华北电力大学保定传热问答计算

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管子外径d=16mm,沿空气流动方向布置了6排管子,顺排排列。空气进入管束前的流速为6m/s,空气进、出口平均温度为140℃,管壁表面温度为60℃,试计算其平均对流传热系数。 (提示:这是一个空气横掠顺排管束的对流换热问题,计算雷诺数时要注意将空气进口流速转换为最窄截面流速计算。答案:平均对流换热系数为126.35W/(m2.K)。)

7. 初温为30℃的水以1.0kg/s的流量流经一套管式传热器的环形通道,水蒸气在内管中凝结,使

内管外壁的温度维持在100℃,传热器的散热损失可忽略不计。环形夹层内管的外径d1为40mm、外管内径d2为60mm,试确定把水加热到50℃,套管要多长。已知水侧表面对流传热系数:Nuf

??f0.80.4?=0.023RefPrf???w????0.11?d??l,?l?1????l?0.7。

(提示:这是一个水在环形通道内流动的强制对流换热问题,计算公式已知,环形通道的尺寸用当量直径来计算。 答案:需要套管的长度为2.883m。)

8. 某一矩形烟道,截面积为800mm×700mm,烟道长20m,烟道内恒壁温,tw=70℃,现有tf(0)

=230℃的烟气流过该烟道,质量流量qm=1.6kg/s,试计算烟气的出口温度。已知通道内传热计算式:Nuf=0.023Ref0.8Prf0.4

?l,对于恒壁温下的管内流动有:?tf(x)?tf(0)tf?tw???hUxqmCp,

其中U为截面周长,h为对流传热系数,tf为流体平均温度,tf=0.5[tf(x)+tf(0)]

(提示:这是一个烟气在矩形通道内流动冷却的换热问题,计算公式已知,由于烟气的出口温度未知,需要首先假设烟气出口温度来得到定性温度,然后根据计算结果校核出口温度,若假设值的偏差大于允许值,则代入重算,直至达到计算精度。 答案:烟气出口温度为184.7℃。)

9. 有一块长1m、宽1m的平板竖直放置于20℃的空气中,板的一侧绝热,另一侧表面温度维持在

60℃,试计算该竖板的自然对流散热量。如果该板未绝热的一侧改为水平朝上或朝下放置,则其自然对流散热量又各为多少?

(提示:这是竖板或水平板在空气中自然对流散热的换热问题。

答案:该平板竖直放置,自然对流散热量为160W;未绝热一侧改为水平朝上放置,自然对流散热量变为240W;未绝热一侧改为水平朝下放置,自然对流散热量变为50.49W。由此可见,平板热面朝上放置时的散热量最大,热面向下放置时的散热量最小,竖直放置的散热量介于两者之间。) 10. 有一水平放置的的热水管道,用保温材料保温,保温层外径200mm,外表面平均温度45℃,周

围空气温度15℃,管道长度为1500m,试计算该蒸汽管道上由于自然对流而引起的散热量。 (提示:这是水平管道外的自然对流换热问题。 答案:自然对流散热量为135.9kW。) 四、 简答题

1. 试用所学的传热学知识说明用热电偶测量高温气体温度时,产生测量误差的原因有哪些?可以采取什

么措施来减小测量误差?

(提示:用热电偶测温时同时存在气流对热电偶换热和热电偶向四壁的散热两种情况,

热电偶的读数小于气流的实际温度产生误差。所以,引起误差的因素:①烟气与热电偶间的复合换热小;②热电偶与炉膛内壁问的辐射换热大。减小误差的措施:①减小烟气与热电偶间的换热热阻,如抽气等;②增加热电偶与炉膛间的辐射热阻,如加遮热板;②设计出计算误差的程序或装置,进行误差补偿。) 2. 试用传热原理说明冬天可以用玻璃温室种植热带植物的原理。

(提示:可以从可见光、红外线的特性和玻璃的透射比来加以阐述。玻璃在日光(短波辐

射)下是一种透明体,透过率在90%以上,使绝大部分阳光可以透过玻璃将温室内物体和空气升温。室内物体所发出的辐射是一种长波辐射——红外线,对于长波辐射玻璃的透过串接近于零,几乎是不透明(透热)

