Pontificia Universidad Catlica de Valparaso Escuela de Ingeniera MecnicaPontificia Universidad Catlica de ValparasoFaculta de Ingeniera Escuela de Ingeniera Mecnica

Clculo y planificacin para cmara frigorfica de durazno

Informe presentado para el curso de refrigeracin, por:

Oscar Ancatn Gonzlez Anbal Gutirrez Balladares

Bajo la direccin de:

Yunesky Masip Profesor Ctedra

13/11/2014

ndice

Introduccin3Captulo I4Calculo de carga trmica4Propiedades Fsicas y termodinmicas del durazno51)Calculo calor sensible y latente durazno52)Calculo calor sensible pallets y cajas63)Calor de respiracin durazno74)Calculo de carga trmica por renovacin de aire85)Ganancia por paredes o parmetros106)Ganancia de calor por persona137)Ganancia de calor por el alumbrado148)Ganancia de calor por servicio159)Ganancia de calor por los ventiladores de los evaporadores1510)Carga trmica total16Capitulo II17Seleccin elementos y cmara frigorfica.171)Eleccin puerta cmara frigorfica182)Eleccin del Equipo Refrigerante193)Calculo de carga termina mediante Software INTARCON254)Conclusin utilizacin software28Bibliografa29Conclusin.30

Introduccin

El presente informe es el desarrollo y diseo de una cmara frigorfica para duraznos. La capacidad mxima de la cmara frigorfica es de 250.000 (kg), esta capacidad considera la masa de duraznos, la de las cajas y la de los pallets. Para nuestro diseo consideramos una capacidad de 200.000 (kg), y supondremos que nuestra cmara frigorfica trabajar a capacidad mxima en 7 das, posteriormente empezar otro ciclo de refrigeracin.La cmara frigorfica se encuentra ubicada en la zona de San Felipe Los Andes, ubicados en la Regin de Valparaso, Chile. Lugar donde se alcanza una temperatura mxima promedio de 35C, pero como nuestra cmara trabaja de manera continua, durante todas las horas del ao, consideraremos 20C como temperatura media de trabajo, esta es la temperatura de entrada de los duraznos a la cmara de refrigeracin, valor de temperatura que ser usado para todos los clculos del presente informe.Es importante sealar que nuestra cmara compone de 3 partes, una cmara de pre-fro, una cmara de fro y una antecmara, lugar que separa ambas cmaras. Por lo que la capacidad de 200.000 (kg) semanales, estar dividida en 2 partes, 100.000 (kg) estn en la cmara de fro, y los otros 100.000 (kg) restantes, estarn en la cmara de pre-fro. El tamao total de la cmara frigorfica de duraznos se mostrar en un plano en el desarrollo de informe.Los materiales aislantes del cielo, piso y paredes son de poliestireno expandido, los espesores y otros componentes de construccin sern detallados posteriormente. En su interior se encuentran pallets de madera con un peso de 22 kg cada uno estos tienen la capacidad de soportar sobre el 112 caja de madera con un peso de 3 kg cada una. Para lograr abastecer con xito la cmara se utilizara un total de 150 pallets y 2400 cajas. Las temperaturas de trabajo de la cmara de pre-fo, inicialmente, depende de las condiciones climatolgicas que sern las condiciones de temperatura de entrada del durazno, de las cajas y de los pallets. Este valor inicial es de 20C, y la temperatura final del producto es de 1 C. Posteriormente el producto es enviado a la cmara de fro, consideraremos que el producto se encuentra bien aislado, por lo que la temperatura de entrada a la cmara de fro es 1C. La temperatura final de refrigeracin es de -18C. La temperatura de congelacin del durazno es a los -1,6C, por lo que en el clculo del calor a retirar en la cmara de fro, ste tambin debe considerar el calor latente, el calor disipado por el cambio de fase, aparte del calor sensible necesario para bajar la temperatura en la cmara y en los productos.Dentro de las cmaras existirn ventiladores necesarios para el movimiento homogneo del aire en los evaporadores, tambin los ventiladores sern necesarios para realizar el calor generado por las renovaciones de aire de ambas cmaras. Se encontrarn operando 3 hombres por cada 4 horas diarias, por cada cmara.

