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PEA 3100 Energia, Meio Ambiente e Sustentabilidade Aula 3 - Usos finais de energia Parte 1: - O Processo de uso final de energia - Tecnologias de uso final - Conceitos: Demanda, consumo, Fator de carga - Classes de consumo de energia elétrica - Tarifa de energia elétrica (TEE): monômia e binômia - Grupo B: Principais tipos de TEE. Entrada de energia Tecnologia de uso final Eletricidade Produção de carro Força motrizMotor Máquina seladora Formatação da chapa de metal Energia útil Tecnologia de serviço Serviço energético Processamento de materiais O Processo de Uso Final da EE (1) O Processo de Uso Final da EE (2) Entrada de energia Tecnologia de uso final Energia útil Tecnologia de serviço Serviço energético Eletricidade Lâmpada Energia radiante (luz) Sistema iluminador Necessidades humanas Iluminação Iluminação predial Usos Finais de Energia Elétrica ● Iluminação ● Força motriz ● Aquecimento de água ● Aquecimento ● Refrigeração ● Lazer ● Ar condicionado ● Cocção ● Informática ● Eletroquímica ● Calor de processo ● Outros Uso final: Iluminação Usos Finais de Energia Elétrica - Exemplos TIPOS E CARACTERÍSTICAS DAS LÂMPADAS IRC : Índice de Reprodução de cor; LM/W : Lumens / Watts Tecnologia de uso final: Lâmpada Fonte: http://www.abepro.org.br/biblioteca/enegep2013_TN_STO_185_054_22757.pdf http://www.abepro.org.br/biblioteca/enegep2013_TN_STO_185_054_22757.pdf Uso final: Iluminação O projeto de iluminação de um escritório apontou a necessidade de iluminação (Lumens) que daria para ser suprida com dois tipos de lâmpadas pesquisados no mercado: 5 Lâmpadas fluorescentes compactas de 32 W 3 Lâmpadas LED de 12 W Para cada tipo de lâmpada calcule: a potência instalada; o consumo diário e mensal de energia elétrica. Utilização: 8 horas por dia. Exemplo de cálculo do consumo de energia: Solução: Lâmpada fluorescente compacta: Potência instalada = 5 x 32W = 160W Consumo diário = 160 x 8h = 1280Wh = 1,28 kWh Consumo mensal = 30d x 1,28 = 38,4 kWh Lâmpada LED: Potência instalada = 3 x 12W = 36W Consumo diário = 36W x 8 = 288Wh = 0,288kWh Consumo mensal = 30x 0,288 = 8,64kWh Uso final: Refrigeração Tecnologias de uso final: Motor/Compressor e lâmpadas Tecnologia de serviço: Geladeira, freezer Serviço energético: Refrigeração de alimentos Ex: Tipos e consumos típicos de refrigeradores: Fonte: http://www2.aneel.gov.br/arquivos/PDF/17-05_materia1_3.pdf http://www2.aneel.gov.br/arquivos/PDF/17-05_materia1_3.pdf Uso final: Refrigeração Considere o uso da geladeira modelo Geladeira + Freezer de 350L (tabela), cujo consumo mensal (dado pelo fabricante) seja de 53,1 kWh/mês. A geladeira possui uma potência instantânea variável a depender do seu uso. Para esse consumo mensal de energia, calcule o consumo médio diário de energia e a potência média consumida pela geladeira. OBS: considere um mês de 30 dias Exemplo de cálculo do consumo de energia: Solução: Consumo médio diário = 53,1 kWh/Mês/ 30 dias = 1,77 kWh/dia Potência média = 1,77 kWh/dia/24h = 0,07375 kW = 73,75 Watts, ou seja, Em média a geladeira demanda uma potência (Pmédia) de 73,75 Watts durante o dia 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 = . !"# !"$ 𝑃!