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文檔簡(jiǎn)介

第九章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算本章的學(xué)習(xí)目的分析實(shí)際傳熱問題的能力綜合應(yīng)用三種基本傳熱方式及其相關(guān)公式的能力了解換熱器的基本知識(shí)和設(shè)計(jì)過程第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算3/5/2024-1-§

9-1傳熱過程的分析和計(jì)算式中:K是傳熱系數(shù)(總傳熱系數(shù))。對(duì)于不同的傳熱過程,K的計(jì)算公式也不同。傳熱過程?基本計(jì)算式(傳熱方程式)?第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-13/5/2024-2-1通過平壁的傳熱K的計(jì)算公式?說明:(1)h1和h2的計(jì)算;(2)如果計(jì)及輻射時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)應(yīng)該采用等效換熱系數(shù)(總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))單相對(duì)流:膜態(tài)沸騰:(8-24)(6-23)第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-13/5/2024-3-2通過圓管的傳熱hiho內(nèi)部對(duì)流:圓柱面導(dǎo)熱:外部對(duì)流:其中:第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-13/5/2024-4-3通過肋壁的傳熱肋壁面積:穩(wěn)態(tài)下?lián)Q熱情況:A1A2Ai肋面總效率第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-13/5/2024-5-定義肋化系數(shù):

則傳熱系數(shù)為所以,只要就可以起到強(qiáng)化換熱的效果。第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-13/5/2024-6-4帶保溫層的圓管傳熱——臨界熱絕緣直徑圓管外敷保溫層后:可見,保溫層使得導(dǎo)熱熱阻增加,換熱削弱;另一方面,降低了對(duì)流換熱熱阻,使得換熱贈(zèng)強(qiáng),那么,綜合效果到底是增強(qiáng)還是削弱呢?這要看d/ddo2和d2/ddo22的值第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-13/5/2024-7-可見,確實(shí)是有一個(gè)極值存在,那么,到底是極大值,還是極小值呢?從熱量的基本傳遞規(guī)律可知,應(yīng)該是極大值。也就是說,do2在do1~dcr之間,是增加的,當(dāng)do2大于dcr時(shí),降低。or第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-13/5/2024-8-§

