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Bombas Rotativas
APRESENTAÇÃO Esta Apostila caracteriza-se pela demonstração teórica dos princípios de funcionamento e operação(partida, parada, problemas operacionais) das bombas rotativas e alternativas, assim como os principais principais tipos e características características no contexto industrial.
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1. CONCEITOS PRELIMINARES As bombas rotativas pertencem à classe das bombas chamadas de "bombas de deslocamento positivo" ou "bombas volumétricas". São assim chamadas porque sempre bombeiam o mesmo volume de líquido por rotação, independente da pressão de descarga. Nas bombas rotativas, a transformação de energia se realiza por meio de deslocamento do líquido impulsionado pela ação de um ou vários órgãos girantes. Esses órgãos girantes podem ter os mais diferentes formatos, conforme será visto mais adiante; ad iante; entretanto, têm a mesma função específica. A maioria das bombas rotativas fornece um fluxo constante de líquido sem grandes variações de pressão. Teoricamente, as bombas rotativas são capazes de criar qualquer pressão independentemente da rotação e da pressão de descarga. Na prática, entretanto, tem-se que levar em consideração as fugas internas do líquido.
1.1. VANTAGENS E DESVANTAGENS As bombas rotativas apresentam os seguintes tópicos positivos:
Relativa tolerância para entrada de gás. Requerem fundações mais simples. Projeto compacto, ocupando espaço reduzido. Ausência de ponto morto. Apresentam baixa vibração. Eficiência elevada. Auto - escorvante. Aplicável para diversos líquidos em larga faixa de viscosidade. Vazão uniforme. Tópicos negativos:
Inadequação para grandes vazões. Desgastam-se rapidamente no bombeio de líquidos com abrasivos. Apresentam desempenho muito sensível às variações da viscosidade do líquido. Custo relativamente alto devido às tolerâncias de usinagem e diminutas folgas internas. Requerem mais cuidados de ajustes de manutenção.
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1.2. APLICAÇÃO O campo de aplicação das bombas rotativas é bastante extenso. Atende a uma grande variedade de líquidos, numa ampla faixa de viscosidade e vazão. São empregadas nas indústrias química, petroquímica, alimentícia, açucareira, cosmética, cerâmica, laticínia, de bebidas, de mineração, de papel e celulose, de tintas, de construção naval, casas de força, fábricas de amido, e principalmente em sistemas de lubrificação forçada.
2. CLASSIFICAÇÃO As bombas rotativas são agrupadas de acordo com o elemento que transmite energia ao líquido. Tem-se, então:
Engrenagens lóbulos Fusos Palhetas Bombas Rotativas Excêntrico Pistão rotativo Pistão circunferencial
Bloco - lançadeira
Tubo Flexível
2.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO A ação de bombeamento se processa quando os órgãos transmissores de energia giram. Eles provocam a formação de vácuo parcial na sucção da bomba, permitindo a entrada de líquido a fim de ocupar os flancos vazios; a seguir, o líquido é arrastado gradativamente, sob pressão, e expulso destes flancos para fora da bomba. Nas bombas de engrenagens, lóbulos ou parafusos, por exemplo, cada vez que um par de dentes se separa, gera a formação de espaços vazios que 3
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são logo preenchidos com líquido. O líquido aprisionado nestes espaços existentes entre dois dentes adjacentes é transportado perifericamente à medida que as engrenagens (lóbulos ou parafusos) giram, até ser expulso para fora da bomba. Note-se que os pontos de contato, entre os dentes formam uma série contínua de selagem deslizante, ficando a bomba constituída de diversas câmaras distintas entre os dentes. A seguir veremos o princípio de funcionamento de algumas bombas rotativas. A figura abaixo ilustra o funcionamento da bomba de engrenagens
Figura 1: Bomba de Engrenagem
As bombas de lóbulos têm ciclos de funcionamento semelhantes ao das bombas de engrenagens, conforme pode ser observado na figura abaixo.
