Resistência hidráulica de um trocador de calor casco e tubos: cálculo 2026 

Resistência hidráulica de um trocador de calor casco e tubos: cálculo 2026 e impacto na operação

A queda de pressão na tubulação e no espaço anular é um parâmetro crítico que determina não apenas a escolha do equipamento de bombeamento, mas também a eficiência energética geral do sistema a longo prazo. Em 2026, quando o custo da electricidade para as empresas industriais atingiu máximos históricos, um erro no cálculo da resistência hidráulica de um permutador de calor de casco e tubos pode levar a custos excessivos de até 30% anualmente. Assistimos a uma tendência em que os clientes se concentram apenas na energia térmica, ignorando a hidráulica, o que posteriormente resulta na substituição das bombas de circulação ou na modernização completa da unidade de tubagem. O cálculo preciso requer levar em consideração não apenas a geometria do feixe de tubos, mas também as propriedades reológicas do refrigerante nas temperaturas de operação, bem como os coeficientes de rugosidade que mudam durante a operação.

Nossa prática de engenharia mostra que as fórmulas padrão dos livros didáticos dos anos 90 geralmente apresentam erros de até 15-20% ao trabalhar com meios viscosos modernos ou fluxos de alta velocidade. Neste artigo, analisaremos a metodologia de cálculo relevante para projetos em 2026, com base em padrões atualizados da indústria e dados de testes reais. Você aprenderá como evitar a cavitação, escolher as partições segmentares corretas e por que os cálculos automatizados às vezes são inferiores à engenharia manual em condições específicas.

Natureza física da perda de pressão no espaço da tubulação

A resistência ao movimento de fluidos no interior dos tubos consiste em dois componentes principais: atrito contra as paredes e resistência local. O atrito depende do regime de fluxo (laminar ou turbulento), que é determinado pelo número de Reynolds. Na maioria dos trocadores de calor industriais estamos lidando com um fluxo turbulento desenvolvido, onde o coeficiente de atrito hidráulico depende fracamente do número de Reynolds, mas depende criticamente da rugosidade relativa das paredes do tubo. Aqui reside a primeira armadilha para os projetistas: o uso de dados de passaporte para novas tubulações sem levar em conta o fator de segurança para poluição.

A resistência local ocorre nas câmaras de entrada e saída, bem como em locais onde a direção do fluxo muda. Se o trocador de calor for multipassagem, o líquido é forçado a girar 180 graus várias vezes nas câmaras de distribuição. Cada uma dessas voltas gera zonas de vórtice, dissipando a energia do fluxo. A queda de pressão total no espaço do tubo ($Delta P_{tube}$) é calculada como a soma das perdas por atrito ao longo do comprimento dos tubos e das perdas na resistência local das câmaras.

É importante compreender que aumentar a velocidade do refrigerante para intensificar a transferência de calor leva a um aumento quadrático na resistência hidráulica. Dobrar a velocidade quadruplica a queda de pressão. Esta é uma compensação fundamental: obtemos uma máquina mais compacta em detrimento da alta velocidade, mas pagamos por isso com bombas potentes. Num ambiente de 2026, onde as despesas de capital (CAPEX) para bombas são menos sensíveis do que as despesas operacionais (OPEX) para eletricidade, a velocidade ideal muda frequentemente para valores mais baixos em comparação com os padrões anteriores.

Um de nossos clientes se deparou com uma situação em que um trocador de calor calculado pelo método clássico não foi capaz de fornecer a vazão projetada devido a um coeficiente de rugosidade subestimado. O fabricante utilizou dados para tubos perfeitamente lisos, enquanto os produtos reais apresentavam micro-rugosidades características de produtos laminados sem costura. O resultado foi uma escassez de consumo de 18%, o que levou à violação das normas tecnológicas da linha de engarrafamento. Este caso evidencia a necessidade de introdução de fatores de correção do estado real da superfície interna dos tubos.

Cálculo das perdas por atrito ao longo do comprimento dos tubos

A fórmula básica para determinar a perda de carga por atrito é baseada na equação de Darcy-Weisbach. O coeficiente de atrito hidráulico $lambda$ é uma variável chave. Para condições turbulentas em tubos lisos, a fórmula de Blasius é frequentemente utilizada, mas para condições industriais a fórmula de Altschul, que leva em conta a rugosidade equivalente $k_{e}$, é mais precisa. O valor $k_{e}$ para tubos de aço novos geralmente fica na faixa de 0,1–0,2 mm, mas para tubos feitos de aço inoxidável ou metais não ferrosos pode ser uma ordem de magnitude menor.

