Einsatz von A2L-HFO-Blends mit niedrigem GWP

Sicherheitshinweise und Füllmengenempfehlungen
Verordnungen wie die EU-F-Gase-Verordnung 517/2014 und Regelungen, die sich aus dem Kigali-Abkommen ergeben, fordern einen Umstieg auf Produkte mit verringertem Treibhauspotenzial, z. B. auf Hydrofluorolefin(HFO)-basierende Kältemittel. HFO-basierende Kältemittel besitzen ein geringes Treibhauspotenzial (GWP, Global Warming Potential), sind aber gering brennbar (A2L). Bei der Umstellung auf A2L-Kältemittel spielt Sicherheit eine große Rolle. Der Beitrag zeigt Wege auf.

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Im Vergleich zu R507A (GWP 3.985) ermöglichen HFO-Kältemittel eine GWP-Verringerung um 45 bis 96 %. Jedoch sind die meisten Kältemittel mit einem GWP von weniger als 500 in einem gewissen Maße brennbar. Häufig ist daher ein zweistufiger Ansatz erforderlich, um Hoch-GWP-Produkte, wie R404A und R507A, zu ersetzen. In einem ersten Schritt eignen sich nicht brennbare Alternativen für Retrofit und Neuanlagen. Um aber die Vorgaben des Kältemittel-Phase-down-Szenarios zu erfüllen, müssen in Neuanlagen gering brennbare Low-GWP-Kältemittel wie R454A zum Einsatz kommen – unter Einhaltung der erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen.
Dazu sind Kältemittel erforderlich, die auch ähnliche Leistungseigenschaften besitzen wie die vorher verwendeten. Bedeutung kommt hier der Energieeffizienz zu, denn die durch den höheren Energieverbrauch bedingten höheren Treibhausgasemissionen würden die durch den Einsatz eines Low-GWP-Kältemittels erzielte CO2-Emissionseinsparung größtenteils zunichtemachen.

Abbildung 1: Zum Beispiel die „Opteon“-Kältemittelfamilie umfasst Low-GWP-Alternativen für R404A, R410A, R407C und R134a und besitzt die erforderlichen Leistungseigenschaften.

Angesichts der in der F-Gase-Verordnung festgelegten Verwendungsverbote von Produkten mit hohem GWP und einer schnellen Verringerung der auf dem Markt verfügbaren CO2-Äquivalente (CO2-Äq. basierend auf IPCC-Daten) von H-FKW, muss der Übergang zu Low-GWP-Alternativen schneller erfolgen als die durch die vorangegangenen Regelungen bedingten Umstiege. Idealerweise sollten seit dem Inkrafttreten der F-Gase-Verordnung im Jahr 2015 Systeme mit Hoch-GWP-Kältemitteln, wie R404A (GWP 3.922) oder R507A, bereits auf ein Kältemittel mit niedrigem GWP umgestellt worden sein (Abbildung 2).

Aber solange R404A immer noch in entsprechenden Mengen verfügbar war, wurde keine verstärkte Aktivität beobachtet. Grund hierfür ist wahrscheinlich die Bevorratung mit größeren Mengen, wie auch ein Bericht der Europäischen Umweltagentur (EEA) über fluorierte Treibhausgase belegt. Dies hatte den Effekt, dass die zur Verfügung stehende Zeit knapp wurde, als immer weniger R404A verfügbar war. Dies resultierte in einer raschen Zunahme der Umstellungen und hohen Marktpreisen für R404A. Dieses Phänomen wird sich wahrscheinlich wiederholen, wenn Ende 2020 der nächste Einschnitt auf uns zukommt – außer die Umstellungen gehen weiter und die Verwendung von Low-GWP-Kältemitteln (GWP < 650) nimmt deutlich zu. Wie Tabelle 1 zeigt, sind Alternativen verfügbar, aber die Mehrheit der Low-GWP-Kältemittel sind in die Sicherheitsklasse A2L (gering brennbar) eingestuft.

Bis 2010 gab es drei Brennbarkeitsklassen:
1: keine Flammausbreitung (z. B. R134a)
2: brennbar (z. B. R152A)
3: hoch brennbar (z. B. Propan).

