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Polymer
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Rayon
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Physical
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about 10 degrees
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20 percent de
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3 percent
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15 m/s
(1)
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335 m/s
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2519383A1
Family ID 5391784
Probable Assignee Gen Electric
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title COMPRESSEUR CENTRIFUGE AVEC INJECTION DE LIQUIDE
EN Title MULTIPLE STAGE RADIAL COMPRESSOR WITH WATER INJECTION - HAS
JET OPENINGS THROUGH WALLS OF STAGES, ARRANGED SYMMETRICALLY ABOUT
AXIS
Abstract
_________________________________________________________________
COMPRESSEUR CENTRIFUGE A GAZ A RENDEMENT AMELIORE PAR INJECTION D'UN
LIQUIDE VAPORISABLE DANS LE COURANT DE GAZ.
IL COMPORTE UNE ENVELOPPE, UN ARBRE ROTATIF 15 MONTE SUR PALIERS DANS
CETTE ENVELOPPE, ET PLUSIEURS ETAGES SUCCESSIFS DE COMPRESSEUR
DISPOSES LE LONG DE L'AXE LONGITUDINAL DE L'ARBRE ROTATIF 15; L'UN AU
MOINS DES ETAGES DE COMPRESSEUR COMPRENANT UN IMPULSEUR 14 A AUBES
MULTIPLES QUI TOURNE AVEC L'ARBRE ROTATIF 15, UN DIFFUSEUR 17 AGENCE
POUR RECEVOIR UN COURANT DE GAZ 29 VENANT DE L'IMPULSEUR, UN CANAL DE
JONCTION 18 AGENCE POUR RECEVOIR LE COURANT DE GAZ 29 VENANT DU
DIFFUSEUR 17, ET UN DISPOSITIF D'INJECTION DE LIQUIDE 24 DESTINE A
INJECTER UN LIQUIDE VAPORISABLE DANS LE COURANT DE GAZ 29; CE
DISPOSITIF D'INJECTION DE LIQUIDE 24 ETANT AGENCE POUR INJECTER UN
LIQUIDE SENSIBLEMENT EN AMONT DU CANAL DE JONCTION 18.
APPLICATION AUX COMPRESSEURS CENTRIFUGES.
The radial compressor which injects water into the compressed gas is
suitable for a heat pump or jet engine. The compressor has multiple
stages with a spindle (15) passing through them carrying a multiple
section rotor (14,21 to 23), each stage including a cross channel (18)
and a return channel (19). Through the partitions at each leading side
to these channels is a jet opening (24,30) to which water is supplied
by a small tube (25,32). These jets are arranged symmetrically about
the axis of the spindle and their radial distance from the axis is
between 1.05 to 1.1 times the maximum radius of the rotor. The number
of jets is between 6 and 12, and each jet is at an angle inside a
tolerance of about 10 degrees to the normal of the gas flow through
the channel system (17).
Description
_________________________________________________________________
L'invention concerne, d'une maniere generale, des systemes destines a
augmenter le rendement des compresseurs de gaz du type centrifuge et,
en particulier, un ensemble destine a injecter un liquide vaporisable,
tel que l'water, directement dans le courant de gaz d'un compresseur
centrifuge multietage.
Les compresseurs centrifuges de gaz sont utilises depuis longtemps
pour de nombreux usages, y compris des applications aussi diverses que
les moteurs a reaction et les pompes de chaleur. Des developpements
anterieurs concernant les compresseurs centrifuges de gaz ont montre
que l'injection d'un liquide vaporisable dans le courant de gaz du
compresseur en vue de realiser une compression humide, ou une
compression entrainant la vaporisation du liquide injecte, par
opposition a la compression seche, est particulierement
interessante.La raison en est que la vaporisation du liquide injecte
dans le compresseur reduit la temperature d'entree de l'etage de
compresseur "en amont" du point d'injection du liquide, ce qui se
traduit par une augmentation importante du rapport de compression, ou
rapport de la pression de sortie du gaz a la pression d'entree du gaz,
pour une augmentation faible ou nulle de la puissance fournie au
compresseur. De plus, la temperature de fonctionnement du compresseur
peut etre efficacement reduite par l'injection directe d'water,
supprimant ainsi le besoin de refroidisseurs inter-etages externes,
tres couteux.
