Kodėl titano šildytuvas, kaitinantis verdančio cukraus tirpalą, kodėl didžiausią šilumos srautą riboja perdegimo taškas, o ne korozijos greitis?

Proceso inžinieriaus, naudojanti titano panardinamąjį šildytuvą verdančiame cukraus tirpale (sacharozės arba gliukozės sirupe), didžiausią šilumos srautą, kurį galima pasiekti, riboja perdegimo taškas (kritinis šilumos srautas, CHF), o ne titano korozijos greitis. Cukraus tirpalai yra labai klampūs, turi didelį paviršiaus įtempimą ir linkę karamelizuotis aukštesnėje temperatūroje. Titano šildytuvo CHF verdančiame cukraus tirpale (40-60 laipsnių Brix) paprastai yra 30–50 % mažesnis nei vandenyje – apie 6–10 W/cm2, palyginti su 12–15 W/cm2 vandenyje. Virš šio CHF plėvelė užvirsta ir šildytuvo paviršiuje susidaro stabilus garų sluoksnis. Garų sluoksnis izoliuoja šildytuvą, o paviršiaus temperatūra greitai pakyla (iki 200-300 laipsnių) ir karamelizuojasi, suanglėja ir perdega. Titano korozijos greitis cukraus tirpaluose yra labai mažas (< 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.

Kaip perdega cukraus tirpalai
Kritinis šilumos srautas (CHF) yra maksimalus šilumos srautas, kuriam esant vyksta perėjimas nuo branduolio virimo prie virimo plėvelėje. Branduolių verdimo metu burbuliukai susidaro dėmėse, atsiskiria ir kyla aukštyn. Burbuliukų atsiskyrimą slopina didelis cukraus tirpalų klampumas (10–100 × vandens) ir paviršiaus įtempimas (1,2–1,5 × vandens). Burbulai yra didesni ir ilgiau išlieka paviršiuje, skatinant ankstyvą susiliejimą į garų plėvelę. Garų plėvelė stabilizuojasi ir paviršiaus temperatūra pakyla esant mažesniam šilumos srautui nei vandenyje. Dėl aukštos temperatūros cukrus karamelizuojasi (virš 160 laipsnių), sudarydamas stiprią izoliuojančią anglies dangą. Nuosėdos dar labiau izoliuoja paviršių, pakeldamos temperatūrą iki > 300 laipsnių, kur titanas oksiduojasi ir šildytuvas perdega. Titano korozijos greitis cukraus tirpaluose (pH 5-7, 100-120 laipsnių) yra mažesnis nei 0,01 mm per metus, o 1,5 mm sienelė išliks > 150 metų vien nuo korozijos.

CHF ir perdegimo cukraus tirpaluose rizikos, palyginti su vandeniu, įvertinimas
Skysčio koncentracija (Brix) Klampumas @ 100ºC (cP) CHF (W/cm2) Lygus Ti CHF (W/cm2) Perdegimo riba Rekomenduojama Maks. Darbinis srautas (W/cm2)
Vanduo 0 0.28 12-15 15-18 8–10 CHF
Cukraus tirpalas 20 1.5 10-12 12-15 6–8 CHF
40 15 7-9 9-11 Karamelizuoti 4-6
Cukraus tirpalas 60 80 4-6 6-8 Karamelizacija 3-4
Cukraus tirpalas 70 (koncentruotas) 200 2-3 3-4 Karamelizacija 1,5-2 Karamelizuotas nuosėdas (po perdegimo) N/AN/A < 1 N/A Nusėda N/A
Šildymas cukraus tirpalu: scenarijus pagrįstas vadovas
Cukraus koncentracija tirpalo laipsnis Brix. Darbinė temperatūra (C) Siūlomas maksimalus šilumos srautas (W/cm2) Numatytas titano korozijos greitis (mm/metus) Ribinis koeficientas
20 100 6-8 < 0,005 CHF (išdegimas-)
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 klampumas (reikalingas srautas)
Atskiestas cukrus (< 20° Brix) 100 8-10 < 0,005 CHF (as water)
Bet kokia priverstinės cirkuliacijos koncentracija Bet kuri 2 kartus didesnė už reikšmes < 0,005 Srautas didėja CHF
Inžineriniai švelninimo būdai, siekiant pagerinti CHF cukraus sprendimuose
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 laipsnių Brix). Lygus paviršius sumažina karamelizuotų nuosėdų sukibimą, o tai leidžia šildytuvui dirbti didesniu šilumos srautu, kol nuosėdų nusėdimas nesukelia perkaitimo.

Išvada: perdegimas (CHF) riboja šilumos srautą, o ne korozijos greitį cukraus tirpaluose
Maksimalų titano šildytuvo šilumos srautą kaitinant verdantį cukraus tirpalą riboja perdegimo taškas (kritinis šilumos srautas), o ne titano korozijos greitis. Cukraus tirpalai titanui ne-ėsdina (pH 5–7, korozijos greitis < 0,01 mm/metus) ir vien dėl korozijos gali tarnauti ilgiau nei 100 metų. Tačiau dėl didelio cukraus tirpalų klampumo ir paviršiaus įtempimo CHF sumažėja iki 4–10 W/cm² (priklausomai nuo koncentracijos), o vandens atveju – 12–15 W/cm². Naudojant virš CHF, plėvelė užvirsta, paviršiaus temperatūra pakyla iki 200-300 laipsnių, karamelizacija, suanglėjimas ir perdegimas. Cukraus tirpalams, kurių Brikso temperatūra yra 40–60 laipsnių, didžiausias rekomenduojamas šilumos srautas atmosferiniam virimui yra 3–6 W/cm^2. Kai reikia padidinti šilumos srautą, grublėtas arba poliruotas paviršius gali padidinti CHF 20–100 % naudojant priverstinę cirkuliaciją. Pavyzdžiui, naudodamas titano šildytuvą cukraus tirpalo paslaugoms, tiekėjas turi žinoti tirpalo koncentraciją, numatomas srauto sąlygas ir galios tankį, reikalingą CHF prognozavimui ir paviršiaus apdorojimui, kad būtų išvengta perdegimo.