O comprimento do caminho do fluido é determinado pelo número de cursos e pelo comprimento de um tubo. É importante lembrar que em dispositivos multipasse o comprimento efetivo aumenta proporcionalmente ao número de golpes. Ao mesmo tempo, as perdas nas próprias câmaras também aumentam. Os engenheiros muitas vezes ignoram o efeito da expansão térmica do tubo na geometria do fluxo, embora em aplicações de alta temperatura isso possa alterar significativamente as folgas e, portanto, o desempenho hidráulico.

Para um cálculo correto é necessário conhecer a viscosidade dinâmica do líquido precisamente na temperatura média do fluxo. A viscosidade é altamente dependente da temperatura: para a água, uma mudança de 10°C pode alterar a viscosidade em 20%, e para os óleos este valor muda significativamente. Usar valores médios da tabela sem referência a um perfil de temperatura específico é um erro comum que leva à determinação incorreta do número de Reynolds.

Levando em consideração resistências locais em câmaras e tubulações

As perdas nas resistências locais são calculadas através dos coeficientes $zeta$, que dependem da geometria da entrada, saída e curvas. A entrada do tubo da câmara de distribuição, a saída da câmara, gira nas tampas - cada elemento tem seu próprio coeficiente. A soma desses coeficientes é multiplicada pela pressão da velocidade. Atenção especial deve ser dada às seções de entrada: se a entrada dos tubos não tiver uma curva suave, o coeficiente de resistência local pode aumentar 1,5–2 vezes em comparação com o perfil otimizado.

Nos trocadores de calor multipasse, parte significativa das perdas ocorre devido às voltas nas câmaras intermediárias. O projeto das divisórias nas câmaras deve garantir uma distribuição uniforme do fluxo em todas as tubulações de passagem. Se o fluxo for distribuído de forma desigual, algumas tubulações operarão com sobrecarga de velocidade e outras operarão em zonas estagnadas. Isto não só aumenta a resistência hidráulica geral, mas também reduz a eficiência da transferência de calor devido à irregularidade do campo de temperatura.

Recomendamos sempre adicionar uma reserva para resistência local de 10-15% acima do valor calculado, especialmente se o projeto do trocador de calor envolver um sistema de tubulação complexo com um grande número de válvulas de corte diretamente na frente do dispositivo. Filtros, válvulas e redutores instalados na entrada criam resistência adicional, que deve ser levada em consideração no desempenho hidráulico geral do sistema, e não apenas no próprio trocador de calor.

Hidráulica do anel: o papel das divisórias

O cálculo da resistência no anel é muito mais complexo devido à complexa geometria do fluxo. O líquido aqui não se move em linha reta, mas em zigue-zague, lavando os canos e encontrando divisórias segmentadas. As principais fontes de perdas são o atrito durante o fluxo transversal ao redor do feixe tubular e as perdas por superação das janelas das divisórias, bem como os vãos entre as divisórias e o corpo.

As divisórias segmentadas servem para direcionar o fluxo e evitar a flacidez dos tubos, mas também criam a principal resistência hidráulica. O passo dos defletores é um parâmetro ajustável: reduzir o passo aumenta a velocidade do fluxo nas janelas e no espaço anular, melhorando a transferência de calor, mas aumentando drasticamente a queda de pressão. O passo ideal é selecionado iterativamente, equilibrando os requisitos térmicos e hidráulicos.

Os vãos entre a divisória e o corpo, bem como entre tubos e furos nas divisórias, criam caminhos para vazamentos de líquidos. Esses vazamentos não participam da troca de calor útil, mas reduzem a resistência geral do dispositivo. Paradoxalmente, a presença de vazamentos pode “salvar” a bomba de sobrecarga, mas o preço será uma queda acentuada na eficiência do trocador de calor. Os cálculos atuais de 2026 usam fatores de correção Bell-Delaware que levam em consideração o efeito de todos os tipos de vazamento na vazão e pressão efetivas.

