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Capıtulo 3

Montaje experimental

La parte experimental del trabajo ha consistido, como es logico en lostrabajos de investigacion en numerosos pequenos trabajos de prueba y error,intentando a medida que se avanzaba solucionar los problemas precedentes,dejando por el camino ciertas dudas que el estudio y aveces azar solucionaron.

Como ya se ha comentado anteriormente, la principal intencion de estainvestigacion es la de mejorar la dispersion en los tamanos de partıculas para verel efecto que cada tamano producıa en el flujo. Por ello se adopto el electrospraycomo el elemento para producir el caudal deseado de partıculas.

Por otro lado, se requerıa de cierto montaje que a la vez que producıa laturbulencia, fuera capaz de introducir en el flujo el caudal de gotas. La idea, yaexperimentada por Loscertales y Barrero en alguna ocasion consta del uso deun multi-inyector. El uso de una sola aguja no podrıa garantizar que el caudalde gotas fuera el necesario, por lo que se opto por montar un multi-inyector,que combinado un un lıquido adecuado darıa el tamano y cantidad de gotasnecesario.

Un multi-inyector es un conjunto de agujas a cierto potencial que descar-gan en una placa puesta a tierra. Esta placa tiene la particularidad de tener unosorificios por los cuales pasan los chorros. Aparte se necesita un sistema de al-imentacion que no dependa de elementos mecanicos como las jeringas que seusaron para una sola aguja, pues se requerirıa de un gran numero de bombasde jeringa.

Para la impulsion del lıquido encargado de producir las gotas se uso undeposito presurizado por el que salıan todas las lıneas, con lo que nos ahorraba-

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CAPITULO 3. MONTAJE EXPERIMENTAL 22

mos, al menos de manera teorica una eventual oscilacion en los caudales, quepodrıa darse por sistemas mecanicos, pues el caudal que sale por cada lınea es,de esta manera, solo funcion de las presiones exterior e interior, ademas de laviscosidad, diametro interior... no dependiendo del resto de lıneas conectadas.

Figura 3.1: Esquema del montaje.

En ciertas ocasiones como esta, lo que se mostrara no es el mismo mon-taje real sino una representacion grafica o una comparacion entre las dos porconsiderarse mas demostrativo.

3.1. Descripcion de los equipos

3.1.1. Deposito.

El primer elemento que se preparo fue el deposito. Para ello fueron nece-sarias varias piezas de PVC, que fueron pegadas de forma deseada. La idea inicialera obtener un deposito que se pudiera abrir para su recarga y limpieza y porello se le doto de una apertura inferior con rosca. Los intentos para que hubiera


estanqueidad fueron numerosos, se usaron juntas toricas, silicona y teflon, com-binados con un apriete bastante fuerte. Al final se opto por un pegado estancopuesto que en cierto momento, y despues de varios ciclos de carga y descargade presion, la tapa inferior exploto. El fallo fue claramente por crecimiento degrieta iniciada en la propia rosca del tapon inferior.

Figura 3.2: Vision interna del deposito y agujas

El deposito contiene en la parte superior veinte agujas que calan hastael fondo del deposito por las que sale el lıquido hasta el multi-inyector. Estasagujas son de un diametro interno de 260 micrometros, fabricadas en acero ycon diametro externo de 500 micrometros. Ademas, presenta dos aperturas; unasuperior que tiene dos cometidos y una lateral. La superior que en un principiotenıa el cometido de ser entrada para el aire comprimido, sirve tambien dealimentacion del lıquido de trabajo desde que se opto por un cierre permanentede la tapa inferior. El orificio lateral, que como se muestra en la figura tieneun racor para el acople de una tuberıa de aire comprimido (igual que el orificiosuperior), tiene el cometido de ser una purga de aire en el momento de llenadodel deposito. El llenado del deposito se realiza mediante una jeringa de 20 ml,directamente introduciendo la boquilla de salida de esta en el racor superior deldeposito. Para facilitar la operacion y evitar que el racor se obture y desborde,se abre la salida lateral.