×𝑡! = 𝑃𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 ×𝑇 Obs: A geladeira não trabalha com sua potência máxima de forma contínua. Em função de como a mesma opera, a potência instantânea (Pi) varia. Tecnologia de uso final: Ar condicionado Tabela – Ex: tipos e consumos típicos de ar condicionado: Fonte: http://www2.aneel.gov.br/arquivos/PDF/17-05_materia1_3.pdf Uso final: Acondicionamento Ambiental Serviço energético: Acondicionamento ambiental http://www2.aneel.gov.br/arquivos/PDF/17-05_materia1_3.pdf BTU = unidade de medida correspondente à ENERGIA necessária para elevar a temperatura de uma libra de água de um grau Fahrenheit (1 BTU = 1055,06 joules) ❖ Existem duas potências em um ar condicionado: a potência de refrigeração e a potência elétrica CONVERSÃO DE BTU PARA WATT Uso final: Acondicionamento Ambiental Potência de Refrigeração: ➔ É a capacidade que o ar condicionado tem de trocar temperatura com o ambiente em que está instalado ➔ P(W) = BTU x 1055,56(J) / 3600(s) Potência Elétrica: ➔ É a quantidade de energia elétrica que vai ser gasta para poder resfriar ou aquecer o ambiente em que o ar condicionado está instalado P(W) = BTU x 0,293 x (fator de eficiência energética) Constante Valor encontrado nas especificações do aparelho Suponha a utilização de um ar condicionado de 10000 BTU. Considerando que o mesmo funcione 8 horas por dia, qual é o consumo diário e mensal de energia elétrica? (suponha que um mês tenha 30 dias) Exemplo de cálculo: Uso final: Acondicionamento ambiental Solução: Consultando a tabela, a potência elétrica de um ar condicionado de 10000 BTU é de 1,4 kW. Logo: O consumo diário será -> E = P x t = 1,4kW x 8h = 11,2 kWh Portanto o consumo mensal será -> 11,2kWh x 30dias = 336 kWh Obs: Este seria o consumo total se o ar condicionado ficasse com o compressor operando as 08horas ininterruptamente . Porém, o ar condicionado é um equipamento que, assim como a geladeira e a máquina de lavar, opera por ciclos. Ou seja, o compressor não fica o tempo todo ligado e assim a demanda é variável. No caso do ar condicionado, o fator de carga médio ( Potência média /Potência máxima) da tecnologia atual é de 0,55 . Assim, o consumo mensal será da ordem de 336kWh x 0,55 = 186kWh. Tecnologia de uso final: Chuveiro, ferro de passar, aquecedor elétrico, forno elétrico etc Uso final: Aquecimento Exemplo de cálculo: Considere uma residência com 4 moradores. Suponha que nessa casa tenha um chuveiro elétrico de 5500W de potência (potência máxima) , e que cada morador tome um banho diário de 5 minutos. Qual é o consumo mensal de energia elétrica gasto com o chuveiro? Solução: 4 pessoas X 5 minutos, temos que o chuveiro é utilizado 20 minutos/dia : Considerando que o chuveiro é ligado na sua potência máxima (5500W) E = P x t = 5500W x ⅓ h = 1833,3 Wh = 1,833 kWh (consumo por dia) Consumo (mensal) = 30 x 1,833kWh = 55 kWh Obs: Normalmente a potência do chuveiro é alterada e um valor maior é ajustado para os meses de inverno. Assim, o consumo diário de energia nos meses de inverno é superior. Um carro flex quando usado na cidade apresenta o seguinte consumo específico: ▪ 6 km/litro quando abastecido por etanol ▪ 9 km/litro quando abastecido por gasolina Supondo que usuário deste carro percorra 300 km/ mês, calcule para cada caso (abastecer com etanol ou gasolina) a energia mensal consumida na unidade Wh. Dados: PCI do etanol: 6437 kcal/kg densidade do etanol = 0,82 kg/L PCI da gasolina: 10377 kcal/kg densidade da gasolina = 0,72 kg/L PCI – Poder calorífico inferior 1 kWh = 