BANCO HIDRAULICO

3er Curso. INGENIERO QUÍMICO

EXP. QUÍMICA III

Curso 2011-12

EXPERIENCIA BANCO HIDRAULICO

INDICE: 1. INTRODUCCIÓN/OBJETIVOS. 2. DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS. 3. CURVAS CARACTERÍSTICAS B1. a.

OPERACIÓN.

b.

DATOS.

c.

CÁLCULOS/RESULTADOS.

d.

GRÁFICAS H-Q, W-Q, RENDIMIENTO.

4. CURVA CARACTERÍSTICA B2 A 2400 Y 1500 rpm. a.

OPERACIÓN (CEBADO)

b.

DATOS

c.

CÁLCULOS/RESULTADOS

d.

GRÁFICAS H-Q, W-Q, RENDIMIENTO-Q.

5. LEYES DE SEMEJANZA. a.

TEORIA

a.

GRÁFICA TEÓRICA H-Q DE B2 A 2400 OBTENIDA A PARTIR DE LA GRÁFICA EXPERIMENTAL DE 1500. COMPARACIÓN CON LA EXPERIMENTAL.

b.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS.

6. NPSHd a.

TEORÍA (DEFINICIÓN, CAVITACIÓN, ETC).

b.

CALCULO NPSHd PARA LA BOMBA B2 A 2400 rpm.

7. BOMBAS EN SERIE . a.

TEORÍA.

b.

OPERACIÓN.

c.

DATOS.

d.

CÁLCULOS/RESULTADOS.

e.

GRÁFICAS H-Q, W-Q, RENDIMIENTO-Q.

f.

GRAFICA (H-Q) DE COMPARACIÓN ENTRE LOS DATOS EXPERIMENTALES Y LA TEÓRICA.

g.

Ana Conde Ramírez

DISCUSIÓN DE RESULTADOS.

1


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1. Introducción y objetivos

En la ingeniería se suelen dar situaciones donde es necesario llevar fluidos de un lugar a otro. Para que el líquido pueda circular por la tubería es necesario aportarle una energía mecánica en forma de presión. Esto se realiza mediante una bomba, por lo que es necesario conocer las distintas bombas que pueden ayudar a impulsar este fluido y cual será el comportamiento del fluido en el circuito que deberá desarrollar. Cuando se especifica una bomba se hace sobre una serie de parámetros: caudal, altura, rendimiento, potencia, sobre la base de un punto de funcionamiento deseado. Mientras que para el estudio de la impulsión de fluidos se utiliza siempre la ecuación de Bernouilli, que no es más que un balance de energía:

P1

2

2

V P V  gZ1  1  Wbomba  2  gZ2  2  hf12  2  2

Pi = presión del punto i (en Pa). Zi = cota del punto i (en m). Vi = velocidad del punto i (en m/s). η = Rendimiento de la bomba. Wbomba = Potencia que suministra la bomba (en m2/s2) ρ = Densidad del fluido que circula por el sistema (en kg/m3). hf12 = Pérdida de carga entre los puntos 1 y 2 (en m2/s2). En esta práctica se llevarán a cabo una serie de experiencias donde el objetivo principal es comprender mejor el funcionamiento de las bombas y el comportamiento de los fluidos ante distintas situaciones y obstáculos o accesorios.

Ana Conde Ramírez

2


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2. Descripción de equipos

En la práctica existe un montaje principal, el banco hidráulico, con el que se trabajará durante toda la experiencia. El esquema general de la instalación de banco hidráulico es el que se muestra a continuación:

Consta de dos bombas que pueden ser dispuestas en paralelo o en serie según queramos mediante un conjunto de tuberías y válvulas, un depósito de 150L de volumen que contiene agua que será el fluido utilizado por las bombas y un conjunto de tuberías y válvulas que se usan para limpiar el sistema. Una de las bombas esta junto al depósito en la parte inferior y la otra está colocada sobre el depósito. Ambas descargan a una pileta el agua para que después vuelva al depósito.

