Departamento de Engenharia Química Integração e Intensificação de Processos Universidade de Coimbra

Ana Silva

Diana Gonçalves

Tarefa 1 - Condensadores

Modo de Funcionamento dos Condensadores

O condensador é um equipamento desenvolvido especialmente para realizar um processo de transferência de calor com mudança de fase, do estado gasoso para o estado líquido. O condensador usa um líquido de arrefecimento, como ar ou água, sendo que este absorve o calor da corrente gasosa que se pretende condensar (por exemplo, vapor) . À medida que o vapor transfere o seu calor para o liquido de arrefecimento, a sua temperatura vai diminuindo até ao ponto de saturação, condensando-se e originando água no estado líquido. [1]

O condensador, também conhecido como permutador de calor, permite uma mudança de fase de uma das correntes, sendo mais utilizado em segmentos industriais como a petroquímica, farmacêutica, alimentar e energia. Além disso, estes equipamentos também podem ser utilizados em habitações. As refrigerações domésticas e comerciais de pequeno porte rejeitam usualmente o calor diretamente para a atmosfera por meio de condensadores arrefecidos com ar. Equipamentos industriais de maiores dimensões rejeitam calor indiretamente recorrendo a torres de arrefecimento ou a condensadores arrefecidos a água. Essas unidades requerem maior manutenção do que as arrefecidas a ar devido a possíveis aumentos da escala do lado da água do condensador.[2]

Portanto, de modo geral, existem 3 fases em cada condensador. Na primeira fase, chamada de superaquecimento, o calor do vapor é libertado diminuindo a sua temperatura. É importante referir que o vapor que entra no condensador já está superaquecido e superpressurizado. Na segunda etapa, denominada por fase de mudança ou condensação, há perda de mais calor, sendo que 10% da corrente que se pretende condensar se tornou vapor e as restantes 90% como líquido. Por último, na terceira fase, onde acontece o subarrefecimento, todo o vapor se transforma em líquido. Esta última etapa é essencial para ter a certeza de que nem mesmo o aumento de temperatura pode converter a corrente que se condensou novamente a vapor. [3]

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Disciplina- Integração e Intensificação de Processos Trabalho realizado por: Ana Silva e Diana Gonçalves

História do Condensador

O condensador laboratorial mais antigo,"Gegenstromkühler" (condensador de contracorrente), foi criado em 1771 pelo químico sueco-alemão Christian Weigel. No século IXX, Justus von Liebig, químico alemão, fornece melhorias nos projetos anteriores de Weigel e Johann Friedrich August Göttling, ficando este dispositivo conhecido como condensador de Liebig.[4]

Tipos de Condensadores

Os condensadores estão divididos em condensadores barométricos, condensadores de superfície e condensadores evaporativos, dependendo do tipo de fluído de refrigeração que se recorre, assim como, do tipo de contacto que ocorre durante a transferência de calor dentro de um condensador.

Vídeo de diferentes tipos de condensadores : https://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/EnergyTransfer/Condensers/Condenser s.html

1. Condensadores Barométricos

Os condensadores de contacto direto, também denominados por condensadores barométricos ou por condensadores air-colling, utilizam ar como meio de condensação de forma a rejeitar o calor do sistema. Os condensadores de contacto direto podem ser do tipo tubo com aleta ou do tipo placa, conforme mostrado na Figura 1.[5]

Figura 1- Esquema permutadores do tipo de pratos ou do tipo com tubos com aletas. [5]

As aletas presentes nos tubos permitem uma elevada área de transferência de calor numa caixa compacta. Visto que os condensadores de placa não têm aletas irão requerer áreas de superfície bastante maiores do que as necessárias no caso dos condensadores que recorrem a aletas. No entanto, apresentam uma construção pouco dispendiosa e pouca manutenção. Ambos os tipos de condensadores podem ser encontrados em refrigeradores domésticos.

