Kodėl titaninio šildytuvo šilumos srautas ribojamas iki < 15 W/cm², kai šildomas minkštas vanduo, kad būtų išvengta vietinio plėvelės užvirimo ir perdegimo?

If a process engineer is utilizing a titanium immersion heater to heat soft water (low hardness, low dissolved particles) for applications such as boilers, heat exchangers, or sanitation systems, the heat flux must be controlled to less than 15 W/cm² to avoid localized film boiling and burnout. Film boiling happens when the heater surface temperature surpasses the critical heat flux (CHF) limit and a continuous vapor blanket covers the surface. This vapor layer greatly limits heat conduction and causes the surface temperature to climb uncontrollably. The CHF for titanium in soft water at atmospheric pressure is about 12–18 W/cm2 depending on the surface condition, direction and purity of water. At powers >15 W/cm2 the heater is in transition or film boiling regime for many situations, leading to surface temperature spikes of >300-500 oC, greita titano oksidacija, ir priešlaikinis šildytuvo gedimas.

Plėvelės virimo ir perdegimo ant titano paviršių mechanizmas
Branduolių virimo metu (šilumos srautas žemiau CHF) burbuliukai susidaro skirtingose ​​branduolio susidarymo vietose titano paviršiuje, atsiskiria ir pakyla per vandenį. Stiprus burbuliukų judėjimas užtikrina puikų šilumos perdavimą (koeficientai nuo 10 000 iki 50 000 W/m²·K), o paviršiaus temperatūra vos 5–15 laipsnių viršija vandens virimo temperatūrą. Didėjant šilumos srautui, burbuliukų susidarymas tampa dažnesnis. CHF burbuliukai susidaro taip greitai, kad jie susilieja ir sudaro nuolatinę garų dangą ant paviršiaus. Šilumos perdavimas žlunga dėl labai prasto garų lakšto šilumos laidumo (garo – apie 0,02 W/m·K, o skysto vandens – 0,6 W/m·K). Esant pastoviai įvesties galiai, paviršiaus temperatūra kils tol, kol spinduliuotės šilumos perdavimas per garų plėvelę bus lygus įvesties kiekiui, paprastai pasiekiant 300–500 laipsnių, nepaisant vandens verdančio 100 laipsnių.

Minkštame vandenyje (mažai ištirpusių kietųjų medžiagų) CHF paprastai yra mažesnis nei kieto vandens, nes yra mažiau branduolių susidarymo vietų. Ištirpusios medžiagos sukuria nedideles ertmes, kurios veikia kaip burbuliukų branduolių susidarymo vietos. Minkštame vandenyje šių medžiagų nėra, todėl burbuliukai susiformuoja mažiau vietų, auga ir lengviau susilieja į garų sluoksnį.

CHF titano matavimas minkštame vandenyje esant atmosferos slėgiui
Vandens tipas Ištirpusių kietųjų dalelių (ppm) Paviršiaus būklė CHF (W/cm²) Perdegimo šilumos srautas (W/cm²) Rekomenduojamas maksimalus saugus veikimo lygis
Minkštas vanduo (dejonizuotas) < 10 Lygus (poliruotas) 10-12 12-14 8-10
Minkštas vanduo (dejonizuotas) < 10 Užgrūdintas (smėliasrove) 14–18 18–22 12–14
Minkštas vanduo (čiaupas, mažo kietumo) 50–100 Lygus 12-15 15-18 10-12
Minkštas vanduo (čiaupas, mažo kietumo) 50–100 Užgrūdintas 16–22 22–26 14–18
Kietas vanduo (didelis Ca/Mg) > 200 Lygus arba grublėtas 18–25 25–35 15–20 (bet nuosėdų susidarymas)
Demineralizuotas vanduo (ypač grynas) < 1 Lygus 8-10 10-12 6-8
15 W/cm² yra konservatyvus minkštam vandeniui (50–100 ppm) su lygia arba standartine malimo apdaila. Itin grynam vandeniui (demineralizuotam, < 1 ppm) saugi riba sumažinama iki 6-8 W/cm2. Šiurkštiems paviršiams (kurie palankūs branduoliniam virimui) saugi riba padidėja iki 12–14 W/cm2 esant tokiai pačiai vandens kokybei.

