Dlaczego w przypadku grzejnika tytanowego podgrzewającego wrzący roztwór cukru maksymalny strumień ciepła jest ograniczony temperaturą wypalenia, a nie szybkością korozji?

W przypadku inżyniera procesu używającego tytanowej grzałki zanurzeniowej we wrzącym roztworze cukru (sacharozy lub syropu glukozowego) największy strumień ciepła, jaki można osiągnąć, jest ograniczony temperaturą wypalenia (krytyczny strumień ciepła, CHF), a nie szybkością korozji tytanu. Roztwory cukru są bardzo lepkie, mają wysokie napięcie powierzchniowe i mają tendencję do karmelizacji w wyższych temperaturach. CHF dla grzejnika tytanowego we wrzącym roztworze cukru (40-60 stopni Brixa) jest zazwyczaj o 30-50% niższy niż w wodzie i wynosi około 6-10 W/cm2 w porównaniu z 12-15 W/cm2 dla wody. Powyżej tej wartości CHF następuje wrzenie filmowe i na powierzchni grzejnika tworzy się stabilna warstwa pary. Warstwa pary izoluje grzejnik, a temperatura powierzchni szybko wzrasta (do 200-300 stopni) i karmelizuje, zwęgla się i wypala. Szybkość korozji tytanu w roztworach cukru jest bardzo niska (< 0.01 mm/year) even at high temperature. This is because sugar solutions are neutral (pH 5-7) and non-corrosive. The limiting factor is thermal, not chemical.

Jak wypalają się roztwory cukru
Krytyczny strumień ciepła (CHF) to maksymalny strumień ciepła, przy którym następuje przejście od wrzenia zarodkowego do wrzenia filmowego. Podczas wrzenia zarodkowego pęcherzyki zarodkują w miejscach, oddzielają się i wznoszą. Odrywanie się pęcherzyków jest tłumione przez wysoką lepkość (10-100 x woda) i napięcie powierzchniowe (1,2-1,5 x woda) roztworów cukru. Pęcherzyki są większe i dłużej pozostają na powierzchni, zachęcając do wczesnej koalescencji w warstwę pary. Film pary stabilizuje się, a temperatura powierzchni wzrasta przy niższym przepływie ciepła niż w wodzie. Wysoka temperatura powoduje karmelizację cukru (ponad 160 stopni), tworząc silną izolującą powłokę węglową. Osad dodatkowo izoluje powierzchnię, podnosząc temperaturę do > 300 stopni, gdzie tytan utlenia się, a grzejnik się wypala. Szybkość korozji tytanu w roztworach cukru (pH 5-7, 100-120 stopni) jest mniejsza niż 0,01 mm/rok, a ściana o grubości 1,5 mm wytrzymałaby > 150 lat od samej korozji.

Pomiar ryzyka CHF i wypalenia w roztworach cukru w ​​porównaniu z wodą
Stężenie płynu (Brix) Lepkość w 100°C (cP) CHF (W/cm2) Gładka Ti CHF (W/cm2) Granica wypalenia Zalecana maks. Strumień operacyjny (W/cm2)
Woda 0 0.28 12-15 15-18 CHF 8-10
Roztwór cukru 20 1.5 10-12 12-15 6-8 CHF
40 15 7-9 9-11 Karmelizować 4-6
Roztwór cukru 60 80 4-6 6-8 Karmelizacja 3-4
Roztwór cukru 70 (koncentrat) 200 2-3 3-4 Karmelizacja 1,5-2 Osady karmelizowane (po wypaleniu) Nie dotyczy < 1 Nie dotyczy Depozyt Nie dotyczy
Ogrzewanie roztworem cukru: przewodnik oparty na scenariuszach
Stężenie roztworu cukru Stopień Brix Temperatura robocza (C) Sugerowany maksymalny strumień ciepła (W/cm2) Oczekiwana szybkość korozji tytanu (mm/rok) Czynnik ograniczający
20 100 6-8 < 0,005 CHF (-wypalenie)
40 105 4-6 < 0,005 Karmelizacja 50 110 3-4 < 0,005 Karmelizacja 60 115 2-3 < 0,005 Karmelizacja 70 120 1.5-2 < 0,005 Lepkość (wymagany przepływ)
Rozcieńczyć cukier (< 20° Brix) 100 8-10 < 0,005 CHF (as water)
Dowolne stężenie w wymuszonym obiegu Dowolne 2× powyżej wartości < 0,005 Przepływ wzrasta CHF
Inżynieryjne środki łagodzące mające na celu poprawę CHF w roztworach cukru
Three mitigations increasing CHF for heating of sugar solution when higher heat flow is necessary. The first mitigation is through forced circulation (pumping) over the heater surface. An increase in flow velocity from 0.5 to 1.0 m/s increases CHF by 50 to 100%. It sweeps away bubbles before they cluster. In a 40° Brix sugar solution forced circulation enhances CHF from 6 W/cm² to 10-12 W/cm². The second mitigation is the roughened heating surface. The density of nucleation sites is increased by sandblasting or milling the grooves, which promotes bubble separation and retards film boiling. The roughened titanium surface (Ra 2–3 µm) is used for enhanced CHF in sugar solutions (20–30 %). The third mitigation is a polished surface (Ra < 0.2 µm) for sugar at high concentration (>60 stopni Brixa). Gładka powierzchnia zmniejsza przywieranie karmelizowanych osadów, co pozwala na pracę grzejnika przy większym strumieniu ciepła, zanim osadzanie się osadów doprowadzi do przegrzania.

Wniosek: wypalenie (CHF) ogranicza strumień ciepła, a nie szybkość korozji w roztworach cukru
Maksymalny strumień ciepła dla grzejnika tytanowego podczas ogrzewania wrzącego roztworu cukru jest ograniczony temperaturą wypalenia (krytyczny strumień ciepła), a nie szybkością korozji tytanu. Roztwory cukru nie powodują korozji tytanu-(pH 5–7, szybkość korozji < 0,01 mm/rok) i mogą skutkować żywotnością > 100 lat z powodu samej korozji. Jednakże wysoka lepkość i napięcie powierzchniowe roztworów cukru zmniejsza CHF do 4-10 W/cm² (w zależności od stężenia) w porównaniu do 12-15 W/cm² w przypadku wody. Praca powyżej CHF powoduje wrzenie filmu, wzrost temperatury powierzchni do 200-300 stopni, karmelizację, zwęglenie i wypalenie. W przypadku roztworów cukru o temperaturze 40-60 stopni Brixa maksymalny strumień ciepła zalecany dla wrzenia atmosferycznego wynosi 3-6 W/cm^2. Gdy potrzebny jest większy strumień ciepła, szorstkie lub polerowane powierzchnie mogą zwiększyć CHF o 20-100% przy wymuszonym obiegu. Na przykład w przypadku korzystania z podgrzewacza tytanowego w roztworze cukru dostawca musi znać stężenie roztworu, przewidywane warunki przepływu i niezbędną gęstość mocy, aby przewidzieć CHF i wybrać obróbkę powierzchni zapobiegającą wypaleniu.