保鮮運(yùn)輸用管道式加濕裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

方思貞，郭嘉明，李亞慧，陸華忠，呂恩利

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)a南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

保鮮運(yùn)輸用管道式加濕裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

方思貞a,b，郭嘉明a,b，李亞慧a,b，陸華忠a,b，呂恩利a,b

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)a南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

【目的】 研究廂內(nèi)管道式超聲波加濕裝置的工作特性，提高保鮮運(yùn)輸加濕系統(tǒng)的工作性能，改善保鮮環(huán)境的濕度均勻性。【方法】 設(shè)計(jì)了一套管道式加濕裝置，搭建保鮮運(yùn)輸加濕系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)并研究水霧輸送管管徑(12.5，19.0和25.4 mm)、開孔數(shù)(2，4，6和8孔)、水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓(12，18和24 V)、回風(fēng)道風(fēng)速(4，6和8 m/s)對(duì)加濕特性的影響?！窘Y(jié)果】 水霧輸送管管徑、回風(fēng)道風(fēng)速、水霧輸送管開孔數(shù)、水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓對(duì)加濕均勻性的影響程度依次減??；在水霧輸送管管徑為25.4 mm、回風(fēng)道風(fēng)速為4 m/s、水霧輸送管開孔數(shù)為4孔、水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓為24 V時(shí)，廂內(nèi)相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差最低，為2.92；在回風(fēng)道風(fēng)速為8 m/s、水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓為24 V、水霧輸送管開孔數(shù)為8孔、水霧輸送管管徑為25.4 mm時(shí)，加濕速率最高，加濕時(shí)間為372 s?！窘Y(jié)論】 綜合考慮確定水霧輸送管管徑25.4 mm、回風(fēng)道風(fēng)速4 m/s、水霧輸送管開孔數(shù)4孔、水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓24 V為保鮮運(yùn)輸用管道式加濕裝置的最優(yōu)參數(shù)組合。

保鮮運(yùn)輸；加濕裝置；參數(shù)優(yōu)化；濕度均勻性

新鮮果蔬的含水量可達(dá)65%～96%，果蔬保鮮的目的之一便是保持水分，以減少鮮度的降低[1-2]。為了抑制果蔬水分蒸發(fā)，降低貯藏環(huán)境與果蔬之間的水蒸氣壓差，要求貯藏環(huán)境具有適宜的相對(duì)濕度[3-4]。相對(duì)濕度過(guò)低會(huì)促進(jìn)呼吸消耗，從而對(duì)果蔬產(chǎn)生生理傷害[5]，相對(duì)濕度過(guò)高則為微生物的大量繁殖提供了條件，還可能產(chǎn)生浸漬現(xiàn)象[6]而加速果蔬的腐敗變質(zhì)，因此相對(duì)濕度的控制直接影響到果蔬貯藏品質(zhì)的好壞[7]。目前，有關(guān)果蔬保鮮運(yùn)輸中加濕系統(tǒng)的加濕均勻性研究還較少，在相對(duì)濕度可以調(diào)節(jié)的運(yùn)輸廂體內(nèi)，常利用制冷風(fēng)機(jī)將加濕裝置產(chǎn)生的水霧直接吹向廂體前部，致使前端貨物相對(duì)濕度過(guò)高而凝結(jié)水珠，而后端貨物相對(duì)濕度偏低[8-11]。為解決保鮮運(yùn)輸廂體內(nèi)不同位置相對(duì)濕度的差異問題，本研究搭建了基于壓差原理的加濕試驗(yàn)平臺(tái)[12-14]，通過(guò)改變水霧輸送管管徑、回風(fēng)道風(fēng)速、水霧輸送管開孔數(shù)、水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓，研究廂內(nèi)管道式超聲波加濕裝置的工作特性，優(yōu)化其加濕性能，以期為果蔬貯運(yùn)加濕裝置的優(yōu)化研究提供參考。

