Miks piirab titaansoojendi puhul keeva suhkrulahuse kuumutamist maksimaalset soojusvoogu läbipõlemispunkt, mitte korrosioonikiirus?

Protsessiinseneri jaoks, kes kasutab keevas suhkrulahuses (sahharoosi või glükoosisiirupis) titaanist sukelsoojendit, piirab suurimat saavutatavat soojusvoogu läbipõlemispunkt (kriitiline soojusvoog, CHF), mitte titaani korrosioonikiirus. Suhkrulahused on väga viskoossed, suure pindpinevusega ja kipuvad kõrgematel temperatuuridel karamellistama. Titaansoojendi CHF keevas suhkrulahuses (40-60 Brixi kraadi) on tavaliselt 30–50% madalam kui vees – umbes 6–10 W/cm2, võrreldes vee puhul 12–15 W/cm2. Selle CHF kohal toimub kile keemine ja küttekeha pinnale moodustub stabiilne aurukiht. Aurukiht isoleerib kerise ning pinnatemperatuur tõuseb kiiresti (200-300 kraadini) ning karamelliseerub, söestub ja põleb läbi. Titaani korrosioonikiirus suhkrulahustes on väga madal (< 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.

Kuidas suhkrulahused läbi põlevad
Kriitiline soojusvoog (CHF) on maksimaalne soojusvoog, mille juures toimub üleminek tuumakeetmiselt kilekeetmisele. Tuumakeetmisel mullid tuumastuvad kohtades, eralduvad ja tõusevad üles. Mullide eraldumist pärsivad suhkrulahuste kõrge viskoossus (10–100 × vesi) ja pindpinevus (1,2–1,5 × vesi). Mullid on suuremad ja püsivad pinnal kauem, soodustades varakult liitumist aurukileks. Aurukile stabiliseerub ja pinnatemperatuur tõuseb väiksema soojusvoo korral kui vees. Kõrge temperatuur põhjustab suhkru karamelliseerumist (üle 160 kraadi), moodustades tugeva isoleeriva süsiniku katte. Sade isoleerib pinda veelgi, tõstes temperatuuri > 300 kraadini, kus titaan oksüdeerub ja küttekeha põleb läbi. Titaani korrosioonikiirus suhkrulahustes (pH 5-7, 100-120 kraadi) on alla 0,01 mm/aastas ja 1,5 mm sein peaks ainuüksi korrosioonist vastu > 150 aastat.

CHF ja läbipõlemise riski mõõtmine suhkrulahustes versus vesi
Vedeliku kontsentratsioon (Brix) Viskoossus @ 100ºC (cP) CHF (W/cm2) Sile Ti CHF (W/cm2) Läbipõlemispiir Soovitatav Maks. Töövoog (W/cm2)
Vesi 0 0.28 12-15 15-18 8–10 CHF
Suhkrulahus 20 1.5 10-12 12-15 6–8 CHF
40 15 7-9 9-11 Karamelliseeri 4-6
Suhkrulahus 60 80 4-6 6-8 Karamelliseerimine 3-4
Suhkrulahus 70 (kontsentreeritud) 200 2-3 3-4 Karamelliseerimine 1,5-2 Karamelliseeritud sade (pärast läbipõlemist) N/AN/A < 1 N/A Hoiu N/A
Suhkrulahuse kuumutamine: stsenaariumipõhine juhend
Suhkru kontsentratsioon lahuse aste Brix Töötemperatuur (C) Soovitatav maksimaalne soojusvoog (W/cm2) Titaani eeldatav korrosioonikiirus (mm/aastas) Piiramistegur
20 100 6-8 < 0,005 CHF (läbipõlemine-)
40 105 4-6 < 0,005 Karamelliseerimine 50 110 3-4 < 0,005 Karamelliseerimine 60 115 2-3 < 0,005 Karamelliseerimine 70 120 1.5-2 < 0,005 Viskoossus (vajalik voolavus)
Lahjendatud suhkur (< 20° Brix) 100 8-10 < 0,005 CHF (as water)
Mis tahes sunnitud tsirkulatsiooni kontsentratsioon Iga 2 korda suurem väärtus < 0,005 Vooluhulk tõuseb CHF võrra
Tehnilised leevendusmeetmed suhkrulahenduste CHF-i parandamiseks
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 Brixi kraadi). Sile pind vähendab karamelliseerunud setete nakkumist, mis võimaldab kütteseadmel töötada suurema soojusvooga, enne kui sademete ladestumine viib ülekuumenemiseni.

Järeldus: läbipõlemine (CHF) piirab soojusvoogu, mitte korrosioonikiirust suhkrulahustes
Titaansoojendi maksimaalset soojusvoogu keeva suhkrulahuse kuumutamisel piirab läbipõlemispunkt (kriitiline soojusvoog), mitte titaani korrosioonikiirus. Suhkrulahused ei ole titaani -söövitavad (pH 5–7, korrosioonikiirus < 0,01 mm/aastas) ja nende kasutusiga võib ainuüksi korrosiooni tõttu olla üle 100 aasta. Kuid suhkrulahuste kõrge viskoossus ja pindpinevus vähendavad CHF-i väärtuseni 4-10 W/cm² (olenevalt kontsentratsioonist) vee 12-15 W/cm² vastu. Töötamine üle CHF põhjustab kile keemist, pinnatemperatuuri tõusu 200-300 kraadini, karamelliseerumist, söestumist ja läbipõlemist. 40–60-kraadise Brixi suhkrulahuste maksimaalne soovitatav soojusvoog atmosfääris keemisel on 3–6 W/cm^2. Kui on vaja suurendada soojusvoogu, võivad karestatud või poleeritud pinnad sundtsirkulatsiooniga CHF-i suurendada 20–100%. Näiteks titaansoojendi kasutamisel suhkrulahuse teenuses peab tarnija teadma lahuse kontsentratsiooni, prognoositavaid voolutingimusi ja võimsustihedust, mis on vajalik CHF ennustamiseks ja läbipõlemise vältimiseks pinnatöötluse valimiseks.