Muitos fatores afetam o desempenho deste tipo de condensadores, nomeadamente o vento, especialmente o vento forte, que pode gerar perturbações de correntes na entrada dos ventiladores, deteriorando o desempenho do ventilador e reduzindo a corrente de ar de arrefecimento. Além disso, a construção e terreno da fábrica principal também têm influências, pois é importante evitar bloqueios de corrente de ar na entrada dos ventiladores do condensador, por parte de outras estruturas. Por fim, regiões de pressão baixa podem criar movimentos preferenciais de correntes de ar, sendo que o ar quente que sai do condensador acaba por ser reintroduzido, resultando em um aumento da temperatura do ar de arrefecimento, prejudicando capacidade do condensador em libertar calor. Caso estes condensadores sejam utilizados em centrais termoelétricas para condensar o vapor após as turbinas, estes fatores que diminuem a eficiência do condensador, levam a um aumento da contrapressão da turbina e a um possível sobreaquecimento da mesma.[6]

De modo geral, os permutadores de superfície têm as seguintes vantagens [7]:

• Fácil instalação e visto que o meio de condensação é o ar, não requer a utilização água, evitando uma congelação da água que pode ocorrer nos condensadores que utilizam a água.

  No entanto, também apresenta desvantagens, tais como [7]:

• O tamanho do ventilador pode ser muito elevado em operações de elevadas proporções.

• Mudanças de temperatura do ar podem provocar flutuações nas pressões de condensação.

Visto que estes condensadores recorrem a ar como fluido de refrigeração, podem ser divididos em dois subconjuntos de acordo com a forma como o ar é alimentado: convecção natural e convecção forçada. [7]

1. Convecção Natural

No condensador por convecção natural, o ar entra em contacto com as serpentinas quentes, absorvendo o calor do refrigerante no interior das serpentinas, havendo um aumento na temperatura do ar. Devido ao ar quente ser mais leve este sobe, sendo substituído pelo ar frio, que passa a estar em contacto com as serpentinas quentes e a aquecer, e assim sucessivamente. Este ciclo termina quando o refrigerante perder o seu calor.

O coeficiente de transferência de calor combinado é pequeno devido ao facto de a taxa de fluxo do ar ser pequena e a transferência de calor por radiação também ser baixa. Desta forma para rejeitar uma determinada quantidade de calor é necessária uma superfície de condensação relativamente grande. Devido a este motivo, os condensadores por convecção natural são utilizados para sistemas de refrigeração de pequena capacidade, como frigoríficos e congeladores. [8]

2. Convecção Forçada**

Neste tipo de condensadores, o ventilador desempenha um papel importante na remoção do calor do refrigerante que se encontra dentro das bobinas.

Estes condensadores são normalmente utilizados em ar condicionado, sistemas de refrigeração de água e em unidades de ar condicionado. [8]

Vídeo ilustrativo de condensadores de superfície: https://www.youtube.com/watch?list=TLGGinVuRN23YQAyODAyMjAyMQ&v=g_fi P1k6jwE&feature=emb_title

2. Condensadores de Superfície

Os condensadores de superfície, também denominados por condensadores de contacto indireto ou condensadores water-colling, são a primeira escolha para soluções em engenharia de processos, onde a água de arrefecimento não se mistura com o condensado, ou seja, não ocorre contacto direto entre o vapor a ser condensado e a água de refrigeração. Portanto, o calor de condensação é removido através das paredes dos tubos do condensador. [9]

Tal como os restantes permutadores, os condensadores de superfície apresentam certas vantagens [7] como:

• Ausência de contacto direto entre a água de refrigeração e o condensado, evitando formação de incrustações originadas devido a impurezas depositadas nas superfícies dos tubos. Além disso, não ocorre a poluição da água de refrigeração;
• Flexibilidade na montagem e construção, ou seja, a sua Instalação pode ser horizontal ou vertical;
• A Condensação ocorre no lado dos tubos ou no lado do casco.

No entanto, apresenta algumas desvantagens [7], nomeadamente:

• A sensibilidade que estes têm à carga de água que lhes é fornecida, ou seja, elevadas velocidades da água dentro dos tubos do condensador podem danificar os condensadores.
• Baixas temperaturas de operação causam uma possível congelação do condensado e do meio de condensação, prejudicando a eficiência do processo de condensação.