860 kcal Uso de outros energéticos Uso final: Transporte Tecnologia de uso final: Ex: Automóvel; Onibus, caminhão Exemplo de cálculo: Solução: Etanol: Litros necessários = 300/6 = 50L Massa = 50L x 0,82kg/L = 41 kg Energia = 41kg x 6437kcal/kg= 263917 kcal = 306,7 kWh Gasolina: Litros necessários = 300/9 = 33,3L Massa = 33,3L x 0,72kg/L = 24 kg Energia = 24 x 10377= 249048kcal = 289,44 kWh Serviço energético: Transporte de cargas/ pessoas Obs 1: Para o transporte por “ônibus” ,aplica-se a metodologia de cálculo acima , mas é preciso estimar a a lotação média para o cálculo do consumo de energia per capita. Para “Metro” , é preciso pesquisar o consumo de energia elétrica, por km/por vagão bem como a lotação média para o cálculo do consumo de energia elétrica per capita. Uma família tem em sua residência um fogão à gás que tem como fonte energética o GLP. Considere que mensalmente são gastos 2 botijões com 13 kg de GLP para a preparação das refeições da família. Calcule o consumo energético mensal para preparação dos alimentos. Dados: Poder Calorífico do GLP = 11100 kcal/kg Uso de outros energéticos Uso final: Aquecimento Tecnologia de uso final: Aquecedor à gás, fogão, etc Exemplo de cálculo:Solução: 1 kWh = 860 kcal Energia = 11100kcal/kg x 2 x 13 kg = 288600 kcal = 335,58 kWh/mês Obs: No caso de gás encanado, pesquisar na conta do gás o consumo em metros-cúbicos, PCI do gás e densidade do gás nas tabelas fornecidas. Para quem mora em condomínios e não há medição individual (em cada apartamento) , verificar na conta do condomínio o consumo do gás do prédio, dividir pelo número de apartamentos, assumindo um valor médio por apartamento. Fonte: BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL 2018 | ano base 2017 Densidade de massa – kg/m3 Poder calorífico inferior Kcal/kg Álcool etílico anidro 1000 8550 Álcool etílico hidratado 791 6750 Bagaço de cana1 130 2130 Carvão metalúrgico importado - 7400 Carvão metalúrgico nacional - 6420 Carvão vegetal 250 6460 Eletricidade2 - 860 Energia hidráulica2 1000 860 Gás canalizado RJ3 - 3800 Gás canalizado SP3 - 4500 GLP 552 11100 Gás natural seco 4 0,740 8800 Gasolina automotiva 742 10400 Gasolina de aviação 726 10600 Lenha catada 300 3100 Óleo combustível 1000 9590 Petróleo 884 10800 Densidades e poderes caloríficos de alguns combustíveis Unidade Notação Picowatt pW=10-12W Nanowatt nW=10-9W Microwatt uW=10-6W Milliwatt mW=10-3W Watt W kilowatt kW=103W Megawatt MW=106W Gigawatt GW=109W Terawatt TW=1012W Petawatt PW=1015W Unidades de potência Propriedade Unidade Equivalência Energia 1 joule 1 N.m = 1 kg . m2/s2 0,2388cal = 2,388 x 104 kcal 9,4782 x 104 Btu 2,7778 x 104 Wh 1 cal 4,1868 J 1 quilowatt-hora 3600 kJ 860 kcal 8,6 x 10-5 tep 1 tonelada equivalente de petróleo (tep) 1010 cal 4,18 x 1010 J 11,63 MWh= 11630 kWh 1,28 tonelada equivalente de carvão 39,68 milhões de btu da gás natural 1 milhão de British thermal unit (1Mbtu) 1,0551 GJ 2,52 x 10-2 tep 0,2931 MWh Potência 1 watt (W) 1 J/s 1 horse power (HP) 746 W 1 GWh por ano 86tep/ano Unidade de trabalho, energia e potência Demanda x Consumo Demanda – É a potência média, durante qualquer intervalo de tempo, medida por aparelho integrador (medidor). É expressa em kW. Consumo – É a quantidade de energia elétrica utilizada durante qualquer período de tempo, expressa em kWh. Exemplo de curva de carga – Perfil de consumo de