℃時密度為ρ=998kg/m3,那么HM=3.82×10.0=38.2mH2OHV=0.210×13.6=2.86mH2O計算進(jìn)出口的平均流速將知數(shù)據(jù)代入,那么泵內(nèi)部損失主要有三種:容積損失水力損失機械損失3效率容積損失是由于泵的走漏呵斥的。離心泵在運轉(zhuǎn)過程中,有一部分獲得能量的高壓液體,經(jīng)過葉輪與泵殼之間的間隙流回吸入口。從泵排出的實踐流量要比實際排出流量為低,其比值稱為容積效率η1。容積損失緣由:水力損失是由于流體流過葉輪、泵殼時,由于流速大小和方向要改動,且發(fā)生沖擊,而產(chǎn)生的能量損失。泵的實踐壓頭要比泵實際上所能提供的壓頭為低,其比值稱為水力效率η2。水力損失緣由:機械損失是泵在運轉(zhuǎn)時,在軸承、軸封安裝等機械部件接觸處由于機械磨擦而耗費部分能量。泵的軸功率大于泵的實際功率〔即實際壓頭與實際流量所對應(yīng)的功率〕。實際功率與軸功率之比稱為機械效率η3。機械損失泵的有效功率Ne:流體所獲得的功率。式中Ne—泵的有效功率,W;Q—泵的流量,m3/s;H—泵的壓頭,m;—液體的密度,kg/m3;g—重力加速度,m/s2。Ne=QHg(2-4)知g=9.81m/s2;1kW=1000W,那么式〔2-4〕可用kW單位表示,即(2-4a)4功率泵在運轉(zhuǎn)時能夠發(fā)生超負(fù)荷,所配電動機的功率應(yīng)比泵的軸功率大。在機電產(chǎn)品樣本中所列出的泵的軸功率,除非特殊闡明以外,均系指保送清水時的數(shù)值。(2-5)軸功率指泵軸所獲得的功率。由于有容積損失、水力損失與機械損失,故泵的軸功率要大于液體實踐得到的有效功率,即留意:5軸功率N特性曲線〔characteristiccurves〕:在固定的轉(zhuǎn)速下,離心泵的根本性能參數(shù)〔流量、壓頭、功率和效率〕之間的關(guān)系曲線。強調(diào):特性曲線是在固定轉(zhuǎn)速下測出的,只適用于該轉(zhuǎn)速,故特性曲線圖上都注明轉(zhuǎn)速n的數(shù)值。圖上繪有三種曲線H-Q曲線N-Q曲線η-Q曲線四、離心泵的特性曲線04812162024283202040608010012010121416182022242602468010203040506070804B20n=2900r/minNHηQ,l/sm3/s離心泵的特性曲線變化趨勢:離心泵的壓頭在較大流量范圍內(nèi)是隨流量增大而減小的。不同型號的離心泵,H-Q曲線的外形有所不同。較平坦的曲線,適用于壓頭變化不大而流量變化較大的場所;較峻峭的曲線,適用于壓頭變化范圍大而不允許流量變化太大的場所。1H-Q曲線變化趨勢:N-Q曲線表示泵的流量Q和軸功率N的關(guān)系,N隨Q的增大而增大。顯然,當(dāng)Q=0時,泵軸耗費的功率最小。啟動離心泵時,為了減小啟動功率,應(yīng)將出口閥封鎖。在Q=0時的形狀下啟動,以減小電動機的啟動功率。2N-Q曲線變化趨勢:開場η隨Q的增大而增大,到達(dá)最大值后,又隨Q的增大而下降。η—Q曲線最大值相當(dāng)于效率最高點。泵在該點所對應(yīng)的壓頭和流量下操作,其效率最高,故該點為離心泵的設(shè)計點。3η-Q曲線泵在最高效率點條件下操作最為經(jīng)濟合理,但實踐上泵往往不能夠正好在該條件下運轉(zhuǎn),普通只能規(guī)定一個任務(wù)范圍,稱為泵的高效率區(qū)。高效率區(qū)的效率應(yīng)不低于最高效率的92%左右。強調(diào):泵在銘牌上所標(biāo)明的都是最高效率點下的流量,壓頭和功率。離心泵產(chǎn)品目錄和闡明書上還經(jīng)常注明最高效率區(qū)的流量、壓頭和功率的范圍等。泵的高效率區(qū)式〔2-6〕稱為比例定律,當(dāng)轉(zhuǎn)速變化小于20%時,可以為效率不變,用上式進(jìn)展計算誤差不大。(2-6)當(dāng)轉(zhuǎn)速由n1改動為n2時,其流量、壓頭及功率的近似關(guān)系為:4離心泵的轉(zhuǎn)數(shù)對特性曲線的影響

