google.com, pub-3521758178363208, DIRECT, f08c47fec0942fa0 RECORDE: ESTUDO DE CASO - AUTOentusiastas Classic (2008-2014)

RECORDE: ESTUDO DE CASO

Hoje vou falar de um recorde quebrado em Bonneville por um carro turbina de uma equipe inglesa.

Os entusiastas mais afoitos podem pensar que estou falando do Thrust SSC, o primeiro e único veículo terrestre a quebrar a barreira do som, atingindo a velocidade de 1.228 km/h em 15 de outubro de 1997, com o piloto Andy Green da RAF no comando.

Esta é uma história muito interessante pra ser contada aqui no blog, mas não desta vez. Números grandiosos enchem os olhos e facilitam contar a história.Mas o recorde que quero comentar é bem mais humilde, e nem por isso destituído de valor.

No dia 26 de agosto deste ano, o British Steam Car quebrou o recorde de velocidade para carros a vapor, ao atingir a média de 231,093 km/h, pilotado por Charles Burnet III.

No dia seguinte, marcas ainda melhores foram obtidas, mas ainda precisam de homologação à FIA para serem reconhecidas.

O recorde anterior pertencia a um Stanley Steamer, que, pilotado por Fred Marriott, atingiu 204,38 km/h em 1906. Era o recorde automotivo reconhecido pela FIA mais antigo ainda vigente, com 103 anos da marca.

Vapor? Isso soa estranho num carro. E soa antiquado também.

Quando ouvimos falar em vapor, logo nos vem à mente velhas locomotivas e navios como o Titanic. Estes veículos utilizavam versões aprimoradas da máquina a vapor inventada por James Watt. Esta realmente é uma tecnologia obsoleta.


No entanto, o uso do vapor é, e ainda será por muitos anos, uma aplicação necessária, graças à turbina a vapor.

A turbina a vapor nada mais é que um melhoramento dos velhos moinhos de vento (turbinas axiais, com rotores em forma de ventilador) ou das rodas d’água (turbinas radiais).

A turbina moderna, formando conjunto com sistemas auxiliares de regeneração e recuperação de calor, é, tanto na versão a gás como na versão a vapor, a máquina térmica que oferece os melhores níveis de rendimento na transformação de energia calorífica em energia mecânica útil.

Grandes turbinas a vapor, de vários megawatts de potência, transformam a energia do vapor em energia elétrica em usinas termoelétricas, termonucleares e geotérmicas.

Turbinas a vapor também são usadas como sistema de propulsão de grandes navios, enquanto turbinas a gás dominam o setor aeronáutico e movem grandes locomotivas.

Para efeitos termodinâmicos, um motor turbo é uma turbina a gás que utiliza um motor a pistão como câmara de combustão, e cuja saída de potência mecânica ocorre pelo motor.

Um fenômeno bastante conhecido dos motores turbo é o atraso entre o comando de aumento de potência e a resposta propiciada pelo motor. Este fenômeno é conhecido como turbo lag.

Este atraso não é apenas uma questão do motor turbo, mas uma característica geral das turbinas. Ele surge da inércia do rotor para acelerar, mas também da característica das turbinas de terem um rendimento ótimo numa determinada rotação e sob determinada carga, perdendo significativamente rendimento quando se afasta desse ponto de operação.

Quando uma turbina recebe um comando de aceleração, partindo de uma rotação baixa, o rendimento oferecido também é baixo, propiciando uma aceleração pequena. Conforme a turbina vai ganhando rotação, seu rendimento melhora e ela acelera mais rápido.

Em grandes turbinas percebe-se que a máquina acelera vagarosamente por um bom tempo, e a certo instante ela eleva sua rotação abruptamente. É o que se observa na partida de uma turbina de um grande avião de passageiros, assim como em um motor turbo (popularmente chamada de “pegada” do turbo).

Para compreendermos alguns detalhes importantes a respeito do carro a vapor e seu recorde, uma análise rápida de uma turbina automotiva. No caso, a turbina do Chrysler Turbine.

O diagrama a seguir representa esquematicamente o funcionamento desta turbina.