Ana Conde Ramírez

3


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o T1: Tanque de agua o T2: Tanque de agua o B1: Bomba centrífuga. Proporciona una altura máxima de 24 m. o B2: Bomba centrífuga. La altura máxima depende de la velocidad a la que hagamos girar el rodete. o V1: Válvula de bola o V2: Válvula de bola o V3: Válvula de bola o V4: Válvula de membrana o V5: Válvula de membrana o V6: Válvula de tajadera. Sobre este montaje hay un cuadro de instrumentos donde se dispone de un vatímetro, dos manómetros y dos vacuómetros que controlan y miden el circuito. Cada bomba tiene un manómetro (P2) en la impulsión y un vacuómetro (P1) en la aspiración. El manómetro de la bomba 1 mide en metros de columna de agua, con una precisión de 0.5 m.c.a, desde 0 hasta 25 m.c.a. El vacuómetro de la bomba 1 mide en cmHg, con una precisión de 1 cmHg, desde 0 hasta 76 cmHg El manómetro de la bomba 2 mide también en m.c.a, con una precisión de 0,5 m.c.a, desde 0 hasta 60 m.c.a. El vacuómetro de esta bomba tiene dos escalas: una en cmHg, con una precisión de 10 cmHg y con un rango de 0 a 76 cmHg; y la otra en Kg/cm2, con una precisión de 0,1 y con un rango de 0 a 3 Kg/cm2. El vacuómetro de la bomba 1 mide en unidades de cmHg, tiene una precisión de 1, con un intervalo de 0 a 76.

Mientras que el Vacuómetro de la bomba 2 tendrá dos escalas; una en cmHg, con una precisión de 10 y intervalo de 0 a 76 cmHg; y la otra en Kg/cm2, con una precisión de 0,1 y un rango de 0 a 3 Kg/cm2.

El Vatímetro, realiza la medición en W,con precisión de 20.

Ana Conde Ramírez

4


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3. Curva característica B1

a. Operación En esta experiencia se quiere obtener las curvas H-Q, W-Q y rendimiento-Q para la bomba B1. Se medirán una serie de datos al poner en funcionamiento la bomba1 e ir variando el caudal de salida. Para ello se abrirán las válvulas V2 y V4 manteniendo el resto cerradas, de manera que el agua pase del tanque 1 al dos. La válvula V4 es una válvula de membrana que se irá regulando según el caudal deseado, tendrá seis posiciones: cerrada, con un cuarto de vuelta, la mitad, tres cuartos, una vuelta y abierta totalmente. La medida del caudal se realizará midiendo el volumen impulsado de agua hacia el tanque 2, y cronometrando el tiempo invertido para desplazar este volumen. Se podrá vaciar fácilmente el tanque 2 abriendo V6, el agua pasa de nuevo a T1. Con los volúmenes y el tiempo obtenidos se podrán calcular los caudales. Para cada caso también se tomarán los datos de presión en la aspiración y en la impulsión de B1, el aumento de volumen, el tiempo y la potencia eléctrica consumida

b. Datos.

(cmHg)

(m.c.a)

Potencia(W) V(L)

t(s)

Cerrada

0

23.5

23

440

0

0

¼ vuelta

0

22

22

500

5

18

½ vuelta

0

20

18

600

20

40

¾ vuelta

-2

16

11

700

30

24

1 vuelta

-5

13,5

7

740

40

21

Abierta

-8

10

0

780

40

18

c. Cálculos/resultados.

