Za grijač od titana koji zagrijava otopinu kipućeg šećera, zašto je maksimalni toplinski tok ograničen točkom izgaranja, a ne brzinom korozije?

Za inženjera koji koristi titanski uronjeni grijač u kipućoj otopini šećera (saharoza ili glukozni sirup), najveći toplinski tok koji se može postići ograničen je točkom izgaranja (kritični toplinski tok, CHF), a ne brzinom korozije titana. Otopine šećera su vrlo viskozne, imaju visoku površinsku napetost i sklone su karamelizaciji na višim temperaturama. CHF za titanski grijač u kipućoj otopini šećera (40-60 stupnjeva Brixa) obično je 30-50% niži nego u vodi - oko 6-10 W/cm2 u usporedbi s 12-15 W/cm2 za vodu. Iznad ovog CHF dolazi do filmskog vrenja i formira se stabilan sloj pare na površini grijača. Sloj pare izolira grijač, a temperatura površine brzo raste (do 200-300 stupnjeva) i karamelizira se, pougljuje i izgara. Brzina korozije titana u otopinama šećera je vrlo 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.

Kako otopine šećera izgaraju
Kritični toplinski tok (CHF) je maksimalni toplinski tok pri kojem se odvija prijelaz iz nukleatnog vrenja u filmsko vrenje. Kod nukleatnog vrenja mjehurići nukleiraju na mjestima, odvajaju se i uzdižu. Odvajanje mjehurića je potisnuto visokom viskoznošću (10-100× vode) i površinskom napetosti (1,2-1,5× vode) otopina šećera. Mjehurići su veći i dulje ostaju na površini, potičući ranu koalescenciju u film pare. Parni film se stabilizira i površinska temperatura raste pri nižem protoku topline nego u vodi. Visoka temperatura uzrokuje karamelizaciju šećera (preko 160 stupnjeva) stvarajući jaku izolirajuću prevlaku od ugljika. Talog dodatno izolira površinu, podižući temperaturu na > 300 stupnjeva gdje titan oksidira i grijač izgara. Brzina korozije titana u otopinama šećera (pH 5-7, 100-120 stupnjeva) manja je od 0,01 mm/godišnje, a stijenka od 1,5 mm trajala bi > 150 godina samo od korozije.

Mjerenje rizika od CHF-a i izgaranja u otopinama šećera u odnosu na vodu
Koncentracija tekućine (Brix) Viskoznost pri 100ºC (cP) CHF (W/cm2) Glatki Ti CHF (W/cm2) Granica izgaranja Preporučeno maks. Radni tok (W/cm2)
Voda 0 0.28 12-15 15-18 CHF 8-10
Otopina šećera 20 1.5 10-12 12-15 CHF 6-8
40 15 7-9 9-11 Karamelizirajte 4-6
Otopina šećera 60 80 4-6 6-8 Karamelizacija 3-4
Otopina šećera 70 (koncentrirana) 200 2-3 3-4 Karamelizacija 1,5-2 Karamelizirani talog (nakon izgaranja) N/AN/A < 1 N/A Depozit N/A
Zagrijavanje otopine šećera: Vodič temeljen na scenariju
Koncentracija otopine šećera stupanj Brix Radna temperatura (C) Predloženi maksimalni toplinski tok (W/cm2) Očekivana brzina korozije titana (mm/godina) Ograničavajući faktor
20 100 6-8 < 0,005 CHF (sagorijevanje-)
40 105 4-6 < 0,005 Karamelizacija 50 110 3-4 < 0,005 Karamelizacija 60 115 2-3 < 0,005 Karamelizacija 70 120 1.5-2 < 0,005 Viskoznost (potreban protok)
Razrijediti šećer (< 20° Brix) 100 8-10 < 0,005 CHF (as water)
Bilo koja koncentracija prisilne cirkulacije Bilo koja 2× iznad vrijednosti < 0,005 Protok raste CHF
Inženjerska sredstva za ublažavanje za poboljšanje CHF u otopinama šećera
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 stupnjeva Brixa). Glatka površina smanjuje prianjanje karameliziranih naslaga, što omogućuje grijaču da radi na većem toplinskom toku prije nego što taloženje naslaga dovede do pregrijavanja.

Zaključak: izgaranje (CHF) ograničava toplinski tok, a ne brzinu korozije u otopinama šećera
Maksimalni toplinski tok za titanski grijač tijekom zagrijavanja kipuće otopine šećera ograničen je točkom izgaranja (kritični toplinski tok), a ne brzinom korozije titana. Otopine šećera nisu -korozivne za titan (pH 5-7, brzina korozije < 0,01 mm/godina) i mogu rezultirati radnim vijekom od > 100 godina samo zbog korozije. Međutim, visoka viskoznost i površinska napetost otopina šećera smanjuju CHF na 4-10 W/cm² (ovisno o koncentraciji) naspram 12-15 W/cm² za vodu. Rad iznad CHF rezultira filmskim vrenjem, porastom površinske temperature na 200-300 stupnjeva, karamelizacijom, pougljenjem i izgaranjem. Za otopine šećera od 40-60 stupnjeva Brixa, maksimalni toplinski tok preporučen za atmosfersko vrenje je 3-6 W/cm^2. Kada je potreban povećan toplinski tok, hrapave ili polirane površine mogu pojačati CHF za 20-100% s prisilnom cirkulacijom. Na primjer, kada se koristi grijač od titana u servisu šećerne otopine, dobavljač treba znati koncentraciju otopine, predviđene uvjete protoka i gustoću snage potrebnu za predviđanje CHF-a i odabir površinske obrade kako bi se spriječilo sagorijevanje.