?的,因此,室内物体升温后所发出的热辐射被玻璃挡在室内不能穿过。玻璃的这种辐射特性,使室内温度不断升高。)

3. 试分析遮热板的原理及其在削弱辐射传热中的作用。

(提示:可从遮热板能增加系统热阻角度加以说明。(1)在辐射换热表面之间插入金属

(或固体)薄板,称为遮热板。(2)其原理是,遮热板的存在增大了系统中的辐射换热热阻,使辐射过程的总热阻增大,系统黑度减少,使辐射换热量减少。(3)遮热板对于削弱辐射换热具有显著作用,如在两个平行辐射表面之间插入一块同黑度的遮热板,可使辐射换热量减少为原来的1/2,若采用黑度较小的遮热板,则效果更为显著。)

4. 什么叫黑体、灰体和白体?它们分别与黑色物体、灰色物体、白色物体有什么区别?在辐射传热中,引

入黑体与灰体有什么意义?

(提示:可以从黑体、白体、灰体的定义和有关辐射定律来阐述。根据黑体、白体、灰体的定义可以看出,这些概念都是以热辐射为前提的。灰色、黑色、白色是针对可见光而言的。所谓黑体、白体、灰体并不是指可见光下物体的颜色,灰体概念的提出使基尔霍夫定律无条件成立,与波长、温度无关,使吸收率的确定及辐射换热计算大为简化,因此具有重要的作用;黑体概念的提出使热辐射的吸收和发射具有了理想的参照物。)

5. 玻璃可以透过可见光,为什么在工业热辐射范围内可以作为灰体处理?

(提示:可以从灰体的特性和工业热辐射的特点来论述。所谓灰体是针对热辐射而言的,

灰体是指吸收率与波长无关的物体。在红外区段,将大多数实际物体作为灰体处理所引起的误差并不大,一般工业热辐射的温度范围大多处于2000K以下,因此其主要热辐射的波长位于红外区域。许多材料的单色吸收率在可见光范围内和红外范围内有较大的差别,如玻璃在可见光范围内几乎是透明的,但在工业热辐射范围内则几乎是不透明的,并且其光谱吸收比与波长的关系不大,可以作为灰体处理。) 6. 什么是“温室效应”?为什么说大气中的C02含量增加会导致温室效应?

(提示:可以从气体辐射的特点和能量平衡来加以说明。CO2气体具有相当强的辐射和吸收能力,属于温室气体。根据气体辐射具有选择性的特点,CO2气体的吸收光带有三段:2.65—2.8、4.15—4.45、13.0—17.0μm,主要分布于红外区域。太阳辐射是短波辐射,波长范围在0.38一0.76μm,因此,对于太阳辐射C02气体是透明的,能量可以射入大气层。地面向空间的辐射是长波辐射,主要分布于红外区域,这部分辐射在CO2气体的吸收光带区段C02气体会吸收能量,是不透明的。在正常情况下,地球表面对能量的吸收和释放处于平衡状态,但如果大气中的CO2含量增加会使大气对地面辐射的吸收能力增强,导致大气温度上升,导致了所谓温室效应。) 五、 计算题

1. 太阳能以900W/m2的平均辐射强度射到建筑物的房顶上,房顶对太阳辐射的吸收率为0.85,房顶的

面积为100m2,温度为37℃,发射率为0.88. 若室外空气温度为7℃,自然对流传热系数为5W/(m2.K),试计算传人房内的热量。

(提示:这是一个辐射与自然对流共同作用下的复合换热问题,太阳辐射以投入辐射的

形式对建筑物进行辐射,建筑物以自然对流和辐射两种方式向大气散热,传人房间的热量为屋顶的吸热量与散热量之差。 答案:46.1kW。)

2. 一根直径为60mm的电缆,被置于横断面为0.1×0.lm2的封闭电缆沟槽内,若电缆表面黑度为0.83、

表面温度为77℃,电缆沟表面温度为27℃、黑度为0.92,试问单位长度电缆的辐射散热量为多少?为了加强电缆的散热能力,还可以采取哪些措施?