Na nossa prática, houve um caso em que o cliente insistiu num espaçamento mínimo entre divisórias para maximizar a transferência de calor num espaço limitado. Como resultado, a pressão no espaço entre tubos excedeu o valor permitido para a carcaça, o que levou à deformação das divisórias e à vibração do feixe de tubos. A vibração causou falha por fadiga nas áreas de rolamento do tubo após apenas 8 meses de operação. Este exemplo demonstra que é inaceitável negligenciar os cálculos hidráulicos em prol do desempenho térmico.

Técnica Bell-Delaware e ajustes modernos

O método Bell-Delaware continua sendo o padrão ouro para o cálculo de aparelhos de casco e tubo, mas está sendo constantemente aprimorado. O modelo básico considera um feixe tubular ideal e depois introduz uma série de fatores de correção. O coeficiente $J_c$ leva em consideração a configuração das partições, $J_l$ - o efeito das lacunas, $J_b$ - o efeito do fluxo de desvio ao longo do corpo. Para um cálculo preciso, é necessário conhecer os parâmetros geométricos com alta precisão: diâmetro do corpo, diâmetro externo dos tubos, passo do tubo, tipo de disposição do tubo (triangular ou quadrado).

Um arranjo de tubo triangular proporciona um layout mais compacto e melhor transferência de calor, mas cria maior resistência hidráulica em comparação com um arranjo quadrado. A disposição quadrada facilita a limpeza mecânica do anel, o que é importante para ambientes contaminados, mas requer um diâmetro de alojamento maior para o mesmo desempenho térmico. A escolha do layout da tubulação deve ser feita nas fases iniciais do projeto, levando em consideração as prioridades: compacidade e eficiência ou facilidade de manutenção e baixa resistência.

Os modernos sistemas de software permitem simular o escoamento levando em consideração a estrutura tridimensional, mas para avaliações preliminares e cálculos de verificação, a técnica Bell-Delaware continua sendo a mais transparente e compreensível para o engenheiro. Ele permite rastrear manualmente a contribuição de cada fator para a resistência total. Usamos esta técnica como uma ferramenta básica para verificar resultados de simulação computacional, uma vez que o software “caixa preta” às vezes pode falhar quando recebe dados de entrada não padronizados.

Problema de fluxo de bypass e como resolvê-lo

O fluxo de desvio é parte do líquido que desliza entre a fileira mais externa de tubos e a parede da carcaça sem participar de intensa troca de calor. Quanto maior for a distância entre a viga e o corpo, maior será a quota de desvio. Este fenômeno reduz a velocidade média do fluxo no núcleo e distorce o perfil de temperatura. Para combater esse efeito, são utilizadas tiras de vedação longitudinais, que preenchem a lacuna e direcionam todo o fluxo através do feixe de tubos.

A instalação de tiras de vedação aumenta a resistência hidráulica porque elimina um caminho fácil para o fluido, mas esse aumento é justificado. Leva a um aumento da velocidade na área de trabalho e, consequentemente, a uma intensificação da transferência de calor. O número e a largura das venezianas são calculados com base na folga permitida e na eficiência necessária. A ausência de tiras em dispositivos grandes pode reduzir a eficiência em 20 a 30%.

No cálculo da resistência é necessário levar em consideração que a instalação das tiras altera a estrutura do fluxo. As velocidades locais em áreas próximas às venezianas aumentam, o que pode levar à erosão ou vibração dos tubos. Portanto, ao projetar dispositivos de alta velocidade, o material das lâminas e o método de sua fixação devem ser selecionados levando em consideração o desgaste abrasivo. Recomendamos a utilização de tiras do mesmo material dos tubos ou polímeros resistentes ao desgaste para ambientes agressivos.

Efeito da poluição e dos fatores de poluição na hidráulica

Nenhum cálculo estará completo sem levar em conta a contaminação das superfícies de troca de calor. Durante a operação, formam-se depósitos nas paredes dos tubos e no espaço entre tubos: incrustações, produtos de corrosão, incrustações biológicas ou polimerização de produtos. Estes depósitos reduzem a área de escoamento dos canais e aumentam a rugosidade das paredes, o que leva a um aumento progressivo da resistência hidráulica.