9-2換熱器的型式及平均溫差換熱器的定義:用來使熱量從熱流體傳遞到冷流體,以滿足規(guī)定的工藝要求的裝置2換熱器的分類:三種類型換熱器簡(jiǎn)介第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-9-3間壁式換熱器的主要型式套管式換熱器:最簡(jiǎn)單的一種間壁式換熱器,流體有順流和逆流兩種,適用于傳熱量不大或流體流量不大的情形順流逆流第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-10-(2)管殼式換熱器:最主要的一種間壁式換熱器,傳熱面由管束組成,管子兩端固定在管板上,管束與管板再封裝在外殼內(nèi)。兩種流體分管程和殼程。第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-11-增加管程第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-12-進(jìn)一步增加管程和殼程第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-13-(3)交叉流換熱器:間壁式換熱器的又一種主要形式。其主要特點(diǎn)是冷熱流體呈交叉狀流動(dòng)。交叉流換熱器又分管束式、管翅式和板翅式三種。(c)板翅式交叉流換熱器第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-14-(4)板式換熱器:由一組幾何結(jié)構(gòu)相同的平行薄平板疊加所組成,冷熱流體間隔地在每個(gè)通道中流動(dòng),其特點(diǎn)是拆卸清洗方便,故適用于含有易結(jié)垢物的流體。單位體積內(nèi)所包含的換熱面積作為衡量換熱器緊湊程度的衡量指標(biāo),一般將大于700m2/m3的換熱器稱為緊湊式換熱器,板翅式換熱器多屬于緊湊式,因此,日益受到重視。第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-15-(5)螺旋板式換熱器:換熱表面由兩塊金屬板卷制而成,有點(diǎn):換熱效果好;缺點(diǎn):密封比較困難。第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-16-4簡(jiǎn)單順流及逆流換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差傳熱方程的一般形式:這個(gè)過程對(duì)于傳熱過程是通用的,但是當(dāng)溫差沿整個(gè)壁面不是常數(shù)時(shí),比如等壁溫條件下的管內(nèi)對(duì)流換熱,以及我們現(xiàn)在遇到的換熱器等。對(duì)于前者我們?cè)?jīng)提到過對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD)的公式,但是沒有給出推導(dǎo)。下面我們就來看看LMTD的推導(dǎo)過程dthdtcthtc第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-17-以順流情況為例,并作如下假設(shè):(1)冷熱流體的質(zhì)量流量qm2、qm1以及比熱容c2,c1是常數(shù);(2)傳熱系數(shù)是常數(shù);(3)換熱器無(wú)散熱損失;(4)換熱面沿流動(dòng)方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計(jì)。要想計(jì)算沿整個(gè)換熱面的平均溫差,首先需要知道當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面積的變化,即,然后再沿整個(gè)換熱面積進(jìn)行平均第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-18-在前面假設(shè)的基礎(chǔ)上,并已知冷熱流體的進(jìn)出口溫度,現(xiàn)在來看圖9-13中微元換熱面dA一段的傳熱。溫差為:在固體微元面dA內(nèi),兩種流體的換熱量為:對(duì)于熱流體和冷流體:第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-19-可見,當(dāng)?shù)販夭铍S換熱面呈指數(shù)變化,則沿整個(gè)換熱面的平均溫差為:第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-20-(1)(2)(3)(1)+(2)+(3)對(duì)數(shù)平均溫差第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-21-順流:逆流時(shí):第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-22-其他過程和公式與順流是完全一樣,因此,最終仍然可以得到:第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-23-順流和逆流的區(qū)別在于:順流:逆流:或者我們也可以將對(duì)數(shù)平均溫差寫成如下統(tǒng)一形式(順流和逆流都適用)第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-24-5算術(shù)平均溫差平均溫差的另一種更為簡(jiǎn)單的形式是算術(shù)平均溫差,即算術(shù)平均溫差相當(dāng)于溫度呈直線變化的情況,因此,總是大于相同進(jìn)出口溫度下的對(duì)數(shù)平均溫差,當(dāng)時(shí),兩者的差別小于4%;當(dāng)時(shí),兩者的差別小于2.3%。第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-25-6其他復(fù)雜布置時(shí)換熱器平均溫差的計(jì)算以上所討論的對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD)只是針對(duì)純順流和純逆流情況,而這種情況的出現(xiàn)是比較少的,實(shí)際換熱器一般都是處于順流和逆流之間,或者有時(shí)是逆流,有時(shí)又是順流。對(duì)于這種復(fù)雜情況,我們當(dāng)然也可以采用前面的方法進(jìn)行分析,但數(shù)學(xué)推導(dǎo)將非常復(fù)雜,實(shí)際上,逆流的平均溫差最大,因此,人們想到對(duì)純逆流的對(duì)數(shù)平均溫差進(jìn)行修正以獲得其他情況下的平均溫差。是給定的冷熱流體的進(jìn)出口溫度布置成逆流時(shí)的LMTD,

是小于1的修正系數(shù)。圖9-15~9-18分別給出了管殼式換熱器和交叉流式換熱器的。第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-26-關(guān)于的注意事項(xiàng)(1)

值取決于無(wú)量綱參數(shù)P和R式中:下標(biāo)1、2分別表示兩種流體,上角標(biāo)`表示進(jìn)口,``表示出口,圖表中均以P為橫坐標(biāo),R為參量。(3)R的物理意義:兩種流體的熱容量之比(2)P的物理意義:流體2的實(shí)際溫升與理論上所能達(dá)到的最大溫升之比,所以只能小于1(4)

對(duì)于管殼式換熱器,查圖時(shí)需要注意流動(dòng)的“程”數(shù)第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-27-7各種流動(dòng)形式的比較順流和逆流是兩種極端情況,在相同的進(jìn)出口溫度下,逆流的最大,順流則最??;順流時(shí),而逆流時(shí),則可能大于,可見,逆流布置時(shí)的換熱最強(qiáng)。InOutInOut第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-28-(3)那么是不是所有的換熱器都設(shè)計(jì)成逆流形式的就最好呢?不是,因?yàn)橐慌_(tái)換熱器的設(shè)計(jì)要考慮很多因素,而不僅僅是換熱的強(qiáng)弱。比如,逆流時(shí)冷熱流體的最高溫度均出現(xiàn)在換熱器的同一側(cè),使得該處的壁溫特別高,可能對(duì)換熱器產(chǎn)生破壞,因此,對(duì)于高溫?fù)Q熱器,又是需要故意設(shè)計(jì)成順流(4)對(duì)于有相變的換熱器,如蒸發(fā)器和冷凝器,發(fā)生相變的流體溫度不變,所以不存在順流還是逆流的問題。xTInOutxTInOut冷凝蒸發(fā)第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-23/5/2024-29-§9-3換熱器的熱計(jì)算