Esta turbina é dividida em duas partes.

Na primeira parte, temos uma turbina a gás. É interessante notar que os 4 tempos (admissão, compressão, ignição e expansão, escape) que os motores de ciclo Otto e Diesel realizam por cursos de pistão, na turbina a gás são realizados de forma contínua ao longo do percurso do ar através da turbina.

Isto torna a turbina a gás uma máquina térmica de fluxo constante (em contra posição aos motores a pistão, que tem fluxo pulsativo). Esta característica, quando bem aproveitada, aumenta o rendimento térmico da turbina.

Turbinas a gás operam segundo o ciclo Brayton, que é um ciclo de máquina de combustão interna.

Na segunda parte, temos uma turbina impulsionada pelo fluxo de saída da turbina a gás. A energia do fluxo de saída, baseada em pressão (energia potencial) e velocidade (energia cinética) é transformada em energia mecânica útil durante a passagem dos gases pelas palhetas da turbina. Podemos entendê-la como uma versão aprimorada dos antigos moinhos de vento.

Esta turbina é capaz de produzir potência significativa (120 hp no Chrysler Turbine), porém através de alta rotação e torque muito baixo. Para que esta potência possa ser aproveitada pela transmissão, é necessário um redutor mecânico para a árvore de saída deste motor.

Reparem que não há qualquer acoplamento ou engrenamento mecânico entre a árvore da turbina a gás e a árvore da turbina impulsionada, permitindo que a turbina a gás permaneça funcionando mesmo com o travamento da segunda turbina ou mesmo qualquer sincronismo entre elas.

Um detalhe interessante sobre o Chrysler Turbine é que o carro possuía um câmbio automático convencional, porém a árvore de saída do motor era acoplada diretamente à entrada do câmbio, sem conversor de torque. A independência de funcionamento da turbina a gás com a segunda turbina dispensava este componente.

Esta segunda turbina opera segundo o ciclo Rankine, para máquinas de combustão externa. É o mesmo ciclo das turbinas a vapor.

Então, muito do que aprendemos com a turbina do Chrysler Turbine podemos aproveitar para entender a turbina do British Steam Car.

Reparem nos discos rotativos marcados com o número 8 no diagrama. Estes discos são chamados de regeneradores.

No ciclo Brayton, o funcionamento da máquina depende da adição de calor à massa de ar comprimida na câmara de combustão. A origem deste calor não é importante.

Os regeneradores são trocadores de calor, que captam o calor nos gases quentes do escapamento e que seria perdido para o ambiente, e o reconduz para a câmara de combustão. O uso de regeneradores melhora o rendimento térmico das turbinas a gás em até 10% absolutos.

Em grande parte da literatura, regenerador e recuperador são usados como sinônimos, enquanto em outra, o regenerador é um dispositivo que reaproveita unicamente calor, enquanto o recuperador é um sistema que reaproveita o fluido térmico dotado ainda de muito calor.

De formas diferentes, ambos servem para retornar calor que a turbina perderia para o ambiente para reaproveitamento, aumentando o rendimento da máquina.

Como a turbina a vapor opera apenas sobre a parcela de pressão do vapor, qualquer quantidade de calor fornecida à caldeira para que a água entre em ebulição será um calor que a turbina não conseguirá reaproveitar.

Então, quanto menos calor for necessário para colocar a água líquida da caldeira em ebulição, maior o rendimento térmico do sistema.

Para estas turbinas existem recuperadores que retiram parte do calor do vapor de saída da turbina para que ele condense. A água condensada em temperatura próxima à de ebulição é bombeada de volta para a caldeira. Esta água recuperada exigirá uma quantidade mínima de calor para voltar ao estado de vapor, aumentando assim o rendimento.

Já os regeneradores existem para aquecer a água que é introduzida no sistema para repor as perdas que ocorrem de vapor. Os regeneradores podem ser instalados em qualquer ponto da máquina onde se perde calor para o ambiente, como a superfície externa da turbina. Porém o regenerador mais importante é aquele que é usado pelo recuperador para transformar o vapor saturado que sai da turbina em água aquecida.