Scenarijus-Pagrįstas minkšto vandens šilumos srauto apribojimų nurodymas
Vandens kokybė ir pritaikymas Vandens tipas Rekomenduojamas maksimalus šilumos srautas (W/cm2) Numatoma apvalkalo temperatūra Plėvelės užvirimo pavojus
Buitinis karštas vanduo (vanduo iš čiaupo, 50–150 ppm) Minkštas arba vidutinis 12–15 115–125 laipsniai Žemas–vidutinis esant 15 W/cm²
Katilo tiekiamas vanduo (apdorotas, mažai deguonies) Minkštas (< 20 ppm) 8-10 110-120°C Moderate at 10 W/cm2
Skalavimas dejonizuotu vandeniu (elektronika, farmacija) Ultrapure (< 1 ppm) 5–7 105–115°C High above 7 W/cm2
Atvirkštinio osmoso permeatas Minkštas (10–30 ppm) 8–12 110–120 laipsnių Vidutinis esant 12 W/cm2
Recirkuliacinė karšto vandens kilpa (uždara sistema) Kintama, minkšta 10–15 115–130 laipsnių Priklauso nuo srauto greičio
Šilumos siurblys arba saulės termostatas (glikolio/vandens mišinys) Minkštas vanduo + antifrizas 8-12 110-120oC Glikolis labiau sumažina CHF
Inžineriniai sprendimai, skirti padidinti CHF ir saugų šilumos srautą
Šildant minkštą vandenį, daugybė paviršiaus modifikacijų padidina CHF, kai reikia didesnio šilumos srauto (pvz., norint sumažinti šildytuvo dydį arba pagerinti reakcijos laiką). Paviršiaus šiurkštinimas (smėliavimas, raižymas arba griovelių apdirbimas) padidina branduolio susidarymo vietos tankį ir padidina CHF 30–50%. Smėliasrove padengtas titano paviršius (Ra 2–3 um) minkštame vandenyje užtikrina 18–20 W/cm2 CHF, todėl saugus veikimas gali būti pasiektas esant 12–15 W/cm2. Kitas sprendimas yra priverstinis srautas. Vandens judėjimas didesniu nei 0,5 m/s greičiu per šildytuvo paviršių išpučia garų burbuliukus, kol jie susijungia ir sudaro plėvelę, o tai padidina CHF nuo dviejų iki trijų kartų. Esant 1 m/s greičiui, titano šildytuvą galima saugiai naudoti esant 20-25 W/cm2 minkštame vandenyje. Trečias dalykas – dirbti esant didesniam slėgiui. CHF yra maždaug 30 % didesnis nei esant atmosferos slėgiui esant 2 barų absoliučiam slėgiui (virimo temperatūra 120 laipsnių).

Išvada: 15 W/cm² riba apsaugo nuo plėvelės perdegimo minkštame vandenyje
Šildant minkštą vandenį, titaninio šildytuvo šilumos srautas turi būti ne didesnis kaip 15 W/cm2, kad būtų išvengta vietinio plėvelės užvirimo ir perdegimo. Titano minkštame vandenyje (50-100 ppm ištirpusių kietųjų medžiagų) slenkstinis šilumos srautas esant atmosferos slėgiui yra 12-18 W/cm2, priklausomai nuo paviršiaus kokybės. Daugeliui sąlygų dirbant virš 15 W/cm2, šildytuvas įjungiamas į pereinamąjį arba plėvelės virimo režimą, o apvalkalo temperatūra pakyla iki 300–500 laipsnių nuo 110–120 laipsnių. Tai greitai oksiduoja titaną ir sukelia ankstyvą gedimą. Itin grynam vandeniui (< 1 ppm) the acceptable limit is reduced to 5–8 W/cm2. The CHF can be increased by 30–100% by surface roughening, forced flow, or enhanced pressure when larger heat fluxes are needed. By providing the supplier with the water quality (conductivity or total dissolved solids), expected flow velocity, and required power density when specifying a titanium heater for any soft water heating application, a CHF can be accurately assessed and the correct surface treatment selected to avoid film boiling failure.