Captulo I Calculo de carga trmica

Propiedades Fsicas y termodinmicas del durazno

Primero que todo, para el clculo de carga trmica necesario en el diseo de nuestra cmara frigorfica, es importante definir las propiedades fsicas y termodinmicas del producto a almacenar (durazno o melocotn). Es por eso que se realiz un estudio para la obtencin de todos los valores necesarios en este proceso y evitar ambigedades en la eleccin de alguno de estos.Tabla de propiedades Fsicas y Termodinmicas del Durazno

Calor especfico antes de congelarKcal/kg C0,9

Calor especfico despus de congelar Kcal/kg C0,45

Calor latente de congelacinkcal/kg70

Calor de respiracin kcal/kg/da2,9

m2/S1,12

T prefrio (almacenamiento 1 semana)C1

T Frio (almacenamiento 1 semana)C-18

Humedad (almacenamiento 1 semana )%85

Densidadkg/m31259

% Agua%43,4

1) Calculo calor sensible y latente durazno Una vez que se conoce las temperaturas necesarias para el almacenamiento en cada una de las cmaras, se prosigue con el clculo de calores sensible y latente para cada caso. Para el clculo de calor sensible utilizaremos:

Para el clculo de calor latente utilizaremos:

Cmara de Pre-froCalor sensible del durazno en la cmara de pre-fro.

Masa durazno diariakg/da6614

Temperatura inicialC20

Temperatura finalC1

Calor sensible generado Kcal/da 113104

Cmara de Fro

Calor sensible del durazno en la cmara de fro - Antes de congelar

Masa durazno diariakg/da6614

Temperatura inicialC1

Temperatura final C-1,6

Calor sensible generado - antes de congelar Kcal/da 15477

Calor latente del durazno en la cmara de fro

Masa durazno diariakg/da6614

Temperatura inicial - agua estado liquidoC-1,6

Temperatura final - agua estado solido C-1,6

Calor sensible generado - antes de congelar Kcal/dia 463000

Calor sensible del durazno en la cmara de fro - Despus de congelar

Masa durazno diariakg/da6614

Temperatura inicialC-1,6

Temperatura final C-18

Calor sensible generado - antes de congelar Kcal/da 48813

2) Calculo calor sensible pallets y cajasTambin es importante definir el calor que es necesario extraer del material en el cual se almacena el producto, en este caso pallets y cajas de madera.De la distribucin y ciclo de almacenamiento obtuvimos los siguientes valores:PALLETS CAJA

Peso c/ukg22peso c/ukg3

cantidad diariau 21cantidad diariau2400

Peso diariokg/da471Peso diariokg/da7200

C esp. maderakcal/kgC0,651C esp. maderakcal/kgC0,651

Conductividad trmica de la madera = 0,13 Con los datos anteriores se puede realizar el clculo de calor sensible a extraer por el almacenamiento, mediante la siguiente ecuacin:

Cmara de pre-fro

Calor sensible pallets y cajas

Masa diaria kg/da7671

Temperatura inicialC20

Temperatura final C1

Calor sensible generado Kcal/da 94847

Cmara de fro

Calor sensible pallets y cajas

Masa diariakg/da7671

Temperatura inicialC1

Temperatura final C-18

Calor sensible generado Kcal/da 94847

3) Calor de respiracin durazno Otro calor importante para el almacenamiento de frutas es el calor de respiracin, al ser materia orgnica continua con su actividad metablica una vez cosechado, es por eso que excede calor al ambiente que es necesario extraer. Se debe hacer la consideracin que se encuentra en el caso ms crtico, en este caso cuando la cmara se encuentra completamente llena en su capacidad.Para el clculo de calor de respiracin utilizaremos:

Cmara de pre-froCalor de respiracin

Masa diaria de duraznoskg/da46300

Calor de respiracin Kcal/da 134270

Cmara de froCalor de respiracin carama de frio

Masa diaria de duraznoskg/da46300

Calor de respiracin Kcal/da 134270

4) Calculo de carga trmica por renovacin de aire Para establecer este valor es necesario tener claro las dimensiones de nuestras cmaras a disear y as obtener el volumen en el cual el aire se encuentra circulando.En este caso las dimensiones son las siguientes:Dimensiones cmara pre-fro

Largom20

Ancho m15

Altura m5

Volumen m3 1500

Dimensiones cmara fro

Largom20

Ancho m15

Altura m5

Volumen m3 1500

Dimensiones ante-cmara

Largom20

Ancho m5

Altura m5

Volumen m3 500

El nmero de renovaciones es posible obtenerlo mediante tabla con el volumen ya calculado.

