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   ISSN (Print) 1434-0860 - ISSN (Online) 0015-7899
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  • Prozessberechnungen für eine CO 2 -Anlage zur Kälte- und
           Wärmeerzeugung für Supermärkte. Teil 2: Begrenzte bzw.
           keine CO 2 -Abkühlung durch Umgebungsluft
    • Abstract: Zusammenfassung In Supermärkten werden CO2-Prozesse für die Normal- und Tiefkühlung sowie inzwischen auch durch Abwärmenutzung (Wärmerückgewinnung) für die Beheizung und Brauchwassererwärmung eingesetzt. Die Grenzen der Abwärmenutzung sowie ihr Einfluss auf die Kälteerzeugung und das Gesamtsystem werden beispielhaft für einen Supermarkt mit einer Normalkühl-Kälteleistung von 100 kW mittels systematischer thermodynamischer Prozessberechnungen ermittelt. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen liegt auf der Energieeffizienz der zur Erfüllung der Heizaufgabe erweiterten CO2-Anlage. Durch die Verwendung der Normalkühl-Kälteleistung als Bezugsgröße können die Ergebnisse für Umgebungstemperaturen zwischen − 15 °C und + 10 °C direkt auf Supermärkte anderer Größe übertragen werden. Im Teil 2 wird eine Anlage mit den Verhältnissen von Tiefkühl- zu Normalkühl-Kälteleistung von 0,2 bzw. 0,4 bei begrenzter sowie keiner CO2-Abkühlung durch Umgebungsluft untersucht. Die Beiträge der Kälte- und der Wärmeerzeugung werden getrennt aufgeführt für verschiedene Werte des Hochdrucks sowohl für den unterkritischen als auch den transkritischen Betrieb der CO2-Anlage. Mit den angegebenen Werten für den bereitgestellten Heizwärmestrom (bezogen auf die Normalkühl-Kälteleistung), die Kälteleistungszahl, die Wärmeleistungszahl, die Leistungszahl der Kälte-Wärme-Kopplung sowie die exergetischen Wirkungsgrade der Kälteerzeugung (Normalkühl-, Tiefkühl- und Gesamtkälte), der Wärmeerzeugung und der Kälte-Wärme-Kopplung werden wichtige Angaben für die Auslegung und den Betrieb der CO2-Anlage zur Verfügung gestellt. Damit lassen sich für den untersuchten CO2-Kälteprozess mit Abwärmenutzung abhängig von der Umgebungstemperatur optimale Betriebsbedingungen auswählen. Außerdem kann in der Planungsphase entschieden werden, ob ein ergänzendes Heizsystem erforderlich ist oder die Abwärmenutzung der Kälteanlage alleine zur Deckung des Wärmebedarfs ausreicht.
      PubDate: 2016-03-15
       
  • Optimum heating of cylindrical pressure vessels
    • Abstract: Abstract A method for determining time-optimum fluid temperature changes during heating of the thick walled cylinder was presented. Optimum fluid temperature changes were determined both for the cylindrical pressure vessels without holes. Heating of the hollow cylinder will be carried out in such a way that the circumferential thermal stress at the inner surface is equal to the allowable stress value. Optimum fluid temperature changes were assumed in the form of simple time functions containing unknown parameters. The unknown parameters were determined from the condition that the circumferential thermal stress at the inner surface of the hollow cylinder without holes is equal to the allowable stress at given time points. An over-determined system of nonlinear algebraic equations was solved for unknown parameters using the least squares method. At first, the thermal stress was calculated using the discrete form of the Duhamel integral. The Finite Element Method (FEM) was used to determine the circumferential thermal stress in the second method. For practical reasons the optimum temperature in the ramp form is preferred. It is possible to increase the fluid temperature stepwise at the beginning of the heating process and then increase the fluid temperature with the constant rate. Because of the possibility of practical implementation a more appropriate is the ramp function for approximating optimum fluid temperature changes.
      PubDate: 2016-03-15
       