(提示:这是一个求解两表面之间辐射换热的辐射问题,可以设电缆表面与沟槽表面分

别为1、2表面。 答案:59.22W/m,为了加强电缆的散热能力,还可以来取提高电线及沟槽表面的黑度、增大沟槽的截面积、采用导热性良好的支架、增加沟槽内的通风等措施。)

3. 有一直径分别为120mm、150mm的长圆管组成的同心套管,内管中通过低温流体,其外表面温度T1

=77K,黑度ε1=0.02,外管内表面温度T2=300K,黑度ε2=0.05,两表面间抽真空。已知ζ0=5.67

×10-8W/(m2.K4),试计算单位管长上低温流体获得的热流量。

(提示:这是一个求解内、外管两表面之间辐射换热的问题,二表面间抽真空说明不存在气体的导热和对流换热。 答案:2.603W/m。)

4. 对于第三题所示的同心套管,如果用一薄遮热罩(直径135mm,两面黑度均为ε3=0.02)插在两表面之

间,这时单位管长上低温流体获得的热流量为多少?

(提示:这是一个两表面之间插人遮热板的辐射换热问题,可以通过画出热阻图,然后列出热流方程来计算。 答案:1.117W/m。)

5. 有一台用于确定气体导热系数的装置:一圆管,加热导线沿轴线穿过。现测得通过导线的电流为0.5A,

导线两端的电压3.6V,管长300mm,导线直径0.05mm,导线温度167℃,管子的内径(直径)2.5mm,管壁内表面温度127℃假定导线和管子内表面的黑度分别为0.7和0.8,试确定管内气体的导热系数(设所测气体能透过热辐射,并不计对流传热)。

(提示:这是一个求解内线、外管两表面之间辐射换热的问题,由于不计对流换热,根据能量平衡原理,导线的加热量等于二表面间的辐射换热量和通过气体层的导热量之和。 答案:0.0922W/(m·K)。)

6. 用裸露的热电偶测量炉膛内的烟气温度,测得烟温为792℃,已知水冷壁表面温度为600℃,烟气对

热电偶表面的对流传热系数为60W/(m2.K),热电偶的表面黑度为0.3,试求炉膛烟气的真实温度和该热电偶的测温误差(不计热电偶套管的导热热量损失)。

(提示:若不计热电偶套的导热热量损失,热电偶的显示温度是烟气对热电偶的对流换

热与辐射换热和热电偶对水冷壁的辐射散热达到能量平衡的结果。热电偶相对于炉膛是一个很小的表面,因此水冷壁表面可以作为黑表面处理。

答案:1032.78℃,测量误差为240.78℃,23.3%。)

7. 在两块黑度为0.8的平行大平面之间插入一块黑度为0.05的大遮热板,试求插入遮热板后这两个大平

面之间的辐射传热量是未插遮热板时的几分之一。

(提示:这是一个两个大平面之间的辐射换热计算和在两个大平面之间插入遮热板削弱辐射换热的问题。 答案:1/27)

8. 一根直径为300mm、长度为250mm的圆管,一端开口与环境相通,另一端封闭. 圆管的内表面温度

保持均匀恒定,为1000K,环境温度为300K,圆管的内壁面可以看作为黑表面,试求圆管的内壁面与环境的辐射传热量。

(提示:圆管的内壁面对环境的辐射热量都必须通过圆管的开口,因此可以看作圆管内壁面与圆管开口的一个假想平面之间的辐射换热,由于环境是一个很大的表面,因此折算到圆管的开口表面,可以认为这是一个有限面积的黑表面。所以实际上这是一个两个黑表面之间的辐射换热问题。两个表面之间的角系数可以用几何分析法得到。 答案:3975.4W) 四、简答题

1. 试举出3个隔热保温的措施,并用传热学理论阐明其原理?

(提示:可以从导热、对流、辐射等角度举出许多隔热保温的例子.例如采用遮热板,可以显著削弱表面之间的辐射换热,从传热学原理上看,遮热板的使用成倍地增加了系统中辐射的

表面热阻和空间热阻,使系统黑度减小,辐射换热量大大减少;又如采用夹层结构并抽真空,可以削弱对流换热和导热,从传热角度看,夹层结构可以使强迫对流或大空间自然对流成为有限空间自然对流,使对流换热系数大大减小,抽真空,则杜绝了空气的自然对流,同时也防止了通过空气的导热;再如表面包上高反射率材料或表面镀银,则可以减小辐射表面的吸收比和发射率(黑度),增大辐射换热的表面热阻,使辐射换热削弱,等等。)