1. Condensador *Double Pipe*

O condensador double pipe, esquematizado na Figura 2, possuem um tubo de água dentro de um grande tubo de refrigeração. A água absorve a maioria do calor do refrigerante, contudo o tubo do refrigerante encontra-se em contacto com a ar, ou seja, parte do processo ocorre por convecção natural. Estes condensadores foram bastante utilizados no passado, contudo havia problemas de manutenção devido ao grande número de juntas e flanges utilizados nestes condensadores. [8]

Figura 2- Esquema de um condensador double pipe (à direita) e de um condensador de carcaça e tubos (à esquerda). [5]

2. Condensador *Shell and Tubes*

O condensador de carcaça e tubos, também denominado de condensador de superfície é um permutador de contacto indireto utilizado na indústria de processo e encontram-se representados na Figura 2.

No caso de um condensador Shell and Tubes ou de carcaça e tubos, a água é bombeada através dos tubos enquanto que o refrigerante circula na carcaça. Para aumentar a área de transferência de calor utiliza-se aletas nos tubos permitem uma melhor transferência de calor. Os condensadores de carcaça e tubo apresentam um custo inicial baixo, assim como o custo da manutenção.

O tipo mais comum de condensador de carcaça e tubos é o de carcaça horizontal. No entanto, os verticais e tubulares são geralmente utilizados com amónia em sistemas de capacidade elevada, com o intuito da limpeza dos tubos ser possível realizar pelo topo do condensador, sendo possível que a planta continue em funcionamento. [8]

3. Condensador *Shell and Coil*

Condensadores de casca e bobina ou Shell and Coil são constituídos por uma casca soldada com uma bobina interna de tubulação de água. O refrigerante quente circula através do invólucro e a água circula através dos tubos da bobina. Geralmente estes condensadores são mais compactos e de custo reduzido. [8]

3. Condensadores Evaporativos

Para beneficiar a transferência de calor do lado do condensador onde se encontra o ar, utiliza-se arrefecimento evaporativo, onde a água se mistura com o ar, fazendo com que as paredes dos tubos onde circulam o refrigerante se mantenham húmidas. O condensador evaporativo encontra-se representado nos esquemas da Figura 3 e consiste em tubos horizontais, onde circula o líquido refrigerante, e tubos verticais com alestas. A água é fornecida por pulverizadores no topo do permutador e desce por ação da gravidade, sendo depois coletada num reservatório. O ar entra no fundo do permutador, circula para cima por convecção forçada, saindo depois pelo topo. A água coletada é recirculada, sendo necessário compensar a quantidade de água que se evaporou durante o processo de arrefecimento.

Figura 3- Esquema do funcionamento e ilustração de um condensador evaporativo. [5]

Num condensador evaporativo, a troca térmica é feita através de uma superfície metálica, onde o gás a ser condensado tem contacto com a água do sistema de refrigeração. [10]

Neste tipo de sistemas, o vapor a ser condensado é enviado para dentro dos tubos de um feixe tubular de um trocador de calor. Por fora dos tubos é providenciada uma “chuva” de água na temperatura ambiente, que se encontra num circuito fechado, o qual deve receber água de reposição de forma constante (geralmente o próprio condensado proveniente do vapor que entra no equipamento ou líquido de selagem da bomba de vácuo). O calor de condensação transferido para esta “chuva” é removido através da evaporação da água correspondente para uma corrente de ar proporcionada por um ventilador. [10]

Para melhorar a transferência de calor é possível adicionar mais tubos ao condensador evaporativo, dentro de condições ótimas de operação, ou seja, desde que os tubos do fluido de refrigeração estejam molhados uniformemente.

Figura 4- Perfis de temperatura de fluidos em condensação húmida com uma temperatura do ar mais elevada que a temperatura do fluido de condensação.[2]

Como é demonstrado pelo diagrama da Figura 4, os condensadores evaporativos não dependem da temperatura ambiente para condensar uma corrente, ao contrário dos condensadores que recorrem ao ar para arrefecimento, pois estes últimos necessitam que a temperatura ambiente seja muito menor que a temperatura de condensação da corrente que se pretende condensar. Observando a Figura 4, a temperatura da água Tw mantém- se praticamente constante, apesar de receber calor do ar e do fluido que se pretende condensar, podendo se reutilizada sem ser necessário repor a temperatura inicial e compensando a água que se evapora.