1 加濕裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)平臺(tái)搭建

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

基于壓差原理的保鮮運(yùn)輸試驗(yàn)平臺(tái)如圖1 所示。廂體尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1 600 mm×1 100 mm×1 500 mm，廂體由聚氨酯泡沫夾芯板拼接而成，壁厚100 mm。試驗(yàn)平臺(tái)包括可編程控制器(SIMENS S7-300 型 PLC，西門子中國(guó)有限公司)、制冷機(jī)組(制冷量4 650 W，廣州綽盈制冷設(shè)備有限公司)、制冷風(fēng)機(jī)(KINGBO ZNF295-G 24 V 直流風(fēng)機(jī)，廣州精博制冷設(shè)備有限公司)、溫度傳感器(測(cè)量范圍-20～80 ℃，精度±0.3 ℃，廣州西博臣科技有限公司)、相對(duì)濕度傳感器(測(cè)量范圍 0～100%，精度±3%，廣州西博臣科技有限公司)、超聲波霧化頭(JAS-20-B 型，中山市紅星電子廠)、水霧輸送風(fēng)機(jī)(XXD1203824VH IP55防水型，深圳興鑫大電子有限公司)、24 V可調(diào)電源、無(wú)紙記錄采集儀和計(jì)算機(jī)等。

控制系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器和相對(duì)濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，控制制冷機(jī)組、超聲波霧化頭等執(zhí)行設(shè)備工作，通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。保鮮室9個(gè)相對(duì)濕度傳感器(a1～a9)為3×3布置方式，均勻布置在中縱截面上，具體布置位置如圖2所示。

圖1 保鮮運(yùn)輸試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備簡(jiǎn)圖1.壓差式廂體；2.回風(fēng)道；3.制冷風(fēng)機(jī)；4.制冷機(jī)組；5.無(wú)紙記錄采集儀；6.計(jì)算機(jī)；7.人機(jī)交互界面；8.可編程控制器；9.可調(diào)電源；10.補(bǔ)水箱；11.排水管；12.積水槽；13.水霧輸送風(fēng)機(jī)；14.水霧輸送管；15.溫度與濕度監(jiān)控傳感器；16.超聲波加濕浮子；17.水箱

圖2 保鮮運(yùn)輸試驗(yàn)平臺(tái)保鮮室相對(duì)濕度傳感器(a1～a9)布置示意圖

1.2 加濕裝置設(shè)計(jì)與工作原理

超聲波加濕裝置主要由水箱和超聲波浮子組成，超聲波浮子起到固定超聲波霧化頭位置、確保吃水深度的作用。在水箱內(nèi)等間距放置2個(gè)浮子，每個(gè)浮子上固定6個(gè)超聲波霧化頭，添加水霧輸送管道，管道沿廂體壁面布局(圖1)。工作時(shí)加濕霧化頭產(chǎn)生的超聲波使水產(chǎn)生激烈而快速變化的高頻振蕩，劇烈的振動(dòng)使水破碎成水霧[15-16]，通過(guò)水霧輸送風(fēng)機(jī)加壓，利用氣流驅(qū)動(dòng)水霧，使盡可能多的水霧進(jìn)入管道，水霧通過(guò)水霧輸送管到達(dá)水霧出口橫管上均勻布置的小孔進(jìn)入保鮮室，進(jìn)而改變廂體內(nèi)的相對(duì)濕度。

2 加濕效果的影響因素試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為夏橙，平均直徑為86.5 mm，單個(gè)平均質(zhì)量為215 g，總質(zhì)量75 kg，購(gòu)于水果批發(fā)市場(chǎng)。果實(shí)未經(jīng)任何催熟處理，果形規(guī)則，無(wú)病蟲害，表面無(wú)損傷，表皮呈鮮橙色。夏橙均勻放置于28個(gè)塑料筐中，塑料筐規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為495 mm×355 mm×255 mm，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，開孔率38.5%。夏橙為濕度要求(85%～90%)中等偏高的水果，且貯藏期比較長(zhǎng)，適合進(jìn)行加濕試驗(yàn)研究[17]。購(gòu)回的夏橙在預(yù)冷1 d后正式開始試驗(yàn)。

2.2 加濕效果單因素試驗(yàn)

以加濕速率和加濕均勻性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分別研究不同的水霧輸送管管徑、回風(fēng)道風(fēng)速、水霧輸送管開孔數(shù)、水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓對(duì)加濕特性的影響。

1)水霧輸送管管徑。在回風(fēng)道風(fēng)速為4 m/s，水霧輸送管開孔數(shù)為8孔，水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓為24 V的條件下，依次改變水霧輸送管管徑為25.4，19.0和12.5 mm。