2. 解释为什么许多高效隔热材料都采用蜂窝状多孔性结构和多层隔热屏结构。

(提示:从削弱导热、对流、辐射换热的途径方面来阐述。高效隔热材料都采用蜂窝状多孔性结构和多层隔热屏结构,从导热角度看,空气的导热系数远远小于固体材料,因此采用多孔结构可以显著减小保温材

料的表观导热系数,阻碍了导热的进行;从对流换热角度看,多孔性材料和多层隔热屏阻隔了空气的大空间流动,使之成为尺度十分有限的微小空间。使空气的自然对流换热难以开展,有效地阻碍了对流换热的进行;从辐射换热角度分析,蜂窝状多孔材料或多层隔热屏相当于使用了多层遮热板,可以成倍地阻碍辐射换热的进行,若再在隔热屏表面镀上高反射率材料,则效果更为显著。)

3. 什么叫换热器的顺流布置和逆流布置?这两种布置方式有何特点?设计时如何选用?

(提示:从顺、逆流布置的特点上加以论述。冷、热流体平行流动且方向相同称为顺流,换热器顺流布置具有平均温差较小、所需换热面积大、具有较低的壁温、冷流体出口温度低于热流体出口温度的特点。冷、热流体平行流动但方向相反称为逆流,换热器逆流布置具有平均温差大、所需换热面积小、具有较高壁温、冷流体出口温度可以高于热流体的出口温度的特点。设计中,一般较多选用逆流布置,使换热器更为经济、有效,但同时也要考虑冷、热流体流道布置上的可行性,如果希望得到较高的壁面温度,则可选用逆流布置,反之,如果不希望换热器壁面温度太高,则可以选择顺流布置,或者顺、逆流混合布置方式。) 4. 试解释并比较换热器计算的平均温差法和ε—NTU法?

(提示:从平均温压法和ε—NTU法的原理、特点上加以阐述。两种方式都可以用于换热器的设计计算和校核计算,平均温差法是利用平均温差来进行换热器的计算,而ε—NTU法是利用换热器效能ε与传热单元数NTU来进行换热器计算。平均温压法要计算对数平均温压,而ε—NTU法则要计算热容量比、传热单元数或换热器效能。设计计算时,用平均温差法比用ε—NTU法方便,而在校核计算时,用ε—NTU法比用平均温差方便。)

5. 请说明在换热设备中,水垢、灰垢的存在对传热过程会产生什么影响,如何防止。

(提示:从传热系数或传热热阻角度分析。在换热设备中,水垢、灰垢的存在将使系统中导热热阻大大增加,减小了传热系数,使换热性能恶化,同时还使换热面易于发生腐蚀,并减小了流体的流通截面,较厚的污垢将使流动阻力也增大。此外,热流体侧壁面结垢,会使壁面温度降低,使换热效率下降·,而冷流体侧壁面结垢,会导致壁温升高,对于换热管道,甚至造成爆管事故。防止结垢的手段有定期排污、清洗、清灰,加强水处理,保证水质,采用除尘、吹灰设备等。) 五、计算题

1. 有一墙体,由三层材料建成,内层为墙砖,厚20mm,导热系数0.5W/(m·K),中间层为保温材

料,厚35mm,导热系数为0.021W/(m·K),外层为防护层,厚5mm,导热系数为0.8W/(m·K)。已知内侧的对流传热系数为50W/(m2.K)、辐射传热系数为30W/(m2.K),流体温度为760℃;外例的对流传热系数为5.6 W/(m2.K )、辐射传热系数为3.6 W/(m2.K),流体温度为20℃,试求: (1) 传热系数; (2) 热流密度; (3) 防护层两侧的温度。

(提示:这是一个计算通过多层平壁的传热问题。 答案:传热系数为0.545W/(m2.K),热流密度403.5W/m2,防护层两侧温度分别为 63.86℃和66.38℃。)

2. 有一铜塑复合板,两侧分别流过冷、热介质,复合板的厚度为2.5mm,其中铜板厚1.5mm,铜的导

热系数很大,导热热阻可忽略不计,聚乙烯材料的导热系数为0.04W/(m·K),热流体侧的对流传热系数为3000W/(m2.K),冷流体侧的对流传热系数为30 W/(m2.K),试求: (1) 该传热过程中各个环节的热阻及在总热阻中所占的百分比; (2) 传热系数;

(3) 若要强化传热,应在哪一侧加肋片较好?若在该侧加装了直肋,肋化系数β=12,肋壁效率η=

0.88,此时传热系数又为多少?