Mit dem erforderlichen Umstieg auf Kältemittel mit verringertem GWP stellte man fest, dass, obwohl viele der Low-GWP-Kandidaten brennbar waren, manche ein geringeres Sicherheitsrisiko darstellten als R152a oder Propan. Daher wurde untersucht, wie sich die Brennbarkeit genau äußerte und wie sich die einzelnen Kategorien vernünftig voneinander abgrenzen ließen. Als Ergebnis wurde in der Klasse 2 die Untergruppe 2L eingeführt. In diese Klasse 2L werden Kältemittel eingestuft, die nicht nur eine Verbrennungswärme (HOC; Heat of Combustion) <19.000 kJ/kg und eine Untere Entzündbarkeitsgrenze (LFL, Lower Flammability Limit) >0,1 kg/m³ besitzen, sondern deren Brenngeschwindigkeit (Su) auch weniger als 10 cm/s beträgt (Abbildung 3).

Die für den Einsatz brennbarer Kältemittel entwickelten Normen und Vorschriften basierten jedoch auf den Sicherheitsklassen 2 und 3, die strengere Sicherheitsvorkehrungen erfordern als die in die Sicherheitsklasse 2L eingestuften Kältemittel. Es, ergibt sich aus den Brennbarkeitseigenschaften der A2L-Kältemittel ein deutlich geringeres Risiko. Neben einer geringeren Brenngeschwindigkeit und Verbrennungswärme benötigen A2L-Kältemittel eine größere Energiezufuhr, um die Untere Entzündbarkeitsgrenze zu erreichen. Zudem ist die Mindestzündenergie (MZE) um ein Vielfaches höher als die zur Entzündung eines A3-Kältemittels erforderliche Energie.

Nach der formalen Aufnahme der Sicherheitsklasse 2L in die ISO 817 wurde die Klassifizierung durch ISO 5149 „Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen“ anerkannt und schließlich in die DIN EN 378 (2016) aufgenommen. Es gibt weitere gerätespezifische Normen, die Vorrang vor der DIN EN 378 haben (z. B. IEC 60335-2-40 Wärmepumpen und Klimageräte, IEC 60335-2-89 gewerblich betriebene Kühl-/Gefriergeräte). Teilweise müssen sie jedoch erst um die Klasse 2L erweitert werden. Für Anwendungen außerhalb dieser speziellen gerätespezifischen Normen bildet die DIN EN 378 die Grundlage zur Beurteilung der Voraussetzungen für einen sicheren Einsatz von A2L-Kältemitteln. Teil 1 dieser Norm definiert die zulässigen Höchstfüllmengen. Es ist zu beachten, dass die Einhaltung der DIN EN 378 nicht die Notwendigkeit von Gefährdungsbeurteilungen während Planung, Installation, Einsatz und Wartung ausschließt und dass die mit A2L-Kältemitteln verwendeten Komponenten der EU-Druckgeräterichtlinie 2014/68 (PED) entsprechen müssen.

Berechnung der Höchstfüllmengen gemäß DIN EN 378-1:2016

Anhang C der DIN EN 378-1 definiert die Kriterien für die Berechnung der zulässigen Kältemittelfüllmenge. Für A2L-Kältemittel in hermetisch geschlossenen Kälteanlagen („Sonstige Anwendungen“) oder fest installierten Systemen für die Behaglichkeit von Personen gilt eine erlaubte Füllmenge von 1,5 x m1 (m1 = 4 m³ x UEG kg/m³), die ohne zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen und unabhängig von der Raumgröße verwendet werden darf. Ebenso wurden erlaubte Füllmengen für nicht fest installierte, ab Werk geschlossene, alleinstehende Klimageräte oder Wärmepumpen festgelegt, die keine zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen erfordern und ebenfalls unabhängig von der Raumgröße sind. Beispiele hierfür zeigt Tabelle 3.

Tabelle C.2 im Anhang C behandelt den Einsatz von Kältemitteln der Sicherheitsklasse A2L. Die Füllmengenberechnungen richten sich nach speziellen Zugangskategorien, dem Aufstellungsort und der Art der Anwendung, d. h. „Behaglichkeit von Personen“ oder „Sonstige Anwendungen“.