3.1.2. Lıneas.

Las lıneas usadas, han comenzado siendo las mismas que las usadas en ex-perimentos anteriores llevados a cabo en el departamento de fluidos, convenien-temente limpias. El montaje se basa en conectar las veinte agujas del depositocon las del multi-inyector mediante veinte lıneas formadas cada una por veintetubos de Tygon de 0.0099 pulgadas (∼ 250 micrometros) de diametro interiorunidos mediante veinte elementos de transicion a otros veinte tubos de Tygonde 0.0402 pulgadas (∼ 1mm) de diametro interior. Los elementos de transicionestan fabricados por mediante los mismos tubos que forman las agujas tantodel deposito como del inyector, aquellas introducidas en estas ya que son de undiametro inferior.

Figura 3.3: Detalle del conector y los dos tubos Tygon

Las lıneas fueron probadas de forma que por todas salieran el mismocaudal. Estos trabajos de calibracion fueron hechos con agua como fluido detrabajo. El metodo era ciertamente algo rudo, se trataba de elegir una agujapor la que saliera el maximo caudal. Esta aguja era la tomada como referenciay se dejaba descargar en una pequena jeringa a la vez que se hacıa lo mismo conotra cualquiera. Visualmente se decidıa si habıa que recortar o no la lınea y se


repetıa el proceso hasta hacer coincidir los caudales y se pasaba a la comparacioncon otra aguja hasta completar las 18 restantes.

Evidentemente el metodo no tiene una precision absoluta, pero hay quehacer notar en este punto que la ley de tamano de gota crece con ∼ Q1/3 (ver2.2.2) y ello juega en nuestro favor. Independientemente de estas considera-ciones, hay que subrayar que frente a distintas presiones de impulsion e inclusodependiendo del dıa, habıa variaciones en las diferencias de caudal entre unaaguja y otra. Pero me remito al estudio anterior para afirmar que esto no eraun problema que pudiera falsear las medidas, tal y como vimos posteriormente.

3.1.3. Inyector

El multi-inyector ha constado de varios disenos a lo largo del periodode experimentacion. Inicialmente se iba a aprovechar el usado por el propiolaboratorio en investigaciones anteriores, pero viendo que este requerıa estarmuy cerca de la placa que producirıa la turbulencia, se ideo otro multi-inyectorcon una longitud de agujas mucho mayor, para ası afectar lo mınimo posible alflujo de aire turbulento.

El diseno del primer inyector fue muy parecido al del antiguo que seencuentra en los laboratorios del departamento y constaba de 20 agujas dediametros interno y externo de 1,4mm y 1,7mm respectivamente donde morıanlos tubos de Tygon de 0,0402 pulgadas. Las agujas estaban dispuestas en doshileras de doce donde solo las diez del centro estaban conectadas a los tubosde Tygon, todo ello encepado en un plancha de PVC, que hacıa de soporteestructural.

La funcion de estas agujas que carecen de lınea es la de producir unadistorsion en el campo electrico que se crea por la diferencia de potencial, similara la producida por el resto de lıneas y ası crearles un ambiente parecido a todaslas agujas interiores. Ası tanto la aguja no 2, que serıa la primera que tieneconectada un tubo de Tygon, y la no 11, que serıa la ultima, ”ven” un campoelectrico muy parecido a por ejemplo la aguja no 6 por estar todas ellas rodeadasdel mismo numero de agujas. Aunque la explicacion es convincente no hay queolvidar que mientras que la aguja no 6 esta rodeada por dos agujas por las quecircula lıquido de trabajo, en las agujas no 2 y 11 de cada hilera solo hay unaaguja adyacente con lıquido (la otra esta evidentemente vacıa) pero el efecto deque la trayectoria del spray se desvıe queda totalmente solventado.


Figura 3.4: Detalle del inyector original

Debido a la disposicion lineal que mantenıa este primer multi-inyector,muchas gotas producidas se quedaban pegadas en los laterales y parte superiorde la tobera de admision, por lo que se ideo otro multi-inyector. Este segundodiseno se hizo de forma mas compacta y centrada en la parrilla de turbulencia. Con el se vio que se mejoro mucho en el aspecto del mojado de la tobera, yaque esta no tenıa hasta cierta distancia prudencial (donde la turbulencia creaun flujo mas o menos homogeneo) ninguna parte mojada.

En este sistema definitivo, tambien se puede observar como la fila supe-rior e inferior de agujas sirven unicamente de apantallamiento, como ya se haexplicado que se dispuso en el sistema lineal.