(提示:这是一个求解传热过程中各环节分热阻和总热阻、计算平壁和肋化壁的传热系 数的问题。肋片应当加在对流换热热阻较大的一例。 答案:(1)3.333×10-4(m2.K)/W,0.57%(热流体侧);0.025(m2.K)/W,42.63%(壁面);0.0333(m2.K)/W,56.78%(冷流体侧);(2)传热系数17.05W

/(m2.K)。(3)冷流体侧 的对流换热热阻大于热流体侧,应在冷流体侧加肋较好。加肋后的传热系数为35.1 W/(m2.K)。)

3. 有一热水管道,内径为20mm,外径为25mm,管壁导热系数为45W/(m·K)。管内流过95℃的热水,

管外包着导热系数为0.056W/(m·K)的保温层,厚度为2mm。已知热水对管内壁的传热系数为1200 W/(m2·K),保温层外的空气温度为25℃,空气与保温层表面的复合传热系数为10W/(m2·K)。试问:

(1) 每米长管子的散热量为多少?若折算成煤气,设煤气的发热量为10000kJ/m3,则单位管长的

散热量相当于每30天消耗多少煤气?

(2) 保温层外表面的温度为几度? (3) 若将保温层厚度增加至10mm,情况如何?

(4) 若将保温层材料改为导热系数为0.011W/(m·K)的新材料,厚度仍为2mm,则情况又怎样? (提示:这是一个计算通过多层圆筒壁的传热问题.

答案:散热量45.65W/m,相当于每30天11.83m3的煤气,保温层外表面温度为70.1℃。保温层厚度增厚以后,散热量为29.27W/m,相当于每30天7.6m3的煤气,保温层外表面温度为40.7℃。保温材料更新后,散热量为21.48W/m,相当于每30天5.57m3的煤气,保温层外表面温度为43.57℃。保温方案的确定还需要考虑经济性问题。)

4. 已知热流体的流量为1.5kg/s,比热为4.18kJ/(kg·K),进口温度为170℃;冷流体的流量为2kg

/s,比热为2.23kJ/(kg·K),进口温度25℃,现准备用一螺旋板式传热器作为热交换设备,其传热面的曲率影响在对流传热系数中考虑,因此传热面可以按平壁处理,且壁面为良导热材料,其导热热阻可以忽略,热流体对传热壁面的对流传热系数为2000W/(m2.K),冷流体对壁面的对流传热系数为750W/(m2·K),为了使冷流体的出口温度达到80℃以上,问: (1) 热流体的出口温度为多少? (2) 该换热器的传热系数为多少? (3) 若采用逆流布置,需要多大的传热面? (4) 若采用顺流布置,传热面又需多少?

(提示:这是一个换热器的设计计算问题。 答案:热流体出口温度130.88℃,传热系数545.45W/(m2.K),逆流时换热面积需要4.6m2,顺流时需要5.0m2。)

5. 流量为0.2kg/s、比热容为2.0 kJ/(kg·K)、初温为350℃的油将水从15℃加热到70℃,出口油

温为l00℃,冷却水的比热容取为4.174kJ/(kg·K)。今有两台逆流式换热器:(A)KA=500W/(m2.K);(B)KB=150W/(m2.K)。试分别用对数平均温差法和ε—NTU法计算:

(1)冷却水的质量流量为多少?

(2)请通过计算,说明选用哪一台换热器较好?