Tabelle 4 fasst die Zugangskategorien zusammen, wobei Bereich „a“ am wenigsten und Bereich „c“ am strengsten überwacht ist.

Es gibt vier Arten von Aufstellungsorten (Tabelle 5).

Die Aufstellungsorte der Klasse I, II und III beziehen sich darauf, wo sich die kältemittelführenden Teile einer Anlage befinden, z. B. im Personen-Aufenthaltsbereich, teilweise im Personen-Aufenthaltsbereich oder vollständig außerhalb des Personen-Aufenthaltsbereichs. Die Klasse IV bezieht sich auf besondere Ausführungen, bei denen sich zwar die Anlage im Personen-Aufenthaltsbereich befindet, aber so konstruiert ist, dass austretendes Kältemittel im Fall einer Leckage nicht in den Personen-Aufenthaltsbereich gelangen kann, sondern an einen gut belüfteten Ort abgeführt wird.

Zugangskategorien, Anwendungsbereiche und Aufstellungsorte sind in einer Matrix zusammengefasst, aus der sich die geltenden Regelungen zur Berechnung der zulässigen Füllmenge ablesen lassen. Die Berechnung der Füllmenge kann je nach Anwendungsbereich, d.h. Behaglichkeit von Personen oder Sonstige Anwendungen, variieren. So sind Szenarien möglich, in denen keine zusätzlichen Sicherheitsvorkehrungen erforderlich sind. Ebenso können an Aufstellungsorten der Klasse II höhere Füllmengen eingesetzt werden, wenn zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden. Für Aufstellungsorte der Klasse III gibt es keine Füllmengenbeschränkungen, vorausgesetzt, der Maschinenraum entspricht den Anforderungen der DIN EN 378-3 4.2 oder 4.3. Dennoch muss hier eine sorgfältige Gefährdungsbeurteilung durchgeführt werden.

Füllmenge für Aufstellungsorte der Klasse I und II ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen für die Kategorie „Sonstige Anwendungen“

Für Aufstellungsorte der Klasse I und Zugangskategorie a, b und c (> 1 Person/10 m²) sowie für Aufstellungsorte der Klasse II und Zugangskategorie a ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen gilt eine Höchstfüllmenge von 20 % der UEG (in kg/m³) multipliziert mit dem Raumvolumen bis zu einem Höchstwert von m2 x 1,5 (m2 = 26 m³ x UEG kg/m³).

Abbildung 4 fasst die Höchstfüllmengen für typische A2L-, A2- und A3-Kältemittel in diesen Klassen zusammen. Wie man sieht, kann die maximal erlaubte Füllmenge für A2L-Kältemittel mehr als 10 Mal größer sein als für A3-Kältemittel. Wie erwähnt, gilt für (hermetisch) geschlossene Systeme keine Beschränkung der Füllmenge auf weniger als m1 x 1,5 (Tabelle 3). Für nicht geschlossene Systeme ist die Raumvolumenberechnung jedoch weiterhin gültig.

Ein Beispiel für einen Aufstellungsort der Klasse I, Zugangskategorie a wäre eine Kühlvitrine für Lebensmittel in einem kleinen Laden. Bei einem Raumvolumen von 6 x 5 x 3,5 m (105 m³) wäre eine Kältemittelfüllmenge von maximal 6,15 kg R454C erlaubt. Im Vergleich dazu läge die Höchstfüllmenge für Propan bei lediglich 0,788 kg. Da jedes System eine abgeschlossene Einheit bildet, wären auch mehrere Systeme in einem Raum erlaubt.

Für Aufstellungsorte der Klasse II und die Zugangskategorien b und c (> 1 Person/10 m2) ist die Füllmengenberechnung identisch zu Zugangskategorie a. Hier ist jedoch eine größere Höchstfüllmenge von bis zu 25 kg erlaubt.

Bei Zugangskategorie c und einer Belegung von < 1 Person/10 m2 erhöht sich die Höchstfüllmenge für Aufstellungsorte der Klasse I auf bis zu 50 kg. Für Aufstellungsorte der Klasse II gibt es in diesem Fall keine Füllmengengrenze, vorausgesetzt der Maschinenraum erfüllt die Anforderungen gemäß EN 378-3:2016 4.2 bzw. 4.3.