El problema surgio justo en la primera prueba, y que sin habernos dadocuenta afectaba tambien al anterior diseno. Este consistıa en la gran turbulenciaque se producıa a la entrada de la parrilla, de manera que la posibilidad dedar un tamano concreto de partıculas, como era el objetivo, era imposible. Seproducıa una desestabilizacion en el cono de inyeccion que producıa borbotonesde lıquido de trabajo de tamanos difıcilmente predecibles.


Figura 3.5: Vista del inyector definitivo

Las soluciones barajadas en este punto fueron las de disminuir la ve-locidad del flujo externo (lo cual era contraproducente para la continuidad delexperimento) o mejorar las entradas de aire de la parrilla en los 20 agujerosafectados por los inyectores. Como la disminucion de velocidad y por tanto deturbulencia era de aproximadamente la mitad de la pretendida, se opto porcrear unas pequenas toberas de entrada en los agujeros que tenıan enfrentadaslas agujas. Estas toberas se crearon mediante el avellanado con una broca de me-dida 20 mm. El resultado fue de una mejora notable y por tanto de un aumentode la velocidad del flujo turbulento.

3.1.3

Es importante comentar en la figura anterior como solo se ha modifica-do la entrada de las lıneas que producen gotas. El resto, incluidas las de laslıneas que solo tienen enfrentadas agujas de apantallamiento, han quedado sinmodificar.


Figura 3.6: Vista del avellanado

3.1.4. Parrilla.

Para crear turbulencia en un flujo, hay diversas maneras tal y como quedarefejado en el proyecto de Manuel Olmedo. Ası, existen dispositivos que usanuna malla metalica, unos chorros enfrentados o una matriz de agujeros, ası comomuchos otros. En este proyecto se usa una parrilla de agujeros por ser simple ya la vez adecuado para el sistema de inyeccion de gotas que tambien se usa.

Inicialmente esta parrilla constaba de cien agujeros de medida 12 orde-nados en una matriz 10 x 10. Las caracterısticas del nuevo experimento y laexperiencia de los anteriores requerıa un aumento de la medida de los agujeros(15 mm) y del numero de agujeros, pasandose a una matriz 12 x 12.

La parrilla usada tambien ha pasado por diferentes fases de preparacion.Inicialmente se aprovecho una parrilla de madera usada ya en distintos experi-mentos como el de Manolo Olmedo o Daniel Polo en sus respectivas investiga-ciones.

Posteriormente se vio que esta parrilla se humedecıa con el lıquido de


Figura 3.7: La parrilla original

trabajo al crearse el electrospray, produciendo corrientes de fuga entre los elec-trodos. Las corrientes, que desestabilizaban el electro-spray, recorrıan desde ladescarga hasta la placa conectada a tierra todos aquellos sitios por los que hu-biera lıquido (como los intersticios de la madera o las gotas superficiales) y quecreaban de una forma u otra un camino suficiente para que la descarga no fun-cionase. Para tener un dato, el potencial de las agujas de descarga no pasaba de375 V (pues las fuentes no dan mas alla de 2,5 mA, que era por lo tanto el flujode intensidad que circulaba en esos momentos). La opcion adoptada fue la decrear una parrilla identica, construida esta vez en PVC y ası se consiguio mejorarciertamente este problema.

De todas formas se sigue detectando que en un uso intensivo, si el ven-tilador no esta funcionando, las gotas que se crean quedan flotando en el am-biente y muchas pegandose a la parrilla de nuevo, con lo cual se puede formaruna pelıcula de lıquido que se hace transmisora de corriente, de manera similara cuando hay humedad en el ambiente y las lıneas de una torre de alta tension(por ejemplo en el campo o cerca de una carretera) dejan de estar totalmenteaisladas y producen un sonido muy caracterıstico.


La parrilla es a su vez soporte del inyector y en este aspecto se ha buscadosimplicidad pero a su vez una cierta adaptabilidad de forma que la separacionentre la parrilla y el inyector pudiera ser modificada. Para ello al soporte sele ha creado una ranura por la cual puede correr el tornillo de fijacion de laplaca de PVC que forma el inyector. La modificacion de esta distancia entre laparrilla y el inyector es muy importante a la hora de usar diferentes lıquidosen las experimentaciones, ya que no todos ellos producen el electrospray a lamisma distancia.