Numero de renovaciones para 1500 m3 = 1,95

Para obtener el clculo de carga trmica por renovacin de aire utilizaremos:

Cmara de pre-frio Carga termina por renovacin de aire cmara

T mxima verano climaC35

Densidad interior aire 1CKg/m31,292

Densidad exterior aire 35CKg/m31,127

Densidad Promedio PREFRIOKg/m31,343

C esp. aire Kj/Kg K1,005

Entalpia 1CKj/Kg 7

Entalpia 35CKj/Kg 40

Carga trmica por renovacin de aire kcal/da129633

Cmara de froCarga termina por renovacin de aire

Densidad interior aire -18CKg/m31,394

Densidad exterior aire 35CKg/m31,127

Densidad Promedio FRIOKg/m31,2095

C esp. aire Kj/Kg K1,005

Entalpia -18CKj/Kg 0

Entalpia 35CKj/Kg 40

Carga trmica por renovacin de aire kcal/da108855

5) Ganancia por paredes o parmetros Clculo de entrada de calor por paredes techo, se omitir el clculo de entrada o salida de calor por el piso, ya que se considera un excelente aislante y no existe transferencia de calor de ningn tipo. A continuacin se mostrar la disposicin de las cmaras.

El calor que entra por las paredes est dado por la siguiente expresin:

Q= Calor ganador por prametros (kcal/hr)K=coeficiente trmica global (W/m^2*C)S= rea de transferencia en m^2= Diferencia temperaturas entre exterior e interior (C)Se realizar una correccin a las temperaturas:Texterior por el este = te + 10C fc : fc= factor de correccin ya que en esta pared se encuentra la sala de mquinas.Texterior por el oeste = te + 5C Texterior por el sur = no tiene variacinTexterior por el norte = te + 5CDonde te = 35C

Para la cmara de pre-frio:Temperatura corregidarea

Pared Este41,510040,5

Pared Norte407539

Pared Sur357534

Techo5030049

Antecmara101009

Para la cmara de fro:Temperatura corregidarea

Pared Oeste4010058

Pared Norte407558

Pared Sur357553

Techo5030068

Antecmara1010028

Clculo del coeficiente trmico global:

Para ambas cmaras la conductancia del revestimiento interior = 8 W/m^2*CPara ambas cmaras la conductancia del revestimiento exterior = 20 W/m^2*C

Para obtener los valores de resistencia trmica en el caso del aire en contacto con la pared exterior mediante conveccin natural la norma UNE en ISO 10 456:2001nos otorga la siguiente tabla.

Espesores de los distintos materiales: Cielo cmara : 20 cm de madera, 7,6 cm de poliestireno expandido Paredes cmara : 2 lminas de 0,2 cm de acero, 12,7 cm de poliestireno expandido Piso cmara: 10,2 cm de lana mineral, 12,5 cm de losa y 7,5 cm de acabado.Conductividad de los materiales:POLIESTIRENO EXPANDIDOPLANCHAS DE ACEROMADERA

Conductividad W/mC0,029Conductividad W/mC50Conductividad W/mC0,13

Usando la frmula de K general se tiene:Haciendo los respectivos cambios de unidades se tiene que para la cmara de fro:K ( W/m^2*C)K (kcal/da*m^2*C)

Pared Oeste0,224,54

Pared Norte0,224,54

Pared Sur0,224,54

Techo0,234,77

Antecmara0,224,46

Para la cmara de pre-fro:K ( W/m^2*C)K (kcal/da*m^2*C)

Pared Este0,224,54

Pared Norte0,224,54

Pared Sur0,224,54

Techo0,234,77

Antecmara0,234,69

Usando la frmula general del calor ganador por paredes y techos se tiene:Para la cmara de fro:Q (Kcal/da)

Pared Oeste26322,99

Pared Norte19742,24

Pared Sur18040,32

Techo97288,96

Antecmara12501,78

Total173896,293

Para la cmara de pre-frio:Q (Kcal/da)

Pared Este18380,71

Pared Norte13274,96

Pared Sur11573,04

Techo70105,28

Antecmara4219,15

Total117553,1

6) Ganancia de calor por personaEn nuestra cmara frigorfica se encuentran trabajando 3 personas durante 4 horas diarias, stas 3 personas trabajan 4 horas en la cmara de fro y otras 4 horas en la cmara de pre-fro.Segn el ASRAE, segn la temperatura de la cmara ser el W desprendido por las personas.

