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역카르노 사이클 냉동기의 성능계수. –5℃ 흡수 35℃ 방열
역카르노 싸이클에 의해 작동하는 냉동기의 성능계수는? ① 0.125. ② 0.15. ③ 6.7. ④ 9. —- …
Source: ywpop.tistory.com
Date Published: 3/19/2022
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제 6장. 열역학 제 2법칙
역 카르노 사이클 (reversed Carnot cycle). • 역으로 진행되는 카르노 사이클로 냉동기 또는 열펌프의 열역학적 이상 사이클. • 카르노 냉동기와 열펌프 (Carnot …
Source: www.ut.ac.kr
Date Published: 5/28/2022
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카르노냉동사이클 – 헬스케어
열기관에서의 카르노 사이클은 고온의 열원에서 에너지를 곧 급 받아 일부는 일로 변환하고 나머지는 저온의 열원으로 방출하는 동력 사이클입니다.
Source: hot-issue9.tistory.com
Date Published: 1/17/2021
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[[냉동]] 냉동사이클-카르노와 역카르노 – 다음블로그
카르노사이클은 어느 방향으로도 진행할 수 있는 가역사이클이다. 따라서 아래 오른쪽 그림의 순서와 방향으로 작동하는 사이클을 역카르노사이클 …
Source: blog.daum.net
Date Published: 8/3/2021
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【열역학】 11강. 냉동사이클 – 정빈이의 공부방
11강. 냉동사이클 추천글 : 【열역학】 열역학 목차 1. 냉매 2. 냉동기와 열펌프 3. 역카르노사이클 4. 이상적 증기압축식 냉동사이클 5.
Source: nate9389.tistory.com
Date Published: 4/22/2021
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공업 열역학 – 충북도립대학교
카르노 사이클은 두개의 등온가역과정과 두개의 단열가역과정으로 구성되어있. 으며, 폐시스템이나 정상상태의 … 역 카르노사이클로 작동되는 냉동기와 열펌프를.
Source: www.cpu.ac.kr
Date Published: 1/7/2021
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역카르노 사이클 냉동기의 성능계수. –5℃ 흡수 35℃ 방열
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역카르노 사이클 냉동기의 성능계수. –5℃ 흡수 35℃ 방열
–5℃에서 열을 흡수하여 35℃에 방열하는
역카르노 사이클에 의해 작동하는 냉동기의 성능계수는?
–5℃에서 열을 흡수하여 35℃에 방열하는
역카르노 싸이클에 의해 작동하는 냉동기의 성능계수는?
① 0.125
② 0.15
③ 6.7
④ 9
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▶ 카르노 사이클
> 열기관의 이상적인 형태
> 주어진 조건에서 “최대 열효율”를 갖는 사이클
( 참고 https://ywpop.tistory.com/21653 )
▶ 역카르노 사이클
> 냉동기의 이상적인 형태
> 주어진 조건에서 “최대 성능계수”를 갖는 사이클
▶ 역카르노 냉동기의 성능계수, η
η = T_L / (T_H – T_L) = Q_in / (Q_out – Q_in)
> T_L: 열 흡수 온도
> T_H: 열 방출 온도
▶ 역카르노 냉동기의 성능계수, COP_R
( coefficient of performance of refrigerator )
COP_R = T_L / (T_H – T_L) = Q_in / (Q_out – Q_in)
> T_L = 273 + (–5) = 268 K
> T_H = 273 + 35 = 308 K
η = 268 / (308 – 268) = 6.7
답: ③ 6.7
[ 참고 https://blog.naver.com/melon1991/222009462183 ] 냉동기의 성능계수 [키워드] 역카르노 사이클 기준문서, 냉동기의 성능계수 기준문서, 역카르노 기준문서, 냉동기 기준문서, 역카르노 사이클 사전, 냉동기의 성능계수 사전, 역카르노 사전, 냉동기 사전그리드형(광고전용)
냉동사이클의 효율을 연구하는 데 있어서 열역학적인 가역 사이클의 원리가 매우 중요합니다. 열역학적 가역 사이클은 다음과 같은 두 개의 중요한 특징을 가지고 있습니다.
