Les effets des nanoparticules du mélange CuO/CeO2 sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur

Oct 16, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8889 (2022) Citer cet article

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Cette étude a été construite sur la base des résultats expérimentaux d'un système de réfrigération simple utilisant le R134a comme fluide frigorigène. Sur la base des dimensions réelles du système et des résultats expérimentaux, le logiciel Ansys Fluent a été utilisé pour simuler le système afin de préparer le système à introduire théoriquement les nanoparticules. Étant donné que le processus de préparation des nanoparticules est coûteux, cette recherche présente une méthode simple, facile et peu coûteuse pour le processus de préparation à base d'eau distillée, d'ammoniac, de nitrate de cuivre et de nitrate de cérium pour synthétiser sept types de nanoparticules sous forme d'oxyde unique et de mélange de deux oxydes différents Les résultats de la préparation par diffraction des rayons X et microscopie électronique à balayage ont confirmé que les particules étaient de forme sphérique, avec des diamètres moyens appropriés compris entre 78,95 nm, 79,9 nm, 44,15 nm et 63,3 nm pour l'oxyde de cuivre, l'oxyde de cérium , le premier mélange et le deuxième mélange respectivement. L'étude théorique a confirmé que l'oxyde de cuivre, l'oxyde de cérium et le mélange constitué des deux amélioraient les performances du système de réfrigération et réduisaient la consommation d'énergie. De plus, l'utilisation des équations numériques disponibles dans la littérature pour calculer les propriétés thermophysiques a prouvé une amélioration de ces propriétés avec une augmentation de la concentration en nanoparticules lorsqu'elles sont mélangées avec du R134a.

La plupart des études en cours portent sur l'amélioration des performances des systèmes de réfrigération et des climatiseurs, car ils font partie des secteurs les plus énergivores. Pour améliorer les propriétés thermiques du fluide de travail, de très petites particules, dont la taille varie de millimètres à micromètres, sont dispersées à l'intérieur du fluide de base, qui a été fabriqué par Maxwell en 1873, mais cette tentative a rencontré de nombreux problèmes, notamment la stabilité, le colmatage et érosion. À la fin du XXe siècle. Choi a présenté le fluide de travail dans un nouveau concept, où les nanoparticules sont dispersées à l'intérieur du fluide primaire pour améliorer ses propriétés thermiques1,2. Le nanofluide est classé comme suit (i) mono-nanofluides constitués de nanoparticules similaires, (ii) nanofluides hybrides constitués de nanoparticules dissemblables ; et (iii) des nanofluides hybrides constitués de nanoparticules composites1. Pour obtenir les meilleures propriétés de transfert de chaleur entre les fluides et les nanoparticules, il faut assurer (i) la dispersibilité des nanoparticules (ii) la stabilité des nanoparticules (iii) la compatibilité chimique des nanoparticules et (iv) la stabilité thermique des nanofluides3. Récemment, le concept de nanofluides a été développé pour inclure des réfrigérants en tant que nanoréfrigérants et des huiles lubrifiantes en tant que nanolubrifiants, où la méthode de préparation est limitée à l'utilisation d'une méthode en une étape et d'une méthode en deux étapes. Dans les deux étapes, les nanoparticules sont fabriquées sous forme de poudre, puis placées dans le fluide de base, suivies de plusieurs types de méthodes de dispersion telles que l'agitation par force ultrasonique ou magnétique, l'homogénéisation et le mélange à cisaillement élevé pour disperser les nanoparticules à l'intérieur d'un mélange. . Une méthode en une étape est basée sur la condensation de poudres de nanophases de vapeur dans un liquide en réduisant la pression, puis en les dissolvant immédiatement à l'intérieur du liquide4,5.

Dans cette section, les dernières études et résultats seront présentés, notamment l'ajout de nanoparticules aux systèmes de réfrigération, ainsi que l'effet des nanoparticules sur l'amélioration des propriétés thermophysiques du fluide de travail.

