Kāpēc titāna sildītājam, kas silda verdoša cukura šķīdumu, maksimālo siltuma plūsmu ierobežo izdegšanas punkts, nevis korozijas ātrums?

Procesu inženierim, kurš verdošā cukura šķīdumā (saharozes vai glikozes sīrupā) izmanto titāna iegremdējamo sildītāju, lielāko siltuma plūsmu, ko var sasniegt, ierobežo izdegšanas punkts (kritiskā siltuma plūsma, CHF), nevis titāna korozijas ātrums. Cukura šķīdumi ir ļoti viskozi, tiem ir augsts virsmas spraigums un mēdz karamelizēties augstākā temperatūrā. CHF titāna sildītājam verdošā cukura šķīdumā (40-60 Brix grādi) parasti ir par 30–50% zemāks nekā ūdenī — aptuveni 6–10 W/cm2, salīdzinot ar 12–15 W/cm2 ūdenim. Virs šī CHF notiek plēves vārīšanās un sildītāja virsmā veidojas stabils tvaika slānis. Tvaika slānis izolē sildītāju, un virsmas temperatūra ātri paaugstinās (līdz 200-300 grādiem) un karamelizējas, pārogļojas un izdeg. Titāna korozijas ātrums cukura šķīdumos ir ļoti zems (< 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.

Kā izdeg cukura šķīdumi
Kritiskā siltuma plūsma (CHF) ir maksimālā siltuma plūsma, pie kuras notiek pāreja no kodola vārīšanās uz plēves vārīšanu. Kodolveida vārīšanās laikā burbuļi veido kodolu vietās, atdalās un paceļas uz augšu. Burbuļu atdalīšanu nomāc cukura šķīdumu augstā viskozitāte (10–100 × ūdens) un virsmas spraigums (1,2–1,5 × ūdens). Burbuļi ir lielāki un ilgāk paliek uz virsmas, veicinot agrīnu saplūšanu tvaika plēvē. Tvaika plēve stabilizējas un virsmas temperatūra paaugstinās pie mazākas siltuma plūsmas nekā ūdenī. Augsta temperatūra izraisa cukura karamelizāciju (virs 160 grādiem), radot spēcīgu izolējošu oglekli saturošu pārklājumu. Nogulsnes vēl vairāk izolē virsmu, paaugstinot temperatūru līdz > 300 grādiem, kur titāns oksidējas un sildītājs izdeg. Titāna korozijas ātrums cukura šķīdumos (pH 5-7, 100-120 grādi) ir mazāks par 0,01 mm/gadā, un 1,5 mm siena no korozijas vien kalpotu > 150 gadus.

CHF un izdegšanas riska mērīšana cukura šķīdumos salīdzinājumā ar ūdeni
Šķidruma koncentrācija (Brix) Viskozitāte pie 100ºC (cP) CHF (W/cm2) Gluda Ti CHF (W/cm2) Izdegšanas robeža Ieteicamā maks. Darbības plūsma (W/cm2)
Ūdens 0 0.28 12-15 15-18 CHF 8-10
Cukura šķīdums 20 1.5 10-12 12-15 CHF 6-8
40 15 7-9 9-11 Karamelizēt 4-6
Cukura šķīdums 60 80 4-6 6-8 Karamelizācija 3-4
Cukura šķīdums 70 (koncentrēts) 200 2-3 3-4 Karamelizācija 1,5-2 Karamelizēta nogulsne (pēc izdegšanas) N/AN/A < 1 N/A Depozīts N/A
Cukura šķīduma sildīšana: ceļvedis, kas balstīts uz scenāriju
Cukura šķīduma koncentrācija Briksa pakāpe Darbības temperatūra (C) Ieteicamā maksimālā siltuma plūsma (W/cm2) Paredzamais titāna korozijas ātrums (mm/gadā) ierobežojošais faktors
20 100 6-8 < 0,005 CHF (izdegt-)
40 105 4-6 < 0,005 Karamelizācija 50 110 3-4 < 0,005 Karamelizācija 60 115 2-3 < 0,005 Karamelizācija 70 120 1.5-2 < 0,005 Viskozitāte (nepieciešama plūsma)
Atšķaidīts cukurs (< 20° Brix) 100 8-10 < 0,005 CHF (as water)
Jebkura piespiedu cirkulācijas koncentrācija Jebkāda 2x virs vērtībām < 0,005 Plūsma palielinās par CHF
Inženiertehniskie mazināšanas pasākumi, lai uzlabotu CHF cukura risinājumos
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 Briksa grādu). Gluda virsma samazina karamelizēto nosēdumu pielipšanu, kas ļauj sildītājam strādāt ar lielāku siltuma plūsmu, pirms nogulšņu nogulsnēšanās izraisa pārkaršanu.

Secinājums: izdegšana (CHF) ierobežo siltuma plūsmu, nevis korozijas ātrumu cukura šķīdumos
Maksimālo siltuma plūsmu titāna sildītājam, karsējot verdošu cukura šķīdumu, ierobežo izdegšanas punkts (kritiskā siltuma plūsma), nevis titāna korozijas ātrums. Cukura šķīdumi nav-kodīgi pret titānu (pH 5–7, korozijas ātrums < 0,01 mm/gadā), un korozijas dēļ vien to kalpošanas laiks var būt > 100 gadi. Tomēr cukura šķīdumu augstā viskozitāte un virsmas spraigums samazina CHF līdz 4-10 W/cm² (atkarībā no koncentrācijas) pret 12-15 W/cm² ūdenim. Darbība virs CHF izraisa plēves viršanu, virsmas temperatūras paaugstināšanos līdz 200-300 grādiem, karamelizāciju, pārogļošanos un izdegšanu. Cukura šķīdumiem, kuru Briksa temperatūra ir 40–60 grādu, maksimālā ieteicamā siltuma plūsma atmosfēras vārīšanai ir 3–6 W/cm^2. Ja nepieciešama palielināta siltuma plūsma, raupjas vai pulētas virsmas var palielināt CHF par 20–100% ar piespiedu cirkulāciju. Piemēram, izmantojot titāna sildītāju cukura šķīduma servisā, piegādātājam ir jāzina šķīduma koncentrācija, paredzamie plūsmas apstākļi un jaudas blīvums, kas nepieciešams, lai prognozētu CHF un izvēlētos virsmas apstrādi, lai novērstu izdegšanu.