Za grijač od titanijuma koji zagreva rastvor šećera koji ključa, zašto je maksimalni toplotni tok ograničen tačkom sagorevanja, a ne stopom korozije?

Za inženjera procesa koji koristi grijač za uranjanje titana u ključalu otopinu šećera (saharoza ili glukozni sirup), najveći toplinski tok koji se može postići ograničen je točkom sagorijevanja (kritični toplinski tok, CHF), a ne stopom korozije titana. Otopine šećera su vrlo viskozne, imaju visoku površinsku napetost i sklone su karamelizaciji na višim temperaturama. CHF za grijač od titanijuma u ključaloj otopini šećera (40-60 stepeni Brix) je obično 30-50% niži nego u vodi - oko 6-10 W/cm2 u poređenju sa 12-15 W/cm2 za vodu. Iznad ovog CHF dolazi do ključanja filma i na površini grijača se formira stabilan sloj pare. Parni sloj izoluje grejač, a temperatura površine brzo raste (do 200-300 stepeni) i karamelizuje se, ugljeniše i izgara. Brzina korozije titanijuma u rastvorima šećera je veoma 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 sagorevaju rastvori šećera
Kritični toplotni tok (CHF) je maksimalni toplotni tok pri kojem se odvija prijelaz iz ključanja jezgri u filmsko ključanje. U nukleatnom ključanju, mjehurići nastaju jezgrom na tačkama, razdvajaju se i uzdižu. Odvajanje mjehurića potiskuje visoki viskozitet (10-100× vode) i površinski napon (1,2-1,5× voda) otopina šećera. Mjehurići su veći i duže ostaju na površini, podstičući ranu koalescenciju u parni film. Parni film se stabilizuje i temperatura površine raste pri nižem toplotnom toku nego u vodi. Visoka temperatura uzrokuje karamelizaciju šećera (preko 160 stepeni) stvarajući jaku izolacijsku karbonatnu prevlaku. Talog dodatno izoluje površinu, podižući temperaturu do > 300 stepeni gde titanijum oksidira i grejač pregoreva. Brzina korozije titana u rastvorima šećera (pH 5-7, 100-120 stepeni) je manja od 0,01 mm/godišnje, a zid od 1,5 mm bi trajao > 150 godina samo od korozije.

Mjerenje rizika od CHF i sagorijevanja u šećernim otopinama u odnosu na vodu
Koncentracija tečnosti (Brix)Viskozitet pri 100ºC (cP) CHF (W/cm2) Glatki Ti CHF (W/cm2) Granica sagorevanja Preporučena maks. Radni tok (W/cm2)
Voda 0 0.28 12-15 15-18 CHF 8-10
Šećerna otopina 20 1.5 10-12 12-15 CHF 6-8
40 15 7-9 9-11 Karamelizirajte 4-6
Šećerna otopina 60 80 4-6 6-8 Karamelizacija 3-4
Rastvor šećera 70 (koncentrovan) 200 2-3 3-4 Karamelizacija 1,5-2 Karamelizovani talog (nakon pregorevanja) N/AN/A < 1 N/A Depozit N/A
Grijanje otopinom šećera: Vodič zasnovan na scenariju
Koncentracija rastvora šećera stepen Brix Radna temperatura (C) Predloženi maksimalni toplotni tok (W/cm2) Očekivana stopa korozije titana (mm/godišnje) Ograničavajući faktor
20 100 6-8 < 0,005 CHF (izgaranje-)
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 Viskozitet (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 ublažavanja za poboljšanje CHF u šećernim rješenjima
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 stepeni Brix). Glatka površina smanjuje prianjanje karameliziranih naslaga, što omogućava grijaču da radi sa većim toplotnim tokom prije nego što taloženje naslaga dovede do pregrijavanja.

Zaključak: Burnout (CHF) ograničava toplotni tok, a ne stopu korozije u šećernim otopinama
Maksimalni toplotni tok za grijač od titanijuma pri zagrijavanju kipuće otopine šećera ograničen je točkom sagorijevanja (kritični toplinski tok), a ne brzinom korozije titana. Otopine šećera nisu -korozivne za titanijum (pH 5-7, brzina korozije < 0,01 mm/god) i mogu rezultirati vijekom trajanja od > 100 godina samo zbog korozije. Međutim, visoka viskoznost i površinska napetost rastvora šećera smanjuje CHF na 4-10 W/cm² (u zavisnosti od koncentracije) naspram 12-15 W/cm² za vodu. Rad iznad CHF dovodi do ključanja filma, porasta površinske temperature na 200-300 stepeni, karamelizacije, ugljenisanja i sagorevanja. Za rastvore šećera od 40-60 stepeni Brixa, maksimalni toplotni tok koji se preporučuje za atmosfersko ključanje je 3-6 W/cm^2. Kada je potreban povećani toplotni tok, hrapave ili polirane površine mogu povećati CHF za 20-100% uz prisilnu cirkulaciju. Na primjer, kada se koristi grijač od titanijuma u servisu šećerne otopine, dobavljač mora znati koncentraciju otopine, predviđene uslove protoka i gustinu snage neophodnu kako bi se predvidio CHF i odabrao površinski tretman kako bi se spriječilo izgaranje.