Vijayakumar et al.6 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances des réfrigérateurs à base de dioxyde d'aluminium mélangé à de l'huile de polyolester, et 60 g de R602a ont été chargés comme réfrigérant. Les résultats ont indiqué que les améliorations de la capacité de refroidissement et du COP étaient respectivement de 6,09 % et 20,09 %, tandis que la réduction de la puissance consommée était de 15,78 %. Choi et al.7 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances des réfrigérateurs sur la base de 0,1 % en poids de MWCNT dispersés dans l'huile de polyolester et le R134a a été utilisé comme réfrigérant. Les résultats ont indiqué que la consommation d'énergie a été réduite de 17 %. Senthilkumar et al.8 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances des réfrigérateurs à base de nanoparticules hybrides Al2O3 et SiO2 et 60 g de R600a ont été utilisés comme réfrigérant. Les résultats ont montré que les améliorations du COP et de la capacité de refroidissement étaient respectivement de 30 et 25 %, tandis que la puissance consommée était réduite de 80 W. Senthilkumar et al.9 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur basé sur sur CuO et SiO2, et 40 et 60 g de R600a ont été utilisés comme réfrigérants. Les résultats ont montré que le COP et la capacité de refroidissement s'amélioraient respectivement de 35 % et 18 %, tandis que la réduction de la puissance consommée était de 75 W. Senthilkumar et al.10 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances d'un système de réfrigération basé sur 0, 0,2, 0,4 et 0,6 g/L de SiO2 ajouté à l'huile de polyolester et du R410A ont été chargés comme réfrigérants. Les résultats ont montré que 0,4 g/L de SiO2 atteignait la meilleure capacité de refroidissement, réduisait la puissance consommée de 80 W et augmentait le COP de 1,7. Senthilkumar et al.11 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances du système de réfrigération à base de nanoparticules hybrides 0,4 g/L et 0,6 g/L ZnO/SiO2, et le R600a a été utilisé comme réfrigérant. Les résultats ont montré que 0,6 g/L ZnO/SiO2 atteignaient une capacité de refroidissement élevée de 180 W et amélioraient le COP de 1,7, tandis que la puissance consommée inférieure était de 78 W. Senthilkumar et al.12 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances de le système de réfrigération basé sur 0,2, 0,4 et 0,6 g/L de nanoparticules hybrides CuO/Al2O3, et 70 g de R600a ont été chargés comme réfrigérant. Les résultats ont indiqué que l'ajout de CuO/Al2O3 améliorait à la fois le COP et la capacité de refroidissement de 27 % et 20 % respectivement, tandis que la réduction de la puissance consommée était de 24 %. Javadi et al.13 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances des réfrigérateurs basés sur 0,1 % en poids d'Al2O3. Les résultats ont montré que 0,1 % en poids d'Al2O3 réduisait la puissance consommée de 2,69 %. Gill et al.14 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances d'un réfrigérateur domestique basé sur 0,2, 0,4 et 0,6 g/L de TiO2 mélangé avec de l'huile (Capella D) comme alternative au R134a et du gaz de pétrole liquéfié a été chargé comme réfrigérant . Les résultats ont montré que la capacité de refroidissement et le COP étaient supérieurs au R134a de 18,74 à 32,72 et 10,15 à 61,49 %, respectivement. De plus, la puissance consommée était inférieure à celle du R134a d'environ 3,20 à 18,1. Karthick et al.15 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances d'un système de réfrigération à partir des échantillons suivants : échantillon 1 (huile minérale + 0,02 vol% Al2O3 + 0,01 vol% TiO2), échantillon 2 (huile minérale + 0,01 vol% Al2O3 + 0,005 vol% TiO2), échantillon 3 (huile minérale + 0,05 vol% Al2O3) et échantillon 4 (huile minérale + 0,02 vol% Al2O3 + 0,02 vol% ZnO). Le R600a a été utilisé comme réfrigérant. Les résultats ont montré que le COP était amélioré de 14,61 %. Tous les nanolubrifiants ont la capacité d'améliorer le COP et d'économiser la consommation d'énergie. Adelekan et al.16 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances d'un réfrigérateur domestique basé sur 0,2 g/L, 0,4 g/L et 0,6 g/L de TiO2, et le gaz de pétrole liquéfié a été utilisé comme réfrigérant. Les résultats ont indiqué que les nanolubrifiants ont permis de réduire la consommation d'énergie de 14 %, 9 % et 8 % respectivement. Subhedar et al.17 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances du système de réfrigération basé sur 0,05 vol%, 0,075 vol%, 0,1 vol% et 0,2 vol% d'Al2O3 ajouté à l'huile minérale, et le R134a a été utilisé comme réfrigérant. Les résultats ont montré que 0,075 % en volume a permis d'obtenir la meilleure amélioration du COP d'environ 85 % et d'économiser environ 27 % de la puissance du compresseur. De plus, 0,075 vol% a été signalé comme étant la meilleure concentration du système de réfrigération. Babarinde et al.18 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances d'un réfrigérateur basé sur 0,4 et 0,6 g/L de TiO2 ajouté à de l'huile minérale et le R600a a été chargé comme réfrigérant comme alternative au R134a. Les résultats ont montré que 0,4 g/L de TiO2 atteignait la valeur maximale du COP et la valeur minimale de la consommation d'énergie. Selimefendigil et Bingölbalı19 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur basé sur 0,5 vol%, 0,8 vol% et 1 vol% de TiO2 ajouté au polyéthylène glycol, et R134a a été chargé comme réfrigérant. Les résultats ont montré que 0,5 % en volume, 0,8 % en volume et 1 % en volume ont permis d'obtenir des améliorations du COP d'environ 1,43 %, 15,72 % et 21,42 %, respectivement ; 1 vol% économise la consommation d'énergie de 15%. Sundararaj et Manivannan20 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur basé sur 0,1 vol % Au, 0,2 vol % Au, 0,1 vol % HAuCl4, 0,2 vol % HAuCl4, 0,1 vol % Au et 0,05 vol % CNT, 0,2 vol% Au et 0,02 vol% de CNT mélangés à de l'huile de polyéthylène glycol, et du R134a a été chargé comme réfrigérant. Les résultats ont montré que 0,2 vol% Au et 0,02 vol% CNT atteignaient la consommation d'énergie la plus faible par rapport aux autres compositions, la capacité de refroidissement la plus élevée et la meilleure valeur de COP. Peyyala et al.21 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur basé sur 0,1 % en volume à 0,2 % en volume d'Al2O3 mélangé à de l'huile minérale, et le R410a a été chargé comme réfrigérant. Les résultats ont montré que les valeurs de COP augmentent avec l'augmentation des concentrations de nanoparticules. Babarinde et al.22 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur basé sur 0,2, 0,4 et 0,6 g/L de graphène mélangé à de l'huile minérale, et R600a a été chargé comme réfrigérant. Les résultats ont montré que les nanolubrifiants présentaient la consommation d'énergie la plus faible et le COP le plus élevé. Adelekan et al.23 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances d'un réfrigérateur domestique à base de 0,1 g/L, 0,3 g/L et 0,5 g/L de TiO2, mélangé à de l'huile minérale, et le R600a a été chargé comme réfrigérant. Les résultats ont indiqué que les nanolubrifiants présentaient les valeurs maximales de COP et de capacité de refroidissement qui étaient respectivement de 4,99 et 290,83 kJ/kg. Ajayi et al.24 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur basé sur 0,5 g/l d'Al2O3 ajouté à de l'huile (Capella D), et 100 g de R134a ont été chargés comme réfrigérant. Les résultats ont indiqué que le nanolubrifiant a permis d'améliorer à la fois la capacité de refroidissement et le COP, et d'économiser de la consommation d'énergie. Senthilkumar et Anderson25 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur, basé sur 0,2 g/L, 0,4 g/L et 0,6 g/L de SiO2, mélangé avec de l'huile de polyolester, et R410A a été chargé comme réfrigérant. Les résultats ont montré que 0,4 g/L de SiO2 améliorait à la fois la capacité de refroidissement et le COP et réduisait la consommation d'énergie. Senthilkumar et al.26 ont étudié l'effet des nanolubrifiants sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur basé sur 0,4 g/L et 0,6 g/L Al2O3/SiO2, et 40 et 60 g de R600a ont été utilisés comme réfrigérants. Les résultats ont montré que 0,6 g/L et 60 g de R600a atteignaient une capacité de refroidissement maximale, un COP maximal et un travail de compresseur minimal.