換熱器熱計(jì)算的基本方程式是傳熱方程式及熱平衡式換熱器熱計(jì)算分兩種情況:設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算(1)設(shè)計(jì)計(jì)算:設(shè)計(jì)一個(gè)新的換熱器,以確定所需的換熱面積校核計(jì)算:對(duì)已有或已選定了換熱面積的換熱器,在非設(shè)計(jì)工況條件下,核算他能否勝任規(guī)定的新任務(wù)。第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-33/5/2024-30-式中,不是獨(dú)立變量,因?yàn)樗Q于

以及換熱器的布置。另外,根據(jù)公式(9-15)可是,一旦和以及

中的三個(gè)已知的話,我們就可以計(jì)算出另外一個(gè)溫度。因此,上面的兩個(gè)方程中共有8個(gè)未知數(shù),即需要給定其中的5個(gè)變量,才可以計(jì)算另外三個(gè)變量。對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算而言,給定的是,以及進(jìn)出口溫度中的三個(gè),最終求對(duì)于校核計(jì)算而言,給定的一般是,以及2個(gè)進(jìn)口溫度,待求的是第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-33/5/2024-31-換熱器的熱計(jì)算有兩種方法:平均溫差法

效能-傳熱單元數(shù)(-NTU)法平均溫差法:就是直接應(yīng)用傳熱方程和熱平衡方程進(jìn)行熱計(jì)算,其具體步驟如下:對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算(已知,及進(jìn)出口溫度中的三個(gè),求)初步布置換熱面,并計(jì)算出相應(yīng)的總傳熱系數(shù)k根據(jù)給定條件,由熱平衡式求出進(jìn)、出口溫度中的那個(gè)待定的溫度由冷熱流體的4個(gè)進(jìn)出口溫度確定平均溫差由傳熱方程式計(jì)算所需的換熱面積A,并核算換熱面流體的流動(dòng)阻力如果流動(dòng)阻力過大,則需要改變方案重新設(shè)計(jì)。第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-33/5/2024-32-對(duì)于校核計(jì)算(已知,及兩個(gè)進(jìn)口溫度,求)先假設(shè)一個(gè)流體的出口溫度,按熱平衡式計(jì)算另一個(gè)出口溫度根據(jù)4個(gè)進(jìn)出口溫度求得平均溫差根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu),算出相應(yīng)工作條件下的總傳熱系數(shù)k已知kA和,按傳熱方程式計(jì)算在假設(shè)出口溫度下的根據(jù)4個(gè)進(jìn)出口溫度,用熱平衡式計(jì)算另一個(gè),這個(gè)值和上面的,都是在假設(shè)出口溫度下得到的,因此,都不是真實(shí)的換熱量比較兩個(gè)值,滿足精度要求,則結(jié)束,否則,重新假定出口溫度,重復(fù)(1)~(6),直至滿足精度要求。第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-33/5/2024-33-2效能-傳熱單元數(shù)法(1)換熱器的效能和傳熱單元數(shù)