1. 저열원과 고열원의 온도가 각각 동일하게 운전되는 경우 가역 사이클보다 높은 효율을 갖는 냉동사이클은 존재하지 않는다.
2. 저열원과 고열원이 각각 동일한 온도에서 운전되는 모든 가역 냉동사이클의 효율은 동일하다.
카르노사이클은 두 개의 정해진 온도 사이에서 작동할 때 최대의 효율을 얻을 수 있는 이상적인 가역 사이클입니다. 열기관에서의 카르노 사이클은 고온의 열원에서 에너지를 곧 급 받아 일부는 일로 변환하고 나머지는 저온의 열원으로 방출하는 동력 사이클입니다. 하지만 냉동기와 열펌프는 저온의 열원에서 열을 흡수한 후 고온으로 열을 이동시켜야 하므로 일이 요구되는 사이클입니다. 그러므로 냉동기나 열펌프의 이상적인 가역 냉동사이클은 역 카르노 사이클이 됩니다. 그래서 일반적으로 역카르노사이클을 카르노냉동사이클이라 부르기도 합니다.
카르노 냉동사이클은 두 개의 등온 과정과 두 개의 단열 과정으로 이루어져 있습니다. 카르노 냉동사이클에서는 등온 과정을 통하여 저온의 증발 온도에서 열을 흡수하고, 등온 과정을 통하여 고온의 응축 온도에서 열을 방출합니다. 두 개의 단열 과정은 압축기에서의 단열 압축, 그리고 터빈에서의 단열 팽창으로 구성되며, 이들은 모두 가역 과정이므로 단열 과정은 등 엔트로피 과정이 됩니다. 카르노냉동사이클은 모두 가역 과정으로 구성되어 있어 실제 냉동 시스템의 사이클보다 높으며 이상적인 사이클입니다.
냉방이 목적인 경우에는 카르노냉동사이클의 COP(c)는 등 엔트로피 팽창 및 압축으로 이루어져 있으므로 증발기와 응축기의 온도만의 함수로 나타낼 수 있습니다.
카르노 냉동사이클의 성능 계수를 향상하기 위해서는 응축 온도를 낮추어야 하며 증발 온도는 높여야 합니다. 이론적으로는 응축 온도와 증발 온도의 차이를 감소시키면 성능 계수를 무한대로 증가시켜갈 수 있습니다. 그러나 냉동장치의 작동 온도 범위가 존재하므로 성능 계수를 향상하는 데는 온도의 한계성이 존재합니다. 예를 들어 냉장고의 경우 냉동실을 -20도, 외기온도를 30도로 유지한다면 운전조건의 범위에 의하여 카르노사이클의 최소 응축 온도 및 최대 증발 온도의 한계성이 발생하게 됩니다. 주위로 방열하는 과정에서 냉매의 온도는 최소한 주위 온도보다 높아야 하므로 응축 온다가 30도보다 낮아질 수는 없는 것 이죠.
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냉동사이클(Cycle) 사이클은 과정중에 어떤 변화화를 거쳐 최초의 상태로 되돌아 오는 주기적 과정을 말한다. 냉동사이클은 최초의 상태로 돌아오는 과정중에 냉동작용을 하는 사이클을 말한다. 아래 그림과 같이 냉동장치에 있어서 냉매는 팽창밸브를 통하면서 저압으로 된 후 증발기에 들어가고, 증발기에서는 액체냉매가 증발잠열을 취하여 증발하게 된다. 그리고 증발된 냉매증기는 외부로부터의 일, 즉, 압축기에서 외부로부터 일을 받아 냉매증기를 압축하여 고온, 고압으로 된다. 압축된 고압의 증기가 응축기로 보내어 지며 여기서 응축열을 방출하고 응축하게된다. 응축액은 다시 팽창밸브로 들어가는 사이클을 형성하게 된다. 냉매는 냉동장치에서 연속적으로 액으로 되기도 하고 증기로 되기도 하면서 끊임없이 순환한다.