O coeficiente de poluição está inicialmente incluído no projeto como reserva. No entanto, a dinâmica do crescimento dos sedimentos não é linear. Nos primeiros meses de trabalho, a resistência pode aumentar rapidamente, depois o processo se estabiliza. Se o sistema não for projetado para limpeza regular ou lavagem química, a resistência poderá exceder a capacidade das bombas após um ou dois anos de operação. Os padrões TEMA e GOST fornecem recomendações para a seleção de fatores de contaminação dependendo do tipo de líquido e da temperatura.

Encontrámos um caso numa refinaria de petróleo em que um permutador de calor de petróleo bruto perdeu 40% da sua capacidade em seis meses devido a depósitos de cera. O cálculo do projeto não levou em consideração as flutuações sazonais no teor de parafina no óleo recebido. A solução exigiu a instalação de um sistema online de limpeza de grânulos (Taprogge), que permitiu manter a resistência hidráulica dentro de limites aceitáveis sem interromper a produção. Esta experiência mostrou que para ambientes propensos à contaminação, a limpeza mecânica deve ser incluída no conceito do dispositivo.

Ao escolher os materiais dos tubos, a tendência à incrustação também deve ser levada em consideração. Superfícies lisas, como aço inoxidável polido ou ligas de cobre-níquel, são menos suscetíveis à adesão de depósitos em comparação com o aço preto. Embora o custo inicial de tais tubos seja mais elevado, a frequência reduzida de limpeza e a estabilidade dos parâmetros hidráulicos ao longo da vida útil muitas vezes os tornam mais rentáveis a longo prazo (análise do custo do ciclo de vida (LCC)). É por isso que equipamentos modernos, como feixes de tubos corrugados de aço inoxidável 316 ou produtos de latão marítimo C46400, prestam atenção especial à qualidade da superfície interna, que afeta diretamente o desempenho hidráulico.

Algoritmo prático de cálculo e verificação

Para um engenheiro de projeto, um algoritmo claro de ações é importante para minimizar erros. Abaixo está a abordagem passo a passo que usamos ao auditar projetos e desenvolver novos nós. Combina métodos analíticos e ajustes empíricos acumulados ao longo de anos de prática.

1. Coleta de dados iniciais e verificação de sua confiabilidade.Nesta fase, é necessário obter não apenas vazões e temperaturas, mas também a composição química detalhada dos refrigerantes, a presença de partículas em suspensão e os requisitos dos materiais. É fundamental esclarecer com o cliente a queda de pressão permitida. Muitas vezes o cliente nomeia o valor “fora da cabeça”, sem correlacioná-lo com as características das bombas existentes. Nossa tarefa é solicitar dados de passaporte de bombas ou curvas de rede. Um erro nesta fase torna todos os cálculos subsequentes sem sentido.
2. Seleção preliminar da geometria do dispositivo.Com base na carga térmica, são selecionados o diâmetro aproximado da carcaça, o comprimento dos tubos, seu número e diâmetro. O número de cursos no espaço do tubo é determinado. A experiência da similaridade é usada aqui: olhamos para análogos que funcionam com sucesso. Se anteriormente foi utilizado um dispositivo com diâmetro de 600 mm para tarefa semelhante, não faz sentido iniciar o cálculo com 400 mm, a menos que haja restrições dimensionais estritas. O tipo de partição é selecionado (segmentar, disco, espiral).
3. Cálculos térmicos e hidráulicos em conjunto.Um cálculo iterativo é executado. As taxas de fluxo são definidas, os coeficientes de transferência de calor e queda de pressão são calculados. Se a pressão resultante exceder a permitida, o diâmetro do aparelho é aumentado ou o passo das partições/número de cursos é alterado. Este processo é repetido até que os resultados convirjam. É importante verificar as velocidades de entrada nos bicos: elas não devem exceder 3-5 m/s para líquidos para evitar erosão.
4. Análise de sensibilidade e reserva.Os cálculos são realizados para modos limite: viscosidade máxima, temperatura mínima, pico de contaminação. O funcionamento do dispositivo é verificado no modo de inicialização, quando a viscosidade pode ser máxima. É fornecida uma reserva para a superfície de troca de calor (geralmente 10-15%) e pressão. Sempre verificamos se o dispositivo permanecerá operacional caso uma das bombas conectadas em paralelo falhe (se o circuito fornecer redundância).
5. Verificação da resistência à vibração.Taxas de vazão altas podem causar vibração no tubo (vibração induzida por vazão). A velocidade crítica de fluxo cruzado é calculada. Se a velocidade de operação estiver próxima do crítico, é necessário alterar o passo das divisórias ou instalar suportes adicionais. Ignorar este ponto é um caminho direto para um acidente. A vibração leva ao rápido desgaste dos pontos de contato entre tubos e divisórias e à despressurização.