2)回風(fēng)道風(fēng)速。在水霧輸送管管徑為25.4 mm，水霧輸送管開孔數(shù)為8孔，水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓為24 V的條件下，依次改變回風(fēng)道風(fēng)速為8，6和4 m/s。

3)水霧輸送管開孔數(shù)。在水霧輸送管管徑為25.4 mm，回風(fēng)道風(fēng)速為4 m/s，水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓為24 V的條件下，依次改變水霧輸送管開孔數(shù)為8，6，4和2孔。

4)水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓。在水霧輸送管管徑為25.4 mm，回風(fēng)道風(fēng)速為4 m/s，水霧輸送管開孔數(shù)為8孔的條件下，依次改變水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓為24，18和12 V。

2.3 加濕均勻性正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以水霧輸送管管徑、回風(fēng)道風(fēng)速、水霧輸送管開孔數(shù)、水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓為試驗(yàn)因素，綜合考慮各因素水平與加濕效果的關(guān)系，去掉加濕時(shí)間較長(zhǎng)、加濕均勻性較差的試驗(yàn)因素，如水霧輸送管開孔數(shù)6孔等，適當(dāng)調(diào)整后對(duì)加濕均勻性進(jìn)行正交優(yōu)化試驗(yàn)，各因素試驗(yàn)水平值的選取如表1所示，采用L9(34)正交表[18]安排試驗(yàn)。

表1 運(yùn)輸用加濕裝置加濕均勻性正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Design of orthogonal experiment on humidification uniformity of humidity device for fresh-keeping transportation

2.4 對(duì)比試驗(yàn)

為驗(yàn)證最佳組合，選取加濕均勻性最優(yōu)組合A1B3C2D1與單因素試驗(yàn)加濕速率最優(yōu)組合A1B1C1D1進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)2次取平均值。比較兩組合的加濕速率與加濕均勻性，確定保鮮運(yùn)輸用管道式加濕裝置的最優(yōu)參數(shù)組合。

2.5 測(cè)定項(xiàng)目及計(jì)算

將裝好夏橙的塑料筐按中間兩側(cè)留空的堆棧方式裝入保鮮室內(nèi)[19]，用保鮮室中縱截面上的9個(gè)相對(duì)濕度傳感器記錄該截面上的相對(duì)濕度分布值，利用計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)紙記錄采集儀記錄各傳感器數(shù)值，數(shù)據(jù)記錄頻率10 s/次。

試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)有：

(1)

式中：Hi為第i個(gè)相對(duì)濕度傳感器的檢測(cè)值。

2)加濕均勻性。用9個(gè)相對(duì)濕度傳感器檢測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)差[20-21]表示，其表達(dá)式為：

(2)

在調(diào)控試驗(yàn)初始環(huán)境時(shí)，為減小外界環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，要注意定期更換水箱中的水，使水的溫度保持在(5±1) ℃，外界環(huán)境溫度為(25±2) ℃，外界相對(duì)濕度為(65±5)%。開啟電腦，打開數(shù)據(jù)采集軟件，通過(guò)操作PLC觸摸屏開啟制冷系統(tǒng)，將廂體內(nèi)的溫度降至(3±1) ℃，相對(duì)濕度降低至70%，停止制冷10min左右，廂體內(nèi)的相對(duì)濕度((82±2)%)趨于穩(wěn)定，開啟加濕系統(tǒng)，將廂體內(nèi)的相對(duì)濕度升高至95%時(shí)停止加濕。記錄相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化，直至加濕裝置停止工作5min后，保存數(shù)據(jù)，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)2次取平均值。

3 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 各因素對(duì)加濕速率的影響

在設(shè)定的試驗(yàn)條件下，加濕裝置工作時(shí)廂體內(nèi)相對(duì)濕度的變化如圖3所示。

圖3 各試驗(yàn)因素對(duì)運(yùn)輸用保鮮廂體相對(duì)濕度變化的影響A.回風(fēng)道風(fēng)速；B.風(fēng)機(jī)電壓；C.輸送管開孔數(shù)；D.輸送管管徑