Para la cmara de fro: se tiene que cada persona genera un calor de 385 W

Para la cmara de pre-fro: se tiene que cada persona genera un calor de 270 W

Para realizar el clculo total de calor generado por las personas:

Donde n = es el nmero de personas q = el calor generado por cada persona t = tiempo trabajando de cada personaPara la cmara de fro:3 persona trabajan 4 hr diariasCamara de Frio

-18C desp. 385 Watts

Q ganancia (W*h/da)4620

Q ganancia (kcal/da)3979

Para la cmara de pre-fro:3 persona trabajan 4 hr diariasCamara de Prefrio

1C desprende 270 W

Q ganancia (W*h/da)3240

Q ganancia (kcal/da)2790

7) Ganancia de calor por el alumbradoComo desconocemos la potencia del alumbrado, tomaremos el usado para zonas de trabajo, equivalente a 27 W/m^2.Usaremos lmparas incandescentes, por lo tanto, la ganancia de calor por alumbrado es igual a:

Donde t= tiempo de funcionamiento de la iluminacin, como las personas trabajan durante 4 horas diarias, el tiempo de funcionamiento ser equivalente a 4 horas al da tambin.Potencia por alumbradoPara zonas de trabajo 27 W/m^2

Cmara de FrioCmara de Pre-frio

Q (W*h)54005400

Q (kcal/da)46514651

El rea de iluminacin, la hemos considerado como 50 m^2 para ambas cmaras, de un total por cmara de 300 m^2

8) Ganancia de calor por servicioToda energa, disipada en el interior del espacio refrigerado (aperturas de puertas, maquinaria, calentadores, etc.) debe ser incluida en la carga trmica.Como desconocemos la maquinaria que entrar a ambas cmaras de refrigeracin, consideraremos un 10% de la carga del producto, del calor de respiracin, y del calor transmitido por los parmetros.

Por lo tanto la ganancia de calor por servicio, ser igual a:

Ganancia por servicioCmara de Frio Cmara de Pre-frio

Q (kcal/da)81521,534468,5

9) Ganancia de calor por los ventiladores de los evaporadoresEste clculo pretende obtener el calor que liberan los motores instalados en el evaporador, y otros que eventualmente pudieran utilizarse.Aparte de los ventiladores de los evaporadores, en nuestra cmara hemos dispuesto de 6 ventiladores de 300 W por cmara, para realizar de manera eficiente la renovacin de aire y el movimiento del aire dentro de las cmaras.El calor generado por los motores que mueven a los ventiladores usados para la renovacin de aire, se puede calcular de la siguiente manera:

Donde el t = tiempo de funcionamiento de los motoresPara un ventilador de 300 W, debemos tener un motor elctrico de 530 W.El funcionamiento de estos ventiladores ser de 7200 segundos/daPor lo tanto el calor generado en ambas cmaras:Cmara de Frio Cmara de Pre-frio

Q (kcal/da)5477,515477,51

Como la potencia de los ventiladores de los evaporadores se desconoce, se puede considerar un 10% de la suma de las potencias aportadas calculadas anteriormente.Cmara de Frio Cmara de Pre-frio

Q (kcal/da)62081,3051622,86

10) Carga trmica totalPara calcular la carga trmica total, debemos sumar todas las potencias calculadas anteriormente, y agregaremos un factor de seguridad del 10%.

Carga trmica total

Cmara de FrioCmara de Pre-frio

Q (kcal/da)1245798,97708028,79

Q kW necesarios60,2734,25

Capitulo II Seleccin elementos y cmara frigorfica.