Este é um dos segredos do alto rendimento das turbinas. Elas perdem quase tanto calor para o ambiente quanto os motores a pistão, mas seu modo de funcionamento contínuo permite que o calor perdido seja reintroduzido em algum ponto do ciclo, onde pode ser aproveitado.

A partir de agora podemos começar a esmiuçar o Brittish Steam Car.

Na página de especificações do carro, no site oficial da equipe há vários números interessantes deste carro. Alguns bem contrastantes entre si.

O primeiro par de informações que chama a atenção é a seguinte:
Horsepower 268 kw 360 hp
Burners 3 megawatts of heat

Isto significa que a turbina, na condição de potência máxima, tem apenas 8,9 % de rendimento. É um rendimento muito baixo para uma turbina a vapor.

Outro conjunto de dados acrescenta novas informações:
Boilers 12 Over 3 km of tubing
Superheated Steam Flow rate 40 litres per minute
Temperature 400 °C
Pressure 4000kN/m² 40 bar
Water capacity 140 litres distilled water 1,000 litres (1 ton) of water used every 25 minutes Gas capacity 60 litres

Os boilers são os aquecedores de água para o sistema. Neles queima-se o gás combustível e o calor é transferido para a água dentro do conjunto de tubos.

O diagrama a seguir ilustra a construção de um destes boilers.

Por fim, alguns dados complementares e o raio-x do carro:
Engine Two stage turbine 13,000 rpm max turbine revs
Transmission Rear wheel drive



Aqui começam as surpresas. A turbina ocupa a parte final do carro, num espaço reduzido. Ela não possui qualquer sistema de regeneração ou de recuperação.


Pelo que aprendemos sobre turbinas, parece um contra-senso. Se a turbina usasse um recuperador, dobrando o rendimento térmico, o número de boilers poderia ser a metade para a mesma potência. E a mesma potência com peso menor implicaria em uma aceleração e em uma velocidade maiores.

Por outro lado, os sistemas de recuperação e de regeneração de vapor são volumosos e pesados.

Durante o dimensionamento do carro, os projetistas certamente avaliaram estes detalhes, e preferiram um maior números de boilers, um maior consumo de combustível e uma quantidade maior de água do que tentar ganhar peso através da melhoria de rendimento da turbina.

Este é o tipo de escolha que todo engenheiro tem de fazer quando desenvolve qualquer sistema de alto desempenho.

Para homologação de recordes, a FIA exige que o carro percorra um trajeto de ida e outro de volta com um intervalo entre estas duas tentativas não maior que 1 hora. O trecho medido é de aproximadamente 1,6 km (1 milha), e a velocidade homologada é a média entre os dois percursos.

Para que o British Steam Car pudesse alcançar a velocidade ideal para a tentativa, ele precisava acelerar por 4 km e frear em outros 4 km, o que exigia um espaço de quase 10 km para cada tentativa.

A tentativa foi feita e o novo recorde está de pé.


Para o mundo do automóvel, este recorde representa muito pouco, além da simples curiosidade.

Porém, para o mundo em geral, significa muito. Não é todo dia que sistemas de vapor de pequeno porte são colocados em uma aplicação embarcada, especialmente numa de alto desempenho.

As normas de segurança para caldeiras e boilers são muito rígidas com a segurança, porque estes vasos de pressão explodem violentamente. Em contrapartida, num carro feito para quebrar um recorde, quanto menor o peso, maior o desempenho, exigindo que o dimensionamento destes componentes seja feito sobre o fio da navalha entre a segurança e o desempenho.

Se este recorde conseguir estimular novas equipes a tentar quebrá-lo, novas configurações serão tentadas, e uma evolução neste tipo de tecnologia pode ocorrer.

Lembram que falei de Andy Green, atual recordista de velocidade absoluta no solo, pilotando o Thrust SSC?

Pois aqui está ele, conversando com Don Wales, piloto de testes do British Steam Car, em 25 de julho, durante os testes de avaliação do carro.

Afinal, a diferença entre os dois recordes nem é tão grande...