  • Microstructure, mechanical properties and corrosion behaviour of
           Al–Si–Mg alloy matrix/zircon and alumina hybrid composite
    • Abstract: Abstract In the present study, the effect of reinforcement on microstructure, mechanical properties and corrosion behaviour of aluminium–silicon–magnesium (Al–Si–Mg) alloy matrix hybrid composites reinforced with varying amounts of zircon and alumina has been investigated. Hardness and room temperature compressive tests were performed on Al–Si–Mg alloy as well as composites. Hardness and compressive strength was found to be higher for composites containing 3.75 % ZrSiO4 + 11.25 % Al2O3. Similarly, Al–Si–Mg alloy and its composites were studied for corrosion behaviour in 1 N HCl corrosive media. The weight loss of all the composites was found to decrease with time due to the formation of passive oxide layer on the sample surface. The results obtained indicate that composites exhibit superior mechanical properties and corrosion resistance compared to unreinforced alloy.
      PubDate: 2016-03-10
       
  • Prozessberechnungen für eine CO 2 -Anlage zur Kälte- und
           Wärmeerzeugung für Supermärkte. Teil 1: Weitestgehende
           CO 2 -Abkühlung durch Umgebungsluft
    • Abstract: Zusammenfassung In Supermärkten werden CO2-Prozesse für die Normal- und Tiefkühlung sowie inzwischen auch durch Abwärmenutzung (Wärmerückgewinnung) für die Beheizung und Brauchwassererwärmung eingesetzt. Die Grenzen der Abwärmenutzung einer CO2-Kälteanlage sowie ihr Einfluss auf die Kälteerzeugung und das Gesamtsystem werden beispielhaft für einen Supermarkt mit einer Normalkühl-Kälteleistung von 100 kW mittels systematischer thermodynamischer Prozessberechnungen ermittelt. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen liegt auf der Energieeffizienz der zur Erfüllung der Heizaufgabe erweiterten CO2-Anlage. Durch die Verwendung der Normalkühl-Kälteleistung als Bezugsgröße können die Ergebnisse für Umgebungstemperaturen zwischen − 15 °C und + 10 °C direkt auf Supermärkte anderer Größe übertragen werden. Im Teil 1 wird eine Anlage mit einem Verhältnis von Tiefkühl- zu Normalkühl-Kälteleistung von 0,2 bei weitestgehender CO2-Abkühlung durch Umgebungsluft untersucht. Die Beiträge der Kälte- und der Wärmeerzeugung werden getrennt für verschiedene Werte des Hochdrucks sowohl bei unterkritischem als auch bei transkritischem Betrieb der CO2-Anlage aufgeführt. Mit den angegebenen Werten des bereitgestellten Heizwärmestroms (bezogen auf die Normalkühl-Kälteleistung), der Kälteleistungszahl, der Leistungszahl der Kälte-Wärme-Kopplung sowie des exergetischen Wirkungsgrads der Kälteerzeugung und der Kälte-Wärme-Kopplung werden wichtige Angaben für die Auslegung und den Betrieb der CO2-Anlage zur Verfügung gestellt. Damit lassen sich für den untersuchten CO2-Kälteprozess mit Abwärmenutzung abhängig von der Umgebungstemperatur günstige Betriebsbedingungen auswählen. Außerdem kann mit diesen Informationen in der Planungsphase entschieden werden, ob für die untersuchte Kühlungsvariante ein ergänzendes Heizsystem erforderlich ist oder die Abwärmenutzung der Kälteanlage alleine zur Deckung des Wärmebedarfs ausreicht. Im folgenden zweiten Teil wird auf weitere Ergebnisse bei geringerer CO2-Abkühlung mit Umgebungsluft eingegangen.
      PubDate: 2016-02-24
       
