Fyrir títan hitara sem hitar sjóðandi sykurlausn, hvers vegna er hámarks hitaflæði takmarkað af brennslupunkti, ekki tæringarhraða?

Fyrir vinnslufræðing sem notar títaníumdýfahitara í sjóðandi sykurlausn (súkrósa eða glúkósasíróp) takmarkast mesta hitaflæðið sem hægt er að ná af brennslupunkti (kritískt hitaflæði, CHF) en ekki af tæringarhraða títans. Sykurlausnir eru mjög seigfljótandi, hafa mikla yfirborðsspennu og hafa tilhneigingu til að karamelliserast við hærra hitastig. CHF fyrir títan hitara í sjóðandi sykurlausn (40-60 gráðu Brix) er venjulega 30-50% lægra en í vatni - um 6-10 W/cm2 samanborið við 12-15 W/cm2 fyrir vatn. Ofan við þennan CHF kemur filmusuður fram og stöðugt gufulag myndast við hitara yfirborðið. Gufulagið einangrar hitarann ​​og yfirborðshitastigið hækkar hratt (í 200-300 gráður) og karamelliserar, kolnar og brennur út. Tæringarhraði títan í sykurlausnum er mjög lítill (< 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.

Hvernig sykurlausnir brenna út
Krítískt varmaflæði (CHF) er hámarksvarmaflæðið sem umskiptin frá kjarnasuðu yfir í kvikmyndasuðu eiga sér stað. Við kjarnasuðu myndast loftbólur á blettunum, skiljast og hækka. Bólulosun er bæld niður af mikilli seigju (10-100× vatn) og yfirborðsspennu (1,2-1,5× vatn) sykurlausna. Bólur eru stærri og dvelja lengur á yfirborðinu, sem hvetur til þess að þær sameinast snemma í gufufilmu. Gufufilman kemst á stöðugleika og yfirborðshiti hækkar við lægra hitaflæði en í vatni. Hátt hitastig veldur því að sykurinn karamellis (yfir 160 gráður) og myndar sterka einangrandi kolefnishúð. Útfellingin einangrar yfirborðið enn frekar, hækkar hitastigið í > 300 gráður þar sem títan oxast og hitarinn brennur út. Tæringarhraði títan í sykurlausnum (pH 5-7, 100-120 gráður) er minna en 0,01 mm/ár og 1,5 mm vegg myndi endast > 150 ár frá tæringu einni saman.

Mæling á hættu á CHF og kulnun í sykurlausnum á móti vatni
Vökvastyrkur (Brix) Seigja @ 100ºC (cP) CHF (W/cm2) Slétt Ti CHF (W/cm2) Burnunarmörk Ráðlagt Hámark. Rekstrarflæði (W/cm2)
Vatn 0 0.28 12-15 15-18 CHF 8-10
Sykurlausn 20 1.5 10-12 12-15 CHF 6-8
40 15 7-9 9-11 Karamellisera 4-6
Sykurlausn 60 80 4-6 6-8 Karamellun 3-4
Sykurlausn 70 (þétt) 200 2-3 3-4 Karamellun 1,5-2 Karamellulausn (eftir kulnun) N/AN/A < 1 N/A Innborgun N/A
Sykurlausnshitun: Leiðbeiningar byggðar á atburðarás
Styrkur sykurlausnar gráðu Brix Rekstrarhiti (C) Ráðlagt hámarks hitaflæði (W/cm2) Áætluð tæringarhraði títan (mm/ár) Takmarkandi þáttur
20 100 6-8 < 0,005 CHF (útbrennsla-)
40 105 4-6 < 0,005 Caramelization 50 110 3-4 < 0,005 Caramelization 60 115 2-3 < 0,005 Caramelization 70 120 1.5-2 < 0,005 Seigja (flæði krafist)
Þynnt sykur (< 20° Brix) 100 8-10 < 0,005 CHF (as water)
Sérhver þvinguð blóðrásarstyrkur. Einhver 2× yfir gildi < 0,005 Flæði hækkar CHF
Verkfræðiaðlögun til að bæta CHF í sykurlausnum
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 gráðu Brix). Slétt yfirborð dregur úr viðloðun karamellusettra útfellinga, sem gerir hitaranum kleift að vinna við hærra hitaflæði áður en útfelling útfellinga leiðir til ofhitnunar.

Ályktun: Kulnun (CHF) takmarkar hitaflæði, ekki tæringarhraða í sykurlausnum
Hámarks hitaflæði fyrir títan hitara meðan sjóðandi sykurlausn er hituð er takmörkuð af brennslumarki (mikilvægi hitaflæði) en ekki af tæringarhraða títan. Sykurlausnir eru ekki-ætandi fyrir títan (pH 5-7, tæringarhraði < 0,01 mm/ári) og geta leitt til endingartíma > 100 ára vegna tæringar eingöngu. Hins vegar lækkar mikil seigja og yfirborðsspenna sykurlausna CHF niður í 4-10 W/cm² (fer eftir styrk) á móti 12-15 W/cm² fyrir vatn. Aðgerð yfir CHF leiðir til suðu á filmu, yfirborðshitastig hækkar í 200-300 gráður, karamellun, kulnun og kulnun. Fyrir sykurlausnir með 40-60 gráðu Brix er hámarks hitaflæði ráðlagt fyrir suðu í andrúmslofti 3-6 W/cm^2. Þegar þörf er á auknu hitaflæði geta hrjúfðir eða fágaðir yfirborð aukið CHF um 20-100% með þvinguðum hringrás. Til dæmis, þegar títan hitari er notaður í sykurlausnarþjónustu, þarf birgirinn að vita styrk lausnarinnar, spáð flæðiskilyrði og aflþéttleika sem nauðsynlegur er til að spá fyrir um CHF og velja yfirborðsmeðferðina til að koma í veg fyrir kulnun.