O evaporador condensativo não requere que os tubos finos por onde circula o de refrigeração se encontrem a uma proximidade elevada, não sendo necessário uma elevada área de transferência. Isto é importante porque fouling ou deposição de impurezas da água que se encontra a descer pelo condensador ou do ar que se encontra a subir pode ser evitada ao aumentar os espaços entre os tubos finos. No entanto, a eficiência destes condensadores é prejudicada com o aumento da humidade relativa do ar devido a poder diminuir a transferência de calor latente dentro do permutador. No entanto, caso o ar se encontre com humidade excessiva (ar saturado), a eficiência do permutador continua alta quando comparada com as dos restantes tipos. [2]

Portanto, de modo geral, estes tipos de permutadores têm as devidas vantagens e desvantagens. Em primeiro lugar, os condensadores evaporativos têm as seguintes vantagens [7]:

• Possível ser utilizado em locais com água escassa devido a esta ser usada em circuito fechado, sendo que apenas uma pequena parte desta é evaporada e precisa de ser reposta no condensador;
• Independência da temperatura do ar, nomeadamente em épocas do ano em que este se encontra com temperatura elevadas, como é o caso do Verão.

No entanto, estes condensadores também apresentam algumas desvantagens [7], tais

como:

• Possibilidade de formação de incrustações, biofilmes e de ocorrência de corrosão, resultando na perda da eficiência na troca de calor e causando danos irreparáveis aos equipamentos envolvidos;
• A água pode congelar a baixas temperaturas de operação, pondo em causa todo o funcionamento do equipamento;
• As impurezas nos vapores podem provocar corrosão, aumentando custos de manutenção;
• Uma pequena quantidade de água de refrigeração deve ser purgada continuamente para evitar acumulação de contaminantes.

Aplicações

Os condensadores são muito utilizados a nível industrial, tendo diversas aplicações em diversos setores, que se encontram descritos de seguida.

1. Setor Alimentar

No ramo alimentar, a sua principal aplicação é em frigoríficos de grandes dimensões ou em estufas de refrigeração. No entanto, há certos produtos deste ramo que necessitam de ser desidratados através de um processo denominado liofilização. Liofilização ou criodessecação é um processo de desidratação em que o produto é congelado sob vácuo e o gelo formado é sublimado. [11]

Neste tipo de processo, grande quantidade de água é sugada por um condensador de vapor também chamado de "cold trap". O condensador de vapor de água pode fornecer um ambiente de baixa temperatura para um sistema de vácuo, e a sua temperatura é muito mais baixa do que a de sublimação da interface dos produtos que se pretendem desidratar. Assim, a diferença de pressão de vapor de sublimação destes produtos e da pressão da superfície do condensador de vapor torna-se uma driving force para a transferência de massa, fazendo o vapor escapar dos materiais por sublimação. De forma análoga, o vapor dos materiais é condensado em água na superfície do condensador que se encontra a menor temperatura e, em seguida, drenada do sistema. [12]

Num processo de liofilização, uma bomba de vácuo é importante pois é necessário remover os gases do sistema, incluindo o ar que entra para o sistema, o ar que se retira dos materiais e alguns gases menos condensáveis. Por vezes, a bomba de vácuo também tem a função de retirar o vapor de água que não foi "preso" pela “cold trap”.

Figura 5- Diagrama Esquemático de um sistema de liofilização. [12]

A Figura 5 apresenta um esquema acerca do sistema de refrigeração em processos de liofilização. Este sistema pode ter duas funções: fornecer refrigeração a um condensador de vapor de água e formar a denominada “cold trap” e fornecer refrigeração para a câmara liofilização para congelar os materiais. A temperatura de “cold trap” é geralmente na ordem dos -30ºC, dependendo do produto (farmacêutico ou alimentar). [12]

O condensador de vapor de água, também chamado de "captador de vapor", tem a função de captar o vapor de água sublimado e desabsorvido dos produtos e torna a água

em gelo por solidificação. De seguida, o gelo formado derreterá e drenado. Neste processo, o vapor de água deve ser impedido de entrar no sistema de vácuo. [12]

2. Centrais Termoelétricas

No ramo das energias, os condensadores são vulgarmente utilizados em centrais termoelétricas para condensar o vapor a jusante das turbinas que ao expandem o vapor, permitindo a produção de energia elétrica e gerando vapor com menor pressão que necessita de ser condensado. Nestes casos, a eficiência de um condensador tem um grande impacto na economia de uma central termoelétrica a vapor visto que a pressão do condensador determina a diminuição da entalpia e do trabalho interno da turbina, assim como, da quantidade de energia elétrica gerada. [13]