  • Thermodynamische Berechnungen für CO 2 -Kältemaschinenprozesse
           mit ein- oder zweistufiger Verdichtung in Klimaanlagen
    • Abstract: Zusammenfassung Für die Projektierung einer (Fahrzeug-) Klimaanlage, in der zur Kälteerzeugung eine Kältemaschine mit dem Kältemittel R744 (Kohlendioxid, CO2) eingesetzt wird, werden thermodynamische Berechnungen des Kompressionskältemaschinenprozesses mit ein- oder zweistufiger Verdichtung und Expansion durch Drosselung durchgeführt. Die Prozessparameter werden systematisch variiert für eine Verdampfungstemperatur von 0 °C und CO2-Kühleraustrittstemperaturen (tiefste CO2-Temperatur bei der Wärmeabgabe an die Umgebung) zwischen 15 und 55 °C. Der Einfluss auf die Leistungszahl der Kältemaschine, die spezifische Kälteleistung sowie die volumetrische Kälteleistung und bei zweistufiger Verdichtung auch das Verhältnis der Massenströme im Hochdruck- und im Niederdruckkreislauf wird untersucht. Die zweistufige Verdichtung mit äußerer Zwischenkühlung und innerem Wärmeübertrager im Niederdruck- oder im Hochdruckkreislauf ermöglicht eine deutliche Steigerung der Leistungszahl der Kältemaschine gegenüber dem Prozess mit einstufiger Verdichtung. Aus energetischer Sicht optimale Werte für den Zwischendruck, den Hochdruck und die Temperaturänderungen in den inneren Wärmeübertragern werden exemplarisch für die CO2-Kühleraustrittstemperaturen 25 und 40 °C angegeben. Die Verbesserung der Energieeffizienz wird durch zusätzliche Investitionen und eine komplexere Betriebweise der CO2-Kältemaschine erkauft. Die Ergebnisse können nicht nur für die Kälteerzeugung in Klimaanlagen, sondern auch für andere Anwendungsfälle mit einer Verdampfungstemperatur von 0 °C als Grundlage für die Auslegung und den Betrieb einer CO2-Kältemaschine herangezogen werden.
      PubDate: 2016-02-10
       
  • On the optimum design of rotating two-layered composite tubes subject to
           internal heating or pressure
    • Abstract: Abstract Subject of this analytical investigation is a rotating two-layered hollow cylinder under generalized plane strain subject to an elevated temperature at the inner surface or to internal pressure. It is presupposed that the inner cylindrical layer consists of the heavier material, whereas the outer layer is made of a material with lower density, like for example in a steel/aluminum tube. Criterion for the maximum permissible stress is the yield criterion by von Mises, and the device is optimized with respect to its weight. It is found that plasticization may start at different radii, and the study provides not only a comprehensive overview of the elastic limits of composite tubes of the above type but also a straightforward procedure for determining the optimum composition.
      PubDate: 2016-02-05
       
  • Stability analysis of double-diffusive convection of Rivlin-Ericksen
           elastico-viscous nanofluid saturating a porous medium: a revised model
    • Abstract: Abstract In the present paper we study the stability analysis of double-diffusive convection in a horizontal layer of an elastico-viscous nanofluid in a porous medium. The Rivlin-Ericksen fluid model is employed to describe the rheological behavior of the nanofluid. The dispersion relation describing the effect of various parameters is obtained by applying normal modes method and by using linear stability analysis. In this model we assume that the nanoparticle concentration flux is zero on the boundaries and we can give the values of temperature and concentration at the boundaries. The assumed boundary conditions neutralize the possibility of oscillatory convection and only stationary convection occurs. For stationary convection; it is observed that the Rivlin-Ericksen elastico-viscous nanofluid fluid behaves like an ordinary Newtonian nanofluid. The solutal-Rayleigh Number, thermo-nanofluid Lewis number, thermo-solutal Lewis number, Soret parameter and Dufour parameter have stabilizing effect on the stationary convection. A very good agreement is found between the present paper and earlier published results.
      PubDate: 2015-04-11
       
  • Editorial
    • PubDate: 2015-04-01
       
  • Praktische Verifizierung von Ähnlichkeitsgesetzen in Typenreihen
    • Abstract: Zusammenfassung Die Theorie der Konstruktionsähnlichkeit ermöglicht die Bildung von geordneten Konstruktionsfamilien (Typenreihen, konstruktive Modulsysteme). Basierend auf Bedingungen der Konstruktionsähnlichkeit und Werten von Mustermerkmalen, werden Parameter- und Abmessungswerte für geordnete Konstruktionsfamilien gebildet. Um eine praktische Verifizierung der Bedingungen der Konstruktionsähnlichkeit zu realisieren, werden Festigkeitsanalysen mittels FEM und Zugprüfmaschinen durchgeführt.
      PubDate: 2015-04-01
       
