Proč je u titanového ohřívače ohřívajícího roztok vroucího cukru maximální tepelný tok omezen bodem vyhoření, nikoli rychlostí koroze?

Pro procesního inženýra používajícího titanový ponorný ohřívač ve vroucím cukerném roztoku (sacharóza nebo glukózový sirup) je největší tepelný tok, kterého lze dosáhnout, omezen bodem vyhoření (kritický tepelný tok, CHF) a nikoli rychlostí koroze titanu. Cukerné roztoky jsou velmi viskózní, mají vysoké povrchové napětí a mají tendenci karamelizovat při vyšších teplotách. CHF pro titanový ohřívač ve vroucím cukerném roztoku (40-60 stupňů Brix) je obvykle o 30–50 % nižší než ve vodě – asi 6–10 W/cm2 ve srovnání s 12–15 W/cm2 pro vodu. Nad tímto CHF dochází k varu filmu a na povrchu ohřívače se vytvoří stabilní vrstva páry. Vrstva páry izoluje ohřívač a povrchová teplota rychle stoupá (na 200-300 stupňů) a karamelizuje, zuhelnatí a vyhoří. Rychlost koroze titanu v cukerných roztocích je velmi nízká (< 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.

Jak vyhoří roztoky cukru
Kritický tepelný tok (CHF) je maximální tepelný tok, při kterém dochází k přechodu z varu jádra do varu filmu. Při jaderném varu bubliny nukleují v místech, oddělují se a stoupají. Odlučování bublinek je potlačeno vysokou viskozitou (10-100× voda) a povrchovým napětím (1,2-1,5× voda) cukerných roztoků. Bubliny jsou větší a zůstávají déle na povrchu, což podporuje brzké srůstání do parního filmu. Parní film se stabilizuje a povrchová teplota stoupá při nižším tepelném toku než ve vodě. Vysoká teplota způsobí, že cukr zkaramelizuje (přes 160 stupňů) a vytvoří silný izolační uhlíkatý povlak. Usazenina dále izoluje povrch a zvyšuje teplotu na > 300 stupňů, kde titan oxiduje a ohřívač shoří. Rychlost koroze titanu v cukerných roztocích (pH 5-7, 100-120 stupňů) je menší než 0,01 mm/rok a 1,5 mm stěna by vydržela > 150 let pouze od koroze.

Měření rizika CHF a vyhoření v cukerných roztocích versus voda
Koncentrace kapaliny (Brix) Viskozita @ 100ºC (cP) CHF (W/cm2) Hladký Ti CHF (W/cm2) Limit vyhoření Doporučený Max. Provozní tok (W/cm2)
Voda 0 0.28 12-15 15-18 CHF 8–10
Cukerný roztok 20 1.5 10-12 12-15 CHF 6–8
40 15 7-9 9-11 Karamelizovat 4–6
Cukerný roztok 60 80 4-6 6-8 Karamelizace 3-4
Cukerný roztok 70 (koncentrovaný) 200 2-3 3-4 Karamelizace 1,5-2 Karamelizovaná usazenina (po vyhoření) N/AN/A < 1 N/A Vklad N/A
Zahřívání roztoku cukru: Průvodce podle scénářů
Koncentrace cukerného roztoku stupeň Brix Provozní teplota (C) Navrhovaný maximální tepelný tok (W/cm2) Očekávaná rychlost koroze titanu (mm/rok) Limitní faktor
20 100 6-8 < 0,005 CHF (vyhoření-)
40 105 4-6 < 0,005 karamelizace 50 110 3-4 < 0,005 karamelizace 60 115 2-3 < 0,005 karamelizace 70 120 1.5-2 < 0,005 viskozita (vyžaduje průtok)
Zředěný cukr (< 20° Brix) 100 8-10 < 0,005 CHF (as water)
Jakákoli koncentrace nuceného oběhu Jakákoli 2× nad hodnotami < 0,005 Průtok stoupá CHF
Technická zmírnění pro zlepšení CHF v řešeních pro cukr
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 stupňů Brix). Hladký povrch snižuje ulpívání karamelizovaných usazenin, což umožňuje ohřívači pracovat při vyšším tepelném toku, než usazování usazenin vede k přehřátí.

Závěr: Burnout (CHF) omezuje tepelný tok, nikoli míru koroze v cukerných roztocích
Maximální tepelný tok pro titanový ohřívač při zahřívání vroucího roztoku cukru je omezen bodem vyhoření (kritickým tepelným tokem) a nikoli rychlostí koroze titanu. Cukerné roztoky nejsou-korozivní vůči titanu (pH 5–7, rychlost koroze < 0,01 mm/rok) a mohou mít životnost > 100 let pouze kvůli korozi. Vysoká viskozita a povrchové napětí cukerných roztoků však snižuje CHF na 4-10 W/cm² (v závislosti na koncentraci) oproti 12-15 W/cm² pro vodu. Provoz nad CHF vede k varu filmu, zvýšení povrchové teploty na 200-300 stupňů, karamelizaci, zuhelnatění a vyhoření. Pro cukerné roztoky o teplotě 40-60 stupňů Brix je maximální tepelný tok doporučený pro atmosférický var 3-6 W/cm^2. Když je potřeba zvýšený tepelný tok, zdrsněné nebo leštěné povrchy mohou zvýšit CHF o 20-100% s nuceným oběhem. Například při použití titanového ohřívače ve službě s cukrovým roztokem musí dodavatel znát koncentraci roztoku, předpokládané podmínky průtoku a hustotu výkonu nezbytnou k předpovědi CHF a výběru povrchové úpravy, aby se zabránilo vyhoření.