Pawale et al.27 ont étudié l'effet d'un nanoréfrigérant sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur basé sur 0,5 % en poids et 0,1 % en poids d'Al2O3, dispersés dans du R134a. Les résultats ont indiqué que 0,5 % en poids améliorait les performances du système ; cependant, l'augmentation de la concentration en nanoparticules a entraîné une réduction des performances du système. Kumar et al.28 ont étudié l'effet d'un nanoréfrigérant sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur basé sur (1 g de ZnO/1 g de SiO2), (1,5 g de ZnO/0,5 g de SiO2) et (0,5 g de ZnO/1,5 g de SiO2) dispersés dans 0,5 kg de R134a. Les résultats indiquent que le COP s'est amélioré d'environ 26 %. Manikanden et Avinash29 ont étudié l'effet d'un nanoréfrigérant sur les performances des réfrigérateurs domestiques à base de CuO, de nano-Cuo pur et de nano-CuO dopé à l'Ag dispersés dans du R290. Les résultats ont montré que le nano-CuO dopé à l'Ag obtenait les meilleures performances par rapport au nano-CuO pur. Le COP du nano-CuO dopé à l'Ag s'est amélioré d'environ 29 %, tandis que la puissance consommée a été réduite d'environ 28 %. Kundan et Singh30 ont étudié l'effet d'un nanoréfrigérant sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur basé sur 0,5 à 1 % en poids d'Al2O3 dispersé dans du R134a. Les résultats ont indiqué que des débits volumiques de 6,5 L/h et 11 L/h de réfrigérants ont permis d'améliorer dans le COP de 7,20 à 16,34 % respectivement à 0,5 % en poids d'Al2O3. Cependant, 1% en poids d'Al2O3 a provoqué une réduction du COP aux mêmes débits volumiques. Nagaraju et Reddy31 ont étudié l'effet d'un nanoréfrigérant sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur basé sur 0,05 à 0,8 % en poids de CuO dispersé dans du R134a. Les résultats ont indiqué que 0,8 % en poids de Cuo était la concentration optimale permettant d'obtenir l'amélioration maximale du transfert de chaleur, amélioration du COP et réduction de la puissance consommée. Kumar et Tiwari32 ont étudié l'effet d'un nanoréfrigérant sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur à base de R134a/Cu, R600a/Cu. Les résultats ont indiqué que le R600a a permis d'améliorer à la fois le COP et la capacité de refroidissement d'environ 27,12 % et 25 % respectivement, tandis que la puissance consommée était inférieure à celle du R134a. De plus, la dispersion de 0,5 % en poids, 1 % en poids et 1,5 % en poids de Cu dans le R600a a amélioré le COP et la capacité de refroidissement par rapport au R600a pur, et a réduit la consommation d'énergie. Kumar et al.33 ont étudié l'effet d'un nanoréfrigérant sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur basé sur 0,01 % en volume et 0,06 % en volume de ZrO2 dispersé à la fois dans le R134a et le R152a. Les résultats ont montré que le COP s'améliorait de 33,45 % sur la base de (0,06 vol % de ZrO2-R152a). Lorsqu'il est utilisé comme réfrigérant, le R152a a montré des propriétés environnementales distinctes, notamment un potentiel d'appauvrissement de la couche d'ozone nul et un très faible potentiel vermifuge global. Mahdi et al.34 ont étudié l'effet d'un nanoréfrigérant sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur basé sur 0,01 % en volume et 0,02 % en volume d'Al2O3 dispersé dans du R134a. Les résultats ont indiqué que l'augmentation de la concentration en nanoparticules améliorait le COP de 3,33 % à 12 % et réduisait la puissance consommée de près de 1,6 % et 3,3 %, respectivement. Pandey et Singh35 ont étudié l'effet d'un nanoréfrigérant sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur basé sur 0,2, 0,4 et 0,6 % en volume de TiO2 dispersé dans du R134a. Les résultats ont indiqué que le COP s'améliorait d'environ 11,1 %. De plus, aucune augmentation ou diminution de la consommation d'énergie n'a été observée, ce qui indique une dissolution complète des nanoparticules dans le réfrigérant.