1) 카르노 사이클(Carnot cycle) 우주상의 모든 자연현상은 시간이 흐름에 따라 무질서의 정도가 증가하는 방향으로 움직인다. 가만히 있는 돌도 시간이 지나면 풍화되고 바닷물에 부었던 한컵의 설탕물을 다시 받아낼 수없다. 시간의 흐름과 함께 자연은 무질서, 혼동(chaos)의 증가로 움직인다. 이러한 무질서의 증가는 빅뱅이후 계속되고 있다. 이것은 엔트로피의 증가를 의미하며 한번 발생한 무질서의 증가는 되돌이킬 수 없음을 의미한다. 이런 현상을 비가역현상이라 부르며 반대 현상을 가역현상이라고 한다. 프랑스 물리학자인 카르노는 이러한 가역현상이 가능한 가역사이클을 제안한다. 이 사이클은 아래 그림과 같이 고온열원(Ⅰ), 단열체, 저온열원(Ⅱ)을 순서대로 실린더에 접촉시킴에 따라서 이론적으로는 실현가능한 사이클인데 오른쪽 그림의 압력-체적(P-V)선도에 나타낸 것과 같이 2개의 등온선과 2개의 단열선으로 구성되는 가역사이클이다.
1-2 : 온도 T1에서 등온팽창한다.(열량 Q1을 외부로부터 받는 과정) 2-3 : 단열팽창하여 온도 T2로 된다.(열의 출입이 없는 과정) 3-4 : 온도 T2에서 등온압축한다. 4-1 : 단열압축하여 온도 T1으로 된다.(열의 출입이 없는 과정)
2) 이상적인 냉동사이클 카르노사이클은 어느 방향으로도 진행할 수 있는 가역사이클이다. 따라서 아래 오른쪽 그림의 순서와 방향으로 작동하는 사이클을 역카르노사이클이라고 하는데 이것은 냉동사이클의 이론사이클이다. 즉, 1-4-3-2-1의 방향으로 진행하며, 4-3으로 상태변화 할 때에 열량 Q2를 받아들여 등온팽창하고, 2-1의 상태변화 동안에 열량 Q1을 외부로 방출하게 된다.
4-3 : 온도 T2에서 등온팽창한다.(열량 Q2를 외부로부터 받는 과정) 3-2 : 단열압축하여 온도 T1이 된다.(열의 출입이 없는 과정) 2-1 : 온도 T1에서 등온압축한다.(열량 Q1을 외부로 배출하는 과정) 1-4 : 단열팽창하여 T2로 된다.(열의 출입이 없는 과정)
즉, 외부로부터 일 W를 받아 저온구역 T2의 물체로부터 열량 Q2를 취하여, 고온구역 T1으로 열량 Q1을 배출하게 되는 것이다. 결국 (Q1-Q2)에 상당하는 열량을 소비하게 되므로, 이론적 냉동사이클의 성적계수(cop)는 여기서 일량 W의 에너지는 열량 Q2를 제거하는데 필요한 것이지 W의 에너지 일부가 열량 Q2로 변환되는 것은 아니다. 따라서, 이와 같은 의미로부터 효율이라는 말을 사용하지 않고 일반적으로 성적계수 COP(coefficient of performance)라는 말을 사용하고 있다.
냉동기와 비교하면 고온 물체의 절대온도 T1은 응축기에서 응축된 냉매의 온도에 상당하게 되고, 저온물체의 절대온도 T2는 증발기에서 증발하는 냉매의 온도이다. 따라서 응축온도는 가능한 낮을수록, 증발온도는 가능하면 높게 할수록 성적계수는 좋게 된다.
절대온도 T1인 냉동기의 고온부에서 배출하는 열량 Q1을 이용하여 가열 혹은 난방을 행하는 방식을 heat pump라 하는데, 이 때의 성적계수는 다음과 같다.
