Για έναν θερμαντήρα τιτανίου που θερμαίνει ένα διάλυμα ζάχαρης που βράζει, γιατί η μέγιστη ροή θερμότητας περιορίζεται από το σημείο καύσης και όχι από το ρυθμό διάβρωσης;

Για έναν μηχανικό διεργασίας που χρησιμοποιεί θερμαντήρα εμβάπτισης τιτανίου σε βραστό διάλυμα ζάχαρης (σακχαρόζη ή σιρόπι γλυκόζης), η μεγαλύτερη ροή θερμότητας που μπορεί να επιτευχθεί περιορίζεται από το σημείο εξάντλησης (κρίσιμη ροή θερμότητας, CHF) και όχι από το ρυθμό διάβρωσης του τιτανίου. Τα διαλύματα ζάχαρης είναι πολύ παχύρρευστα, έχουν υψηλή επιφανειακή τάση και τείνουν να καραμελώνουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Το CHF για έναν θερμαντήρα τιτανίου σε ένα βραστό διάλυμα ζάχαρης (40{4}}60 βαθμοί Brix) είναι συνήθως 30-50% χαμηλότερο από ό,τι στο νερό - περίπου 6-10 W/cm2 σε σύγκριση με 12-15 W/cm2 για το νερό. Πάνω από αυτό το CHF, εμφανίζεται βρασμός μεμβράνης και σχηματίζεται ένα σταθερό στρώμα ατμού στην επιφάνεια του θερμαντήρα. Το στρώμα ατμού μονώνει τη θερμάστρα και η θερμοκρασία της επιφάνειας αυξάνεται γρήγορα (στους 200-300 βαθμούς) και καραμελώνει, απανθρακώνεται και καίγεται. Ο ρυθμός διάβρωσης του τιτανίου σε διαλύματα ζάχαρης είναι πολύ χαμηλός (< 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.

Πώς καίγονται τα διαλύματα ζάχαρης
Η κρίσιμη ροή θερμότητας (CHF) είναι η μέγιστη ροή θερμότητας στην οποία λαμβάνει χώρα η μετάβαση από τον βρασμό πυρηνικών σε βρασμό μεμβράνης. Στο βρασμό πυρήνων, οι φυσαλίδες πυρήνωνται στα σημεία, διαχωρίζονται και ανεβαίνουν. Η αποκόλληση φυσαλίδων καταστέλλεται από το υψηλό ιξώδες (10-100× νερό) και την επιφανειακή τάση (1,2-1,5× νερό) των διαλυμάτων ζάχαρης. Οι φυσαλίδες είναι μεγαλύτερες και παραμένουν περισσότερο στην επιφάνεια, ενθαρρύνοντας την πρώιμη συνένωση σε ένα φιλμ ατμού. Το φιλμ ατμού σταθεροποιείται και η θερμοκρασία της επιφάνειας αυξάνεται με χαμηλότερη ροή θερμότητας από ότι στο νερό. Η υψηλή θερμοκρασία προκαλεί την καραμελοποίηση της ζάχαρης (πάνω από 160 βαθμούς) δημιουργώντας μια ισχυρή μονωτική ανθρακούχα επικάλυψη. Η απόθεση μονώνει περαιτέρω την επιφάνεια, ανεβάζοντας τη θερμοκρασία σε > 300 βαθμούς, όπου το τιτάνιο οξειδώνεται και ο θερμαντήρας καίγεται. Ο ρυθμός διάβρωσης του τιτανίου σε διαλύματα ζάχαρης (pH 5-7, 100-120 μοίρες) είναι μικρότερος από 0,01 mm/έτος και ένα τοίχωμα 1,5 mm θα διαρκούσε > 150 χρόνια μόνο από τη διάβρωση.