Kedzierski et al.36 ont étudié les propriétés thermophysiques de nanolubrifiants à base d'Al2O3 et de ZnO ajoutés à de l'huile de polyolester à des températures allant de 288 à 318 K. Les résultats ont indiqué qu'en augmentant la concentration en nanoparticules, la viscosité, la densité et la conductivité thermique augmentent, tandis que l'augmentation de la température entraîne une diminution de la viscosité et de la densité. Sanukrishna et PrakashPrakash37 ont étudié la conductivité thermique et la viscosité de nanolubrifiants à base de 0,07 à 0,8 vol% de TiO2 mélangé à du poly-alkylène glycol à des températures allant de 20 °C à 90 °C. Ils ont constaté qu'en augmentant la concentration en nanoparticules, tous ces paramètres augmentent, tandis que l'augmentation de la température entraîne une diminution de ces paramètres. Zawawi et al.38 ont étudié la conductivité thermique et la viscosité de nanolubrifiants à base de 0,02 à 0,1 % en volume d'Al2O3/SiO2, d'Al2O3/TiO2 et de TiO2/SiO2 mélangés à de l'huile de polyalkylène glycol à des températures allant de 303 à 353 K. Les résultats ont indiqué que 0,1 % en volume d'Al2O3/TiO2/PAG amélioraient la viscosité d'environ 20,50 % à 303 K. Tandis que 0,1 % en volume d'Al2O3/SiO2/PAG amélioraient la conductivité thermique d'environ 2,41 % à 303 K. Harichandran et al.39 ont évalué la densité et viscosité cinématique de nanolubrifiants à base de 0,1 à 0,4 vol% de nanoparticules h-BN. Les résultats ont montré qu'en augmentant la concentration en nanoparticules, la densité augmentait. De plus, la viscosité cinématique de l'huile pure et des nanolubrifiants diminue avec l'augmentation des températures et la viscosité cinématique de 0,4 % en volume de h-BN était d'environ 14 % supérieure à celle de l'huile pure. Karthick et al.15 ont étudié la conductivité thermique des échantillons suivants, échantillon 1 (huile minérale + 0,02 vol % Al2O3 + 0,01 vol % TiO2), échantillon 2 (huile minérale + 0,01 vol % Al2O3 + 0,005 vol % TiO2), échantillon 3 ( huile minérale + 0,05 vol% Al2O3) et l'échantillon 4 (huile minérale + 0,02 vol% Al2O3 + 0,02 vol% ZnO). Les résultats ont indiqué que le nanolubrifiant à base de 0,05 % en volume d'Al2O3 atteignait une valeur de conductivité thermique plus élevée, tandis que le nanolubrifiant à base de 0,01 % en volume d'Al2O3 et de 0,005 % en volume de TiO2 atteignait la valeur de conductivité thermique la plus faible. Kumar et al.40 ont étudié la viscosité de nanolubrifiants basés sur 0,2 à 1,0 % en poids de CuO. Les résultats ont indiqué que 0,2 à 1,0 % en poids de CuO amélioraient la viscosité d'environ 17 %, tandis que la viscosité diminuait avec l'augmentation de la température. Jatinder et al.41 ont étudié la conductivité thermique et la viscosité de nanolubrifiants basés sur 0,1 à 0,6 g/L de TiO2. Les résultats ont indiqué que les conductivités thermiques étaient d'environ 14,37 à 41,25 % supérieures à celles du lubrifiant pur, tandis que la viscosité était d'environ 2– 6 %. De plus, la viscosité des nanolubrifiants diminue avec l'augmentation de la concentration en nanoparticules à 0,2 g/L, puis augmente avec l'augmentation de la concentration pour atteindre la valeur maximale à 0,6 g/L de TiO2.

L'ajout de nanoparticules métalliques, d'oxydes métalliques ou hybrides au système de réfrigération améliore les performances du système en améliorant les propriétés thermophysiques du fluide de base. Cependant, l'utilisation réelle des nanoparticules n'a pas réussi en raison des coûts élevés et de l'instabilité des nanoparticules pendant longtemps lors de leur rotation dans le cycle de réfrigération. L'utilisation de nanoparticules en tant qu'hybrides au cours des dernières années a suscité l'intérêt de nombreux chercheurs dans le but d'améliorer à la fois les propriétés thermiques et la stabilité des nanoparticules.

Dans cette recherche, les nanoparticules ont été préparées comme suit CuO, CeO2, le premier mélange était composé de 50% CuO avec 50% CeO2, le deuxième mélange était composé de 60% CuO avec 40% CeO2, le troisième mélange était composé de 70% CuO avec 30% CeO2, le quatrième mélange était composé de 40 % de CuO avec 60 % de CeO2 et le cinquième mélange était composé de 30 % de CuO avec 70 % de CeO2. Pour étudier sa capacité à améliorer le COP du système de réfrigération ainsi qu'à améliorer la stabilité des nanoparticules, un échantillon du premier mélange a été pesé à l'aide d'une balance sensible, puis placé dans le récipient de mélange fermé hermétiquement et évacué du l'air à l'aide d'une pompe à vide. Le récipient a été pesé à nouveau pour s'assurer qu'il n'y avait pas de perte de quantité de nanoparticules après le processus sous vide. Le récipient de mélange était en Pyrex. Les pièces suivantes ont été installées avec le récipient : couvercle en cuivre de diamètre intérieur 4 cm, tube en cuivre en forme de L, sa longueur de 6,5 cm à l'intérieur du récipient est soudée avec un bouchon et sa longueur à l'extérieur du récipient de 2,5 cm avec une longueur supplémentaire jusqu'à 4 cm pour placer la valve de transfert du gaz. Ce conteneur a été testé en termes de résistance aux fuites. La figure 1 montre le récipient de mélange de cette étude. Pour obtenir une solution stable de nanoréfrigérant, l'échantillon a été exposé à un appareil à ultrasons, qui fonctionne avec une puissance de 320 W et une fréquence de 35 kHz. Cette étude a réussi à obtenir un mélange homogène pendant une journée entière alors que le processus de mélange s'est poursuivi pendant une heure, ce qui a donné une indication que l'utilisation de nanoparticules en tant que mélange peut aider à obtenir un mélange plus homogène et stable pendant une durée plus longue, ce qui nous fait commencer une série d'études dans ce domaine bientôt, Heureusement, la méthode de préparation utilisée dans cette recherche, car les matériaux à partir desquels les nanoparticules sont préparées peuvent être couramment trouvés dans tous les laboratoires de chimie. Ainsi, la barrière du coût, qui est l'un des freins majeurs à l'utilisation des nanoparticules, est franchie. Ainsi, cette recherche présente une tentative de briser la barrière des coûts élevés des nanoparticules et d'obtenir des nanoparticules à haute conductivité thermique à un coût raisonnablement abordable. En plus de présenter une alternative aux nanoparticules hybrides, quel est le mélange qui peut réussir à résoudre durablement le problème de la stabilité des nanoparticules ?

(a) Appareil à ultrasons, et (b) le récipient de mélange du nanoréfrigérant.

Cette section comprend quatre parties, la première partie dans laquelle une expérience a été réalisée sur un système de réfrigération à compression de vapeur utilisant le R134a comme réfrigérant, et le coefficient de performance a été calculé en fonction du changement d'enthalpie du réfrigérant. Puis le logiciel Ansys Fluent version 19.0 a été utilisé pour calculer théoriquement le coefficient de performance afin de faire une étude comparative entre les résultats expérimentaux et théoriques. Dans la deuxième partie, sept types de nanoparticules ont été préparés, et le processus de préparation sera expliqué en détail plus tard. Dans la troisième partie, des nanoparticules sont théoriquement ajoutées au système de réfrigération pour vérifier leur effet sur le coefficient de performance du système de réfrigération. Dans la quatrième partie, des équations numériques disponibles dans la littérature sont utilisées pour calculer les propriétés thermophysiques du R134a en utilisant différentes concentrations de nanoparticules.