Otro elemento que aparece en la parrilla es una lamina de metal que hacelas veces de electrodo negativo para el sistema de inyeccion. Esta lamina se haelegido de cobre, pero en un principio su espesor era demasiado pequeno y sumecanizacion difıcil.

3.1.5. Descarga.

El sistema de descarga es otro ejemplo de la evolucion que ha sufrido elproyecto. Inicialmente estuvo basado una mejora del sistema usado en inves-tigaciones previas en el propio departamento. Cada aguja tenıa un punto dedescarga, estando todas dispuestas en una placa de metacrilato preparada paraafectar lo mınimo posible al flujo y anclada a la parte trasera de la parrilla.

Figura 3.8: Detalle del sistema de descarga inicial

Una vez que se probo este sistema, nos dimos cuenta de que por algunarazon no funcionaba como era debido. Se hizo la hipotesis de que la excesivaexposicion de las agujas de descarga a los chorros del electrospray, creaba unapelıcula del fluido de trabajo sobre ellas de forma que las inutilizaba. Comoconsecuencia se ideo usar unas agujas de descarga protegidas electricamente,


para evitar que se mojaran. Estas agujas que como las otras estan a potencialnegativo, crean el campo electrico que descarga a las gotas, pero se recubren deun metal a potencial positivo que las repele y evita que se acerquen a la aguja.

Casualmente, justo antes de cambiar el sistema, se midio el potencial quese estaba aplicando a dichas agujas de descarga (ya que se usaba una fuente quecarecıa de voltımetro o amperımetro incorporado) y se puso de manifiesto queel problema residıa en que la parrilla estaba mojada y producıa unas corrientesinternas que impedıa a la fuente dar mas potencial ya que su lımite de corrientese encuentra en los 2,5 mA, problema que ya se ha comentado anteriormente.

Una vez visto el origen del problema, se intento resolver colocando menosagujas, pero que estas se encuentren en ancladas a la parrilla en sitios masalejados y estrategicos para evitar que aparezcan nuevas corrientes. La experi-mentacion llego a la solucion final pasando por una etapa previa.

Figura 3.9: Sistema de descarga con un inyector prototipo

En concordancia con el estado de la investigacion, se creo un sistema dedescarga basado en el inyector de doble hilera de doce agujas. Como finalmenteel inyector consta de cuadruple hilera de siete agujas se modifico ligeramente ladisposicion, aunque con la misma idea. Las agujas estan aisladas casi hasta la


punta y estan pagadas a la parrilla lejos de la zona por la que salen los chorros,para que la zona humeda no llegue a tocar tanto a la placa de puesta a tierracomo las agujas de descargas que se encuentran a unos 3500 v negativos.

Figura 3.10: Sistema de descarga con el inyector definitivo

3.1.6. Otros dispositivos.

En este punto se engloban a otros elementos que pueden haber llegadoa ser igual de importantes para el proyecto que se redacta que los descritos conanterioridad, pero que no han sido propiamente desarrollados en el transcursode esta investigacion, ya sea porque sean equipos comprados como es el caso delos laseres o porque tal cual los he heredado del laboratorio han sido perfectospara mi experimentacion, como es el caso de la tobera del tunel del viento.

De todas formas estos elementos tambien han tenido que ser estudiados,y como en el caso del laser Coherent que mas adelante sera comentado los ajustesy cambios que se le han hecho han permitido lograr mejores resultados que sisimplemente se usaran tal y como vienen de fabrica.


Laseres

Un metodo muy eficaz de medicion y muy preciso para los tamanos conlos que se esta trabajando es mediante laser. El sistema Doppler en los laseresse usa aprovechando la polaridad de la luz que emiten. Si se cruzan dos haces deluz de igual polarizacion, se crean unas bandas de luz y sombra espaciales, enuna franja muy reducida, pero suficiente como para que al pasar una partıculaemita luz cada vez que cruza una franja de claridad. Por tanto cuanto masrapido pase mayor sera la frecuencia que recogerıa un eventual sensor.