Figura 2: Bomba de Lóbulos
A figura seguinte ilustra o ciclo de funcionamento de uma bomba de dois parafusos com fluxo em contracorrente. Ao penetrar no bocal de sucção a massa líquida é dividida em duas correntes e encaminhada para as extremidades dos parafusos onde, então, se processa a ação bombeadora. As 4
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duas correntes líquidas juntam-se novamente na parte central dos parafusos e são expulsos para fora da bomba.
Figura 3: Bomba de Parafusos
O ciclo operacional das bombas de palhetas é mostrado na figura abaixo. A ação bombeadora se efetua progressivamente em cada compartimento limitado por duas palhetas consecutivas, onde o líquido é retido e conduzido da sucção para a descarga.
Figura 4: Bomba de Palhetas
O princípio de funcionamento das bombas de excêntrico consiste em deslocar espaços cheios de líquido, à medida que o excêntrico gira. A figura abaixo mostra as etapas sequenciadas desse princípio numa bomba de camisa
Figura 5: Ciclo de Funcionamento das Bombas de Excêntrico
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flexível e numa bomba de êmbolo oscilante. Nas bombas de pistões rotativos, o princípio de funcionamento consiste em fazer os pistões se movimentarem alternativamente ao sofrerem rotação dentro de um bloco cilíndrico.
Figura 6: Funcionamento da Bomba de Pistões
A bomba de bloco - lançadeira possui um rotor fendilhado onde passeia um bloco em "U", acoplado a uma lançadeira, que gira em torno de um pino excêntrico fixado na tampa da carcaça da bomba. Cada rotação gera um movimento alternado do bloco e da lançadeira, que proporcionam o escoamento do líquido no interior da bomba, conforme está seqüenciado na figura a seguir.
Figura 7: Funcionamento da Bomba de Bloco - Lançadeira
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3. DETALHES CONSTRUTIVOS/CARACTERÍSTICAS Basicamente, uma bomba rotativa compõe-se de uma carcaça, dentro da qual giram os órgãos transmissores de energia ao líquido. Esses órgãos podem ser: engrenagens, lóbulos, parafusos, palhetas, excêntricos, pistões, etc. Como órgãos complementares, tem-se ainda: o(s) eixo(s), os mancais, as buchas, as caixas de mancais, os suportes, e os elementos de vedação (junta, anel "O", retentor, gaxeta ou selo mecânico). As bombas projetadas para transferir líquidos densos e viscosos são equipadas com uma câmara de aquecimento onde se faz circular vapor, ver figura abaixo.
Figura 8: Bomba de engrenagem com câmaras de aquecimento
A seguir é mostrada uma bomba de engrenagens desmontada.
Figura 9 : detalhes de uma bomba de engrenagens
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As bombas de construção mais aprimoradas vêm dotadas de uma válvula de alívio na carcaça para protegê-la contra elevação excessiva de pressão. A figura abaixo mostra uma bomba rotativa dotada de uma válvula de alívio na carcaça.
Figura 10: Carcaça com Válvula de Alívio
3.1. BOMBAS DE ENGRENAGENS A bomba de engrenagens é o tipo de bomba rotativa mais empregada na indústria moderna. O Projeto mais comum consiste de duas engrenagens de dentes externos, devidamente sincronizadas e instaladas do interior de um carcaça, conforme ilustra a figura 11.
Figura 11: Bomba de Engrenagens 8
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As engrenagens giram em sentidos contrários, sendo que uma delas transmite o movimento de rotação à outra. Por esta razão, são chamadas de engrenagem motriz e engrenagem acionada, respectivamente. As engrenagens empregadas nas bombas rotativas podem ter dentes retos, helicoidais, ou em espinha de peixe. As figuras 12, 13 e 14 mostram esses tipos de engrenagens.