Füllmenge für Aufstellungsorte der Klasse I und II ohne zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen für die Kategorie „Behaglichkeit von Personen“

In der Kategorie „Behaglichkeit von Personen“ ist die Füllmengenberechnung für feststehende Systeme für Aufstellungsorte der Klasse I und II und Zugangskategorien a, b und c identisch. Die Formel, mmax= 2,5 x UEG5/4 x h0 x A1/2, berücksichtigt einen Faktor Höhe (h0), der sich entweder auf eine Boden- (0,6 m), Wand- (1,8 m), Fenster (1,0 m) oder Deckenmontage (2,2 m) bezieht, und basiert auf der Raumgrundfläche (A). Die erlaubte Höchstfüllmenge beträgt 1,5 x m².

Alternativ kann die Formel so verändert werden, dass die minimal zulässige Raumgrundfläche für eine gegebene Füllmenge berücksichtigt wird: Amin = m² / (2,5 x UEG5/4 x h0)2. Ein exemplarischer Vergleich der erreichbaren Füllmengen für ein deckenmontiertes System der Kategorie „Behaglichkeit von Personen“ mit typischen A2L- und A3-Kältemitteln ist in Abbildung 5 dargestellt.

Die in der DIN EN 378-1 Anhang C2.2 für die Kategorie „Behaglichkeit von Personen“ vorgesehenen Anwendungsleitlinien enthalten eine spezielle Anforderung für nicht feststehende, ab Werk geschlossene, kompakte Einheiten bzw. Single-Einheit-Klimageräte oder Wärmepumpen mit einer Füllung größer als 4 x UEG (kg/m³), aber kleiner oder gleich 8 x UEG (kg/m³). Für Kältemittel wie R454B betrifft dies Füllmengen zwischen 1,2 und 2,4 kg und könnte den Einsatz solcher Systeme in Räumen mit einer Grundfläche von weniger als 14,55 m² einschränken.

Zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen bei höheren Füllmengen – Grenzwert für die Füllmenge bei Mindestbelüftung (engl. Quantity Limit Minimum Ventilation, QLMV) und Grenzwert für die Füllmenge bei zusätzlicher Belüftung (engl. Quantity Limit Additional Ventilation, QLAV)

Wie oben erwähnt sieht die DIN EN 378 Vorkehrungen vor, die in den Bereichen „Behaglichkeit von Personen“ und „Sonstige Anwendungen“ höhere Füllmengen bei A2L-Kältemitteln erlauben, wenn zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden. Diese Vorkehrungen sind in der DIN EN 378, Anhang C.3 definiert und erfordern, dass:

  • das System an einem Aufstellungsort der Klasse II installiert ist,
  • die Füllmenge nicht größer ist als 150 kg und m3 x 1,5 nicht übersteigt (m3 = 130 m³ x UEG kg/m³),
  • die Nennkühl- bzw. -heizleistung jedes im Inneren befindlichen Geräts nicht größer ist als 25 % der gesamten Kälte- bzw. Heizleistung der Anlage im Außenbereich,
  • die im Inneren installierte Einheit gegen Schäden durch Eisbildung und Lüfterbruch geschützt ist,
  • im Personen-Aufenthaltsbereich nur permanente Verbindungen verwendet werden (mit Ausnahme bauseitiger Verbindungen, die die Indoor-Einheit direkt mit der Rohrleitung verbinden),
  • Kältemittelleitungen im Personen-Aufenthaltsbereich gegen unbeabsichtigte Beschädigungen durch Umwelteinflüsse (z. B. Wasser, Temperaturen, Schmutz usw.) oder Bewegungen einzelner Bauteile oder Geräte in der Umgebung (z. B. Vibrationen, sich bewegende Möbel usw.) geschützt sind,
  • die Türen des Personen-Aufenthaltsbereichs nicht hermetisch dicht sind sowie
  • der Abzug in unterhalb des Systems befindliche Ebenen durch Belüftung dieser Räume verringert wird.