從圖3-A可以看出，加濕速率隨回風(fēng)道風(fēng)速的增大而增大，當(dāng)回風(fēng)道風(fēng)速為8m/s時(shí)，加濕時(shí)間為372s，加濕速度較快；圖3-B顯示，加濕速率隨水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓的增大而增大，當(dāng)風(fēng)機(jī)電壓為18和24V時(shí)，加濕時(shí)間比較接近，加濕速度較快；圖3-C表明，水霧輸送管開孔數(shù)為4和8孔時(shí)，加濕時(shí)間接近，加濕速度較快，當(dāng)開孔數(shù)為6孔時(shí)，加濕時(shí)間為534s，加濕速度較慢；由圖3-D可知，加濕速率隨水霧輸送管管徑的增大而增大，當(dāng)管徑為25.4mm時(shí)，加濕時(shí)間為398s，加濕速度較快。綜合以上結(jié)果，選取回風(fēng)道風(fēng)速8m/s、風(fēng)機(jī)電壓24V、開孔數(shù)8孔、管徑25.4mm為單因素試驗(yàn)中加濕速率的最優(yōu)組合。

3.2 各因素對(duì)加濕過(guò)程濕度均勻性的影響

各試驗(yàn)因素與加濕裝置停止工作時(shí)廂體濕度均勻性的關(guān)系如圖4所示。從圖4可知，廂體內(nèi)相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差隨回風(fēng)道風(fēng)速的增大先增大后減小，當(dāng)回風(fēng)道風(fēng)速為4m/s時(shí)，相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差最小，為3.59，此時(shí)廂內(nèi)濕度最均勻；廂體內(nèi)相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差隨水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓的增大而減小，當(dāng)風(fēng)機(jī)電壓為24V時(shí)，相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差最小，為3.62，廂內(nèi)濕度最均勻；水霧輸送管開孔數(shù)為4孔時(shí)，相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差最小，為2.92，廂內(nèi)濕度最均勻，開孔數(shù)為6孔時(shí)，相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差最大，為4.55，廂內(nèi)濕度均勻性最差；廂體內(nèi)相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差隨水霧輸送管管徑的增大先增大后減小，當(dāng)管徑為25.4mm時(shí)，相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差最小，為3.60，廂內(nèi)濕度最為均勻。因此，選取回風(fēng)道風(fēng)速4m/s、風(fēng)機(jī)電壓24V、開孔數(shù)4孔、管徑25.4mm為單因素試驗(yàn)中加濕均勻性的最優(yōu)組合。

圖4 試驗(yàn)因素與廂體加濕均勻性的關(guān)系

4 加濕均勻性正交優(yōu)化試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

加濕均勻性的正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，利用SPSS19.0軟件對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。表3方差分析結(jié)果表明，4個(gè)因素對(duì)加濕均勻性的影響程度表現(xiàn)為A(管徑)>B(風(fēng)速)>C(開孔數(shù))>D(電壓)，其中A、B、C3個(gè)因素對(duì)加濕均勻性具有顯著影響，D因素對(duì)加濕均勻性無(wú)顯著影響。

表2 加濕均勻性正交優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal optimization experiment on humidification uniformity

表3 加濕均勻性正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal optimization experiment on humidification uniformity

加濕均勻性與各試驗(yàn)因素的關(guān)系如圖5所示，圖5表明，加濕均勻性隨管徑和風(fēng)速的減小先增大后減小，隨開孔數(shù)的減小先減小后增大，隨風(fēng)機(jī)電壓的增大而增大。從圖5還可以看出，加濕均勻性的最佳影響因素組合為A1B3C2D1，即水霧輸送管的管徑為25.4mm，回風(fēng)道的風(fēng)速為4m/s，水霧輸送管的開孔數(shù)為4孔，水霧輸送風(fēng)機(jī)的電壓為24V時(shí)，加濕均勻性達(dá)到最優(yōu)，該結(jié)果與單因素試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖5 加濕均勻性與各影響因素的關(guān)系

圖6 加濕均勻性與加濕速率最優(yōu)組合間加濕速率的對(duì)比
Fig.6Comparisonexperimentonhumidifyingratesforoptimalhumidificationuniformityandhumidifyingrate

4.2 對(duì)比試驗(yàn)