Os parâmetros que afetam o desempenho do condensador variam durante a operação, portanto, a pressão de condensação depende de:

• O caudal de temperatura da água de arrefecimento. O caudal mássico ótimo do fluido de arrefecimento varia de acordo com a época do ano. No entanto, apesar de a temperatura da água de arrefecimento ser mais baixa no Inverno, ainda é necessário recorrer a um caudal de água de arrefecimento elevado. [13]
• O estado atual do condensador. Uma diminuição do caudal mássico da água de arrefecimento é causada pelo mau estado do condensador devido à falta de manutenção dos tubos. Além disso, a penetração de ar considerável devido a buracos nos tubos e a área de superfície diminuída para troca de calor devido aos tubos obstruídos e incrustação leva a aumentos adicionais da pressão do vapor no condensador. Tudo isso causa uma grande diminuição na energia elétrica da planta e um aumento das perdas de calor. [13]

3. Processo de Dessalinização Térmica de Baixa Temperatura

   O diagrama da planta de dessalinização térmica de baixa temperatura é mostrado

na Figura 5.

Figura 6- Diagrama Esquemático de uma central de dessalinização de baixas temperaturas. [14]

Analisando a Figura 6, no processo de dessalinização ocorre, em primeiro lugar, uma passagem por uma coluna flash e, posteriormente, por um condensador. Uma coluna flash é um vaso de pressão operado com uma pressão interna de cerca de 55 mbar (abaixo da pressão atmosférica). De seguida, o vapor gerado nesta torre é condensado num condensador de carcaça e tubos que recorre à água do mar superficial a uma temperatura de 30°C como fluido de arrefecimento. O sistema de vácuo é conectado ao condensador para manter a baixa pressão no sistema, pois este precisa de se encontrar a uma pressão menor que a pressão de saturação da água quente, permitindo a sua condensação. [14]

4. Separação de Misturas de Vapor-gás

Em toda a indústria química, as misturas de vapor-gás não condensável são uma ocorrência frequente e requerem separação. Por condensação parcial, o vapor de uma mistura vapor-gás pode ser separado. Este processo desempenha um papel importante, especialmente na recuperação de solventes quando o solvente é um vapor que se encontra misturado com um gás. A única desvantagem é a ocorrência frequente de formação de névoa indesejada que prejudica o grau de separação da mistura vapor-gás até aumenta. Esta névoa consiste em um grande número de pequenas gotículas de solvente (vapor) e somente com um grande esforço ela pode ser separada novamente. [15]

Os equipamentos que estão mais dependentes da separação eficiente de uma mistura gasosas de gás não condensável e de vapor são colunas de destilação. Existem colunas que possuem, sobre a placa de alimentação, uma zona de concentração (acima) e uma zona de depleção (abaixo). O vapor, que é rico no componente mais volátil, é arrefecido e condensado em condensadores ao deixar o topo da coluna. Os condensadores permitem condensar os vapores presentes na parte superior das torres de destilação, promovendo o refluxo de líquidos para a coluna e permitindo a retirada do destilado. Estes condensadores recorrem a água como fluido de arrefecimento, sendo o seu consumo dependente da eficiência do permutador em condensar os gases condensáveis do topo da coluna.

Para evitar a desvantagens da formação de névoa dentro destes permutadores é necessário compreender o que ocorre durante a separação desta mistura e optar por uma alternativa. Assim, na Figura 7, encontram-se representados os diagramas entalpia versus razão de massa entre o gás condensável e o vapor.

