Untuk Pemanas Titanium Memanaskan Larutan Gula Mendidih, Mengapa Fluks Haba Maksimum Dihadkan oleh Titik Burnout, Bukan Kadar Kakisan?

Bagi jurutera proses yang menggunakan pemanas rendaman titanium dalam larutan gula mendidih (sukrosa atau sirap glukosa), fluks haba terbesar yang boleh dicapai adalah dihadkan oleh takat burnout (fluks haba kritikal, CHF) dan bukan oleh kadar kakisan titanium. Larutan gula sangat likat, mempunyai tegangan permukaan yang tinggi dan cenderung untuk karamel pada suhu yang lebih tinggi. CHF untuk pemanas titanium dalam larutan gula mendidih (40-60 darjah Brix) biasanya 30-50% lebih rendah daripada dalam air-kira-kira 6-10 W/cm2 berbanding 12-15 W/cm2 untuk air. Di atas CHF ini, pendidihan filem berlaku dan lapisan wap yang stabil terbentuk pada permukaan pemanas. Lapisan wap menebat pemanas, dan suhu permukaan meningkat dengan cepat (ke 200-300 darjah ) dan karamel, berkaramel dan terbakar. Kadar kakisan titanium dalam larutan gula adalah sangat rendah (< 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.

Bagaimana Penyelesaian Gula Terbakar
Fluks haba kritikal (CHF) ialah fluks haba maksimum di mana peralihan daripada pendidihan nukleat kepada pendidihan filem berlaku. Dalam pendidihan nukleat, buih-buih nukleus pada bintik-bintik, terpisah dan naik. Detasmen gelembung ditindas oleh kelikatan tinggi (10-100× air) dan tegangan permukaan (1.2-1.5× air) larutan gula. Buih lebih besar dan kekal lebih lama di permukaan, menggalakkan penyatuan awal menjadi filem wap. Filem wap menjadi stabil dan suhu permukaan meningkat pada aliran haba yang lebih rendah daripada dalam air. Suhu yang tinggi menyebabkan gula menjadi karamel (lebih 160 darjah) menghasilkan salutan berkarbon penebat yang kuat. Mendapan seterusnya melindungi permukaan, meningkatkan suhu kepada> 300 darjah di mana titanium teroksida dan pemanas terbakar. Kadar kakisan titanium dalam larutan gula (pH 5-7, 100-120 darjah ) adalah kurang daripada 0.01 mm/tahun dan dinding 1.5 mm akan bertahan > 150 tahun daripada kakisan sahaja.

Mengukur Risiko CHF dan Burnout dalam Penyelesaian Gula berbanding Air
Kepekatan Bendalir (Brix)Kelikatan @ 100ºC (cP) CHF (W/cm2) Ti licin CHF (W/cm2) Had Burnout Disyorkan Maks. Fluks Operasi (W/cm2)
Air 0 0.28 12-15 15-18 CHF 8-10
Larutan gula 20 1.5 10-12 12-15 CHF 6-8
40 15 7-9 9-11 Karamel 4-6
Larutan gula 60 80 4-6 6-8 Karamelisasi 3-4
Larutan gula 70 (pekat) 200 2-3 3-4 Pengkaramelan 1.5-2 Deposit karamel (selepas keletihan) T/AN/A < 1 T/T Deposit T/A
Pemanasan Larutan Gula: Panduan Berdasarkan Senario
Kepekatan Darjah Penyelesaian Gula BrixSuhu Operasi (C)Cadangan Fluks Haba Maks (W/cm2) Jangkaan Kadar Kakisan Titanium (mm/tahun)Faktor Penghad
20 100 6-8 < 0.005 CHF (habis-habis)
40 105 4-6 < 0.005 Karamelisasi 50 110 3-4 < 0.005 Karamelisasi 60 115 2-3 < 0.005 Karamelisasi 70 120 1.5-2 < 0.005 Kelikatan (aliran diperlukan)
gula cair (< 20° Brix) 100 8-10 < 0,005 CHF (as water)
Sebarang kepekatan peredaran paksaSebarang 2× di atas nilai < 0.005 Aliran meningkat CHF
Tebatan Kejuruteraan untuk Meningkatkan CHF dalam Penyelesaian Gula
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 darjah Brix). Permukaan licin mengurangkan lekatan mendapan karamel, yang membolehkan pemanas berfungsi pada fluks haba yang lebih tinggi sebelum pemendapan mendapan membawa kepada terlalu panas.

Kesimpulan: Burnout (CHF) Had Fluks Haba, Bukan Kadar Kakisan dalam Larutan Gula
Fluks haba maksimum untuk pemanas titanium semasa memanaskan larutan gula yang mendidih dihadkan oleh takat burnout (fluks haba kritikal) dan bukan oleh kadar kakisan titanium. Larutan gula tidak-menghakis kepada titanium (pH 5-7, kadar kakisan < 0.01 mm/tahun) dan boleh mengakibatkan hayat perkhidmatan > 100 tahun kerana kakisan sahaja. Walau bagaimanapun, kelikatan tinggi dan tegangan permukaan larutan gula mengurangkan CHF kepada 4-10 W/cm² (bergantung kepada kepekatan) berbanding 12-15 W/cm² untuk air. Operasi di atas CHF menyebabkan filem mendidih, suhu permukaan meningkat kepada 200-300 darjah, karamelisasi, hangus dan keletihan. Untuk larutan gula 40-60 darjah Brix, fluks haba maksimum yang disarankan untuk pendidihan atmosfera ialah 3-6 W/cm^2. Apabila peningkatan fluks haba diperlukan, permukaan yang kasar atau digilap boleh meningkatkan CHF sebanyak 20-100% dengan peredaran paksa. Sebagai contoh, apabila menggunakan pemanas titanium dalam perkhidmatan larutan gula, pembekal perlu mengetahui kepekatan larutan, keadaan aliran yang diramalkan, dan ketumpatan kuasa yang diperlukan untuk meramalkan CHF dan memilih rawatan permukaan untuk mengelakkan keletihan.