Für die Berechnung des QLMV- und QLAV-Werts gilt eine maximale Raumgrundfläche von 250 m². Überschreitet die Füllmenge den QLMV-Wert, müssen geeignete Sicherheitsmaßnahmen wie zusätzliche Belüftung (natürliche oder mechanische Lüftung), Sicherheitsabsperrventile oder Sicherheits­alarme in Verbindung mit Leckagedetektoren eingesetzt werden. Gemäß der DIN EN 378-1, Anhang C3.2.2.2 muss für oberirdische Räume mindestens eine dieser Maßnahmen umgesetzt werden, wenn die Kältemittelfüllung zwischen dem QLMV- und dem QLAV-Wert liegt. Liegt die Füllmenge über dem QLAV-Wert, müssen mindestens zwei dieser Maßnahmen umgesetzt werden. Wie Abbildung 6 zeigt, sind dank dieser zusätzlichen Sicherheitsmaßnehmen Höchstfüllmengen von mehr als 50 kg möglich.

Um den Berechnungsprozess zu vereinfachen, wurde eine Kalkulationstabelle entwickelt, die alle möglichen Berechnungen enthält. Die Berechnungen für „Behaglichkeit von Personen“ und „Sonstige Anwendungen“ sind in separaten Arbeitsblättern verfügbar. Nach Auswahl des entsprechenden Arbeitsblatts müssen lediglich der zutreffende Aufstellungsort, die Zugangskategorie und das betreffende Kältemittel ausgewählt sowie die Abmessungen des Raums (es wird angenommen, dass es sich um einen rechtwinkligen Raum handelt; ansonsten muss das Raumvolumen oder die Grundfläche berechnet und die entsprechenden Maße eingegeben werden, um dasselbe Volumen oder dieselbe Grundfläche zu erhalten) und – falls bekannt – die geschätzte Kältemittelfüllmenge bei der Installation eingegeben werden. Als Ergebnis werden die Höchstfüllmenge mit und ohne zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen (C.1 oder C.2) sowie der QMLV- und der QLAV-Wert (C.3) angezeigt. Liegt die erforderliche geschätzte Füllmenge unterhalb der berechneten Höchstfüllmenge, wird die berechnete Höchstfüllmenge grün hinterlegt. Ist die geschätzte Füllmenge größer als die berechnete, wird die berechnete Füllmenge rot hinterlegt. Abbildung 7 zeigt eine Musterberechnung für Anwendungen aus dem Bereich „Behaglichkeit von Personen“.

Mit Hilfe der Kalkulationstabelle lassen sich die gemäß der DIN EN 378 anzuwendenden Berechnungsrichtlinien schnell und einfach herausfinden. Es ist auch möglich, höhere Füllmengen als in dieser Norm vorgesehenen zu verwenden. Jedoch muss der Planer/Installateur/Anwender in der Lage sein, durch eine entsprechende Gefährdungsbeurteilung nachzuweisen, dass eine höhere Füllmenge ein vertretbares Risiko darstellt.

Gefährdungsbeurteilung – Betrachtung der Brennbarkeit

Die Einhaltung der DIN EN 378 bedeutet nicht, dass auf eine Gefährdungsbeurteilung verzichtet werden darf. Obwohl gerne vernachlässigt, muss für alle Systeme, die Kältemittel verwenden – unabhängig von deren Brennbarkeitsklasse – eine Gefährdungsbeurteilung durchgeführt werden. Der Einsatz brennbarer Kältemittel bringt natürlich mögliche zusätzliche Risiken mit sich. Daher müssen alle für Kältemittel der Sicherheitsklasse A1 geltenden Standardverfahren zur Gefährdungsbeurteilung dahingehend überprüft werden, ob die mit brennbaren Substanzen verbundenen Risiken dort vollständig berücksichtigt sind.

Innerhalb der Europäischen Union ist die Betriebsrichtlinie ATEX 137 (1999/92/EG) die primäre Richtlinie für die Betrachtung. ATEX 137 wurde in Deutschland durch die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) in deutsches Recht umgesetzt. Die Betriebssicherheitsverordnung sieht eine Gefährdungsbeurteilung zu möglichen Wechselwirkungen zum Aufstellungsbereich bzw. der Einsatzumgebung der Kälteanlage vor – unabhängig davon, ob eine brennbare Substanz zum Einsatz kommt oder nicht. Zudem müssen vor der Inbetriebnahme von Druckanlagen eine Prüfung durch eine zugelassene Überwachungsstelle sowie wiederkehrende Prüfungen durch eine befähigte Person erfolgen.