Bien que les avantages procures par l'injection d'un liquide
vaporisable directement dans le courant de gaz d'un compresseur
centrifuge soient tres largement reconnus, les dispositifs et les
techniques utilises jusqu'ici pour realiser la compression humide
presentent un certain nombre d'inconvenients marques. Le brevet des
E.U.A. nO 2 786 626 est un exemple classique de la technique
anterieure. Le procede qu'il decrit pour comprimer du gaz dans un
compresseur multietage se caracterise par l'injection d'un liquide
vaporisable dans l'admission du compresseur, ainsi que dans le canal
de jonction de chacun des premiers etages du compresseur. L'injection
du liquide dans les canaux de jonction se fait au moyen de jets de
liquide (un seul par etage), diriges vers l'amont du courant de gaz du
compresseur.
Le compresseur de ce brevet anterieur souffre de ce qu'on atteint un
degre de vaporisation du liquide injecte dans le courant de gaz du
compresseur assez limite.
La raison en est que l'injection du liquide a lieu dans une region a
faible vitesse du compresseur, si bien qu'il n'y a pas division ou
atomisation du liquide en tres fines gouttelettes. C'est
particulierement ce qui se produit en ce qui concerne le liquide
injecte dans l'admission du compresseur. I1 est necessaire d'avoir de
tres fines gouttelettes pour obtenir un degre eleve de vaporisation,
car la surface d'une telle gouttelette est grande par rapport a son
volume, et cette gouttelette peut donc facilement absorber de la
chaleur et se vaporiser. La vaporisation limitee du liquide injecte
dans le compresseur du brevet anterieur se traduit par une reduction
limitee de la puissance fournie a ce compresseur.Cette vaporisation
limitee a aussi pour consequence que de grosses gouttes de liquide
viennent percuter des parties internes du compresseur, telles que
l'impulseur, ce qui presente un risque serieux de corrosion importante
et de piquage de ces pieces apres un temps relativement court de
fonctionnement.
Si l'on souhaite injecter dans le courant de gaz du compresseur le
liquide delivre par les jets du brevet anterieur, a une distance
convenable pour que ceux-ci atteignent un degre raisonnable
d'atomisation, ce compresseur subira les inconvenients resultant de la
necessite d'avoir un appareillage complexe pour injecter le liquide
dans le courant de gaz a grande vitesse. Cette vitesse elevee est
necessaire, du fait que ces jets de liquide sont diriges en sens
contraire du sens d'ecoulement du courant de gaz.
En consequence, la presente invention a pour buts de: realiser, pour
equiper un compresseur multietage du type centrifuge et assurer
l'injection directe d'un liquide vaporisable dans le courant de gaz du
compresseur, un ensemble qui augmente la vaporisation du liquide
injecte; realiser, pour equiper un compresseur multietage et assurer
l'injection directe d'un liquide vaporisable dans le courant de gaz du
compresseur, un ensemble qui favorise la reduction de la puissance
fournie au compresseur; realiser, pour equiper un compresseur
multietage du type centrifuge et assurer l'injection directe d'un
liquide vaporisable dans le courant de gaz du compresseur, un ensemble
qui reduise le piquage et la corrosion des pieces internes du
compresseur;; realiser, pour equiper un compresseur multietage du type
centrifuge et assurer l'injection directe d'un liquide vaporisable
dans le courant de gaz du compresseur, un ensemble qui ne requiert pas
d'appareillage complexe pour injecter le liquide a grande vitesse dans
le courant de gaz.
Suivant les buts precites, l'invention realise un compresseur
comprenant une enveloppe, un arbre rotatif monte sur paliers a
l'interieur de l'enveloppe, et plusieurs etages de compresseur
successifs disposes le long de l'axe longitudinal de l'arbre tournant.