Figura 7- Diagrama entalpia versus rácio de massa (g solvente/kg gás) para processos de condensação convencionais (à direita) e diagrama entalpia versus rácio de massa (g solvente/kg gás) para processo de condensação com aquecimento complementar (QCH). [15]

Existem diferentes formas de condensar uma mistura gás-vapor: processo (a) com um pré-arrefecimento idealizado da mistura superaquecida Ia até a saturação IIa, antes da condensação de IIa para IIIa. O resultado é que, no condensador, a correntes quente torna- se supersaturado de IIa a IIIa, sendo provável que ocorrer a formação de névoa.; no processo (b) de Ib a IIIb, nenhum pré-arrefecimento separado é fornecido; a condensação da mistura superaquecida começa imediatamente na entrada Ib, mas a saturação é alcançada primeiro na camada limite apenas, enquanto o fluxo em massa está acima da saturação sobre um certo comprimento (de Ib a IIb). Mais a jusante, ele também se torna supersaturado (IIb a IIIb). Consequentemente, percebemos que, mesmo o superaquecimento precedente, não impede a supersaturação.

É feita uma comparação com meios convencionais de condensação de vapor misturado com gás não condensável. Para evitar formação de névoa é possível seguir o processo (d) com aquecimento complementar da região de pré-arrefecimento (1-2) para a zona de condensação (3-4). A quantidade de calor complementar é geralmente menos de 20% do que o calor de arrefecimento. Se a corrente quente permanecesse acima da saturação, a condensação não seria prejudicada. Um efeito de autocontrolo vantajoso é esperado devido à troca de calor interna do mistura na primeira passagem (1-2) , onde é pré-arrefecido, para a segunda passagem (3-4), onde ocorre a condensação. De forma análoga, o calor libertado na primeira passagem (1- 2) QCH, aumenta com a corrente mássico da corrente quente, assim como a entalpia desejada HDE da zona de condensação (3-4). Assim, as temperaturas mantêm-se estáveis, assumindo a prevenção de névoa, mesmo quando a corrente da mistura varie. [15]

Bibliografia

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2. Leidenfrost, W. e Korenic, B. (1979). Analysis of evaporative cooling and enhancement of condenser efficiency and of coefficient of performance. Wärme- Und Stoffübertragung, 12(1), 5–23.
3. What Is a Condenser; Parts, Functions and types. Linquip. Disponível em: https://www.linquip.com/blog/what-is-a-condenser-parts-functions-types/. Acedido em fevereiro de 2021.
4. Wikipedia: Condensers (heat transfer). Disponível em https://en.wikipedia.org/wiki/Condenser%5C_(heat%5C_transfer). Acedido em fevereiro de 2021.
5. RP. Singh e DR. Heldman (2014) . Introduction to Food Engineering. Academy Press, 5ªedição, 475-520.
6. Gao, X., Zhang, C., Wei, J., e B.Yu (2009). Numerical simulation of heat transfer performance of an air-cooled steam condenser in a thermal power plant. Heat and Mass Transfer, 45(11), 1423–1433.
7. Condensers. Visual Encyclopedia of Chemical Engineering. Disponível em: https://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/EnergyTransfer/Condensers/Condensers. html. Acedido em: 29 de fevereiro de 2021.
8. An Applicable Introduction to different types of Condensers. Linquip. Disponível em: https://www.linquip.com/blog/different-types-of-condensers/. Acedido em fevereiro de 2021.
9. Condensadores de superfície/trocadores de calor casco-tubo. Disponível em https://www.koerting.de/pt/condensadores-de-superficie.html. Acedido em fevereiro de 2021.
10. Condensador Evaporativo. Disponível em: https://www.procknor.com.br/br/equipamentos/condensador-evaporativo. Acedido em fevereiro de 2021.
11. Wikipedia: Liofilização. Acedido em março de 2021 em https://pt.wikipedia.org/wiki/Liofiliza%C3%A7%C3%A3o#cite_note-1.
12. Hua, T. C., Liu, B. L., e Zhang, H. (2010). Freeze-drying of pharmaceutical and food products. Science Press e CRC press, 1ªedição, 111-140.
13. Milié B.,Petrović V., Banjac.,Dukanović R. e M.Srećko (2018). Thermal Science. 22(1), 735-746.
14. Chandrakanth, B., Venkatesan G. e L.S.S. Kumar (2018). Thermal design, rating and second law analysis of shell and tube condensers based on Taguchi optimization for waste heat recovery based thermal desalination plants . Heat Mass Transfer 54, 2885–2897.
15. Kaufmann, S., Loretz, Y. e K. Hilfiker (1997). Prevention of fog in a condenser by simultaneous heating and cooling Heat and Mass Transfer 32, 403–410.

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