Ana Conde Ramírez

5


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EXP. QUÍMICA III (Pa)

EXPERIENCIA BANCO HIDRAULICO (Pa)

Potenci

Q

Altura(

Rendimiento

a (W)

(

m)

(%)

Cerrada 0

230300

0

0

0

0

¼

0

215600

59,88

0,278

5

11,98

0

196000

175,5

0,875

35

28,58

-2666,448

156800

232,55

1,458

35

32.22

vuelta ½ vuelta ¾ vuelta

5

1 vuelta -6666,12

132300

231,61

1,667

35

31,30

Abierta

98000

211,29

1,944

35

27,09

-10665.79

Donde: P=ρgh Pot=ρgQHb η =Pot/ Pot(eléctrica) d. Gráficas

BOMBA1 25.0

H (m)

20.0 15.0 10.0

BOMBA1

5.0 0.0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Q (L/s)

Ana Conde Ramírez

6


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EXP. QUÍMICA III


POTENCIA (W) 250

POTENCIA(W)

200 150 100

POTENCIA (W)

50 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Q (L/s)

RENDIMIENTO(%) 40 RENDIMIENTO (%)

35 30 25 20 15

RENDIMIENTO(%)

10 5 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Q (L/s)

Ana Conde Ramírez

7


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4. Curva característica bomba 2 a 2400 y 1500 rpm

a. Operación de cebado. En esta situación se trabaja con B2, para ello se tendrán que mantener abiertas las válvulas V4 y V5 y cerrar V1, V2 y V3, aunque realmente V2 es indiferente si está abierta o cerrada, ya que por esa rama no va a circular agua. Al poner en marcha la bomba 2 el agua de T1 no consigue subir, debido a que la aspiración de la bomba está llena de aire y esta se encuentra elevada sobre el tanque. Las bombas centrífugas no pueden aspirar el agua si la tubería está llena de aire. Para ello se tendrá que cebar la bomba, este procedimiento consiste en llenarla de agua con ayuda de B1. El cebado de la bomba es necesario en esta ocasión porque la densidad del aire es mucho menor que la del agua y la depresión a la que da lugar la bomba al ponerla en marcha es insignificante a la necesaria para aspirar el agua. Para cebar la bomba se abrirá V3, se cerrará V2 y se pondrá en funcionamiento B1, de forma que el agua llenará la tubería que hay entre B2 y T1. Cuando la tubería esté llena, se pondrá en marcha B2, parando seguidamente B1 y cerrando V3. Observado que el agua sale por V6. Pudiendo comenzar de este modo ya la experiencia.

La experiencia consistirá en hacer lo mismo que con B1 pero a dos velocidades de giro del rodete distintas a 2400 y a 1500 rpm. Esto se conseguirá ajustando estas rpm en un variador de frecuencia existente en el cuadro de instrumentos y que maneja a B2.

Ana Conde Ramírez

8


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b. Datos: -1500rpm

(cmHg)

(m.c.a)

Potencia(W) V(L)

t(s)

Cerrada

0

9

220

0

0

¼ vuelta

0

9

220

5

43

½ vuelta

0

8

260

20

40

¾ vuelta

-10

5

280

35

38

1 vuelta

-10

3

300

35

30

Abierta

-20

0

300

35

25

-2400rpm

(cmHg)

(m.c.a)

Potencia(W) V(L)

t(s)

Cerrada

0

23

400

0

0

¼ vuelta

0

22

480

5

19

½ vuelta

-20

18

600

55

40

¾ vuelta

-40

11

700

35

24

1 vuelta

-50

6

720

35

21

Abierta

-50

0

680

35

20

c. Cálculos / resultados. Los cálculos los realizaremos con la ayuda de las siguientes fórmulas. p= ρ·g·h =

·(

)

η=

Ana Conde Ramírez

9


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-1500rpm. (Pa)

(Pa)

Potenci

Q

Altura(

Rendimiento

a (W)

(

m)

(%)

Cerrada 0

88200

0

0

9

0

¼

0

88200

10.25

0.116

9

4.66

0

78400

39.2

0.500

8

15.08

-13332.24

49000

57.41

0.921

6.4

20.50

1 vuelta -13332.24

29400

49.85

1.167

4.4

16.62

Abierta

0

37.33

1.400

2.7

12.44

Potenci

Q

Altura(

Rendimiento

a (W)

(

m)

(%)


-26664.48

-2400rpm. (Pa)

(Pa)

Cerrada 0

225400

0

0

23

0

¼

0

215600

56.73

0.263

22

11.82

-26664.48

176400

177.68

0.875

20.7

29.61

-53328.96

107800

234.97

1.458

16.4

33.57

58800

209.10

1.667

12.8

29.04

1.750

6.8

17.16

vuelta ½ vuelta ¾ vuelta 1 vuelta -66661.2

2 Abierta

-66661.2

Ana Conde Ramírez

0

116.65

10


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d. Gráficas. -1500rpm.