(提示:这是一个通过计算换热面积来选择换热器的设计类问题。 答案:冷却水的质量流量是0.436kg/s。换热器A的换热面积是1.22m2,换热器B的换热面积是4.08m2,根据换热面积判断,达到相同换热量,A所用的换热面积小于B,因此A较好。)

6. 有一气—水换热器,烟气从管外流过,水从管内流过,换热管的外径为50mm、壁厚为3.5mm,钢管

的导热系数为45W/(m·K)。已知烟气侧传热系数h0=80W/(m2.K),水侧传热系数hi=3500W/(m2.K),烟气平均温度500℃,水的平均温度70℃,试求: (1) 各个环节的分热阻及传热系数; (2) 单位管长的热流量和管外壁温度。

(提示:这是一个计算换热设备的传热系数和换热量的问题,同时需要校核管壁温度。 答案:热阻为0.0796(m3.K)/W(烟侧)、0.00053(m2.K)/W(管壁)、0.002l(m2.K)/W(水侧),传热系数为77.41W/(m2.K),单位长度换热量为5.23kW/m,管外壁温度是83.87℃)

7. 对于第3题所述的换热器,若运行一段时间后,外壁面结了厚1mm、导热系数为0.1W/(m·K)的

灰垢,则其传热系数和单位长度传热量又为多少?管外壁温度怎样变化?若是在管内壁上结了厚1mm、导热系数为l W/(m·K)的水垢,而管外壁上无灰垢,情况又如何?

(提示:这是一个计算有污垢时换热设备的传热系数、换热量和管壁温度的问题。

答案:有灰垢时:传热系数为44.01W/(m2.K)(下降约43%),单位长度换热量为 2.97kW/m,管外壁温度为78.26℃(下降近7%);有水垢时:传热系数为70.89W/(m2.K) (下降约8%),单位长度换热量为4.79kW/m,管外壁温度为118.7℃ (上升约为42%)。)

8. 有一空气预热器,烟气从管内流过,空气在管外横掠管束传热,换热器管外总传热面积为18.3m2,

空气的进口温度为30℃,流量为1.0×104kg/h,比热为1.005kJ/(kg·K),空气对管壁的对流传热系数为100W/(m2.K);烟气的进口温度为430℃,流量为1.4×104kg/h,比热为1.122kJ/(kg·K),烟气对管内壁的对流传热系数为70 W/(m2.K);传热管的外径为60mm,壁厚3mm,管壁为金属,导热热阻可以忽略,试问:

(1) 按顺流布置,空气与烟气的出口温度为多少? (2) 按逆流布置,空气与烟气的出口温度又为多少?

(提示:这是一个换热器的校核问题,可以用平均温差法计算,也可用传热单元数法计算,用后者计算更为方便。

答案:按顺流布置,空气出口温度为112.8℃,烟气出口温度为377.0℃;按逆流布置,空气出口温度为113.7℃,烟气出口温度为376.4℃。)

9. 用一台逆流套管式换热器来冷却润滑油,热油的入口温度为100℃,出口温度为40℃,比热为2.1 kJ

/(kg·K);冷却水在管内流动,入口温度为20℃,出口温度为50℃,流量为3kg/s,比热为4.174kJ/(kg·K),已知换热系统的传热系数为350W/(m2.K),试求: (1) 润滑油的流量; (2) 换热器的传热量; (3) 所需传热面积。

(提示:这是一个计算热流体流量、换热量和换热面积的问题

答案:油流量为2.98kg/s,换热量为375.66kW,需要传热面积32.78m2。)

10.有一管壳式换热器,传热面由内径为20mm、外径为25mm的铜管组成。管内的水流速度为1m/s,

进口水温25℃,出口水温50℃。管外空气横向流动,管外的肋化系数为12,肋效率为0.8,最窄处气流速度为12m/s,空气进、出口温度分别为200℃和150℃。若该换热设备的污垢热阻取0.0008m2.K/W,试求: (1) 管内对流传热系数; (2) 管外对流传热系数;

(3) 以管内表面为基准的传热系数; (4) 对数平均温压(温差修正系数为0.95); (5) 以管子内表面为基准的传热面积。

己知水的物性:λ=0.66W/(m·K),ρ=992kg/m3,ν=0.66×10m/s,管内流动传热的

-62

准则方程式为:Nuf=0.023Ref08Prf04。

空气物性:λ=0.037W/(m·K),ρ=0.799kg/m3,ν=31.25×10m/s,cp=1.02kJ/

-62

(kg·K),管外横向流动传热的准则方程式为:Nuf=0.25Ref06Prf0

.33

(提示:这是一个换热器的设计计算问题。

答案:管内对流换热系数为5155W/(m2.K),管外对流传热系数为80.16W/(m2.K),以管内表面为基准的传热系数为810.65W/(m2.K),对数平均温压为130.26℃,以管内表面为基准的传热面积为0.31m2。)

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