【열역학】 11강. 냉동사이클
11강. 냉동사이클
추천글 : 【열역학】 열역학 목차
1. 냉매
2. 냉동기와 열펌프
3. 역카르노사이클
4. 이상적 증기압축식 냉동사이클
5. 실제 증기압축식 냉동사이클
6. 열펌프장치
7. 혁신적인 공기압축식 냉동장치
8. 기체 냉동 사이클
9. 흡수식 냉동 사이클
10. 열전현상을 이용한 냉동기
1. (참고) 냉매(refrigerant)
⑴ 정의 : 냉동 사이클에 사용되는 작동유체
⑵ 냉매의 종류
① 무기화합물 냉매
○ 암모니아 : 저렴함. 높은 성능계수. 높은 열전달 계수. 누설 탐지 용이. 환경 무해; 독성이 큼
○ 탄산가스 : 비교적 안전; 고압 필요. 임계온도 낮음
○ 아황산가스 : 독성이 심함
○ 물 : 널리 쓰임
② 탄화수소 냉매
○ 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등
○ 연소성이 있어 주의를 요함
③ 할로겐화 탄화수소 냉매 : 미국 내 시장의 90% 이상을 차지함
○ 할로겐 원소를 포함하는 탄화수소 계열 냉매군. 프레온(freon)이라고 부름
○ 분류 : 염화불화탄소(CFC), 수소염화불화탄소(HCFC), 수소불화탄소(HFC)
○ R-11, R-12, R-115 등의 CFC는 오존층 손상효과가 큼
○ 분류 : 메탄계 할로겐 냉매, 에탄계 할로겐 냉매
○ 메탄계 할로겐 냉매 : R12(CCl 2 F 2 ), R13(CF 3 Cl), R22(CHF 2 Cl) 등
○ 에탄계 할로겐 냉매 : R134a(CF 3 CH 2 F), R142b(C 2 H 3 F 3 Cl) 등
○ 한동안 많이 사용된 R-12 냉매는 대부분 R-134a로 대체됨
④ 공비혼합물 냉매
○ 증발점이나 응축점이 다른 2종 이상의 냉매를 혼합한 것 : 단일 냉매와 같은 물리적 특성을 가짐
○ R500, R501, R502 등이 사용
⑶ 냉매 명명법
① 프레온계 냉매의 분자식
C m H n F p Cl q
○ 불포화도가 0이므로 n + p + q = 2m + 2를 만족
② 명명법 : R(m-1)(n+1)(p)로 표시
○ CCl 3 F : R11 또는 CFC11 (m = 1, n = 0, p = 1)
○ CCl 2 F 2 : R12 또는 CFC12 (m = 1, n = 0, p = 2)
○ CHClF 2 : R22 또는 HCFC22 (m = 1, n = 1, p = 2)
○ C 2 Cl 3 F 3 : R113 또는 CFC113 (m = 2, n = 0, p = 3)
⑷ 냉매의 조건
① 열을 교환하게 되는 냉매와 매체(예 : 증발기)와의 온도차가 5 ℃ 내지 10 ℃ 정도가 유지돼야 함
② 냉동사이클에서의 최저압이 발생하는 곳은 바로 증발기인데, 이 압력이 대기압보다 높아야 냉동기로 공기가 새어 들어오는 것을 막을 수 있음
③ 암모니아와 R-134a는 이 조건을 만족
④ 응축기를 지난 냉매의 온도는 냉각수의 온도보다 낮을 수 없고, 이때 포화압력은 임계 압력보다 충분히 낮아야 함
2. 냉동기와 열펌프
⑴ 정의
① 냉동기(refrigerator) : 저온부에서 고온부로 열을 전달하는 장치, 동력을 필요로 함
② 열펌프(heat pump)
○ 냉동기와 열펌프는 본질적으로 같은 장치지만 목적만 서로 다름
○ 냉동기의 목적은 냉동실을 저온으로 유지하기 위함이고 열 펌프는 실내를 따뜻하게 유지하기 위함
⑵ 성능계수(coefficient of performance, COP)
① COP R = 냉각효과 ÷ 입력일
② COP HP = 가열효과 ÷ 입력일
⑶ 냉동톤(tons of refrigeration) : 냉동실로부터의 열제거율
① 0 ℃ (32 ℉)의 물 1톤을 24시간만에 0 ℃의 얼음으로 냉각시킬 수 있는 냉동장치의 능력
② 1 냉동톤 = 3.86 kW = 3320 kcal / hr
③ 일반적 주거 공간 기준 3 냉동톤의 냉동능력을 요함
3. 역카르노사이클
⑴ 역카르노사이클(reversed Carnot cycle) : 카르노사이클의 역과정 = 카르노 냉동기, 카르노 열펌프
⑵ 과정 : 압축기(등엔트로피 과정) → 응축기(등온과정) → 교축 밸브(등엔트로피 과정) → 증발기(등온과정)
Figure. 1. 역카르노사이클의 T-s 선도
⑶ 성능계수
① COP R, Carnot = Q L ÷ W net. in = 1 ÷ (T H /T L – 1)
② COP HP, Carnot = Q H ÷ W net, in = 1 ÷ (1 – T L /T H )
⑷ 역카르노사이클은 이상적인 냉동사이클
① 역카르노사이클은 두 개의 주어진 열원에서 작동하는 냉동사이클 중 가장 효율이 좋음
② (주석) 카르노사이클이 가장 효율이 좋은 것과 관련 있는 듯
⑸ 역카르노사이클은 현실적이지 못한 냉동사이클
① 경우 1. 포화온도에서의 2상 혼합물을 포함한다면?