AAD

Links interessantes:
http://www.steamcar.co.uk/index.html
http://www.steamcar.net/index.html

Obs: Este artigo partiu de uma sugestão do nosso leitor Der Wolf. Peço desculpas a ele pelo atraso. Só postar o que os outros já postaram não tem graça, e pesquisar e escrever aspectos interessantes toma um bom tempo. Obrigado, e continuem participando e colaborando.

34 comentários :

  1. Não houve atraso algum, André. A qualidade demanda seu próprio tempo.

    Vou "cair" na leitura agora. E obrigado pela menção.

    Sds,

    Der Wolff

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  2. Gostaria de sugerir um (único) site brasileiro sobre o assunto:" http://www.geocities.com/wernervana/ ". Já o acesso a alguns anos, assim como o do BSCC. Parábens pelo post, além da aula de termodinâmica. A tempo esperava alguém do AutoE falar sobre os carros a vapor. As turbinas para uso em automóveis tem esses problemas citados, provavelmente por isso não vingaram nos carros. Sinceramente acredito que um automóvel com motor a vapor (de pistões) seria possível atualmente. Materiais isolantes e estruturais melhores que os de 100 anos atrás são uma esperança. O problema seria fazer caber todo esse aparato dentro de um Uno e pesar o mesmo que um 4cil otto mais caixa de câmbio. Teríamos a vantagem de queimar qualquer líquido combustível, somente calibrando a vazão do injetor e menos poluíção por NOx. Na verdade não dá pra brigar com 100anos de evolução do motor otto e diesel enquantos os vapor e elétricos pararam no tempo.

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  3. Grande aula sobre turbinas a vapor e turbinas a gás. Me fez recordar as (temidas) aulas de Máquinas Térmicas e Termodinâmica nos tempos de faculdade...

    Havia lido, até então, alguma coisa muito por alto a respeito do recorde quebrado pelo British Steam Car. Na verdade, a mídia brasileira falou praticamente nada do assunto...

    Imaginava que as antigas locomotivas a vapor usassem motores a pistão, e não turbinas a vapor.

    Outra coisa que sempre me espanta é a fragilidade dos carros de corrida antigos, em especial até a década de 20. Andar a mais de 200 km/h em um carro com pneus tão "largos" quanto os das bicicletas atuais, não era para qualquer um!

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  4. André, qual o modelo da locomotiva? É a primeira que vejo com turbina.

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  5. Der Wolff, a Cesar o que é de Cesar.
    Eu não tinha visto nada a respeito deste recorde. Sem sua colaboração, nada teria sido escrito.
    Esse é o espírito do grupo, onde os leitores nos ajudam a fazer do Autoentusiastas um lugar legal para todos.

    Alberoni, o link é bem interessante e completo.
    As máquinas a vapor com pistões hoje estão obsoletas. Há limites para o rendimento térmico destas máquinas, muito inferior ao dos motores de combustão interna. Por mais que se usem materiais de última geração, não há como contornar este limite.
    É uma tecnologia simples, mas que já atingiu seu limite, e outra superior tomou seu lugar.

    Turbinas em automóveis não deram certo por um conjunto de problemas. Uma reclamação comum feita por aqueles que testaram o Chrysler Turbine era o ruído de aspirador de pó ao invés do ronco do motor. Algo muito parecido com a dos consumidores que não gostaram do ronco constante dos carros com CVT conforme aceleravam.
    Mas o principal é que como as turbinas trabalham em seu ponto ótimo, elas não aceitam grandes variações de rotação e de carga, o que é uma exigência dos automóveis.
    Talvez as turbinas se revelem promissoras nos carros híbridos do tipo série, onde a máquina de combustão interna move apenas um gerador. Neste tipo de carro, a rotação e a carga da máquina de combustão interna são praticamente constantes na maior parte do tempo. Como o objetivo do híbrido é economia e emissões, provavelmente uma turbina pequena seja mais adequada que um motor a pistão, pelo seu maior rendimento.