Figura 12: Engrenagens de dentes retos
Figura 13: Engrenagens de dentes helicoidais
Figura 14: Engrenagens de dentes em espinha de peixe
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3.2. BOMBAS DE LÓBULOS As bombas de lóbulos são idênticas às bombas de engrenagens, apenas com uma única diferença: usam rotores lobulares para transmitir energia ao líquido. Os rotores lobulares estão montados no interior de uma carcaça, devidamente sincronizados, onde giram em sentidos contrários.
Figura 15: Detalhes da bomba de lóbulos
A figura 16 mostra variações de projeto dos rotores lobulares. No caso particular de lóbulos com dois dentes, a bomba é denominada de "roots".
Figura 16: Tipos de bombas de lóbulos
A figura 17 apresenta um tipo de bomba de lóbulo em que um dos lóbulos está montado na parte interna do outro. Nota-se que o rotor lobular externo tem um dente a mais que o interno.
Figura 17: Bomba de lóbulos Internos 10
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Nesse projeto, os pontos de contato entre os dentes dos lóbulos formam uma série contínua de selagem deslizante, ficando a bomba constituída de diversas câmaras distintas que efetuam a ação de bombeamento.
3.3. BOMBAS DE PARAFUSOS As bombas de parafusos são assim chamadas por usarem rotores roscados como órgãos transmissores de energia ao líquido. Essa categoria de bombas apresenta uma variedade de projetos quanto ao número de parafusos. A bomba esquematizada na figura 18 foi idealizada pelo engenheiro francês Moineau. Consiste de um parafuso especial que gira e oscila dentro de um estator montado na carcaça da bomba. O estator normalmente é de borracha ou material similar e tem o perfil interno de uma hélice dupla. O parafuso é ligado ao eixo motriz através de um acoplamento esférico de engrenagens que absorve as rotações oscilantes do parafuso. Os mancais dessas bombas são instalados em caixas localizadas externamente à carcaça.
Figura 18: Bomba de um Parafuso
Os projetos mais usuais são as bombas construídas com dois ou três parafusos, conforme ilustra as figuras 19 e 20. Convém observar que um dos parafusos é motriz e os outros são acionados. Quando a bomba for destinada a serviços pesados, projeta-se a transmissão do movimento de rotação através de um jogo de engrenagens instaladas externamente à carcaça, como ilustrado na figura 19. Para serviços leves, a transmissão pode ser feita pelo próprio parafuso transmissor de energia ao líquido.
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Figura 19: Bomba de dois Parafusos
Figura 20: Bomba com Três Parafusos
3.4. BOMBA DE PALHETAS As bombas de palhetas são bastantes simples, quanto a sua construção. Há três tipos fundamentais: bombas de palhetas deslizantes, de palhetas oscilantes e de palhetas flexíveis. A figura 21 ilustra duas bombas de palhetas deslizantes: uma vista normal e outra explodida. As peças básicas são: (a) a carcaça; (b) o tambor cilíndrico ranhurado, excêntrico em relação à carcaça; (c) e as palhetas, montadas nas ranhuras do tambor. Em alguns projetos, há molas no interior das ranhuras do tambor, a fim de forçarem as palhetas para fora.
Figura 21: Bomba de Palhetas deslizantes
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As bombas da figura 21 são do tipo "não balanceada " porque toda a ação de bombeamento se processa somente de um lado do tambor. Isso provoca um empuxo radial no tambor, que é transmitido ao eixo. A bomba de palhotas deslizantes de construção "balanceada',' conforme mostra a figura 22 possui a carcaça com formato interno quase elíptico. Há duas câmaras de bombeamento diametralmente opostas, onde os empuxos gerados em uma das câmaras são contrabalançados por empuxos equivalentes e opostos da outra.
