Miks on titaanküttekeha soojusvoog pehme vee kuumutamisel piiratud < 15 W/cm², et vältida kile lokaalset keemist ja läbipõlemist?

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, titaani kiire oksüdeerumine ja küttekeha enneaegne rike.

Kile keemise ja läbipõlemise mehhanism titaanpindadel
Tuumakeetmisel (soojusvoog alla CHF) tuumastuvad mullid titaanpinnal erinevates tuumade moodustumise kohtades, eralduvad ja tõusevad läbi vee. Mullide tugev liikumine tagab suurepärase soojusülekande (koefitsiendid 10 000 kuni 50 000 W/m²·K) ja pinnatemperatuur on vaid 5-15 kraadi kõrgem kui vee keemistemperatuur. Soojusvoo suurenedes muutub mullide teke sagedamaks. CHF-is tekivad mullid nii kiiresti, et need ühinevad, moodustades pinnale pideva aurukatte. Soojusülekanne kukub kokku aurulehe väga halva soojusjuhtivuse tõttu (aur on umbes 0,02 W/m·K, vedel vesi aga 0,6 W/m·K). Pideva sisendvõimsuse korral tõuseb pinnatemperatuur seni, kuni kiirgussoojusülekanne aurukile kaudu võrdub sisendiga, ulatudes tavaliselt 300–500 kraadini, hoolimata vee keemisest 100 kraadi juures.

Pehme vee (madal lahustunud tahke aine) puhul on CHF tavaliselt madalam kui kareda vee puhul, kuna tuumastumiskohti on vähem. Lahustunud materjalid tekitavad väikeseid õõnsusi, mis toimivad mullide tuuma tekkekohtadena. Pehmes vees need ained puuduvad, mistõttu mullid tuumastuvad vähemates kohtades, kasvavad suuremaks ja ühinevad kergemini aurukihiks.

Titaani CHF mõõtmine pehmes vees atmosfäärirõhul
Vee tüüp Lahustunud tahked ained (ppm) Pinna seisukord CHF (W/cm²) Läbipõlemissoojusvoog (W/cm²) Soovitatav maksimaalne ohutu töötase
Pehme vesi (deioniseeritud) < 10 sile (poleeritud) 10-12 12-14 8-10
Pehme vesi (deioniseeritud) < 10 karestatud (liivapritsiga töödeldud) 14–18 18–22 12–14
Pehme vesi (kraan, madala karedusega) 50–100 sile 12-15 15-18 10-12
Pehme vesi (kraan, madala karedusega) 50–100 karestatud 16–22 22–26 14–18
Kare vesi (kõrge Ca/Mg) > 200 Sile või karestatud 18–25 25–35 15–20 (kuid katlakivi teke)
Demineraliseeritud vesi (ülipuhas) < 1 sile 8-10 10-12 6-8
Arv 15 W/cm² on pehme vee (50–100 ppm) puhul, millel on sile või standardne veskiviimistlus, konservatiivne. Ülipuhta vee (demineraliseeritud, < 1 ppm) puhul vähendatakse ohutut piiri 6-8 W/cm2-ni. Karestatud pindade puhul (mis soodustavad tuumakeetmist) tõuseb ohutu piir 12-14 W/cm2 sama veekvaliteedi korral.

Stsenaarium{0}}Põhineb pehme vee soojusvoo piiride juhis
Vee kvaliteet ja kasutusala Veetüüp Soovitatav maksimaalne soojusvoog (W/cm2) Oodatav ümbrise temperatuur Kile keemise oht
Kuum tarbevesi (kraanivesi, 50–150 ppm) Pehme kuni mõõdukas 12–15 115–125 kraadi Madal kuni mõõdukas 15 W/cm²
Katla toitevesi (töödeldud, madala hapnikusisaldusega) Pehme (< 20 ppm) 8-10 110-120°C Moderate at 10 W/cm2
Deioniseeritud veega loputus (elektroonika, farmaatsia) Ultrapure (< 1 ppm) 5–7 105–115°C High above 7 W/cm2
Pöördosmoosi permeaat Pehme (10–30 ppm) 8–12 110–120 kraadi Mõõdukas 12 W/cm2
Sooja vee ringlusring (suletud süsteem) Muutuv, pehme 10–15 115–130 kraadi Sõltub voolukiirusest
Soojuspump või päikeseenergia (glükooli/vee segu) Pehme vesi + antifriis 8-12 110-120oC Glükool vähendab CHF rohkem
Tehnilised lahendused suurema CHF-i ja ohutu soojusvoo jaoks
Pehme vee soojendamiseks suurendavad arvukad pinnamuudatused CHF-i, kui on vaja suuremat soojusvoogu (nt küttekeha suuruse vähendamiseks või reaktsiooniaja parandamiseks). Pinna karestamine (liivapritsiga töötlemine, rihveldamine või soonte töötlemine) suurendab tuumade moodustumise koha tihedust ja suurendab CHF-i 30–50%. Liivapritsiga töödeldud titaanpind (Ra 2-3 um) annab pehmes vees CHF 18-20 W/cm2 ja seega on ohutu töö 12-15 W/cm2. Teine lahendus on sundvool. Vee liikumine kiirusega üle 0,5 m/s üle kerise pinna puhub ära aurumullid, enne kui need saavad ühineda kile moodustamiseks, mis põhjustab CHF kahe- kuni kolmekordse suurenemise. Kiirusel 1 m/s saab titaanküttekeha ohutult kasutada 20-25 W/cm2 pehmes vees. Kolmas asi on töötada kõrgema rõhu all. CHF on umbes 30% kõrgem kui atmosfäärirõhul 2 baari absoluutse rõhu juures (keemistemperatuur 120 kraadi).

Järeldus: 15 W/cm² piirang hoiab ära kile keemise läbipõlemise pehmes vees
Pehme vee soojendamisel tuleb titaansoojendi soojusvoogu hoida alla 15 W/cm2, et vältida kile lokaalset keemist ja läbipõlemist. Titaani pehmes vees (50-100 ppm lahustunud tahkeid aineid) on õhurõhul sõltuvalt pinnakvaliteedist soojusvoo läviväärtus 12-18 W/cm2. Paljudel tingimustel üle 15 W/cm2 töötamine paneb küttekeha ülemineku- või kilekeemisrežiimile ja ümbrise temperatuur tõuseb 110–120 kraadilt 300–500 kraadini. See oksüdeerib titaani kiiresti ja põhjustab enneaegse rikke. Ultrapuhta vee jaoks (< 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.