    Road Runner, infelizmente a mídia nacional não tem o hábito de tratar assuntos como estes em profundidade. Assuntos técnicos são difícieis de serem tratados até por quem é da área, e o jornalista tem compromisso com o imediatismo da notícia. Isso torna os artigos muito superficiais, infelizmente.

    As locomotivas antigas, assim como os navios "vapor" usavam a máquina de James Watt, que era uma máquina a pistão. Atualmente existem locomotivas movidas por turbinas a gás, boa parte delas de tração elétrica.

    Sobre a fragilidade dos carros, esta é uma faceta geral da tecnologia.
    Qualquer tecnologia nasce ineficiente, precária e cara. Com o passar do tempo, aprende-se a fazer as coisas com aquela tecnologia, quando então ela toma uma forma estável, reconhecível, epassa por um processo maturação. Mas toda tecnologia atinge um ponto de maturidade.
    Quem já programou computadores com cartão perfurado e hoje lida com os desktops mais modernos sente bem isso.

    Os automóveis tem mais de 100 anos de história. Agora eles caminham rumo à maturidade.
    Daimler e Benz fizeram seus carros nas garagens de casa, de forma improvisada. Melhorar esses carros era fácil, precisando mais de muita imaginação, muita disposição e um pouco de dinheiro.
    Hoje vemos grandes corporações gastarem bilhões de dólares anuais com equipes numerosas de especialistas e laboratórios sofisticados, e as mudanças observáveis nos carros estão proporcionalmente menores ano após ano.

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  6. Alberoni, dá uma olhada nisso aqui:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Gas_turbine-electric_locomotive

    http://en.wikipedia.org/wiki/Steam_turbine_locomotive

    Há muita coisa sobre elas na internet.

    Qualquer dúvida, fique à vontade em perguntar.

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  7. Vou ver os links já. Não dá pra brigar com a natureza, existem os ciclos teóricos, os limites, etc., mas eu realmente gostaria de ver um Stanley 1927 em versão século XXI. Gostei da idéia de híbrido com turbina a gás. Na década de 70 o eng. Willian Lear, dono de imensa fortuna também tentou ressucitar o vapor, mas quebrou a cara. Ele desenvolveu ônibus coletivos e um bólido para a Indy 500. Citei as máquinas a pistão devido ao alto torque desde baixa rotação e poder dispensar a caixa de câmbio, ao contrário da turbina cujo torque se dá em altas rotações e precisa de uma grande caixa de reduções. Fiquei confuso com o funcionamento do regenerador do Chrysler (O exauste esquenta os discos que giram e esquentam a admissão? E isso?), vou ver se acho alguma coisa na NET.
    Um abraço

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  8. AAD et all,

    O Chrysler Turbine teve um extenso programa de desenvolvimento que inclusive passou por uma penca de carros deixados com pessoas normais para uso normal durante longos periodos, e além do barulho de aspirador de pó e de varios problemas contornados durante o programa tinha outro que irritava e era o fato do carro andar o mesmo que um carro normal e mais lerdo que os disponiveis de melhor desempenho a época e isso só se contornaria com mais turbina, mais consumo etc... li em várias fontes que era muito legal como curiosidade e muito bacana como inovação, e apesar de pratico e relativamente confiavel, não apresentava nada que justificasse sua produção em série à época.

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  9. Mister Fórmula Finesse08/09/2009, 10:33

    Maravilhosa aula, para ser degustada e não lida!!!

    Obrigado por mais arquivo muito interessante de informações!

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  10. Mister Fórmula Finesse08/09/2009, 10:38

    Curiosidade: o sistema de escapamento, ou o que quer que seja do Chrysler Turbine não representava perigo a quem estivesse atrás do carro? Um pedestre por exemplo que ficasse atrás do carro no momento que ele fosse ligado?