Figura 22: Bomba de Palhetas - Tipo Balanceada
3.5. BOMBAS DE PISTÕES As bombas rotativas de pistões têm, como princípio básico, a ação que um pistão animado de um movimento alternado produz no interior de um cilindro. Há dois projetos fundamentais: bombas de pistão radial e bombas de pistão axial. A bomba de pistão radial consiste de um rotor excêntrico que gira em tomo de um pivô distribuidor estacionário. O rotor possui orifícios cilíndricos onde ficam alojados os pistões . Com a bomba em movimento, a ação da força centrífuga faz com que os pistões permaneçam sempre em contato com a carcaça da bomba, geralmente encamisada. Pode-se notar, então, que ora os pistões se movimentam em direção ao centro e ora em direção oposta. Na primeira condição, há descarga de líquido no pivô distribuidor, enquanto que na segunda condição se processa a sucção. Observe-se que no pivô distribuidor os canais de sucção e descarga são independentes, funcionando em sincronia com o rotor. Este tipo de bomba pode apresentar versões com vazão variável; basta que se altere a excentricidade do rotor.
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A bomba de pistão axial consiste de um bloco cilíndrico acoplado a um eixo giratório através de uma junta universal (figura 23). Dois suas linhas de centro formam um ângulo entre si.
Figura 23: Bomba de Pistões - Axial
No bloco cilíndrico ficam alojados os pistões, cujas hastes estão articuladas ao eixo giratório através de juntas esféricas. Neste tipo de bomba, o bloco cilíndrico gira em conjunto com o eixo provocando nos pistões um movimento alternado. Há ainda uma placa estacionária dotada de duas aberturas: uma para entrada de líquido e outra para saída.
3.6. BOMBA DE BLOCO - LANÇADEIRA O projeto básico de uma bomba rotativa do tipo bloco - lançadeira consiste de um rotor fendilhado dotado de orifícios retangulares na periferia (figura 24). No interior do rotor passeia um bloco em "U", acoplado a uma lançadeira que gira em torno de um pino excêntrico, fixado na tampa da carcaça da bomba. Quando o rotor gira, proporciona um movimento sincronizado de vai-e-vem tanto no bloco como na lançadeira.
Figura 24: Bomba de bloco - lançadeira 14
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4. BOMBAS ALTERNATIVAS Bomba de pistão possui um movimento alternativo dentro do cilindro e é o pistão que movimenta o líquido.
Figura 25: Bomba de Pistão
Bomba de êmbolo possui o funcionamento idêntico as bombas de pistão, sendo recomendadas para serviços de pressão mais elevadas.
Figura 26: Bomba alternativa de êmbolo
Bomba de diafragma é uma membrana acionada por uma haste com movimento alternativo. Um exemplo típico da aplicação de bombas de diafragma é o que retira gasolina do tanque e manda para o carburador de um motor de combustão interna.
Figura 27: Bomba alternativa de diafragma
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5. ELEMENTOS MECÂNICOS COMPLEMENTARES Como complementação, serão tratados no presente a seguir,os eixos, os sistemas de vedação, sincronização, e os elementos de suportação.
5.1. EIXO Os eixos são peças da bomba destinados a sustentar os órgãos transmissores de energia ao líquido. Os eixos devem ser projetados para que as deflexões sofridas sejam menores que as folgas radiais entre as partes estacionarias e rotativas. Os eixos devem ser retos e concêntricos ao longo de toda sua extensão, exceto em casos especiais, como nas bombas de excêntrico.
5.2. ENGRENAGENS DE SINCRONIZAÇÃO As engrenagens de sincronização são mecanismos auxiliares usados para transmitir o torque do eixo motriz para o eixo acionado. Normalmente, só são usadas em bombas maiores. A figura 25 ilustra um conjunto rotativo de uma bomba de parafusos com engrenagens de sincronização na extremidade direita.
Figura 28: Engrenagem de Sincronização
5.3. CAIXA DE VEDAÇÃO A caixa de vedação é a peça onde estão instalados os elementos de restrição ao fluxo de liquido, nas regiões que o eixo atravessa a carcaça.