1) Eleccin puerta cmara frigorficaEs importante seleccionar una puerta para las condiciones en las cuales se encuentra trabajando nuestra cmara frigorfica. En esta oportunidad nos encontramos con 2 casos, una cmara de frio a una temperatura constante de -18C y una de pre-frio a 1C.Bajo estas condiciones se seleccionaron los siguientes accesos.Cmara de frio: Puerta pivotante proveedor FRIGOPACK. Puerta pivotante industrial idnea para cmaras frigorficas de conservacin (+0C), congelacin (-20C) y tneles de congelacin (-40C).Instalacin en la industria crnica, pesquera, hortofrutcola, lctea y logstica.Adecuada para huecos de grandes dimensiones o con pasos areos y trnsito de mquinas de manutencinCaractersticas: Material estructura exterior: Acero inox. AISI 304/2B Espesor aislante : Poliuretano inyectado de 140 [mm] Dimensiones: Alto 2,5 [m] x ancho 2 [m]

Cmara de pre-frio:Tomando en consideracin que el tipo de maquinaria que circula a travs de ambas cmaras es el mismo, que se facilita la compra del producto y por sobre todas las cosas cumple con la funcin aislante bajo la condicin exigida. Se ha optado por utilizar la misma puerta en este caso.Accesorio para ambas puertas Para disminuir las perdidas en las aperturas y en la circulacin de trabajadores o maquinaria a travs de la cmara se ha optado por colocar en la puerta cortinas plsticas de lamas de PVC o lminas de PVC aislante para cmaras de frio desde 0 C hasta -40 C, estas no influirn en el clculo de carga trmica pero si nos dar un margen de seguridad en el funcionamiento real.Proveedor: PLASTEC

2) Eleccin del Equipo RefrigerantePrimera Opcin:Finalizado el clculo de carga trmica, lo siguiente es elegir el equipo que necesario para quitar el calor generado por todas las cargas trmicas. En nuestro caso, como tenemos dos cmaras que tienen distintas temperaturas de trabajo, elegiremos 2 equipos de refrigeracin distintos, uno para cada cmara, as poder mantener de manera correctas las temperaturas en la cmara de fro y pre-fro.Recordar que para la cmara de fro necesitamos retirar 60,27 (kW), y en la cmara de pre-fro necesitamos retirar 34,2 (kW)Nuestro primer proveedor de equipos refrigerantes es:Intarcon Tecnologa en refrigeracin.Equipo para la cmara de fro

Para tratar de mantener la temperatura constante en toda la cmara, elegiremos 2 equipos BSE-SF-40802, cada uno con una potencia frigorfica de 37,2 kW, necesarios para mantener la cmara -20C, con una temperatura exterior ambiental de 35C.Descripcin del equipo:Equipos semicompactos de refrigeracin para baja temperatura, construidos en estructura y carrocera de acero galvanizado con pintura polister termoendurecible, constituidos por una o dos unidades evaporadoras industriales y una unidad motocondensadora de compresor hermtico, condensada por aire para instalacin en intemperie

Es el equipo indicado para nuestra instalacin, debido a que no es slo una unidad, la sala de mquinas se encuentra al otro lado de la cmara de fro, permitiendo dejar la parte motriz del equipo en la sala de mquinas, y el evaporador en la cmara de fro.

Equipo para la cmara de pre-fro

Con el mismo fin anterior, tratar de mantener la temperatura constante en toda la cmara, elegiremos 2 equipos MCH-NF-4215, con una potencia individual de 19,01 kW, para mantener una temperatura en la cmara de 0C, en condiciones de una temperatura ambiental exterior de 35C.

Para este caso, el equipo puede ser slo una unidad, como la cmara de pre-frio se encuentra al lado de la sala de mquinas, no hay inconvenientes si el equipo es slo una unidad.

Segunda Opcin:Como otra variante a la compra del equipo de refrigeracin, tenemos a la empresa GreenPak - Equipos de Refrigeracin Industrial.Para la cmara de fro:

Elegiremos el equipo GPBM-100 S, aunque su potencia frigorfica de 69,7 kW supera a la requerida por la nuestra (60,27 kW), el fabricante nos da la opcin de elegir por el tamao de la cmara, por lo tanto esa es la opcin a elegir, ya que nuestra cmara de fro tiene 3000 m^3 de volumen. Este equipo es para condiciones de temperatura ambiente de 32C, y es capaz de mantener la cmara a una temperatura de -20C.Para la cmara de pre-fro:

Para la cmara de fro dispondremos del equipos GPBMB-25, con una potencia frigorfica 35,5 kW a una temperatura de la cmara de 0C, con una temperatura ambiental exterior de 32C. Sin embargo el fabricante nos recomienda que este equipo es para cmaras de volumen entre 1040-750 m^3, y nuestra cmara de pre-fro posee un volumen de 3000 m^3.