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  11. Os maiores problemas que vejo nas turbinas:
    1- Não tem como colocar um ciclo fechado no automóvel de modo a reduzir as temperaturas dos gases de escape, então, as turbinas sempre emitirão muito NOx;
    2- As turbinas tem uma ótima relação peso por unidade de potência, mais, o rendimento delas não consegue ser maior que o de um motor ciclo otto, logo, os motores ciclo diesel se mantém nas locomotivas hoje, onde não é necessário se preocupar muito com a relação peso X potência das mesmas;
    3- As turbinas são muito suscetiveis a variação de frequência. Um turbo gerador não suporta uma variação de frequência maior que 1% (minha memória é fraca, não tenho ceteza disso). Imaginem uma locomotiva partindo. Num sistema elétrico quando se aumenta a carga, se reduz a frequencia, é nesse ponto que a turbina apanha;
    4- Levando estes quisitos em consideração, do meu ponto de vista, o carro hibrido ideal seria o sistema diesel-elétrico. Colocando o motor diesel em sua condição de menor consumo especifico.
    5- As turbinas a gás são muito suscetíveis a temperatura ambiente (o motor otto a cada 7 graus perde 1% de potência). Por isso, creio eu, que a Chrysler usava o regenrador para esquentar o ar na admissão. Não faz sentido esquentar o ar para a queima, pois se aumenta o volume do mesmo, então, se tem menos ar. Do meu ponto de vista, este regenerador foi colocado para parametrizar a temperatura do ar de entrada, de modo a mante-la mais constante o possível e assim evitar a variação de potência;
    6- A potência das turbinas depende muito da restrição de admissão. Se perdemos potência com um filtro de ar sujo, numa turbina perderemos mais que o dobro da potência esperada (comparando motores a combustão com turibnas);
    7- Como trabalha com temperaturas muito altas e rotações muito altas, as palhetas devem ser de materias nobres. É só ler sobre as locomotivas, o próprio link do wikipedia, onde consta o problema com o uso do óleo combustível. Imagina uma particula de combustível atingindo uma palheta que está a mais de 700 graus celsius, rodando a uma velocidade de 18000 RPMs. As palhetas tem que ser de um material muito nobre para aguentarem o tranco, e, materias nobres serão cada vez mais caros.
    8- Quanto maior a turbina, mais lenta a sua partida devido a dilatação térmica dos materiais envolvidos.


    Creio que sejam estas minhas posições. Sou a favor das turbinas onde elas se mostram mais adequadas, ou seja, locais onde se pode queimar combustível sem ter que se preocupar com as emissões (tem um caso muito interessante do kiwi que vem da Nova Zelândia de avião. Quantos quilos de CO foram emitidos para este kiwi chegar de avião aos Estados Unidos?); Locais onde se tem pouca área disponível e é necessário grande quantidade de energia; equipamentos onde é necessário a vantagem de peso por unidade de potência (aeronaves).

    PS.: foi esquecido de falar que além de queimar qualquer combustível, depois que se iniciou a combustão com centelha, não precisa ficar com a centelha acesa (nos aviões ela fica eheheheheh), não tem avanço de ponto nem nada.

    Abs,

    Cristiano.

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  12. André,

    não foi em Bonneville, foi em Muroc se não me engano.

    E há outro recordista à vapor posterior ao Stanley Steamer, baseado num kit car americano. Vi o carro no Petersen Automotive museum e li sobre ele outro dia. Alguma hora revejo as fotos e te mando mais informações.

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  13. Turbinas para locomotivas não são, e dificilmente serão, algo plausível de uso.

    O bom e velho Diesel mantém um melhor rendimento de uma forma geral, é mais pesado e não tão crítico com combustível, como a turbina é. E peso para uma locomotiva significa sua capacidade de tração... Maior peso, maior capacidade de tração.

    Só estudou-se o uso de turbinas nas locomotivas por causa da sua aparente maior eficiência perto da então dificuldade no controle de motores elétricos.

    Com a disseminação dos semicondutores de potência, é capaz de conseguirmos montar uma locomotiva elétrica, em casa...

    Genial o texto mais uma vez, Sr André!

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  14. Realmente, uma coisa que eu esqueci de citar sobre locomotivas é o controle de patinação. Para colocar toda aquela massa em movimento sem cavocar os trilhos deve-se ter um controle fino da tração.

    Esqueci de dizer, o texto ficou ótimo.

    Abs,

    Cristiano.

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