式〔2-7〕稱為切割定律。(2-7)當(dāng)葉輪直徑變化不大,轉(zhuǎn)速不變時,葉輪直徑、流量、壓頭及功率之間的近似關(guān)系為:5葉輪直徑對特性曲線的影響泵消費部門所提供的特性曲線是用清水作實驗求得的。當(dāng)所保送的液體性質(zhì)與水相差較大時,要思索粘度及密度對特性曲線的影響。6物理性質(zhì)對特性曲線的影響所保送的液體粘度愈大,泵體內(nèi)能量損失愈多。結(jié)果泵的壓頭、流量都要減小,效率下降,而軸功率那么要增大,所以特性曲線改動。6.1粘度的影響離心泵的壓頭與密度無關(guān)。〔定性分析〕注:當(dāng)被保送液體的密度與水不同時,不能運用該泵所提供的N-Q曲線,而應(yīng)按〔2-4a〕及〔2-5〕重新計算。泵的軸功率隨液體密度而改動。6.2密度的影響假設(shè)保送的液體是水溶液,濃度的改動必然影響液體的粘度和密度。濃度越高,與清水差別越大。濃度對離心泵特性曲線的影響,同樣反映在粘度和密度上。6.3溶質(zhì)的影響Hgpa1100p1<pa,p1有一定真空度,真空度越高,吸力越大,Hg越大。當(dāng)p1小于一定值后(p1<pv,pv為環(huán)境溫度下液體的飽和蒸汽壓),將發(fā)生氣蝕景象。pv100℃=760mmHg,pv40℃=55.32mmHg五、離心泵的安裝高度和氣蝕景象

1氣蝕景象為防止發(fā)生氣蝕景象,應(yīng)限制p1不能太低,或Hg不能太大,即泵的安裝高度不能太高。安裝高度Hg的計算方法普通有兩種:允許吸上真空高度法;氣蝕余量法。2安裝高度允許吸上真空高度Hs泵入口處壓力p1所允許的最大真空度。mH2OHs與泵的構(gòu)造、液體的物化特性等要素有關(guān)。普通,Hs<5~7mH2O.〔2-8〕式中pa—大氣壓,N/m2ρ—被保送液體密度,kg/m3Hgp01100如何用允許吸上真空高度確定泵的安裝高度?Hg—泵的安裝高度;u2/2g—進(jìn)口管動能;∑Hf—進(jìn)口管阻力;Hs—允許吸上真空高度,由泵的消費廠家給出。提高Hg的方法取截面0-0,1-1,并以截面0-0為基準(zhǔn)面,在兩截面間柏努利方程,可得假設(shè)貯槽為敞口,那么p0為大氣壓pa,那么有〔2-9〕〔2-10〕泵制造廠只能給出Hs值,而不能直接給出Hg值。由于每臺泵運用條件不同,吸入管路的布置情況也各異,有不同的u2/2g和∑Hf值,所以,只能由運用單位根據(jù)吸入管路詳細(xì)的布置情況,由計算確定Hg。問題:泵制造廠能直接給出泵的安裝高度嗎?Hs’=Hs+(Ha-10)-(Hv-0.24)(2-11)式中Hs’—操作條件下保送水時允許吸上真空高度,mH2O;Hs—泵樣本中給出的允許吸上真空高度,mH2O;Ha—泵任務(wù)處的大氣壓,mH2O;Hv—泵任務(wù)溫度下水的飽和蒸汽壓,mH2O;0.24—實驗條件下水的飽和蒸汽壓,mH2O。緣由:在泵的闡明書中所給出的Hs是大氣壓為10mH2O,水溫為20℃形狀下的數(shù)值。假設(shè)泵的運用條件與該形狀不同時,那么應(yīng)把樣本上所給出的Hs值,按下式換算成操作條件下的Hs’值。