  • Einflussgrößen und numerische Untersuchungen zum Druckverlust
           oszillierender Strömungen
    • Abstract: Zusammenfassung Regenerative Gaskreisprozesse, wie z. B. der Stirlingmotor, sind geschlossene Maschinen, in denen ein Arbeitsgas durch Zylinder-Kolben Anordnungen Energie von einer Wärmequelle zu einem kälteren Reservoir überträgt. Die Kanäle der Wärmeübertrager werden hierbei oszillierend durchströmt und weisen damit, im Vergleich zu stationären Strömungen, hinsichtlich des Wärmeübergangs und der Strömungsdruckverluste ein grundsätzlich abweichendes Verhalten auf. In dem vorliegenden Beitrag wurden die Geschwindigkeit und der Druckverlust von oszillierenden Strömungen in Kanälen theoretisch und numerisch untersucht. Dabei sind sowohl kreisförmige als auch rechteckige Kanäle mit Reynolds-Zahlen im Bereich laminarer und turbulenter Strömungen betrachtet worden. Die numerische Simulation wurde in ANSYS-CFX realisiert und nutzt bewegte Gitter um die Volumenänderung der Kolben abzubilden. Die Übereinstimmung zwischen analytischer Lösung und numerischer Simulation für den Fall niedriger Reynolds-Zahlen ist sehr gut. Wie erwartet zeigten sich deutliche Unterschiede zwischen der numerischen Simulation und der analytischen Lösung bei höheren Reynolds-Zahlen (turbulente Strömung), die aufgrund fehlender analytischer Gleichungen allerdings nicht validiert werden konnten. Durch Analyse und Auswertung der Einflussgrößen wurden dimensionslose Kennzahlen erhalten sowie ein halbempirischer Ansatz unter Verwendung komplexer Zahlen entwickelt, welcher die Zeitabhängigkeit des Druckverlustes approximiert. Die darin auftretenden Modellkoeffizienten können unter Zuhilfenahme der Ergebnisse der numerischen Simulationen bestimmt werden und erlauben eine Abschätzung des Druckverlustes ohne Verwendung zeitaufwändiger CFD-Berechnungen.
      PubDate: 2015-04-01
       
  • Mitteilung der Herausgeber – 85 Jahre Forschung im Ingenieurwesen
    • PubDate: 2015-04-01
       
  • Ein Beitrag zur experimentellen Untersuchung hybrider Filterzyklone
           für die Partikelabscheidung aus Gasen
    • Abstract: Zusammenfassung Die Partikelabscheidung aus Gasen findet bei einer Vielzahl industrieller Prozesse Anwendung. Die im Bereich der Emissionsminderung für die Abscheidung fester Partikel zumeist herkömmlich eingesetzten Anlagen gleichen einander stark und werden häufig auch als Entstaubungsanlagen oder -einrichtungen bezeichnet. Diese bestehen vorwiegend aus eckigen Gehäusen mit intern positionierten Filterelementen. Zum Schutz und zur Entlastung der Filterelemente finden häufig interne Prallbleche bzw. externe Zyklonabscheider Verwendung. Kaum bekannt und untersucht hingegen ist die Kombination von filternder Technologie mit Zyklonabscheidern innerhalb eines Gehäuses. Bezeichnet werden derartige Kombinationen als Rundfilter, Zyklonfilter oder Filterzyklone. Während für Zyklonabscheider und filternde Abscheider vielzählige experimentelle Untersuchungen und Veröffentlichungen existieren, ist das für die den Zyklonabscheidern nachgeschalteten Filteranlagen kaum und für die kombinierte Bauweise gar nicht der Fall. Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Arbeit mit der experimentellen Untersuchung eines eigens entwickelten hybriden Filterzyklons. Der entwickelte hybride Filterzyklon kann mit und ohne Tauchrohr eingesetzt werden und zeichnet sich durch eine sehr kompakte Bauweise mit ausreichend großer Filterfläche aus. Um die experimentellen Untersuchungsergebnisse der herkömmlichen Technologie gegenüberstellen zu können, bilden die Parameter eines ausgewählten herkömmlichen Patronenfilters die Entwicklungsgrundlage für den hybriden Filterzyklon. Anhand der Gegenüberstellung kann gezeigt werden, dass die kombinierte Bauweise eine platzsparende und energetisch günstigere Alternative zu herkömmlichen Entstaubungsanlagen sein kann.
      PubDate: 2015-04-01
       