energia elétrica = Demanda x tempo Exemplo : Cálculo do FC de consumidores com perfis de carga diferentes . Fator de carga = 0,2125 Fator de carga = 0,885 Embora o consumo de energia seja igual para ambos os consumidores, a demanda máxima do consumidor 1 é bem maior do que a do consumidor 2. Isto significa que há necessidade de instalar fonte de geração de energia e linhas de distribuição com capacidades de potência bem maiores para atender o consumidor 1, o que resulta em maiores investimentos, impactos ambientais e possivelmente maior exploração de recursos energéticos. Definições: Potência instalada – Soma das potências nomimais dos equipamentos instalados (Watts) Demanda máxima – Máximo valor registrado da demanda no período (Watts) Demanda média – Média dos valores de demandas instantâneas registradas no período = energia consumida no período / período ( kWmédios) Tarifa de energia elétrica – A Tarifa de Energia Elétrica no Brasil é calculada considerando variados fatores, como a infraestrutura de geração, transmissão e distribuição, bem como fatores econômicos de incentivos à modicidade tarifária e sinalização ao mercado. Categorias: Tarifa monômia – valor cobrado apenas pelo consumo de energia elétrica - R$ / kWh Tarifa binômia - valor cobrado pelo consumo de energia elétrica (R$/kWh) e pela demanda máxima de energia ( R$/kW) – Aplicada a consumidores que consomem muita energia e são atendidos em alta tensão ( Setor Industrial, Comercial, e outros ) Supondo os seguintes valores de tarifa : Tarifa sobre o consumo = 0,4 R$/ kWh Tarifa sobre a demanda = 10 R$/kW Se os consumidores forem tarifados pela tarifa monômia terão a seguinte despesas mensais com energia elétrica: Despesa mensal: 2550 kWh/dia x 30 dias x 0,4 R$/kWh = 30.600,00 R$/mês Se os consumidores foram tarifados pela tarifa binômia terão as seguintes despesas mensais com energia elétrica: Consumidor 1 = (2550 kWh/dia x 30 dias x 0,4 R$/kWh) + 500 kW x 10R$/kW = 35.500,00 R$/mês Consumidor 2 = (2550 kWh/dia x 30 dias x 0,4 R$/kWh) + 120 kW x 10R$/kW = 31.800,00 R$/mês Consumo diário Grupo B Grupamento composto de unidades consumidoras com fornecimento em tensão inferior a 2,3 kV, caracterizado pela tarifa monômia e subdividido nos seguintes subgrupos: a) subgrupo B1 - residencial; b) subgrupo B2 - rural; c) subgrupo B3 - demais classes; e d) subgrupo B4 - Iluminação pública. Modalidades tarifárias aplicadas aos consumidores do Grupo B Convencional Monômia: aplicada às unidades consumidoras do grupo B, caracterizada por tarifas de consumo de energia elétrica, independentemente das horas de utilização do dia; e Branca Monômia : aplicada às unidades consumidoras do grupo B, exceto para o subgrupo B4 e para as subclasses Baixa Renda do subgrupo B1, caracterizada por tarifas diferenciadas de consumo de energia elétrica, de acordo com as horas de utilização do dia. Classes de consumo são as diversas classes aplicadas a cada tipo de consumidor, conforme a Resolução Normativa ANEEL n. 414/2010 As classes são definidas como se segue: ▪ Residencial ▪ Industrial ▪ Comercial ▪ Rural ▪ Poder público O que é a “tarifa branca”? Regulamentada pelo artigo 56-A da Resolução 414/201 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), a modalidade tarifária horária branca (chamada popularmente de “tarifa branca”) diz respeito à possibilidade de aplicação de tarifas