泵允許吸上真空高度的換算泵安裝地點的海拔越高,大氣壓力就越低,允許吸上真空高度就越小。保送液體的溫度越高,所對應(yīng)的飽和蒸汽壓就越高,這時,泵的允許吸上真空高度也就越小。海拔高度↑,液體溫度↑→Hg↓不同海拔高度時大氣壓力值可查表。汽蝕余量Δh是指離心泵入口處,液體的靜壓頭p1/ρg與動壓頭u12/2g之和超越液體在操作溫度下的飽和蒸汽壓頭pv/ρg的某一最小指定值,即汽蝕余量(2-12)式中h—汽蝕余量,m;pv—操作溫度下液體飽和蒸汽壓,N/m2。將式〔2-9〕與〔2-12〕合并可導(dǎo)出汽蝕余量Δh與允許安裝高度Hg之間關(guān)系為上式中p0為液面上方的壓力,假設(shè)為敞口液面那么p0=pa。(2-13)如何利用允許吸上真空高度確定泵的安裝高度?只需知允許吸上真空高Hs與汽蝕余量中的任一個參數(shù),均可確定泵的安裝高度。注:泵性能表上的值也是按保送20℃水而規(guī)定的。當(dāng)保送其它液體時,需進(jìn)展校正。詳細(xì)校正方法可參閱有關(guān)文獻(xiàn)。例2-2某臺離心泵從樣本上查得允許吸上真空高度Hs=6m,現(xiàn)將該泵安裝在海拔高度為500m處,假設(shè)夏季平均水溫為40℃。問修正后的Hs’應(yīng)為多少?假設(shè)吸入管路的壓頭損失為1mH2O,泵入口處動壓頭為0.2mH2O。問該泵安裝在離水面5m高度處能否適宜?Hg解:當(dāng)水溫為40℃時,Hv=0.75m。查表得Ha=9.74m。Hs’=Hs+(Ha-10)-(Hv-0.24) =6+(9.74-10)-(0.75-0.24)=5.23m泵的安裝高度為:Hg=Hs’-u12/2g-ΣHf=5.23-0.2-1=4.93m<5m故泵安裝在離水面5m高度處不適宜。

離心泵在特定管路系統(tǒng)中任務(wù)時,液體要求泵供應(yīng)的壓頭H可由柏努利方程式求得,即六、離心泵的任務(wù)點

當(dāng)離心泵安裝在一定的管路系統(tǒng)中任務(wù)時,其壓頭和流量不僅與離心泵本身的特性有關(guān),而且還取決于管路的任務(wù)特性。

1管路特性曲線上式可簡化為H=A+∑Hf(2-14)與管路中液體流量無關(guān),在輸液高度和壓力不變的情況下為一常數(shù),以符號A表示。假設(shè)貯槽與受槽的截面都很大,該處流速與管路相比可忽略不計.此式中壓頭損失為式中Q為管路系統(tǒng)的流量,m3/s(2-15)對于特定的管路系統(tǒng),l、le、d均為定值,湍流時摩擦系數(shù)的變化也很小,令那么式〔2-14〕可簡化為H=A+BQ2(2-16)上式闡明:在特定管路中保送液體時,所需壓頭H隨液體流量Q的平方而變化,此關(guān)系所描畫的H-Q曲線,稱為管路特性曲線。它表示在特定的管路中,壓頭隨流量的變化關(guān)系。留意:管路特性曲線的外形與管路布置及操作條件有關(guān),而與泵的性能無關(guān)。AQH管路的特性曲線泵的特性曲線離心泵的特性曲線H-Q與其所在管路的特性曲線He-Qe的交點稱為泵在該管路的任務(wù)點,如下圖。H=HeQ=QeQ或QeH-QMHe-QeH或He任務(wù)點所對應(yīng)的流量與壓頭既滿足管路系統(tǒng)的要求,又為離心泵所能提供。2任務(wù)點〔dutypoint〕任務(wù)點所對應(yīng)的流量Q與壓頭H既是管路系統(tǒng)所要求,又是離心泵所能提供的;假設(shè)任務(wù)點所對應(yīng)效率是在最高效率區(qū),那么該任務(wù)點是適宜的。泵的任務(wù)點表示改動離心泵的轉(zhuǎn)速或改動葉輪外徑,以改動泵的特性曲線。