Si el sistema de recepcion es el adecuado, se puede saber tambien eltamano de la partıcula, pero el aspecto mas importante a tener en cuenta es ladireccion de polarizacion. La polarizacion es la direccion segun la cual los rayosson excitados. De esta manera un laser polarizado verticalmente serıa uno en elque los fotones son excitados en un plano vertical, y por tanto creandose bandasde luz y sombra verticales. Es por esto que con un laser polarizado verticalmentesolo es capaz de medir velocidades horizontales y al reves.

En el transcurso de la investigacion se ha trabajado con dos laseres.Uno de 0,1W y otro de 8 W. El primero de ellos, es un laser de haces verdespolarizado verticalmente y con una optica de division por prisma de vidrio. Coneste laser se ha trabajado casi en todo momento por su facilidad de uso y ciertascaracterısticas que se comentaran mas adelante. Su cometido ha sido verificartamanos y probar lıquidos.

Para el proceso de adquisicion de datos se ha usado el laser Coherentde 8W, que en la actualidad y debido al paso del tiempo daba una potenciamaxima de 2,6W. El principio del laser es el mismo, pero la optica es claramentediferente. En este caso la emision y recepcion de luz se hace mediante el mismodispositivo.

Aparte de la potencia, hay otro aspecto que difiere a los dos laseresusados, y es que el laser Coherent emite un rayo que es posible dividirlo en doscolores o mas a nuestro gusto. Este hecho le da en teorıa una clara superioridadfrente al laser de 0,1 W , al ser posible medir al mismo tiempo dos componentesde velocidad.

El uso del laser Coherent ha implicado ciertas variaciones en las disposi-ciones que posibilita su sistema de ajuste. En ciertos momentos se ha usado laoptica de recepcion del laser anteriormente descrito, ası como su propio sepa-rador. En otros momentos se ajusto de manera que el laser solo proporcionara


Figura 3.11: Trabajando con el laser de 100mW

haces de un color, para evitar el bajo rendimiento del separador de colores, y enotros casos se usaba el sistema inicialmente descrito pero anadiendo la optica dellaser anteriormente descrito para poder medir velocidades verticales y tamanos,que como ya se ha comentado, no es posible con la optica Dantec que viene pordefecto en este laser.

El laser emite una luz que es captada por un separador marca Dantec. Elseparador es capaz de dividir dicho haz en cuatro, dos de un color y otros dosen otro. Mediante fibra optica se dirigen los cuatro rayos a un emisor-receptorque transmite la senal a su vez a una tarjeta de adquisicion para poder procesarlos resultados.

Si bien este sistema es mas comodo y flexible tiene la desventaja de notener la optica necesaria para poder medir tamanos.


Figura 3.12: El separador de colores

Bombas de jeringa

Las bombas de jeringa han sido usadas en la experimentacion con unasola lınea. Son elementos muy fiables ya que a diferencia del aire comprimido,aquı el flujo se da impuesto, lo que impide cualquier fluctuacion anomala en elcaudal.

El mayor problema que se ha encontrado con ellas ha sido el que nosiempre era facil conseguir el caudal requerido ante unos lıquidos de trabajo tanviscosos como la glicerina. Esto implica que a caudales altos, o se usa una jeringapequena para que la bomba tenga la fuerza suficiente y entonces se doblan laspatillas de la jeringa, o como ya se ha dicho se usan jeringas mas grandes y nose tiene fuerza. La solucion pasaba por ayudar y evitar el doblado de las patillasde la jeringa con las manos en los momentos en que el caudal era excesivamentecrıtico.

En algun momento de la investigacion se ha llegado a pensar que lasuma de cierta cantidad de bombas de jeringa podrıa usarse como metodo deimpulsion, aunque serıa mas aparatoso tener por ejemplo tres bombas de jeringa


para seis agujas que una sola toma de aire comprimido para veinte agujas. Enalgun caso de dificultad sin embargo, podrıa disminuirse el numero de gotascreadas, en pro de un mayor control sobre las reacciones y caudal del lıquido.

Figura 3.13: Presentacion de la bomba de jeringa y las dos fuentes usadas

Fuentes de intensidad

Los voltajes que se han tenido que introducir, se han conseguido princi-palmente mediante una fuente de intensidad. Esta fuente que tiene una resisten-cia de 20MΩ intercalada entre la propia fuente y el extremo libre que se conectaa los inyectores. Esta resistencia es introducida por motivos de seguridad, ası sipor algun motivo entra en contacto con el cuerpo humano, la intensidad quecircula esta limitada.