3) Calculo de carga trmica mediante Software INTARCONA modo de complemento se ha realizado el clculo de carga trmica por medio de un software entregado por el fabricante y distribuidor de equipos de refrigeracin INTARCON. A continuacin se detalla el proceso que se sigui para obtener el resultado.Cmara de FrioPaso 1) Dimensionar la cmara y temperatura exterior

Paso 2) Elemento a refrigerar, propiedades y carga.

Paso 3) Condiciones exteriores, cerramientos y materiales, renovaciones de aire.

Paso 4) Carga por personas, iluminacin, ventiladores, puerta y desescarche.

Paso 5) Detalle del clculo y resultado

Paso 6) Sugerencia del fabricante para seleccin de equipo

4) Conclusin utilizacin softwareRealizando una comparacin entre los valores calculados en base a la teora para la cmara de frio, es posible comparar este con el obtenido a travs del software de carga trmica.Carga trmica diaria calculado teora: 60,27 KW / da Carga trmica diaria software INTARCON: 62,13 KW / daSe observar una mnima diferencia entre ambos casos correspondiente a un 3%, por lo cual podemos afirmar con seguridad que el software INTARCON corresponde a una herramienta muy eficiente a la hora de complementar y comparar el trabajo realizado.Tambin se destaca que el software hace hincapi en todos los aspectos que influyen en el clculo de carga trmica, lo que nos asegura un clculo correcto.De ninguna manera se recomienda utilizar el software para el clculo de carga trmica, sino ms bien como una herramienta para asegurar que el trabajo se ha realizado con xito.

Bibliografa

Transferencia de Calor y masa 4ta ed. Yunus Cengel.

Apuntes curso de refrigeracin OIM 430-1.

Apuntes tecnologa frigorfica Universidad de Cantabria.

Catlogo: Frio comercial e industrial Eunasa

Catalogo: Equipos de refrigeracin Gama industrial Edicin 2012 INTARCON.

Normas buenas prcticas en sistemas de refrigeracin y climatizacin Edicin 2011- Ministerio de medio ambiente Gobierno de Chile.

Conclusin.

Del anlisis del trabajo realizado se pueden sacar una serie de conclusiones. Una de ellas es que se ha logrado cumplir el objetivo del curso que es poder disear una cmara frigorfica con los conocimientos adquiridos a travs del semestre.Uno de los beneficios ms importantes de este trabajo es que se logrado un desarrollo en el rea profesional a futuro, ampliando la red de contacto de proveedores para distintos elementos necesarios para el diseo tanto de cmaras frigorficas o para climatizacin, tambin la familiarizacin con catlogos comerciales de fabricantes y comenzar a comprender los distintas visiones de cada uno.En base al diseo se ha logrado identificar las problemticas existentes en el proceso hasta la finalizacin de este, una de ellas fue guiar el clculo de carga trmica en base a valores empricos y no tericos en su totalidad, situacin que es la ms aplicada en el rea laboral entendiendo que se debe acelerar el proceso y a su vez hacerlo ms sencillo.Tambin ha sido posible utilizar herramientas tecnolgicas que apoyan el desarrollo de este diseo, como software que facilitan el clculo o que nos ayudan en la seleccin de equipos bajos las condiciones en la cuales queremos trabajar. Comenzar a desarrollar experiencia en la utilizacin de herramientas tecnolgicas es fundamental para la realidad a la cual nos vamos a enfrentar como profesionales.Finalmente, la eleccin del equipo depender de varios factores, y como no queremos faltar a la verdad, no se hizo posible el contacto a los proveedores de cmaras frigorficas, por lo tanto el precio de las unidades no lo manejamos, todos los distribuidores mostrados son de Espaa, por lo que precios de envo no deben variar mucho, pero s debe existir diferencias entre el precio de cada equipo. Por lo que la eleccin ms del equipo de la perspectiva econmica no fue posible. Sin embargo, creemos que la industria Intarcon, se acerca ms a los equipos requeridos para nuestra cmara frigorfica, lo podemos ver en sus distintos modelos y la instalacin de los mismos que tambin cumple un rol importante.

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