Au moins un des etages de compresseur comprend un impulseur a aubes
multiples qui tourne avec l'arbre tournant, un diffuseur agence pour
recevoir un courant de gaz provenant de l'impulseur, un canal de
jonction agence pour recevoir le courant de gaz venant du diffuseur,
et un dispositif d'injection de liquide qui injecte un liquide
vaporisable dans le courant de gaz. Le dispositif d'injection de
liquide est agence pour injecter du liquide dans le diffuseur
sensiblement en amont du canal de jonction.Le liquide vaporisable est
vigoureusement brise, ou atomise, ce qui produit de tres petites
gouttelettes de liquide qui se vaporisent facilement.
La description qui va suivre se refere aux figures annexees, qui
representent respectivement: figure 1, une vue en coupe, simplifiee,
d'une partie d'un compresseur multietage classique du type centrifuge,
mettant en oeuvre la presente invention; figure 2, une vue detaillee
d'une partie d'un premier etage du compresseur multietage de la figure
1; figure 3, une courbe representant la vitesse de vaporisation de
gouttelettes de liquide en fonction de la distance radiale des jets de
liquide du compresseur de la figure 1; figure 4, une vue, faite
suivant la ligne 4-4 de la figure 1, avec parties partiellement
enlevees a sa partie superieure, representant des details du troisieme
etage du compresseur de la figure 1.
La figure 1 represente un compresseur a quatre etages classique du
type centrifuge 10, bien que la presente invention puisse
effectivement s'utiliser dans un compresseur comportant un nombre plus
eleve ou plus petit d'etages. Le compresseur 10 est represente de
facon simplifiee avec les parties fixes (l'enveloppe du compresseur,
par exemple), hachurees d'une maniere, et les parties tournantes,
hachurees d'une autre maniere. Le gaz a comprimer penetre dans le
compresseur 10 par une admission 11, traverse sous forme de courant un
passage 12 et penetre dans un premier impulseur 14 a aubes multiples
fixe sur un arbre tournant 15. On sait que la vitesse de rotation
elevee de l'impulseur 14 envoie le gaz, sous l'effet de la force
centrifuge, de l'impulseur 14 centrifuge a un diffuseur 17, qui est de
preference du type sans aubes et est decrit plus loin avec plus de
details.Le courant de gaz comprime passe dans un canal de jonction 18
et, par suite, dans un canal de retour 19, qui comporte classiquement
des aubes directrices, telles qu'en 20, destinees a envoyer le courant
de gaz dans un autre impulseur 21 a aubes multiples, representant un
second etage du compresseur 10 a quatre etages. De meme, on realise
d'autres impulseurs 22 et 23, representant respectivement le troisieme
et le quatrieme etage du compresseur. Le second et le troisieme etage
du compresseur 10 mettent en oeuvre l'invention, et en beneficient,
sensiblement de la meme facon que le premier etage. Ainsi, la
comprehension du fonctionnement de l'un quelconque des etages un, deux
ou trois permettra de comprendre le fonctionnement des etages un a
trois.Si l'on considere maintenant uniquement le premier etage de
compresseur comprenant l'impulseur 14, la presente invention realise
une serie de jets 24 de liquide, constitues de preference par des jets
d'water, qui sont relies a une alimentation en liquide par les tubes
25 d'alimentation, chacun d'entre eux etant a son tour relie, par
exemple, a une tuyauterie 27 de distribution, reliee elle-meme a une
alimentation en liquide (non representee). Chacun des jets 24 de
liquide est agence pour injecter du liquide dans le diffuseur 17
sensiblement en amont du canal de jonction 18. L'expression
"sensiblement en amont" utilisee ici signifie: a une distance au moins
egale a environ 20 percent de la difference entre le rayon maximum du
diffuseur 17 (etudie ci-dessus) et le rayon maximum de l'impulseur 14.
L'importance qu'il y a a injecter le liquide dans le diffuseur 17
sensiblement en amont du canal de jonction 18 se comprend mieux en
examinant la figure 2, qui est une vue detaillee de la partie
superieure du premier etage du compresseur multietage 10 de la figure
1.