○ 과정 1-2와 과정 3-4는 포화온도가 자동적으로 고정되기 때문에 근접하게 구현할 수 있음
○ 과정 2-3이 기체-액체 혼합물을 압축하는 과정을 포함하고 있어 구현하기 어려움
○ (참고) 압축기는 기본적으로 기체만 압축함
○ 과정 4-1 또한 수분함량이 높은 냉매를 팽창시키는 과정이 포함됨 → 등엔트로피가 힘듦
② 경우 2. 포화영역 밖에서 작동시키면
○ 흡열과정 및 방열과정에서 등온과정을 유지하기 힘듦
4. 이상적 증기압축식 냉동사이클
Figure. 2. 이상적 증기압축식 냉동사이클
⑴ 과정
① 압축기에서의 등엔트로피적 압축(1-2) : 포화증기 → 과열증기
② 응축기에서의 정압 방열(2-3) : 과열증기 → 포화액
③ 팽창기에서의 교축(3-4) : 터빈에서 팽창밸브 또는 모세관 등과 같은 교축장치로 대체, 포화액 → 포화혼합물
④ 증발기에서의 정압 흡열(4-1)
⑤ 만약 등엔트로피 터빈으로 대체하면 정미 입력일은 터빈의 출력일만큼 감소
⑵ 정상유동에너지 방정식
① (q in – q out ) + (w in – w out ) = h e – h i
② COP R = q L ÷ w net, in = (h 1 – h 4 ) ÷ (h 2 – h 1 )
③ COP HP = q H ÷ w net, in = (h 2 – h 3 ) ÷ (h 2 – h 1 )
④ 이상적인 경우 h 1 = h g, sat, P1 , h 3 = h f, sat, P3
5. 실제 증기압축식 냉동사이클
⑴ 비가역성의 두 가지 원인은 유체마찰(이로 인한 압력강하 발생) 및 주위와의 열전달임
⑵ 압축기를 떠난 증기가 포화증기가 되도록 하기 어려움 → 약간 과열증기로 설정
⑶ 실제 압축기는 엔트로피가 증가 또는 감소; 증가하면 일 생산 ↑, 감소해도 입력일이 감소하므로 유리할 수도 있음
⑷ 냉매가 완전히 응축되기 전에 교축밸브로 보내는 것은 부적절 → 따라서 냉매가 교축밸브로 들어가기 전 과냉각시킴
6. 열펌프장치
⑴ 열펌프의 가장 큰 문제는 성에인데 이는 열전달을 크게 방해; 역가동시켜 성에를 제거할 수 있으나 효율을 감소시킴
① 5 ℃ ~ 18 ℃의 우물물을 쓰는 수열원열펌프는 성에 문제가 없음
⑵ 저온에서 열펌프의 성능과 효율이 모두 상당히 떨어짐
① 대부분의 공기열원 열펌프는 보조난방장치를 필요로 함
② 수열원 또는 지열원 자잋의 경우 열펌프 장치가 충분히 커야 함
⑶ 열순환 밸브를 추가함으로서 냉방기와 열펌프 간 전환을 함
① 열펌프의 증발기 ↔ 냉방기의 응축기
② 열펌프의 응축기 ↔ 냉방기의 증발기
⑷ 미국
① 미국 남부 : 냉방 부하↑, 난방 부하↓, 열펌프가 경쟁력이 있음
○ 이 지역에서의 열펌프는 가정용 및 상업용 건물의 냉난방 요건을 동시 만족
② 미국 북부 : 냉방부하↓, 난방 부하↑, 별로 경쟁력이 없음
7. 혁신적인 공기압축식 냉동장치
⑴ 캐스캐이드 냉동장치
Figure. 3. 캐스캐이드 냉동장치
⑵ 다단 압축식 냉동장치