H(m)

Bomba 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0

Bomba Poly. (Bomba) y = -2.9963x2 - 0.3456x + 9.0238 R² = 0.9974 0

0.5

1

1.5

Q(m3/h))

Potencia (W) 70 y = -66.131x2 + 121.39x - 1.832 R² = 0.9889

60

Potencia (W)

50 40

Potencia (W)

30

Poly. (Potencia (W))

20 10 0 0 -10

Ana Conde Ramírez

0.5

1

1.5

Q (m3/h)

11


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RENDIMIENTO (%) y = -25.553x2 + 44.768x - 0.1912 R² = 0.9924

25 20

H(m)

15 RENDIMIENTO (%)

10

Poly. (RENDIMIENTO (%)) 5 0 0

0.5

-5

1

1.5

Q (m3/h)

-2400rpm.

BOMBA 45.0 40.0 y = -62.505x5 + 261.69x4 - 371.99x3 + 194.66x2 - 39.784x + 42.735 R² = 1

35.0

H (m)

30.0 25.0 20.0

BOMBA

15.0

Poly. (BOMBA)

10.0 5.0 0.0 0

0.5

1

1.5

2

Q (m3/h)

Ana Conde Ramírez

12


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POTENCIA (W) 300 y = -1118.8x5 + 4733x4 - 6892.6x3 + 3689.7x2 - 181.14x 1E-07 R² = 1

250

H(m)

200 150

POTENCIA (W) 100

Poly. (POTENCIA (W))

50 0 0

0.5

-50

1

1.5

2

Q(m3/h)

RENDIMIENTO (%) 45 40 y = -25.047x4 + 80.984x3 - 124.37x2 + 110.75x - 0.0929 R² = 0.9884

rENDIMIENTO (%)

35 30 25 20

RENDIMIENTO (%)

15

Poly. (RENDIMIENTO (%))

10 5 0 -5 0

0.5

1

1.5

2

Q (m3/h)

Ana Conde Ramírez

13


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5. Leyes de semejanza. Se obtendrá de forma experimental las curvas características de las bombas centrífugas. Posteriormente, las curvas obtenidas se utilizarán para comprobar la exactitud de las predicciones realizadas mediante las leyes de semejanza para bombas centrífugas. Las leyes de semejanza son un conjunto de ecuaciones que relacionan el caudal, altura o la potencia a una velocidad (frecuencia) determinada de la bomba, con otro caudal altura o potencia a otra frecuencia, es decir, a otra velocidad de giro. Las leyes de semejanza tienen tres objetivos fundamentales: a. Determinar la curva de respuesta de una bomba al variar su velocidad de rotación. b. Obtener las características de una bomba semejante a otra pero de diferente tamaño. c. Parametrizar el comportamiento de las bombas ensayadas a través de ábacos adimensinales y diagramas. Así, se conocerá las variaciones que experimentan las curvas características de las bombas, cuando trabajamos con una bomba con el mismo fluido a dos velocidades de giro diferentes. Se representara gráficamente estas curvas y se comprobara los resultados obtenidos con los dados por las leyes de semejanza. Las expresiones se deducirán a partir de la ecuación de Bernouilli modificada y expresando la velocidad de giro del motor como, v =2πRn. A partir de la ecuación de Bernouilli modificada se obtiene: =

;

=

Ana Conde Ramírez

;

=

14


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a. Gráfica teórica H-Q de B2 a 2400 obtenida a partir de la gráfica experimental de 1500. Comparando con la experimental: 25.0 23.0 22.0 20.7

20.0

y = -4.2679x2 + 1.5738x + 22.55 R² = 0.9812 16.4

bomba 2

15.0

bomba 2 12.8

instalación Poly. (bomba 2)

10.0

Poly. (instalación)

5.0

0.0 0

0.5

1

1.5

2

b. Discusión de resultados.