Μέτρηση του κινδύνου CHF και εξουθένωσης σε διαλύματα ζάχαρης έναντι νερού
Συγκέντρωση υγρού (Brix) Ιξώδες @ 100ºC (cP) CHF (W/cm2) Ομαλό Ti CHF (W/cm2) Συνιστώμενο όριο καύσης Μέγ. Ροή λειτουργίας (W/cm2)
Νερό 0 0.28 12-15 15-18 CHF 8-10
Ζαχαρούχο διάλυμα 20 1.5 10-12 12-15 CHF 6-8
40 15 7-9 9-11 Καραμελώστε 4-6
Ζαχαρούχο διάλυμα 60 80 4-6 6-8 Καραμελοποίηση 3-4
Διάλυμα ζάχαρης 70 (συμπυκνωμένο) 200 2-3 3-4 Καραμελοποίηση 1,5-2 Καραμελωμένη εναπόθεση (μετά την εξάντληση) Δ/Υ/Α < 1 Δ/Υ Κατάθεση Α/Α
Θέρμανση με διάλυμα ζάχαρης: Οδηγός βασισμένο σε σενάρια
Συγκέντρωση διαλύματος ζάχαρης βαθμός Brix Θερμοκρασία λειτουργίας (C) Προτεινόμενη μέγιστη ροή θερμότητας (W/cm2) Αναμενόμενος ρυθμός διάβρωσης τιτανίου (mm/έτος) Περιοριστικός παράγοντας
20 100 6-8 < 0,005 CHF (καί-εξάντληση)
40 105 4-6 < 0,005 Καραμελοποίηση 50 110 3-4 < 0,005 Καραμελοποίηση 60 115 2-3 < 0,005 Καραμελοποίηση 70 120 1.5-2 < 0,005 Ιξώδες (απαιτείται ροή)
Αραιώστε τη ζάχαρη (< 20° Brix) 100 8-10 < 0,005 CHF (as water)
Οποιαδήποτε συγκέντρωση αναγκαστικής κυκλοφορίαςΟποιαδήποτε 2× πάνω από τιμές < 0,005 Η ροή αυξάνεται CHF
Μηχανικοί μετριασμούς για τη βελτίωση της CHF σε λύσεις ζάχαρης
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 μοίρες Brix). Μια λεία επιφάνεια μειώνει την προσκόλληση των καραμελοποιημένων εναποθέσεων, γεγονός που επιτρέπει στον θερμαντήρα να λειτουργεί με υψηλότερη ροή θερμότητας πριν η εναπόθεση των ιζημάτων οδηγήσει σε υπερθέρμανση.

Συμπέρασμα: Η εξουθένωση (CHF) περιορίζει τη ροή θερμότητας, όχι τον ρυθμό διάβρωσης στα διαλύματα ζάχαρης
Η μέγιστη ροή θερμότητας για έναν θερμαντήρα τιτανίου κατά τη θέρμανση ενός διαλύματος σακχάρου που βράζει περιορίζεται από το σημείο καύσης (κρίσιμη ροή θερμότητας) και όχι από το ρυθμό διάβρωσης του τιτανίου. Τα διαλύματα ζάχαρης δεν είναι-διαβρωτικά στο τιτάνιο (pH 5-7, ρυθμός διάβρωσης < 0,01 mm/έτος) και μπορεί να έχουν ως αποτέλεσμα διάρκεια ζωής > 100 ετών μόνο λόγω της διάβρωσης. Ωστόσο, το υψηλό ιξώδες και η επιφανειακή τάση των διαλυμάτων ζάχαρης μειώνει το CHF σε 4-10 W/cm² (ανάλογα με τη συγκέντρωση) έναντι 12-15 W/cm² για το νερό. Η λειτουργία πάνω από το CHF οδηγεί σε βρασμό μεμβράνης, αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας στους 200-300 βαθμούς, καραμελοποίηση, απανθράκωση και εξάντληση. Για διαλύματα ζάχαρης 40-60 βαθμών Brix, η μέγιστη ροή θερμότητας που συνιστάται για ατμοσφαιρικό βρασμό είναι 3-6 W/cm^2. Όταν απαιτείται αυξημένη ροή θερμότητας, οι τραχιές ή γυαλισμένες επιφάνειες μπορούν να ενισχύσουν το CHF κατά 20-100% με αναγκαστική κυκλοφορία. Για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείτε θερμάστρα τιτανίου στην υπηρεσία διαλυμάτων ζάχαρης, ο προμηθευτής πρέπει να γνωρίζει τη συγκέντρωση του διαλύματος, τις προβλεπόμενες συνθήκες ροής και την απαιτούμενη πυκνότητα ισχύος για να προβλέψει το CHF και να επιλέξει την επιφανειακή επεξεργασία για να αποτρέψει την εξάντληση.