調(diào)理流量本質(zhì)上就是改動離心泵的特性曲線或管路特性曲線,從而改動泵的任務(wù)點。離心泵的流量調(diào)理,通常從兩方面思索:兩者均可以改動泵的任務(wù)點,以調(diào)理流量。在排出管線上裝適當(dāng)?shù)恼{(diào)理閥,以改動管路特性曲線;七、流量調(diào)理當(dāng)閥門關(guān)小時,管路部分阻力加大,管路特性曲線變陡,泵的任務(wù)點由M移到M1。流量由QM減小到QM1。改動閥門開度以調(diào)理流量,本質(zhì)是用開大或關(guān)小閥門的方法來改動管路特性曲線。M1MM2QM1QMQM2Q或QeH或HeH-Q12當(dāng)閥門開大時,管路部分阻力減小,管路特性曲線變得平坦一些,任務(wù)點移到M2,流量加大到QM2。1改動閥門的開度要把泵的轉(zhuǎn)數(shù)提高到n1,泵的特性曲線就上移到nM1位置,任務(wù)點由M移到M1,流量和壓頭都相應(yīng)加大;改動離心泵的轉(zhuǎn)數(shù)以調(diào)理流量,本質(zhì)上是維持管路特性曲線不變,而改動泵的特性曲線。M1MM2Q或QeH或HeH-QHe-Qen1nn2假設(shè)把泵的轉(zhuǎn)數(shù)降到n2,泵的特性曲線就移到nM2位置,任務(wù)點移到M2,流量和壓頭都相應(yīng)地減小。2改動泵的轉(zhuǎn)數(shù)車削葉輪的外徑是離心泵調(diào)理流量的一種獨特方法。在車床上將泵葉輪的外徑車小,這時葉輪直徑、流量、壓頭和功率之間關(guān)系,可按式〔2-7〕進(jìn)展計算。3車削葉輪的外徑采用什么方法來調(diào)理流量,關(guān)系到能耗問題。改動閥門開度調(diào)理流量方法簡便,運用廣泛。但關(guān)小閥門會使阻力加大,因此需求多耗費一部分能量以抑制附加的阻力,該法不經(jīng)濟的。改動轉(zhuǎn)速調(diào)理流量可堅持管路特性曲線不變,流量隨轉(zhuǎn)速下降而減小,動力耗費也相應(yīng)降低,因節(jié)能效果顯著,但需求變速安裝,難以做到流量延續(xù)調(diào)理。4幾種流量調(diào)理方法的比較改動葉輪直徑可改動泵的特性曲線,但可調(diào)理流量范圍不大,且直徑減小不當(dāng)還會降低泵的效率。在保送流體量不大的管路中,普通都用閥門來調(diào)理流量,只需在輸液量很大的管路才思索運用調(diào)速的方法。在實踐任務(wù)中,當(dāng)單臺離心泵不能滿足保送義務(wù)的要求或者為順應(yīng)消費大幅度變化而動用備用泵時,都會遇到泵的并聯(lián)與串聯(lián)運用問題。這里僅討論二臺性能一樣泵的并聯(lián)與串聯(lián)的操作情況。八、并聯(lián)與串聯(lián)操作結(jié)合特性曲線的作法:在每一個壓頭條件下,使一臺泵操作時的特性曲線上的流量增大一倍而得出。

當(dāng)一臺泵的流量不夠時,可以用兩臺泵并聯(lián)操作,以增大流量。1并聯(lián)操作He-Qe0HHH并ⅠⅡQQQ并曲線I表示一臺泵的特性曲線曲線Ⅱ表示兩臺一樣的泵并聯(lián)操作時的結(jié)合特性曲線留意:對于同一管路,其并聯(lián)操作時泵的流量不會增大一倍,如下圖。由于兩臺泵并聯(lián)后,流量增大,管路阻力亦增大。Q并<2Q當(dāng)消費上需求利用原有泵提高泵的壓頭時,可以思索將泵串聯(lián)運用。兩臺一樣型號的泵串聯(lián)任務(wù)時,每臺泵的壓頭和流量也是一樣的。在同樣的流量下,串聯(lián)泵的壓頭為單臺泵的兩倍。