Após a conclusão de todas as etapas, são gerados uma especificação e um desenho geral. É importante que a documentação indique claramente os parâmetros de projeto para os modos “dispositivo limpo” e “dispositivo sujo”. Isto fornecerá ao pessoal operacional diretrizes para monitorar a integridade do sistema. Caso os manômetros apresentem aumento da pressão diferencial acima do valor calculado para a condição contaminada, é um sinal para limpeza ou diagnóstico imediato.

Comparação de métodos de cálculo: Manual versus software

Na engenharia moderna, existe um dilema: você deve confiar em software especializado ou realizar testes manuais? Ambas as abordagens têm suas vantagens e limitações. Compreender suas diferenças permite que você tome decisões informadas ao projetar componentes críticos.

Nossa posição é usar uma abordagem híbrida. Usamos software poderoso para projeto básico e otimização, mas uma etapa obrigatória é verificar manualmente os principais componentes (por exemplo, queda de pressão no curso mais carregado) usando fórmulas simplificadas. Isso permite detectar erros grosseiros de entrada de dados que o programa pode “engolir” e produzir um resultado bonito, mas incorreto. O programa não substitui o pensamento do engenheiro, apenas aprimora suas capacidades.

O custo das licenças de software profissional é elevado e, para pequenas empresas de engenharia, isto pode ser uma barreira. Nesses casos, tabelas Excel de alta qualidade com macros, desenvolvidas com base nos métodos TEMA, podem se tornar uma alternativa válida para dispositivos de uso padrão. O principal é atualizar regularmente o banco de dados de propriedades do refrigerante nessas tabelas.

Normas e quadro regulamentar 2026

Ao projetar equipamentos de troca de calor, é necessário guiar-se pelas normas vigentes. No contexto internacional, o principal documento é o padrão TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association), que classifica os dispositivos em classes de confiabilidade (R, B, C) e contém métodos de cálculo detalhados. Para os mercados russo e EAEU, são utilizados GOSTs, harmonizados com os padrões internacionais, mas com especificidades próprias.

GOST R 53683-2009 (análogo à ISO 16812) regula os requisitos para trocadores de calor casco e tubos para a indústria de petróleo e gás. Um aspecto importante é o cumprimento dos requisitos do Regulamento Técnico da União Aduaneira TR CU 032/2013 “Sobre a segurança de equipamentos que operam sob sobrepressão”. Este regulamento define os procedimentos de avaliação da conformidade obrigatórios para a colocação em funcionamento de equipamentos no território da EAEU.

Em 2026, os requisitos de eficiência energética dos equipamentos industriais foram reforçados. As novas directivas exigem que a selecção do equipamento seja justificada em termos de minimização do consumo de energia ao longo do seu ciclo de vida. Isso significa que nas compras licitatórias, dispositivos com resistência hidráulica otimizada terão uma vantagem, mesmo que seu custo inicial seja um pouco maior. Um certificado de eficiência energética está a tornar-se um documento tão importante como um passaporte de qualidade.

Ao solicitar equipamentos, recomendamos que você solicite ao fornecedor uma planilha de cálculo (ficha técnica), que indique claramente os métodos de cálculo e os padrões utilizados. Isto protege o cliente do uso de métodos desatualizados e permite um exame independente do projeto. A presença do certificado ISO 9001, bem como o atendimento às normas internacionais PED e ASME do fabricante também são marcadores da qualidade dos processos de projeto e controle, garantindo a confiabilidade do equipamento mesmo em condições extremas.

Perguntas frequentes

Como reduzir a resistência hidráulica sem substituir o trocador de calor?