Comme il est bien connu de la technique, on donne a un "diffuseur" une
forme qui le rend capable de convertir une pression dynamique, ou une
energie cinetique, en pression statique. Dans ces conditions, la ligne
de separation entre le diffuseur 17 et le canal de jonction 18,
representant le rayon maximum du diffuseur 17, est approximativement
telle que representee par la ligne en traits interrompus 28. Le
diffuseur 17 est un diffuseur radial; autrement dit, l'espace
disponible a l'interieur du diffuseur 17 augmente au fur et a mesure
que la distance radiale par rapport a l'axe de l'arbre rotatif 15
augmente. Comme indique par les fleches 29, un courant de gaz
subissant une compression dans le compresseur 10 passe, de gauche a
droit, dans l'aubage 14' de l'impulseur 14, dans la diffuseur 17, dans
le canal de jonction 18 et dans les aubes directrices 20 du canal de
retour 19.Comme le diffuseur 17 est un diffuseur radial et que
l'impulseur 14 ejecte le courant de gaz 29 dans le diffuseur 17 avec
une vitesse de rotation elevee, le courant de gaz 29 suit un trajet en
spirale dans le diffuseur 17 et dans le canal de retour 19, bien que
cela n'apparaisse pas immediatement sur la figure 2, consideree
isolement. Le courant de gaz 29 a sa plus grande vitesse quand il
quitte l'impulseur 14, puis il ralentit rapidement au fur et a mesure
qu'il progresse radialement dans le diffuseur 17, en raison de la
conservation de la quantite de mouvement angulaire. Le fait que les
jets 27 de liquide, distants radialement dans le diffuseur 17, sont
sensiblement en amont du canal de jonction 18, c'est-a-dire dans une
region ou le flux de gaz 29 a une vitesse relativement elevee, procure
des avantages importants.
Par exemple, les courants de liquide injectes par l'ensemble des jets
24 dans le courant de gaz 29 se trouvent energiquement fractionnees ou
atomisees en gouttelettes extremement fines. Comme indique plus haut,
plus une gouttelette est petite, plus facilement elle peut absorber de
la chaleur et se vaporiser. En fait, la vitesse de vaporisation d'une
gouttelette depend directement, avec une assez bonne approximation, de
sa petitesse (autrement dit, est inversement proportionnelle a son
diametre). La petitesse d'une gouttelette est elle-meme liee a la
vitesse relative de la gouttelette par rapport au courant de gaz 29;
plus precisement, la petitesse depend de l'exponentielle du carre de
cette vitesse relative.Comme la vitesse relative depend en premier
lieu de la vitesse du courant de gaz 29, la vitesse du liquide injecte
etant faible en comparaison, et que la vitesse du courant de gaz 29
varie suivant l'inverse de la distance radiale des jets 24 de liquide,
la relation entre la petitesse d'une gouttelette et, donc, sa vitesse
de vaporisation, et la distance radiale des jets 24 de liquide, peut
etre representee graphiquement comme sur la figure 3.
L'invention non seulement apporte une augmentation de la vitesse de
vaporisation, mais encore augmente notablement la duree de la
vaporisation, et fournit ainsi une garantie supplementaire de
vaporisation complete.
L'augmentation de la duree de la vaporisation est due au long trajet
en spirale que les gouttelettes de liquide doivent parcourir dans le
courant de gaz 29 (figure 2) au cours de leur deplacement entre le
point d'injection (au niveau des jets.24) et l'etage suivant du
compresseur 10. On a ainsi deux facteurs qui interviennent
simultanement pour ameliorer notablement la vaporisation globale pour
une faible distance radiale des jets 24 de liquide suivant la presente
invention: (1) l'atomisation en gouttelettes tres fines du liquide
injecte, qui augmente facon marquante leur vitesse de vaporisation
(voir figure 3); et (2) l'augmentation importante de la duree (ou
"temps de sejour") pendant laquelle les gouttelettes restent dans le
courant 29 de gaz (figure 2).
La vaporisation nettement superieure obtenue par l'invention a des
consequences importantes pour les performances et la duree de vie du
compresseur 10. On a une reduction importante de la puissance a
fournir au compresseur 10, et la temperature du courant 29 de gaz est
avantageusement abaissee. Les parties internes du compresseur 10,
telles que les impulseurs a aubes multiples 21, 22 et 23, ne courent
maintenant pratiquement aucun risque de piquage et de corrosion par
impact a grande vitesse de gouttelettes de liquide non vaporisees.