0HHH串QQQ串ⅠⅡ結(jié)合特性曲線的作法:將單臺泵的特性曲線I的縱坐標(biāo)加倍,橫坐標(biāo)堅持不變,可求得兩臺泵串聯(lián)后的結(jié)合特性曲線Ⅱ,H串<2H2串聯(lián)操作〔1〕確定保送系統(tǒng)的流量與壓頭流量普通為消費義務(wù)所規(guī)定。根據(jù)保送系統(tǒng)管路的安排,用柏努利方程式計算管路所需的壓頭。選擇離心泵的根本原那么,是以能滿足液體保送的工藝要求為前提的。選擇步驟為:九、離心泵的選擇〔2〕選擇泵的類型與型號根據(jù)保送液體性質(zhì)和操作條件確定泵的類型;按確定的流量和壓頭從泵樣本產(chǎn)品目錄選出適宜的型號;假設(shè)沒有適宜的型號,那么應(yīng)選定泵的壓頭和流量都稍大的型號;假好像時有幾個型號適宜,那么應(yīng)列表比較選定;按所選定型號,進(jìn)一步查出其詳細(xì)性能數(shù)據(jù)?!?〕校核泵的特性參數(shù)假設(shè)保送液體的粘度和密度與水相差很大,那么應(yīng)核算泵的流量與壓頭及軸功率。例2-4如附圖所示,今有一保送河水的義務(wù),要求將某處河水以80m3/h的流量,保送到一高位槽中,知高位槽水面高出河面10m,管路系統(tǒng)的總壓頭損失為7mH2O。試選擇一適當(dāng)?shù)碾x心泵.并估算由于閥門調(diào)理而多耗費的軸功率。11‘22‘10m解根據(jù)知條件,選用清水泵。以河面1-1截面為基準(zhǔn)面,并取1-1與2-2截面列柏努利方程式,那么由于所選泵壓頭較高,操作時靠關(guān)小閥門調(diào)理,因此多耗費功率為:根據(jù)流量Q(80m3/h)和H(17m)可選4B20型號的泵。由附錄查得該泵性能為:流量90m3/h;壓頭20mH2O;軸功率6.36kW;效率78%。例題:用泵把20℃的苯從地下貯罐送到高位槽,流量為300l/min。高位槽液面比貯罐液面高10m。泵吸入管用89×4mm的無縫鋼管,直管長為15m,管上裝有一個底閥(可初略地按旋啟式止回閥全開時計算)、一個規(guī)范彎頭;泵排出管用57×3.5mm的無縫鋼管,直管長度為50m,管路上裝有一個全開的截止閥和三個規(guī)范彎頭。貯罐和高位槽上方均為大氣壓。設(shè)貯罐液面維持恒定。試選擇適宜的泵。11‘22‘10m7m7m式中,z1=0,z2=10m,p1=p2,u10,u20∴W=9.81×10+∑hf解:依題意,繪出流程表示圖。取截面和基準(zhǔn)面,如下圖。在兩截面間列柏努利方程,那么有進(jìn)口段:d=89-2×4=81mm,l=15m查圖,得=0.029進(jìn)口段的部分阻力:底閥:le=6.3m彎頭:le=2.73m進(jìn)口阻力系數(shù):=0.5d=57-2×3.5=50mm,l=50m查圖,得=0.0313出口段:出口段的部分阻力:全開閘閥:le=0.33m全開截止閥:le=17m規(guī)范彎頭(3):le=1.6×3=4.8m出口阻力系數(shù):=1.0總阻力:軸功率:選泵Q泵=1.1×300×60/1000=19.8m3/hH泵=1.1×(w/g)=1.1×(252.4/9.81)=28.33m從離心泵的產(chǎn)品目錄中選擇泵:2B31,其參數(shù)為:流量:20m3/h;揚程:30.8m;轉(zhuǎn)速:2900r/min;功率:2.6kW;效率:64%;允許吸上真空高度:7.2m校正安裝高度允許:Hs’=Hs+(Ha-10)-(Hv-0.24)

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