За грејач од титанијума који загрева раствор шећера који кључа, зашто је максимални топлотни ток ограничен тачком сагоревања, а не стопом корозије?

За инжењера процеса који користи грејач за урањање титанијума у ​​раствор шећера који кључа (сахароза или глукозни сируп), највећи топлотни ток који се може постићи ограничен је тачком сагоревања (критични топлотни ток, ЦХФ), а не брзином корозије титанијума. Раствори шећера су веома вискозни, имају високу површинску напетост и имају тенденцију да се карамелизују на вишим температурама. ЦХФ за грејач од титанијума у ​​кључалом раствору шећера (40-60 степени Брик) је обично 30-50% нижи него у води – око 6-10 В/цм2 у поређењу са 12-15 В/цм2 за воду. Изнад овог ЦХФ долази до кључања филма и на површини грејача се формира стабилан слој паре. Парни слој изолује грејач, а температура површине брзо расте (до 200-300 степени) и карамелизује се, угљенише и сагорева. Стопа корозије титанијума у ​​растворима шећера је веома ниска (< 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.

Како раствори шећера сагоревају
Критични топлотни ток (ЦХФ) је максимални топлотни ток при коме се одвија прелазак из кључања језгрица у кључање филма. У нуклеатном кључању, мехурићи стварају језгро на тачкама, раздвајају се и уздижу. Одвајање мехурића је потиснуто високим вискозитетом (10-100× воде) и површинским напоном (1,2-1,5× воде) раствора шећера. Мехурићи су већи и дуже остају на површини, подстичући рану коалесценцију у парни филм. Парни филм се стабилизује и температура површине расте при нижем топлотном току него у води. Висока температура изазива карамелизацију шећера (преко 160 степени) стварајући јак изолациони угљенични премаз. Талог додатно изолује површину, подижући температуру до > 300 степени где титанијум оксидира и грејач прегорева. Брзина корозије титанијума у ​​растворима шећера (пХ 5-7, 100-120 степени) је мања од 0,01 мм/годишње, а зид од 1,5 мм би трајао > 150 година само од корозије.

Мерење ризика од ЦХФ и сагоревања у растворима шећера у односу на воду
Концентрација течности (Брик)Вискозитет @ 100ºЦ (цП) ЦХФ (В/цм2) Глатки Ти ЦХФ (В/цм2) Граница сагоревања Препоручена макс. Радни флукс (В/цм2)
Вода 0 0.28 12-15 15-18 ЦХФ 8-10
Раствор шећера 20 1.5 10-12 12-15 ЦХФ 6-8
40 15 7-9 9-11 Карамелизујте 4-6
Раствор шећера 60 80 4-6 6-8 Карамелизација 3-4
Раствор шећера 70 (концентрован) 200 2-3 3-4 Карамелизација 1,5-2 Карамелизовани депозит (након прегоревања) Н/АН/А < 1 Н/А Депозит Н/А
Загревање раствора шећера: Водич заснован на сценарију
Концентрација раствора шећера степен Брик Радна температура (Ц) Предложени максимални топлотни ток (В/цм2) Очекивана стопа корозије титанијума (мм/годишње) Ограничавајући фактор
20 100 6-8 < 0,005 ЦХФ (сагоревање-)
40 105 4-6 < 0,005 карамелизација 50 110 3-4 < 0,005 карамелизација 60 115 2-3 < 0,005 карамелизација 70 120 1.5-2 < 0,005 вискозитет (потребан проток)
Разблажити шећер (< 20° Brix) 100 8-10 < 0,005 CHF (as water)
Било која концентрација принудне циркулације Било која 2× изнад вредности < 0,005 Проток расте ЦХФ
Инжењерска ублажавања за побољшање ЦХФ у шећерним решењима
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 степени Брик). Глатка површина смањује пријањање карамелизованих наслага, што омогућава грејачу да ради са већим топлотним током пре него што таложење наслага доведе до прегревања.

Закључак: сагоревање (ЦХФ) ограничава топлотни ток, а не стопу корозије у растворима шећера
Максимални топлотни ток за грејач од титанијума при загревању кључалог раствора шећера је ограничен тачком сагоревања (критични топлотни ток), а не брзином корозије титанијума. Раствори шећера нису-корозивни за титанијум (пХ 5-7, брзина корозије < 0,01 мм/годишње) и могу резултирати животним веком од > 100 година само због корозије. Међутим, висок вискозитет и површински напон раствора шећера смањује ЦХФ на 4-10 В/цм² (у зависности од концентрације) наспрам 12-15 В/цм² за воду. Рад изнад ЦХФ доводи до кључања филма, пораста површинске температуре на 200-300 степени, карамелизације, угљенисања и сагоревања. За растворе шећера од 40-60 степени Брик-а, максимални топлотни флукс који се препоручује за атмосферско кључање је 3-6 В/цм^2. Када је потребан повећан топлотни ток, храпаве или полиране површине могу повећати ЦХФ за 20-100% уз принудну циркулацију. На пример, када се користи титанијумски грејач у сервису шећерног раствора, добављач треба да зна концентрацију раствора, предвиђене услове протока и густину снаге неопходну да би предвидео ЦХФ и изабрао површинску обраду како би се спречило сагоревање.