Le système de réfrigération à compression de vapeur doit être évacué pour éliminer les substances telles que l'air, l'eau, l'humidité et les gaz inertes du système de réfrigération, ce qui provoque divers effets qui entraînent une réduction de la durée de vie du cycle. À l'aide du compresseur d'air, l'air est pompé, la pression est surveillée et le test de fuite est effectué pour s'assurer qu'il n'y a pas de fuite pendant le fonctionnement du système.

Une expérience a été réalisée dans un laboratoire dans des conditions normales à l'Université technique de Yildiz à Istanbul, en Turquie. Le système a été chargé en utilisant du R134a comme fluide de travail. La sélection du R134a comme réfrigérant pour le système de réfrigération était basée sur le fait qu'il convient à tous les types d'oxydes, qu'il est sûr pendant le processus de fonctionnement, qu'il n'a aucun potentiel d'appauvrissement de la couche d'ozone, qu'il est également ininflammable et peu coûteux, et la plupart des études précédentes l'ont utilisé dans les systèmes de réfrigération. Des compteurs numériques ont été utilisés pour surveiller les températures et les pressions aux entrées et sorties d'un compresseur, d'un condenseur et d'un évaporateur, un wattmètre numérique a été utilisé pour surveiller la consommation d'énergie et un débitmètre numérique a été utilisé pour surveiller le débit massique de R134a , la perte de chaleur négligeable dans l'environnement et les modifications de l'énergie cinétique et potentielle.

Chaque expérience a été réalisée plusieurs fois et l'attente a duré 15 minutes avant de prendre la lecture des compteurs de pression et de température pour obtenir la plus grande précision et des performances en régime permanent.

Le tableau 1 montre les détails techniques du système expérimental. Une configuration expérimentale et son schéma de principe sont présentés à la Fig. 2. L'expérience consiste en un compresseur, un condenseur, un évaporateur et un détendeur.

(a) Travail expérimental et ses paramètres correspondants et (b) schéma de principe de l'expérience dessiné par l'ingénieur en mécanique Taher Abdaladeem Jaber.

Les températures et les pressions lues sur les compteurs à l'entrée et à la sortie de l'évaporateur, du condenseur et du compresseur sont saisies dans le solveur d'équations techniques (EES). Ce logiciel aide à déterminer l'enthalpie du R134a et le changement de phase gazeuse, où deux phases du cycle gazeux ont été enregistrées dans le système, à savoir l'enthalpie de vapeur surchauffée (h1, h2) à l'entrée et à la sortie du compresseur, la phase surchauffée l'enthalpie de vapeur (h3) à l'entrée du condenseur, l'enthalpie de liquide comprimé (h4) à la sortie du condenseur, l'enthalpie de liquide comprimé (h5) à l'entrée de l'évaporateur et l'enthalpie de vapeur surchauffée (h6) à la sortie de l'évaporateur. Les équations déterminantes répertoriées ont été utilisées pour l'analyse20. Les caractéristiques R134a utilisées dans la configuration expérimentale sont données dans le tableau 2 et le cycle de l'expérience sur le diagramme P – h est présenté dans la figure 3.

Le cycle de l'expérience sur le diagramme P – h.

L'évaporateur et le condenseur ont été choisis pour étudier l'effet de la température moyenne sur les performances du système de réfrigération. La réalisation du modèle mathématique nécessite les étapes suivantes (1) La géométrie de chaque évaporateur et condenseur a été conçue à l'aide du logiciel Solid Works sur la base des dimensions réelles qui sont indiquées dans le tableau 3, où ce logiciel a permis de dessiner rapidement et avec précision, puis d'enregistrer sous le Format Para Solid pour importer le fichier dans Ansys Fluent pour analyse. (2) Le maillage joue un rôle essentiel dans la précision. Une simulation de haute qualité est nécessaire pour une simulation numérique réussie, c'est pourquoi une analyse de l'indépendance du maillage est effectuée dans de nombreux cas avec différents nombres d'éléments et de nœuds pour vérifier la validité de la qualité du maillage sur la solution. Les statistiques de maillage ont utilisé le nombre total d'éléments 2 809 136 et le nombre total de nœuds 2 971 904, ces résultats de l'analyse de l'indépendance du maillage sont présentés dans le tableau 4.

Plusieurs contours ont été obtenus pour montrer le gradient de température, de pression et de vitesse à l'intérieur du condenseur et de l'évaporateur, et certains de ces contours sont présentés à la Fig. 4. Ces contours déterminent la vitesse, la pression et la température du réfrigérant. (R134a) lors de sa circulation dans les tubes. Les couleurs montrées sur le dessin indiquent que les couleurs rouges donnent la lecture la plus élevée, les couleurs bleues la lecture la plus basse et les couleurs entre le rouge et le bleu sont entre la plus haute et la plus basse dans tous les cas de gradation, qu'il s'agisse de température, de pression ou de vitesse .

(a) Le gradient thermique du condenseur et (b) le gradient thermique de l'évaporateur.

Étape 3) Configuration fluide après la géométrie et le maillage, les équations utilisées dans la solution sont entrées, qui seront les suivantes : les équations de continuité, de quantité de mouvement et d'énergie, où ces équations extraient toutes les valeurs théoriques représentées dans les quantités de chaleur absorbées à l'intérieur l'évaporateur et rejeté du condenseur, et l'énergie consommée du compresseur, ainsi que les températures et pressions théoriques à comparer aux valeurs expérimentales, passant ainsi directement à l'étape de la solution et de là aux résultats obtenus.

Les nanoparticules ont été préparées à base de nitrates, d'eau distillée et d'ammoniaque. Le processus de préparation a été informé comme suit :

La température a été portée à 80 °C pendant 1 h tout en maintenant la vitesse de mélange à 375 tr/min.