加濕均勻性最優(yōu)組合與單因素試驗(yàn)加濕速率最優(yōu)組合對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，A1B3C2D1組合的相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差為2.92，A1B1C1D1組合的相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差為4.19，可見A1B3C2D1組合的加濕均勻性較優(yōu)。圖6顯示，A1B1C1D1組合的加濕時(shí)間較短，加濕速率較快，而A1B3C2D1組合的加濕時(shí)間與A1B1C1D1組合相差不大，兩組合加濕速率接近。綜合加濕均勻性和加濕速率可知A1B3C2D1為最佳組合，即水霧輸送管管徑25.4mm、回風(fēng)道風(fēng)速4m/s、水霧輸送管開孔數(shù)4孔、水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓24V。

5 結(jié)論與討論

本研究搭建了運(yùn)輸用管道式超聲波加濕裝置試驗(yàn)平臺(tái)，分析了管道式超聲波加濕裝置的工作性能，以及水霧輸送管管徑、回風(fēng)道風(fēng)速、水霧輸送管開孔數(shù)、水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓對(duì)加濕性能的影響。研究結(jié)果如下：

1)單因素試驗(yàn)表明，加濕速率隨回風(fēng)道風(fēng)速、水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓和水霧輸送管管徑的增大而增大，相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差隨回風(fēng)道風(fēng)速和水霧輸送管管徑的增大先增大后減小，隨水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓的增大而減小。

2)對(duì)加濕均勻性進(jìn)行的正交試驗(yàn)結(jié)果表明：上述4個(gè)因素對(duì)加濕均勻性的影響程度由大到小依次為水霧輸送管管徑、回風(fēng)道風(fēng)速、水霧輸送管開孔數(shù)和水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓，其中水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓對(duì)加濕均勻性無(wú)顯著影響。在水霧輸送管管徑為25.4mm，回風(fēng)道風(fēng)速為4m/s，水霧輸送管開孔數(shù)為4孔，水霧輸送風(fēng)機(jī)電壓為24V時(shí)，廂內(nèi)相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)差最低，為2.92。

值得說(shuō)明的是，廂體結(jié)構(gòu)、貨物堆碼方式、包裝等因素也會(huì)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，這將是下一步研究的主要內(nèi)容。

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Design and experiment of pipeline humidifying device for fresh-keeping transportation

FANG Si-zhena,b,GUO Jia-minga,b,LI Ya-huia,b,LU Hua-zhonga,b,Lü En-lia,b

(aKeyLaboratoryofKeyTechnologyonAgriculturalMachineandEquipment,MinistryofEducation;bCollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou,Guangdong510642,China)

【Objective】 This study investigated the operating characteristics of pipeline humidifying device to improve the performance of humidification system and the humidity uniformity of preservation environment.【Method】 A pipeline humidifying device was designed and experimental platform for fresh-keeping transportation humidification system was established.The effects of pipe diameter (12.5,19.0 and 25.4 mm), number of holes (2,4,6 and 8),voltage of fan (12,18 and 24 V),and speed of air duct(4,6 and 8 m/s) on the wetting characteristics were also analyzed.【Result】 The effects of pipe diameter,number of holes,voltage of fan,and speed of air duct on humidity uniformity were in the order of pipe diameter>number of holes>voltage of fan>speed of air duct.When pipe diameter was 25.4 mm,speed of air duct was 4 m/s,number of holes was 4,and voltage of fan was 24 V,the lowest value of humidification uniformity of 2.92 was obtained.The highest humidifying rate was obtained when speed of air duct was 8 m/s,voltage of fan was 24 V,number of holes was 8,pipe diameter was 25.4 mm and humidifying time was 372 s.【Conclusion】 Based on comprehensive consideration, optimal parameters of pipeline humidifying device for fresh-keeping transportation were:pipe diameter 25.4 mm,speed of air duct 4 m/s,number of holes 4,and voltage of fan 24 V.

fresh-keeping transportation;humidifying device;parameter optimization;humidity uniformity

時(shí)間:2015-09-09 15:41DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.10.025

2014-12-18

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目子課題(2013BAD19B01-1-3)；廣州市珠江科技新星專項(xiàng)(2014J2200070)

方思貞(1989-)，男，廣東揭陽(yáng)人，在讀碩士，主要從事冷鏈物流技術(shù)與裝備研究。E-mail：fangsizhen@foxmail.com

呂恩利(1979-)，男，山東陵縣人，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)工程研究。E-mail：enlilv@scau.edu.cn

S229+.3

A

1671-9387(2015)10-0182-07

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