6. NPSHd.

a. Teoría El NPSHd es la altura neta positiva de succión, como su nombre indica es la capacidad en altura que posee la bomba para poder salvar un desnivel en la aspiración, siempre y cuando la tubería de la aspiración este llena de agua. Es importantísimo conocer el NPSHd de la bomba instalada en un circuito ya que si no se conociera podría suceder que la bomba fuese incapaz de subir el fluido hasta la cota a la que esta esté instalada, debido al efecto de cavitación.

Ana Conde Ramírez

15


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Si el NPSH requerido es mayor que el disponible por nuestra bomba se produce el efecto de cavitación. La cavitación se da cuando la presión de aspiración es menor que la presión de vapor de nuestro fluido a las condiciones de trabajo, se producen millones de pequeñísimas burbujas que implosionan y hacen que el fluido hierva. El riesgo de cavitación se ve aumentado en lugares donde se da una importante pérdida de carga, es decir; en la propia bomba y en válvulas por ello nunca se colocan válvulas de regulación en la aspiración de la bomba. La máquina sufre dos efectos desfavorables: -

Pierden mucho rendimiento.

-

Las

burbujitas que se colapsan dañan a la máquina; se produce

fundamentalmente en las hélices de los barcos. Para que esto no ocurra en la máquina de impulsión, se tiene que conseguir que el NSHP sea positivo. b. Cálculo NPSHd para B2 a 2400 rpm NPSH= Pº= 30mmHg Pasp= 760 – P

- Válvula 4/4 abierta y completamente: NPSHd= 3,2m

7. Bombas en serie.

a. Teoría. El montaje de bombas en serie se utiliza cuando se tiene una instalación en la que una bomba es insuficiente para elevar el fluido a la altura necesaria. Al colocar dos bombas en serie, a voz de pronto, es como si mantuviera un caudal constante y se sumaran las alturas desarrolladas por las bombas. De esta forma, cuando las bombas son iguales (misma curva característica), la curva característica del sistema final se obtiene sumando las alturas desarrolladas por cada bomba.

Ana Conde Ramírez

16


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Se pueden dar dos situaciones: 1. Las bombas son iguales: en este caso ambas maquinas de impulsión desarrollan el mismo caudal y la misma altura, así pues al colocarlas en serie el caudal sigue siendo el mismo pero la altura desarrollada es la suma de ambas. 2. Las bombas son distintas: cuando una bomba es más grande que otra se colocará siempre en primera posición la más grande y en segundo lugar la otra. Se aconseja esto porque la bomba más pequeña mueve menos caudal y ofrece más resistencia al paso del fluido, si estuviera colocada la primera ofrecería tanta resistencia al paso del fluido que podría hacer que la bomba grande cavite. En este caso el caudal de ambas bombas será el mismo porque si la más pequeña da menos la más grande forzará la velocidad del rodete de la pequeña y esta solo ofrecerá resistencia al paso del fluido. En cuanto a las alturas se sumaran hasta cierto punto donde la curva resultante adopta valores intermedios. b. Operación. En la instalación del laboratorio para poner las bombas en serie se tendrá que abrir V3 y V5 manteniendo el resto de válvulas cerradas. Pero antes se tendrá que cebar B2 nuevamente.