L'ammoniac est ajouté tout en maintenant la température à 60 °C, la vitesse de mélange à 375 tr/min et le pH = 10 ± 1

Augmenter la température jusqu'à 90 °C où l'oxyde de cuivre se dépose

Réduire la température de la solution à température ambiante

Processus de filtrage

Séchage au four électrique à 110 °C

Processus de fraisage

Procédure de sélection; et

Emballage. Selon les équations ci-dessous, les nanoparticules ont été préparées comme indiqué clairement dans le tableau 5 et leurs propriétés physiques et chimiques sont présentées dans le tableau 6.

où M : Mole (g/mol), W : Poids (g), Mw : Poids moléculaire (mol), C : Concentration molaire (mol/L), n : Nombre de moles.

Le tableau 5 montre que les poids des substances impliquées dans la réaction ont été convertis en moles en divisant le poids par le poids moléculaire comme indiqué dans l'Eq. (5). Ensuite, la concentration molaire a été calculée comme indiqué dans l'Eq. (6) en divisant le nombre de moles par le volume de solvant en litres.

Notez que : les poids moléculaires des réactifs étaient les suivants

Après avoir terminé les étapes de géométrie et de maillage mentionnées dans la section "Méthode numérique, géométrie et maillage de (VCRS)", le système de réfrigération pour cette étude est prêt à recevoir les nanoparticules. Cette étape est appelée la configuration où le type de solveur est choisi en fonction de la pression, la formulation de la vitesse est absolue, le temps est considéré comme stable et la gravité est prise en compte comme − 9,81 m/s. Cette étude comprenait deux modèles, le premier est le modèle visqueux standard k - epsilon et le second est le modèle de mélange qui est le modèle le plus couramment utilisé pour simuler l'écoulement de plus d'une phase en (CFD). Pour effectuer la configuration de la phase, les propriétés du R134a sont entrées dans les phases liquide et gazeuse, et les nanoparticules avec les proportions spécifiées dépendent des équations du nanofluide et traitent les nanoparticules et le R134a en devenant un matériau homogène comme indiqué ci-dessous.

où Keff, Kbf et KP sont respectivement les conductivités thermiques du nanoréfrigérant, du réfrigérant de base en phase liquide et des particules et ϕ est la fraction volumique des particules

où \({\upmu }_{\mathrm{nr}}\) et \({\upmu }_{\mathrm{r}}\) sont respectivement les viscosités dynamiques du nanoréfrigérant et du réfrigérant.

La densité et la chaleur spécifique du nanoréfrigérant sont indiquées dans les équations. (9) et (10)

où \({\varnothing},\mathrm{ \rho bF},\mathrm{\rho nP}\),\(\mathrm{et Cp sont a}\) fraction volumique de nanoparticules, densité du fluide de base, densité de nanoparticules, chaleur spécifique du réfrigérant de base et chaleur spécifique des nanoparticules44,45. Un modèle de mélange résout les équations de quantité de mouvement, de continuité et d'énergie pour le mélange, et résout l'équation de fraction volumique pour les phases secondaires44,45 Une équation de continuité pour le volume fraction d'une (ou plusieurs) des phases. Pour la qème phase, cette équation a la forme suivante :

où \({\dot{\mathrm{m}}}_{\uprho{\rm q}},\mathrm{ t}\) la masse est transférée de la phase \(\uprho \) à la phase \(\mathrm {q}\), \({\dot{\mathrm{m}}}_{\mathrm{qp}}\) le transfert de masse de la phase \(\mathrm{q}\) à la phase \(\uprho \ ).

Une seule équation de quantité de mouvement est résolue dans tout le domaine ; il dépend des fractions volumiques de toutes les phases à travers les propriétés \(\mathrm{\rho et \mu }\).

L'équation d'énergie est également partagée entre les phases

La quantité de nanoparticules qui a été ajoutée au R134a était de 2,6 g, tandis que la quantité de R134a était de 1039 g, car c'était la quantité que le système fonctionnait dans la première partie de l'expérience pour devenir une fraction massique de 0,25 % en poids. Les résultats théoriques obtenus en ajoutant une quantité de nanoparticules sont présentés et leurs effets sur les performances du système de réfrigération sont discutés dans la discussion.

La variation des propriétés thermophysiques des nanoréfrigérants à base de R134a constitués de différentes fractions volumiques de nanoparticules comprises entre 0,05 et 0,33 vol% sont clairement indiquées dans les tableaux 7, 8, 9 et 10, où la conductivité thermique du nanoréfrigérant a été conduite par l'équation de Maxwell indiqué dans l'éq. (7). Le modèle de Brinkman a été choisi dans cette étude pour calculer l'effet de différentes concentrations volumiques sur la viscosité du nanoréfrigérant indiqué dans l'Eq. (8). La densité et la chaleur spécifique du nanoréfrigérant peuvent être calculées à l'aide des équations. (9) et (10).

Cette section comprend quatre parties ; la première partie comprend la discussion des résultats obtenus en menant une expérience sur le système de réfrigération et la comparaison de ces résultats avec une simulation réalisée à l'aide du logiciel Ansys fluent 19.0. La deuxième partie comprend la discussion des résultats obtenus à partir de la préparation de nanoparticules. La troisième partie comprend la discussion des résultats obtenus à partir de l'étude théorique où les nanoparticules ont été introduites dans le système de réfrigération pour étudier leurs effets sur le coefficient de performance du système et la quatrième partie comprend la discussion des résultats obtenus à partir des équations numériques disponibles dans la littérature pour calculer propriétés thermophysiques du R134a en utilisant différentes concentrations de nanoparticules.