5.3.1. TIPOS A vedação entre a carcaça e o eixo pode ser feita de duas maneiras: com gaxetas ou com selos mecânicos.
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Figura 29: Vedação com Gaxeta
As gaxetas são vedadores que atuam por compressão contra a superfície a ser vedada. As gaxetas são apertadas no interior de um alojamento cilíndrico pela sobreposta. A rigor, não se deve apertar os anéis de gaxeta a ponto de evitar completamente a saída do líquido em operação. O objetivo prático é restringir o vazamento a limites aceitáveis ao processo. Esse vazamento tem a finalidade de refrigerar e lubrificar os anéis de gaxeta. Os materiais usados na fabricação das gaxetas são: algodão, junta, asbesto, nylon, teflon, chumbo, alumínio, latão, etc. A esses materiais aglutinam-se sebo, óleo, parafina, graxa, silicone, grafite, mica, etc, com a finalidade de tornar a gaxeta auto lubrificada. A seleção do tipo de gaxeta mais apropriada para um determinado serviço é feita pela compatibilidade das propriedades dos materiais de construção da gaxeta. Os catálogos dos fabricantes orientam e fornecem dados para essa escolha correta. Os selos mecânicos são vedadores em que a restrição principal ao fluxo de líquido se processa num plano perpendicular ao eixo através do contato deslizante entro faces altamente polidas de duas peças. O emprego do selo mecânico torna-se obrigatório para vedação de produtos tóxicos ou inflamáveis, pois não permitem pequenos vazamentos.
5.4. MANCAIS Os mancais são elementos de apoio do eixo. Têm também a função de manter o conjunto rotativo na posição correta em relação às partes estacionárias da bomba.
5.4.1. TIPOS
Segundo a direção da carga, podem ser: 17
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Mancais: radiais, axiais e mistos
Quanto ao tipo de atrito predominante: Mancais de: deslizamento e rolamento
Nas bombas rotativas, predomina o uso de mancais de rolamento. Os tipos de rolamentos mais empregados são: a) rolamentos fixos de esferas: absorvem tanto cargas radiais como axiais. b) rolamentos de rolos cilíndricos: absorvem cargas radiais muito mais severas que os de esferas; entretanto, não se recomenda utilizá-los para absorver esforços axiais. c) rolamentos de agulhas: são semelhantes aos anteriores, porém com maior capacidade de carga radial. d) rolamentos de rolos cônicos: podem suportar cargas severas tanto radial como axial.
Figura 30: Tipos de Rolamentos
Empregam-se, também, em algumas bombas rotativas, os mancais de deslizamento do tipo bucha. São usados mais em bombas pequenas com mancais internos.
6. OPERAÇÃO Neste tópico iremos abordar de forma sucinta os procedimentos de partida , operação e parada das bombas rotativas.
6.1. PARTIDA Antes de partir a bomba, convém inspecionar: a limpeza ambiental, as condições de segurança e o nível de óleo nos mancais. Como pré-partida, recomenda-se: a) Abrir as válvulas das linhas de sucção e de descarga; b) Fechar todos os drenos existentes; e) se houver, colocar em funcionamento o sistema de aquecimento da carcaça; 18
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d) escorvar a bomba Após o cumprimento dessas etapas, partir a bomba como segue: a) No caso de motor elétrico, basta ligar a chave de partida do motor; b) No caso de turbina a vapor, seguir as recomendações do fabricante da turbina. E para encerrar as etapas de partida, convém: a) Verificar o vazamento pelas gaxetas; regular para 30 gotas por minuto; b) Verificar o nível de óleo e Completar 30 necessário; c) Verificar as pressões de sucção e de descarga. Por medida de precaução, parar a bomba imediatamente, se ocorrer algumas dessas anormalidades: Queda brusca de pressão de descarga; Vibração excessiva; Aquecimento excessivo; Ruído estranho.