diferenciadas de consumo de energia elétrica, de acordo com as horas de utilização do dia. Neste formato, haveria 3 referências tarifárias: • período de ponta (o mais caro, entre 19h e 21h59); • período intermediário (das 18h às 18h59 e das 22 h às 22h59); • período “fora de ponta” (das 23h de um dia até as 17h59 do dia seguinte). Obs: 1- Nos feriados nacionais e finais de semana, o valor para todas as horas do dia é considerado fora de ponta 2- Os períodos: horários de ponta, intermediário e fora de ponta são homologados pela Aneel nas revisões tarifárias de cada distribuidora de energia, que ocorrem, em média, a cada 4 anos. Fonte: ANEEL Obs: os horários, ponta, intermediário e fora de ponta variam entre Concessionárias Dois consumidores (Consumidor A e B) possuem as seguintes curvas de carga diária. Calcule quantos reais cada um pagaria na sua conta mensal se optarem pela tarifa convencional ou a branca. Exemplo de cálculo usando tarifa convencional e branca: kW 2419 12 1 2 18 h kW 2412 12 1 21 h 2216 Consumidor A Consumidor B Dados: - Tarifa convencional: 0,48363R$/kWh - Tarifa branca ●HP - Horário de ponta (17:30h - 20:30h) - 0,86548 R$/kWh ●HI- Horário intermediário (16:30h - 17:30h; 20:30h - 21:30h) - 0,56195 R$/kWh ●HFP- Horário Fora de ponta (Demais horários, finais de semana e feriados ) - 0,41189 R$/kWh Um mês tem 30 dias, sendo eles 22 dias úteis e 8 dias de finais de semana 00 00 Solução: Tarifa convencional: Consumo diário = 2 kW x (18-0) h + 12 kW x (19-18) h + 1 kW x (24-19) h = 36+12+5 = 53 kWh/dia Consumo mensal = 53 kWh x 30dias = 1590 kWh Conta mensal = 1590 kWh x 0,48363 R$/kWh = Conta mensal = R$ 768,97 Tarifa branca: Para dias úteis: Das 0:00h até 16:30h→ E = 2 kW x (16,5-0) h = 33 kWh Conta = 33 kWh x 0,41189 R$/kWh= R$ 13,59 Das 16:30h até 17:30h → E = 2 kW x (1) h = 2 kWh Conta = 2 kWh x 0,56195 R$/kWh = R$ 1,12 Das 17:30h até 18:00h→ E = 2 kW x (18-17,5) h = 1 kWh Conta = 1 kWh x 0,86548 R$/kWh = R$ 0,86 Das 18:00h até 19:00h→ E = 12 kW x (1) h = 12 kWh Conta = 12 kWh x 0,86548 R$/kWh = R$ 10,38 Das 19:00h até 20:30h → E = 1 kW x (20,5-19) h = 1,5 kWh Conta = 1,5 kWh x 0,86548 R$/kWh = R$ 1,29 Das 20:30h até 21:30h→ E = 1 kW x (1) h = 1 kWh Conta = 1 kWh x 0,56195 R$/kWh = R$ 0,56 Das 21:30h até 24:00h→ E = 1 kW x (24-21,5) h = 2,5 kWh Conta = 2,5 kWh x 0,41189 R$/kWh = R$ 1,02 Consumodiário = 53 kWh Conta de um dia útil = R$ 28,82 Para finais de semana: Conta _fds = 53 kWh x 0,41189 R$/kWh = R$ 21,83 TOTAL = (C_útil x 22 dias) + (C_fds x 8 dias) = = 28,82 x 22dias + 21,83 x 8dias = TOTAL = R$ 808,66 Resultado: Com este perfil de carga , vale mais a pena o consumidor A se enquadrar na tarifa convencional pois terá uma economia mensal na conta de 808,66 – 768,97 = R$ 39,71 Solução: Tarifa convencional: Consumo diário = 1 kW x (12-0) h + 12 kW x (16-12) h + 1 kW x (24-16) = 12+48+8 = 68kWh/dia Consumo mensal = 68 kWh x 30 dias = 2040 kWh Conta mensal = 2040kWh x 0,48363 R$/kWh = R$ 986,40 Resultado: Com este perfil de carga , vale mais a pena o consumidor B se enquadrar na tarifa branca pois terá uma economia mensal na conta de 986,40 – 876,52 = R$ 109,88 Tarifa branca: Para dias úteis: Das 0:00h até 12:00h → E = 1 kW x (12-0) h = 12 kWh Conta = 12 kWh x 0,41189 R$/kWh = R$4,94 Das 12:00h até 16:00h→ E = 12 kW x (12-16) h = 48 kWh Conta = 48 kWh x 0,41189 R$/kWh= R$ 19,77 Das 16:00h até 16:30h → E = 1 kW x (16,5-16) h = 0, 5 kWh Conta = 0,5 kWh x 0,41189 R$/kWh= R$ 0,21 Das 16:30h até 17:30h → E = 1 kW x (17,5-16,5) = 1 kWh Conta = 1 kWh x 0,56195 R$/kWh= R$ 0,56 Das 17:30h até 20:30h → E = 1 kW x (20,5-17,5) h = 3 kWh Conta = 3 kWh x = R$ 2,59 0,86548 R$/kWh Das 20:30h até 21:30h → E = 1 kW x (21,5-20,5) h = 1 kWh Conta = 1 kWh x 0,56195 R$/kWh = R$ 0,56 Das 21:30h até 24:00 h→ E = 1 kW x (24-21,5) = 2,5kWh Conta = 2,5 kWh x 0,41189 R$/kWh = R$ 1,03 Consumo diário = 68kWh C_útil = 4,94 + 19,77 + 0,21 + 0,56 + 2,59 + 0,56 + 1,03 C_útil = R$ 29,66 Para finais de semana: C_fds = 68 kWh x 0,41189 R$/kWh = R$ 28,00 TOTAL = (C_útil x 22 dias) + (C_fds x 8 dias) = 29,66kWh x 22dias + 28kWh x 8dias = R$ 876,52 Exercício proposto de usos finais de energia Considere uma residência de 63 m2 com quatro moradores (sendo um flutuante) A residência tem os seguintes cômodos: Sala – 11m2 Cozinha- 6m2 Banheiro = 3m2+ 3m2 02 quartos = 16m2 + 16m2 Corredor interno= 4,3m2 Àrea de serviço= 3,7 m2 e possui os seguintes usos finais e equipamentos associados: Considerar o mês de 30 dias Legenda: UF = Uso final; Il= Iluminação; RE= Refrigeração; AQ= Aquecimento de água; LZ= Lazer; CA= Conforto Ambiental; TR= transporte; OU=Outros Item UF Equipamento Potência utilizada/consumo Horas de uso Cômodo 1 IL 01 lâmpada incandescente 60 Watts Das 18:00h às 23:00 h sala 2 IL 02 lâmpadas fluorescentes 15 Watts Das 06:00 às 08:00h; Das 18:00h às 22:30h Banheiro 3 IL 02 lâmpadas incandescentes 60 Watts Das 06:00 às 06:30h ; Das 18:00h às 22:00 h quarto 4 IL 01 lâmpada incandescente 100 Watts Das 18:00h às 21:00h Cozinha 5 IL 01 Lâmpada incandescente 15 Watts Das 18:00 h as 23:00h Corredor 6 IL 01 Lâmpada incandescente 60 Watts Das 18:00 às 20:00 h Área de serviço 7 LZ Uma TV de 100Watts Das 19:00h às 23:00h Sala 8 CA Ar condicionado BTU 13000BTU/h Das 19:00h às 23:00 h ( verão) Sala 9 RE Geladeira 45 kWh/mês Intermitente Cozinha 10 OU Ferro elétrico 1200W Das 10:00h às 11:00h Área de serviço 11 OU Máquina de lavar roupa 0,043kWh/ciclo/kg Das 08:00 h às 09:15h 1 ciclo Área de serviço 12 OU Liquidificador 300Watts Das 10:05h as 10:15h; 20:00h as 20:05h Cozinha 12 AQ Chuveiro elétrico 3000W- inverno 1500W - Verão Das 07:00h às 07:45h; Das 17:30h às 17:45h Das 18:30 às 18:45h Das 19:30h às 19:45h Das 22:00h às 22:15h Banheiro 1 13 AQ Aquecedor a gás Natural Vazão= 10l/min Consumo de GN= 1,5m3/h Das 07:00h às 07:45h; Das 17:30h às 17:45h Das 18:30 às 18:45h Das 19:30h às 19:45h Das 22:00h às 22:15h Banheiro 2 14 CO Fogão a gás natural 15 m3/mês Cozinha 15 TR Automóvel - gasolina 100l/mês Pede-se: a) Calcule o consumo mensal de eletricidade por uso final e total b) Calcule o consumo total de energia na unidade TEP e monte um gráfico de pizza mostrando a participação percentual de cada uso final no consumo total de energia c) Monte a curva diária de carga, apresentando nesta o perfil de consumo de eletricidade da cada uso final d) calcule: § Consumo total de energia (TEP) per capita e por m2 de área § Consumo total de energia elétrica ( kWh) per capita e por m2 Bibliografia: Energia Elétrica para o Desenvolvimento Sustentável Lineu Belico dos Reis Semida Silveira Capítulo 4 Editora: edusp Site da ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica http://www.aneel.gov.br http://www.aneel.gov.br/
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