換熱其效能的定義是基于如下思想:當(dāng)換熱器無(wú)限長(zhǎng),對(duì)于一個(gè)逆流換熱器來講,則會(huì)發(fā)生如下情況

a當(dāng)時(shí),,則

b當(dāng)時(shí),,則于是,我們可以得到然而,實(shí)際情況的船熱量q總是小于可能的最大傳熱量qmax,我們將q/qmax定義為換熱器的效能,并用表示,即第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-33/5/2024-34-對(duì)于一個(gè)已存在的換熱器,如果已知了效能和冷熱流體的進(jìn)口溫差,則實(shí)際傳熱量可很方便地求出那么在未知傳熱量,之前,又如何計(jì)算?和那些因素有關(guān)?以順流換熱器為例,并假設(shè),則有根據(jù)熱平衡式得:于是式①,②相加:熱容比①②第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-33/5/2024-35-式①代入下式得:++第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-33/5/2024-36-當(dāng)時(shí),同樣的推導(dǎo)過程可得:上面的推導(dǎo)過程得到如下結(jié)果,對(duì)于順流:當(dāng)時(shí)上面兩個(gè)公式合并,可得:第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-33/5/2024-37-換熱器效能公式中的依賴于換熱器的設(shè)計(jì),則依賴于換熱器的運(yùn)行條件,因此,在一定程度上表征了換熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能,習(xí)慣上將這個(gè)比值(無(wú)量綱數(shù))定義為傳熱單元數(shù)NTU,即因此,與順流類似,逆流時(shí):第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-33/5/2024-38-當(dāng)冷熱流體之一發(fā)生相變時(shí),相當(dāng)于,即,于是上面效能公式可簡(jiǎn)化為當(dāng)兩種流體的熱容相等時(shí),即

公式可以簡(jiǎn)化為順流:逆流:第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-33/5/2024-39-(,及兩個(gè)進(jìn)口溫度,求)(2)用效能-傳熱單元數(shù)法計(jì)算換熱器的步驟a設(shè)計(jì)計(jì)算顯然,利用已知條件可以計(jì)算出,而帶求的k,A則包含在NTU內(nèi),因此,對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算是已知,求NTU,求解過程與平均溫差法相似,不再重復(fù)b校核計(jì)算由于k事先不知,所以仍然需要假設(shè)一個(gè)出口溫度,具體如下:①

假設(shè)一個(gè)出口溫度,利用熱平衡式計(jì)算另一個(gè)②

利用四個(gè)進(jìn)出口溫度計(jì)算定性溫度,確定物性,并結(jié)合換熱器結(jié)構(gòu),計(jì)算總傳熱系數(shù)k③

利用k,A計(jì)算NTU(,及進(jìn)出口溫度中的三個(gè),求)第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-33/5/2024-40-④

利用NTU計(jì)算

利用(9-17)計(jì)算,利用(9-14)計(jì)算另一個(gè)⑥

比較兩個(gè),是否滿足精度,否則重復(fù)以上步驟從上面步驟可以看出,假設(shè)的出口溫度對(duì)傳熱量的影響不是直接的,而是通過定性溫度,影響總傳熱系數(shù),從而影響NTU,并最終影響值。而平均溫差法的假設(shè)溫度直接用于計(jì)算值,顯然-NTU法對(duì)假設(shè)溫度沒有平均溫差法敏感,這是該方法的優(yōu)勢(shì)。第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-33/5/2024-41-3換熱器設(shè)計(jì)時(shí)的綜合考慮換熱器設(shè)計(jì)是綜合性的課題,必須考慮出投資,運(yùn)行費(fèi)用,安全可靠等諸多因素。4換熱器的結(jié)垢及污垢熱阻污垢增加了熱阻,使傳熱系數(shù)減小,這種熱阻成為污垢熱阻,用Rf表示,式中:k為有污垢后的換熱面的傳熱系數(shù),k0為潔凈換熱面的傳熱系數(shù)。第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-33/5/2024-42-對(duì)于兩側(cè)均已結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器,以管子外表面為計(jì)算依據(jù)的傳熱系數(shù)可以表示成:如果管子外壁沒有肋化,則肋面總效率

o=1。管殼式換熱器的部分污垢熱阻可以在表9-1種查得。第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-33/5/2024-43-§

