Per a un escalfador de titani que escalfa una solució de sucre bullint, per què el flux de calor màxim està limitat pel punt de desgast, no pel índex de corrosió?

Per a un enginyer de processos que utilitza un escalfador d'immersió de titani en una solució de sucre bullint (sacarosa o xarop de glucosa), el major flux de calor que es pot aconseguir està limitat pel punt d'esgotament (flux de calor crític, CHF) i no per la taxa de corrosió del titani. Les solucions de sucre són molt viscoses, tenen una tensió superficial elevada i tendeixen a caramel·litzar-se a temperatures més altes. El CHF d'un escalfador de titani en una solució de sucre bullint (40-60 graus Brix) sol ser un 30-50% més baix que en aigua, uns 6-10 W/cm2 en comparació amb 12-15 W/cm2 per a l'aigua. Per sobre d'aquest CHF, es produeix l'ebullició de la pel·lícula i es forma una capa de vapor estable a la superfície de l'escalfador. La capa de vapor aïlla l'escalfador i la temperatura de la superfície augmenta ràpidament (fins a 200-300 graus) i es caramel·litza, es carbonitza i es crema. La taxa de corrosió del titani en solucions de sucre és molt baixa (< 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.

Com s'esgoten les solucions de sucre
El flux de calor crític (CHF) és el flux de calor màxim al qual té lloc la transició de l'ebullició nucleada a l'ebullició pel·lícula. En ebullició nucleada, les bombolles es nucleen a les taques, se separen i ascendeixen. El despreniment de la bombolla es suprimeix per l'alta viscositat (10-100 × aigua) i la tensió superficial (1,2-1,5 × aigua) de les solucions de sucre. Les bombolles són més grans i es queden més temps a la superfície, afavorint la coalescència primerenca en una pel·lícula de vapor. La pel·lícula de vapor s'estabilitza i la temperatura de la superfície augmenta a un flux de calor inferior que a l'aigua. L'alta temperatura fa que el sucre es caramel·litzi (més de 160 graus) generant un fort recobriment carbònic aïllant. El dipòsit aïlla encara més la superfície, augmentant la temperatura a > 300 graus on el titani s'oxida i l'escalfador es crema. La taxa de corrosió del titani en solucions de sucre (pH 5-7, 100-120 graus) és inferior a 0,01 mm/any i una paret d'1,5 mm duraria més de 150 anys només a partir de la corrosió.

Mesurar el risc de CHF i burnout en solucions de sucre versus aigua
Concentració de fluid (Brix)Viscositat @ 100ºC (cP) CHF (W/cm2) Ti suau CHF (W/cm2) Límit d'esgotament recomanat Màx. Flux de funcionament (W/cm2)
Aigua 0 0.28 12-15 15-18 8-10 CHF
Solució de sucre 20 1.5 10-12 12-15 6-8 CHF
40 15 7-9 9-11 Caramelitzar 4-6
Solució de sucre 60 80 4-6 6-8 Caramelització 3-4
Solució de sucre 70 (concentrat) 200 2-3 3-4 Caramelització 1,5-2 Dipòsit caramel·litzat (després de l'esgotament) N/AN/A < 1 N/A Dipòsit N/A
Escalfament de la solució de sucre: una guia basada en escenaris
Concentració de la solució de sucre grau BrixTemperatura de funcionament (C)Flux de calor màxim suggerit (W/cm2) Taxa de corrosió de titani esperada (mm/any)Factor limitant
20 100 6-8 < 0,005 CHF (esgotament-)
40 105 4-6 < 0,005 Caramelització 50 110 3-4 < 0,005 Caramelització 60 115 2-3 < 0,005 Caramelització 70 120 1.5-2 < 0,005 Viscositat (flux necessari)
sucre diluït (< 20° Brix) 100 8-10 < 0,005 CHF (as water)
Qualsevol concentració de circulació forçada Qualsevol 2 × per sobre dels valors < 0,005 El flux augmenta CHF
Mitigacions d'enginyeria per millorar CHF en solucions de sucre
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 graus Brix). Una superfície llisa disminueix l'adherència dels dipòsits caramel·litzats, la qual cosa permet que l'escalfador funcioni a un flux de calor més alt abans que la deposició de dipòsits provoqui un sobreescalfament.

Conclusió: l'esgotament (CHF) limita el flux de calor, no la taxa de corrosió en solucions de sucre
El flux de calor màxim per a un escalfador de titani mentre s'escalfa una solució de sucre bullint està limitat pel punt d'esgotament (flux de calor crític) i no per la taxa de corrosió del titani. Les solucions de sucre no són-corrosives per al titani (pH 5-7, taxa de corrosió < 0,01 mm/any) i poden donar lloc a una vida útil > 100 anys només a causa de la corrosió. No obstant això, l'alta viscositat i tensió superficial de les solucions de sucre redueix el CHF a 4-10 W/cm² (depenent de la concentració) contra 12-15 W/cm² per a l'aigua. El funcionament per sobre del CHF provoca l'ebullició de la pel·lícula, l'augment de la temperatura de la superfície fins als 200-300 graus, la caramel·lització, la carbonització i l'esgotament. Per a solucions de sucre de 40-60 graus Brix, el flux de calor màxim recomanat per a l'ebullició atmosfèrica és de 3-6 W/cm^2. Quan cal augmentar el flux de calor, les superfícies rugoses o polides poden augmentar el CHF entre un 20 i un 100% amb circulació forçada. Per exemple, quan s'utilitza un escalfador de titani en el servei de solució de sucre, el proveïdor ha de conèixer la concentració de la solució, les condicions de flux previstes i la densitat de potència necessària per predir el CHF i triar el tractament de superfície per evitar l'esgotament.