Un avantage supplementaire a ce que les jets 24 de liquide, espaces
radialement dans le diffuseur 17, soient sensiblement en amont du
canal de jonction 18 est le gain de pression supplementaire apporte a
l'etage de compresseur du fait d'une variation de la quantite de
mouvement associee a l'extraction de chaleur, ou desurchauffage, des
gouttelettes de liquide se deplacant a grande vitesse. Ce
desurchauffage augmente quand la vitesse de vaporisation et la vitesse
de deplacement du liquide augmentent, ce qui se produit quand la
distance radiale des jets 24 de liquide est faible. On pense que le
gain de pression supplementaire qu'il est possible d'obtenir
represente au moins 2 ou 3 percent du gain de pression de l'etage de
compresseur en l'absence de desurchauffage.
Comme decrit par la presente invention, la distance radiale des jets
24 de liquide doit etre superieure a environ 1,05 fois le rayon
maximum de l'impulseur 14; sinon, il se produit des instabilites dans
le courant de gaz 29 sortant de l'impulseur 14.
Si l'on se reporte a nouveau a la figure 2, on y trouvera un autre
aspect de l'invention. Les jets 24 de liquide sont normaux ou
perpendiculaires au courant de gaz 29. Ceci permet au liquide arrivant
aux jets 24 d'etre injecte dans le courant de gaz 29 avec une faible
vitesse (15 m/s, par exemple), parce que la direction du liquide
injecte est transversale par rapport au courant de gaz 29.
Le liquide injecte peut donc penetrer aisement dans le courant de gaz
29 pour fournir un degre optimal d'atomisation; toutefois, il ne faut
pas que le liquide injecte vienne frapper la paroi de droite du
diffuseur 17, sinon son atomisation serait mauvaise. Comme il suffit
que le courant de liquide a injecter par l'intermediaire des jets 24
ait une faible vitesse quand ceux-ci sont orientes perpendiculairement
au courant de gaz 29, le dispositif d'alimentation en liquide (non
represente) destine a l'injection du liquide peut etre de construction
simple. On obtiendra encore cet avantage meme avec une tolerance sur
l'orientation des jets 24 d'environ 10 degres par rapport a la normale
au courant de gaz 29.
Si l'on se reporte maintenant a la figure 4, on y trouvera un autre
aspect de l'invention. La figure 4 est une vue faite suivant la ligne
4-4 de la figure 1. Elle comporte des parties partiellement enlevees
pour montrer les tubes d'alimentation 32 et l'emplacement des jets 30
de liquide, et on l'a simplifiee en omettant les aubes 26 du canal de
retour. Cet autre aspect de l'invention represente sur la figure 4 se
rapporte au troisieme etage du compresseur 10, qui comporte
l'impulseur 22. Cet autre aspect de l'invention concerne le nombre et
la position de plusieurs jets 30 de liquide (correspondant aux jets 24
du premier etage de compresseur), qui sont relies a un dispositif
d'alimentation en liquide (non represente) par une tuyauterie de
distribution 31 et des tubes d'alimentation 32.Les jets 30 sont au
nombre de 6 a 12, 8 dans le meilleur mode de mise en oeuvre de
l'invention. Les jets 30 sont de preference disposes en symetrie
axiale autour de l'axe longitudinal de l'arbre 15. Le nombre et la
position des jets 30 indiques ci-dessus permettent d'utiliser au
maximum le courant de gaz existant dans le compresseur 10 pour
vaporiser les gouttelettes de liquide.
On peut utiliser dans l'invention un nombre de jets de liquide plus
grand ou plus petit que celui qui vient d'etre indique. Une limite
superieure du nombre de jets de liquide est imposee par le diametre
reduit de leur alesage, que les impuretes contenues dans le liquide
injecte par eux ont toute chance de boucher. Un nombre de jets
inferieur au nombre recommande le plus faible (c'esta-dire 6) aura
pour consequence que le courant de gaz existant dans le compresseur 10
sera moins bien utilise pour vaporiser les gouttelettes de liquide,
mais l'invention sera encore avantageuse.