Un modèle théorique a été conçu pour l'évaporateur et le condenseur avec des spécifications similaires au système expérimental ; les résultats obtenus ont été illustrés graphiquement pour montrer les effets de la température moyenne de l'évaporateur et du condenseur sur le COP et le WC, comme indiqué sur les Fig. 5a – d. Le COP à différentes températures d'évaporateur est présenté sur la figure 5a ; une augmentation des températures de l'évaporateur entraîne une augmentation du COP en raison d'une augmentation de l'effet de réfrigération due à une augmentation à la fois de la différence d'enthalpie et du débit massique de R134a à travers l'évaporateur, et d'une diminution du travail du compresseur. La consommation d'énergie à différentes températures d'évaporateur est présentée sur la figure 5b ; une augmentation des températures de l'évaporateur entraîne une diminution de la consommation d'énergie, en raison d'une augmentation de la température d'aspiration, ce qui entraîne une augmentation à la fois de la pression de vaporisation et de la densité de la vapeur d'aspiration entrant dans le compresseur, ce qui entraîne une augmentation du débit massique de R134a à travers le compresseur pour une cylindrée donnée et diminue la consommation d'énergie. Les effets de la température moyenne du condenseur sur le COP sont présentés sur la Fig. 5c ; il diminue à mesure que la température du condenseur augmente en raison d'une diminution de l'effet de réfrigération et d'une augmentation du travail du compresseur, Une augmentation des températures du condenseur entraîne une augmentation du rejet de chaleur, en raison d'une augmentation à la fois de la différence d'enthalpie et du débit massique du R134a à travers le condenseur. D'autre part, l'augmentation de la température du condenseur entraînera une augmentation de la consommation d'énergie, comme présenté sur la figure 5d.

(a) L'effet de Tav, ev sur Cop, (b) L'effet de Tav, ev sur la consommation électrique, (c) L'effet de Tav, cond sur COP et (d) L'effet de Tav, cond sur la puissance consommation.

Pour obtenir une grande précision, l'expérience a été divisée en plusieurs cas, où chaque cas comprenait cinq expériences et chaque expérience a été répétée trois fois. L'expérience qui a donné le plus de convergence avec la valeur théorique calculée à l'aide du fluent Ansys a été choisie pour ensuite capturer tous ces points à tracer avec les températures moyennes de l'évaporateur et du condenseur. Lors d'un examen critique des résultats obtenus à partir de l'expérimentation et de la simulation, il a été observé que les résultats obtenus à partir des deux méthodes sont en bon accord les uns avec les autres. Cela confirme que les résultats sont identiques et qu'aucun facteur de correction n'est requis, comme le montrent les résultats. En accord avec les études précédentes, nos résultats confirment l'augmentation du COP avec la température de l'évaporateur et sa diminution avec l'augmentation de la température du condenseur, ainsi que la diminution de la consommation d'énergie avec l'augmentation de la température moyenne du condenseur. évaporateur et une augmentation avec l'augmentation de la température moyenne du condenseur.

La caractérisation des nanoparticules a été réalisée à l'Université des sciences et technologies de Huazhong en Chine le 24 septembre 2019 en utilisant une analyse XRD et des images de microscopie électronique à balayage (SEM). Les résultats de la préparation des nanoparticules sont présentés sur les figures 6a à d. Le diagramme XRD a été balayé de 20 à 80 degrés et a confirmé la nature nanocristalline de CuO. Tous les pics concordaient en position et en intensité avec la norme de base de données (JCPDS 00-045-0937) du cristal de CuO cubique à faces centrées avec la structure de fluorite. L'absence de pics de diffraction supplémentaires confirme la nature nanocristalline et la pureté des échantillons.

Modèle XRD de (a) CuO pur, (b) CeO2 pur, (c) 0,5 % CuO, 0,5 % CeO2, (d) 0,6 % CuO, 0,4 % CeO2 nanoparticules.

Le modèle XRD de CeO2 a été balayé de 20 à 80 degrés et a confirmé la nature nanocristalline de CeO2. Tous les pics concordaient en position et en intensité avec la norme de base de données (JCPDS 00-004-0593) du cristal de CeO2 cubique face centrée avec la structure fluorite. L'absence de pics de diffraction supplémentaires confirme la nature nanocristalline et la pureté des échantillons.

Les images SEM ont prouvé que les particules des échantillons étaient de forme approximativement sphérique et que les tailles de particules de CuO, CeO2, 0,5 % CuO + 0,5 % CeO2 et 0,6 % CuO + 0,4 % CeO2 étaient de 78,95 nm, 79,9 nm, 44, 15 nm et 63, 3 nm sur la base des images SEM respectivement, comme le montrent les Fig. 7a – d. Ces recherches ont abouti à la préparation de nanoparticules de diamètres adaptés. L'oxyde de cérium a été utilisé pour la première fois pour déterminer son effet sur les performances du système de réfrigération. On s'attend à ce que cette étude ouvre la porte à de futures études pour révéler de nouvelles propriétés de l'oxyde de cérium en mélange avec l'oxyde de cuivre; en particulier, ils ont été préparés selon le même procédé qu'un mélange homogène ayant les propriétés des deux oxydes.

(a) Spheral CuO, (b) Spheral CeO2, (c) Spheral 0.5% CuO + 0.5% CeO2, (d) Spheral0.6% CuO + 0.4% CeO2.