  • Untersuchungen zum Übertragungsverhalten von
           Rändelpressverbänden aus Stahl-Aluminium
    • Abstract: Zusammenfassung Ressourceneffizienz und Leichtbau erfordern neuartige Werkstoffkombinationen und Verbindungstechniken. Zum Nachweis der Zuverlässigkeit für diese neuen Verbindungen sind grundlegende Untersuchungen unerlässlich. Im Beitrag wird das Übertragungsverhalten von Stahl-Aluminium-Rändelpressverbänden in Abhängigkeit maßgebender geometrischer Parameter ausführlich dargelegt. Dabei wird deutlich, dass der Rändelpressverband vom Fügevorgang sowie der Duktilität des Nabenwerkstoffes geprägt wird und eine formend gefügte Verbindung aufgrund der Werkstoffverfestigung ein um maximal 40 % höheres statisches Torsionsmoment im Vergleich zu schneidend gefügten Rändelpressverbänden übertragen kann. Das mit Hilfe experimenteller Untersuchungen validierte Berechnungsmodell ist für die Dimensionierung von Stahl-Aluminium-Rändelpressverbänden gut geeignet.
      PubDate: 2015-03-20
       
  • Identification of noise generation and flow kinematics in the air gap for
           two different blade tip designs of an axial fan
    • Abstract: Abstract Importance of the role of axial fans in our everyday life as well as in industrial sphere is crucial. Their presence dictates indispensable reduction of the emitted noise level. The aerodynamically born noise due to the kinematics of the air-flow in the gap between rotor and stator is one predominant source of emitted noise by most fans and is the most intensive within the human audible spectrum. Two different rotor blade tip shapes A and B were analysed in details and the results presented in this paper. Their influence on the emitted noise was determined by measurements of the integral aerodynamic characteristic and by the level of the sound pressure level of the fan. It was confirmed that the kinematics of the air-flow within the blade tip gap is significantly different for both observed blade tip designs and plays a crucial role when generation and size of the total emitted noise power is concerned. Frequency spectra of the measured noise pressure level for both observed blade designs was also essentially different and served to confirm the well-known fact that intensity of the sound pressure level decreases with the frequency, which helps to assess and identify mechanisms of the noise generation. A typical measured amplitude decrease of the sound pressure level was observed and explained in details for both blade tip versions for the frequency range f>1000 Hz: appropriate scaling for the blade tip A and for the blade tip B was determined as \(\omega^{-2.8}\) and \(\omega^{-4/3}\) respectively. Distinctive differences between the two observed frequency spectra were established. Identification of locations, sources and specificity of the generated noise together with their detailed explanation was made possible by measurements of local pressure, velocity and their variances and is supported by simultaneous experimental flow visualization.
      PubDate: 2015-03-17
       
  • Extrusion of the bimetallic aluminum-magnesium rods and tubes
    • Abstract: Abstract On the basis of theoretical and experimental studies the complex influence of process conditions such as the geometric characteristics of the billet and the tool were investigated regarding the extrusion of bimetallic rods and tubes. As a core material magnesium alloys of the Mg-Al-Zn system and as shell materials aluminum and its alloys of the Al-Mg-Si and Al-Zn-Mg were extruded. An increase in the strength properties of the aluminum alloy shell—compared to the core of a magnesium alloy—increases the inhomogeneity of the speed distribution of the metal flow resulting in defects. A sustainable processing can be established by the extrusion of bimetallic rods which consist of an Mg-Al-Zn-Mn core and an Al-Mg-Si shell.
      PubDate: 2015-02-27
       
  • Berechnung der Verformungen und Steifigkeiten evolventischer Verzahnungen
           von Zahnkupplungen
    • Abstract: Zusammenfassung Zahnkupplungen werden auf vielen Gebieten der Antriebs- und Getriebetechnik verwendet und sind dort von wesentlicher Bedeutung. Die signifikanten Vorteile von Zahnkupplungen sind die Übertragung hoher Leistungen und Drehmomente bei kleinem Bauraum und die Kompensation eines vorhandenen Radial- und/oder Winkelversatzes. Für diese Kompensation sind eine geometrisch komplizierte Spezialverzahnung sowie die Kenntnis der Lastverteilung innerhalb der Verzahnung unabdingbar. Zur Berechnung der Lastverteilung ist die zentrale Größe die Zahnfedersteifigkeit und ihre Abhängigkeit von den verschiedenen Einflussgrößen. Der folgende Beitrag behandelt die Grundlagen und das bisherige Wissen der Zahnfedersteifigkeitsberechnung für Zahnkupplungen und zeigt die Anwendung der vorgestellten Berechnungsmethoden für den zeitgemäßen praktischen Einsatz in der Auslegungsphase dieses Maschinenelementes.
      PubDate: 2015-02-18
       