Existem várias maneiras de reduzir a resistência nos equipamentos existentes. A opção mais radical é remover parte das divisórias segmentares, o que aumentará o passo e reduzirá a vazão, mas piorará a transferência de calor. Um método mais suave é a limpeza por choque químico ou hidráulico do feixe de tubos contra depósitos, o que restaurará a área de fluxo. Você também pode considerar a substituição do impulsor da bomba por um modelo com especificação diferente se a redução na pressão resultar em uma queda inaceitável na vazão. Em alguns casos, a instalação de revestimentos antifricção no interior dos tubos ajuda, embora isso exija a desmontagem do aparelho.

Qual é a velocidade permitida do refrigerante nos tubos?

Para água e soluções aquosas, a velocidade recomendada é de 1,0–2,5 m/s. A redução da velocidade abaixo de 1,0 m/s promove a deposição de lodo e bioincrustação. Exceder 3,0 m/s aumenta drasticamente o risco de desgaste erosivo, especialmente se houver partículas sólidas na água, e aumenta o ruído. Para líquidos viscosos (óleo), as velocidades podem ser menores (0,5–1,5 m/s) devido ao alto número de Reynolds, mesmo em baixas velocidades. O valor específico é sempre determinado pelo equilíbrio entre o fator de incrustação e a queda de pressão permitida.

Por que a pressão no trocador de calor aumenta com o tempo?

Um aumento na queda de pressão é um sinal claro de contaminação das cavidades internas. Isto pode ser incrustação (carbonatos de cálcio), ferrugem, muco biológico ou polimerização de matéria orgânica. Menos comumente, a causa são danos mecânicos às divisórias, que alteram o caminho do fluxo e criam turbulência local. Se a pressão aumentar abruptamente, um objeto estranho poderá entrar no tubo. O monitoramento programado da pressão diferencial permite prever o próximo horário de limpeza e evitar paradas de emergência.

Conclusão e recomendações para escolher um fornecedor

A resistência hidráulica de um trocador de calor tipo casco e tubos não é apenas um número em uma planilha de cálculo, mas um parâmetro que afeta diretamente a confiabilidade e a economia de sua produção. Erros de cálculo custam caro: desde bombas queimadas até a interrupção de processos tecnológicos. Em 2026, a abordagem de design deve ser abrangente, tendo em conta não só a produção térmica, mas também a estabilidade hidráulica, a facilidade de manutenção e a eficiência energética.

Recomendamos não economizar na fase de vistoria de engenharia. Um cálculo de alta qualidade, realizado com métodos modernos e verificado por um especialista, se paga muitas vezes durante a operação. Na hora de escolher o equipamento preste atenção à disposição do fabricante em fornecer cálculos detalhados e adaptados às suas condições específicas, e não apenas oferecer uma solução padrão de um catálogo.

A escolha de um parceiro confiável desempenha um papel decisivo no sucesso do projeto. EmpresaWuxi Kaisheng Energia Elétrica e Equipamento Petroquímico Co., Ltd.é especializada no desenvolvimento e produção de soluções de transferência de calor altamente eficientes para as indústrias mais desafiadoras. Nosso portfólio inclui trocadores de calor de casco e tubos de titânio, vasos de pressão ASME e feixes de tubos exclusivos feitos de aço inoxidável corrugado 316, latão marinho C46400 e ligas de níquel de alta temperatura N06625. Também fabricamos refrigeradores de ar, caldeiras de recuperação e componentes como tubos feitos de aço 321 e ligas C70600.

Os produtos Wuxi Kaisheng são fabricados em aço carbono, aço inoxidável, ligas de aço, titânio, cobre e ligas de níquel para fornecer excepcional resistência à corrosão e capacidade de suportar altas pressões e temperaturas extremas. Todos os produtos são certificados de acordo com os rígidos padrões internacionais PED e ASME. Graças ao nosso departamento interno de engenharia, realizamos cálculos hidráulicos precisos para cada pedido, garantindo o equilíbrio ideal entre eficiência térmica e queda de pressão. Nossas soluções são amplamente utilizadas nas indústrias de refino de petróleo, produtos químicos, dessalinização de água do mar e construção naval, ajudando clientes em todo o mundo a alcançar a máxima eficiência energética.

Se você se deparar com o problema de selecionar um trocador de calor ou quiser auditar equipamentos existentes quanto à eficiência energética, entre em contato com nossos especialistas. Estamos prontos para realizar um cálculo preliminar e oferecer a configuração ideal do dispositivo, o que economizará dinheiro em energia elétrica e manutenção.

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