9-4傳熱的強(qiáng)化和隔熱保溫技術(shù)強(qiáng)化傳熱的目的:縮小設(shè)備尺寸、提高熱效率、保證設(shè)備安全削弱傳熱的目的:減少熱量損失根據(jù)不同的需求,對(duì)于實(shí)際傳熱的傳熱過程,有時(shí)需要強(qiáng)化,有時(shí)則需要削弱。顯然,根據(jù)不同的傳熱方式,強(qiáng)化和削弱傳熱的手段應(yīng)該不同,本節(jié)主要針對(duì)對(duì)流換熱過程的強(qiáng)化和削弱1強(qiáng)化傳熱的原則和手段(1)強(qiáng)化換熱的原則:哪個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻大,就對(duì)哪個(gè)環(huán)節(jié)采取強(qiáng)化措施。舉例:以圓管內(nèi)充分發(fā)展湍流換熱為例,其實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為:第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-43/5/2024-44-(2)強(qiáng)化手段:a無(wú)源技術(shù)(被動(dòng)技術(shù));b有源技術(shù)(主動(dòng)式技術(shù))a無(wú)源技術(shù)(被動(dòng)技術(shù)):除了輸送傳熱介質(zhì)的功率消耗外,無(wú)需附加動(dòng)力其主要手段有:①涂層表面;②粗糙表面(圖9-28);③擴(kuò)展表面(圖9-29);④擾流元件(圖9-30a);⑤渦流發(fā)生器(圖9-30b)

;⑥螺旋管(圖9-30c)

;⑦添加物;⑧射流沖擊換熱b

有源技術(shù)(主動(dòng)式技術(shù)):需要外加的動(dòng)力其主要手段有:①對(duì)換熱介質(zhì)做機(jī)械攪拌;②使換熱表面振動(dòng);③使換熱瘤體振動(dòng);④將電磁場(chǎng)作用于流體以促使換熱表面附近流體的混合;⑤將異種或同種流體噴入換熱介質(zhì)或?qū)⒘黧w從換熱表面抽吸走。第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-43/5/2024-45-對(duì)換熱器而言,隨著強(qiáng)化措施的完善,污垢熱阻有時(shí)會(huì)成為傳熱過程的主要熱阻,因此,需要給換熱器的設(shè)計(jì)提供哈里的污垢熱阻的數(shù)據(jù),這就需要實(shí)驗(yàn)測(cè)定,可是實(shí)驗(yàn)測(cè)出來的是總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),那么如何將總的傳熱系數(shù)分成各個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻呢?下面的威爾遜圖解法提供了一種有效途徑2確定傳熱過程分熱阻的威爾遜圖解法

利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測(cè)定壁面和流體的溫度,從而獲得平均溫差,利用熱平衡方程式獲得熱流量,換熱面積可以根據(jù)設(shè)計(jì)情況獲得,這樣就可以通過傳熱方程式計(jì)算出總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。這是威爾遜圖解法的基礎(chǔ)。我們已管殼式換熱器為例,說明如何應(yīng)用威爾遜圖解法獲得各個(gè)分熱阻??偙砻?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以表示成:第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-43/5/2024-46-工業(yè)換熱器中的管內(nèi)流體的流動(dòng)一般都是處于旺盛湍流狀態(tài),hi

與流速u0.8成正比,因此,可以寫成的形式,帶入上式:第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-43/5/2024-47-如果能保持ho不變,Rw壁面的導(dǎo)熱熱阻不會(huì)變化,Rf在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有大的改變,因此,上式右邊的前三項(xiàng)可認(rèn)為是常數(shù),用b表示,物性不變的情況下,可以認(rèn)為是常數(shù),用m表示,于是上式可變?yōu)楦淖児軆?nèi)流速u,則可以測(cè)得一系列的總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),然后繪制成圖,則是一條直線,如圖(9-31)所示第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-43/5/2024-48-從這個(gè)圖中可以獲得b,m,和ci,從而,管子內(nèi)側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)這樣就將內(nèi)部熱阻從總傳熱系數(shù)中分離出來,然后,當(dāng)換熱器運(yùn)行一段時(shí)間后,再進(jìn)行同樣過程的測(cè)量,可以獲得另外一條曲線,則兩條曲線截距之差就是污垢熱阻,這樣又把污垢熱阻分離出來了。威爾遜圖解法的前提是有一側(cè)的換熱熱阻基本保持不變,有時(shí)候這格條件很難被滿足,因此,后來人們提出了一種修正威爾遜圖解法。第9章傳熱過程分析與換熱器熱計(jì)算——§9-43/5/2024-49-3隔熱保溫技術(shù)(1)需求背景(2)高于環(huán)境溫度的熱力設(shè)備的保溫多采用無(wú)機(jī)的絕熱材料(3)低于環(huán)境溫度時(shí),有三個(gè)檔次的絕熱材料可供選

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