La fuente es capaz de generar una alimentacion a 10 kV con una inten-sidad maxima de 2.5 mA. su cometido ha sido principalmente la de alimentaral inyector tanto simple como multiple.

Otra fuente usada en la experimentacion es una mas sencilla y fabricadapor personal del propio laboratorio. La labor de esta fuente que carece de visorde potencial o corriente ha sido principalmente la descarga, ya que aunque nose sepa exactamente el potencial que genera, es mas que suficiente en un campoen el que solo se necesita saber si esta o no funcionando la descarga.

Esta fuente no tiene la proteccion electrica de la anterior por lo queun contacto con ella es mucho mas perjudicial que con la anterior. Ademas seencuentra sometida a los problemas de falta de aislamiento de la parrilla, portanto una eventual rotura no supone un quebranto economico en el experimento.

El el cometido de esta fuente era es el de crear un campo electrico nega-


tivo por lo que se necesita disponerlo de manera contraria al anterior, es decirimponiendo que el cable de tierra este en contacto con las agujas de descargamientras que el cable de tension este puesto a tierra.

Tobera

Para conseguir una buena entrada de aire y generar la turbulencia demanera deseada, es preciso montar una tobera.

La tobera que da entrada al flujo turbulento cargado de gotas y que sirvede soporte para la parrilla, ha sido tomada directamente del laboratorio deldepartamento. Su construccion es en madera y su seccion cuadrada. La toberaesta disenada de tal manera que al principio tiene la medida de la matriz de 12x 12 agujeros de la parrilla y al final , en la parte mas estrecha, tiene la mismaseccion tunel del viento, que es de 120 x 120 mm. Por lo tanto el ajuste delconjunto es total.

Figura 3.14: Vista de la tobera con el inyector definitivo

Esta tobera ha sido heredada de proyectos anteriores del departamentode fluidos de la escuela. Ası, Daniel Polo y Manuel Olmedo han usado la tobera,introduciendo en cada caso ciertas mejoras que han supuesto convenientes.


Tunel del viento

Al igual que la tobera, el tunel ha sido usado en otros proyectos deldepartamento. Consta de dos caras de metacrilato y otras dos de cristal, porlas cuales se hacen las medidas, pues el cristal produce menos difusion en la luzque el metacrilato. De esta manera se forma un conducto de seccion cuadradade 120mm x 120mm y 1,5 m de longitud.

En anteriores experimentos se ha caracterizado el tunel del viento conla parrilla a modo de entrada para la tobera. Los resultados que se muestrana continuacion son los obtenidos en el tunel con la parrilla como elemento detapa en la tobera y con una frecuencia de red de cerca de 40 Hz (pues para el lapuesta en marcha del ventilador se hace mediante variador de frecuencia), quesuponen velocidades en el interior del tunel de unos 20 m/s, que es precisamentela maxima velocidad que se puede inducir antes de que el multi-inyector seinestabilice. Se muestra el perfil de velocidades y el perfil de las perturbaciones:

Figura 3.15: Perfil de velocidades en la caracterizacion del tunel

Ventilador

Para crear el flujo turbulento nos hemos apoyado en un ventilador axialcon variador de frecuencia. LA marca del ventilador es S&P modelo TBT2/400,de motor trifasico de dos polos y 1,5 Kw de potencia.

A la hora de usar el ventilador y siendo este un elemento rotativo queintroduce muchas vibraciones al conjunto, se separo un poco del tunel, no de-jando que se escapara el aire uniendolos con cinta de embalaje, consiguiendoseuna notable reduccion de vibraciones y sin perder potencia de aspiracion del


ventilador.

La relacion entre la velocidad de flujo de aire turbulento que es capaz degenerar en el interior del tunel del viento y la la frecuencia a la que trabaja seda en la siguiente tabla:

Figura 3.16: Relacion entre la frecuencia inducida al ventilador y velocidad delflujo

Finalmente y para hacernos una idea del montaje resultante se muestrauna foto de todo el sistema una vez montado. En la foto se aprecian casi todos losequipos usados, aunque en cada instante no todos se ponıan en funcionamiento.


Figura 3.17: Idea de los quebraderos de cabeza que ha provocado el proyecto

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