Die DIN EN 60079-10-1 befasst sich mit den Grundprinzipien einer Gefährdungsbeurteilung hinsichtlich der Bildung möglicherweise explosionsgefährdeter Atmosphären. Sie erfordert die Identifikation

  • möglicher Freisetzungsquellen,
  • von Ausmaß, Häufigkeit und Dauer einer möglichen Freisetzung,
  • der Effizienz vorhandener Belüftung,
  • der Ex-Zone (explosionsfähige Atmosphäre ist während des normalen Betriebs ständig, gelegentlich oder nicht vorhanden),
  • der Größe der Ex-Zone.

Zu den möglichen Hauptzündquellen, die bei Kälteanwendungen in Betracht kommen, gehören alle Geräte, die Energie in Form von Wärme, Elektrizität oder durch mechanische und chemische Prozesse erzeugen. Eine vollständige Liste möglicher Zündquellen enthält die DIN EN 1127-1.

Für jede Phase der Verwendung – Planung und Montage, Installation/Stilllegung, Wartung, normaler Betrieb – ist eine eigene Gefährdungsbeurteilung erforderlich. Während dieser Arbeiten kann es erforderlich sein, zusätzliche temporäre Gefährdungszonen und Sicherheitsmaßnahmen einzuführen.

Nach Festlegung der Ex-Zonen wurden mögliche Zündquellen innerhalb der Zone identifiziert und entfernt bzw. Überwachungseinrichtungen installiert, um eine Zündung zu verhindern, falls eine explosionsfähige Atmosphäre entstehen sollte.

A2L-Kältemittel besitzen völlig andere Brennbarkeitseigenschaften als A3-Kältemittel wie Propan. So stellen viele Zündquellen, die bei Propan eine Zündung auslösen könnten, für A2L-Kältemittel keine Zündquellen dar. Tabelle 6 fasst die Ergebnisse der durch das AiRConditioning, Heating & Refrigeration Institute (AHRI) durchgeführten Tests zusammen. Sie zeigen deutlich, dass viele Haushaltsgeräte und sogar Reibungsfunken oder glimmende Zigaretten bei A2L-Kältemitteln nicht als Zündquellen angesehen werden müssen. Die Zigarette ist sogar zwei Minuten nach Einbringen in das brennbare Kältemittel-Luft-Gemisch erloschen.

Zusammenfassung

Seit Veröffentlichung der ersten Studien zu den Umweltauswirkungen von Kältemittelemissionen auf die Atmosphäre im Jahr 1974 führte das Verständnis dieser Auswirkungen zur Entwicklung zunehmend nachhaltigerer Produkte, und die internationale Gesetzgebung ermutigte die Anwender, umweltfreundlichere Produkte einzusetzen. Die neueren Regelungen, die auf den Beitrag von Kältemittelemissionen zum Klimawandel abzielen, haben eine Abkehr von Produkten mit hohem GWP wie R404A über nicht brennbaren Produkte mit verringertem GWP wie R449A hin zu gering brennbaren, HFO-basierenden und langfristig nachhaltigen Low-GWP-Kältemitteln wie die R454-X-Reihe in Gang gebracht. Damit lassen sich die direkten CO2-Emissionen letztendlich um mehr als 80 % reduzieren.

Die Verwendung gering brennbarer Kältemittel ist in der Branche noch relativ neu, aber die Vorschriften und Normen bieten Leitlinien zur sicheren Verwendung dieser Produkte mit Füllmengen, die mehr als das Zehnfache der für hoch brennbare Kohlenwasserstoffe als sicher geltenden Werte in Personen-Aufenthaltsräumen betragen können. Diese Füllmengenflexibilität eröffnet Anlagenherstellern und Endanwendern Möglichkeiten, sicher und kosteneffizient auf nachhaltige Low-GWP-Alternativen umzusteigen.

Quelle
Whitepaper von 2019 (Chemours)

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