Figure. 4. 다단 압축식 냉동장치
⑶ 단일 압축기를 가진 다목적 냉동장치
Figure. 5. 단일 압축기를 가진 다목적 냉동장치
⑷ 기체의 액화(Linde-Hampson heat exchanger)
Figure. 6. Linde-Hampson heat exchanger
8. 기체 냉동 사이클
⑴ 단순 기체 냉동 사이클(역브레이튼 사이클)
Figure. 7. 역브레이튼 사이클
⑵ 재생을 하는 기체 냉동사이클 : 극저온에도 도달할 수 있음
Figure. 8. 재생을 하는 기체 냉동사이클
9. 흡수식 냉동 사이클(예 : 암모니아 흡수식 냉동사이클)
Figure. 9. 흡수식 냉동사이클
⑴ 물-리튬브로마이드, 물-리튬클로라이드
① NH 3 ·H 2 O를 형성하는 반응 : 발열반응
② 냉각수로 absorber의 열을 낮게 유지
③ W pump ≃ 0
④ 효율이 훨씬 낮음
⑤ 훨씬 큰 냉각탑이 필요 (∵ 폐열↑)
⑵ COP absorption = Q L ÷ Q gen (완전가역적)
⑶ 계산
① Q L = COP R, rev W = (T L / (T 0 – T L ))W
② Q gen 이 카르노 기관으로 제공되면 W = η th, rev Q gen = (1 – T 0 /T s ) Q gen
③ ①, ②에 의해 COP rev, absorption = Q L ÷ Q gen = (1 – T 0 /T s ) × (T L / (T 0 – T L ))
10. 열전현상을 이용한 냉동기
⑴ 개요
① 열전현상(Seebeck effect) : 온도차가 있으면 기전력이 발생하는 현상. 초전성이라고도 함
② (참고) 압전성 : 압력이 있으면 기전력이 발생하는 현상
③ 응용 : 온도측정, 전력 발생
④ 일반적인 T형 열전대는 구리선과 콘스탄틴선으로 구성되고 1 ℃의 온도차에 대해서 약 40 ㎶가 생성됨
Figure. 10. 열전현상
⑤ 열전현상 심화이론
⑵ Peltier 효과 : 열전 냉동의 이론을 제공함
① 발상 : 열전 발전기에서 외부적으로 역방향의 전위차를 주어 전자의 흐름을 반전시킬 수 있고, 이로 인해 냉동 효과 발생
② 정의 : 두 선의 접점을 통해 미세한 전류가 흐를 때 접점이 냉각되는 현상
③ 열전 냉동기의 구조
Figure. 11. 열전 냉동기의 구조
④ 단점 : 증기압축식 냉동장치에 비해 성능계수가 낮음
⑤ 장점 : 시장에서 쉽게 구할 수 있음. 크기가 작음. 단순함. 조용함. 신뢰도가 높음
⑶ 예제 : 작은 아이스박스와 유사한 열전 냉동기가 자동차 배터리로부터 전원을 공급받고 있는데, 성능계수(COP)는 0.1을 갖고 있다. 만일, 이 냉동기가 0.350 L의 캔 음료를 30분만에 20 ℃에서 4 ℃로 냉각시킨다면, 열전 냉동기에 의해 소비되는 평균전력을 구하라. (답 : 130 W)
입력: 2019.04.23 01:38
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