Les résultats obtenus en ajoutant CuO sont illustrés graphiquement sur les Fig. 8a – i pour montrer les effets de la température moyenne de l'évaporateur sur le COP et WC. Comme il ressort des résultats, l'ajout de 0,25 % en poids de CuO a provoqué une augmentation de la température de l'évaporateur à son entrée et à sa sortie, ce qui a entraîné une augmentation à la fois du COP et de la quantité de chaleur absorbée à l'intérieur de l'évaporateur et donc une diminution dans la quantité d'énergie consommée par le compresseur Cette conclusion est cohérente avec les études précédentes, et la principale raison de l'apparition de ces changements est la conductivité thermique élevée du réfrigérant en raison de son mélange avec CuO, qui enregistre une conductivité thermique moyenne de 20 à 40 (W/mK). L'ajout de la même quantité de CeO2 a provoqué une augmentation de la température de l'évaporateur à son entrée et à sa sortie, ce qui a entraîné une augmentation à la fois du COP et de la quantité de chaleur absorbée à l'intérieur de l'évaporateur et donc une diminution de la quantité d'énergie consommée à l'intérieur du compresseur. La principale raison de l'apparition de ces changements est la conductivité thermique élevée du réfrigérant due à son mélange avec CeO2, qui enregistre une conductivité thermique moyenne de 11,7 (W/mK). L'ajout de la même quantité de 0,5 % de CuO avec 0,5 % de CeO2 a provoqué une augmentation de la température de l'évaporateur à son entrée et à sa sortie, ce qui a entraîné une augmentation à la fois du COP et de la quantité de chaleur absorbée à l'intérieur de l'évaporateur. Ainsi, une diminution de la quantité d'énergie consommée à l'intérieur du compresseur et la principale raison de l'apparition de ces changements est la conductivité thermique élevée du réfrigérant en raison de son mélange avec des nanoparticules. L'ajout de la même quantité de 0,6% CuO avec 0,4% CeO2 a provoqué une augmentation de la température de l'évaporateur à son entrée et à sa sortie, ce qui a entraîné une augmentation à la fois du COP et de la quantité de chaleur absorbée à l'intérieur de l'évaporateur et donc une diminution de la quantité d'énergie consommée à l'intérieur du compresseur. La principale raison de l'apparition de ces changements est la conductivité thermique élevée du réfrigérant en raison de son mélange avec des nanoparticules. Étant donné que le facteur le plus important dans l'amélioration des performances du système de réfrigération après l'ajout des nanoparticules est la température de l'évaporateur, tous les résultats ont été tracés de sorte que l'effet de la température moyenne de l'évaporateur sur le COP du système à une quantité spécifique de nanoparticules est montré. Nagaraju et al.31, ont prouvé que l'ajout d'oxyde de cuivre au R134a améliorait le COP du système de réfrigération à un degré proche de ce qui a été trouvé dans cette étude, et la méthode de préparation des nanoparticules, la forme, le diamètre et la quantité ajoutée à les réfrigérants jouent un rôle important dans la détermination du résultat.

Les effets de Tav, ev sur Cop et WC à fraction massique constante et comparaison des résultats de VCRS avec nano et sans nanoparticules.

Les résultats obtenus à partir de modèles appropriés d'études existantes pour déterminer la conductivité thermique, la viscosité, la densité et la chaleur spécifique des nanoréfrigérants pour les concentrations de nanoparticules de 0,05 à 0,33 % en volume en suspension dans le R-134a, sont illustrés graphiquement à la Fig. 9 et indiquent que , la conductivité thermique, la viscosité et la densité de tous les types de nanoparticules ont augmenté de manière linéaire avec la concentration volumique des nanoparticules, où le nanoréfrigérant CuO/R-134a a enregistré la meilleure valeur de conductivité thermique. Alors que la chaleur spécifique diminuait linéairement avec l'augmentation de la concentration volumique des nanoparticules, ce résultat est cohérent avec le résultat obtenu d'Alawi et Sidik45, qui ont confirmé que l'augmentation de la concentration de CuO dans le R134a améliore la conductivité thermique, la viscosité et la densité, tandis que la chaleur spécifique diminue.

Les effets des nanoparticules sur les propriétés thermophysiques du nanoréfrigérant.

Un nouveau concept de nanoparticules a été introduit pour ouvrir la porte à la réponse à de nombreuses questions à l'avenir, car l'oxyde de cérium était utilisé avec l'oxyde de cuivre comme un matériau constitué d'un mélange des deux oxydes, et les résultats obtenus pour l'oxyde de cuivre concordaient avec les études précédentes, où l'oxyde de cuivre a réussi à améliorer les performances du système de réfrigération et à augmenter le COP de 25 %, et l'oxyde de cérium a réussi à améliorer les performances du système d'une valeur moindre. Pour le mélange, les résultats ont confirmé que le mélange contenant un pourcentage plus élevé d'oxyde de cuivre donnait de meilleurs résultats. La méthode de préparation des nanoparticules était simple et abordable et produisait deux types d'oxydes et cinq types de mélanges. Par la suite, le champ de la recherche reste ouvert pour savoir si cette méthode réussira à obtenir d'autres oxydes, notamment des oxydes à forte conductivité thermique, car le coût des nanoparticules augmente à mesure que leur conductivité thermique augmente. Néanmoins, les résultats théoriques de cette recherche incitent les chercheurs à avancer dans le domaine des études expérimentales Cette étude recommande de mener des expériences pour vérifier le comportement de l'oxyde de cérium dans les systèmes de réfrigération et de suivre son comportement à différentes températures pour l'évaporateur, notamment parce que les résultats de cette recherche montrent que l'oxyde de cérium améliorait les performances du système de réfrigération grâce à sa bonne conductivité thermique. Cette étude recommande de mélanger des matériaux qui ont été préparés avec d'autres réfrigérants et des huiles lubrifiantes pour compresseurs afin d'étudier leur effet sur les propriétés thermophysiques des réfrigérants et des huiles. Étant donné que le problème de la stabilité des nanoparticules avec les réfrigérants est l'un des problèmes les plus importants, un hybride composé de différents oxydes a récemment été utilisé pour résoudre ce problème. Le mélange auquel il est fait référence dans cette étude et préparé à partir de deux oxydes différents réussira-t-il à obtenir de meilleurs résultats, puisque le mélange composé de 50% d'oxyde de cuivre et de 50% d'oxyde de cérium a déjà été mélangé au R134a en laboratoire à l'aide de la machine à ultrasons uniquement pendant une heure, le résultat était un mélange stable pendant toute une journée.

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Atilla Biyikoglu

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HAM : Préparé les nanoparticules et étudié leur effet sur les performances des systèmes de réfrigération et les propriétés physiques thermos plus tard, ainsi que la coopération entre UC, AB et MA : En examinant l'article linguistiquement.

Correspondance à HudaElslam Abdali Mohamed.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Mohamed, HA, Camdali, U., Biyikoglu, A. et al. Les effets des nanoparticules du mélange CuO/CeO2 sur les performances d'un système de réfrigération à compression de vapeur. Sci Rep 12, 8889 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12942-7

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Reçu : 24 décembre 2021

Accepté : 02 mai 2022

Publié: 25 mai 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-12942-7

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