  • Varianten des Zweizonen-Modells von Ludwig Prandtl für den
           Wärmeübergang beim turbulent durchströmten Rohr
    • Abstract: Zusammenfassung Eine direkte Berechnung des Temperaturprofils eines strömenden Fluids zur Ableitung von Wärmeübergangskoeffizienten ist nur in wenigen Ausnahmefällen möglich. In einigen Fällen hilft man sich durch Analogiebetrachtungen, wie z. B. der Analogie zwischen Impuls- und Wärmeübertragung bei der vollturbulenten Rohrströmung. Diese auf W. Reynolds und L. Prandtl zurückgehende Analogie nutzt fluiddynamische Ansätze, um auf den Wärmeübergang zwischen Fluid und Wandoberfläche zu schließen. Im Beitrag wird das gut bekannte Zweizonen-Modell von Prandtl analysiert und mit einem Dreibereiche-Modell verglichen. Es wird ein korrigiertes Modell abgeleitet, welches Vorteile gegenüber dem klassischen Zweizonen-Modell nach Prandtl aufweist.
      PubDate: 2014-10-10
       
  • New design and construction of expandable casing tubes
    • Abstract: Abstract Exploration for deep-geothermal resources is still a costly and high risk operation. The research association “Geothermal Energy and High Performance Drilling Research Program, gebo” was founded to improve the cost effectiveness of geothermal energy production in particular by developing new drilling concepts for deep geological layers. A mono-diameter borehole casing concept is developed to achieve this ambitious aim. To accomplish this, a special type of casing is essential, structured from folded tubulars for expandable casing applications featuring clover-like cross sections and expandable to a cylindrical form when the casing is at its downhole position. A smaller borehole volume and a reduction of drilling time and casing related costs are the main advantages of this method compared to conventional drilling. Design, material selection and realization of the folded tubulars take place at the Institut für Werkstoffkunde (Materials Science). The evaluations of the results are based on residual stress analysis and the measurement of the geometry after each deformation step at the Institute of Production Engineering and Machine Tools (IFW).
      PubDate: 2014-10-10
       
  • Spray cooling of extruded EN AW-6082 aluminium alloy sheets: spatial heat
           transfer coefficients
    • Abstract: Abstract Quenching profiles during their extrusion with subsequent ageing can increase their strength by a factor of 1.5–2 compared to the as-extruded state. Water-air spray cooling is a quenching technology which allows the desired profile temperature to be reached with high accuracy and which is characterised by low energy demand. To apply this cooling technique correctly, the heat transfer coefficient’s dependence on the surface temperature and properties of the extruded profile, made from EN AW-6082 alloy, and on the spray cooling parameters was determined using the lumped heat capacitance method. The absence of a significant impact of the spraying distance and inclination angle on the average heat transfer coefficient within the investigated range was noted. Dependencies of the relative heat transfer coefficient on the temperature and the distance to the spray axis were derived. It was shown that these dependencies, which can be used for modelling such processes, are practically identical for all considered spraying parameters.
      PubDate: 2014-10-08
       
  • Rise of oil drops in water and fall of water drops in oil
    • Abstract: Abstract Rise and fall velocities of oil drops in water and water drops in oil, respectively, are measured in a liquid column. The main perspective is on the similarity of the flows in these largely different cases. When the experimental data are plotted as the normalized rise velocity, which is the Reynolds number, versus the Archimedes number a common curve appears. This proves that similarity exists at least with respect to the velocity. Larger drops deviate considerably from the spherical shape. Nevertheless the data set can be represented by a formula derived from data on hard spheres. In particular the Stokes limit for Re→0 is nicely confirmed by measuring down to 10− 4.
      PubDate: 2014-08-26
       
 
 
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