Tendremos que tomar los datos de presión en la aspiración y en la impulsión de ambas bombas al ir variando el caudal de salida como en las experiencias anteriores. Se realizarán y se tomarán los cálculos a 1500 y a 2400 rpm.

c. Datos. Bomba1(1500 rpm) t(s)

V(L)

(cmH g)

Ana Conde Ramírez

Bomba2(1500 rpm)

(m.c Potencia( .a)

W)

(Kg/

(m.c Potencia( .a)

W) 17


Curso 2011-12

EXP. QUÍMICA III

EXPERIENCIA BANCO HIDRAULICO )

Cerrada 0

0

0

23.5

440

24

33

220

¼

15

5

0

22

500

22

30

240

15

15

0

19

640

17

23

280

24

35

0

15.5

720

10

13

300

1 vuelta 21

35

-4

13.5

740

7

7

300

Abierta

35

-5

12

760

4

0

300


20

Bomba1(2400 rpm) t(s)

V(L)

Bomba2(2400 rpm)

(m.c Potencia(

(cmH g)

.a)

W)

(m.c Potencia(

(Kg/ )

.a)

W)

Cerrada 0

0

0

23.5

440

24

46

420

¼

11

5

0

21.5

520

21

43

500

12

15

0

17.5

660

14

31

660

19

35

-5

12.5

740

5

17

740

1 vuelta 17

35

-7

9

760

-10

9

760

0

720


cmHg Abierta

17

35

-8

7

720

-30 cmHg

d. Cálculos / resultados.

Bomba 1 (1500 rpm)

Ana Conde Ramírez

Bomba 2 (1500 rpm)

18


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EXP. QUÍMICA III


(Pa)

(Pa)

(Pa)

Q

(Pa)

H(m)

η (%)

( Cerrada

0

230300

31997,376

323400

0

23,5

0

0

215600

29330,928

294000

0,333

22,0

14,37

0

186200

22664,808

225400

1,000

19,0

29,09

0

151900

13332,24

127400

1,458

15,5

30,77

5332,896

132300

9332,568

68600

1,667

13,0

28,60

6666,12

117600

5332,896

0

1,750

11,3

25,54

¼ vuelta ½ vuelta ¾ vuelta 1 vuelta Abierta

Bomba 1 (2400 rpm) (Pa)

(Pa)

Bomba 2 (2400 rpm) (Pa)

Q

(Pa)

H(m)

η (%)

( Cerrada

0

225400

31997,376

450800

0

23,0

0

0

210700

27997,704

421400

0,455

21,5

19,15

0

171500

18665,136

303800

1,250

17,5

33,50

6666,12

122500

6666,12

166600

1,842

11,8

29,64

9332,568

88200

-13332,24

88200

2,059

8,0

21,94

10665,792

68600

-39996,72

0

2,059

5,9

15,69

¼ vuelta ½ vuelta ¾ vuelta 1 vuelta Abierta

e. Gráficas H-Q, W-Q, RENDIMIENTO-Q.

-B2 1500 rpm

Ana Conde Ramírez

19


Curso 2011-12

EXP. QUÍMICA III


CAUDAL

H-Q 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

H-Q

0

5

10

15

20

25

ALTURA

H-η (%) 35 30 25 20 H-η (%)

15 10 5 0 0

Ana Conde Ramírez

5

10

15

20

25

20


Curso 2011-12

EXP. QUÍMICA III


-B2 2400 rpm.

H-Q 2.5

CAUDAL

2 1.5 1

H-Q

0.5 0 0

5

10

15

20

25

ALTURA

H-η (%) 40

RENDIMIENTO

35 30 25 20 15

H-η (%)

10 5 0 0

5

10

15

20

25

ALTURA

Ana Conde Ramírez

21


EXP. QUÍMICA III

Curso 2011-12


f. Gráfica H-Q de comparación entre los datos experimentales y la teoría. -1500rpm

-2400rpm.

g. Discusión de resultados. Parece que la línea teórica se asemeja mucho a la experimental y por ello podemos confiar en que los cálculos teóricos nos dan una idea muy aproximada de lo que sucede en la realidad al tratar con bombas en serie.

Ana Conde Ramírez

22

BANCO HIDRAULICO

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