- Após a partida é fundamental realizar a) b) c) d)
Verificações Periódicas :
As pressões de sucção e de descarga; O vazamento pelas gaxetas; A temperatura dos mancais; O nível de óleo lubrificante
- Variação das condições operacionais A regulagem das bombas rotativas pode ser feita: a) variando a velocidade do acionador, se possível; b) fechando ou abrindo mais a válvula de bloqueio da tubulação de descarga; c) atuando na válvula da linha de recirculação, se houver; mas nunca tentando fechar a válvula de sucção.
6.2. PARADA Normalmente, desliga-se a bomba para só após desativar os sistemas auxiliares. No caso de bombas acionadas a motor elétrico, basta desligar a chave de alimentação, enquanto que naquelas acionadas a turbina a vapor 19
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deve-se proceder a um desarme rápido através do mecanismo de sobrevelocidade. Só após a parada da bomba procede-se ao fechamento das válvulas das linhas de sucção e descarga e à desativação dos sistemas auxiliares porventura existentes.
7. PROBLEMAS OPERACIONAIS E POSSÍVEIS CAUSAS 7.1. VAZÃO NULA -
A bomba não esta escorvada. Altura manométrica de sucção inadequada. Sentido de rotação incorreta. Velocidade do acionador muito baixa. Infiltração de ar pela tubulação de sucção. Filtro da linha de sucção totalmente obstruído. Válvulas das linhas de sucção e/ou de descargas fechadas. A válvula de alívio está desajustada demasiadamente.
7.2. VAZÃO INSUFICIENTE -
Suprimento de líquido insuficiente. Altura manométrica de sucção inadequada. Velocidade baixa. Filtro sujo. Infiltração de ar pela tubulação de sucção ou pelo engaxetameto Pressão excessiva do sistema. Linha de sucção parcialmente obstruida. Válvula de alivio desajustada. linha de sucção com diâmetro menor que o recomendado. Vazamento excessivo pela caixa de gaxeta. Peças internas com desgaste excessivo.
7.3. PERDA DE SUCÇÃO APÓS A PARTIDA -
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Escorva falha. Entrada falsa de ar pela tubulação de sucção. Liquido vaporizando na linha de sucção. Líquido esgotado no reservatório. Tubulação de sucção não está suficientemente mergulhada no líquido.
7.4. AQUECIMENTO EXCESSIVO - Bomba funcionando a seco. 20
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- Desalinhamento. - Elementos girantes emperrando. - Mancais gastos. -
Gaxetas apertadas demasiadamente. Tubulações provocando tensões na carcaça.
7.5. VIBRAÇÃO E RUÍDO ESTRANHO -
Liquido vaporizando no interior da bomba. Infiltração de ar pela sucção. Velocidade bem acima da normal. Desalinhamento. Eixo empenado. Mancais gastos ou com folga excessiva. Fundação não rígida.
7.6. CONSUMO DEMASIADO DE ENERGIA -
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Velocidade acima do normal. Líquido mais denso ou mais viscoso do que o especificado. Gaxetas muito apertadas. Linha de descarga obstruida. Eixo empenado ou desalinhado. Peças rotativas raspando nas estacionárias.
7.7. DESGASTE RÁPIDO -
Funcionamento a seco ou insuficiência de líquido. Partículas abrasivas no líquido. Pressão excessiva do sistema. Materiais inadequados. Vibrações excessivas. Peças rotativas raspando nas estacionárias. Tubulação forçando a bomba.
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8. CONSIDERAÇÕES FINAIS As bombas rotativas são de relevância inegável na área industrial, pois podem atender de forma satisfatória as funções requeridas num determinado processo. Porém, temos que destacar que as bombas rotativas possuem restrições, como descrevemos neste trabalho, que só podem ser solucionadas com a troca da bomba ou modificação do projeto. Enfim, é primordial sabermos as características do líquido a ser bombeado e as exigências e detalhes do projeto para escolhermos a bomba ideal.
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