Dans le mode le meilleur envisage pour la mise en oeuvre de
l'invention, le compresseur 10 constitue une pompe a chaleur
industrielle caracterisee en ce que le liquide vaporisable injecte
dans le courant de gaz a l'in terieur du compresseur est de l'water et
en ce que la distance radiale recommandee des jets 24 de liquide se
situe entre environ 1,05 et 1,1 fois le rayon maximum de l'impulseur
14, la borne superieure de cette plage etant particulierement
recommandee. Cette plage est basee sur un compresseur dont le rapport
de compression par etage se situe entre 1,4 et 1,6 environ et dont la
vitesse en bout d'impulseur par etages se situe entre 274 et 335
m/s.On obtient toutefois les effets avantageux de l'invention pour des
distances radiales des jets 24 de liquide superieures a la plage
1,05-1,10 indiquee plus haut, a condition que l'etage de compresseur
fonctionne avec des vitesses en bout d'impulseur beaucoup plus elevees
que celles indiquees plus haut.
Cette pompe a chaleur a un rendement ameliore, non seulement grace a
l'amelioration de la vaporisation de l'water injectee dans la pompe a
chaleur, mais aussi grace a ltaugmentation du debit-masse de vapeur
dans la sortie de la pompe a chaleur.
Bien que seules certaines caracteristiques recommandees de l'invention
aient ete representees, a titre d'illustration, les specialistes se
rendront compte qu'il est possible d'apporter a l'invention un grand
nombre de modifications et de changements. C'est ainsi, par exemple,
que le compresseur 10 du type centrifuge peut etre combine a un
compresseur du type axial.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1. Compresseur, caracterise en ce qu'il comprend une enveloppe, un
arbre rotatif (15) monte sur paliers dans cette enveloppe, et
plusieurs etages successifs de compresseur disposes le long de l'axe
longitudinal de l'arbre rotatif (15); l'un au moins des etages de
compresseur comprenant un impulseur (14) a aubes multiples qui tourne
avec l'arbre rotatif (15), un diffuseur (17) agence pour recevoir un
courant de gaz (29) venant de l'impulseur, un canal de jonction (18)
agence pour recevoir le courant de gaz (29) venant du diffuseur (17),
et un dispositif d'injection de liquide(24)destine a injecter un
liquide vaporisable dans le courant de gaz (29); ce dispositif
d'injection de liquide (24) etant agence pour injecter un liquide
sensiblement en amont du canal de jonction (18).2. Compresseur suivant
la revendication 1, caracterise en ce que le dispositif d'injection de
liquide comporte plusieurs jets (24) de liquide.3. Compresseur suivant
la revendication 2, caracterise en ce que chacun des jets (24) de
liquide est oriente, avec une tolerance inferieure a 10 degres par
rapport a la normale, vers le courant de gaz (29) dans le diffuseur
(17).-4. Compresseur suivant la revendication 2, caracterise en ce que
les jets (24) de liquide sont disposes en symetrie axiale autour de
l'axe.5. Compresseur suivant l'une quelconque des revendications 2 a
4, caracterise en ce que le nombre des jets (24) de liquide est
compris entre 6 et 12.6. Compresseur suivant la revendication 2,
caracterise en ce que la distance des jets (24) de liquide a l'axe est
telle que le liquide injecte par eux dans le courant de gaz (29) est
entierement vaporise avant de rencontrer l'impulseur d'un etage de
compresseur situe plus loin.7. Compresseur suivant la revendication 4,
caracterise en ce que chaque jet de liquide (24) est espace par
rapport a l'axe d'un rayon d'environ 1,05 A 1,1 fois le rayon maximum
de l'impulseur;8. Compresseur suivant la revendication 4, caracterise
en ce que les jets (24) de liquide sont au nombre de 8.9. Compresseur
suivant la revendication 8, caracterise en ce que chaque jet de
liquide (24) est distant par rapport a l'axe d'un rayon d'environ 1,1
fois maximum de 1' impulseur.10. Compresseur suivant la revendication
2, caracterise en ce que les jets (24) de liquide sont agences pour
transporter de l'water.
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